Book: Хлопок одной ладонью



Хлопок одной ладонью

Николай Кукушкин

Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум

Научный редактор Сергей Ястребов

Редактор Валентина Бологова

Иллюстрации Николая Кукушкина

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Корректоры И. Астапкина, О. Петрова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Оформление обложки и макет А. Бондаренко


© Кукушкин Н., 2020

© Кукушкин Н., иллюстрации, 2020

© Бондаренко А., художественное оформление, макет, 2020

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2020


Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Хлопок одной ладонью

Серию PRIMUS составят дебютные просветительские книги ученых и научных журналистов. Серия появилась благодаря совместной инициативе «Книжных проектов Дмитрия Зимина» и фонда «Эволюция» и издается при их поддержке. Это межиздательский проект: книги серии будут выходить в разных издательствах, но в едином оформлении. На данный момент в проекте участвуют два издательства, наиболее активно выпускающих научно-популярную литературу: CORPUS и АЛЬПИНА НОН-ФИКШН.


Хлопок одной ладонью

Предисловие

Но в нас горит еще желанье,

К нему уходят поезда,

И мчится бабочка сознанья

Из ниоткуда в никуда.

Виктор Пелевин. Чапаев и Пустота

«Две ладони сходятся в хлопке – и возникает звук. Каков звук одной ладони?»

В дзен-буддизме есть специальный тип мысленного упражнения – коан. Иногда дзен-коаны описывают как загадки без разгадки, но это не совсем точно. В действительности цель коана не разрешить задачу, а скорее прочувствовать ощущение неразрешенности, вызвать в практикующем «состояние вопрошания». Но на самом деле это не означает, что у коанов вообще не может быть «разгадок». Просто в коане важна не разгадка, а сам процесс разгадывания.

Впервые я услышал коан про хлопок в институте, на биолого-почвенном факультете СПбГУ, от однокурсников-интеллектуалов. Все мы тогда увлекались, так сказать, поп-буддизмом – Борхесом, Пелевиным, Гребенщиковым – и в перерывах между лекциями про древние растения и зоологию беспозвоночных разгадывали дзен-коаны, резко схлопывая одну ладонь. О, остроумие первокурсника!

С годами я стал видеть у этого коана другую разгадку. В хлопке сходятся две руки, и звук – то, что происходит в результате их соединения. Это метафора восприятия, взаимодействия между миром и разумом. Все, что я слышу, вижу и ощущаю, – это звук хлопка, рождающийся на границе между мной и окружающей меня реальностью, между двумя ладонями, между субъектом и объектом.

Мир всегда, с первой секунды нашей жизни, поделен на две части, одна из которых направлена внутрь, а другая – наружу. Я и все остальное. Мы и они. Свои и чужие. Человек и животные. Исследователь и образец. Любое такое рассечение мира пополам – это хлопок двумя руками. Наша жизнь – это звук, рождающийся на границе между мной и не-мной.

Но что, если субъект – это часть объекта? Что, если я – это часть всего остального, а исследователь – часть образца, на который он смотрит? Что, если две руки – это иллюзия? Как звучит хлопок, если рука всего одна?

Я начинал свой путь в биологии с молекул и клеток (моя кандидатская, например, про гликопротеины – белки с углеводными метками), но каким-то образом оказался среди всего неохватного и бесконечного. Сейчас я изучаю, как из молекулярных сигналов возникает в мозге память и как так сложилось за миллионы лет эволюции. Тут волей-неволей приходится думать в терминах, сильно напоминающих коаны. Если я замеряю память через молекулы, то где граница между памятью и движением этих молекул? Как понять, где механизм мышления, а где само мышление? А если это непонятно, то где граница между телом и сознанием, между моим мозгом и мной? Как понять, когда я думаю «наружу», а когда «внутрь», и что, если разницы нет вообще? Каков, короче говоря, звук одной ладони?

Книга о себе

Эта книга – об истоках всего, что делает нас людьми.

Что такое человек? Зависит от того, у кого спрашивать. Биолог, психолог, философ, историк, художник – все они ответят на этот вопрос по-разному. Одни будут искать ответ на вопрос внутри себя, другие – в окружающем мире, третьи – в глубинах прошлого. Каждая область мысли, научная или нет, преломляет человеческую жизнь призмой собственных понятий и категорий. Это хлопки двумя ладонями: ладонь человеческой жизни сходится с ладонью научного метода, или с ладонью чувственного восприятия, или с ладонью исторической перспективы – и возникает звук.

И все же биологов, психологов, философов, историков и художников объединяет то, что все они люди. Все они слышат звук, когда их собственные ладони – ладони человека как субъекта – ложатся на ладонь человека как объекта, человека в целом, человека в принципе. Но на самом деле эти две ладони едины. Человек есть человек, независимо от того, субъект он или объект.

Задача этой книги – взглянуть на человека одновременно изнутри и со стороны, с позиций прошлого и с позиций настоящего, с точки зрения биолога и с точки зрения философа, с точки зрения вида Homo sapiens и с точки зрения других видов: бактерий, растений, медуз, птиц. Эта книга – обо всем не-человеческом, что предвосхитило и определило все человеческое: от зарождения жизни до полового размножения, от происхождения животных до социальных инстинктов, от нейронных сетей до абстрактного мышления. Книгу можно считать научно-популярной с той точки зрения, что я буду использовать научные знания и надеяться, что книга будет популярной. Но это книга не про науку, а про природу. Не про людей, изучающих жизнь, а про жизнь, порождающую человека. Вместо истории жизни от лица людей, это история людей от лица жизни.

Эта книга – летопись человека и его ума. Повесть о том, как из ниоткуда и из ничего возник кто-то, кто сумел оглянуться назад.

Жизнь как чудо

Как ни крути, то, что мы есть, – это чудо. Даже три чуда.

Чудо первое: жизнь. Вокруг нас несметные количества живых существ, больших и маленьких, видимых и невидимых, и мы – одни из них. Даже самое примитивное растение или животное по своей сложности превосходит все, что когда-либо умел делать своими руками человек. Их количество и разнообразие просто невозможно охватить человеческим умом. Жизнь на Земле – непостижимая, вездесущая, кишащая миллионами ног, сучков, колючек и зубов вакханалия, в которой мы существуем и из которой мы происходим.

Этому чуду посвящена первая часть книги: «Откуда взялись все». Все живые то есть. Человека многое делает человеком, но тот факт, что он – живой организм, пожалуй, все-таки главный. В этой части книги людей почти не будет, зато будет этот товарищ, живой организм, и его история как череда событий древнего мира. Мы рассмотрим происхождение и эволюцию жизни на Земле, а также становление исторической траектории, которую миллиарды лет спустя увенчает человеческий вид. Самая ранняя история жизни задала тон всем дальнейшим событиям, произошедшим на планете. Мы увидим, что многие свойства человека – от беспрецедентной сложности его мозга до гендерных ролей – берут свои истоки за миллиарды лет до появления даже самых примитивных животных.

Чудо второе: человеческий вид. Мы можем делать вещи, которые не может делать никто. Человек как вид явно выделяется на фоне всего остального, что он видит вокруг. Мы охотимся с копьями, разводим огонь и заготавливаем еду на зиму. Мы летаем в космос, строим города и подводные лодки. Я много ворчу на тему антропоцентризма, то есть убеждения, что человек – пуп земли. Но нашему виду Homo sapiens все-таки стоит отдать должное. Человек – это действительно чудо. Ему как виду среди других видов посвящена вторая часть книги: «Откуда взялись мы».

Эта часть книги больше всего напоминает летопись. Она разделена на четыре главы, соответствующие четырем эрам: «докембрийской», палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Речь в них пойдет о возникновении человека как вида. Принято считать, что момент происхождения человека от обезьяны сделал его «особенным», а до того в системе природы человек ничем не выделялся. Я постараюсь убедить читателя, что история человеческой исключительности начинается гораздо раньше. Для этого мне придется рассказать о множестве других видов, без которых разговор об исключительности потерял бы всякий смысл. Мы познакомимся с динозаврами, насекомыми, губками, даже с водорослями и грибами. Только в такой перспективе станет понятна исключительная судьба нашего вида и его предков.

Наконец, чудо третье: человеческое сознание. Среди всех людей у каждого из нас есть один избранный, исключительный человек, который принципиально из них выделяется. Он называется «я». Он смотрит на других людей из своих глаз и разговаривает внутренним голосом. Его мысли, желания и эмоции доступны нам напрямую, а не через восприятие слов или выражений лиц. Мы можем управлять своим телом усилием воли.

Третья часть книги посвящена этому «чуду точки зрения», первому лицу, сознанию, расщепляющему мир на себя и не-себя. В ней пойдет речь про мозг, в хитросплетениях которого спрятан наш внутренний мир. Мы поговорим о том, что в принципе представляет собой мозг и в чем состоит его эволюционная задача. Мы увидим, что мозг имеет особый статус в нашем организме, предоставляя нам частичную независимость от собственных генов. Наше сознание – следствие такой частичной свободы. С одной стороны, это дает нам право на личность, но с другой стороны, вечно отравляет нам жизнь. В этой части книги мы углубимся в детали собственной памяти, восприятия, мотивации, языка и постараемся соединить взгляд на человека со стороны со взглядом изнутри. Мозг – это история внутри истории, жизнь внутри жизни, чудо внутри чуда, и из всех трех «чудес» этой книги в нем на сегодняшний день остается больше всего загадок.

Что такое чудо? Можно сказать, что это нечто реальное, но при этом необъяснимое. Принято считать, что если чудо объяснить – то оно перестает быть чудом. Но, с другой стороны, как показывает история, человек только и делает, что находит объяснения чудесам. Мы не любим неразрешенных вопросов и так или иначе объясняем существование себя и окружающего мира. Откуда берутся молния и гром? Наверное, там наверху сидит мужик со специальным молотком, которого невозможно увидеть. Куда уходят мертвые? Видимо, под землю, к другому мужику. (Мы вообще любим везде мужиков добавлять.)

Мне кажется, что чудесность чуда заключается именно в его объяснении. Чем грандиознее объяснение – тем чудеснее чудо. И вот по такой шкале чудесности ничто не сопоставимо с картиной мира, выстроенной современным научным знанием. Легенды и мифы Древней Греции – это детские сказки по сравнению с историей эволюции фотосинтеза. Мужики понятнее, чем молекулы, но я постараюсь убедить дорогого читателя, что молекулы гораздо грандиознее. Можно даже сказать, эпичнее.

Эта книга – попытка объяснить чудо. Без объяснения чудо – просто неизвестность.


Хлопок одной ладонью


Часть I

Откуда взялись все

Хлопок одной ладонью

1. В начале были буквы

Все происходит нечаянно.

Лев Толстой. Война и мир

Мир, строго говоря, состоит из энергии.

Есть бородатый анекдот о сложности этого понятия. Вопрос на экзамене по физике: что такое энергия? Студент мучается, пыхтит, в конце концов говорит: «Простите, профессор, знал, но забыл!» Профессор встает и торжественно объявляет аудитории: «Друзья, трагедия! Один человек в мире знал, что такое энергия, но и тот забыл!»

При попытке определить, что такое энергия, обычно приземленный и конкретный язык физической науки виляет из стороны в сторону и обрастает почти эзотерическими интонациями. Это мера причинно-следственной связи. Разменная валюта Вселенной, описывающая, что во что может превращаться, что куда может двигаться или чем становиться. Энергия – это такое необъяснимое и философски неделимое нечто, которое никак не выглядит и ни из чего не состоит, не убывает и не возникает, но является нам в разных формах – массы, тепла, движения, волны. Энергия перетекает из одной формы в другую: например, теплом можно вызвать движение. Чтобы сделать что-то, что не хочет делаться само, нужно вложить энергию – толкнуть камень в гору, например. А если что-то делается самопроизвольно, то энергия при этом выделяется, как свет и жар при горении. В том, откуда и куда энергия перетекает, состоит, собственно, последовательность всех событий в мире. Мы называем направление этого перетекания временем.

Одна из главных форм существования энергии – это материя, то есть энергия с массой. Известная нам материя состоит из атомов, крупиц энергии, пойманной в форме массивных комков. Благодаря наличию массы атомы обладают свойствами, интуитивно понятными нам, массивным существам. Атомы, например, отскакивают друг от друга – их можно весьма условно сравнить с бильярдными шарами.

Все атомы имеют похожую структуру. В центре – тяжелое ядро, несущее в себе почти всю массу атома. Ядро состоит из плотно слепленных друг с другом протонов и нейтронов, которых может быть от одной штуки (у водорода) до пары сотен (у урана). У нейтронов есть только масса, а у протонов, помимо массы, есть еще заряд – особое свойство материи, которое существует в двух вариантах, притягивающих друг друга. Мы называем эти варианты положительным и отрицательным зарядом: у протона по договоренности плюс, а противоположный минус – у еще одной составляющей атома, электрона.

В основном атом состоит из пустоты. Ядро из протонов с нейтронами – центр тяжести – занимает ничтожную часть пространства по сравнению с диаметром атома. Поверхность же атома состоит из почти невесомого электронного облака. В школьных учебниках принято писать, что электрон летает вокруг ядра, но это сразу создает ложное представление, которое приходится потом долго ломать, когда дело доходит до квантовой механики. Дело в том, что если атом в целом еще худо-бедно напоминает шарик, то электрон – вообще нечто иное, и как шарик его никоим образом не описать. Он и волна, и материя. У него есть масса, но нет четкого положения: вероятность его существования как бы размазана по пространству, окружающему атом. Электроны имеют заряд, противоположный протонному, благодаря чему электронная оболочка и окружает ядро, к которому ее все время тянет. Таких оболочек у атома может быть много, они слоятся и переплетаются вокруг ядра многомерной квантовой капустой, от которой студентам-первокурсникам на лекциях по химии или физике обычно становится плохо.

Различаются атомы количеством протонов, нейтронов и электронов. Атомы с определенным количеством протонов называются элементами. Элемент – это тип атома. У каждого элемента свои свойства. Самый простой элемент – водород. У водорода один протон и один электрон, а нейтронов обычно нет вообще. У углерода, например, 6 протонов и обычно 6 нейтронов, а у железа – 26 протонов и 30 нейтронов. Чем больше протонов с нейтронами – тем атом тяжелее. Количество электронов в норме уравновешивает количество протонов, нейтрализуя общий заряд атома. Но в махинациях с электронами, как мы увидим, состоит вся атомно-молекулярная жизнь.

Пантеон элементов

Атомам все время не сидится со своим набором электронов. В этой нервозности – причина всех химических реакций. Спокойна только особая группа атомов, носящих благозвучное название благородных газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. В пантеоне химических элементов они как шесть бодхисаттв, поддерживающих баланс своих электронов в полной гармонии с протонами, лишенные желаний и устремлений, не вступающие ни в какие реакции и ведущие одиночную жизнь в форме газа.

Остальные атомы, так или иначе, чего-то хотят от других атомов, благодаря чему и существуют вещества, предметы и организмы. Некоторые атомы не удовлетворены своим «естественным» количеством электронов и хотят оторвать или хотя бы оттянуть их от других атомов. Другим атомам слишком много положенного набора, и они ищут желающего принять избыток. У некоторых вроде бы все в порядке с количеством электронов, но у них нестабильная конфигурация, которую можно стабилизировать, только вступив в связь с другим атомом с похожей проблемой.

Химическая связь возникает, когда электронные облака двух атомов сливаются в единое облако. Полученная совместная электронная оболочка распределяется между ядрами-партнерами. Бывает мирное слияние, когда оба атома получают поровну коммунального облака. Бывают почти рейдерские захваты, когда один атом после слияния перетягивает облако на себя, и перед атомом-партнером встает выбор: либо довольствоваться краешком облака, прилипая к захватчику, либо отколоться и остаться вообще без электрона. Если облако растянуто на два ядра, то теперь два атома существуют как единое целое, и такая стабильная связка атомов называется молекулой. Молекулы помогают атомам успокоить свою нервозность.

Живой мир состоит не из отдельных атомов, а именно из молекул – конгломератов атомов, связанных друг с другом общими электронами. Молекулы живой природы – органические молекулы – отличаются своими огромными размерами. Они состоят не из двух-трех атомов, а из десятков, сотен, даже тысяч атомов, складывающих свои электронные облака в сложные трехмерные структуры. Количество возможных молекул бесконечно, а количество реально существующих молекул определяется, скорее, нашими способностями их находить или создавать. Но атомов гораздо меньше, чем молекул, а ключевые атомы природы, собственно химический каркас жизни, и вовсе можно пересчитать по пальцам.

Главный из них – бесспорно, углерод. Если говорить отвлеченно, то из углерода состоит все живое, а другие атомы – так, поналипли. Почему углерод? Он обладает уникальными среди элементов способностями. Атом углерода в молекуле может быть связан с двумя, тремя и даже четырьмя другими атомами, в том числе, и это особенно важно, с другими атомами углерода. В итоге образуются ветвящиеся цепи и многогранные кольца, причем их размеры и строение почти ничем не ограничены. Это свойство углерода настолько расширяет возможности и разнообразие состоящих из него молекул, что их изучение даже носит особое название – «органическая химия».

КСТАТИ

Есть такая шутка: что такое органическая молекула? Это любая молекула, интересная химикам-органикам.

Границу между органической и неорганической молекулой действительно сложно провести. На первый взгляд, это просто: подавляющее большинство органических соединений одновременно состоит из углерода и производится живыми организмами – отсюда «органика» в их названии. Но есть спорная территория, например углекислый газ – вездесущая и очень простая форма существования углерода, которая бывает на других планетах и безо всякой жизни. Его едва ли можно отнести к органическим молекулам, а вот мочевину – молекулу не намного сложнее, но гораздо более редкую за пределами биосферы – возможно. Именно синтез мочевины из цианата аммония, осуществленный немецким химиком Фридрихом Вёлером, считается первым случаем искусственного производства органического соединения из неорганического. Своим достижением Вёлер помог опровергнуть концепцию витализма, согласно которой в молекулах живого организма содержится особая жизненная сила, принципиально отличающая ее от «неживых» веществ.

Углерод – фигура конструктивная, производительная, хозяйственная. Он готов сотрудничать с другими атомами на разумных условиях. Он не пытается оторвать у них каждый увиденный электрон, а спокойно объединяет свои электронные облака с чужими во все более и более крупные структуры. Углерод готов сотрудничать с другими углеродами, до четырех на атом – получаются ветвящиеся цепочки, где все на равных правах. Углерод ведет себя вежливо даже в отношениях с водородом, лишь слегка оттягивая на себя его смехотворный единственный электрон. Именно благодаря таким деловым качествам углерода живая природа существует в известном нам виде. Из-за своей сговорчивости и общительности углерод идеально подходит для сборки в гигантские мегамолекулы, такие как белки или ДНК.


Хлопок одной ладонью

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной1.

Материя в целом, можно сказать, состоит из водорода и его близкого родственника, благородного бодхисаттвы гелия, с вкраплениями других, более тяжелых элементов. Но среди этих больших элементов водород – самая мелкая сошка. Он как несчастный крепостной крестьянин, плотно прилепленный к барину своим электроном, курсирующим в составе общей молекулы. У него совсем нет сил, чтобы удержать и этот свой единственный отрицательный заряд, поэтому отношения с другими атомами у него почти всегда подчиненные. Но ни от кого на планете Земля водород не страдает столько, сколько от кислорода.

Кислород – элемент деструктивный, беспощадный, яростный. Он разорвет на части все, что ему подсунут. По силе, с которой он тянет на себя электроны, ему нет равных, за исключением экзотического фтора2. Вклиниваясь в чужие молекулы, кислород расчленяет их на отдельные атомы, присасываясь к их электронным облакам и образуя простые соединения. Если попадется водород – получится вода. Если попадется углерод – получится углекислый газ. Молекула-жертва, скажем, целлюлоза в бумаге и древесине, может содержать несколько тысяч сложно состыкованных углеродов, но кислород готов превратить всю эту сложность в простые, мелкие, неорганические молекулы. Часть энергии, содержащейся в электронных облаках углеводородного каркаса целлюлозы, при этом освобождается в форме света и тепла. Это называется горением.


Хлопок одной ладонью

Конечно, такая сугубо деструктивная роль кислорода – большое упрощение. Кислород не только рушит молекулы из углерода и водорода, но и входит в их состав. Тем не менее с планетарной точки зрения можно смотреть на такие кислородсодержащие молекулы как на топливо в постепенном процессе сгорания. Углекислый газ и вода – конечные продукты горения углеводородной молекулы, а все остальные формы существования в ней кислорода – промежуточные продукты.

На первый взгляд, углерод и кислород выглядят врагами: один строит, другой рушит. Углерод отличается тем, что из него можно создавать сложнейшие инженерные конструкции. Кислород же способен любые конструкции в конечном итоге превратить в простейшие молекулы.

На самом деле даже в горении есть очевидная польза. В химических связях, сковывающих сложную молекулу, заключено огромное количество энергии, которое можно высвободить, если эту сложную молекулу расщепить на простые. Горение топлива, например, несет ракету в космос со скоростью, невиданной в дикой природе. Это тоже кислород, накидывающийся на углерод с водородом, и энергия, выделенная в ходе такой атаки, превращается в ускорение. Так же и кислород в живом организме: его «электронная жадность» используется природой для высвобождения энергии, которую можно затем использовать. Мы вдыхаем кислород, чтобы сжечь съеденный обед и пустить его энергию на конструктивные дела: например, обдумывание ужина.

