Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
Из этого следует, что истоки эволюции следует искать в построении молекул, которое началось с веществ, бурливших на Земле в начале времен. Говорить всерьез об истоках жизни следует, опираясь на реальные факты. Для этого надо задать такой исторический вопрос: из чего состояла атмосфера на поверхности Земли четыре триллиона лет назад, когда планета была очень молода и безжизненна?
На сегодняшний день мы знаем приблизительный ответ: атмосфера нагнеталась из недр земли, поэтому особенно хорошо формировалась в тех районах, где были вулканы, паровые котлы, полные азота, метана, аммиака и других восстановительных газов, самый известный из которых — углекислый. Лишь один газ отсутствовал в атмосфере — в ней не было свободного кислорода. Это важно, потому что он производится растениями, значит, появляется только с возникновением жизни.
Эти газы и их продукты, слабо растворенные в океане, образовали восстановительную атмосферу. Как они реагировали на электрические разряды молнии и ультрафиолетовое излучение Солнца — крайне важное в любой теории происхождения жизни, так как оно проникает без кислорода? На этот вопрос ответил красивый эксперимент Стэнли Миллера в 1950-х годах. Он поместил в замкнутый цикл (стеклянные колбы, соединенные запаянными прозрачными трубками) смесь метана, аммиака, воды и других веществ и начал нагревать их день за днем, пропускать между ними электрические заряды (имитации молний) и воздействовать на них иными агрессивными способами. Через некоторое время смесь газов заметно потемнела. При анализе полученного «бульона» ученый установил, что в нем сформировались аминокислоты. Это было очень важным шагом вперед в теории эволюции, потому что аминокислоты являются строительными блоками жизни. Из них формируются белки, а белки — основной строительный материал всех живых существ.
Мы раньше думали, что жизнь зародилась в таких теплых и наэлектризованных условиях. Однако ученые доказали, что она могла возникнуть в другой экстремальной ситуации — во льдах. На первый взгляд эта мысль кажется странной. Однако стоит помнить, что лед имеет два ключевых свойства, делающих его пригодной средой для образования простых основных молекул. Во-первых, процесс замерзания формирует большие концентрации веществ, которые в начале времен были растворены в океане. Во-вторых, кристаллическая структура льда позволяет молекулам выстраиваться определенным образом, крайне важным для каждого этапа зарождения жизни.
Лесли Оргел провел ряд элегантных и остроумных экспериментов. Я опишу только самый простой из них. Он взял несколько основных компонентов, которые несомненно присутствовали в атмосфере Земли на заре времен. В их число вошли синильная кислота (цианистый водород) и аммиак (нитрит водорода). Ученый растворил их в воде, заморозил и выдержал полученный лед в морозильной камере несколько дней. По прошествии этого времени он увидел, что материал приобрел форму крошечного айсберга на верхушке, а небольшое количество цвета указывало на то, что были сформированы органические молекулы. Без всякого сомнения, Оргел получил аминокислоты. Больше того, он сумел получить одну из четырех главных аминокислот ДНК — аденин. Эксперимент Оргела позволил предположить, что ДНК формировалась не в условиях тропиков, а во льдах.
Таким образом, проблема происхождения жизни не в том, как молекулы стали усложняться, а в том, как появились простейшие молекулы, способные к самопроизводству. Вопрос о происхождении жизни — это вопрос о том, были ли основные молекулы, обнаруженные нынешним поколением биологов, образованы естественными процессами. Мы знаем, что ищем в начале жизни: простые основные молекулы, как так называемые основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин), составляющие спираль ДНК, которая самопроизводится при делении любой клетки. В дальнейшем организмы все более усложнялись, поэтому изучение их стало статистической задачей. Ведь эволюция сложных структур — процесс статистический.
Естественным образом возникает следующий вопрос: могли бы эти самопроизводящиеся молекулы появиться много раз и во многих местах? Полного ответа пока нет. Ясно одно: жизнь сегодня управляется всего несколькими молекулами — теми самыми основаниями ДНК. Они могут объяснить, почему каждое живое существо — от бактерии до слона, от вируса до розы — наследует признаки своих предков. И вот вывод, который мы можем сделать уже сегодня: это единственные атомные образования, способные к самовоспроизводству.
