Как зародилась жизнь: нашим предкам очень повезло
О самозарождении мышей из ила, любви к котикам и нелюбви к обезьянкам, азотной жизни в ядрах газовых гигантов, властолюбивых РНК, «завихрениях в голове» и нашем космическом (в прямом и переносном смысле) везении — в интервью с Михаилом Никитиным, дебютная книга которого «Происхождение жизни: от туманности до клетки», вышедшая недавно в издательской серии Primus фонда «Эволюция», вошла в лонг-лист премии «Просветитель» 2016 года.
— Расскажите об истории идей происхождения жизни. Как они развивались со временем?
— В древности были два основных варианта. Первый — что тот или иной бог эту жизнь однажды сотворил и с тех пор живые организмы размножаются и производят себе подобных. Второй — идеи, связанные с философией и наблюдением, характерные для древних греков. Например, что жизнь возникает постоянно на наших глазах (Аристотель писал про самозарождение мышей из речного ила при разливах Нила в Египте). Другие философы утверждали, что вопрос о происхождении жизни ставить нельзя, ведь жизнь, Земля и Солнце существуют вечно и начала у них никогда не было.
Так было примерно до Нового времени, когда первые ученые стали экспериментировать с самозарождением мух в гниющем мясе, мышей в грязной одежде с зерном и показали, что в наше время самозарождения жизни не происходит — если кувшин накрыть марлей, мухи туда попасть не могут, и никакие червячки в мясе не заводятся.
К XIX веку первыми научными экспериментами, как ни парадоксально, укрепилась идея религиозная, что жизнь сотворена Богом, и это было сделано один раз.
Окончательно это закрепил Луи Пастер, показавший, что даже микробы не зарождаются сами в запаянной колбе с прокипяченным бульоном.
— А что было потом?
— Ученым это не понравилось, и они стали искать пути, как бы в этом месте обойтись без бога. Здесь надо отметить достижения уже в начале XX века российского академика Опарина и англичанина Холдейна, которые независимо друг от друга догадались, что самозарождению жизни сейчас мешает кислородная атмосфера. Все живые молекулы в кислородных условиях неустойчивы, и рано или поздно они превратятся в углекислый газ и воду. Но кислородная атмосфера была не всегда. Кислород — продукт жизни (конкретно — растений и цианобактерий). До появления жизни, скорее всего, в атмосфере Земли кислорода не было. На безжизненных планетах — Венере, Марсе — мы тоже не видим кислорода в атмосфере, там преобладает углекислый газ и азот. С именами Опарина и Холдейна была связана важная идея, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно получаться органические вещества, необходимые для клеток, и они не разрушались, пока из них как-то случайно не сложились первые живые организмы. Эти гипотезы опубликовали примерно 90 лет назад, в 20-е годы XX века, но почему-то экспериментально проверять это сразу не стали. Только в 50-е годы был проведен знаменитый опыт Миллера – Юри. Они взяли смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, сероводород, синильная кислота), запаяли в герметичную стеклянную установку и несколько дней пропускали там электрические разряды, имитируя грозы. Затем они проверяли, что получилось: получались некоторые аминокислоты, некоторые простые сахара, азотистые основания, входящие в состав ДНК, — это подтвердило идеи Опарина и Холдейна.
— И что же дальше?
— Дальше было открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, и за следующие 10–15 лет ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предыдущую историю развития биологии. Стало понятно, что самая простенькая клетка — очень сложная штука, и возникнуть полностью случайно она, наверное, может, но для этого всего возраста Вселенной не хватит, потому что вероятность слишком маленькая. Если взять клетку средней свободно живущей бактерии, то у нее в геноме несколько мегабайт информации, кодирующей несколько тысяч видов белков. Из этих белков строятся «наномашины», состоящие из нескольких десятков разных белковых молекул — например, рибосома, которая собирает новые белки, «наномашина» для копирования ДНК — репликативная вилка. Еще у клетки есть мембрана, которая отделяет ее от внешней среды, и, чтобы из внешней среды получать нужные вещества, в мембране есть транспортные белки, которые работают как система насосов. Из этой системы никаких компонентов выкинуть нельзя, чтобы она не потеряла жизнеспособность. Даже самая простая самостоятельная клетка очень сложна. Вирусы проще, но они не могут жить вне клеток, на которых они паразитируют.
Новые открытия создали проблемы для понимания происхождения жизни: клетка оказалась сложнее, чем считалось во времена Опарина.
И известная цитата астронома Фреда Хойла, что вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки Боинга-747 от торнадо на мусорной свалке, математически верна.
Биологам на тот момент было понятно, что способ возникновения сложных систем, который не требует большого времени и везения — эволюция по Дарвину, путем случайных мутаций и естественного отбора. Эволюция привела жизнь от бактериальных клеток к животным, растениям и человеку разумному. Возник соблазн попробовать продолжить эту тенденцию в прошлое: возможно, клетки тоже развились путем дарвиновской эволюции из чего-то более простого. Чтобы дарвиновская эволюция шла, ее объекты должны уметь создавать собственные копии. Клетки делятся, многоклеточные размножаются. Надо было найти что-то более простое, чем клетка, и более самостоятельное, чем вирус. И в конце 70-х годов несколькими учеными была опубликована одновременно и независимо идея мира РНК.
— Расскажите, пожалуйста, о концепции РНК-мира.
