Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

Когда я был студентом колледжа в начале 1950-х годов, мне посчастливилось работать в лаборатории Г. Дж. Мёллера[19], великого генетика, человека, открывшего, что радиация вызывает мутации. Мёллер был первым, кто привлек мое внимание к крабу Хэйкэ как примеру искусственного отбора. Я потратил много месяцев на изучение практической генетики, работая с плодовыми мушками Drosophila melanogaster (что означает «чернотелые любители росы») — крошечными, безобидными существами, двукрылыми и пучеглазыми. Мы держали их в бутылках из-под молока и, скрещивая две разновидности, наблюдали, какие новые формы возникают в результате перераспределения родительских генов, естественных и спровоцированных мутаций. Самки откладывали яйца на определенном виде патоки, которую лаборанты помещали в бутылки; затем бутылки закупоривались, и мы две недели ждали, пока оплодотворенные яйца превратятся в личинки, личинки — в куколки, а куколки — в новых взрослых плодовых мушек. Однажды я разглядывал в слабый бинокулярный микроскоп новую партию взрослых дрозофил, обездвиженных небольшим количеством эфира, и сортировал их на разновидности кисточкой из верблюжьего волоса. К моему удивлению, я обнаружил нечто совершенно необычное: это была не просто небольшая вариация, вроде красного цвета глаз вместо белого или щетинок на шее там, где их прежде не росло. Это был другой и очень функциональный тип существа с гораздо более крупными крылышками и с длинными мохнатыми усиками. Я пришел к выводу, что судьбе было угодно преподнести редкий пример крупного эволюционного скачка за одно поколение. И надо же было такому случиться в лаборатории Мёллера, который категорически отрицал подобную возможность. А несчастье объявить ему об этом выпало именно мне.

С тяжелым сердцем я постучал в дверь его кабинета. «Входите!» — послышался приглушенный голос. Зайдя внутрь, я увидел, что вся комната погружена в темноту и лишь одна маленькая лампочка освещает предметное стекло микроскопа, за которым он работал. В такой мрачной обстановке мои объяснения прозвучали довольно сбивчиво. Я обнаружил совершенно новый тип мушки. Я уверен, что она появилась из куколки, которая была в патоке. Я не хотел доставлять беспокойство, но… «Она ведь больше похожа на Lepidoptera, чем на Diptera?» — спросил он. Его лицо было подсвечено снизу. Я понятия не имел, что это значит, и ему пришлось пояснить: «У нее большие крылья? И мохнатые усики?» Я угрюмо кивнул.

Мёллер включил верхний свет и добродушно ухмыльнулся. Это была старая история. Оказывается, существовал вид моли, который приспособился к условиям генетических лабораторий, работающих с дрозофилами. Он не имел ничего общего с плодовыми мушками и не проявлял к ним никакого интереса. Единственное, что ему было нужно, — это предназначенная для них патока. За то короткое время, которое требовалось лаборантам, чтобы откупорить и закупорить молочную бутылку (например, при добавлении в нее плодовых мушек), самка моли, подобно пикирующему бомбардировщику, успевала на лету сбросить яйца в питательную патоку. Я не открыл макромутацию. Просто я столкнулся с примером еще одного восхитительного приспособления в живой природе, которое появилось в результате микромутации и естественного отбора.

Секрет эволюции складывается из смерти и времени — из смерти огромного числа форм жизни, которым не удалось достаточно хорошо адаптироваться к окружающей среде, и из времени, необходимого для постепенного накопления длинной цепочки небольших мутаций, которые по чистой случайности оказываются благоприятными и способствуют адаптации. Неприятие выводов Дарвина и Уоллеса отчасти связано с тем, что трудно представить себе даже период в несколько тысяч лет, не говоря уж о целых зонах. Что может значить срок в семьдесят миллионов лет для существ, чья жизнь в миллион раз короче? Мы подобны бабочкам-подёнкам, выпорхнувшим в мир на день и полагающим, что это и есть вечность.

Случившееся на Земле может быть более или менее типичным для эволюции жизни во многих мирах; но вполне может статься, что в таких частностях, как химия протеинов или физиология мозга, история развития земной жизни уникальна для нашей Галактики. Земля сконденсировалась из межзвездных газа и пыли примерно 4,6 миллиарда лет назад. Древнейшие окаменелости говорят нам, что уже вскоре после этого, где-то около 4 миллиардов лет назад, в первобытных океанах зародилась жизнь. По сложности своего устройства первые живые объекты намного уступали одноклеточным организмам, представляющим собой уже весьма изощренную форму жизни. Проявления жизни были тогда гораздо скромнее. Грозовые разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляли простые богатые водородом молекулы первичной земной атмосферы на фрагменты, которые затем, объединяясь случайным образом, порождали все более и более сложные молекулы. Продукты этой древней химической фабрики растворялись в океанах, образуя своего рода органический бульон, состав которого постоянно усложнялся, пока в один прекрасный день совершенно случайно не появилась молекула, способная воспроизвести свою собственную грубую копию, используя в качестве строительных блоков другие молекулы бульона. (В дальнейшем мы еще вернемся к данной теме.)

