Читать книгу Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски - Страница 5

Несколько лет назад я получил возможность поработать на исследовательском судне на Черном море, у северного побережья Турции. Черное море – поразительный и уникальный водоем: ниже приблизительно 150-метровой отметки в нем нет кислорода. Задачей моей работы было изучить фотосинтезирующие бактерии в верхнем 150-метровом слое.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию солнечного света для строительства новых клеток. В любой части Мирового океана существуют микроскопические фотосинтезирующие организмы – фитопланктон, которые продуцируют кислород. Они являются предшественниками высших растений, но появились на Земле значительно раньше. Через несколько дней плавания инструмент, который моя исследовательская группа использовала для распознавания фитопланктона (особый тип флюорометра, который мы разработали уже много лет назад), зафиксировал странные сигналы, каких никто из нас прежде не видел. Сигнал исходил с довольно большой глубины – как раз из той части водной толщи, где никакого кислорода уже нет и освещенность очень низкая. В процессе дальнейшей работы я понял, что организмы, испускающие этот странный флюоресцентный сигнал, обитают в очень тонком слое воды – толщиной, возможно, не более метра. Это были фотосинтезирующие бактерии, но в отличие от фитопланктона, обитающего в верхней части водной толщи, они не могли продуцировать кислород. Эти бактерии были представителями древнейшей группы организмов, возникших в процессе эволюции задолго до фитопланктона. Они были реликтовыми представителями того времени, когда кислород еще не появился на нашей планете.

Работа на Черном море оказала глубочайшее влияние на мои представления об эволюции жизни на Земле. Отбирая образцы из все более глубоких слоев водной толщи, я мысленно возвращался вспять во времени, обнаруживая микроорганизмы, некогда населявшие все океаны, а сейчас ограниченные лишь очень малой частью своего прежнего местообитания. Организмами, испускавшими тот странный флюоресцентный сигнал, оказались фотосинтезирующие зеленые серные бактерии – облигатные анаэробы. При помощи энергии Солнца они расщепляют сероводород (H2S) и используют образовавшийся водород для производства органических соединений. Эти организмы могут жить при очень низком уровне освещенности, но не переносят даже весьма незначительного присутствия кислорода.

На протяжении нескольких последующих недель, курсируя по Черному морю с целью сбора образцов в различных его частях, мы наблюдали стаи дельфинов и рыб в верхних слоях воды, но ниже приблизительно 100-метровой отметки многоклеточные организмы отсутствовали. Животная жизнь не может долго существовать без кислорода, а здесь, на глубине, он исчезал. Бактерии преобразовали экосистему Черного моря: в верхнем 100-метровом слое они продуцировали кислород, но в более глубоких слоях, наоборот, поглощали его. Таким образом они сделали бассейн Черного моря своей уникальной экологической нишей.

Рис. 1. Теоретический график распределения кислорода и сероводорода (газа с запахом тухлых яиц) в верхнем 300-метровом слое Черного моря. В Мировом океане этот водоем является уникальным. В большинстве океанических и морских бассейнов кислород прослеживается вплоть до самого дна. Здесь же, чуть ниже отметки, куда проникает лишь 1 % солнечного света, приходящего на поверхность, существует очень тонкий слой фотосинтезирующих бактерий, которые при помощи солнечной энергии расщепляют сероводород, используя его для своего роста. Метаболизм этих организмов чрезвычайно древен; вероятно, он возник более трех миллиардов лет тому назад, когда концентрация кислорода на поверхности Земли была еще чрезвычайно низкой

Проведя в море почти месяц, я наконец вернулся в стамбульский порт, где принялся восхищаться турецкими коврами. Гора Арарат в северо-восточной части Турции славится своими ткаными коврами, на которых изображена история Ноева ковчега. Изготавливаемые в этом регионе килимы представляют собой богато украшенные гобелены с вытканным рисунком в виде пар жирафов, львов, обезьян, слонов, зебр и всевозможных других знакомых нам животных. Глядя, как торговцы разворачивают свой товар, и прихлебывая бесконечно предлагаемый ими сладкий чай, я принялся размышлять над тем, как история ковчега повлияла на формирование нашего искаженного представления о жизни на Земле. С одной стороны, это история о разрушении и воскресении. С другой – она повествует о том, как Бог поручил людям присматривать за природой. Ни в том, ни в другом случае микробы не упоминаются ни как создатели, ни как разрушители жизни.