— В живой клетке есть три самых важных типа молекул, без которых она не работает. Это полимерные молекулы, они похожи на нитки бус из отдельных звеньев: белки, состоящие из аминокислот, ДНК, которая состоит из азотистых оснований, и РНК — рибонуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК, но немножко отличается от нее. ДНК сделана, чтобы хранить наследственную информацию, и делает это хорошо. ДНК очень устойчива. Белки выполняют всю «грязную работу»: ускоряют все нужные клетке химические реакции, выполняют транспортные функции, защитные, они же образуют что-то вроде скелета клетки. Белки все делают, а последовательность белков хранится в ДНК. Поначалу (до 60-х годов) считалось, что РНК — посредник между ДНК и белками. РНК образует прежде всего временные копии участков ДНК (генов), необходимые в белковом синтезе. Информация в ДНК переписывается на РНК, которая потом используется в построении белков.
Позже были найдены вирусы, у которых наследственная информация хранится в РНК (то есть РНК у них заменяет ДНК), а потом были открыты такие замечательные штуки, как рибозимы, которые могут заменять белки, вызывая ускорение химических реакций, то есть работать ферментами. Возникла идея, что в древние времена был вариант жизни, использующий лишь один тип полимерных молекул из трех современных. Эта идея развивалась, искали способы получать искусственные рибозимы разной ферментативной активности. Их наоткрывали сотни, и это считалось подтверждением реальности мира РНК. Было открыто, что рибосома — машинка, собирающая белки, — в своем активном центре содержит рибозим. То есть сборка белков происходит полностью под контролем РНК, которая не уступила белкам все функции, а кое за чем главным по-прежнему следит в клетках единолично.
— А мог бы и дальше существовать мир без ДНК, основанный только на РНК?
— Скорее всего, мог бы, но недолго. Жизнь, не использующая белки, использующая РНК, могла жить только в определенных необычных местообитаниях, например, как я этого в книге касаюсь, в горячих источниках около вулканов. Она не могла заселять моря и океаны, была ограничена в расселении по планете, и любое резкое изменение условий ее могло бы погубить. Жизнь в РНК-мире была довольно уязвима, и нам очень повезло, что она довольно быстро прошла все необходимые шаги: завела белки, завела ДНК, оделась клеточными оболочками и могла уже существовать в самых разных условиях.
Сейчас идея мира РНК считается не предположением, а хорошо подтвержденной теорией.
В книге я несколько глав посвящаю ее современному развитию (в 2000-е годы ее довольно сильно дополнили).
— Также в книге вы рассказываете об уравнении Дрейка, которое рассчитывает вероятность контакта с внеземной разумной жизнью. Это уравнение было создано еще в 60-х. Как изменилось его понимание теперь, с открытием экзопланет и другими достижениями астрономии?
— Дрейк считал (и его оценка была взята полностью с потолка), что примерно половина звезд в нашей Галактике имеет планеты, и в каждой планетной системе есть одна планета, пригодная для жизни. Первая оценка сейчас полностью подтверждена, а вот со второй частью гораздо хуже. Подавляющее большинство экзопланет, которые астрономы понаоткрывали за последние 15 лет, находятся очень близко к своим звездам. Они очень горячие — еще горячее, чем Венера и Меркурий в нашей Солнечной системе, поэтому для жизни непригодны. С поиском пригодных для жизни планет есть куча технических сложностей. Они должны быть не слишком горячие и не слишком холодные, не слишком маленькие, чтобы они могли удержать воду и атмосферу, но и не слишком большие, чтобы превращаться в газовые гиганты типа Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна. Планеты, которые близки к звезде и горячи, искать намного проще. Если же планета далекая от звезды и холодная, открыть ее легче, когда она массивная, сильно тяжелее Земли. С современными приборами технически очень трудно найти планеты, похожие на нашу, даже если они есть. С расстояния в 100 световых лет в Солнечной системе мы смогли бы обнаружить только Венеру и Землю.
Следующее поколение телескопов должно это исправить.
— Вы говорите о планетах, где могли бы существовать углеродные формы жизни. А что если подумать о вариантах, где вместо углерода находятся другие атомы, например кремний? Какие условия для таких форм подходят? Возможно ли существование таких форм жизни на уже известных нам планетах — может быть, не в Солнечной системе, а на экзопланетах?
— Жизнь, не основанная на углероде, мне кажется нереальной. Мне кажется более вероятной жизнь, которая не будет использовать воду, но вот от углерода уйти практически некуда. Все химические элементы, которые использует наша жизнь, не случайны. Они в ходят в первую десятку самых распространенных элементов во Вселенной: водород, гелий, углерод, кислород, азот, неон, магний, кремний, сера и железо. Из этой десятки наша жизнь использует семь, кроме инертных газов (гелий, неон) и кремния, который и в условиях Земли, и в условиях метеоритов, и в условиях известных планет Солнечной системы образует устойчивые связи с кислородом: кремензем и силикаты.
Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных камней — соединения кремния с кислородом. Они очень устойчивы, а для жизни нужны вещества, которые входили бы в обмен веществ. У кремния таких соединений в присутствии кислорода и воды не бывает. И в метеоритах, и в космической пыли, которую астрономы наблюдают в далеких туманностях, кремний содержится в виде тех же устойчивых соединений, как и на Земле: силикаты, кварц, иногда карбид кремния (но он еще более устойчивый). А углерод может образовывать и устойчивые соединения, и с достаточной реакционной способностью (как, например, сахара).
Поэтому кремний в качестве химической основы жизни подходит очень плохо.