В дихотомии углерода и кислорода есть что-то космически значимое для жизни на Земле. У кислорода действительно в характере рушить и отбирать, но он умеет это делать так эффективно и беспощадно, что из чинимого им тотального уничтожения рождается новое и невозможное. Кислород – не просто вандал природы, он что-то вроде химического Шивы – несущий обновление через разрушение. (Для углерода тогда напрашивается образ четверорукого Вишну.)

Кислород и углерод как элементы воплощают в себе свойства, которые после возникновения жизни лягут в основу метаболизма, или обмена веществ. Метаболизм имеет две стороны. Анаболизм – строительство больших молекул с затратой энергии, то есть почти всегда строительство углеродных цепочек. Катаболизм – расщепление больших молекул с выделением энергии, то есть, в современной природе, почти всегда сжигание углеродной пищи кислородом. Вместе анаболизм и катаболизм замыкаются в энергетический цикл, способный приспосабливаться к любым нуждам живого организма, и в этом цикле заключается одно из самых главных, самых чудесных свойств жизни. Любой живой организм имеет сложную систему «обмена валюты», которая связывает анаболизм с катаболизмом. Эта восхитительная система позволяет нам запихивать в рот почти все что угодно и каким-то образом безо всяких усилий превращать спрятанную там химическую энергию в мысли и движения.

Можно сказать, что метаболизм – это половина того, что значит быть живым. Но цикл энергии, в принципе подходящий под определение обмена веществ, встречается во многих системах (например, любой природный круговорот). В понятие живого организма, по крайней мере в известных нам земных вариантах, входит, помимо метаболизма, еще один цикл: информационный. Живые организмы обладают наследственностью. Но, перед тем как я произнесу слово на букву «г», предлагаю отвлечься на легкий пересмотр природы реальности.

Мир как рецепт пирожка

В бытовом смысле мы используем слово «информация» для обозначения значимого и обычно передаваемого знания. Информация передается, когда два человека разговаривают. При чтении информация преобразуется из письменной формы в мысленную. Информация копируется, если переслать файл с одного компьютера на другой. Может показаться, что само понятие информации возникает в тот момент, когда что-то значимое куда-то передается. То есть с бытовой точки зрения информация – это «мера общения», слово, обозначающее передачу каких-то важных параметров из одной системы в другую.

С более формальной, физической точки зрения информация совсем необязательно должна куда-то копироваться или что-то значить, чтобы быть информацией. Информация – это не передача параметров, это сами параметры. Абстрактное описание системы, отличающее ее от других систем. Например, в доме содержится информация о взаимном расположении кирпичей, и эта информация существует независимо от самих кирпичей, от вашего знания об этих кирпичах и вообще от материального мира. Она может быть нигде не записана и никому не известна, но она то, что отличает дом от груды кирпичей. Информация – не столько «мера общения», сколько «мера порядка», индекс свойств системы, выделяющий ее из хаоса. Она «содержится» в материи, но существует независимо. Например, роман «Война и мир» – это информация, абстрактное описание того, как должны быть расположены буквы на листе, чтобы отражать задумку автора. Эта информация может содержаться в бумажной книге или в памяти компьютера, но эти материальные носители – не то же самое, что великий роман русского классика.

С этой точки зрения можно еще раз взглянуть на Вселенную в целом. Из чего она состоит? Допустим, что всю Вселенную взяли, стерли в порошок и распылили до гомогенного пара. Суммарное количество энергии останется точно таким же, даже количество атомов и частиц вряд ли изменится (зависит от того, как стирать в порошок). Что исчезнет при таком стирании – так это информация. Распределение атомов и энергии между реками и морями, материками, планетами и галактиками, распределение, благодаря которому они были собой. Не будет ли логичным сказать, что из информации Вселенная и состоит? Энергия – это начинка Вселенной, а информация – рецепт вселенского пирожка. Вот вам и легкий пересмотр реальности.

Что делает жизнь живой? Способность воспроизводить информацию. Точнее, способность информации воспроизводить саму себя. Но все по порядку.


Хлопок одной ладонью

Молекула всего

Принципиальны для понимания жизни два типа молекул: белки и нуклеиновые кислоты.



Это огромные молекулы, если смотреть на них с точки зрения неживой природы. Допустим, вы атом углерода – как мы помним, четверорукий крепкий хозяйственник, из которого в основном выстроены молекулы живого организма.

Допустим, ваш диаметр соответствует человеческому росту. В таких координатах средний белок будет размером эдак со Спасскую башню или статую Свободы, а рибосома – машина для изготовления белков – примерно с футбольный стадион. Матричная РНК – программа, которая в эту машину вставляется, – окажется лентой шириной в 20 метров, а длиной в десятки километров. ДНК – две похожие ленты, закрученные друг вокруг друга, но ленты настолько длинные, что это, скорее, дороги, ведущие из ниоткуда в никуда. У бактерий ДНК замкнута в огромное кольцо окружностью в половину, а иногда и весь земной экватор. У человека ДНК не кольцевая, поэтому начало и конец у нее все-таки есть, зато длина человеческой ДНК во много раз больше бактериальной. В наших воображаемых координатах расстояние между двумя концами ДНК в человеческой хромосоме – порядка расстояния от Земли до Луны. Оно и в обычных, реальных-то координатах впечатляет. Каждая хромосома – это одна молекула ДНК, намотанная на плотно упакованные катушки из белков-гистонов, а всего хромосом в каждой клетке 46 штук. Если хромосомы размотать, то в каждой клетке человека обнаружится аж два метра ДНК3.


Хлопок одной ладонью

Белки – совершенно несуразное название для чего-то настолько важного и величественного. Что такое белок, знает каждый ребенок: белок – это белая, по-моему, менее вкусная часть яйца. Какая связь между яичным белком, прозрачным желе, белеющим при нагревании, и белками, из которых состоит наше тело, понять очень сложно. Яичная аналогия помогает усвоить, что белки очень питательные, но мешает понять, что белок вовсе не гомогенная масса одного и того же вещества.

Ту же, в общем, идею однородности белкового вещества выражает синоним «белка» – «протеин». Предложил его в 1838 г. шведский ученый Йёнс Якоб Берцелиус в письме голландскому химику по имени Геррит Ян Мульдер4. Мульдер изучал химический состав разных биологических субстанций (шелка, яиц, плазмы крови) и пришел к убеждению, что в основе всего живого лежит одна и та же сущность, «первовещество». Мульдер фантазировал, что это первовещество производить умеют только растения и в этом заключается их питательная ценность для животных. Берцелиус – выдающийся шведский химик, с которым Мульдер много лет переписывался, – предложил так это первовещество и назвать: протеин, от слова πρώτειος, то есть «первичный» по-гречески.

Все оказалось несколько иначе, чем предполагал Мульдер. «Первовещества» как такового на самом деле нет. Все сложные молекулы, из которых мы состоим, производят наши собственные клетки из простейших деталей, причем организм великолепно умеет изготавливать одни детали из других. Некоторые детали должны обязательно поступать с пищей, как, например, половина аминокислот – из них состоят белки. Но в целом живой организм обходится тем, что имеет. Как правило, он может сожрать что угодно, разобрать практически на атомы и собрать в любые нужные ему молекулы. Поэтому идея о том, что растения производят некий единый белок, из которого состоят животные, неверна. Тем не менее Мульдер действительно нащупал кое-что важное и общее между изучаемыми им субстанциями. Просто они оказались не одним и тем же белком, а разными белками. Белок – не одна какая-то молекула, а тип сложного химического соединения, представляющий собой разнообразные цепи из одинакового набора деталей, бусин, аминокислот. То есть химически белки очень похожи друг на друга, что и натолкнуло химика Мульдера на мысль о «первовеществе». Но главное в белке то, что разные последовательности бусин позволяют создавать совершенно разные молекулы из одного и того же набора компонентов.


Хлопок одной ладонью

Эти разнообразные белки правят живым организмом. Как рабочие разных профессий, они делают все, что только можно в нем делать. Мы перевариваем пищу с помощью белков, дышим кислородом с помощью белков, двигаемся с помощью белков. Белки копируют ДНК, синтезируют клеточную мембрану, а при формировании долгосрочной памяти белки в гиппокампе отправляют при помощи белков белковые сигналы другим белкам в кору. Всего у человека порядка 20 000 разных белков5, но каждая клетка решает, когда и в каких количествах производить из них тот или иной белок.

В общем, как «первовещество» термин «протеин» себя не оправдал: белок – это не одна вещь, а огромное количество похожих вещей. Я предлагаю простое решение вопроса: можно переосмыслить этимологию слова как отсылку к греческому богу Протею, морскому божеству, способному принимать разные формы. Тогда все встает на свои места. Так или иначе, «протеин» – слово, конечно, поэлегантнее, чем «белок», но, к сожалению, в русском языке так белки называют только продавцы биодобавок. Так что придется терпеть яичную терминологию. Белки так белки.

Нуклеиновые кислоты – название еще хуже. Во-первых, длинное, сложное, учебником химии веет за километр. Во-вторых, тот факт, что нуклеиновые кислоты именно кислоты, конечно, многое определяет в их химических свойствах, но для общего понимания их смысла совершенно не принципиален. Да и «нуклеиновость» этих кислот, в общем, вторична. Nucleus означает «ядро», отдел клетки, в котором у нас, эукариот, нуклеиновые кислоты хранятся. У бактерий – самой многочисленной формы жизни на Земле – ядер нет, а кислоты все равно нуклеиновые.

Что такого важного в нуклеиновых кислотах – ДНК и РНК? Сами по себе, то есть без белков, они почти беспомощны. За редкими (хотя и важными) исключениями, о которых речь впереди, нуклеиновая кислота тихо лежит, а белки с ней что-то делают. Сила нуклеиновых кислот не в работоспособности или многофункциональности, а в том, что они несут информацию о том, какими нужно быть белкам, чтобы исполнять нужные функции. Нуклеиновые кислоты кодируют белки. Белки на самом деле – это не рабочие, а роботы. Они изготавливаются по специальным программам, записанным в нуклеиновых кислотах.

Физически и белки, и нуклеиновые кислоты представляют собой цепи, сложенные из последовательностей повторяющихся деталей, блоков, бусин. Белки состоят из блоков, называемых аминокислотами, нуклеиновые кислоты – из блоков, называемых нуклеотидами.

В белках 20 возможных составных частей, причем все они очень разные с химической точки зрения. Аминокислоты – это как набор «Юный химик». Все их можно комбинировать в почти бесконечном количестве вариантов. Благодаря разным последовательностям аминокислот разные белки приобретают разные свойства, изгибаются в сложные трехмерные формы, покрытые всевозможными химическими группами, работающими как детали машины. Это обилие компонентов и комбинаций дает белкам такое бесконечное разнообразие функций. В конечном итоге все сводится к простейшему рецепту: такие-то аминокислоты в такой-то последовательности. Информация определяет функцию. Последовательность белка решает, что этот белок умеет делать.

Четырехбуквенный роман

Что касается нуклеиновых кислот, то они бывают двух типов: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). По молекулярному составу они очень похожи друг на друга, но их роли и значение совершенно разные. О РНК разговор впереди, пока же для простоты можно ограничить нуклеиновые кислоты знаменитой двойной спиралью ДНК.

В ДНК всего четыре составные части, причем не так сильно различающиеся по химической сущности. Но эти составные части, нуклеотиды, обладают ключевым свойством, носящим название комплементарности. Комплементарность – это способность одной цепи нуклеотидов связываться с другой комплементарной цепью нуклеотидов, если их последовательности соотносятся как негатив и позитив. Иначе говоря, это способность одной цепи задавать другую цепь, и наоборот.

Благодаря этому свойству нуклеотидные цепи идеально подходят для воспроизведения особого типа информации, которую называют наследственной информацией, генетической информацией или просто генами. (Вот оно, слово на букву Г!) Все гены организма в совокупности называются геномом[1]. Ген – это фрагмент генома, как глава – фрагмент романа. Геном записан в ДНК, как роман записан в книге.

Каждая цепь ДНК состоит из четырех возможных нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Их иногда даже называют для простоты «буквами»: А, Г, Ц и Т. Эти буквы связаны друг с другом последовательно, как бусины: например, Т-Ц-Ц-Г-А. Благодаря химической структуре четырех нуклеотидов, такая цепь может связаться с другой, параллельной цепью, причем к А подходит только Т, а к Г – только Ц, и наоборот. То есть парная цепь в нашем примере: А-Г-Г-Ц-Т. Две эти цепи, встретившись, обовьются друг вокруг друга и образуют двойную спираль, а две другие цепи со случайными, не подходящими друг к другу последовательностями ее не образуют. Такую «парность» двух цепей и называют комплементарностью, а сами парные последовательности – комплементарными.

Чем так принципиальна комплементарность? Благодаря тому, что последовательность одной цепи «знает» последовательность другой цепи, ДНК можно копировать. Имея две цепи, достаточно знать последовательность одной из цепей, чтобы восстановить всю исходную молекулу. Это происходит при делении любой клетки. ДНК разматывается из двойной спирали на две отдельные нити, и недостающая нить достраивается специальными белковыми роботами по принципу комплементарности. В итоге образуются две одинаковые двойные спирали, которые распределяются между дочерними клетками3.

То есть нуклеиновые кислоты, благодаря своей химической структуре, позволяют копировать содержащуюся в их последовательности информацию. В каком-то смысле комплементарные цепи ДНК – это воплощение самой идеи жизни. Удвоение, копирование, размножение, деление – все это синонимы, когда речь идет о ДНК. (Вдумайтесь: только в биологии множить и делить – это одно и то же.) Даже производство Евы из ребра Адама следует тому же самому принципу, что и копирование последовательности ДНК: имея часть исходника, восстанови недостающее.

Но самое главное в том, что эта самая генетическая информация, последовательность нуклеотидов, так хорошо приспособленная к копированию, имеет скрытый смысл, который в ней можно прочесть, если знать шифр. Последовательность нуклеотидов – не просто молекулярные бусы. Это код. Информация в ДНК означает последовательность белка, а вместе с ней – то, что белок делает: дыхание, движение, питание, и все остальные функции живого организма. С помощью этого своего кодирующего свойства бездейственная ДНК, тихо хранящая в себе мудрость поколений, манипулирует окружающим миром, извлекая из себя информацию о полчищах белковых роботов.

Роботы кодируются четырехбуквенным кодом, в котором каждой аминокислоте соответствует «слово» из трех букв: АТТ – изолейцин, ГЦЦ – цистеин и так далее. Всего возможны 64 таких слова, и они распределены между 20 аминокислотами и специальными обозначениями «конец белка»: ТАА, ТАГ и ТГА. Если часть последовательности ДНК прочитать со специальным словарем, то получится последовательность белка.

КСТАТИ

Словарь перевода с нуклеотидного на аминокислотный называется генетическим кодом. Генетический код – это не то же самое, что генетическая информация. Генетическая информация – это все, что записано в ДНК. Генетический код – это таблица из 64 трехбуквенных комбинаций нуклеотидов, или кодонов, и соответствующих аминокислот, которые они кодируют. «Таблица кодонов» висит над столом у многих биологов наподобие таблицы Менделеева у химиков или, наверное, карты метро у работников метрополитена – требуется часто, теоретически можно и запомнить, но зачем?

В живой клетке есть специальная машина, ответственная за «перевод со словарем». Этот огромный молекулярный комплекс под названием рибосома – точка, в которой производятся белки и в которой нуклеиновые кислоты сообщают им свою генетическую волю. Здесь принципиальной становится вторая из кислот, рибонуклеиновая, она же РНК, родственница вездесущей двойной спирали. Пора составить семейный портрет.

В центре догмы

ДНК строга, спокойна, склонна к стабильности. Ее роль – нести свое знание из поколения в поколение с максимальной точностью. Она как жрица, живущая под грузом вечности: в ней содержатся гены, исчисляющие время эпохами. ДНК – это обычно гигантская цепь из миллионов нуклеотидов, и разные белки записаны в разных участках этой цепи. Гéном, в принципе, можно называть любой участок ДНК. По Ричарду Докинзу, например, ген – «единица, продолжающая существовать в ряду многочисленных последовательных индивидуальных тел»6. Но обычно в качестве такой единицы выбирают участок ДНК, обозначающий один белок.

РНК куда менее стабильна, чем ДНК, – постоянная головная боль для биохимиков, пытающихся ее исследовать. Она ретива и мимолетна, но в каком-то смысле гораздо более талантлива, чем ее статная родственница ДНК. ДНК не умеет делать ничего и только торжественно хранит покой содержащихся в ней генов. РНК не сравнится с белком в плане талантов, но в принципе умеет делать множество вещей, иногда даже вступая в принципиально важные химические реакции. Ее жизнь коротка, а по размерам она редко превышает тысячу-другую нуклеотидов (хотя и при такой длине РНК крупнее большинства белков).

РНК – это копия одного из участков ДНК. Она как бы распечатка одного из тысяч негативов, хранящихся в архиве. Сделать такую распечатку можно, конечно, благодаря комплементарности. На одну из цепей ДНК садится специальный белок, называемый РНК-полимеразой, и собирает комплементарную ей цепь, только состоящую из слегка отличающихся нуклеотидов. В реальном времени РНК-полимераза скорее летит вдоль цепи ДНК, а растущая копия – цепь РНК – змеится за ней хвостом. Весь процесс «распечатки» называется транскрипцией. Транскрипция – это изготовление РНК на базе последовательности ДНК.


Хлопок одной ладонью

КСТАТИ

Нуклеотиды в РНК называются рибонуклеотидами, а в ДНК – дезоксирибонуклеотидами, в последних на один кислород меньше, отсюда «дезокси». Помимо этого отличия, есть еще одно: в РНК вместо тимина (Т) используется урацил (У). Ничего важного для понимания при этом не меняется. Это примерно как отличие украинского алфавита от русского – не очень значительные, исторически сложившиеся различия в буквах.

Цепь РНК как таковая по химической структуре почти идентична ДНК, но из-за небольших отличий в нуклеотидах ведет себя иначе. РНК не склонна к длинным цепям и двойным спиралям, хотя это и возможно: двухцепочечная РНК есть, например, у некоторых вирусов. Вместо двойных спиралей, в которых друг к другу прилипают целые комплементарные цепи, одиночная цепь РНК живет сама по себе, но любит изгибаться в сложные трехмерные структуры – совсем как белок. Это происходит за счет комплементарного «слипания» разных участков одной и той же цепи РНК, изгибающего молекулу в том или ином направлении. В совокупности с большей, чем у ДНК, реакционной способностью все это ставит РНК в каком-то смысле посередине между двумя главными молекулами природы. По своей сущности РНК – почти ДНК. Она состоит из нуклеотидов и может транскрибироваться («распечатываться») с одной из цепей двойной спирали. Но по своей склонности к сложным трехмерным формам и готовности вступать в химические реакции РНК – почти белок.

С транскрипции начинается путь гена – информации, записанной в ДНК, – в материальный мир. Поэтому одна из основных задач клетки состоит в регуляции транскрипции. Клетка населена армиями белков, называемых транскрипционными факторами, которые занимаются исключительно тем, что включают и выключают транскрипцию тех или иных участков ДНК в зависимости от всевозможных сигналов, получаемых ими от других белков или из окружающей среды. Говоря, что клетка «включает» какой-нибудь ген, биологи в большинстве случаев имеют в виду включение транскрипции этого гена.

Ген, скопированный в свежую цепочку РНК, внезапно обретает мобильную форму. В таком виде он может путешествовать по клетке и даже между клетками, взаимодействовать с белками, а иногда складываться в «белковоподобные» трехмерные машины. Но особым статусом пользуются РНК, которые сами ни во что сложное не складываются и ничего интересного не делают, а только смиренно несут в себе генетическое послание, на основе которого будет изготовлен белок. В английском языке их так и называют: messenger RNAs, «РНК-посланники». В русском языке аббревиатура мРНК обычно расшифровывается как «матричные», что отражает их суть (эти РНК служат матрицей для изготовления белков), но немного лишает душевности[2].

Куда несут свое послание РНК-посланники? На рибосому. Это, напомню, огромная молекулярная машина, можно сказать станция, на которой производятся белки, где нуклеотидный язык переводится на аминокислотный. Она умеет брать «генетическое послание», матричную РНК, и, пропуская через себя шагами в три нуклеотида, параллельно собирать соответствующий белок, бусина за бусиной. В зависимости от того, какую матричную РНК вставить в рибосому, она может произвести любой белок. Рибосому можно считать древнейшим компьютером, работающим по алгоритму генетического кода.


Хлопок одной ладонью

РНК-полимераза (белок, который «распечатывает» гены в РНК) и рибосома (машина, которая «переводит» РНК в белок) в совокупности делают принципиально важную вещь: они придают информации форму. Ген – абстрактная идея, записанная в последовательности нуклеотидов, – никак не влияет на мир до тех пор, пока не обретет физическое тело, отдельное от бесконечного рулона ДНК. Транскрипция дает ему материальную жизнь в форме РНК; трансляция в белок дает ему способность управлять внешним миром. Именно свойствами белков определяются свойства живого организма. Белки решают, как работает пищеварение. Белки решают, какой формы нос. Белки решают, с какой скоростью двигается по мозгу нервный импульс.