Слово «эволюция» буквально означает «развертывание», но, глядя, как торговец разворачивает передо мной свои восхитительные ковры, я понял, что библейский рассказ о ковчеге не дает нам ключа к пониманию того, как эволюционировала жизнь. Вся ли существовавшая на Земле жизнь была сохранена Ноем? Возможно ли, что какие-то организмы не были взяты в ковчег? Хотя история ковчега глубоко укоренилась в западной культуре, она не может служить источником информации о происхождении жизни. Чтобы подступиться к пониманию происхождения жизни, нам необходима другая перспектива, основанная на науке, и в особенности на тех ее разделах, что касаются эволюции микроорганизмов.

Наука в большой степени является искусством находить в природе закономерности. Для этого требуется терпеливое наблюдение, но мы неизбежно подпадаем под влияние наших чувств. Человек – животное визуальное, и наше восприятие мира базируется главным образом на том, что мы видим. А то, что мы видим, определяется тем, какие инструменты у нас есть под рукой. История науки тесно связана с историей изобретения новых орудий, позволяющих видеть вещи в другой перспективе, однако парадоксальным образом изобретение новых инструментов зависит от того, что мы видим. Если мы не видим какой-либо вещи, мы, как правило, выпускаем ее из внимания. Так и микроорганизмы долгое время оставались вне поля зрения, в особенности в том, что касается их роли в истории эволюции.

Первые несколько глав современной истории эволюции жизни на Земле были написаны в основном в XIX столетии учеными, изучавшими ископаемые останки животных и растений – останки, которые они могли с легкостью видеть. Наблюдавшиеся ими природные закономерности не учитывали микроорганическую жизнь по двум простым причинам: горные породы не содержали заметных ископаемых останков микроорганизмов, а при наблюдении за живыми организмами нельзя было с легкостью различить закономерности микробиотической эволюции. Инструментов для обнаружения ископаемых микроорганизмов почти не существовало; да и в любом случае, даже если бы они и были, роль этих организмов в формировании эволюции Земли не могла быть оценена до тех пор, пока в последующие десятилетия не стали доступны другие, более совершенные инструменты. Закономерности эволюции, наблюдавшиеся для животных и растений, были исторически выведены из формы и размеров их останков, а также расположения этих останков в геологическом времени. Применительно к микроорганизмам такой подход далеко не настолько действен.

В целом то, что мы не замечали микроорганизмы – как в буквальном, так и в переносном смысле, – исказило наше представление об эволюции более чем на столетие, и включение микроорганизмов в нашу картину эволюции еще до конца не завершено. Наука – не просто искусство обнаружения закономерностей в природе (что само по себе достаточно трудно). Она требует умения находить закономерности, которые не видны невооруженным глазом.

Однако, прежде всего, давайте вкратце рассмотрим историю эволюции, какой она виделась в XIX столетии. Именно тогда были сформированы многие из наших нынешних научных концепций относительно жизни на Земле. Эти идеи во многом основывались на том, что можно было понять в рамках библейских историй о сотворении мира, включая историю о потопе и том, как Ной позаботился о Божьих созданиях, – историй, подобных тем, что были вытканы на турецких коврах.

В начале 1830-х годов дворянин-ученый Родерик Импи Мурчисон и харизматичный кембриджский профессор Адам Седжвик сообщили о находке окаменелых останков животных в толще земли в Уэльсе. Окаменелости были известны уже на протяжении нескольких веков, однако их значение не было до конца ясно. Многие понимали, что это отпечатки организмов, погибших очень давно, – однако насколько давно, никто не мог сказать; оставалось неясным и то, каким образом эти отпечатки сохранились.

Седжвик был одним из ведущих английских специалистов по окаменелостям, а одним из студентов, посещавших его лекции, был Чарльз Дарвин. Летом 1831 года Дарвин, которому на тот момент едва исполнилось двадцать два года, отправился вместе с Седжвиком на экскурсию в Северный Уэльс, чтобы своими глазами посмотреть на ископаемые останки. Эта поездка перевернула жизнь Дарвина навсегда. Он не только помогал Седжвику искать среди камней останки животных – при этом он также изучил основные принципы геологии, и эти способности к наблюдению не раз сослужили ему хорошую службу на протяжении его дальнейшей жизни.