По химии в качестве альтернативы углерода мог бы подойти бор, соседний элемент по Периодической таблице, но бор подводит ядерная физика: его ядро недостаточно устойчиво, поэтому его во Вселенной в миллионы раз меньше, чем углерода. Бора просто нет столько.
Еще углерод в принципе можно заменить азотом, но для этого нужны сверхвысокие давления — в сотни тысяч атмосфер. При этих давлениях азот образует сложные разветвленные молекулы подобно углероду в наших условиях, но такие условиях бывают только в недрах каких-нибудь планет-гигантов.
— То есть теоретически там возможно возникновение подобных форм жизни?
— Теоретически, но проблема в том, что углерод там тоже есть — в виде метана. Скорее всего, углерод этой жизнью тоже будет на каких-то правах использоваться. Таких мест во Вселенной, где бы углерода не было, а другие элементы, подходящие для создания жизни, были — их просто нет. Поэтому жизнь совсем без углерода я представить себе не могу. Наша углеродная жизнь использует в очень важных местах азот. Без азота невозможны ни белки, ни ДНК, но все-таки углерода по массе больше. В недрах газовых гигантов можно представить себе жизнь, где будет главным элементом азот, но, скорее всего, на вторых ролях углерод там все равно будет. И критичное отличие от Земли там не температура, а давление, которое должно быть очень высоким — таким, какое в лаборатории мы можем получить на специальном прессе с алмазным столиком в очень-очень маленьком объеме.
— Расскажите, пожалуйста, как вы относитесь к парадоксу Ферми? Как вы объясняете то, что мы не можем «засечь» другие формы жизни, если за время существования Вселенной они могли возникнуть?
— Как я писал в своей книге, мне кажется, что не все стадии возникновения разумных существ были закономерными и неизбежными. В биологической эволюции есть труднообъяснимая стадия, когда произошел переход от прокариотических клеток к клеткам с ядром, как животные и растения.
— То есть этого перехода могло не произойти и жизнь бы не развивалась по тому направлению?
— По тем деталям этого перехода, которые мы можем установить, это выглядит как довольно-таки случайный и маловероятный процесс, в котором много раз нашим предкам просто повезло. Я допускаю, что во Вселенной есть миллионы планет, населенных чем-то вроде наших бактерий, но клетки с ядром там не появились, поэтому многоклеточных животных и растений не возникло тоже. Это первая причина.
Вторая причина, почему мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной (или, по крайней мере, в нашей Галактике точно) — часть этапов развития жизни требует очень большого времени, которое зависит от внешних по отношению к этой жизни факторов (строения и состояния планеты).
Для появления клеток с ядром нужно было, чтобы сначала в окружении возник кислород.
Чтобы появился фотосинтез с выделением кислорода и кислородная атмосфера, микробам понадобилось полтора миллиарда лет, когда они довольствовались примитивными вариантами фотосинтеза, в которых нет выделения кислорода, но затрачиваются относительно дефицитные вещества вроде сероводорода или солей железа. И только когда все соединения серы и железа из древнего океана потратили и осадили в виде будущих железных руд, им за недостатком ресурсов пришлось переходить на более сложный, кислородный вариант фотосинтеза. Нашим предкам снова очень повезло: если бы наша планета была больше или более богата железом, у них бы это заняло не 1,5 миллиарда лет, а 3 или 4, и к моменту появления животных светимость Солнца возросла бы, потому что Солнце стало бы старым, и было бы глобальное потепление, глобальная засуха и превращение Земли в подобие Венеры, и разумная жизнь просто не успела бы возникнуть.
— А в чем, на ваш взгляд, эволюционный смысл возникновения сознания и разума?
— Биологи считают, что разум — это побочный продукт способности к обману сородичей и распознавания обмана с их стороны — то, чем занимаются обезьяны очень активно. Это называется теорией макиавеллевского интеллекта. У физиков есть своя идея, что человек или любое другое разумное существо — инструмент Вселенной для познания самой себя. У них еще такая шутка на эту тему была: раз в 15 миллиардов лет физики собираются вместе и строят большой адронный коллайдер. Так что ответ зависит от плоскости, в которой вопрос рассматривать.
— Вы пишете, что занимаетесь преподаванием в Летней экологической школе. Возможно, вам удавалось сталкиваться с лженаучными взглядами у детей, переубеждать их. Кому больше свойственны заблуждения, детям или взрослым?
— У взрослых я видел лженаучные взгляды в разы чаще, чем у детей. Взрослые окончили школу давно и программу, по большей части, забыли. Всякие заблуждения, связанные с гомеопатией или памятью воды, явно растут из того, что люди забыли школьную химию. Если привлекать возрастную психологию, известно, что людям пожилого возраста менее интересно, как устроен мир на самом деле, и более интересно, как «должно быть». И они более склонны свое желаемое выдавать за действительное. К тому же они учились в другие времена. Есть мнение, что советское образование было лучшим в мире.
В чем-то оно действительно таким было, если СССР при гораздо меньших ресурсах, чем США, первым запустил человека в космос.
Но при этом в конце перестройки, году в 1989-м, вся страна прилипла к телевизорам с Кашпировским и Аланом Чумаком, которые «заряжали воду» и делали другие странные вещи. Видимо, заложенная, в том числе советской школой, привычка подчиняться авторитетам сыграла очень плохую шутку, когда эти авторитеты резко поменялись. Та же привычка, как мне кажется, повела людей в МММ и другие финансовые пирамиды.
— Не может ли быть связано с привычкой следовать за авторитетами и то, что эволюция до сих пор подвергается сомнению в некоторых кругах?