Этот процесс превращения информации в функцию в биологии называется Центральной догмой. Центральная догма – что-то вроде биологического закона, универсальный принцип работы любого известного нам живого организма. Земля вертится вокруг Солнца, дважды два – четыре, белок считывается с гена, а ген с белка – нет.

КСТАТИ

Обычно Центральную догму рисуют в «тройном» виде: ДНК→РНК→белок. Имеется в виду, что в живых организмах информация всегда движется в этом направлении, а в обратном направлении не движется. Сформулированная таким образом в 1960-е гг. Центральная догма, впрочем, быстро пошатнулась, когда были открыты ретровирусы. Те умеют изготавливать ДНК на базе РНК. Так поступает, например, вирус иммунодефицита человека. Его геном записан в форме РНК, но при попадании в человеческую клетку он изготавливает свою ДНК-версию и встраивается в геном хозяина. Процесс производства ДНК на матрице РНК называется обратной транскрипцией, а «ретро-» в названии ретровирусов по той же причине означает «назад». То есть ретровирусы – вирусы-оборотни.

В дальнейшем нашлись и другие примеры синтеза ДНК из РНК, поэтому репутация Центральной догмы как аксиомы была подпорчена. И все же если схему перерисовать в «двойном» виде, то ее действительно можно считать неколебимым законом живого: нуклеиновые кислоты→белки.

Или еще абстрактнее: информация→функция.

Последний универсальный

Задача этой книги – представить себе историю живого в виде последовательности реальных событий, мгновений прошлого, ключевых точек во времени, определивших нашу сегодняшнюю жизнь как разумных существ. Первым и главным из таких событий должен стать, несомненно, момент возникновения жизни на Земле. Проблема в том, что мы решительно ничего о нем не знаем. Не знаем, что произошло, не знаем – где, не знаем – когда, не знаем даже, что именно происхождением жизни нужно считать.

Например, мы не знаем, было ли возникновение жизни единичным событием. Вполне вероятно, что жизнь зарождалась многократно даже на нашей планете, не говоря уже о других потенциально возможных мирах. Но сколько бы раз это ни происходило, можно с достаточной долей уверенности утверждать, что вся ныне существующая жизнь на Земле берет свое начало от одного-единственного предка. Свидетельствует об этом простой факт: вся современная жизнь, от бифидобактерий до носорогов, работает по одному и тому же принципу: информация хранится в ДНК и выражается (по-биологически – экспрессируется) в белках при посредничестве РНК.

Это, возможно, главное открытие молекулярной биологии XX в. Центральная догма заполнила пропасть между «простыми» и «сложными» организмами, объявив, что различия между ними видны только на поверхности, а в глубине все они неимоверно сложны, а главное – сложны совершенно однотипным виртуозным балетом макромолекул.

Это та же логика, которой пользуется сыщик, чтобы отличить не связанные между собой преступления от серийных. Если между картинами преступлений есть сходство достаточной сложности, то такой «почерк» свидетельствует о том, что эти преступления совершены одним и тем же человеком. Разбитые окна на месте кражи не считаются, потому что это слишком просто: легко представить, что разные преступники оставляют одну и ту же улику независимо друг от друга. Но если окно в каждом случае аккуратно вырезано одним и тем же инструментом, то куда вероятнее, что это дело рук вора-рецидивиста. В случае с живыми организмами инструменты их функционирования настолько сложные и настолько одинаковые, что почти никто не сомневается в их едином происхождении.

Итак, насколько можно судить, всё ныне живущее произошло от одного организма. Этот организм, по-видимому, был клеткой (об этом его свойстве речь в следующей главе) и уже обладал ДНК, РНК и белками. Считается, что он жил на нашей планете примерно 3,5 млрд лет назад. В англоязычной литературе для обозначения этого нашего таинственного дедушки из глубины времен используется аббревиатура LUCA – last universal common ancestor, то есть «последний универсальный общий предок». ЛУКА благозвучнее, чем ПУОП, поэтому пусть Лукой и будет.

Почему «последний»? Потому что между происхождением жизни (моментом, когда неживая материя стала живой) и Лукой (организмом, к которому восходит родословная всего ныне живущего) прошел промежуток времени, о котором, как вы уже догадались, ничего не известно. Теоретически жизнь могла зарождаться, множиться и вымирать миллионы лет и миллионы раз до того, как возник Лука, чьи потомки оказались удачливее и в конечном итоге населили сегодняшнюю Землю. То есть до Луки у сегодняшних живых организмов была еще масса других общих предков, но только потомки Луки дожили до наших времен. Лука – это как древний египтянин или миноец: он явно появился не на пустом месте, но про то, что было раньше, известно так мало, что школьные учебники по истории Древнего мира туда даже не заглядывают.

Самое главное неизвестное в истории жизни на Земле – что было до Луки. Исследования этого вопроса, в общем, не что иное, как гадание на кофейной гуще, пусть и с навороченными приборами. Ученые задаются не столько вопросом «Как жизнь возникла?» (ответов на такой вопрос искать просто негде), сколько вопросом «Как в принципе могла возникнуть жизнь?». Если конкретнее, то какой может быть теоретическая последовательность событий, ведущая от атомов и случайных, «неживых» химических реакций к первой известной форме жизни «современного» образца – Луке. Для такого спонтанного превращения неживого в живое есть специальное слово: абиогенез.

О шансах урагана на сборку боинга

На первый взгляд, сама идея такой «случайности» смехотворна. В повседневной жизни мы не сталкиваемся со случайностями, в результате которых из пыли вырастают многоэтажные здания, а ураган, проносящийся по свалке, собирает «Боинг-747». Последнее – ходовой аргумент креационистов, якобы сводящий абиогенез к абсурду.

КСТАТИ

В советские времена пользовалось популярностью определение жизни по Фридриху Энгельсу: «Жизнь – способ существования белковых тел»7. Это цитата из любопытного спора о происхождении жизни.

Источник – комментарий Энгельса к статье биолога Морица Вагнера, опубликованной в 1874 г. Вагнер, опираясь на размышления великого химика Юстуса фон Либиха, доказывает, что жизнь подобна материи, ее невозможно создать или уничтожить, она всегда есть, всегда была и, наверное, есть везде. Вот на Нептуне, например, наверняка все кишит бактериями. (Планета Нептун названа в честь римского морского бога, потому что выглядит синей, как будто покрытой сплошным океаном. Сегодня мы знаем, что, хотя на Нептуне действительно есть вода, к жизни он совершенно непригоден, а своим цветом обязан не океану, а облакам метана8.)

Энгельс на это с презрением обзывает Либиха с Вагнером дилетантами и заявляет, что создать жизнь с нуля – пара пустяков, надо только научиться синтезировать белки. Вот полная цитата:

«Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. ‹…› Если когда-нибудь удастся составить химическим путем белковые тела, то они, несомненно, обнаружат явления жизни и будут совершать обмен веществ, как бы слабы и недолговечны они ни были»[3].

Интересно, что для Энгельса жизнь – это белок плюс метаболизм. (Еще интереснее, что смерть – «разложение белка».) В остальном в споре между Вагнером, Либихом и Энгельсом обе стороны сегодня смотрятся наивно. Конечно, никто из них ничего не знал про гены, ДНК и механизм наследственности, поэтому в принципе не мог адекватно судить о происхождении жизни. Но эта пропасть знания, отделяющая нас сегодняшних от современников Энгельса, гораздо шире, чем генетика. Ученым 1870-х гг. казалось, что клетка есть сгусток белка, что от простой клетки – бактерии, например – рукой подать до неживой материи. С общим развитием биологии и особенно с появлением электронных микроскопов стало понятно, что любые, даже самые примитивные, клетки настолько сложны, что «составить химическим образом» клетку с нуля в обозримом будущем можно даже и не помышлять.

Что вообще такого уж дикого в сборке боинга ураганом? Дело не в принципиальной способности спонтанных событий порождать нечто сложное – дело в том, насколько сложным должно быть спонтанное событие, породившее жизнь. Самое известное свидетельство того, что ураганы в принципе могут что-то собрать на свалке, – это знаменитый эксперимент Миллера – Юри, который в 1953 г. показал, что, если в замкнутой колбе долго греть и бить током простейшие молекулы, из них образуется масса сложных и интересных органических соединений9. Если бы в колбе у американского химика Гарольда Юри и его студента Стэнли Миллера возникли целые клетки, то боинг был бы собран, а вопрос о происхождении жизни фактически решен. Но даже получившиеся у них аминокислоты и сахара – это огромный шаг от неживого к живому, и мы точно знаем, что этот шаг возможен.

Метафора «боинга, собранного ураганом», озвучивает другую проблему. Дело не в том, что на свалке нет нужных исходных деталей или что вихрь физически не может собрать самолет, эти возможности предусмотрены самим включением свалки и урагана в метафору. Свалка – источник вещества, где, если поискать, можно найти все, что требуется. Ураган – внешний источник энергии, обладающий достаточной силой, чтобы поднять и столкнуть между собой нужные детали. Проблема не в слабости урагана или отсутствии деталей, а в том, что ураган не знает, какие детали как сталкивать. Он не обладает информацией, нужной для правильной сборки боинга, – а это огромное количество информации, описывающей каждое сочленение каждой детали, каждую химическую связь. А если не знает ураган, то кто-то, следуя логике метафоры, должен знать. Но между абиогенезом и случайной сборкой боинга ураганом есть несколько принципиальных отличий. Во-первых, никто не утверждает, что боинг, то есть Лука, должен был собраться разом, в один этап. Наоборот, совершенно очевидно, что его сборка шла постепенно, от более простых вариантов к более сложным, причем подавляющее большинство собранных конструкций быстро развалились и были забыты. Во-вторых, каждый из успешных вариантов обладал способностью собирать свою собственную копию. То есть протобоинги должны были быть не столько примитивными самолетами, сколько боингособирающими роботами. Наконец, нет никаких оснований полагать, что ураган пронесся по свалке всего один раз. Вполне возможно, что ураган длился миллиарды лет, все это время концентрируясь на одной и той же свалке.


Хлопок одной ладонью

Все это растягивает метафору боинга до неузнаваемости, но существенно упрощает мысленную гимнастику вокруг происхождения Луки. Если представить, что определенная и не очень сложная комбинация деталей на свалке создает в результате машину, которая ездит по свалке и собирает себе подобные машины, то такую машину достаточно собрать один раз, дальше цикл сборки станет самовоспроизводящимся и размножающимся, а со временем случайные изменения приведут к разнообразию и постепенному изменению машин-потомков. Это решает главную проблему урагана-сборщика: отсутствие информации. Ураган не знает, что нужно собирать, но кто-то знает – так вот, самовоспроизводящаяся машина и есть этот кто-то. Она обладает информацией (собственной структурой), которую умеет воплощать в реальность (создавать такую же структуру), а все последующее – лишь постепенные изменения этой исходной информации.

Машина для производства себя

Короче говоря, чтобы представить происхождение жизни, совсем необязательно представлять, как из камня и воды возникает готовая клетка с ДНК, РНК и белками. Представить себе нужно самую простую самовоспроизводящуюся машину, которую только возможно представить, а потом придумать, что за ураган (источник энергии) и на какой свалке (источник вещества) мог такую машину породить. Этим и занимаются исследователи абиогенеза: пытаются найти простейшую систему самовоспроизведения и придумать ей реалистичное место рождения.

Даже это, впрочем, задача изрядной сложности. Происхождение Центральной догмы – это как загадка про курицу и яйцо, только с тремя компонентами. Чтобы из одного организма сделать другой, нужно удвоить его ДНК, РНК и белки. Чтобы сделать ДНК или РНК, нужны белки. Чтобы сделать белки, нужны РНК и ДНК. Представить, что одна из этих молекул появляется случайным образом из неживых компонентов, еще можно, хотя и тут нужно много фантазии. Но представить, что все три молекулы появляются случайно независимо друг от друга и самопроизвольно сливаются в свой сложнейший многоступенчатый танец, – это уже слишком. Нужно более простое начало.

Сегодня наибольшей популярностью пользуется идея о том, что таким более простым началом, предшествующим Луке и Центральной догме, был так называемый РНК-мир10–13. В основе этой гипотезы лежит уже упоминавшийся факт: РНК – это в каком-то смысле нечто среднее между белком и ДНК. Она может одновременно воспроизводить информацию (благодаря комплементарным свойствам своих нуклеотидов) и выполнять химические реакции (благодаря реакционной способности и склонности к сложным трехмерным структурам).

ДНК – прекрасный архив информации. Она химически стабильна, а ее двойная спираль – встроенный механизм копирования. Но молекула ДНК ничего не умеет делать. Белки – идеальные машины, многофункциональные, как швейцарский нож. Но белки не умеют себя копировать: каждая молекула белка собирается с нуля на рибосоме. По сравнению с этими двумя молекулами РНК, на первый взгляд, проигрывает: архив из нее не очень хороший из-за нестабильности, а машина и вовсе посредственная, потому что всего с четырьмя похожими друг на друга деталями в функциональном смысле не разбежишься. Но РНК уникальна в природе тем, что она может быть и архивом, и машиной одновременно.

Именно поэтому РНК занимает центральное место в фантазиях биологов о происхождении жизни. Самый простой способ представить, как могла появиться Центральная догма, – это сначала представить себе самодостаточную, самокопирующуюся молекулу РНК, а затем то, как эта РНК обзавелась белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот. Это открыло перед РНК невиданные возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива – молекулы ДНК.

КСТАТИ

РНК-мир – ни в коем случае не установленный факт, а только гипотеза: при написании этой книги, например, мне пришлось отбиваться от знакомых эволюционистов, яростно и вполне убедительно доказывающих, что первыми должны были появиться не нуклеиновые кислоты, а белки, то есть что Берцелиус со своем термином «протеин» («первовещество») попал в точку.

Если же все-таки следовать мнению большинства и верить в РНК-мир, можно сказать, что РНК – это исходная форма жизни, главным событием в истории которой стало изобретение белков14, 15. В современной клетке почти все важное делают белки, а РНК в основном просто переносит генетическую информацию. Но некоторые из наиболее древних клеточных машин сохранили в себе, как предполагается, следы добелкового мира, в котором РНК сама выполняла химическую работу. Главная из таких машин – рибосома, станция производства белка.

Рибосома – это конгломерат из нескольких десятков молекул, включающих РНК и белки, но первенство в синтезе белка принадлежит именно РНК16. Рибосомная РНК ответственна за самую главную ступень процесса: формирование пептидной связи, то есть связи между двумя аминокислотами в растущей цепи белка. Другая РНК, называемая транспортной, выступает в качестве переносчика аминокислоты. Она подставляет нужную аминокислоту под растущую цепь белка в зависимости от того, какое трехнуклеотидное «слово» в данный момент проходит сквозь рибосому в составе матричной РНК, с которой белок считывается.

Сказать, что в ходе трансляции одни РНК берут другую РНК и делают на ее матрице белок, – преувеличение, но не слишком большое. То есть в истории жизни вполне можно представить себе момент, когда доселе самостоятельные РНК научились производить на своей основе белки и заложили тем самым основу будущей Центральной догмы.

В общем, если возможен абиогенез РНК-мира, имея миллиард-другой лет и долю фантазии, можно получить все остальное. Поэтому ключевые вопросы о происхождении жизни на сегодняшний день сводятся к следующим: возможна ли самодостаточная, самокопирующаяся РНК? Если да, то могла ли она появиться случайно? Если да, то где?

Ответ на первый вопрос, похоже, утвердительный. Даже не имея в распоряжении миллиарда лет, ученые умудрились искусственно создать РНК-систему, неограниченно воспроизводящую саму себя без участия белков или каких-либо других молекул17, 18. Нюанс в том, что система эта состоит не из одной самодостаточной молекулы РНК, нанизывающей нуклеотид на нуклеотид, а из нескольких молекул, чья совместная деятельность замкнута в цикл самовоспроизведения: каждая молекула делает что-то свое, но в сумме получается копия всей системы.

Это не сильно усложняет гипотезу происхождения жизни, даже наоборот, так реалистичней. Вместо рождения одной-единственной волшебной молекулы, которая внезапно начинает копировать себя, проще представить бульон из случайных, разнообразных молекул, каждая из которых исполняет какую-то случайную химическую реакцию19–21. Большинство из этих реакций никуда не ведут, но в один прекрасный день возникает такая комбинация реакций, которая приводит к собственному началу, то есть замыкается в цикл. Поскольку при таком варианте молекулы – участники цикла будут удваиваться, со временем их станет больше, чем молекул с «бесполезными» свойствами.

На мой взгляд, гипотеза каталитического РНК-цикла – самая правдоподобная версия происхождения жизни на Земле. По такой версии, жизнь возникла в то мгновение, когда на свалке молекул случайная комбинация химических реакций замкнулась в кольцо и тем самым впервые закрутила колесо непрерывного воспроизведения информации, не останавливающееся до наших дней.

Второй вопрос – могла ли РНК появиться случайно? – требует решения нескольких проблем. Нужно, чтобы случайно появились нуклеотиды, отдельные «буквы», детали РНК. Нуклеотид, конечно, проще, чем целая РНК, но все равно довольно сложная молекула, и долгое время его самопроизвольное происхождение без участия белков-ферментов, синтезирующих нуклеотиды в современном живом организме, казалось маловероятным. Это один из аргументов в пользу первичности белка: аминокислоты проще, чем нуклеотиды, поэтому спонтанное появление белков требует меньше воображения, чем появление РНК. Тем не менее недавние исследования22 показывают, что ядро нуклеотида может эффективно собраться из очень простых компонентов в условиях, напоминающих условия древней Земли. Но и этого мало. Нужно чтобы нуклеотиды самопроизвольно объединялись в цепочки достаточной длины. В современных организмах это происходит только при копировании ДНК или РНК – то есть, чтобы сделать длинную цепочку, нужен исходник в виде другой длинной цепочки. Но как могли появиться первые длинные цепочки?

Здесь принципиальным может стать ответ на третий вопрос: где именно могла появиться РНК? Возвращаясь к метафоре с боингом, свалкой и ураганом, место действия должно отвечать определенным условиям: в нем должно быть достаточно нужного вещества (свалка) и достаточно внешней энергии (ураган). Есть и другие условия: например, место должно быть в водной среде (иначе никакие биологические молекулы работать не умеют), но при этом обладать пространственными ограничениями (иначе они бы просто рассеялись по океану). В идеале место происхождения РНК еще должно как-то решать задачу синтеза длинных цепей.

Потерянный город

Есть масса версий о месте рождения жизни. По одной версии, например, РНК появилась во льдах23–26. Физико-химические свойства льда таковы, что он может решить проблему длинных цепочек (они стабильнее при низких температурах) и пространственных ограничений (в смеси воды и льда вещества рассеиваются гораздо меньше, чем просто в воде). Но лед проблематичен как источник веществ (не совсем понятно, откуда браться исходному материалу) и энергии (при низкой температуре все химические реакции идут медленнее).

По другой версии, жизнь появилась в «маленьком теплом пруду» – эту фразу придумал еще Дарвин27.

Классику виделся резервуар воды, в котором накапливались неорганические вещества, как накапливается соль в кастрюле, из которой выпаривают воду. Сегодняшние сторонники версии «пруда» считают, что исходные органические вещества – стройматериалы для будущей жизни – могли быть занесены туда метеоритами28. Такой маленький пруд решает проблему вещества и пространства, а дополнительная энергия – солнечный жар и электричество молнии – позволяет этому веществу превратиться в живое. А. И. Опарин в 1930-е гг. дополнил дарвиновскую идею «первичного бульона» концепцией коацерватов – сгустков вещества, напоминающих взвесь капель масла в воде29. В его представлении, коацерваты позволяли веществу концентрироваться в еще более мелких объемах, чем «маленький пруд», и в конечном итоге эти сгустки превратились в полноценные клетки. Ни Дарвин, ни Опарин, впрочем, никак не объясняют, каким образом могли появиться первые самовоспроизводящиеся молекулы.

КСТАТИ

«Еще Дарвин» – это такой особый персонаж любой книги про эволюцию, который все всегда придумывает раньше других. У него есть брат «Даже Дарвин», тоже человек больших талантов. Они как «старожилы», которые никогда ничего не помнят независимо от контекста и географического положения.

Хлопок одной ладонью

Сегодня есть несколько версий того, откуда эти молекулы могли возникнуть. Наиболее популярны в качестве кандидатов на роль колыбели жизни разные формы гидротермальных источников – подводных или прибрежных гейзеров, через которые из недр земли сочится горячая вода11, 30.


Хлопок одной ладонью

Вода в гидротермальных источниках богата разнообразными минералами, откладывающимися на месте разлома в виде труб и столбов. Минералы существенно расширяют спектр возможных молекул и их превращений. Гидротермальные источники – настоящие химические реакторы. С одной стороны, подземный жар дает им энергию, причем на промежутке от кипящего центра до холодного океана в них найдется любая оптимальная температура, а сам перепад может иметь принципиальное значение для перемешивания взаимодействующих молекул. С другой стороны, толща гидротермальных «столбов» обычно пористая, что решает проблему пространственных ограничений наподобие опаринских коацерватов: микроскопические пустоты могли служить замкнутыми лабораториями для разработки первых биомолекул. Наконец, гидротермальные источники по своим физико-химическим свойствам напоминают активированный уголь: к ним все липнет. Сложные молекулы оседают на поверхности пустот в пористой толще, а это, в свою очередь, во много раз повышает вероятность химических реакций между ними31–34, и таким образом потенциально решается проблема возникновения длинных цепей РНК.

