Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
К началу XIX века ученым удалось выделить ряд химических веществ, которые они сочли специфическими для живого. Эти соединения были обнаружены только в живых существах и более нигде. Среди таких веществ была и мочевина, содержащаяся в моче и придающая ей желтую или коричневую окраску[8].
Тут-то и пробил час Вёлера. В 1824 году ученого поставили в тупик белые кристаллы, полученные им в одном из экспериментов. По прошествии четырех лет Вёлеру удалось наконец выяснить, что это мочевина[9]. Здесь важно вот что: он получил мочевину из хлорида аммония – вещества, не имеющего с живым ничего общего.
Не вполне очевидно ни то, насколько этот опыт опроверг витализм, ни то, полагал ли так сам Вёлер, но удар по витализму был, безусловно, нанесен. Ведь если из неорганических и никак не связанных с живым веществ удалось получить одно из “исключительно биологических” веществ, то естественно было предположить, что это сработает и в иных случаях. Однако нельзя сказать, что интерпретация Вёлером собственных результатов была такой уж опасной для витализма. Скорее всего, представление об опровержении витализма его экспериментами возникло позже, в комментариях других ученых. Этот так называемый “миф Вёлера” описал историк науки Питер Рамберг[10]. К 1930-м годам сложилось мнение, будто Вёлер, многократно пытавшийся получить мочевину из различных других веществ, делал это, намереваясь опровергнуть витализм. Но сам Вёлер, кажется, такой цели не ставил.
Однако оставим в стороне споры историков – ведь для отказа от учения витализма можно найти причины и получше. Говоря без обиняков, витализм отвечает на вопрос о природе жизни весьма уклончиво. Он не пытается объяснить ее (жизни) уникальные особенности, а просто снабжает живую материю ярлыком исключительности. Предполагая существование особой энергии, которую нельзя ни зафиксировать, ни даже строго определить, но которая при этом должна превращать неживую материю в живые организмы, мы отнюдь не объясняем суть живого, а оказываемся лицом к лицу с новыми вопросами. Какова природа этой энергии? Откуда она берется и каким образом может влиять на живые организмы, не будучи при этом зафиксированной приборами или в ходе какого-либо эксперимента[11]?
Теперь давайте представим себе, что “энергия жизни”, или “субстанция жизни”, все же существует. В таком случае мы теоретически могли бы извлечь эту самую élan vital[12] из живого организма (тем самым убив его) и перенести ее во что-то неживое, вроде камня или, скажем, плюшевого мишки. Тогда этому неодушевленному предмету не оставалось бы ничего иного, кроме как ожить. Едва ли нужно говорить, что ожившие плюшевые медведи существуют лишь в рассказах о Винни-Пухе или в “Акире”[13]. Стало быть, мир устроен как-то по-другому.
Ко всему прочему эту идею опровергает “бритва Оккама” – принцип, который предлагает объяснять неизвестное, используя как можно меньше новых предположений. Согласно ему нам следует “плодить” новые формы энергии только в том случае, если без этого никак не обойтись, а все попытки объяснить жизнь лишь на основе уже известных явлений потерпели неудачу. И колоссальный прогресс, достигнутый за последние столетия в биологии, показал, что нам нет нужды предполагать нечто совершенно новое.
Однако же поколебать позиции витализма оказалось непросто. Дело в том, что он взывает к самым базовым и интуитивным из наших представлений, причем даже в тех случаях, когда нам следует скорее слушать свой ум. Поэтому еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур пытался доказать существование некоей “биотической энергии”, которая по сути была просто ребрендингом витализма. В своей книге “Происхождение и природа жизни” (The Origin and Nature of Life) Мур проводил аналогию с открытой незадолго до того радиоактивностью. Он полагал, что если атомы могут таить в себе “странную новую форму энергии”, то это вполне вероятно и для живой материи[14]. В ответ на подобные заявления следует немедленно требовать прямых доказательств существования этого “нового типа энергии”. Но никаких доказательств представлено не было.