— Все лжеученые пытаются внешние атрибуты авторитета себе обеспечить и доверие получают за счет этого. Но по поводу теории эволюции я не стал бы так беспокоиться: от неверия в нее еще никто не умер. А вот всякие лженаучные заблуждения медицинского толка гораздо хуже.
Антипрививочники, отрицание СПИДа, память воды, шарлатанские методы лечения рака — это приводит людей к гибели здесь и сейчас, причем в случае с антипрививочниками, как ни прискорбно, страдают не сами заблуждающиеся, а их дети.
— Это действительно грустно.Ваша книга и курсы лекций охватывают широкую сферу науки — от астрономии до молекулярной биологии. Скажите, в каких науках заблуждения более распространены, а о каких читатели осведомлены больше?
— Во-первых, есть области науки, которые привлекают внимание психически нездоровых людей, пытающихся опровергнуть общепринятые теории. В физике особенно популярно опровержение теории относительности (пытаются возродить эфир). Люди из каких-то своих мозговых завихрений начинают опровергать Эйнштейна. Если вы поищете в сети, например в сообществе Science+freaks в «Живом журнале», вы найдете сотни примеров.
— К нам в редакцию минут двадцать назад звонил один из таких представителей.
— Да-да, мне тоже на электронную почту периодически пишут. Затем — в лингвистике, в эволюции языков, их родстве. Возникают лженаучные теории, что все языки произошли от русского, или все языки произошли от украинского, или от иврита — смотря какие завихрения в голове. Естественно, пытаются опровергать теорию эволюции, и теория эволюции и этология (наука о поведении животных) объясняют, почему это хочется опровергнуть.
У всех животных есть инстинктивные механизмы, которые вызывают отвращение и враждебное отношение к тем, кто на них похож, но не совсем, то есть к близким видам.
— Наверное, чтобы предотвратить скрещивание?
— Да, верно. Поэтому людям в среднем не нравятся обезьяны — по крайней мере, нравятся гораздо меньше, чем кошечки и собачки. И обезьяны сторонятся обезьян другого вида. Поэтому какая-нибудь рысь, забредшая в деревню, не устоит от соблазна разорвать домашнюю кошку — не чтобы съесть, а просто так. Этот же инстинктивный механизм участвует в ксенофобии у людей, когда речь идет о носителях других языков. Скажем, для среднего русского человека какой-нибудь китайский — как птичье чириканье, не вызывает особых эмоций. А в языке индоевропейской группы, скажем немецком или таджикском, могут угадываться какие-то сходные сочетания звуков или даже корни. А близкий язык (скажем, болгарский для нас или французский для испанца) будет казаться смешным и неправильным. Это инстинктивное неодобрение к относительно похожим видам заставляет людей внутренне отвергать идею о происхождении от обезьян. Вся остальная часть теории эволюции таких эмоциональных отторжений обычно не вызывает, но этим отторжением теория эволюции и подтверждается!
— Эволюция же происходит не только в природе, но и среди идей. Как развивается научная популяризация в нашей стране в последние годы?
— Эволюция идей, мемов у Докинза по-моему, довольно спекулятивна. Для эволюции нужно, чтобы организмы производили копии, которые борются за ограниченные ресурсы. Для идей такой ресурс — емкость человеческих мозгов, где они обитают, но говорить о саморазмножении идей я бы поостерегся.
— Хорошо, как научно-популярная литература изменяется за последние годы?
— Если брать промежутки времени лет в 30–40, мы увидим движение по кругу. Научпоп за последние 10 лет по стилю сильно копирует научпоп западный, потому что сейчас его много перевели. Там есть тенденция все максимально упрощать, как совсем «для дебилов». Выкладывая черновые отрывки своей книги, я получил несколько комментариев в духе «вы знаете, то, что вы пишете, похоже на советский научпоп». Я над этим подумал, согласился и решил, что это хорошо. Моя книга отличается от среднего научпопа большей плотностью информации, и среднему читателю придется лезть в Google — не за тем, так за другим.
Я старался все максимально облегчить, но в объеме одной книги все комментарии и пояснения не поместятся — а если впихнуть, это будет нечитаемо. Комментаторы в блоге говорили, что это вносит приятное разнообразие, а работа мозгом по пониманию более сложного текста приносит удовольствие. Я в детстве читал много советского научпопа из родительской библиотеки — там был Маковецкий, Яков Перельман. Возможно, я их в чем-то неосознанно копировал. А вот Кирилла Юрьевича Еськова по стилю я копировал уже осознанно — это наш палеонтолог, который в 2000-м выпустил научно-популярную книгу «История Земли и жизни на ней» (правда, тогда научпоп не был развит, и она вышла под грифом «учебники для дополнительного образования»). В этой книге говорится о развитии биосферы Земли как цельной системы, без акцента на конкретных вымерших видах. Других книг подобной направленности на русском языке нет, да и на английском, в принципе, тоже. Она была принята читателями довольно благосклонно, в том числе далекими от биологии. Я как-то сослался на нее в споре на форуме по военной истории, и там книгу приняли на ура, хотя она была не по их специальности.
— А ваша книга больше рассчитана на подготовленного читателя, который уже интересуется биологией?
— Я очень хочу, чтобы она дошла до читателей, далеких от биологии. Книга выросла из курса лекций, который был отработан на школьниках, интересующихся биологией. Мне очень хотелось охватить условную аудиторию GeekTimes. Там больше программистов — очень умная аудитория, но которая читает научпоп, связанный с биологией, редко и от случая к случаю. В научпопе сейчас проблема: каждую новую научно-популярную книгу читают те же люди, которые читали три-пять предыдущих. Мне бы хотелось разомкнуть эту замкнутую «тусовку», подключив туда новых людей. В этом цель не только этой книги, но и ее рекламы.