Вполне возможно, что роль гидротермальных источников в истории жизни на планете еще значительней. Там вполне мог жить, например, наш универсальный дед Лука. По разным причинам с подводными гейзерами связывают происхождение и клетки35, и обмена веществ36, и даже зачатков фотосинтеза37 – все это принципиальные события в истории жизни, о которых пойдет речь в следующих главах. Вполне возможно, что гидротермальные источники были главным местом обитания живых организмов на протяжении миллиардов лет.

Для визуального примера можно взять «Потерянный город», открытое в 2000 г. «гидротермальное поле» на дне Атлантического океана30, 38, 39. По своим химическим свойствам оно больше других источников подходит под прототип «инкубатора жизни»[4]. Это погруженный в вечную тьму «город» из труб, столбов и целых «соборов» высотой с 20-этажный дом. Сегодня эти источники – настоящие джунгли, населенные полчищами разнообразных микроорганизмов.

Возможно, в похожем подводном «городе» начинается и наша история. В будущих главах речь пойдет об эволюции – главном свойстве живой природы, определившем наш путь из глубин древности в современный мир. В этой главе я хотел показать, что эта живая природа существует не вопреки, а благодаря неживой. В свойствах атомов видны истоки обмена веществ и энергии. В нуклеотидах и аминокислотах виден фундамент Центральной догмы, несущей гены из прошлого в будущее. Гидротермальные источники тоже воплощают в себе многие идеи, в дальнейшем впитанные живой материей: химическая сложность, внешний источник энергии, замкнутое пространство, ограничивающее свое от чужого.

Как бы ни изменялось в будущем наше представление о начале жизни на Земле, мне нравится думать про «Потерянный город» как памятник самому великому событию во Вселенной – происхождению живого из неживого. Пожалуй, единственное, что я с уверенностью знаю про абиогенез, – это то, что он состоялся. И от этого у меня захватывает дух.

2. Хорошая идея

Послушайте!

Ведь, если звезды зажигают –

значит – это кому-нибудь нужно?

Владимир Маяковский

Предшественник Роберта Фицроя на посту капитана «Бигля» не выдержал тяжелого перехода через Магелланов пролив и застрелился в своей каюте после затяжной депрессии1. Дядя Фицроя, видный государственный деятель виконт Каслри, перерезал себе горло перочинным ножом, то ли отчаявшись из-за обвинений в содомии2, то ли в припадке паранойи3. Неудивительно, что тема психического здоровья беспокоила и самого Роберта Фицроя, 26-летнего капитана британского флота с благородными корнями и блестящими перспективами. Отправляясь в экспедицию к берегам Южной Америки, он решил, что будет гораздо спокойнее, если ему компанию составит напарник. Желательно столь же благородный и блестящий, как и он сам. Образованный джентльмен, с которым можно было бы скоротать время, разделить ужин и научную дискуссию.

Он предложил должность такого просвещенного компаньона кембриджскому профессору ботаники и минералогии Джону Стивенсу Генслоу, но тот отказался от командировки на край света, якобы сжалившись над женой4 (впрочем, правильно сделал: вместо запланированных двух лет «Бигль» болтался по Южному полушарию целых пять). Взамен себя Генслоу предложил снарядить в экспедицию 22-летнего ученика по имени Чарльз Дарвин.

Но Фицрой колебался. Встретившись с Дарвином, он пришел к выводу, что тот слишком хил и малодушен для серьезного испытания морем. Дело в том, что Фицрой был ярым физиогномистом5. Физиогномика – это учение о том, что черты лица человека отражают его внутренние качества. Человека можно видеть насквозь, если только владеть специальным искусством оценки носов и бровей. Фицрой этим искусством, как он считал, владел и ясно видел, что вот у этого студента совершенно неприемлемый нос картошкой. Но в конце концов скрепя сердце все-таки взял Дарвина на борт своего корабля.

«Бигль» отчалил из английского порта Плимут, взяв курс в сторону Южной Америки, 27 декабря 1831 г., и Чарльзу Дарвину немедленно стало плохо. («Страдания, которые я испытал от морской болезни, я не мог себе даже представить» – напишет он потом в письме отцу6.) История умалчивает о том, что в этот момент думал Фицрой, которому вместо благородного джентльмена всучили хилого юнца с отвратительным носом.

Роберт Фицрой – интересный персонаж. По большей части Дарвин с Фицроем на «Бигле» уживались и даже поддерживали отношения после экспедиции. Капитан Фицрой, может, и вошел бы в историю как дарвиновский Вергилий, проводник сквозь джунгли и океаны, если бы не Оксфордские дебаты. Эти дебаты, вне всякого сомнения, самый кинематографичный момент в истории теории эволюции – чистейшее воплощение ее противостояния консервативной религии. Фицрой в нем предстанет в другом амплуа.

Бульдог

Я делал свою кандидатскую работу в лаборатории буквально в трех минутах ходьбы от оксфордского Музея естественной истории, где развернулось это столкновение сторонников Дарвина с защитниками религии и церкви. Музей, тогда известный как Университетский, – просторный, светлый, неоготический храм, с центральным залом, обрамленным колоннами из разных пород камня, добываемых в Британии, и со стеклянным потолком на чугунном скелете. Своей слегка странноватой монументальностью, как и многое в Оксфорде, он достоин сравнения с Хогвартсом. (Посреди музея, например, расположен единственный вход в совершенно другой музей – Питта Риверса, – который выглядит, как будто Эрмитаж упаковали в помещение размером со школьный спортзал.) У меня всегда было твердое ощущение, что Музей естественной истории построен специально для той эволюционной битвы, которая состоялась в день его открытия в 1860 г. Оксфордские дебаты считаются историческим моментом поворота человечества от теории разумного творения к теории эволюции.

После путешествия на «Бигле» прошло 30 лет. Дарвин – знаменитый натуралист, который только что опубликовал теорию эволюции путем естественного отбора. Это не из тех случаев, когда великую идею полвека никто не замечает: дарвиновская теория произвела фурор, как только увидела свет. О ней говорило все просвещенное человечество, и часто на повышенных тонах.

Точных записей дебатов, к сожалению, не осталось, поэтому любые описания приблизительны. В программе несколько выступлений, защищающих разные точки зрения. На стороне эволюционистов звезда – не сам Дарвин, а лондонский биолог Томас Гексли, самопровозглашенный «бульдог Дарвина», этим своим хлестким погонялом навечно вошедший в историю. На стороне церкви – Сэмюэл Уилберфорс, оксфордский епископ. Зрителей человек 500, а то и 1000. Это настоящий научный батл, каких в современном мире просто не бывает: максимум, чего можно ожидать от недоброжелателей на сегодняшней научной конференции, – это едкие комментарии, завуалированные под вежливые вопросы. Здесь же яд бьет фонтаном! Пожилой и важный Уилберфорс издевается над Гексли, намекая, что тот – внук обезьяны; молодой и дерзкий Гексли рубит в ответ, что лучше он будет внуком обезьяны, чем образованного человека, позволяющего себе вести подобные речи, и так далее. В переполненном музее стоит такой шум, что никто ничего не слышит7.

И вот на этом фоне слово дают не кому-нибудь, а самому Вергилию 30-летней давности, Роберту Фицрою, уже не молодому капитану, а контр-адмиралу. На фоне сдержанного и язвительного Уилберфорса Фицрой своей страстью буквально взрывает зал. Он трясет Библией над головой, взывает к толпе, проклинает Дарвина и его выдумки и стенает о том, сколько страданий причинила ему их публикация8. Гексли в ответ на его речь высокомерно отрезает, что книга Дарвина – логическое перечисление фактов. Мол, там нечего и обсуждать.

Фицрой действительно был глубоко верующим человеком и защитником прямой интерпретации Библии. Это, по всей видимости, мало отразилось на его отношениях с Дарвином во времена их совместной экспедиции, но вот лживое, опасное, по его мнению, «Происхождение видов» 30 лет спустя просто вывело его из себя.

Никакого независимого судейства не подразумевалось, поэтому, кто победил на самом деле, не определить никак. Но, поскольку в последующие десятилетия сторонников теории эволюции стало больше, чем ее противников, в историю вошла их версия событий: молодые и дерзкие разрушители устоев торжествуют над Библией и ее заскорузлыми защитниками. Что до Фицроя, то он во всем околодарвиновском фольклоре последующих лет стал архетипом религиозного консерватора.

Ненависть к эволюционной теории продолжала его терзать. У Фицроя и без того были проблемы с психическим здоровьем, возможно, из-за дурной наследственности. В совокупности с финансовыми трудностями все это привело бывшего капитана «Бигля» к тому концу, которого он так хотел избежать. Через пять лет после Оксфордских дебатов он перерезал себе горло бритвой9. Sic transit gloria mundi.

Коллекционер вьюрков

Полное название главной книги Дарвина, из-за которой, как из-за красной девицы, столкнулись наши герои в 1860 г.: «О происхождении видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». То есть суть «Происхождения видов» не в собственно происхождении видов, а в том, что виды происходят путем естественного отбора. Это как сокращать поздравление «с днем рождения» до «с днюхой».


Хлопок одной ладонью

Ньютону упало на голову яблоко, Архимед принимал ванну, а пифагоровы штаны на все стороны равны. У Дарвина, к сожалению, такой сценки для третьеклассников нет, потому что свою теорию после возвращения «Бигля» он мусолил у себя в кабинете 20 с лишним лет, так что эффектного момента не получилось. И все-таки если выбирать, то ближе всего к пифагоровым штанам у Дарвина – галапагосские вьюрки.

Галапагосы – вулканический архипелаг к западу от Эквадора. Галапагосские острова появились относительно недавно и никогда не были в контакте с Большой землей. Все, что там растет, бегает и летает, туда занесено. Острова расположены достаточно близко к материку, чтобы иногда туда кто-нибудь залетал, но достаточно далеко, чтобы это происходило редко. По отношению друг к другу острова тоже расположены на значительном, но преодолимом расстоянии.

Дарвин внимательно и систематически исследовал флору и фауну Галапагосов, в те времена это означало, что он сушил в гербарий каждое увиденное растение, а также палил по птицам и коллекционировал их многочисленные тушки (птиц он собирал, как покемонов, по десять штук в день, судя по письмам, с большим энтузиазмом). В числе прочего Дарвин скопил огромную коллекцию вьюрков, птиц размером с воробья.

Вьюрков на Галапагосских островах почему-то было очень много, больше, чем других птиц. Но самое интересное даже не в их количестве, а в том, что на каждом острове вьюрки слегка отличались, особенно формой клюва. Одни клювы лучше подходили под ловлю насекомых, другие – под растительную диету. Если же на одном острове встречалось несколько разных клювов, то они различались очень сильно. Например, один клюв большой и раскалывает орехи, а другой – тонкий и клюет кактусы.

Согласно популярной легенде, это наблюдение вызвало спор между Дарвином и Фицроем. Последний, мол, утверждал, что разные вьюрки появились в результате разных «очагов творения», каждый из которых учитывал условия разных островов. Там, где больше кактусов, Бог создал птицу-кактусоеда, а там, где больше орехов, – птицу-орехоеда. Дарвин же сомневался: что, если божий замысел тут вообще не при чем? Что, если разные вьюрки оформились сами по себе, из одного общего предка, залетевшего с материка, в результате «происхождения с изменением»? (Дарвин предпочитал именно этот термин, descent with modification – слово «эволюция» даже в «Происхождении видов» используется только один раз, в последнем параграфе.)


Хлопок одной ладонью

Вот он, момент рождения великой теории! Можно сочинять стишок для третьеклассников.

Как у Дарвина в кармане поселились два вьюрка,

У них крылья как блокнот, а клюв как трубка табака.


Хлопок одной ладонью

К сожалению, на деле все несколько менее кинематографично. Во-первых, сам Дарвин на Галапагосах только начинал задумываться о своей будущей теории. Во-вторых, Фицрой никаких «очагов творения» не предлагал. В-третьих, по крайней мере часть из вышеописанных деталей жизни галапагосских вьюрков была обнаружена только по возвращении в Лондон10.

Дарвин не был орнитологом и считал вьюрков подвидами, причем, по-видимому, не сразу осознал, что разные подвиды живут на разных островах. Домой он вернулся с таким количеством тушек, что это было почти комично. Когда более сведущий орнитолог уверенно определил показанных ему вьюрков как 12 разных видов, это поразило как орнитолога, так и самого Дарвина11.

То есть, если бы вьюрки на разных островах были бы подвидами, никого бы это не взволновало! Сегодня сложно понять: какая разница, виды или подвиды? В категориях XIX в. разница принципиальная. Виды – это отдельно стоящие формы жизни, созданные Богом. Подвиды – это вариации в пределах этих отдельно стоящих видов, то есть породы. Виды изменяться не должны. Если разные вьюрки на разных островах – это разные виды (со временем выяснилось, что их даже не 12, а несколько десятков), то значит, их так создал Бог именно в таком количестве и таком разнообразии. Значимость вьюрков в том, что на их примере видно, какая это глупость.

Конечно, непознаваемым творцом можно объяснить все что угодно. Но обычно творец – это интуитивно наиболее очевидное объяснение, а вот в случае с пресловутыми вьюрками гораздо более интуитивным кажется вариант, предложенный Дарвином, что птицы постепенно расселились и постепенно изменились. Я бы сказал, что смысл «Происхождения видов» в том, что этот перелом интуиции можно взять и расширить до размеров всей природы. В любом месте, где ясно видится разумный создатель, можно присмотреться и разглядеть постепенное изменение, уходящее траекторией в далекое прошлое.

Происхождение видов

Попытаюсь сократить до одного абзаца этот монументальный, но, честно говоря, по современным меркам очень многословный текст. Если вас не пугают, скажем, три страницы подробного описания почтового голубя, пожалуйста, обращайтесь к оригиналу.

Во-первых, между формами живого существует изменчивость: братья и сестры отличаются друг от друга, а из семян одного и того же плода могут взойти разные побеги. Во-вторых, эта изменчивость в какой-то мере наследуется: собаки разных пород порождают собак своей породы. В-третьих, в природе всегда кто-то выживает, а кто-то нет, потому что ресурсы не бесконечны. Это выживание не случайно: оно зависит от наследуемых признаков. Следовательно, как селекционер выводит сорта овощей постепенным отбором самых крупных плодов, так и природа выводит виды естественным отбором. Из разных вариантов будет продолжать наследоваться наиболее приспособленный к запросам среды, а значит, со временем виды должны меняться в направлении большей приспособленности.

Мой любимый способ формулировать теорию Дарвина еще короче:

изменчивость + наследственность + отбор = эволюция.

Поясню каждый из элементов. Вообразим, что эволюция – это автомобиль, только он едет не из одного места в другое, а из прошлого в будущее.

Изменчивость – это топливо эволюции, то, что в принципе позволяет ей двигаться. Если в мире все одинаковое, то неоткуда взяться ничему новому.

Если немного пофантазировать, то можно представить два из трех дарвиновских условий – наследуемость и отбор – без третьего, изменчивости. Допустим, весь мир населен исключительно морскими огурцами, никак не отличающимися друг от друга и никак не меняющимися от поколения к поколению. Условие наследственности соблюдено: от огурцов рождаются исключительно огурцы. Они, конечно, сожрут все свои ресурсы (не очень, правда, понятно какие) и будут конкурировать между собой. Одни морские огурцы будут выживать, другие нет, то есть условие отбора (с терминологическими оговорками, о которых чуть позже) тоже соблюдено. Но без изменчивости все огурцы совершенно идентичны, поэтому независимо от того, кто из них будет отобран, огурцы в целом, как вид, никак не поменяются. Без изменчивости эволюции быть не может.

Наследственность – это колеса эволюции. То, чем машина едет вперед. Наследственность – это главное ноу-хау жизни, позволяющее ей эволюционировать. Это воспроизведение того, что придумано изменчивостью. Изменчивость означает, что есть много разных вариантов, а наследуемость – что эти варианты имеют свойство создавать свое подобие. Это свойство меняет отношения изменчивости со временем: наследуемость признака дает ему доступ к вечности. Если же вариант не наследуется, то в долгосрочной перспективе он роли не играет.

Камни, например, фантастически изменчивы: попробуйте найти два камня одинаковой формы. Но эта изменчивость не приводит к эволюции камней, потому что у камней нет наследственности. Форма камня мимолетна и, исчезнув, ничего за собой не оставляет. Живые же организмы умеют воссоздавать собственные признаки в новой физической форме, эти воссоздания называются поколениями. Свойство наследственности и существование поколений – это принципиальное отличие жизни от не-жизни.

Что получится, если вытащить наследственность из трех дарвиновских условий? Разнообразие плюс отбор – это, например, покупка пива в магазине. Она не приводит к эволюции пива именно потому, что пиво не наследуется, вы не бросаетесь его воспроизводить. А если бы бросились? Допустим, вы пивовар и вас так обрадовало выбранное пиво, что вы решили его воссоздать. Протестировали рецептуру, сколотили бизнес-план, и вот ваше пиво уже конкурирует в магазине со своим прототипом, предыдущим поколением. Через десять лет вы пивной магнат, полки магазинов забиты вариациями вашего пива, а то предыдущее пиво нигде не найти. Чем это не эволюция пива?

Если изменчивость – топливо, а наследственность – колеса, то отбор – это водитель. Отбор решает, куда машина едет. Об этом водителе стоит поговорить отдельно.

У вас спина страшная

Индийские заклинатели змей якобы гипнотизируют животное мелодией своей дудки-пунги (на самом деле, правда, змея следует за движением инструмента, а не качается в трансе). Одна из змей, которую таким образом заклинают, – индийская кобра, известная, помимо знаменитого капюшона, своеобразным рисунком на его спинной стороне: два черных пятна, соединенные снизу дугой-перемычкой. Индийскую кобру еще называют очковой коброй, не потому что ее все боятся, а потому что эти черные пятна сильно напоминают очки. Ну, или глаза, с носом посередине.

Кобра – животное несравненной красоты и грации. Посмотрите видео кобры, бьющейся с мангустом, это настоящий смертоносный танец, достойный фильмов про кунг-фу. Кобра – хищник, питающийся в основном грызунами и лягушками. Крупных зверей кобра предпочитает избегать. Зачем ей «очки» на капюшоне? Это очевидно: чтобы отпугивать этих крупных зверей, подкрадывающихся сзади. В природе очень мало вертикальной симметрии. У нас, людей, есть мосты и здания, но в лесу главный вертикально симметричный объект – это глаза, направленные прямо на тебя. А смотрит так на тебя обычно тот, кто прямо сейчас хочет тебя съесть. Поэтому, если из травы вдруг вырастает пара огромных черных глазищ, все пугаются, а кобра спасена. Все ясно.


Хлопок одной ладонью

Но есть один вопрос, который я очень люблю вертеть в голове. Знает ли кобра, что у нее глаза на спине?

Для меня этот вопрос, как коан, означает нечто большее, чем собственно ответ. В нем виден переворот мышления, тот самый перелом интуиции, который несет в себе теория эволюции. Он как бы подходит к самой кромке здравого смысла и плюет в бездну. Нет, кобра не знает, что у нее на спине рисунок. Она никогда не смотрела в зеркало, ведет одиночную жизнь и вряд ли может осознать связь между собой и другими кобрами. Но если не знает кобра, то кто-то же должен знать?

В живых организмах все кажется специально задуманным. Растения не размышляют о своих цветах, но кто-то должен знать, что, если посмотреть в ультрафиолетовом свете на подсолнечник, видны узоры, приспособленные под зрение насекомых. Кто-то должен знать, что листохвостый геккон выглядит точь-в-точь как упавший лист, а палочник – как палочка. Кто-то должен знать, что ногами ходят, а крыльями летают, что сердце качает кровь, а почки – мочу. Но если не сами обладатели ног и крыльев, то кто?

По Дарвину, это знание происходит из отбора. Это он рулит машиной эволюции. Это отбор рисует картину на холсте изменчивости. Отбор – это отражение мира, его текущих свойств, запросов и ограничений в свойствах и способностях живых организмов. Отбор пропускает в будущее змей с пугающим узором в виде глаз на спине и оставляет в прошлом змей со всеми остальными узорами. Отбор – как вышибала вечности. Именно благодаря ему нам кажется, что мир создан разумно: мы видим только маленькую горстку отобранных. Когда люди воспринимают эволюцию как случайный процесс, не способный к творческим решениям наподобие глаз на спине кобры, они упускают мощную и совершенно неслучайную креативную силу отбора.

Тут нужно разобраться с терминами. Дарвин пользовался фразой natural selection, традиционно переводимой на русский язык как «естественный отбор». Но Дарвин под словом selection подразумевал то, что сегодня мы бы назвали по-русски селекция, то есть отбор и выведение людьми сортов растений и пород животных. «Происхождение видов» фактически построено на аналогии: смотрите, селекционер создает породы, выбирая предпочтительные признаки в каждом поколении, и точно так же природная селекция выводит из одних видов другие.

В общем, термин natural selection чем-то похож на название «Ближний Восток» – очень смешное, потому что огромный географический регион определяется через его близость к Европе. Так и тут: центральная сила природы определяется через выведение человеком сортов кабачка. С космической точки зрения логичнее сказать, что выведение кабачков человеком – частный случай общего принципа отбора, лишь поверхностно отличающийся от, скажем, выведения рыб водой или выведения цветов пчелами.