Понять, почему витализм так очаровывает, довольно легко. Каждый из нас чувствует, что в живом таится нечто особенное и ценное, и потому мы неохотно воспринимаем противоречащие этому идеи. Холодными и даже бесчеловечными кажутся нам утверждения о том, будто в живой материи нет ничего удивительного. Помимо особой “жизненной энергии” мы способны назвать и другие примечательные свойства живого. Современная наука уверенно утверждает: живые существа состоят ровно из тех же атомов, что и, скажем, камни или ароматические свечи. Различия здесь скорее касаются не химического состава, а порядка соединения атомов в молекулы и особенностей их движения. Слон, разумеется, состоит только из углерода и нескольких десятков других химических элементов, но никто не сможет, всего лишь глядя на их список, предположить существование необычайно мудрого слоновьего матриархата. Чтобы осознать, чем жизнь является в действительности, нам стоит посмотреть на нее с разных сторон. Информатик Стив Гранд в своей книге “Сотворение” (Creation), где он описал собственный опыт создания искусственной жизни на компьютере, предложил очень удачную формулировку: “Жизнь – это нечто большее, чем простой механизм, хотя это просто механизм и больше ничего”[15].
В наши дни представления о живой силе уцелели в альтернативной медицине, где их обычно маскируют под “древнюю мудрость”, – скажем, под китайскую концепцию энергии ци (именно на ней основана акупунктура). Поразительно, но витализм пробрался и в научную фантастику. Повелители времени в сериале “Доктор Кто” располагают особой “энергией регенерации”, позволяющей им сменить тело в случае смертельного ранения. Сериал подает эту идею довольно буквально: в вышедшем в 2013 году эпизоде “Время Доктора” у главного героя оказывается израсходована вся энергия регенерации, из-за чего он находится при смерти. К счастью, ему удается получить “энергетическую добавку” и вернуть себе способность регенерироваться. Конечно, “Доктор Кто” – далеко не эталон научной правдоподобности, однако тот же художественный прием использует и куда более серьезный “Вавилон 5”, где показана машина, могущая переносить жизненную энергию от одного персонажа к другому. Несмотря на то, что здесь эти идеи помещены в футуристический антураж, в основе своей они очень примитивны.
Помимо витализма, несостоятельность которого была очевидна многим ученым, существовала и другая причина игнорировать проблему возникновения жизни. Имеются в виду бытовавшие тогда представления о непрерывности самозарождения жизни. Идея “спонтанного зарождения”, подобно идее витализма, тоже распространена в различных культурах – например, в христианстве (“И произвела земля зелень, траву, сеющую семя по роду ее, и дерево, приносящее плод, в котором семя его по роду его”) или в китайских священных текстах. Обычно, хотя и не всегда, такое спонтанное зарождение происходит при участии какого-то божества.
Легко догадаться, откуда взялась мысль о самопроизвольно возникающей жизни. Стоит нам оставить кусок мяса на несколько дней в теплом месте, как в нем заводятся личинки мух. И если мы не будем тщательно следить за мясом, то не увидим, как туда попали яйца насекомых. Создается впечатление, будто личинки возникли сами по себе, только благодаря источнику пищи, который и выманил их в наш мир. Практически все начнет плесневеть или гнить, если будет достаточно долго предоставлено само себе. Вот почему кажется, что жизнь постоянно зарождается заново. Аристотель в своей “Истории животных” раскладывает весь процесс по полочкам: “Одни из животных происходят от животных соответственно родству форм, другие сами собой, без родителей, причем или возникают из гниющей земли и растений, что часто происходит у насекомых, или в самих животных, из выделений их частей”[16].
Вообще-то витализм и спонтанное зарождение противоречат друг другу. Если живые организмы действительно зарождаются из грязи, то откуда жизненная сила берется в ней самой? Ведь грязь живой не является и, стало быть, источником жизненной энергии служить не может. И все же многие умудряются сочетать одно с другим.
Так или иначе, но примерно в середине XIX века[17] ученые принялись подвергать самопроизвольное зарождение критике. Тогда биологам стали известны жизненные циклы паразитических червей и выяснилось, что они вовсе не возникают в кишечнике человека путем спонтанного зарождения. Это был сокрушительный удар по одному из главных аргументов в пользу спонтанного самозарождения жизни. Оказалось, что черви не “берутся из ниоткуда”, а вполне себе имеют родителей. Одновременно разгорелись яростные споры о природе болезней вроде холеры (как мы теперь знаем, их причиной являются микробы), а также процессов разложения и ферментации.