Окаменелости, подобные тем, что были найдены Седжвиком и Мурчисоном в Англии и Уэльсе, встречались также и в других частях Европы, в результате чего начала получать распространение система классификации, основанная на рядах сходных ископаемых останков. Зачастую внешний вид ископаемых животных напоминал знакомых нам жителей океана – моллюсков, ракообразных или рыб; наружность других, однако, была невероятно причудливой – они не были похожи ни на каких обитателей современных океанов. Относительно значения этих ископаемых кипели бурные дискуссии, но в любом случае эти открытия недвусмысленно предполагали серию последовательных изменений внешнего вида животных в толщах, сформированных этими древними морскими отложениями, – от нижних слоев к слоям, залегающим выше. В то время уже в основном сформировалось представление о том, что горные породы, залегающие в разрезе более глубоко, образованы раньше, нежели вышележащие.

Обнаружение в толще горных пород ископаемых животных едва ли можно было назвать новостью. Вероятно, самое знаменитое из первых описаний ископаемых останков было сделано датским ученым Нильсом Стенсеном (Николасом Стено) в 1669 году. Он обнаружил среди горных пород в Италии объекты, весьма напоминавшие зубы акул, и задался вопросом, каким образом окаменелые останки, принадлежавшие некогда жившим организмам, могли так хорошо сохраниться. Стенсен, однако, принял во внимание то, каким образом ископаемые были расположены в толще горных пород. Отложения залегали слоями, и ученому пришла в голову мысль о том, что более древние слои должны залегать ниже более молодых. Это представление, названное впоследствии принципом суперпозиции, является одним из базовых законов седиментологии. Оно сильно повлияло на интерпретацию найденных окаменелостей Седжвиком более сотни лет спустя. Сам Стенсен в конце концов забросил науку и обратился в лоно Церкви, решив посвятить свою жизнь Богу. Его ранние работы, посвященные окаменелостям, были почти полностью забыты, а сам он продолжал верить в то, что жизнь на Земле зародилась так, как это описано в Книге Бытия.

На мой взгляд, логический вывод о том, что сохранившиеся в горных породах останки расположены в некоем соответствии с временной шкалой, был удивительным прозрением, однако его было не так легко обосновать, поскольку в то время еще не были доступны базовые геологические данные. В значительной мере задача выявления закономерностей в окаменелых останках дожидалась великого ума Чарльза Лайеля, одного из интеллектуальных наставников и близкого друга Дарвина. Лайель, шотландский адвокат, ставший натуралистом, часто именуется первооткрывателем нового научного направления, которое он назвал геологией. Подобно Стенсену, Лайель понял, что в залегании ископаемых останков есть логическая последовательность; однако в отличие от Стенсена он занялся истолкованием геологических процессов, таких как эрозия, вулканизм и землетрясения, чтобы с их помощью объяснить эту наблюденную им последовательность. Фактически именно его истолкование расположения ископаемых останков в толщах горных пород позднее побудило Дарвина задуматься над тем, как организмы изменяются с течением времени. Длившаяся всю жизнь дружба между Лайелем и Дарвином была легендарным примером научного сотрудничества.

Двадцать седьмого декабря 1831 года началось знаменитое путешествие Дарвина на экспедиционном судне королевского флота «Бигль» – десятипушечном бриге длиной в девяносто футов и с командой в семьдесят четыре человека на борту. В качестве спальни Дарвину отвели чрезвычайно тесную кают-компанию, где ему было позволено держать лишь очень немного книг. Он спал в гамаке в комнатке размером 9 на 11 футов с потолком на высоте 5 футов – там было темно и неуютно, к тому же ему приходилось делить помещение с другими. Среди прочих вещей, которые Дарвин взял с собой, был и первый том первого издания новой книги Лайеля «Принципы геологии», опубликованной в 1830 году, а также его личный экземпляр Библии короля Иакова. На судах, где мне приходится работать, я имею возможность ежедневно принимать горячий душ, и, хотя иногда я вынужден жить в тесной каюте вместе с другими людьми, на большинстве исследовательских судов имеется библиотека. Учитывая условия на «Бигле», возможно, не стоит особо удивляться тому, что Дарвин, ссылаясь на морскую болезнь, стремился при любой возможности сойти на берег и пешком покрывал значительные расстояния, чтобы встретить «Бигль» в следующем порту назначения.