Русскоязычный отбор, впрочем, гораздо более абстрактный термин, чем селекция. Я предпочитаю использовать его именно в таком абстрактном виде – «отбор», без эпитета «естественный». «Естественный отбор» – это не очень удачный перевод слегка устаревшей метафоры. Говоря «естественный отбор», мы понимаем этот термин в узком смысле, заложенном в него Дарвином: выживание более приспособленных вариантов живых организмов под давлением неизбежной конкуренции за ресурсы. Оригинальная теория Дарвина образца 1859 г. состоит в том, что этот естественный отбор – главное объяснение любых видовых признаков.

На мой взгляд, своей отрешенностью термин «отбор» расширяет сегодняшний смысл этой теории и акцентирует внимание на ее общефилософском значении.

Во-первых, варианты могут выживать вне зависимости от конкуренции за ресурсы. Дарвин и сам не утверждал, что «природная селекция» – строго единственный механизм эволюции, приводя в пример «половую селекцию», или половой отбор, например, отбор разноцветного оперения птиц предпочтениями самок. О птицах и их эстетических предпочтениях разговор впереди, но суть в том, что отборы бывают разные. Даже если главный из них – это отбор в результате борьбы за ресурсы, сила теории Дарвина именно в том, что к эволюции может привести любой отбор, главное, чтобы что-то от чего-то отсеивалось по какому-то конкретному принципу.

Во-вторых, варианты, которые отсеиваются один от другого, совершенно необязательно должны быть живыми организмами, и их «выживание» совершенно необязательно должно быть реализовано, пользуясь энгельсовской терминологией, «белковым телом».

В любопытном онлайн-эксперименте Darwin Tunes, например, пользователи слушали аудиозаписи, сгенерированные случайными вариациями компьютерного кода, и оценивали их по шкале от 1 до 5. Варианты кода с высокими оценками копировались и перемешивались, произведенные ими звуки предлагались новым слушателям и так далее. То есть даны: изменчивость – случайные варианты кода случайно перемешиваются; наследование – новые варианты кода состоят из предыдущих; отбор, только в данном случае отбор состоит не в конкуренции за ресурсы, а в конкуренции за музыкальные предпочтения пользователей. Результат: шум эволюционирует в музыку. Сайт проекта давно закрыт, но аудиозаписи легко найти на SoundCloud по запросу «Darwin Tunes», что я и рекомендую сделать читателю. Через 500 поколений в случайно сгенерированной стене звука появляется ритм, через пару тысяч пробивается дудочка, и на каком-то этапе получается композиция не хуже и не лучше любой минусовки на любом школьном концерте со времен изобретения синтезатора Casio12.

В общем, отбор – это больше, чем борьба живых организмов. Как емко сформулировал понятие «отбор» один из моих далеких от науки друзей: «Хорошие идеи выживают, плохие – нет».

Можно ли представить изменчивость и наследование без отбора? Пусть мир населен разнообразными грибами, которые постоянно мутируют, совершенно не конкурируют и радостно размножаются, потому что им особо ничего не нужно, кроме места и перегноя. Что произойдет? Место и перегной рано или поздно закончатся. Начнется конкуренция, а значит, кто-то будет выживать, а кто-то нет. У всего материального есть границы, а где границы – там отбор.

Даже если использовать термин «отбор» в более широком смысле, то представить бесконечное неограниченное воспроизведение сложно. Допустим, речь идет опять-таки о вариантах компьютерного кода, и допустим, что эти варианты размножаются безо всяких ограничений. Что значит «безо всяких ограничений»? Каким бы большим ни был объем памяти компьютера, он имеет предел, и, если код размножается без ограничений, рано или поздно он упрется в этот предел. В таком случае код может прекратить размножаться, а может оказаться, что одни варианты умеют перезаписывать себя на место других, а другие так делать не умеют. То есть автоматически возникнет конкуренция за память, а значит – возникнет отбор.

Такие мысленные эксперименты помогают прочувствовать важную, на мой взгляд, идею: отбор – это свойство природы. Его не может не быть. Он заложен в логику Вселенной. Он существует просто по определению. Хорошие идеи выживают, плохие – нет. Что такое хорошая идея? Это идея, которая выживает. Что такое плохая идея? Это идея, которая не выживает. По умолчанию в мире исчезает все. Но иногда среди этих исчезающих вещей появляются вещи, которые умеют не исчезать. Этот факт и есть отбор.

В нашей лаконичной формулировке теория Дарвина складывает три явления – изменчивость, наследственность, отбор – и получает эволюцию, то есть изменение видов со временем. Такая запись теории в форме уравнения мне симпатична именно потому, что она подчеркивает свою логическую неотвратимость. Если есть изменчивость, наследственность и отбор, это гарантирует эволюцию. В этой абстрактной законченности, в возведении эволюции из ранга биологических гипотез в ранг математически обоснованной теории развития природы, состоит, на мой взгляд, главная заслуга Дарвина.

Гипотезы и теории

Гипотеза – это вопрос, на который в принципе есть ответ. Например, у меня есть гипотеза, что слово «ботаник» в значении «гик» происходит от фамилии «Ботвинник». Это может быть правдой, а может быть неправдой.

Гипотеза об эволюции может звучать, например, так: «Виды изменяются со временем». Эту конкретную гипотезу можно проверить и подтвердить, проследив постепенные изменения в геноме быстро размножающегося микроорганизма или, скажем, в статистике встречаемости генотипов птиц. Подтвержденная гипотеза становится фактом, и существование эволюции как явления – действительно факт.

Могут быть и другие, более сложные гипотезы, например: «Человек произошел от обезьяны» или «Жизнь началась в океане». Даже если эти гипотезы не проверить напрямую, принципиально они могут быть верными или неверными. В таких случаях – когда проверка гипотезы невозможна – мы руководствуемся своим представлением о реальности, то есть теорией.

Теория – это не вопрос и даже не ответ. Теория – это объяснение.

Если «ботвинник» действительно со временем превратился в «ботаника», какими могли быть причины такого превращения? Можно предположить, что образ великого гроссмейстера имеет фонетическое и семантическое сходство с образом ботаника. Можно предположить, что дело в тенденции разговорного языка к укорачиванию слов. И вот это уже теории: объяснения фактов с помощью более общих, более абстрактных принципов. Гипотеза – это предположение о чем-то неизвестном. Теория – это объяснение уже известного.

Помните, как капитан Фицрой не хотел пускать Дарвина на «Бигль» из-за его физиогномически неприемлемого носа?

Физиогномика своей популярностью среди чудаковатой европейской аристократии обязана Иоганну Лафатеру. Швейцарский теолог, поэт и интеллектуал Лафатер был модным спиритическим гуру предыдущей эпохи: в 1782 г. к нему, например, под именем графа и графини Северных приезжали будущий император Павел с великой княгиней Марией Федоровной, которая потом много лет с ним переписывалась. Учение Лафатера имело неоднозначную репутацию даже среди современников, но он умудрился придать ему ауру благородного искусства, таинственной науки человеческой души. Это учение многим нравилось: просто так не любить человека за морду кирпичом вроде неприлично, а если ты в этом кирпиче читаешь божественную тайнопись, совсем другое дело.

КСТАТИ

Физиогномику иногда путают с френологией – другим учением, в задачи которого тоже входила расшифровка внутреннего через внешнее, а именно свойств характера на основе формы черепа. Френологические и физиогномические гипотезы очень похожи и с современных позиций одинаково неверны. Но как теория френология имеет совсем другую основу. Она гласит, что сознание имеет материальную природу, что разные аспекты мыслительной деятельности локализованы в разных частях мозга и что эти разные части мозга в ходе развития по-разному влияют на растущую кость. Френологическая теория материальности и локализации мысленных функций для своего времени была очень прогрессивна. Если не считать деталей, связанных с развитием черепа, она и по сей день объясняет многое из того, что мы знаем о мозге.

Что такое физиогномика? Это идея о том, что по лицу можно судить о скрытых, внутренних свойствах человека. Сама по себе эта идея никак не объясняет, с чего это вдруг лоб или нос должны отражать моральные качества или ум. Поэтому теорией физиогномику никак не назвать. Это скорее гипотеза – предположение, которое можно проверить, например, сопоставив результат IQ-теста с длиной носа у большой выборки людей. (Как нетрудно догадаться, при подобной проверке гипотезы Лафатера современными методами она быстро рассыпается.)

В чем тогда заключается теория Лафатера? Она сугубо религиозна. Бог создал человека по своему образу и подобию, а значит, идеальный человек и внешне прекрасен, и внутренне добродетелен. Чем дальше от Бога – тем человек уродливее и одновременно слабее духом. Отсюда и соответствие между лицом и душой.

У Дарвина было множество гипотез: что между видами должны быть переходные формы, что виды приспособлены ровно настолько, насколько этого требует среда, и да, что человек произошел от обезьяны. Все это вопросы, ответы на которые он предполагал на основе своего видения внутренней логики природы. Эта внутренняя логика и есть теория Дарвина. Как и любая теория, это не вопрос о неизвестном, а объяснение известного – объяснение, которое элементарно проще, чем непознаваемый Бог.

«Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции»

Когда я учился в институте, этот заголовок классического эссе Феодосия Добржанского казался мне эмоциональным преувеличением, в духе «у бабушки лучший борщ в мире» или «нет ничего страшнее „Ашана“ 31 декабря». Я понял, что хотел сказать Добржанский, только когда сам стал задавать это эссе на дом студентам. Дело даже не в том, что за истекший период я что-то такое особое понял, а в том, что учился я на русском языке, а преподаю на английском.

Это любопытный пример несостыковки двух языков. Знаменитый генетик и эволюционист Добржанский родом с Украины, но большую часть жизни и карьеры провел в США. Эссе 1973 г. в оригинале написано на английском языке и называется «Nothing in biology makes sense except in the light of evolution». Английская конструкция «make sense» плохо переводится на русский язык. Фраза «иметь смысл» похожа лишь отдаленно. Под «смыслом» можно понимать как «внутреннюю логику» («я понял смысл анекдота про панаму»), так и «обоснованность» («нет смысла обижаться на дураков»). Поэтому «ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции» в студенческие годы звучало для меня, начинающего биолога, так, будто Добржанский требовал от меня исключительно работы, тем или иным образом связанной с эволюцией. Если я, например, хотел тестировать лекарства или изучать физические свойства нервных клеток, то мне казалось, что Добржанский непременно назвал бы такие исследования «бессмысленными», тем самым исключая меня из биологии.

Но словосочетание «make sense» означает не обоснованность, а именно наличие внутренней логики – то, что приблизительно можно выразить фразой «все сходится». Эссе Добржанского именно об этом: о том, что в биологии ничего не сходится, кроме как если представить, что все произошло в результате эволюции.


Хлопок одной ладонью

Действительно, живая природа – область интересов науки биологии – очень странная штука, если отрешиться и на секунду забыть все биологические теории. Помните галапагосских вьюрков? Можно, конечно, предположить, что Бог творил их «очагами», аккуратно приспосабливая под им же заложенные различия в растительности и комбинируя с другими, специально подобранными видами, но это выглядит как-то странно. Точно так же странно и все остальное. Зачем в мире столько видов? Их буквально миллионы, и каждый по-своему уникален. Бóльшую часть этого планетарного биоразнообразия никто и не видел до изобретения микроскопа13. Зачем все это надо? И почему, несмотря на свои бесчисленные различия, все эти виды тем не менее так друг на друга похожи? Если они сотворены безграничной фантазией Творца, почему они все состоят из клеток, как будто их собирали из конструктора? Почему у насекомых шесть ног, а у позвоночных четыре? Почему жгутик человеческого сперматозоида в разрезе выглядит в точности как жгутик одноклеточной водоросли?

Что объясняет теория эволюции? Добржанский в своем эссе приводит два качества живой природы: разнообразие и единство14. Наличие беспрецедентного, неохватного количества форм в совокупности с упорядоченностью этих форм в единую систему групп и сходств. Разнообразие и единство – это то, что «не сходится» в живой природе, если только не допустить, что живая природа находится в постоянном движении.

КСТАТИ

Даже самые «сиюминутные» области биологии, далекие от ископаемых костей, просто не срастаются без теории эволюции. Физические свойства человеческих нервных клеток, например, во многом известны благодаря работе на гигантских нервных клетках кальмара. Без эволюционного фундамента совершенно непонятно, как нервные клетки кальмара связаны с человеческими, как они могут настолько от них отличаться и одновременно быть настолько на них похожими. Любое исследование на модельном организме в принципе основано на предположении, что между этим организмом и человеком есть что-то общее. А это предположение основано на теории эволюции. Тестирование лекарств (возможно, самая приземленная и практически ориентированная область биологии) тоже требует эволюционного мышления – иначе, например, непонятно, зачем клетке столько молекул, которые так мечтают вызвать в ней рак, или в чем заключается мотивация рецептора, отправляющего в ядро сигнал к клеточному самоубийству. Все эти вопросы встают на свои места, только если вспомнить про отбор и про миллионы поколений, предшествующие любому процессу в живом организме.

Чтобы понять жизнь на Земле, нужно так или иначе изогнуть повседневное мышление непривычным образом. Самый простой способ это сделать – вообразить Бога, разумного Творца. Это хорошо объясняет, почему все живое так разумно устроено. Но разумное творение плохо объясняет разнообразие и единство. (Например: зачем Творцу столько жуков и, раз уж такая страсть, почему все они обязательно должны быть шестиногими?) Эти свойства живой природы гораздо более интуитивно объясняются эволюцией, происхождением с изменением.

Хлопок одной ладонью

Почему в мире столько видов? Потому что все живое находится в постоянном движении во всех направлениях, и виды – просто текущий срез этого движения во времени.

Почему они так похожи друг на друга? Потому что они происходят от общих предков, и чем ближе общий предок двух видов, тем сильнее их сходство.

Почему они так хитро устроены? Потому что меняются они очень давно и успели решить множество проблем, а когда столько проблем решено, это выглядит так, будто их никогда и не было.

Последний кошмар Дарвина

Дарвин никогда не отличался ни крепким здоровьем, ни хорошим настроением, в точности подтверждая физиогномический прогноз Фицроя. По разным версиям, виной тому могла быть болезнь Шагаса, непереносимость лактозы, аллергия или отравление мышьяком, но при жизни диагноз Дарвину поставить никто не мог15. Так или иначе, он вел замкнутый образ жизни (у него снаружи дома даже было зеркало заднего вида, предупреждающее его о приближении нежелательных гостей16), он все время плохо себя чувствовал и постоянно чем-нибудь терзался. Особые терзания вызывала у Дарвина критика его теории, известная как «кошмар Дженкина».

Флеминг Дженкин – еще один колоритный герой своего времени, мастер на все руки: инженер, экономист, филолог, драматург, художник и актер. Придумал кривые спроса и предложения, а также канатную дорогу, писал книги про атомную теорию Лукреция и про здоровое домашнее хозяйство, сочинял стихи и в перерывах опровергал Дарвина.

Суть аргумента Дженкина сегодня формулируется как «поглощающее влияние свободного скрещивания». Его еще называют «заболачивающим аргументом». Пусть в пределах вида появляется редкая вариация, тот же клюв, который, допустим, гораздо крупнее нормы и дает птице возможность лучше колоть орехи. Естественный отбор на ее стороне. Допустим, эта птица с большим клювом объелась орехов и пошла размножаться. С кем она будет скрещиваться? С обычными птицами, у которых нет большого клюва. Получится несколько птенцов с клювами где-то посередине. У них преимущество большого клюва будет уже менее выражено. За пару поколений оно размоется («заболотится») и вернется к среднему. Откуда тут взяться происхождению видов? Естественный отбор, резюмирует Дженкин, в принципе не может создать новый вид, потому что любые отклонения быстро смешиваются со старым видом.

КСТАТИ

Сам Дженкин в своей статье, опубликованной в журнале The North British Review за июнь 1867 г., пользуется примером, по современным стандартам, почти сюрреалистической грубости: «Представим себе белого человека, потерпевшего кораблекрушение на острове, населенном неграми… Наш выживший герой, возможно, станет среди них королем; он убьет очень много чернокожих людей в борьбе за выживание; он заведет очень много жен и детей, в то время как множество его подданных будут жить холостяками и умрут холостяками… Качества и способности нашего белого человека, несомненно, помогут ему дожить до глубокой старости, но даже его длинной жизни явно не хватит для того, чтобы кто-то из его потомков в каком-либо поколении стал полностью белым… В первом поколении будет несколько дюжин смышленых молодых мулатов, чей ум будет в среднем превосходить негритянский. Нас не удивит, что трон в течение нескольких поколений будет принадлежать более или менее желтокожему королю; но сможет ли поверить кто-то, что население всего острова постепенно станет белым или пусть даже желтым?..»17

Дарвин до конца своей жизни строил предположения, но так и не придумал, что делать с Дженкином и его «болотом». Сегодня мы бы ответили этому человеку многих талантов и предрассудков, что он неправильно понимает природу наследственности: та работает не путем «слияния жидкостей», а скорее путем комбинирования инструкций. Но без знаний о генах, мутациях и ДНК догадаться, как на самом деле работает наследственность, просто невозможно – это все равно что догадываться, как выглядят инопланетяне. Поэтому для своего времени спор был просто неразрешимым.

Космическая ирония момента заключается в том, что ровно в то же время, когда публиковалась и критиковалась всем научным миром теория Дарвина, будущий «отец генетики», а тогда никому не известный чешский монах, Грегор Мендель проводил эксперименты на горохе, которые принципиально могли бы заткнуть дженкинскую брешь в теории Дарвина. В конце концов это и произошло, но уже в XX в., когда открытия в разных сферах биологии были синтезированы в новую, обновленную теорию. В основе этого «Нового синтеза» (Modern Synthesis) в первую очередь лежат дарвиновская теория и менделевская генетика. Но при жизни Дарвин с Менделем никогда не встречались. Эксперименты Менделя остались незамеченными и были забыты вплоть до конца XIX в., когда его ключевые выводы были переоткрыты новым поколением ученых. Дарвин же до конца жизни мучился незнанием. По части того, чтобы помучиться да заморочиться, он, правда, никогда не подводил.

КСТАТИ

Дарвин и сам предполагал что-то подобное менделевскому наследованию: он воображал микроскопические частицы, передающие наследственные признаки организма через половые клетки в новое поколение. Частицы он называл «геммулы», а всю гипотезу наследственности «пангенезис». Именно от этого слова ведет свое происхождение слово «ген». Но для самого Дарвина «частицы наследования» навсегда остались умозрительной гипотезой.

Мендель и его горох – это очень круто, но только если вы уже хорошо понимаете, как все на самом деле работает. Именно поэтому, на мой взгляд, законы Менделя в школьной программе просто адская скукотища. Механика наследственности – это механика молекул. Мы не будем пытаться восстановить логику человека из XIX в., нащупавшего интимную жизнь этих молекул в своих расчетах окраски гороха. Наследственность гораздо проще понять, если взглянуть на мир с точки зрения самих молекул. Поэтому от Дарвина, Дженкина и Менделя мы отправимся не вперед, к Моргану, Добржанскому и троице Франклин – Уотсон – Крик, а назад, в глубину вечности и в глубину океана, к нашим гидротермальным источникам, с которых все началось.

Гидротермальный дарвинизм

Мы оставили наши РНК-машины, когда они научились создавать копии собственных последовательностей. Сами того не подозревая, эти молекулы тем самым попали под юрисдикцию теории Дарвина, их далекого правнука.

Согласно определению американского космического агентства NASA, ответственного в том числе за поиск внеземной жизни, жизнь – это «химическая система, способная к дарвиновской эволюции». То есть смесь молекул становится живой, если она способна к наследуемости, обладает изменчивостью и подвержена отбору.

В предыдущей главе мы проследили самое сложное из этих требований: наследуемость, то самое ноу-хау жизни, которое разом меняет правила игры для куска материи. В современном мире наследуемость достигается копированием ДНК при посредстве белков, но первым прототипом наследуемой системы большинство биологов сегодня считает ту или иную форму самокопирующихся РНК. Я, например, выступаю за автокаталитические ансамбли из разных РНК, совокупностью своей работы обеспечивающие собственное воспроизведение где-то в толще гидротермального источника.

Изменчивость этих РНК, как и всех их потомков, объяснить куда проще. Это просто элемент случайности. Те же камни разнообразны не потому, что у них есть какое-то особое свойство разнообразности, а просто в силу хаотичности природы. Нет двух одинаковых снежинок или двух одинаковых капель воды, потому что и снежинки, и капли – сложные системы, состоящие из астрономического количества молекул, в поведении которых бывает масса случайностей. Но для теории Дарвина такого хаоса мало: она стоит не просто на изменчивости, а на наследуемой изменчивости.

Если многократно делать ксерокопии одного и того же оригинала, то эти ксерокопии будут почти неотличимы друг от друга. Но если скопировать на ксероксе фотографию, затем ее копию, затем – копию копии и так далее, постепенно она станет неузнаваемой. То же самое произойдет, если многократно пересохранять файл в формате jpeg, как, например, в ВК-сообществе «Путин каждый день», где фотография президента с каждым днем теряет в качестве и уже давно выглядит как угловатая черно-белая галлюцинация18.

Почему это происходит? Потому что копирование делает случайные мимолетные изменения постоянными. Выше я упоминал, что наследование дает признаку доступ к вечности. Искажения, возникающие в каждой ксерокопии, могут быть мелкими и случайными, но если продолжать их копировать, то они будут сохраняться и накапливаться.