В довершение всего эти вопросы приобрели еще и политическую окраску. Веками христианская церковь пестовала идею о спонтанном зарождении – и святой Августин, и святой Фома Аквинский написали обширные трактаты, где “подгоняли” его под христианскую теологию. Августин был убежден, что Бог наделил Вселенную потенциальной возможностью создавать новую жизнь – и потому она продолжает возникать вновь и вновь. Фома Аквинский, в свою очередь, считал возникновение каждого нового живого существа очередным божественным чудом сотворения. Однако к XVII веку догма обновилась и церковь начала отвергать самопроизвольное зарождение. Вера в него стала ассоциироваться с атеизмом и в конечном счете оказалась связанной с антиклерикальными идеями французской революции[18].
Всеми этими противоречиями воспользовался французский натуралист Феликс Архимед Пуше, директор Музея естественной истории в Руане. В 1858 году он опубликовал статью с описанием экспериментальных доказательств самопроизвольного зарождения жизни[19]. Пуше поместил сено в воду, где оно оставалось до тех пор, пока не получился своего рода “сенной настой”. Далее он прокипятил его, чтобы убить все микроорганизмы, и наконец подверг эту жидкость действию очищенного воздуха, который предполагался стерильным. Все это происходило под защитным слоем жидкой ртути, перекрывавшей микроорганизмам путь в жидкость.
Несмотря на меры предосторожности, поверхность настоя все же покрылась плесенью. Пуше утверждал, что, поскольку он удалил все потенциальные источники доступа для живого, плесень в настое могла образоваться только за счет самопроизвольного зарождения. На следующий год он опубликовал книгу “Гетерогенез, или Трактат о спонтанном зарождении” (Heterogenesis, or Treatise on Spontaneous Generation), где отстаивал полученные результаты[20].
Это не слишком понравилось Французской Академии наук. Она предложила вознаграждение в 2500 франков тому, кто “путем должным образом проведенных экспериментов прольет свет на вопрос о так называемом самопроизвольном зарождении”. Это “так называемое” появилось здесь неспроста: академия давала понять, что идеи Пуше ей не импонируют.
Объявление о вознаграждении привлекло внимание биолога Луи Пастера. В то время Пастер находился в самом начале своей карьеры: принципы вакцинации он откроет лишь много лет спустя. Вторую же половину 1850-х годов ученый посвятил исследованию молочнокислого брожения (химического процесса, из-за которого прокисает молоко). Отдельные химики считали тогда ферментацию чисто химическим процессом, однако Пастеру удалось показать, что решающая роль принадлежит тут микроорганизмам. Позже благодаря этому открытию ученые поняли, что продукты вроде молока хранятся дольше, если их предварительно нагреть так, чтобы микроорганизмы в них погибли. Сейчас этот метод называют “пастеризацией”.
Пастер был убежден: осуществляющие брожение микроорганизмы постоянно летают в воздухе. Казалось бы, опыт Пуше это опроверг, однако Пастер полагал, что его коллега просто был недостаточно аккуратен. Он решительно утверждал, что микроорганизмы могли находиться в осевшей сверху на ртуть пыли и таким образом “заразили” сенной настой. Поэтому сам Пастер избрал другой подход.
Ученый смешал в колбе подсахаренную воду, дрожжи, мочу и свекольный сок, после чего нагрел горлышко склянки до пластичного состояния и вытянул его, придав форму буквы S, наподобие лебединой шеи. Такая форма должна была позволять воздуху беспрепятственно поступать извне, одновременно задерживая все микроорганизмы. Далее Пастер прокипятил жидкость и отметил отсутствие следов плесени. Смертельным же ударом оказалось вот что: Пастер отломил “лебединую шею” колбы и обмакнул ее в прокипяченную жидкость. И только тогда в ней стали заметны следы микроорганизмов, сумевших, наконец, добраться до содержимого колбы.