Тем не менее такого мнения придерживаются далеко не все биологи. Большинство ученых считают, что природа наверняка способна изобрести другие образования с репликацией, и возможностей уж точно больше четырех. Если это верно, то наша жизнь зиждется только на известных нам четырех основаниях потому, что так случилось, что она началась именно с них. В этой интерпретации четыре основания считаются доказательством того, что жизнь зародилась лишь однажды. Если бы возникло новое образование, оно просто не могло бы связаться с уже существующими живыми формами. Теперь, конечно, уже никто не думает, что жизнь на Земле произошла из ничего.
Биология процветала в промежутке между двумя великими и продуктивными идеями, который продлился около ста лет. Одна из них — теория эволюции и естественного отбора, придуманная Дарвином и Уоллесом. Второй стало открытие, совершенное в XX столетии, позволившее выразить жизнь в химических формулах, которые демонстрируют ее неразрывную связь с природой в целом.
Уникальны ли химические вещества, обнаруженные на Земле? Мы привыкли думать именно так. Однако недавно обнаруженные доказательства заставляют нас пересмотреть эту точку зрения. Недавно в межзвездных пространствах обнаружены спектральные следы молекул цианистого водорода, цианоацетилена и формальдегида, которые предположительно не могли образоваться в столь ледяных областях. Мы были уверены, что подобные вещества существуют только на Земле, и нигде больше. Может оказаться, что жизнь во Вселенной имеет более разнообразные формы и источники. Однако из этого предположения отнюдь не следует, что эволюция в другом месте обязательно будет напоминать нашу, а также то, что мы обязательно распознаем ее как жизнь, а она признает в нас живых существ.
Глава 10. Мир внутри мира
В природе существует семь базовых форм кристаллов, окрашенных во множество разных оттенков. Формы всегда привлекали людей — и как фигуры в пространстве, и как характеристики материи. Древние греки полагали, что природные элементы были сформированы как правильные геометрические тела. И сейчас нам известно, что форма кристалла может рассказать кое-что об атомах, которые его составляют, они помогают классифицировать атомы по типам. Таков мир физики нашего века, а окно в него приоткрыли кристаллы.
Из всего многообразия кристаллов самым скромным на вид считается простой бесцветный хрусталик поваренной соли. Но он же остается одним из важнейших. В течение тысячи лет добывают соль в соляной шахте Величка, расположенной возле Кракова, древней столицы Польши. Здесь с XVII века сохранились деревянные стены шахт, машины и механизмы, работавшие на лошадиной тяге. Возможно, здесь бывал алхимик Парацельс во время своих восточных странствий. Он круто изменил направление алхимии, объявив в начале XVI века, что среди элементов, составляющих человека и природу, есть соль. Она необходима для жизни, поэтому всегда имела символическое значение во всех мировых культурах. Древнеримские воины получали за службу «соленые деньги» (salt money), отсюда произошло слово salary (зарплата). Во многих романо-германских языках устаревшее и современное названия жалованья остались однокоренными словами, потому что под словом «соль» наши предки подразумевали деньги. На Ближнем Востоке до сих пор скрепляют сделку солью, по «завету соли» в Ветхом Завете.
В одном Парацельс ошибался: соль не является химическим элементом в современном смысле. Она состоит из двух элементов — натрия и хлора. Само по себе достаточно примечательно, что обычную соль составляют шипучий и желтоватый ядовитый газ. Натрий относится к щелочным металлам, хлор — к активным галогенам. Кристаллы соли всегда остаются квадратными и прозрачными, даже если мы заменим элемент одной группы на другой. Например, натрий можно заменить калием: получится хлорид калия. Аналогично, в другой группе, вместо хлора можно взять бром: получится бромид натрия. Даже если произвести двойное изменение (вместо натрия взять литий, вместо хлора — фтор, получив фторид лития), все равно кристаллы на вид будет невозможно отличить.
Почему родственные элементы проявляют сходные химические свойства? В 1860-х годах все ломали голову над этим вопросом, и несколько ученых пришли к одинаковым выводам. Эту задачу решил Дмитрий Иванович Менделеев, который посещал упомянутую нами соляную шахту Величка в 1859 году. К тому времени ему исполнилось двадцать пять лет. Скромный, бедный, очень трудолюбивый и необыкновенно одаренный молодой человек, Менделеев происходил из многодетной семьи и был самым младшим из четырнадцати детей. Его рано овдовевшая мать, беззаветно любившая своего сына, отдала все свои силы и здоровье на то, чтобы он мог учиться и реализовать в науке свои блестящие задатки.