Лайель взял на себя нелегкую задачу объяснить заинтересованной публике, как останки одинаковых живых организмов могли оказаться и в Альпах в Центральной Европе, и в холмах Шотландии, а также повсюду на Британских островах. Прежде всего надо было объяснить, как и когда эти останки образовались.

На протяжении столетий было выдвинуто несколько гипотез на этот счет. Одна из них, появившаяся еще в Средние века, гласила, что Бог создал камни похожими на знакомых нам животных, чтобы испытать веру своей паствы. Как бы абсурдно это ни звучало, такое представление до сих пор имеет множество приверженцев, особенно в некоторых областях Соединенных Штатов. Вторая идея заключалась в том, что в древности произошло извержение вулканов, вынесшее животных из океанов на сушу, где они погибли, в результате чего их скелеты оказались запечатлены в камне. Третья гипотеза гласила, что эти животные умерли после Великого потопа, когда уровень океана понизился. И действительно, идея о дилювиальном (то есть потопном) происхождении органических останков приходила в голову и самому Седжвику. Существовало и несколько других гипотез, которые Лайель перечисляет обстоятельно и с подробностями, как адвокат, представляющий дело в суде.

Лайель выдвинул революционную идею: останки морских животных оказались в скальных породах на суше потому, что много лет назад сами эти скалы находились под водой. С течением времени произошел их подъем, и они оказались на суше. Это предположение, проверенное множеством различных способов, оказалось действительно верным, хотя процессы, в результате которых стало возможным такое перемещение, были открыты лишь более чем через сто лет после смерти Лайеля. Одной из главных проблем, вставших перед Лайелем, было определение возраста Земли. Насколько давно было это «много лет назад»?

Возраст Земли был скрупулезно высчитан Джеймсом Ашером, архиепископом Армагским, в его книге Annales Veteris Testamenti, опубликованной в 1654 году. Практически каждый образованный британский гражданин того времени считал, что в ней дано наиболее точное определение времени сотворения мира. Основываясь на буквальной интерпретации Библии, Ашер определил, что Земля была образована вечером в воскресенье, предшествовавшее 23 октября 4004 года до н. э. по юлианскому календарю, то есть около 6000 лет тому назад.

Будучи юристом, Лайель поднаторел в ведении дискуссий, поэтому его забавляло то, как некоторые нелогичные, а порой и иррациональные идеи использовались, чтобы объяснить существование ископаемых животных и изменение их внешнего вида. Понимая могущество аргументированного спора, он писал: «…система схоластических диспутов, поощряемая в средневековых университетах, к несчастью, породила в людях привычку к неограниченным дебатам, так что они зачастую предпочитали защищать абсурдные и сумасбродные положения, поскольку это требовало большего мастерства; результатом и целью подобных интеллектуальных сражений была лишь победа, но не истина». Однако даже самый одаренный адвокат не может выиграть спор против записанного слова Божия.

Лайель понятия не имел, каковы могут быть законы эволюции и тем более как можно измерять геологическое время. Он решил, что теория Жана-Батиста Ламарка о том, что характерные черты приобретаются животными на протяжении жизни и затем каким-то образом передаются будущим поколениям, не хуже любой другой и в любом случае более разумна, чем большинство других. Фактически исследования Ламарка, посвященные видам животных (он был ведущим мировым авторитетом по животным, не имеющим хребта, то есть беспозвоночным), привели его к предположению о том, что организмы могут быть выстроены вдоль временной оси – от простейших к наиболее сложно устроенным. Это Ламарк выдвинул идею о том, что организмы каким-то образом изменяются с течением времени, то есть эволюционируют. Хотя сейчас его работы чаще всего подвергаются незаслуженным насмешкам или игнорируются в учебниках и на уроках биологии, в действительности именно Ламарк был интеллектуальным отцом науки, которую он назвал биологией.

Мысль о том, что ископаемые останки животных распределены в слоях горных пород вдоль временной оси, привела Дарвина к размышлениям о жизни на Земле в таких временных масштабах, какие он едва мог помыслить и практически не мог оценить. Если древнейшие останки находятся на глубине многих метров под другими, сколько времени могло уйти, чтобы сверху отложились такие толщи?