В ходе другого эксперимента Пастер запечатывал горлышки своих колб и поднимался с ними во Французские Альпы. Он считал, что горный воздух разрежен и потому содержит меньше микроорганизмов. Поднявшись наверх, он открывал колбы и наполнял их воздухом. И чем выше он забирался, тем меньше становилась вероятность заплесневения.
В 1861 году Академия наук вручила Пастеру заслуженную премию. Теория самопроизвольного зарождения была опровергнута.
Учебники часто преподносят спор Пастера с Пуше как некий драматический поворот, а не согласные с этим историки науки утверждают, будто Пастеру просто повезло или что его мнение было предвзятым. Но, честно говоря, к тому времени самопроизвольное зарождение уже давно теряло свои позиции. Впрочем, отдельные споры на эту тему происходили и позже. Во второй половине XIX века британский ученый Генри Бастиан публиковал результаты своих опытов, полагая их подтверждением спонтанного самозарождения. Однако они оказались дискредитированы после того, как были описаны бактерии, образующие устойчивые к нагреванию споры. Благодаря этому они вполне могли пережить использованный Бастианом метод стерилизации.
Казалось бы, после победы, одержанной Пастером в полемике по данному вопросу, проблема происхождения жизни должна была стать для науки наиважнейшей. Однако этого не произошло: ею заинтересовались лишь отдельные исследователи.
Положение вещей не изменило даже одно чрезвычайно важное открытие. В том же 1859 году, когда Пуше опубликовал свою книгу и невольно “активизировал” Пастера, британский натуралист Чарльз Дарвин издал знаменитейший и величайший труд “Происхождение видов” (On the Origin of Species)[21]. В нем вдохновленный кругосветным путешествием Дарвин изложил свою теорию эволюции и естественного отбора, которая объясняла возникновение на Земле потрясающего биологического разнообразия. К тому времени ученые уже подозревали, что виды не были созданы Богом по отдельности, да еще и в навсегда неизменном виде. Дарвин же пошел дальше и предложил подробное объяснение эволюционного развития жизни. Согласно его теории естественного отбора, виды постепенно изменяются, приспосабливаясь к условиям своего обитания. В конечном счете это приводит к возникновению новых видов. Всякое живое существо – от самого большого синего кита и до самой крошечной из бактерий – происходит от одного общего предка, жившего на Земле когда-то очень давно. Как позднее пояснил Дарвин, это касается и нас, людей: мы тоже являемся животными, потомками обезьяноподобных предков.
Теория эволюции Дарвина вызвала грандиозный переполох. Многих христиан едва не хватил удар: им казалось, будто Дарвин полностью отстранил Бога от создания жизни, предложив совершенно атеистическое объяснение для чудес природы. В действительности высказывания Дарвина на этот счет были весьма сдержанными, а религия в его работах практически не затрагивалась. И все же дарвиновские идеи нанесли чувствительный удар по религиозным убеждениям любого толка. Необычайная сложность устройства животных и растений наводит на мысль о наличии некоего проектировщика, творца, однако Дарвин продемонстрировал, что здесь можно обойтись и без него. Даже чрезвычайно сложные органы вроде человеческого глаза могли возникнуть постепенно, путем медленных изменений каких-то простых зачатков.
В наши дни наука считает эволюцию очевидным фактом, однако споры на ее счет шли до конца девятнадцатого столетия и продолжились в столетии двадцатом. Так было вплоть до 1930-х – 1940-х годов, когда теорию эволюции объединили с новой наукой о наследственности – генетикой, положив начало так называемой синтетической теории эволюции. Лишь тогда вопрос был решен окончательно. Конечно, для многих верующих эволюция и сейчас остается предметом споров или даже представляется откровенной ложью. Беда в том, что биологи, слишком занятые защитой учения эволюции от нападок верующих и выяснением ее механизмов, не могли себе позволить отвлечься и поинтересоваться тем, с чего, собственно, все началось.