— Расскажите об истории идей происхождения жизни. Как они развивались со временем?
— В древности были два основных варианта. Первый — что тот или иной бог эту жизнь однажды сотворил и с тех пор живые организмы размножаются и производят себе подобных. Второй — идеи, связанные с философией и наблюдением, характерные для древних греков. Например, что жизнь возникает постоянно на наших глазах (Аристотель писал про самозарождение мышей из речного ила при разливах Нила в Египте). Другие философы утверждали, что вопрос о происхождении жизни ставить нельзя, ведь жизнь, Земля и Солнце существуют вечно и начала у них никогда не было.
Так было примерно до Нового времени, когда первые ученые стали экспериментировать с самозарождением мух в гниющем мясе, мышей в грязной одежде с зерном и показали, что в наше время самозарождения жизни не происходит — если кувшин накрыть марлей, мухи туда попасть не могут, и никакие червячки в мясе не заводятся.
К XIX веку первыми научными экспериментами, как ни парадоксально, укрепилась идея религиозная, что жизнь сотворена Богом, и это было сделано один раз.
Окончательно это закрепил Луи Пастер, показавший, что даже микробы не зарождаются сами в запаянной колбе с прокипяченным бульоном.
— А что было потом?
— Ученым это не понравилось, и они стали искать пути, как бы в этом месте обойтись без бога. Здесь надо отметить достижения уже в начале XX века российского академика Опарина и англичанина Холдейна, которые независимо друг от друга догадались, что самозарождению жизни сейчас мешает кислородная атмосфера. Все живые молекулы в кислородных условиях неустойчивы, и рано или поздно они превратятся в углекислый газ и воду. Но кислородная атмосфера была не всегда. Кислород — продукт жизни (конкретно — растений и цианобактерий). До появления жизни, скорее всего, в атмосфере Земли кислорода не было. На безжизненных планетах — Венере, Марсе — мы тоже не видим кислорода в атмосфере, там преобладает углекислый газ и азот. С именами Опарина и Холдейна была связана важная идея, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно получаться органические вещества, необходимые для клеток, и они не разрушались, пока из них как-то случайно не сложились первые живые организмы. Эти гипотезы опубликовали примерно 90 лет назад, в 20-е годы XX века, но почему-то экспериментально проверять это сразу не стали. Только в 50-е годы был проведен знаменитый опыт Миллера – Юри. Они взяли смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, сероводород, синильная кислота), запаяли в герметичную стеклянную установку и несколько дней пропускали там электрические разряды, имитируя грозы. Затем они проверяли, что получилось: получались некоторые аминокислоты, некоторые простые сахара, азотистые основания, входящие в состав ДНК, — это подтвердило идеи Опарина и Холдейна.
— И что же дальше?
— Дальше было открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, и за следующие 10–15 лет ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предыдущую историю развития биологии. Стало понятно, что самая простенькая клетка — очень сложная штука, и возникнуть полностью случайно она, наверное, может, но для этого всего возраста Вселенной не хватит, потому что вероятность слишком маленькая. Если взять клетку средней свободно живущей бактерии, то у нее в геноме несколько мегабайт информации, кодирующей несколько тысяч видов белков. Из этих белков строятся «наномашины», состоящие из нескольких десятков разных белковых молекул — например, рибосома, которая собирает новые белки, «наномашина» для копирования ДНК — репликативная вилка. Еще у клетки есть мембрана, которая отделяет ее от внешней среды, и, чтобы из внешней среды получать нужные вещества, в мембране есть транспортные белки, которые работают как система насосов. Из этой системы никаких компонентов выкинуть нельзя, чтобы она не потеряла жизнеспособность. Даже самая простая самостоятельная клетка очень сложна. Вирусы проще, но они не могут жить вне клеток, на которых они паразитируют.
Новые открытия создали проблемы для понимания происхождения жизни: клетка оказалась сложнее, чем считалось во времена Опарина.
И известная цитата астронома Фреда Хойла, что вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки Боинга-747 от торнадо на мусорной свалке, математически верна.
Биологам на тот момент было понятно, что способ возникновения сложных систем, который не требует большого времени и везения — эволюция по Дарвину, путем случайных мутаций и естественного отбора. Эволюция привела жизнь от бактериальных клеток к животным, растениям и человеку разумному. Возник соблазн попробовать продолжить эту тенденцию в прошлое: возможно, клетки тоже развились путем дарвиновской эволюции из чего-то более простого. Чтобы дарвиновская эволюция шла, ее объекты должны уметь создавать собственные копии. Клетки делятся, многоклеточные размножаются. Надо было найти что-то более простое, чем клетка, и более самостоятельное, чем вирус. И в конце 70-х годов несколькими учеными была опубликована одновременно и независимо идея мира РНК.
— Расскажите, пожалуйста, о концепции РНК-мира.
— В живой клетке есть три самых важных типа молекул, без которых она не работает. Это полимерные молекулы, они похожи на нитки бус из отдельных звеньев: белки, состоящие из аминокислот, ДНК, которая состоит из азотистых оснований, и РНК — рибонуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК, но немножко отличается от нее. ДНК сделана, чтобы хранить наследственную информацию, и делает это хорошо. ДНК очень устойчива. Белки выполняют всю «грязную работу»: ускоряют все нужные клетке химические реакции, выполняют транспортные функции, защитные, они же образуют что-то вроде скелета клетки. Белки все делают, а последовательность белков хранится в ДНК. Поначалу (до 60-х годов) считалось, что РНК — посредник между ДНК и белками. РНК образует прежде всего временные копии участков ДНК (генов), необходимые в белковом синтезе. Информация в ДНК переписывается на РНК, которая потом используется в построении белков.
