Любовь и смерть в живой природе. Брачные игры животных, обряды прощания и другие причуды биологии

1. Самый невероятный факт

Знаете ли вы, что некоторые бактерии создают электрические провода, которые работают по тому же принципу, что и наш мозг? Чтобы проверить, так ли это, давайте вернемся в прошлое на несколько миллиардов лет назад…

Блип-блип.

Где-то в кромешных глубинах океана, куда не проникают солнечные лучи, электрический импульс вспыхивает в неподвижности бездны. На самом дне под тяжестью толщи воды температурой 4°C скрыт провод – настолько крошечный, что он не заметен даже вооруженным глазом. Он пропускает сквозь себя электрический ток.

Блип.

Эта пульсация создана не человеком. Если вы приблизитесь, то увидите, что поверхность провода состоит из белков, а внутри нее активизируются ферменты. Этот провод – бактерия, которая живет, пропуская сквозь себя электроны.

Блип. Блип.

Во время клеточного дыхания наши клетки крадут электрон у молекулы (этот процесс называется окисление) и отдают его атому кислорода (восстановление). В результате высвобождается энергия, которая поддерживает жизнедеятельность организма. У нас все это происходит в отделе клетки, который называется митохондрия, на расстоянии нескольких микрометров.

Но электрические бактерии на дне живут в грунте с очень низким содержанием кислорода. Они придумали, как справляться с этой проблемой: бактерии создают провода длиной в несколько сантиметров прямо в осадке на дне и выбираются наружу там, где есть кислород. Электроны, отобранные у молекул веществ, которые содержатся в иле на дне, проходят через этот органический провод и передаются кислороду в океане, высвобождая энергию, которая поддерживает жизнь в бактериях из провода.

Блип. Блип. До 10 000 бактерий работают вместе, чтобы образовать эти провода, которые, в свою очередь, создают чрезвычайно плотные сети. Только представьте – электрические сети бактерий, которые буквально питаются электронами. Когда ученые открыли такие провода из бактерий, они испытали настоящий шок: по нашим масштабам, это все равно, как если бы две части нашего метаболизма эволюционировали на расстоянии 20 километров! На самом деле эти электрические бактерии были открыты не так давно, и вполне вероятно, что впереди нас ждет еще много сюрпризов. Более того, ученые выяснили, что бактерии Geobacter, которые не формируют совместные провода, а прокладывают нанопровода вокруг себя, нашли и другое применение электричеству. Они встречаются во многих экосистемах, в том числе и у нас во рту. Блип. Блип. Блип.

Вы читаете эти строки сидя или лежа. За это время ваши глаза передают мозгу невероятное количество визуальной информации. Сама книга перед вами, цвет бумаги или монитора, изящные иллюстрации на страницах – вся эта информация поступает прямиком в затылочную долю, в заднюю часть вашего черепа. Далее она направляется к веретенообразной извилине слева и к медиальной затылочно-височной извилине, где все эти закорючки превращаются в буквы. Эти зоны левого полушария, необходимые для чтения, не берут на себя всю работу: распознать смысл слов и вспомнить их произношение помогают лобная доля и височная доля. Посмотрите, как выглядит ниже идеограмма «мозг». Без информации, которая помогла бы расшифровать ее, вы увидите только рисунки – то же самое относится к буквам и словам в нашем языке.

Все эти электрические процессы занимают миллисекунды, и вы их даже не замечаете. Черточки, которые вы расшифровываете, приобретают смысл автоматически благодаря сложной нервной системе, происхождение которой насчитывает более миллиарда лет. Историю мозга отличает один существенный факт. Самый невероятный факт на свете.

Представьте себе безумного нейробиолога с ключами от машины времени. Что он увидит, отправившись прошлое? Ученый нажимает на кнопку, и – паф! – время бежит вспять. Первым делом биолог замечает, что мозг наших предков сужается. Объем мозга составляет 1350 см3, и он в два раза больше, чем у человека умелого (Homo habilis), который жил около двух миллионов лет назад. А его мозг в два раза больше, чем у нашего общего предка с шимпанзе – примата, который жил около восьми миллионов лет назад. Любопытный исследователь решает ускориться, и машина уносит его еще дальше в прошлое – на 550 миллионов лет назад. И он натыкается на нашего предка… который больше всего напоминает бесхребетного угря.