Любая химическая реакция, включая сборку цепочки РНК или ДНК, – это столкновение молекул, в результате которого происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы ударились друг о друга своими атомами, а вот сольются их облака в одно или нет – это уже дело случая. Бывает, что сливаются почти всегда, а бывает – когда как. Молекулы постоянно болтаются туда-сюда с огромной скоростью и все время друг в друга врезаются, и иногда от этого в них что-то переламывается, что-то куда-то притягивается, что-то откуда-то отваливается, а что-то куда-то приклеивается. Поэтому случайные, ненаправленные и маловероятные реакции постоянно происходят со всеми молекулами, от белков и липидов до РНК и ДНК. Но поломка белка – это как искажение в ксерокопии с оригинала, потому что белки всегда производятся с нуля, а не из других белков. Искажение первой ксерокопии редко бывает существенным, а если вдруг копия вышла совсем косой, ее можно выкинуть и переделать. Поломка в ДНК, или мутация, отличается тем, что она затрагивает не только эту одну конкретную молекулу, но и всех ее потомков.

Мутации – результат неизбежной хаотичности молекулярного мира. Порой вместо наиболее вероятной реакции происходит менее вероятная: в случае копирования ДНК, например, вместо комплементарного нуклеотида может встревать некомплементарный. Нуклеотиды или целые цепи иногда тупо ломаются, иногда к ним приклеиваются молекулы, которые меняют их свойства, и так далее. Если сломался белок, то он в конечном итоге будет просто списан, разобран клеткой на аминокислоты, и про его поломку все забудут. Поломка в ДНК, если ее вовремя не исправить, при следующем копировании станет неотделимой от оригинала.

КСТАТИ

В учебнике все внутриклеточные процессы показаны аккуратными стрелочками, как будто молекулы целенаправленно идут к выбранному партнеру и вежливо с ним реагируют, когда клетке это нужно. На самом деле молекулы понятия не имеют, что им делать. Просто их такое количество, и носятся они по клетке с такой скоростью, что успевают за долю секунды случайно столкнуться с подходящим по химическим свойствам партнером. Клетка забита сложными молекулами как вагон метро в час пик, только в этом вагоне все непрерывно прыгают, кувыркаются и ходят друг у друга по головам с невообразимой для нашего макроскопического мира скоростью. Моя любимая иллюстрация этой скорости – синтез белка. Как читатель помнит из предыдущей главы, в ходе этого процесса лента матричной РНК пропускается через рибосому, которая подбирает под каждое из трехбуквенных «слов» подходящую аминокислоту. Этих аминокислот 20 штук, и каждая доставляется в рибосому специальной транспортной РНК. Как происходит «подбор» нужной аминокислоты под текущее «слово»? Да никак. Просто клетка кишит транспортными РНК с прикрепленными к ней аминокислотами, и периодически они случайным образом залетают в специальное окошко рибосомы, и периодически из 20 типов этих залетающих транспортных РНК одна окажется подходящей под «слово», в данный момент находящееся внутри рибосомы[5]. То есть рибосома в буквальном смысле ждет, пока в нее случайно залетит нужная деталь из десятков возможных – и так на каждой ступени сборки белка, обычно состоящего из нескольких сотен аминокислот. Сколько же времени занимает настолько муторный и маловероятный процесс? Средний белок длиной в 500 аминокислот собирается на рибосоме около 25 секунд, то есть скорость, с которой в рибосому залетают подходящие аминокислоты – 20 штук в секунду20 (неподходящие аминокислоты, ясное дело, залетают в десятки раз чаще). Не знаю, как вам, а мне таких скоростей даже не представить.

Хлопок одной ладонью

В современном мире клетка делает все возможное, чтобы снизить вероятность мутаций. Например, у человека полимеразы, которые вяжут копию ДНК, умеют ловить ошибки, возвращаться назад и стирать неверную «букву». Целые команды белков-дружинников бродят по геному и проверяют, чтобы все было комплементарно, сшивают, если порвалось, переписывают, если повредилось. Отчасти это связано с тем, что, в отличие от древних РНК, для которых случайные мутации были единственным источником изменчивости, у нас, современных видов, есть другие, менее рискованные и более эффективные способы внести в жизнь разнообразие между поколениями – прежде всего половое размножение, при котором перемешиваются гены двух разных организмов. Но об этом разговор впереди. Удивительно не то, что в современных клетках мутациям противостоит жесткая инспекция, а то, что при всех ухищрениях клетки мутации все равно происходят, пусть и существенно реже. В этом смысле изменчивость, как и отбор, тоже сила природы, хаос, заложенный в принципах работы Вселенной. Его может быть больше или меньше, но не может вообще не быть.

Итак, наши древние РНК-машины умеют воспроизводить самих себя, то есть размножаться, наследуя при этом признаки своих родителей. Благодаря комплементарному копированию они наследуют последовательности родительских нуклеотидов. Но в этом процессе неизбежны ошибки, то есть в последовательностях периодически будут появляться наследуемые изменения. Поскольку в РНК информация (последовательность) определяет функцию (то, что молекула умеет делать), по крайней мере некоторые из этих изменений последовательности отразятся на умении молекулы воспроизводиться, то есть между двумя разными копиями неизбежно возникнут различия в способностях. И тут в дело включается отбор, решающий, какие из вариантов лучше, а какие хуже.

Как уже упоминалось, отбора просто не может не быть, было бы наследование. Если нет отбора, значит, нет никаких проблем, то есть все копируется одинаково хорошо без малейших затруднений. Но рано или поздно проблемы появятся. Если самокопирующиеся РНК ограничены количеством доступных нуклеотидов, то молекула, хватающая эти нуклеотиды быстрее других, будет размножаться в больших количествах – то есть будет отбор на скорость потребления нуклеотидов. Если они ограничены определенной температурой, то молекула, умеющая работать при других температурах, найдет много свободного места и его заполнит – то есть будет отбор на термоустойчивость. Если они ограничены только пространством – допустим, гидротермальным источником, – то они размножатся до пределов этого источника и преимущество получит молекула, умеющая разбирать или вытеснять другие молекулы. Логично предположить, что потомки первых РНК на том или ином этапе были ограничены всеми этими факторами, и логично, что за сотни миллионов лет все эти проблемы были постепенно решены. Необязательно представлять себе молекулы, сознательно стремящиеся к совершенству, достаточно представить, что есть куча воспроизводящихся молекул. В этом и есть основное отличие теории Дарвина от теории разумного творения. Разумное творение – это когда невидимая сила сначала выбирает идею, а потом ее реализует. Дарвинизм – это когда идея сначала реализуется, а потом невидимая сила ее выбирает.

Это подводит нас, возможно, к главному свойству жизни как явления: сам факт существования жизни толкает ее к решению стоящих перед ней проблем. Если есть жизнь, то она либо бесконтрольно размножается, либо у нее есть проблема, которая этому мешает. Если есть проблема, принципиальное решение проблемы и время – то проблема рано или поздно будет решена. Жизнь в форме РНК умеет эволюционировать, поэтому рано или поздно она станет сложнее, чем просто РНК.

Что движет этими эволюционирующими РНК? Сам факт того, что они существуют. Они множатся в своих сложных разветвленных комбинациях, потому что могут, и сам факт того, что они это могут, постепенно расширяет их возможности. Для этого им необязательно задумываться о будущем. «Первородная РНК» не мечтала научиться новым химическим трюкам или стать стабильнее, но в один прекрасный день среди ее потомков нашлись такие, у которых получилось это реализовать. Все остальное померкло, забылось, исчезло. Так были изобретены белки, и так была изобретена ДНК, а потом и еще одно грандиозное предприятие – клетка. Никто из участников процесса не думал о будущем, но из далекого будущего все выглядит именно так, как будто все задумано заранее.

Нужно оговориться по поводу выражений вроде «РНК изобрела белок» или «змеи придумали себе глаза на спине», которые часто используются в этой книге, но за которые мне бы точно поставил двойку любой школьный учитель биологии. Мой кумир философ Дэниел Деннет называет такую форму мышления intentional stance, «позиция преднамеренности», и я с удовольствием отсылаю читателя к его работе «Опасная идея Дарвина»21. Но если вкратце, то так просто удобно думать. Поскольку в долгосрочной перспективе отбор приводит к рациональному решению проблем, его можно условно описывать как сознательные действия – правда, не организмов, а генов, но об этом в следующей главе.

На уроках биологии учителя обычно концентрируются на случайности и ненаправленности эволюционного процесса. РНК не знает, что произойдет в результате мутации, а змеи не знают, какие рисунки на спине приведут к повышенной выживаемости, поэтому никакой преднамеренности и целенаправленности в эволюции быть не может.

Все это относится к изменчивости: та действительно случайна и ненаправленна. Но изменчивость – это только один из элементов в уравнении эволюции. Наследственность совершенно неслучайна: ее суть именно в том, что воспроизводится нечто конкретное. А отбор – главная креативная сила, которая лепит из изменчивости признаки, – вообще не имеет к случайности никакого отношения. Он постепенно, поколение за поколением приспосабливает клюв вьюрка под форму ореха, стебель подсолнуха под суточные циклы, а его лепестки – под зрение насекомых. Результат деятельности отбора неотличим от разумного процесса, поэтому, на мой взгляд, нет ничего предосудительного в том, чтобы обсуждать эволюцию в «рациональных» терминах. Рациональность молекулы РНК – это на самом деле рациональность природы, постепенно выбирающей из случайных РНК самые рационально устроенные. В сущности, и человеческая рациональность (прототип воображаемой рациональности Бога-творца) – точно та же рациональность природы, только усложненная и ускоренная.

КСТАТИ

Мало того, что многие люди упускают неслучайность отбора, они обычно недооценивают сложность явлений, которые могут быть совершенно случайными.

Дебора Нолан, профессор статистики в Университете Калифорнии в Беркли, проводит на лекциях следующий эксперимент. Она делит студентов на две группы и выходит из аудитории. Одна из групп студентов должна 100 раз подбросить монету и записать результат: орел или решка. Другая группа монету не подбрасывает, а придумывает результат от балды. Нолан возвращается в аудиторию, смотрит на два результата и безошибочно угадывает, какой из них настоящий, а какой фальшивый.

Как она это делает? Очень просто: она ищет, в каком из вариантов самая длинная последовательность только из орлов или только из решек. Этот вариант и будет настоящим. Когда человек пытается представить случайность, ему кажется, что решка пять раз подряд – это слишком невероятно. Но если подбросить монету 100 раз, то почти всегда в получившейся последовательности орлов и решек будут повторения по шесть, семь, а то и восемь одинаковых результатов.

Я беззастенчиво украл эту идею и провожу этот эксперимент каждый семестр на лекции про происхождение жизни. Работает великолепно. Мне всегда кажется, что вот на этот раз наверняка не сработает, но пока такое случилось только один раз, и то по моей невнимательности. Студент, которому досталась «фальшивая» роль, поленился и записал уж совсем невероятный результат, в котором было по 15 орлов и решек подряд. Если бы я учел такой вариант, то без труда отсеял бы и эту фальшивку, но по привычке радостно ткнул в самую длинную последовательность.

Хлопок одной ладонью

Время против жизни

Читатель, возможно, уже обратил внимание, что все мои описания эволюции всегда содержат временной компонент: «постепенно», «рано или поздно», «в один прекрасный день». На этой ноте стоит вернуться к нашей затянутой автомобильной метафоре. Я предложил считать изменчивость топливом, наследственность колесами, а отбор водителем. Но у машины нет двигателя! «Двигатель эволюции» – это такая звонкая фраза, что ею обзывают и изменчивость, и наследственность, и отбор, и вообще все что угодно. (Британские ученые обнаружили, что двигатель эволюции – костяной член!) Но мне кажется, что двигатель у эволюции один: время.

Именно природой времени определяется тот принципиальный факт, что ничто не вечно. Не вечен камень с его уникальной формой, которая рано или поздно исчезнет без следа. Не вечен морской огурец, которому рано или поздно придется отдать концы или эквивалентные части тела. Не вечна молекула РНК, какой бы ни была ее последовательность. Что такое время? Это направление движения событий от порядка к хаосу, от сингулярности, предшествующей Большому взрыву, к гомогенному супу теплоты, в который Вселенная рано или поздно превратится. Что такое жизнь? Это противостояние хаосу, сохранение порядка вопреки беспорядку, размножение морского огурца вопреки его смерти, копирование РНК вопреки ее распаду. Время по определению ведет к исчезновению, а жизнь по определению исчезновению противостоит. Время протирает жизнь сквозь сито отбора и тем самым насыщает ее «хорошими идеями». Это и есть двигатель эволюции.

После Дарвина

Если отрешиться от личности Дарвина, то с точки зрения Космоса его теория – это жизнь на Земле, осознающая саму себя.

В середине XIX в., когда вышел труд «Происхождение видов», даже в окружавшем Дарвина образованном обществе идея биологической эволюции, то есть изменения видов со временем, была необычной и по религиозным соображениям рискованной. Дарвин, конечно, не первым догадался, что виды могут меняться. Но он сумел обосновать эту идею так, чтобы окружающие в нее не просто поверили, а увидели прямо у себя перед глазами.

Сама идея, что виды могут изменяться, сегодня уже давно не вызывает сомнений у ученых и даже вошла в бытовое сознание. Эволюцию можно наблюдать. Она видна в одомашнивании диких животных: например, в превращении волка в собаку за несколько тысяч лет сожительства с человеком. Она видна в геологической летописи: например, превращение плавника в руку восстановлено по ископаемым скелетам в мельчайших деталях. Эволюция ясно видна в лаборатории, где микроорганизмы и даже человеческие клетки эволюционируют прямо под микроскопом, а метод под названием «направленная эволюция» – это рутина биотехнологического производства.


Хлопок одной ладонью

С сегодняшней точки зрения интересно в теории Дарвина другое. Она не просто объясняет, как одни виды могут происходить из других: она объясняет, как все виды могут происходить из одного. Неважно какие: человек, птица, улитка, гриб, – все они в интерпретации Дарвина вдруг оказываются родственниками, параллельными ветвями одной и той же истории, начинающейся из одной точки. По Дарвину, все существующие виды – нынешние лидеры одной и той же бесконечной гонки за право не вымирать.

Теория Дарвина как бы добавила к человеческой картине мира дополнительное измерение. Раньше мы могли мыслить только текущим моментом, тремя измерениями пространства, в которых существует мир вокруг нас. Полтора века назад мы обнаружили, что у природы есть четвертое измерение – временнóе. От каждого из нас, как и от каждого живого существа на планете, в прошлое тянется нить, ведущая к началу времен. Только в этих четырех измерениях все вокруг и становится понятным.

Появление теории эволюции – это принципиальная отметка в истории человечества. Раньше люди были высшей формой жизни, а теперь они – одна из многих ее ветвей. Раньше мир был статичным: все многообразие существ просто существовало в той форме, которую ей когда-то дал Создатель. Теперь мир стал динамичным: не только за человеком, но за каждым живым существом, каждым их свойством и признаком в прошлое протянулась нить причинно-следственных связей, ведущая через тысячи поколений, через континенты и эпохи и в конечном итоге сходящаяся вместе с другими нитями к общему, единому первоисточнику всего живого. Эта совокупность равноценности и единства – переворот в отношениях человека и природы.

Британский биолог Ричард Докинз так описал значимость этого переворота:

«Разумная жизнь на той или иной планете достигает зрелости, когда ее носители впервые постигают смысл собственного существования. Если высшие существа из космоса когда– либо посетят Землю, первым вопросом, которым они зададутся, с тем чтобы установить уровень нашей цивилизации, будет: „Удалось ли им уже открыть эволюцию?“»22

Сам факт того, что мы, люди, своим умом дошли до «четырехмерной природы», это триумф. Но триумф не столько нашего вида, сколько всей жизни на Земле. Его бы не произошло без бактерий, его бы не произошло без растений, его бы не произошло, если бы черви не умели копать или если бы рыбы жили на суше. Наше существование – результат непрекращающейся череды событий, последовательно происходивших с каждым из наших предков за миллиарды лет, прошедшие с зарождения жизни.

В конечном итоге теория Дарвина – о том, что наша судьба неотделима от судьбы наших предков. Мне кажется, это-то и убило Роберта Фицроя.

3. Зачем все усложнять

А эту сложную машину

Я сделал сам из ячменя.

Даниил Хармс

Вплоть до середины XIX в. люди в основном думали, что болезни вызываются либо просто магическими способами, либо «дурным воздухом», либо «дурной кровью». Из-за «дурного воздуха», например, в Нью-Йорке улицы с 1811 г. стали прокладывать по сетке, чтобы воздух лучше проходил и народ был здоровее. Из-за «дурной крови» в Средние века всё лечили пиявками, которые эту дурную кровь якобы высасывали.

Когда в XIX в. из работ Луи Пастера и Роберта Коха выросла микробная теория инфекционных заболеваний, человечество вдруг осознало, что их мир наводнен полчищами мелких, невидимых, но очевидно гадких существ. И вот они-то и вызывают, оказывается, все болезни.

Поднялась паника. Газеты конца XIX – начала XX вв. пестрят сообщениями о всяких «убийцах микробов», чудо-препаратах, несущих смерть паразитам. Бактерии изображались отвратительными бесформенными злодеями, которых сознательные граждане заливали литрами хлорки. И. И. Мечников видел в гнилостных бактериях причину человеческого старения.

Человечество навалилось на микробную гадину и вскоре одержало крупную победу. Пенициллин, открытый в 1920-е гг. Александром Флемингом (якобы по случайности, а на самом деле, скорее, по наблюдательности1), был в этой войне как бы атомной бомбой. По крайней мере, так казалось изначально. Массовое производство пенициллина началось в 1943 г., во время Второй мировой войны, и тогда этот препарат считался панацеей от всех болезней2. Но уже к концу 1940-х гг. появились первые пациенты, чьи инфекции на пенициллин не реагировали3, 4. Им приходилось давать новые антибиотики, более сильные или как-нибудь иначе действующие.

В тот момент ученые открывали один антибиотик за другим, поэтому экзистенциальной проблемы не было. Но с 1950-х гг. темпы открытий замедлились, и с 1983 г. не было открыто ни одного принципиально нового класса антибиотиков широкого спектра действия (впрочем, отчасти это может быть связано и с интересами фармацевтических компаний, которым гораздо выгоднее вкладываться в хронические заболевания типа рака или болезни Альцгеймера). Старые антибиотики тем временем неуклонно теряли эффективность, так что весь накопленный «ядерный арсенал» постепенно приходил в негодность.

Раньше пациенту, устойчивому к одному антибиотику, всегда можно было предложить другой, более сильный. Сегодня речь идет уже об устойчивости к антибиотикам, сильнее которых нет ничего. Миллионы людей (особенно в Африке и Азии) погибают не потому, что от их инфекций нет лекарств, а потому, что эти лекарства больше не работают. Всемирная организация здравоохранения сегодня обсуждает неминуемое наступление «постантибиотиковой эры»5, 6 и в промышленно развитых странах. Человечеству в ближайшем будущем придется либо изобретать принципиально новые способы борьбы с бактериями, либо жить с реальностью смертельно опасных царапин и осложнений от хирургических операций.

Как же так получилось? Казалось бы, в войне человека, самого сложного существа на планете, с микробами, самыми простыми существами, у нас не должно быть затруднений в век космических кораблей и искусственного интеллекта. Тем не менее, проведя почти столетие в отступлении, сегодня микробы наносят нам ответный удар. Что пошло не так? Почему мы их снова боимся?

По-моему, мы недооценили микробов, потому что с самого начала неправильно поняли, что они из себя представляют.

Республика с фашистскими наклонностями

Словом «микроб» вообще-то давно уже пользуются только продавцы биодобавок – те самые, у которых в ходу слово «протеин». Раньше так обозначали все маленькое и примитивное, но современные биологи обычно называют конкретный тип микроорганизма: например, бактерии, археи, инфузории, дрожжи (но не вирусы, такие как возбудители гриппа или ОРВИ: те вообще стоят особняком от всего живого). Сегодня мы знаем, что микробы настолько разные существа, что объединять их в одну категорию – это как объединять человека и кустик клубники в категорию «макроб».

Микробов от «макробов», впрочем, отличает один принципиальный признак: их организм состоит из одной независимой клетки, тогда как человеческий и клубничный – из множества клеток, работающих заодно. Так что корректнее называть эти две категории одноклеточными и многоклеточными.

На уроке биологии клетка обычно описывается как кирпич (или его младший брат – «кирпичик»). Мы привыкли думать о клетках как о деталях, потому что сами из них состоим. С многоклеточной точки зрения микроорганизмы кажутся, соответственно, кирпичами на колесах. Это детали, плавающие сами по себе, неодушевленные пузыри на границе живого и неживого.

Но если смотреть на нашу планету из космоса, то становится понятно, что клетки – это прежде всего не детали, а организмы.

Во-первых, микробов очень много. По биомассе бактерий, например, в 30 раз больше, чем животных. Большинство организмов на планете состоит из одной клетки.

Во-вторых, многоклеточные в масштабах вечности – относительно недавнее изобретение, тогда как бóльшая часть истории жизни – это история одиночных клеток.