Позже были найдены вирусы, у которых наследственная информация хранится в РНК (то есть РНК у них заменяет ДНК), а потом были открыты такие замечательные штуки, как рибозимы, которые могут заменять белки, вызывая ускорение химических реакций, то есть работать ферментами. Возникла идея, что в древние времена был вариант жизни, использующий лишь один тип полимерных молекул из трех современных. Эта идея развивалась, искали способы получать искусственные рибозимы разной ферментативной активности. Их наоткрывали сотни, и это считалось подтверждением реальности мира РНК. Было открыто, что рибосома — машинка, собирающая белки, — в своем активном центре содержит рибозим. То есть сборка белков происходит полностью под контролем РНК, которая не уступила белкам все функции, а кое за чем главным по-прежнему следит в клетках единолично.
— А мог бы и дальше существовать мир без ДНК, основанный только на РНК?
— Скорее всего, мог бы, но недолго. Жизнь, не использующая белки, использующая РНК, могла жить только в определенных необычных местообитаниях, например, как я этого в книге касаюсь, в горячих источниках около вулканов. Она не могла заселять моря и океаны, была ограничена в расселении по планете, и любое резкое изменение условий ее могло бы погубить. Жизнь в РНК-мире была довольно уязвима, и нам очень повезло, что она довольно быстро прошла все необходимые шаги: завела белки, завела ДНК, оделась клеточными оболочками и могла уже существовать в самых разных условиях.
Сейчас идея мира РНК считается не предположением, а хорошо подтвержденной теорией.
В книге я несколько глав посвящаю ее современному развитию (в 2000-е годы ее довольно сильно дополнили).
— Также в книге вы рассказываете об уравнении Дрейка, которое рассчитывает вероятность контакта с внеземной разумной жизнью. Это уравнение было создано еще в 60-х. Как изменилось его понимание теперь, с открытием экзопланет и другими достижениями астрономии?
— Дрейк считал (и его оценка была взята полностью с потолка), что примерно половина звезд в нашей Галактике имеет планеты, и в каждой планетной системе есть одна планета, пригодная для жизни. Первая оценка сейчас полностью подтверждена, а вот со второй частью гораздо хуже. Подавляющее большинство экзопланет, которые астрономы понаоткрывали за последние 15 лет, находятся очень близко к своим звездам. Они очень горячие — еще горячее, чем Венера и Меркурий в нашей Солнечной системе, поэтому для жизни непригодны. С поиском пригодных для жизни планет есть куча технических сложностей. Они должны быть не слишком горячие и не слишком холодные, не слишком маленькие, чтобы они могли удержать воду и атмосферу, но и не слишком большие, чтобы превращаться в газовые гиганты типа Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна. Планеты, которые близки к звезде и горячи, искать намного проще. Если же планета далекая от звезды и холодная, открыть ее легче, когда она массивная, сильно тяжелее Земли. С современными приборами технически очень трудно найти планеты, похожие на нашу, даже если они есть. С расстояния в 100 световых лет в Солнечной системе мы смогли бы обнаружить только Венеру и Землю.
Следующее поколение телескопов должно это исправить.
— Вы говорите о планетах, где могли бы существовать углеродные формы жизни. А что если подумать о вариантах, где вместо углерода находятся другие атомы, например кремний? Какие условия для таких форм подходят? Возможно ли существование таких форм жизни на уже известных нам планетах — может быть, не в Солнечной системе, а на экзопланетах?
— Жизнь, не основанная на углероде, мне кажется нереальной. Мне кажется более вероятной жизнь, которая не будет использовать воду, но вот от углерода уйти практически некуда. Все химические элементы, которые использует наша жизнь, не случайны. Они в ходят в первую десятку самых распространенных элементов во Вселенной: водород, гелий, углерод, кислород, азот, неон, магний, кремний, сера и железо. Из этой десятки наша жизнь использует семь, кроме инертных газов (гелий, неон) и кремния, который и в условиях Земли, и в условиях метеоритов, и в условиях известных планет Солнечной системы образует устойчивые связи с кислородом: кремензем и силикаты.
Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных камней — соединения кремния с кислородом. Они очень устойчивы, а для жизни нужны вещества, которые входили бы в обмен веществ. У кремния таких соединений в присутствии кислорода и воды не бывает. И в метеоритах, и в космической пыли, которую астрономы наблюдают в далеких туманностях, кремний содержится в виде тех же устойчивых соединений, как и на Земле: силикаты, кварц, иногда карбид кремния (но он еще более устойчивый). А углерод может образовывать и устойчивые соединения, и с достаточной реакционной способностью (как, например, сахара).
Поэтому кремний в качестве химической основы жизни подходит очень плохо.
По химии в качестве альтернативы углерода мог бы подойти бор, соседний элемент по Периодической таблице, но бор подводит ядерная физика: его ядро недостаточно устойчиво, поэтому его во Вселенной в миллионы раз меньше, чем углерода. Бора просто нет столько.
Еще углерод в принципе можно заменить азотом, но для этого нужны сверхвысокие давления — в сотни тысяч атмосфер. При этих давлениях азот образует сложные разветвленные молекулы подобно углероду в наших условиях, но такие условиях бывают только в недрах каких-нибудь планет-гигантов.