Ископаемые остатки наподобие пикайи (Pikaia gracilens) ученые обнаруживают и по сей день. Чтобы понять, как выглядел этот наш дальний родственник, достаточно посмотреть на таких ныне живущих существ, как ланцетник (Branchiostoma lanceolatum). Это небольшое мягкотелое морское животное отличается примитивной анатомией: подобие глаз и рот спереди, анус и плавник сзади.

Как и в случае с ланцетником – и впервые в истории эволюции, – пикайя обладала нервной системой, сдвинутой ближе к передней части тела, чем к задней. Образовался нарост – предшественник мозга. Процесс «цефализации» (от греч. kephale – «голова») произвел настоящую революцию.

Углубляясь все дальше в прошлое (уже примерно на 700 миллионов лет назад), наш путешественник во времени обнаруживает диффузные нервные системы: сеть скоплений нейронов – ганглиев, – равномерно распределенных по всему телу. Все они выполняют примерно одни и те же функции: позволяют ощущать окружающую среду и заставлять организм реагировать в зависимости от этих ощущений. Эти нервные узлы до сих пор обнаруживают у морских звезд или медуз. Биолог наблюдает эти первые наброски нервной системы и пытается проследить их будущее. Он решает, что, пожалуй, все-таки не станет ждать несколько сотен миллионов лет, пока эволюция не превратит эту примитивную нейронную сеть в мозг, способный читать научно-популярные книги. Но ученый любопытен и не собирается останавливаться на достигнутом.

Биолог отправляется в путь – к моменту возникновения самого первого нейрона, основы всей нервной системы. В эти самые секунды около 80–90 миллиардов нейронов, из которых состоит ваш мозг, коммуницируют посредством 100 миллиардов соединений[9] и координируются друг с другом, чтобы вы могли прочесть эту главу. Они отвечают и за дыхание, и за множество других жизненно важных физиологических процессов.

Путешествие нейробиолога еще далеко от завершения, ведь история мозга на этом не заканчивается. И действительно, гены, позволяющие нейронам приходить в состояние возбуждения и передавать электрический импульс, возникли задолго до того, как пикайя использовала свои ганглии, чтобы передвигаться наподобие волны. И даже задолго до того, как первые нейронные сети сформировались в студенистой плоти первых медуз. И, само собой, до того, как возникли многоклеточные организмы.

Гены путешествуют во времени, переходя от одной особи к другой на протяжении многих поколений, и некоторые ведут свой путь из глубин истории. Возраст горстки генов, необходимых для передачи электрического импульса нейронам, может насчитывать… четыре миллиарда лет.

Итак, прервемся на паузу. Читая эти строки, вы можете решить, что за этим неотвратимым движением от простого к сложному кроется чья-то невидимая рука, но в природе дело обстоит иначе. С одной стороны, эволюция не всегда стремится к сложности. Анатомия паразитов, которые представляют 40 % всех видов, существенно упрощается на протяжении поколений, как и их нервная система. С другой – и мы в этом еще убедимся на страницах книги – эволюция всегда движется методом проб и ошибок, это череда слепых процессов, которые в итоге разрешаются организованными системами только по той причине, что все это действо растягивается на очень продолжительное время.

Проблема в том, что наш язык укоренен в нашей повседневности, которая ориентирована на то, чтобы достичь целей: мы действуем с целью получить что-либо взамен, почти за каждым нашим действием стоит какая-то причина. То есть наша речь не очень подходит описывать те слепые процессы, которые не «знают», к чему они движутся, хотя в этой книге вы часто будете встречать формулировки с оттенком некой завершенности: «с течением эволюции возникло такое-то свойство…» или «этот организм в своем развитии движется к тому-то…»

Хотя я стараюсь по возможности избегать этих формулировок, не забывайте, что это скорее те ограничения, которые отличают наш способ выражать мысли, чем истинное описание процессов в природе! Гены не развиваются для чего-либо, бактерии ничего не хотят, но гораздо проще написать именно это, чем выдумывать витиеватые перифразы. На этом покончим с отступлением.

