Калеб Шарф - Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной
Наше понимание микрокосма Земли еще очень далеко от совершенства, однако мы уже сумели выявить многие его основные характеристики. Впрочем, и биологический макрокосм мы знаем так же плохо. В данный момент мы считаем, что все живые существа на Земле подразделяются на три домена, три общие схемы, по которым строятся живые организмы: это бактерии, археи и эукариоты. Пока что мы не пришли к согласию по поводу того, куда отнести вирусы и живые ли они вообще, так что пока они ждут своей очереди в сторонке. Эти три формы жизни принципиально различаются архитектурой клеток, а также генетическими кодами.
Коротко говоря, бактерии и археи – это «простые», мелкие одноклеточные организмы. Они способны выживать и по отдельности, однако чаще всего образуют колонии. Их генетический материал не расположен на специальном носителе, а в клетках, как правило, не содержится сложных внутренних структур, так называемых органелл. Клетки эукариотов, напротив, гораздо крупнее и сложнее, содержат органеллы и свой генетический материал заботливо сберегают в виде ядра. Мы еще поговорим гораздо подробнее о том, что эволюционное наследие симбиоза (когда два разных организма, а иногда и больше, живут вместе и дополняют друг друга), очевидно, наградило эукариотов целым рядом дополнительных способностей, в том числе мощными механизмами производства энергии, и научило отличному трюку – многоклеточности. И люди, и все животные, растения и насекомые, и даже скромные грибы – все они эукариоты. Как ни странно, мы, эукариоты, до сих пор не можем обойтись без партнеров-симбионтов из царства простой одноклеточной жизни, в чем мы и убедимся, когда будем исследовать микрофлору человека.
Простейшие формы жизни – у них есть общее название «прокариоты» – самые древние на планете. Бактерия в поперечнике всего несколько микрометров. При этом бактерии могут быть самой разной формы в диапазоне от шаров и трубочек до палочек и спиралей, которые иногда передвигаются при помощи жгутиков, похожих на хлысты. Словом, они весьма разнообразны. У обитателей другого древнего домена – столь же миниатюрных архей – нам впору поучиться крайнему смирению[137]. До конца 1970 годов мы даже не считали их отдельной формой жизни, а полагали, что это всего лишь разновидность шустрых бактерий. Но оказалось, что это не так. У них принципиально иная клеточная структура, и даже жгутики у них устроены совсем иначе, чем у бактерий. Кроме того, они склонны жить за счет «подножного корма» в самых разных средах. Для этого они потребляют простое химическое сырье – и эта черта лишь подтверждает гипотезу, что они необычайно древние и восходят к тем далеким временам, когда питаться было нечем, кроме неорганических веществ.
Легко решить, будто подобные формы жизни столь же примитивны, сколь и древни. Напротив! Каждое крошечное отдельное существо – это невероятный шедевр природной механики. Даже их на первый взгляд простые хвостики-жгутики приводятся в движение хитроумным молекулярным эквивалентом электромотора, который вращается со скоростью сотен оборотов в минуту. Как мы вскоре убедимся, их способности этим далеко не ограничиваются.
Кроме того, архей и бактерий очень много. По нынешним оценкам планета Земля служит домом более чем для миллиона триллионов триллионов[138] (10) одноклеточных организмов. Их генетическое разнообразие просто поразительно – нам известно по меньшей мере десять миллионов различных видов, а скорее всего, их гораздо больше. За последние 30–40 лет мы обнаружили, что многие микробы прекрасно чувствуют себя в условиях, которые мы вынести не могли бы – при очень высокой температуре, давлении, в агрессивных и ядовитых химических средах, а иногда в местах, где экстремальны и температура, и давление, и химическая среда. Подобная выносливость позволяет микроскопической жизни занимать практически любые уголки планеты. Эти организмы не просто далеко опережают все другие формы жизни на Земле по численности и разнообразию, но и составляют подавляющее большинство биомассы на планете.