— То есть теоретически там возможно возникновение подобных форм жизни?
— Теоретически, но проблема в том, что углерод там тоже есть — в виде метана. Скорее всего, углерод этой жизнью тоже будет на каких-то правах использоваться. Таких мест во Вселенной, где бы углерода не было, а другие элементы, подходящие для создания жизни, были — их просто нет. Поэтому жизнь совсем без углерода я представить себе не могу. Наша углеродная жизнь использует в очень важных местах азот. Без азота невозможны ни белки, ни ДНК, но все-таки углерода по массе больше. В недрах газовых гигантов можно представить себе жизнь, где будет главным элементом азот, но, скорее всего, на вторых ролях углерод там все равно будет. И критичное отличие от Земли там не температура, а давление, которое должно быть очень высоким — таким, какое в лаборатории мы можем получить на специальном прессе с алмазным столиком в очень-очень маленьком объеме.
— Расскажите, пожалуйста, как вы относитесь к парадоксу Ферми? Как вы объясняете то, что мы не можем «засечь» другие формы жизни, если за время существования Вселенной они могли возникнуть?
— Как я писал в своей книге, мне кажется, что не все стадии возникновения разумных существ были закономерными и неизбежными. В биологической эволюции есть труднообъяснимая стадия, когда произошел переход от прокариотических клеток к клеткам с ядром, как животные и растения.
— То есть этого перехода могло не произойти и жизнь бы не развивалась по тому направлению?
— По тем деталям этого перехода, которые мы можем установить, это выглядит как довольно-таки случайный и маловероятный процесс, в котором много раз нашим предкам просто повезло. Я допускаю, что во Вселенной есть миллионы планет, населенных чем-то вроде наших бактерий, но клетки с ядром там не появились, поэтому многоклеточных животных и растений не возникло тоже. Это первая причина.
Вторая причина, почему мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной (или, по крайней мере, в нашей Галактике точно) — часть этапов развития жизни требует очень большого времени, которое зависит от внешних по отношению к этой жизни факторов (строения и состояния планеты).
Для появления клеток с ядром нужно было, чтобы сначала в окружении возник кислород.
Чтобы появился фотосинтез с выделением кислорода и кислородная атмосфера, микробам понадобилось полтора миллиарда лет, когда они довольствовались примитивными вариантами фотосинтеза, в которых нет выделения кислорода, но затрачиваются относительно дефицитные вещества вроде сероводорода или солей железа. И только когда все соединения серы и железа из древнего океана потратили и осадили в виде будущих железных руд, им за недостатком ресурсов пришлось переходить на более сложный, кислородный вариант фотосинтеза. Нашим предкам снова очень повезло: если бы наша планета была больше или более богата железом, у них бы это заняло не 1,5 миллиарда лет, а 3 или 4, и к моменту появления животных светимость Солнца возросла бы, потому что Солнце стало бы старым, и было бы глобальное потепление, глобальная засуха и превращение Земли в подобие Венеры, и разумная жизнь просто не успела бы возникнуть.
— А в чем, на ваш взгляд, эволюционный смысл возникновения сознания и разума?
— Биологи считают, что разум — это побочный продукт способности к обману сородичей и распознавания обмана с их стороны — то, чем занимаются обезьяны очень активно. Это называется теорией макиавеллевского интеллекта. У физиков есть своя идея, что человек или любое другое разумное существо — инструмент Вселенной для познания самой себя. У них еще такая шутка на эту тему была: раз в 15 миллиардов лет физики собираются вместе и строят большой адронный коллайдер. Так что ответ зависит от плоскости, в которой вопрос рассматривать.
— Вы пишете, что занимаетесь преподаванием в Летней экологической школе. Возможно, вам удавалось сталкиваться с лженаучными взглядами у детей, переубеждать их. Кому больше свойственны заблуждения, детям или взрослым?
— У взрослых я видел лженаучные взгляды в разы чаще, чем у детей. Взрослые окончили школу давно и программу, по большей части, забыли. Всякие заблуждения, связанные с гомеопатией или памятью воды, явно растут из того, что люди забыли школьную химию. Если привлекать возрастную психологию, известно, что людям пожилого возраста менее интересно, как устроен мир на самом деле, и более интересно, как «должно быть». И они более склонны свое желаемое выдавать за действительное. К тому же они учились в другие времена. Есть мнение, что советское образование было лучшим в мире.
В чем-то оно действительно таким было, если СССР при гораздо меньших ресурсах, чем США, первым запустил человека в космос.
Но при этом в конце перестройки, году в 1989-м, вся страна прилипла к телевизорам с Кашпировским и Аланом Чумаком, которые «заряжали воду» и делали другие странные вещи. Видимо, заложенная, в том числе советской школой, привычка подчиняться авторитетам сыграла очень плохую шутку, когда эти авторитеты резко поменялись. Та же привычка, как мне кажется, повела людей в МММ и другие финансовые пирамиды.
— Не может ли быть связано с привычкой следовать за авторитетами и то, что эволюция до сих пор подвергается сомнению в некоторых кругах?
— Все лжеученые пытаются внешние атрибуты авторитета себе обеспечить и доверие получают за счет этого. Но по поводу теории эволюции я не стал бы так беспокоиться: от неверия в нее еще никто не умер. А вот всякие лженаучные заблуждения медицинского толка гораздо хуже.