В-третьих, весь фундамент нашей многоклеточной жизни был заложен нашими одноклеточными предками и другими микроорганизмами, без которых сегодняшнего человека не представить. Одноклеточные придумали дыхание, хищничество, половое размножение и многое другое, что мы считаем базовыми свойствами собственного организма. Они придумали, как добывать пищу, заложили основу для отношений между мужчинами и женщинами, первыми вдохнули в атмосферу кислород и первыми вышли из моря на сушу.

В общем, как ни крути, а типичный организм – это клетка.

Что вообще такое организм? Можно сказать, что это машина для выживания генов. Но под такое описание подходит, например, любой белок – тоже машина, которая помогает генам выживать. Отличие организма в том, что это не просто машина, а машина, внутри которой гены живут. Если с ней что-то происходит, то это одинаково затрагивает все гены, ее населяющие.

Организм – это транспортное средство, на котором гены едут из точки А в точку Б. Точка А – это родители организма, а точка Б – его дети. В этих точках гены перепрыгивают в новые транспортные средства и продолжают ехать вперед. Это движение и есть выживание гена. Как читатель помнит, ген не материальный объект, а фрагмент информации, поэтому он выживает путем переезда из одного материального носителя в другой, из одного поколения в следующее.

Особенность взаимоотношения генов со своим транспортным средством состоит в том, что они его никогда не покидают. Гены всегда удваиваются внутри организмов, а новые организмы всегда, так или иначе, отпочковываются от старых. С самого начала времен и до наших дней гены, то есть собственно живая субстанция планеты, взаимодействуют с миром исключительно изнутри этих машин, на которых они плывут сквозь время.

Почему это так принципиально? Потому что это формализует общественные отношения между независимыми генами. Если организм на плаву, то все гены у него внутри выживают. Если он по какой-либо причине тонет, то все его гены прекращают существовать, независимо от того, насколько они были полезными поодиночке.

В этом и состоит суть организма как явления. Главное его свойство не столько в том, что он помогает генам выжить, а в том, что он замкнут и генам из него просто так не выйти[6]. Организм вынуждает свои гены к сотрудничеству на благо общего дела – у них просто нет иного выбора. Теперь они не просто гены, они – часть генома.

Эта идея организма с геномом напоминает одну печально известную политическую систему. Посмотрите на итальянский герб времен Муссолини: прутья, связанные ремнями в пучок («fascis» по-латыни, отсюда и слово «фашизм»), а из пучка торчит топор. Этот древний символ, на мой взгляд, великолепен в своей экспрессивности. Один прут сломать легко, а связку прутьев сломать трудно. И вообще, сейчас топором получишь!


Хлопок одной ладонью

Клеточная мембрана – главный элемент строения клетки, герметично изолирующий ее ДНК от окружающего пространства, – это как раз и есть такой фашистский ремень, связывающий гены в плотный топор, воюющий с миром за выживание. Идея организма состоит в том, что есть «свои гены», а есть «чужие гены». Организм работает на все свои гены в равной степени, и ни на чьи другие. Смысл клетки в том, что она замкнута в капсулу, которая умеет делиться, удваивая содержащиеся в ней гены, и никакие другие. При этом если гибнет клетка, гены гибнут коллективно. Ровно то же самое можно сказать и про наш многоклеточный организм.

КСТАТИ

Клеточная мембрана – непрерывный тонкий слой, отделяющий содержимое клетки, или цитоплазму, от окружающего мира, – это блестящее в своей простоте и элегантности инженерное решение.

Основу мембраны составляют липиды. Липид – форма органического вещества, к которой также относятся жиры. Мембранные липиды сложнее, чем жиры, откладываемые в жировой ткани и преобладающие в пище, но обладают отчасти похожими свойствами. Жиры, как известно, не любят воду в силу своей химической природы: если смешать масло с водой, они разбегутся в разные стороны и образуют два слоя. Но липиды в клеточной мембране отличаются раздвоением личности. Одна часть молекулы мембранного липида (ее иногда называют «хвост»), как и типичный жир, воду не любит. Но этот «хвост» прикреплен к «голове», которая, наоборот, стремится окружить себя водой (в химии это называется гидрофобностью и гидрофильностью, то есть водобоязнью и водолюбием).

Что произойдет, если такие молекулы смешать с водой? Головам будет хорошо, а хвостам некомфортно. Хвосты будут лихорадочно искать место без воды. Пытаться сгрудиться в каплю, в которой этой воды не будет. Но головы не хотят быть в середине жировой капли, они хотят быть в воде.

Как решить такую проблему? Нужно сгрудиться не в каплю, а в плоский слой, в котором головы плотно прижаты друг к другу и не пропускают воду. Такой слой можно замкнуть в шарик – мицеллу, а можно прижать к другому такому же слою так, чтобы головы смотрели наружу с двух сторон, а хвосты мирно отдыхали в своем маслянистом пространстве посередине. Двойной слой липидов, или липидный бислой, и составляет основу клеточной мембраны. Красота тут в том, что в основе такой настолько космически сложной и навороченной машины, как клетка, лежит механизм уровня учебника химии за седьмой класс: гидрофобность липидов. Целостность и неделимость организма как явления объясняется процессами, которые происходят при взбалтывании масла с водой.

Хлопок одной ладонью

Так что клетка – это не просто деталь организма, а его архетип. Во многом корректнее думать о людях как об одноклеточных, состоящих из множества клеток, чем о бактериях – как об отдельно взятых деталях многоклеточных. И все-таки наши с бактериями организмы различаются очень сильно. В этом и кроется наше недопонимание микробов.

Текучие когти

Потеря антибиотиками способности лечить инфекции происходит не из-за порчи самих антибиотиков. «Ядерный арсенал», который в данном случае приходит в негодность, не испаряется и не теряет химическую активность. Все дело в устойчивости, которую рано или поздно вырабатывают к любому антибиотику бактерии. «Устойчивость» здесь означает не устойчивость человека к инфекции, а устойчивость инфекции к веществу, которым ее пытаются убить.

Устойчивость к антибиотикам – это типичный дарвинизм. Сложно придумать более прямую демонстрацию эволюции в действии, работающую настолько безотказно и легко наблюдаемую в таких подробностях. Допустим, человек заразился стафилококком. У него в теле миллионы клеток этой бактерии. Ему дают антибиотик, который блокирует производство, допустим, бактериальной клеточной стенки. 99,99 % клеток стафилококка от этого погибают. Но бактерий такое количество, что часть из них по чистой случайности худо-бедно выживает.

Может оказаться, например, что у 0,01 % бактерий чуть отличается структура какого-нибудь клеточного фермента, да так удачно, что такой фермент может расщеплять антибиотик7. Это меньшинство бактерий продолжит кое-как размножаться, причем среди их потомства преимущество получат те, у которых фермент еще лучше расщепляет антибиотик. Человек чувствует себя выздоровевшим, потому что почти весь стафилококк погиб, и перестает принимать антибиотик. Но в это время выжившие стафилококки размножаются с новой силой и снова заполняют организм. Человек начинает снова принимать антибиотик, но теперь тот работает гораздо хуже, потому что весь его стафилококк состоит из потомства самых устойчивых клеток. Он эволюционировал.

Печальная в мировом смысле проблема состоит в том, что этот эволюционировавший стафилококк не просто сидит внутри своего носителя-человека, а заражает окружающих, проникает в больницы, в канализацию, в почву и постепенно замещает собой стафилококков, не обладающих устойчивостью к антибиотику. Cам факт принятия антибиотика автоматически создает отбор на устойчивость. А отбор, в свою очередь, создает эволюцию – не только в пределах организма пациента, а вообще во всем мире. Что бы мы ни кидали в бактерий, рано или поздно они наэволюционируют себе решение проблемы, и кидание потеряет смысл.

Мы, люди, ассоциируем себя с собственным организмом. Когда мы говорим «я», мы имеем в виду материальный объект, обладающий голосом, цветом волос, а также генами. Бактериям же в целом наплевать на собственные организмы. Они у них всегда максимально простые, дешевые и одноразовые. Бактерии мыслят группами, штаммами, ветвями генетического древа. Если бы они могли сказать «я», то они бы имели в виду не организмы, обладающие генами, а гены, плывущие сквозь время на сменных организмах.

На заре эпохи антибиотиков мы думали, что война с бактериями – это война с чем-то маленьким и примитивным. На самом деле это война с чем-то вечным и почти бессмертным.

Если воспринимать бактерию таким образом, то она кажется гораздо страшнее, чем толпа очень-очень простых человечков. Это аморфная, текучая масса генов, расфасованных по клеткам, которая способна решить любую проблему, что бы вы с ней ни делали. Это жидкий робот Т-1000 из «Терминатора-2», просачивающийся в любую щель. Это сказочный змей, у которого из отрубленной головы вырастают две.

Такой альтернативный способ смотреть на бактерии любопытен даже лингвистически. Русское название «бактерия» – это калька с латинского слова bacteria. Но bacteria – это множественное число, единственное число от которого – bacterium. То есть само слово «бактерия» по идее означает «много бактериумов».


Хлопок одной ладонью

Мы неправильно поняли микробов, потому что мы приняли бактерию за бактериумов. Бактерия – существо множественного числа. Мы же – существа-единицы. Этим различием мы обязаны многим своим предкам, но прежде всего первым эукариотам, жившим среди бактерий порядка 2 млрд лет назад8, примерно на полпути от происхождения жизни до нашего времени.

Два кита или три черепахи?

Раньше считалось, что существует два типа клеток: один примитивный, другой продвинутый. Первые из них – скучные пузыри без интересной формы, многоклеточности, сложного поведения и вообще каких-либо признаков того, что мы, люди, считаем показателем крутизны в живом организме. Это прокариоты. Второй тип – эукариоты – организмы с гораздо более сложными клетками, зачастую состоящие из большого их количества, как, например, в нашем случае. У эукариотических клеток, в отличие от прокариотических, есть ядро, или «карион» (κάρυον) по-древнегречески (не спрашивайте, почему ученым прошлого было мало латыни). Слово «эу» (εὖ) означает «настоящий», а приставка «про-» (πρό-) – что-то вроде «недо-». Ну, все понятно: вот настоящие, правильные клетки с ядрами, а вот всякий ширпотреб.

Когда в 1970-е гг. появились методы секвенирования, то есть «чтения» генов, эта иерархия пошатнулась.

Принципиальную роль в этом сыграл Карл Вёзе, американский микробиолог, который первым придумал использовать сравнения генов для реконструкции эволюционной истории. Секвенирование позволило сравнивать организмы не просто по принципу «похоже / непохоже» или «сложно / просто», а математически. Проанализировав различия в ДНК, можно сопоставлять время эволюционного расхождения нескольких групп. В общих чертах принцип состоит в том, что мутации в генах происходят более-менее регулярно, если усреднять промежутки времени масштабами в миллионы лет (из этого правила, правда, есть масса исключений, что сильно затрудняет жизнь эволюционным биологам). В целом чем больше у двух видов различается один и тот же генный участок, тем дольше они существуют независимо друг от друга, то есть тем древнее время их эволюционного расхождения. Если у меня где-то в геноме записано АААГА, у мыши АААГГ, а у таракана ЦЦЦГЦ, то с тараканом мы разошлись раньше, чем с мышью, потому что наши последовательности сильнее отличаются.

Если брать не три вида, а тысячи, и не пять «букв», а длинные отрезки генома, то теоретически можно подобным образом узнать, какими именно родственными связями кто с кем связан, то есть восстановить всю последовательность эволюционных событий, породивших разнообразие сегодняшних видов. Используя этот метод, Карл Вёзе первым рассчитал масштабное древо жизни, не полагаясь на видимые признаки и интуицию.

К сегодняшнему дню это древо рассчитано эволюционными биологами в мельчайших деталях, хотя хватает на нем и спорных участков. Без таких знаний о родственных связях между живыми организмами представить современную науку просто невозможно. Но даже то самое первое древо Вёзе, описывающее жизнь на Земле в самых общих чертах, коренным образом изменило наше представление о системе природы. Последовательности ДНК, которые Вёзе отсеквенировал, разделились при анализе не на две ветви – эукариот и прокариот, как можно было предположить, – а на три. Эти ветви получили название доменов, то есть групп, стоящих выше царств (вроде царства животных или царства растений) и даже надцарств (есть и такие).

КСТАТИ

Система природы Карла Линнея включала знаменитые шесть рангов: царство, класс, отряд, семейство, род, вид. Но с развитием биологии природа в эти ранги перестала влезать. К шести рангам вскоре добавился седьмой – тип, сидящий между царством и классом. Затем стали возникать промежуточные ранги, такие как «надтип», «подцарство» или «инфракласс», – это, например, сумчатые, которые больше, чем отряд опоссумов, но меньше, чем класс млекопитающих. Сегодня все эти ранги чаще называют просто «группами», поясняя, какая из групп в пределах какой находится. На самом деле какого-то определенного количества рангов в природе нет и быть не может. Каждое эволюционное изменение – это новое разветвление древа жизни. Каждый раз, когда два вида расходятся в разные стороны от общего предка, все их дальнейшее потомство можно считать двумя независимыми группами. Соответственно, на каждой развилке древа жизни можно в принципе придумывать новые группы, хотя на практике мы пользуемся только определенными, традиционными развилками. Человек – одновременно эукариот, животное, позвоночное, млекопитающее и примат, – но это всего лишь 5 рангов, тогда как при желании между каждыми двумя можно вставить еще 20. Как на карте при разном увеличении прорисовываются разные детали, так и эволюционное древо может иметь разную детализацию, а вместе с тем и разное количество рангов.

Оказалось, что такого домена, как «прокариоты», просто нет. Прокариоты – это не единая группа, а два разных варианта живых организмов, столь же далеких в эволюционных координатах друг от друга, как человек от йогурта. Внешне они выглядят очень похоже, но сравнение их генов показывает, что они развивались независимо друг от друга миллиарды лет. Одна из этих групп – бактерии. Другая группа раньше считалась подгруппой бактерий под названием «архебактерии». Вёзе поднял ее статус до отдельного домена, и «бактерии» от названия отвалились. Новоиспеченный домен археи встал в один ряд с бактериями и эукариотами9.

Сегодня многие эволюционные биологи хотят пересмотреть и «тройное» деление жизни. Они считают, что эукариоты – мы с вами – появились не одновременно с двумя другими доменами жизни, а существенно позже. Бактерии и, вероятно, археи к моменту их возникновения уже давно существовали, причем в планетарных масштабах и количествах. Эукариоты же произошли в пределах архей. Следуя такой версии, формально все растения, грибы и животные принадлежат к одному их странному семейству8, 10.

Так что возможно, в мире всего два типа клеток, как и считалось раньше, до Карла Вёзе. Только эти два типа – не прокариоты и эукариоты, а бактерии и археи. Мы же, эукариоты, по-видимому, произошли от архей. Однако, как мы вскоре увидим, бактерии тоже сыграли ключевую роль в появлении нашего домена. История эукариот гораздо сложнее и интереснее, чем просто «третий тип клетки».


Хлопок одной ладонью

Задача этой книги – объяснить чудо человеческого существования. Я не первый, кто интересуется происхождением человека и ищет ответы на вопросы о себе в своем эволюционном прошлом. Но фраза «эволюция человека» обычно означает его происхождение от обезьяны, то есть события последних сотен тысяч, в лучшем случае нескольких миллионов лет. На мой взгляд, истоки человеческой сущности нужно искать гораздо раньше, в событиях далекого, океанического прошлого, и из всех таких моментов, определивших траекторию человеческой родословной, важнейшим я считаю происхождение домена эукариот.

Чтобы понять человека, нужно понять эукариогенез. А чтобы понять эукариогенез, нужно понять нечто на первый взгляд совершенно нечеловеческое: фотосинтез.

Фотосинтез

Синтез значит «сборка», «соединение». Если спросить у большинства людей, что синтезируется в фотосинтезе, они уверенно ответят «кислород». Фотосинтез – это такое слово, от которого просто пахнет свежим воздухом.

Кислород в процессе фотосинтеза действительно возникает. Но суть фотосинтеза в другом.

Возьмем, к примеру, бутерброд с икрой (главный деликатес постсоветского пространства). Он состоит из булки, масла и рыбьих яиц. Из чего сделана булка? Из пшеницы. То есть булку сделал фотосинтез. Из чего сделано масло? Из молока, а оно – из травы, которую ест корова. То есть масло тоже сделал фотосинтез. Из чего сделана икра? Из лосося-мамы, а та – из других, мелких рыб, а те – из водорослей, которыми они питаются. То есть и икру в конечном итоге тоже сделал фотосинтез.

Фотосинтез – это не синтез кислорода. Фотосинтез – это синтез еды. Это главный источник пищи на планете, который кормит практически все живое.

Чтобы сделать еду, нужно откуда-то достать атомы углерода, из которых эта еда, углеводы, жиры и так далее, будет состоять. Углерод в природе чаще всего встречается в форме углекислого газа, и за редкими исключениями именно углекислый газ – первичный источник всего углерода в пище, которую потребляют живые организмы.

Но самое сложное в фотосинтезе – где взять энергию. В энергии смысл любого питательного вещества. Чтобы она там была, ее надо туда вложить. Это происходит, когда из углекислого газа выковываются кольца углеводов и цепи жиров. В ходе этого процесса энергия запасается в структуре их молекул и в дальнейшем используется как самим фотосинтезирующим организмом, так и тем, кто его съест. Но где взять изначальную энергию для синтеза еды из углекислого газа, если не из других питательных веществ?


Хлопок одной ладонью

Читатель уже знает ответ: на Солнце.

Солнце – это застывший во времени и пространстве термоядерный взрыв. Из него постоянно извергается свет и жар, которые долетают по прямой линии до нашей планеты в форме фотонов. Фотоны – как бы куски энергии света. Бóльшая часть из них отражается атмосферой или отскакивает от поверхности земли и улетает обратно в космос, рассеиваясь по бесконечному пространству. Но некоторые попадают точно на поверхность растения. Они пролетают сквозь прозрачное восковое покрытие, сквозь клеточную стенку и мембрану растительной клетки, сквозь мембрану ее хлоропласта – внутриклеточной станции фотосинтеза – и наконец ударяются о специально предназначенную для этого молекулярную антенну, которая и придает зеленому листу его цвет. Это хлорофилл, ловец фотонов.

Хлорофилл всасывает энергию прилетевшего к нему фотона и от этого очень возбуждается. Примерно как Супер Марио, глотающий бонусную звезду и временно обретающий сверхспособности. Помните, как атомы и молекулы постоянно занимаются тем, что отбирают друг у друга электроны? Так вот возбужденный фотоном хлорофилл пребывает в таком радостном настроении, что с готовностью отдает электрон окружающим, вкладывая в него ту энергию, которую сообщил ему произведенный на солнце фотон.

Молекулы – существа ветреные, сами не знают, чего хотят. Им все время не сидится со своими электронами, то их мало, то их много. Но стоит всучить молекуле целый лишний электрон или вырвать у нее электрон, от которого она пытается избавиться, как ей тут же становится еще хуже – теперь она хочет этот электрон либо сбагрить, либо добыть соответственно. В случае с возбужденным хлорофиллом потеря электрона мгновенно выводит его из благотворительной эйфории, и возбуждение сменяется жестоким похмельем, при котором хлорофилл готов разорвать клетку на части, лишь бы получить обратно свой потерянный электрон.

Мы вернемся к хлорофиллу и его химической ломке через минуту, но пока давайте посмотрим, что происходит с тем электроном, который он в своем любвеобильном порыве отдал окружающим.

Дело происходит внутри растительной клетки. Как и любая клетка, она имеет клеточную мембрану, отделяющую ее от окружающего мира. Но с внутренней стороны этой главной наружной мембраны в клетке полно более мелких мембранных пузырей, трубочек и цистерн, образующих массу разнообразных полостей и пространств со специализированными функциями. Эти пузыри и полости называются органеллами, то есть мини-органами. К их числу относится хлоропласт – специальная органелла для фотосинтеза. Там и живет хлорофилл.


Хлопок одной ладонью

У хлоропласта две мембраны: наружная и внутренняя. Внутри он заполнен стопками плоских замкнутых цистерн под названием тилакоиды. Именно в их мембрану воткнут хлорофилл. То есть если считать от границы клетки, то это мембрана номер четыре: сначала клеточная мембрана, потом две мембраны хлоропласта и только потом мембрана плоского пузыря-тилакоида.

Что за компания окружает хлорофилл в мембране тилакоида? В основном это мембранные белки, которые с радостью принимают от возбужденного хлорофилла электрон и от этого сами возбуждаются. Но белки гораздо более талантливые молекулы, чем хлорофилл, и их возбуждение можно превратить в полезную работу. От энергии принятого электрона белок корежит и перекручивает, и в конечном итоге он передает эту свою электронную радость другому белку, как эстафетную палочку. Но, пока их крутит, белки проделывают любопытный пируэт: хватают с одной стороны мембраны протон (протон – это просто водород, у которого отняли электрон, такие несчастные обделенные водороды всегда есть в любом водном растворе) и сбрасывают его с другой стороны мембраны. В итоге белки возвращаются к своему исходному состоянию, но пробежавший по ним электрон переносит протон внутрь тилакоида11.