В основном эти живые существа обитают даже не на поверхности. Скажем, морская вода, особенно верхние слои океанов, полна бактерий. Если мы заглянем глубже, то обнаружим, что на камнях и в осадках на океанском дне обитает, по всей видимости, большинство живых существ на свете – 70 %. По большей части эти существа живут по отдельности, однако ближе к вулканическим грядам, которые рассекают океаны и практически непрерывной цепью длиной в 60 000 километров опоясывают планету, организмы образуют своего рода оазисы бурной жизни. На континентальных массах суши живые организмы обитают и в толще почвы, и во льду, и в микроскопической перепутанице мелких трещин, пронизывающей земную кору. Следы присутствия микробов обнаружены даже в базальтовом вулканическом стекле на склонах действующих вулканов – там микроорганизмы питаются скальными породами и потребляют химическое сырье.
Если бы всего сто лет назад кого-нибудь спросили, какие живые существа составляют на Земле большинство, в ответе, скорее всего, упоминались бы растения или насекомые – и уж точно не бактерии, точно не миллионы триллионов триллионов одноклеточных, которые, как мы теперь знаем, по большей части таятся от нас под поверхностью планеты. Однако эта процветающая и вездесущая популяция – залог нашего существования и ключ к ответу на вопрос о нашем значении в мироздании. Именно бактерии и археи таят в себе разгадку тайны жизни на Земле, именно они создают базу для сбора и хранения энергии и материалов, строительства биологических структур и обеспечения самых что ни на есть поразительных химических трюков и фокусов. В сущности, все отличительные черты нашего мира, все то, что первым делом бросается в глаза, от атмосферы и океанов до химии почвы и скал – бессознательно и блистательно создали все те же обитатели микромира за последние четыре миллиарда лет.
* * *Чтобы оценить, в какой степени встроена жизнь в организм нашей планеты в целом, нужно несколько пересмотреть свои воззрения. Лично у меня самый серьезный перелом в отношении к природе жизни на Земле произошел в 2008 году – до этого мои представления были до смешного узки[139]. Это произошло, когда я прочитал статью в журнале «Science», которую написали биолог и океанограф Пол Фалковски и морские микробиологи Том Фенчел и Эдвард Делонг. Статья называлась «Микробиологические двигатели, обеспечивающие биохимические циклы Земли» («The Microbial Engines That Drive Earth’s Biogeochemical Cycles») – достаточно прямолинейное и обманчивое название, скрывающее масштабы обсуждаемого вопроса.
Что это за микробиологические двигатели? С механической точки зрения это сложные соединения молекул под названием белки. В старших классах на уроках органической химии мы узнали, что белки, в свою очередь, состоят из цепочек и сложенных конструкций более простых молекул под названием аминокислоты. В биохимии Земли участвуют лишь избранные аминокислоты – их двадцать, и каждая состоит из набора от 10 до 27 атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Вот они, основные кирпичики – детальки конструктора «Лего», из которых строятся клетки, а инструкции, по которым надо собирать этот конструктор, записаны в генетических кодах всех живых существ.
Белки, которые жизнь создает из аминокислот, – рабочие лошадки биохимии. Они могут служить катализаторами и возбуждать химические реакции, а могут составляться в более крупные структуры. Если они складываются в так называемые многобелковые комплексы[140], то превращаются в полномасштабные молекулярные машины, хитроумные инженерные творения самой природы, выработанные в результате неустанной селекции и эволюции. Это и в самом деле механизмы, на которых основана любая жизнь. У одноклеточных организмов белки составляют до 50 % сухой массы.
Некоторые подобные белковые структуры стяжали себе звание двигателей, поскольку вовлечены в основные функции обмена веществ, производства полезной химической энергии и синтез новых соединений – то есть в те самые процессы, которые поддерживают жизнь во всех организмах.
Это снова возвращает нас к школьному курсу химии: а на каком топливе работают эти двигатели? В конечном итоге все сводится к движению и передаче двух фундаментальных физических частиц – электронов и протонов. Химия жизни поддерживается обменом и перетеканием заряженных частиц в ходе реакций окисления и восстановления.
Иногда эти реакции происходят сами по себе, если нужные молекулы сближаются на достаточное расстояние при достаточной энергии. Например, при нагреве метан способен перегореть в кислород. Все мы наблюдали эту реакцию в кухне, когда готовили на газу, и в школе на лабораторных работах, когда зажигали бунзеновские горелки. В результате атомы углерода и водорода связываются с кислородом и в процессе теряют электроны. В сущности, само слово «окисление» несколько устарело: в ходе таких реакций атомы на самом деле теряют или передают электроны. А передача заряженных частиц означает, что создается поток энергии, к которому можно подключиться, чтобы подпитывать другие процессы.