Антипрививочники, отрицание СПИДа, память воды, шарлатанские методы лечения рака — это приводит людей к гибели здесь и сейчас, причем в случае с антипрививочниками, как ни прискорбно, страдают не сами заблуждающиеся, а их дети.
— Это действительно грустно.Ваша книга и курсы лекций охватывают широкую сферу науки — от астрономии до молекулярной биологии. Скажите, в каких науках заблуждения более распространены, а о каких читатели осведомлены больше?
— Во-первых, есть области науки, которые привлекают внимание психически нездоровых людей, пытающихся опровергнуть общепринятые теории. В физике особенно популярно опровержение теории относительности (пытаются возродить эфир). Люди из каких-то своих мозговых завихрений начинают опровергать Эйнштейна. Если вы поищете в сети, например в сообществе Science+freaks в «Живом журнале», вы найдете сотни примеров.
— К нам в редакцию минут двадцать назад звонил один из таких представителей.
— Да-да, мне тоже на электронную почту периодически пишут. Затем — в лингвистике, в эволюции языков, их родстве. Возникают лженаучные теории, что все языки произошли от русского, или все языки произошли от украинского, или от иврита — смотря какие завихрения в голове. Естественно, пытаются опровергать теорию эволюции, и теория эволюции и этология (наука о поведении животных) объясняют, почему это хочется опровергнуть.
У всех животных есть инстинктивные механизмы, которые вызывают отвращение и враждебное отношение к тем, кто на них похож, но не совсем, то есть к близким видам.
— Наверное, чтобы предотвратить скрещивание?
— Да, верно. Поэтому людям в среднем не нравятся обезьяны — по крайней мере, нравятся гораздо меньше, чем кошечки и собачки. И обезьяны сторонятся обезьян другого вида. Поэтому какая-нибудь рысь, забредшая в деревню, не устоит от соблазна разорвать домашнюю кошку — не чтобы съесть, а просто так. Этот же инстинктивный механизм участвует в ксенофобии у людей, когда речь идет о носителях других языков. Скажем, для среднего русского человека какой-нибудь китайский — как птичье чириканье, не вызывает особых эмоций. А в языке индоевропейской группы, скажем немецком или таджикском, могут угадываться какие-то сходные сочетания звуков или даже корни. А близкий язык (скажем, болгарский для нас или французский для испанца) будет казаться смешным и неправильным. Это инстинктивное неодобрение к относительно похожим видам заставляет людей внутренне отвергать идею о происхождении от обезьян. Вся остальная часть теории эволюции таких эмоциональных отторжений обычно не вызывает, но этим отторжением теория эволюции и подтверждается!
— Эволюция же происходит не только в природе, но и среди идей. Как развивается научная популяризация в нашей стране в последние годы?
— Эволюция идей, мемов у Докинза по-моему, довольно спекулятивна. Для эволюции нужно, чтобы организмы производили копии, которые борются за ограниченные ресурсы. Для идей такой ресурс — емкость человеческих мозгов, где они обитают, но говорить о саморазмножении идей я бы поостерегся.
— Хорошо, как научно-популярная литература изменяется за последние годы?
— Если брать промежутки времени лет в 30–40, мы увидим движение по кругу. Научпоп за последние 10 лет по стилю сильно копирует научпоп западный, потому что сейчас его много перевели. Там есть тенденция все максимально упрощать, как совсем «для дебилов». Выкладывая черновые отрывки своей книги, я получил несколько комментариев в духе «вы знаете, то, что вы пишете, похоже на советский научпоп». Я над этим подумал, согласился и решил, что это хорошо. Моя книга отличается от среднего научпопа большей плотностью информации, и среднему читателю придется лезть в Google — не за тем, так за другим.
Я старался все максимально облегчить, но в объеме одной книги все комментарии и пояснения не поместятся — а если впихнуть, это будет нечитаемо. Комментаторы в блоге говорили, что это вносит приятное разнообразие, а работа мозгом по пониманию более сложного текста приносит удовольствие. Я в детстве читал много советского научпопа из родительской библиотеки — там был Маковецкий, Яков Перельман. Возможно, я их в чем-то неосознанно копировал. А вот Кирилла Юрьевича Еськова по стилю я копировал уже осознанно — это наш палеонтолог, который в 2000-м выпустил научно-популярную книгу «История Земли и жизни на ней» (правда, тогда научпоп не был развит, и она вышла под грифом «учебники для дополнительного образования»). В этой книге говорится о развитии биосферы Земли как цельной системы, без акцента на конкретных вымерших видах. Других книг подобной направленности на русском языке нет, да и на английском, в принципе, тоже. Она была принята читателями довольно благосклонно, в том числе далекими от биологии. Я как-то сослался на нее в споре на форуме по военной истории, и там книгу приняли на ура, хотя она была не по их специальности.
— А ваша книга больше рассчитана на подготовленного читателя, который уже интересуется биологией?
— Я очень хочу, чтобы она дошла до читателей, далеких от биологии. Книга выросла из курса лекций, который был отработан на школьниках, интересующихся биологией. Мне очень хотелось охватить условную аудиторию GeekTimes. Там больше программистов — очень умная аудитория, но которая читает научпоп, связанный с биологией, редко и от случая к случаю. В научпопе сейчас проблема: каждую новую научно-популярную книгу читают те же люди, которые читали три-пять предыдущих. Мне бы хотелось разомкнуть эту замкнутую «тусовку», подключив туда новых людей. В этом цель не только этой книги, но и ее рекламы.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
+1
Интересно.
Можно подумать…
- ↓