Это был древнейший прообраз дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — главной молекулы жизни на Земле. По форме ДНК напоминает скрученную в спираль веревочную лестницу, перекладинами которой служат молекулярные конструкции четырех разных типов, соответствующих четырем буквам генетического кода. Эти перекладины, называемые нуклеотидами, кодируют наследуемую инструкцию по созданию того или иного организма. Каждая форма жизни на Земле имеет свой набор инструкций, записанных, впрочем, на одном и том же языке. Источник различия организмов кроется в различии их нуклеотидных инструкций. Мутация — это изменение нуклеотидов, которое воспроизводится в следующем поколении, образуя линию наследования. Будучи случайными изменениями нуклеотидов, мутации в большинстве своем вредны или даже смертельны, так как приводят к появлению бесполезных энзимов. Требуется немалое время, чтобы случилась мутация, улучшающая работу организма. И тем не менее движущей силой эволюции служат именно эти невероятные события — едва заметные полезные мутации нуклеотидов, поперечник которых составляет одну десятимиллионную долю сантиметра.

Четыре миллиарда лет назад Земля была молекулярным Эдемом. Здесь еще не водилось хищников. Отдельные молекулы медленно самовоспроизводились, конкурируя за строительные блоки и порождая грубые копии самих себя. Однако эволюционный процесс, пусть и на молекулярном уровне, уже начался благодаря самовоспроизведению, мутациям и отсеву наименее эффективных разновидностей. Со временем точность воспроизведения увеличивалась. Молекулы с различными специальными функциями объединялись, образуя своеобразный молекулярный коллектив — первую клетку. Клетки современных растений содержат крошечные молекулярные фабрики, называемые хлоропластами, которые отвечают за фотосинтез — преобразование солнечного света, воды и углекислого газа в углеводы и кислород. В клетках капли крови имеются молекулярные фабрики другого типа — митохондрии, которые, окисляя питательные вещества, извлекают необходимую для жизнедеятельности энергию. В наше время эти фабрики входят в состав растительных и животных клеток, но, возможно, когда-то они сами были свободноживущими клетками.

Около трех миллиардов лет назад несколько одноклеточных растений объединились по какой-то причине, возможно из-за мутации, которая препятствовала разъединению клеток, образовавшихся после деления. Так началась эволюция многоклеточных организмов. Каждая клетка вашего тела — это своего рода сообщество, которое объединило ради общего блага некогда самостоятельные живые элементы. А состоите вы из сотен триллионов клеток. Все мы, каждый из нас — это множество.

Разделение полов, похоже, произошло около двух миллиардов лет назад. Прежде новые разновидности организмов могли появляться только в результате накопления случайных мутаций. Отбор изменений в генетических инструкциях происходил буква за буквой. Эволюция должна была протекать мучительно медленно. С появлением полов два организма смогли обмениваться целыми абзацами, страницами, томами своего ДНК-кода, порождая новые разновидности, готовые пройти решето естественного отбора. Организмы выбрали половой путь развития; те, что проигнорировали эту возможность, очень быстро вымерли. И это относится не только к микробам, жившим два миллиарда лет назад. Мы, люди, тоже испытываем тягу к обмену сегментами своих ДНК.

Около миллиарда лет назад жизнедеятельность растений привела к поразительным изменениям среды обитания на Земле. Зеленые растения производят молекулярный кислород. Поскольку океаны были, как и теперь, густо населены простыми зелеными растениями, кислород становился главной составляющей земной атмосферы, необратимо изменяя ее первоначальный, богатый водородом состав и приближая конец той эпохи в истории Земли, когда живая материя порождалась небиологическими процессами. Кислород способствует расщеплению органических молекул. Несмотря на наше пристрастие к нему, в своей основе он является ядом для всякой незащищенной органической материи. Переход к окисляющей атмосфере стал величайшим кризисом в истории жизни, в результате которого погибло огромное множество организмов, неспособных справиться с кислородом. В наши дни существуют лишь немногочисленные примитивные формы жизни, такие как ботулизм и бациллы столбняка, выживающие только в бескислородной среде. Азот в земной атмосфере химически гораздо более инертен и потому намного менее опасен, чем кислород. Однако и он поставляется биологическими процессами. Таким образом, 99 процентов земной атмосферы имеет биологическое происхождение. Наше небо было создано жизнью. В течение четырех миллиардов лет от зарождения жизни доминирующими организмами оставались микроскопические синезеленые водоросли, которые покрывали и заполняли океаны. Затем, около 600 миллионов лет назад, монополия этих водорослей была нарушена, и появилось невероятное изобилие новых форм жизни — событие, получившее название кембрийского взрыва. Живая материя возникла почти сразу после образования Земли, и это позволяет предположить, что жизнь, возможно, есть химический процесс, с неизбежностью возникающий на планетах земного типа. Однако три миллиарда лет эволюция не шла дальше синезеленых водорослей, и это заставляет думать, что развитие живой материи в крупные формы со специализированными органами — задача куда более трудная, чем даже само появление жизни. Быть может, существует множество заселенных микробами планет, где не встретишь больших животных и растений.