Дарвина приводили в чрезвычайное недоумение самые ранние отложения, обнаруженные Мурчисоном и Седжвиком. Он знал, что ниже слоев горных пород, содержащих останки животных, находятся слои, в которых останков нет, но не мог понять почему. Казалось, будто летопись органической жизни появляется из ниоткуда; эволюция организмов выглядела относительно быстрой. Однако насколько быстрой? И почему ни с того ни с сего в отложениях вдруг появляются останки рыб, в то время как в нижних слоях можно найти лишь организмы, похожие на беспозвоночных? А если посмотреть еще глубже: почему там вообще нет останков живых организмов? Все это походило на геологический эквивалент разворачивающегося турецкого ковра с изображением истории ковчега, однако здесь на половине или большей части ковра не было никаких животных. Дарвин должен был разъяснить эти вопросы сначала для самого себя, а затем для своих коллег. Чтобы найти на них ответы, ему было необходимо датировать горные породы, а для этого ему нужны были часы.

Седьмого сентября 1859 года впервые прозвонил колокол Биг Бен на часовой башне здания парламента. Эти куранты, отличающиеся тщательностью отделки и необычайной точностью, стали символом английского технического гения и мастерства на заре промышленной революции. Спустя два месяца после этого исторического события – 24 ноября, если быть точным, – Джон Мюррей III, почтенный лондонский издатель с Албемарл-стрит, выпустил в свет новую книгу Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь».

В девятой главе «Происхождения видов» (более позднее сокращенное название книги) Дарвин делает попытку подсчитать время, требовавшееся вымершим животным для того, чтобы измениться, или эволюционировать, до состояния современных форм. Эта задача не была прямолинейной. Лайель и его предшественник шотландский врач Джеймс Хаттон предполагали, что возраст Земли бесконечно велик. Дарвин не мог знать, верна ли эта гипотеза, но он, несомненно, считал, что Земля старше 6000 лет. Чтобы получить более реалистичную датировку, он разработал довольно интересный, можно даже сказать совершенно новаторский подход к измерению геологического времени.

Часы Дарвина основывались на геологическом феномене – скорости выветривания осадочных пород, а именно того их вида, в котором содержались органические останки. Для наблюдений Дарвин избрал Вельд – хорошо изученный берег Кента, обрывающийся в море утесом, состоящим из меловых и песчаниковых отложений. Дарвин подсчитал, что это образование выветривается со скоростью приблизительно один дюйм за столетие, и, принимая во внимание размеры утеса в то время, определил, что «на денудацию Вельда должно было потребоваться 306 662 400 лет, или круглым счетом триста миллионов лет».

Дарвин не принял во внимание время, потребовавшееся на формирование самого утеса, но это была незначительная деталь. Более того, он не стал рассматривать и породы, залегавшие ниже Вельда, наличие которых лишь делало утес еще более древним, а возможно, и бесконечно древним, по Лайелю. Дарвиновская оценка возраста утеса, конечно же, была смелым умозаключением и в отсутствие других ограничений, несомненно, основывалась на рациональной, физически проверяемой концепции. Вывод был очевиден: Земля невероятно стара – гораздо, гораздо старше, чем по расчетам Ашера, и гораздо старше, чем большинство людей в то время могли себе представить. И если время возникновения жизни на Земле оставалось не определенным (оно не определено и по сей день), тот факт, что под вышележащими слоями существовали породы, не содержащие органических останков, свидетельствовал о том, что оценка Дарвином возраста Земли была еще довольно скромной.

Тем не менее миллионы лет – не тот возраст, который указан в Библии, и он, разумеется, не соответствовал тому, чему тогда учили в школах. Конечно, Дарвин понимал, что его оценка будет встречена скептически, но он и предполагать не мог, во что это выльется. Помимо того что Дарвин вступил в противоречие с освященными библейским авторитетом вычислениями, сделанными в XVII веке архиепископом Армагским, предложенный им возраст Земли подвергся нападкам его собрата-ученого, «Эйнштейна» тех дней, физика Уильяма Томсона, позднее ставшего лордом Кельвином. Томсон задался целью исправить датировку, базируясь на основных принципах физики.