Вопреки распространенному мнению, сама эволюция не имеет никакого отношения к зарождению жизни. Эволюционное учение исходит из предположения о том, что все живые существа произошли от общего предка, однако его возникновением эволюционисты не занимаются. В каком-то смысле теория Дарвина действительно “сотворила” вопрос о начале жизни, который до того попросту не тревожил умы человечества. Как утверждают Билл Меслер и Х. Джеймс Кливз II в своей “Краткой истории сотворения” (A Brief History of Creation), “люди интересовались, откуда взялась первая обезьяна, или первая акула… но не как возник самый первый вид, и точка”[22]. Сторонники спонтанного зарождения считали, что множество различных форм жизни, начиная с мух и червей, возникает именно благодаря ему. В качестве альтернативы теория Дарвина предложила существование одного организма, который появился первым и стал прародителем для всех остальных.
Дарвин не обсуждал вопрос происхождения жизни в своих книгах, но мимоходом коснулся его в своем письме ботанику Джозефу Гукеру в 1871 году[23]. Эта непритязательная заметка имеет особую ценность: в ней Дарвин предположил, что при наличии особых благоприятствующих условий в далеком прошлом жизнь могла возникнуть на Земле самопроизвольно. Дарвин пишет:
Часто говорят, что и сейчас имеются все те условия для возникновения живых организмов, какие могли быть прежде. Но если бы (и это “если бы” с большой буквы!) действительно нашелся какой-нибудь теплый маленький водоем, содержащий в растворенном виде все необходимые аммонийные и фосфорные соли, при наличии в нем света, тепла, электрических разрядов и т. д., и в этом водоеме в результате химических реакций образовалось соединение белковой природы, способное постепенно усложняться, то сейчас такое вещество было бы мгновенно поглощено или усвоено – что было невозможно до возникновения живых существ.
Итак, вообразим себе, что миллионы лет назад на безжизненной Земле возникло озерцо. Оно содержало смесь простых химических веществ и находилось в потоке солнечных лучей. В какой-то момент растворенные соединения могли образовать одну из ключевых биологических молекул – белок, который обладал способностью становиться все более сложным. И в итоге он настолько усложнился, что мог считаться чем-то живым. В наши дни это нереально, потому что любой оказавшийся в воде белок будет немедленно употреблен в пищу каким-нибудь голодным организмом. Однако до появления живого первые биологические молекулы имели возможность размеренно развиваться.
Идея Дарвина изложена схематично, и это неудивительно, ибо ученый представил ее мимоходом, в коротком письме, написанном им, когда одна из его дочерей тяжело болела, заразившись корью. И тем не менее эту идею можно считать первым соответствующим сегодняшним нормам предположением о том, как могла зародиться жизнь. Вдобавок письмо Дарвина затрагивает, хотя и в неявном виде, еще один очень важный вопрос: каким образом исходно неживым химическим веществам удалось собраться воедино и дать начало первому живому существу?
Давайте сформулируем проблему более конкретно. Что является самой простой формой жизни, какую мы только можем себе представить? Где и когда она могла впервые возникнуть?
Поначалу может показаться, что вообразить первый живой организм не так уж просто. Жизнь поразительно, до смешного, разнообразна. Взять хотя бы величественно плывущего по океану синего кита – одного из самых крупных животных в истории Земли, достигающего в длину чуть не тридцати метров. У этого кита огромный мозг, сердце размером с автомобиль, пасть с пластинами китового уса, при помощи которого кит выцеживает из воды криль, и комплект внушительных гениталий. А теперь представим себе мухомор красный – гриб с яркой шляпкой в белых пятнах. Он выглядит так, будто в его ножке спрятана крошечная дверца, из которой того и гляди высунет голову фея. Размером гриб всего в несколько сантиметров, и у него нет тех органов, которые есть у синего кита. Мухомор не умеет передвигаться, а в один прекрасный день попросту высовывается из лесной почвы. Кажется, у этих двух организмов нет почти ничего общего, но в действительности на микроскопическом уровне они очень близки.