Гюроль Сюэль – исследователь Калифорнийского университета в Сан-Диего, он изучает биопленки из бактерий. В последние годы взгляд на бактерии как на обособленные организмы уступил место новой интерпретации: теперь мы знаем, что они способны организовываться в сообщества, в так называемые биопленки. Эти тонкие слои, состоящие из миллиардов особей, находятся повсюду: в океане, в нашем водопроводе, на листьях деревьев и даже на зубах в виде налета[10]. Сообща бактериям проще противостоять враждебной среде с помощью разделения труда: бактерии на поверхности выполняют функции защиты, а бактерии под ней берут на себя питание. Но любое сообщество требует коммуникации, и в 2015 году команда во главе с Гюролем открыла, что в пределах пленки бактерии способны общаться посредством электрических импульсов.

Бактерии вырабатывают ионы калия благодаря каналоподобным белкам, расположенным в их стенках. Затем ионы калия перемещаются к бактериям по соседству, которые выделяют еще больше ионов калия, и сигнал постепенно доходит до клеток на периферии.

Благодаря этому электрическому сигналу они передают информацию, которая используется, чтобы заморозить механизмы дупликации их сестер, когда запасы пищи подходят к концу. Эта система коммуникации бактерий является прообразом механизмов, действующих в нейронах[11]: в мозге человека они передают электрические сигналы, высвобождая (среди прочего) ионы калия за пределы клетки! Это создает разницу в электрическом заряде между внутренней и внешней частями клетки, и эта разница в полярности проходит через мембрану от одного конца нейрона к другому.

Этот сложный механизм, потенциал действия, работает благодаря каналам, похожим на те, которые высвобождают калий у бактерий. Эти каналы встречаются у всех живых организмов на планете: растений, грибов, животных, бактерий и так далее.

Биопленка глазами художника

Другими словами, эволюционное происхождение механизма в основе процесса чтения, которым вы заняты прямо сейчас, восходит к нашему общему с бактериями предку, который существовал несколько миллиардов лет назад.

Если взглянуть на этот факт с такого ракурса, то он заслуживает восклицания «Эврика!», как и любое откровение: вы же вот прямо сейчас читаете буквы, которые создают целую фразу! Ваши нейроны, объединенные в сложные специальные зоны, каждую секунду высвобождают ионы калия, как это делали наши предки миллиарды лет назад… и все это происходит при помощи тех же самых белков.

От одной мутации к другой возникали всё новые свойства, некоторые из них проходили отбор, одноклеточные организмы становились многоклеточными, развивались новые нейроны и так далее.

И одновременно со всем этим один ледниковый период сменялся другим, метеориты опустошали целые континенты, а извержения супервулканов изменяли состав атмосферы нашей планеты. Затем образовались нейронные сети – сначала простые, а затем сложные, голова, мозг, специализированные области, – и вот все это наконец проходит перед вашими глазами при помощи замысловатых черточек на клочке бумаги…

Все вышеизложенное – лишь попытка очертить ту глубину времен, из которой происходят такие свойства человеческого организма, как мозг или нейроны. На самом деле любая другая часть нашего тела может рассказать подобную историю. Наш пищеварительный тракт, наши глаза, кожа и зубы также следовали невероятными эволюционными траекториями, пока мы наконец не приобрели их в нынешнем виде. На самом деле то же самое можно сказать о любом признаке любого другого живого существа на планете. Листья папоротника, вомероназальный орган у рептилий и млекопитающих, который реагирует на феромоны, ротовые органы тихоходок в виде стилетов – все эти органы формировались постепенно, и их происхождение в большей или меньшей степени соотносится с нашим.

Изучая происхождение унаследованных организмами свойств, на самом деле мы проливаем свет на их родство. Наша нервная система делит свое происхождение с нервной системой позвоночных и еще шире – всех животных, но также восходит и к бактериям докембрия.

Урок эволюционной биологии, а особенно того ее раздела, который занимается построением родственных связей между всеми живыми существами (филогенетики), стоит того, чтобы задуматься над ним. Например, именно благодаря ему мы знаем, что бумага, на которой напечатана эта книга, является переработанной частью нашего дальнего родственника, с которым мы разошлись 1,5 миллиарда лет назад.

То же самое относится к организмам, которые прямо в эти секунды прыгают по вашим ресницам, – они тоже наши дальние родственники – или любому другому живому существу на планете. У вас есть общий предок с молотым кофе, который вы утром залили кипятком, с бактерией, ответственной за ваше последнее пищевое отравление, и так далее: в конечном счете, мы все имеем общего предка. Все живые существа принадлежат к одному гигантскому генеалогическому древу, корни которого уходят в саму жизнь – вплоть до универсального предка всех современных форм жизни.

Сопоставив гены, общие для всех организмов, мы можем не только представить себе, как выглядел этот последний универсальный общий предок (LUCA, Last Universal Common Ancestor), но и определить, когда он жил. По последним подсчетам, его возраст составляет 4,5 миллиарда лет назад, то есть он приходится на катархейское время.

Этот кошмарный период, когда поверхность Земли была изрыта метеоритами, окутана невыносимой жарой и пропитана всепроникающей радиацией, был родным домом для нашего нереально крутого предка – все эти условия совершенно не мешали ему процветать и размножаться. С тех пор его потомки приобрели множество биологических способностей (некоторые, например, позволяют нам читать), и я считаю, что уже просто быть звеном этой непрерывной цепи живых существ, участвовать в этой генной эстафете, которая не прерывается уже несколько миллиардов лет, – факт решительно невероятный.

2. Мы ничего не знаем о жизни

Что такое жизнь? Все просто: это все то, что живет, как и мы с вами. И тем не менее большинство ученых и по сей день продолжают ломать голову над этим вопросом.

Некоторым людям повезло освоить профессию с очень классным названием: офицер планетарной защиты. Их задача – следить за тем, чтобы различные объекты, которые мы отправляем на другие тела Солнечной системы (зонды, планетоходы и всякие накрахмаленные флаги[12]), не несли на себе земные организмы и не загрязняли их земными формами жизни. Поэтому большая часть их рабочего времени уходит на стерилизацию каждой детали тех объектов, которые отправятся «наверх», – особенно тех, что полетят к тем небесным телам, где могут обитать формы жизни, отличные от нашей: Марс, Энцелад[13] или Европа[14].

Действительно, существует нравственный аргумент в пользу защиты космических объектов от потенциального загрязнения земными организмами. Некоторые даже считают, что для того, чтобы избежать малейшего риска, стоит вводить космический карантин[15] наподобие «Первой директивы» в сериале «Звездный путь». Она подразумевала бы запрет на отправку зонда до тех пор, пока мы не будем на 100 % уверены, что мы не вмешиваемся таким образом в развитие других форм жизни. Персонажи «Звездного пути» столько же раз отстаивают это правило, сколько и нарушают его, и мы тоже не колеблемся перед отправкой в космос самых разных роботов. Но нас должен беспокоить другой, более земной вопрос: а сможем ли мы распознать иную форму жизни, если она окажется прямо перед нами?

В 1976 году полозья аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2» коснулись красного гравия планеты Марс. Путешествие к красной планете заняло около года, после чего каждый робот приступил к четырем различным экспериментам. Однако у всех них была одна цель – собрать для исследователей достаточно информации для ответа на главный вопрос: есть ли жизнь на красной планете?

На борту обоих «Викингов» находились хроматограф и масс-спектрометр – инструменты для химического анализа грунта и обнаружения в нем органических молекул. Инструментами измеряли перенос газов между почвой и атмосферой (дышат ли марсиане?), способность этих гипотетических организмов к фотосинтезу, а также есть ли метаболизм у марсиан.