Первый важный шаг к пониманию этого единства всего живого сделал британский ученый Роберт Гук еще в XVII веке. Гук, этот “хмурый гений”, был одним из отцов научной революции, соперником Исаака Ньютона и одним из первых членов Лондонского королевского общества. Как и многие ученые того времени, он оставил след сразу в нескольких научных дисциплинах – от механики (в его честь назван закон упругости, или закон Гука) до измерения времени (хронометрии) и астрономии. Однако самым значимым его достижением стала, пожалуй, книга 1665 года “Микрография” (Micrographia) – первая заметная публикация Лондонского королевского общества[24].
В своей “Микрографии” Гук описывает результаты собственных наблюдений за различными объектами, проведенных при помощи модернизированного микроскопа. К тому времени микроскопы, существовавшие уже не одну сотню лет, были значительно усовершенствованы, и потому Гук смог рассмотреть детали, которые до того никому не удавалось увидеть. Свою книгу он щедро снабдил иллюстрациями, что и определило произведенный ею гигантский эффект.
В одном из разделов Гук описывает вид тонкого среза винной пробки. Оказалась, что эта последняя сплошь покрыта бесчисленными крошечными “комнатками”, или полостями. Они напомнили Гуку маленькие кельи монахов, “клетушки”, поэтому он и назвал их клетками (по-английски cell).
В те же годы в голландском городе Делфт жил Антони ван Левенгук, который тоже экспериментировал с микроскопами. Он разработал метод получения особенно качественных линз, благодаря которым мог различать даже более мелкие детали, чем Гук. О своем эпохальном открытии Левенгук рассказал в октябре 1676 года в письме Лондонскому королевскому обществу. После долгих и жарких дебатов оно все же было опубликовано – через год. В этих спорах Гук выступил на стороне Левенгука – потому, в частности, что лично проверил некоторые из его наблюдений[25].
Свою статью Левенгук начинает с совершенно удивительного утверждения. Мол, в 1675 году он обнаружил “живые существа в дождевой воде”, которая несколько дней простояла в глиняном горшке. Эти крошечные существа были в десять тысяч раз меньше, чем любые из видимых невооруженным глазом. Описание разнообразия форм и поведения этих малюсеньких “анималькулей”, или “живых атомов” (как назвал их Левенгук), занимает целых одиннадцать страниц. Одни из них поначалу имели овальную форму, но в какой-то момент становились почти идеально круглыми. Другие, “длиной вдвое больше ширины”, вроде бы имели “маленькие ножки, с помощью которых чрезвычайно резво передвигались”.
Левенгук открыл микроорганизмы – живые существа, которые много меньше даже самых крошечных насекомых и клещей. И заодно выяснил, что они есть буквально везде – в воде из пруда, в море, на поверхности разных предметов, даже в воздухе. Стоит ли удивляться скептицизму его ученых коллег? Однако наблюдения Левенгука были неопровержимы, так что вскоре наука о микроорганизмах начала бурно развиваться. Позднее ученые распределят всю эту микроскопическую живность по разным группам, которые получат название “амебы” и “бактерии”; эти термины используются и сейчас. Но главный вывод Левенгука заключался в том, что все это клетки, те же самые клетки, что рассматривал Гук. Они различались формой и размерами, а некоторые из них были вдобавок закованы в защитную “броню” или снабжены чем-то вроде крутящихся и бьющих хвостов. И все же каждая такая анималькуля являлась именно отдельной клеткой.
Прошло еще 150 лет, и клетки выявились буквально повсюду. По мере того, как под микроскопы попадали новые ткани, биологи обнаруживали все больше новых клеток. Клетки мозга, клетки крови, клетки печени, мышечные клетки, отдельные нервные клетки длиной более одного метра, раздавшиеся вширь яйцеклетки и резво виляющие хвостами сперматозоиды. Казалось, нет в человеческом теле и других организмах ничего, что не состояло бы из клеток.
В 1838 году немецкий ботаник Маттиас Шлейден сказал то, что многие его современники-биологи давно предполагали, однако не озвучивали. В работе с пышным заглавием “Дополнения к нашим знаниям о фитогенезе” (Contributions to Our Knowledge of Phytogenesis) Шлейден описывает анатомическое строение и рост растений и отмечает: именно клетки являются основой того, что делает растение растением[26]. Он подчеркивает, что “рост растения сводится исключительно к образованию клеток внутри других клеток”.