Хлопок одной ладонью

Этот процесс повторяется несколько раз с участием вспомогательных молекул, пасующих друг другу электрон, как мяч. В сумме получается следующее: выбитый светом из хлорофилла электрон прыгает по мембране с белка на белок, возбуждая их по эстафете, и в результате те постепенно накачивают тилакоид протонами. В конечном итоге электрон, запущенный возбужденным хлорофиллом по цепи, теряет энергию и соскакивает с мембраны на специальную молекулу с легендарным названием «никотинамидадениндинуклеотидфосфат» – я был очень горд собой, когда впервые выучил его в десятом классе. Там мы этот отработанный электрон и оставим, присмотревшись вместо него к тому, что происходит с накачиваемым протонами тилакоидом.

Турбина на шарике

Чтобы накачать воздушный шарик, нужно приложить энергию. Что происходит с этой энергией в шарике? Она сохраняется в форме напряжения резины под давлением газа. Если шарик проткнуть, то газ устремится из зоны высокого давления внутри шарика в зону низкого давления снаружи, и энергия напряжения превратится в энергию звука, реактивного движения и всеобщего веселья[7].

То же самое происходит с тилакоидом, который накачивают протоны. Сами они туда не полезут по той же причине, по которой шарик не накачивает сам себя. Но если приложить энергию – в данном случае она берется из скачущего по мембране электрона, выбитого из хлорофилла солнцем, – то протоны можно запихнуть в тилакоид против их воли и таким образом создать напряжение. Фактически это способ сконцентрировать энергию света. Тот факт, что в тилакоид накачиваются именно протоны, принципиальной роли не играет: важно, что перепад их концентрации создает напряжение, в котором, как в накачанном шарике, содержится энергия.


Хлопок одной ладонью

То есть в итоге энергия солнца была превращена растением в энергию накачанного протонами тилакоида. Но накачанный тилакоид на бутерброд не намажешь. Чтобы из его сконцентрированной энергии сделать что-то полезное, ее нужно перевести в более удобоваримую форму. Поэтому тут в дело вступает белок поистине волшебных талантов: АТФ-синтаза. Он умеет превращать энергию накачанного тилакоида в энергию химической связи.

С инженерной точки зрения этот процесс – одно из самых впечатляющих и элегантных творений эволюции. Сложно вообразить себе белковую машину с настолько явными функциональными параллелями в человеческой промышленности: АТФ-синтаза – это буквально турбина на тилакоиде. Гидроэлектростанция, в которой поток воды (только в данном случае не воды, а протонов) крутит лопасти генератора, который запасает энергию потока в полезном виде. АТФ-синтаза состоит из модуля, зафиксированного на мембране, – статора – и встроенного в него шестигранного ротора, который, как настоящая турбина, крутится под воздействием струи протонов, выпускаемых из накачанного тилакоида. А кручение ротора, в свою очередь, приводит к тому, что АТФ-синтаза синтезирует АТФ.


Хлопок одной ладонью

АТФ, или аденозинтрифосфат, – специальная молекула, играющая роль энергетической разменной монеты. Растения разменивают на АТФ энергию солнца. Мы точно так же размениваем на АТФ энергию пищи. Превратив энергию в АТФ, клетка в принципе может использовать ее в любых целях, подробнее об этом мы еще поговорим. В фотосинтезе энергия АТФ, полученного усвоением солнечного света, направляется в одно конкретное, крайне энергоемкое русло: превращение углекислого газа в питательные вещества.

Что делают растения в темноте

Эта фаза фотосинтеза называется темновой – свет в ней уже не нужен. Первую скрипку в темновой фазе фотосинтеза играет белок с красивым названием Рубиско (можно, конечно, и «рибулозобисфосфаткарбоксилаза», но это звучит так, как будто трактор не заводится). Учитывая, что колоссальная мировая биомасса фотосинтезирующих организмов набита Рубиско до отказа, этот фермент, по некоторым оценкам, самый распространенный белок в природе или, по крайней мере, на суше12.

Операция, которую выполняет Рубиско в фотосинтезе, сопоставима по значимости разве что с присоединением аминокислоты к аминокислоте при синтезе белка на рибосоме. Рубиско превращает углекислый газ и воду в углевод, то есть в сахар, – органическую молекулу, состоящую из углеродной цепи с вкраплениями кислорода и водорода. Углекислый газ и вода совершенно не хотят ни во что превращаться, это крайне стабильные молекулы, которым в их текущем виде вполне комфортно. Чтобы заставить углекислый газ превратиться в сложную углеродную цепь, нужно приложить энергию, для этого Рубиско использует АТФ, наработанный хлорофиллом с товарищами. Приложенная энергия при этом запасается в структуре получившегося сахара (это, собственно, и делает его питательным веществом) и в дальнейшем используется для строительства любых других органических веществ.


Хлопок одной ладонью

Строго говоря, Рубиско не просто склеивает кучу CO2 с кучей H2O, превращая их в сахар. Он как бы нанизывает эти молекулы на уже имеющийся углевод, так что цепочка из пяти углеродных атомов превращается в цепочку из шести. Главное в том, что углекислый газ, «воздушный углерод», как бы впитывается в живую материю, «органический углерод». Инертная, безжизненная, неорганическая молекула вступает в волшебный мир сложных углеродных цепей, которые легко превращаются друг в друга во всевозможных комбинациях.

Мы, животные, все делаем наоборот: ломаем своими ферментами материю на куски, извлекаем из ее молекул энергию для своих мышц, печеней и мозгов, а сами молекулы для этого рубим на мелкие составные части. Поскольку все живое в основном состоит из воды и длинных углеродных цепочек, главный продукт нашей жизнедеятельности – это, помимо опять-таки воды, вырванный из всех своих цепочек атом углерода: углекислый газ, CO2, одиночный углерод с двумя присосавшимися кислородами (о том, при чем тут кислород, пойдет речь чуть дальше). Растения, как и первые фотосинтетические организмы древнего мира, обладают обратной способностью. Они поглощают углекислый газ, впрыскивают в него энергию и вклеивают обратно в органическую молекулу. Это ставит фермент Рубиско в центр жизни на Земле: он превращает неживое в живое.

КСТАТИ

Все это, впрочем, не значит, что растения исключительно строят, а животные исключительно рушат. Растения, как и животные, запасают энергию в форме питательных веществ и расщепляют их, когда энергию требуется потратить. Правильнее было бы сказать, что растения (а также древние фотосинтетические одноклеточные, о которых идет речь в этой главе) производят собственную еду, а животные эту еду добывают извне. Для обозначения этих разных стратегий существования есть соответствующие термины: автотроф («самоед») и гетеротроф («инакоед»).

Сломать воду

Но вернемся на несколько ступеней назад, к возбужденному солнцем хлорофиллу, который на радостях оторвал от сердца электрон и теперь сильно об этом жалеет. Энергия того электрона превратилась в полезную энерговалюту – АТФ, но хлорофиллу от этого не легче. Он страдает, и, если его не удовлетворить, начнет рушить все вокруг. Хлорофиллу нужно выдать новый электрон. Тут зарыта эволюционная собака, ради которой я, вообще говоря, и затеял все наше путешествие по растительной клетке. Если читатель недоумевает, зачем в книге про происхождение человека нужно копаться в молекулярной биологии фотосинтеза, то обещаю, что скоро в этой густой чаще забрезжит свет.

Источник электрона, которым компенсируются потери несчастного хлорофилла, может быть разным. Изначально, на ранних этапах эволюции, для этих целей использовался, по-видимому, сероводород13. Такой вариант фотосинтеза существует среди некоторых бактерий и по сей день, но сегодня это экзотика, а 3 млрд лет назад фотосинтез на сероводороде, как предполагается, был единственным существующим.


Хлопок одной ладонью

Сероводород знаком всем по запаху тухлых яиц, минеральных вод и прочих вонючих природных ветров. Это простая молекула из одного атома серы и двух атомов водорода. При ее разламывании образуется в целом довольная жизнью сера, несчастные, но бессильные протоны (обделенные электронами положительно заряженные водороды) и два электрона, которыми можно возместить убытки двум стенающим хлорофиллам. В итоге всё успокаивается: хлорофилл спит, сера никого не трогает, на протоны всем плевать, АТФ произведен.

Сероводород, таким образом, решает проблему злобного хлорофилла. Но сероводород еще надо где-то найти. Где же его искать? Возможно, в геотермальных источниках, разломах земной коры на берегу водоема, а может, даже в уже хорошо нам знакомых гидротермальных источниках глубоко под водой. И ничего, что там царит кромешная тьма, – есть версия, что изначально в качестве источника энергии в фотосинтезе использовался не свет, а инфракрасное излучение из-под земли14, 15. Так или иначе, сероводород – пусть не самое редкое вещество на земле, но и далеко не самое распространенное. Это накладывает огромные ограничения на фотосинтез как явление.

Но не нужно быть химиком, чтобы увидеть в сероводороде (H2S) сходство с другой, гораздо более знаменитой и несопоставимо более распространенной молекулой: водой (H2O). Это точно такая же молекула, только вместо серы в ее состав входит кислород. В ней тоже есть электроны, которые теоретически можно извлечь и выдать хлорофиллу. Преимущество воды перед сероводородом очевидно: ее не надо искать. Вода есть повсюду, как и углекислый газ с солнечным светом. Фотосинтез «на воде» превращается из химии в магию: еду можно производить где угодно, когда угодно и фактически из ничего.

Казалось бы, при таком раскладе в сероводороде смысла нет вообще. Но у воды есть один большой минус: это одна из самых стабильных молекул во Вселенной. Сероводород разваливается от взгляда, сломать же молекулу воды невероятно трудно.

Первые фотосинтезирующие организмы были бактериями и жили около 3 млрд лет назад13, 16. Сегодняшние их потомки называются цианобактериями (синезелеными водорослями). На первых порах этим ранним фотосинтезаторам для фотосинтеза был нужен сероводород или, возможно, какая-то другая расходная молекула, которой неизменно было мало. То, что происходит дальше, на мой взгляд, – это одна из самых великолепных иллюстраций всесилия эволюции. Если существует непреодолимая проблема, у которой есть теоретическое решение, несущее колоссальную выгоду, то рано или поздно проблема будет преодолена.


Хлопок одной ладонью

В данном случае непреодолимая проблема была преодолена при помощи впечатляющей клеточной машины под совсем не впечатляющим названием «фотосистема II» (ее номер никак не связан с биологической ролью). Это до смешного сложный агрегат, состоящий из десятков белков и 99 (и это не шутка!) мелких, но причудливых деталей – кофакторов, включая, например, экзотические кластеры из кальция и марганца17. Это Большой адронный коллайдер молекулярного мира. Одного взгляда на фотосистему II достаточно, чтобы почувствовать те миллионы лет эволюции, которые должны были уйти на создание чего-то настолько сложного. А это, в свою очередь, показывает, насколько принципиальной и фундаментальной должна быть проблема, которую решает такая машина, чтобы оправдать столь феноменальную настойчивость ее изобретателей.


Хлопок одной ладонью

Фотосистема II – это машина для ломки воды18.

В результате ее работы из воды изымается все тот же электрон, которым возмещаются потери хлорофиллу. Теперь клетке не нужно постоянно сидеть возле источника сероводорода. Разламывая молекулу воды, клетка избавляется от последнего ограничения, удерживающего ее в гео– или гидротермальном источнике, да и вообще в любом источнике любого ресурса. Фотосистема II означает, что жить можно где угодно, где есть вода, воздух и свет.

Этот новый, «водный» тип фотосинтеза 2.0 – свобода от всех зависимостей. И поначалу он, конечно, завоевал мир. Он дал клеткам возможность жить где угодно, даже вдали от источников подземной энергии или экзотических химикатов. До этого живая материя уходила проводами в земную кору – теперь у нее появилась солнечная батарея, и провода стали не нужны.

Однако любопытно, что свое название новый революционный способ добычи энергии получил не по свободе, которую он дал своим обладателям, и не по воде – источнику этой свободы, а по побочному продукту, который образуется в результате распада водной молекулы. «Фотосинтез 2.0» называется оксигенным, то есть кислородным. Потому что этот побочный продукт, следствие заветного перехода с сероводорода на воду, как и сам фотосинтез, повернул ход истории жизни на Земле.

Дело в том, что кислород – это яд. Если его никак не контролировать, он стремится уничтожить любую биологическую молекулу.

После изобретения оксигенного фотосинтеза сначала в океане, а потом и в атмосфере начинает медленно, но верно расти содержание кислорода. Пока кислорода мало, он нейтрализуется другими атомами, прежде всего железом, растворенным в океане и отложенным на дне19. Жизнь продолжает множиться и развиваться на фотосинтетических дрожжах миллионы лет. Когда кислорода становится столько, что океан больше не может его поглощать, он начинает отравлять воду и даже просачиваться в атмосферу. В конечном итоге его становится столько, что большинство живых клеток, во всем своем разнообразии расселившихся по мировому океану, не могут продолжать существовать. Выживают только те, кто устойчив к кислороду, – аэробы, то есть «воздушники», к которым относимся и мы.

Этот момент в истории некоторые ученые называют «кислородной катастрофой» или даже «кислородным холокостом», хотя другие сомневаются, был ли вообще «холокост», или же, скорее, постепенное вытеснение «воздушниками» «безвоздушников» – анаэробов, неспособных переносить кислород20, 21. Так или иначе, насыщение океана и атмосферы кислородом принципиально меняет правила существования жизни на планете. Одним из следствий этого изменения правил и станет возникновение нашего домена эукариот.

Красный путь и зеленый путь

Как помнит читатель из первой главы, кислород – это молекулярный Шива, электронно-атомный агрессор, который норовит разорвать большие молекулы на куски с выделением энергии. Так работает горение. Так что «кислородный холокост», если он действительно в каком-то смысле произошел, – даже не метафора, а вполне прямое описание событий, ведь слово «холокост» дословно означает «полное сожжение», то есть ровно то, что кислород делает.

Тот факт, что сегодняшняя атмосфера Земли состоит из кислорода аж на 21 %, – это по космическим стандартам одно из самых неординарных свойств нашей планеты. Кислород просто так не витает над планетами – он всегда находит какой-нибудь другой атом, к которому можно присосаться с отъемом электронов. Чтобы в воздухе был свободный кислород, его нужно постоянно производить в мировых масштабах. То есть с поверхности Земли в ее атмосферу непрерывно бьет фонтан кислорода. С точки зрения человека, заядлого «воздушника», это замечательный фонтан. Но с точки зрения населения планеты 2,5 млрд лет назад, состоявшего из «безвоздушников», это был фонтан токсичных отходов с планетарной энергостанции фотосинтеза.

В бактериально-архейном мире и сейчас есть такие противники кислорода, с чьей точки зрения «кислородный холокост» продолжается до сих пор. Анаэробные микробы прячутся по углам, сидя где-нибудь в песке или в ведре соленых грибов, куда газы извне хуже просачиваются. Но большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.

Красный цвет нашей крови – это цвет гемоглобина, железосодержащего белка, которым забиты красные кровяные клетки. Гемоглобин видно даже сквозь кожу, без него она была бы почти белой. Железо в крови нужно для того, чтобы связывать кислород. Крупные металлы вроде железа обладают особыми свойствами, позволяющими им удерживать другие атомы и молекулы как бы в подвешенном состоянии, – в данном случае в этом силовом поле висит кислород и никого не может укусить, пока его перевозят по организму.

КСТАТИ

Помимо железа, для связывания кислорода хорошо подходит другой металл: медь. Она выполняет функцию железа в крови, или гемолимфе, некоторых беспозвоночных22. Отличается и белок, в который металл встроен, – «медный» вариант называется гемоцианином. Благодаря гемоцианину у моллюсков, например, бывает настоящая голубая кровь. В митохондриях, отвечающих за переработку кислорода, содержатся и медь, и железо.

Хлопок одной ладонью

Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками. Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.

Митохондрия – это то, чем мы, собственно говоря, дышим. Как ни странно, этот процесс очень похож на фотосинтез, а сама митохондрия очень похожа на хлоропласт. Только цвета разные.

Помните, как в фотосинтезе по мембране скакал электрон, выбитый фотоном из возбужденного хлорофилла, а мембранные белки от этого крутились, вертелись и накачивали тилакоиды протонами? Этот процесс можно представить себе как постепенное скатывание мячика по лестнице, с верхней ступеньки к нижней. Выбитый из хлорофилла электрон прыгает с белка на белок, с верхней энергетической ступеньки на нижнюю, и раздает свою энергию – ту, которую в него вложил хлорофилл, изначально получив ее в виде солнечного фотона. Энергия извлекается из электрона именно благодаря процессу его скатывания по лестнице. Сама эта «лестница», состоящая из последовательности мембранных белков и вспомогательных молекул, называется электрон-транспортной цепью.

Так вот, в дыхании работает ровно тот же принцип и очень похожая электрон-транспортная цепь. Это тоже энергетическая лестница, на которой из электрона выжимают энергию. Только в данном случае электроны берутся не из хлорофилла, а из расщепленных питательных веществ. Эти электроны скачут по мембране митохондрии от белка к белку точно так же, как при фотосинтезе электроны скачут по мембране тилакоида. В результате электроны постепенно отдают свою энергию, которая, как и в фотосинтезе, превращается в энергию «накачанного шарика» – только в фотосинтезе накачиваются протонами тилакоиды, а в дыхании – пространство между двумя мембранами митохондрии. В обоих случаях энергия накачанного шарика раскручивает ротор АТФ-синтазы, чеканящей в митохондриях и хлоропластах универсальную энергетическую валюту: АТФ.

В общем, энергетическая лестница, по которой катится электронный мяч, есть в обоих случаях. Вся разница в том, что в фотосинтезе лестница существует потому, что первая ступенька, образно говоря, находится очень высоко: свет, бьющий в хлорофилл, вкладывает энергию в электрон и как бы «подбрасывает» его вверх. В дыхании же лестница существует благодаря тому, что последняя ступенька расположена очень низко. Электроны питательных веществ как бы скатываются в глубокую энергетическую воронку, внизу которой их ждет главный пожиратель электронов – кислород4.

Дыхание – это контролируемое горение. При обычном горении кислород рвет все без разбора и без пощады. В железно– медных объятиях митохондрии он, как лев на цепи, которому выдают мясо по кусочкам. Митохондрия эксплуатирует его деструктивную мощь, чтобы выжать из питательных веществ максимум энергии, разбирая их на электроны и методично сливая их в бездонную глотку кислорода. Тем самым решаются одновременно две проблемы: обезвреживается опасный кислород и добывается куча энергии. Разорванные кислородом цепи углеродных молекул превращаются в воду и углекислый газ, то есть сгорают[8].

В фотосинтезе АТФ производится из солнечной энергии и расходуется на превращение углекислого газа в еду. При дыхании АТФ производится, наоборот, путем превращения еды в углекислый газ, а расходуется на все остальные полезные клеточные процессы. Растения и дышат, и фотосинтезируют, а животные только дышат.

КСТАТИ

Теоретически растения могли бы обходиться одним фотосинтезом. На самом деле энергетические лестницы фотосинтеза и дыхания совсем не взаимоисключающие вещи. Две лестницы – значит, в два раза больше АТФ. Растения не только фотосинтезируют, но и дышат, не только производят питательные вещества, но и их потребляют. В определенных условиях (например, в темноте) растение может потреблять больше кислорода, чем производить.

АТФ – это молекула, которая не хочет существовать. То есть, чтобы сделать АТФ, в него нужно вложить энергию, а если АТФ распадается, то энергия при этом выделяется. В принципе, то же самое можно сказать про любое сложное органическое вещество: в сахар или в белок, например, тоже нужно вложить энергию, а при их распаде она выделяется. АТФ отличается от обычной органической молекулы с двух точек зрения. Во-первых, у него есть одна конкретная химическая связь (между вторым и третьим фосфатом), в которую вкладывается очень много энергии, и, соответственно, много энергии выделяется, если эта связь распадается. Во-вторых, чтобы извлечь энергию из органической молекулы, эту молекулу нужно уметь разламывать. В клетке есть отдельные ферменты, которые разламывают сахара или белки, но такая возможность доступна далеко не всем. АТФ же – это такая универсальная молекула, которую умеют разламывать тысячи разных ферментов. Поэтому все питательные вещества сначала разламываются клеткой до предела с производством АТФ, и только потом их энергия пускается на полезные нужды в таком стандартизированном виде.

В общем, АТФ – это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ. Хотите доставить сигнал с поверхности в ядро? Произвести целлюлозу для клеточной стенки? Пошевелить мышцей? Вставьте АТФ.

КСТАТИ

По своей химической природе АТФ – нуклеотид, причем рибонуклеотид, то есть составная часть РНК (фактически это свободно плавающая буква «А»). Тот факт, что эта универсальная энергетическая валюта имеет родство с предполагаемой «протомолекулой», – очередной аргумент в копилку сторонников гипотезы РНК-мира.

Хлоропласты и митохондрии добывают АТФ двумя разными способами, которые я для себя называю «мощный подъем» и «мощный отъем». Первый основан на хлорофилле, который усваивает солнечную энергию, создавая мощный энергетический подъем. Второй основан на кислороде, чья мощь – в отъеме у питательных веществ всего их энергетического сока. Если хотите, это зеленый путь и красный путь. Покорение света и покорение огня.

Я рассказал про фотосинтез и про дыхание на примере хлоропластов и митохондрий, органелл в клетках растений и людей. У них много общего как внешне, так и функционально: и хлоропласт, и митохондрия имеют две мембраны, производят АТФ на протонной турбине и обзываются во всех учебниках мира «клеточными электростанциями». Можно, правда, смотреть на них и как на противоположности: хлоропласт созидает (наработанный АТФ идет на производство питательных веществ из углекислого газа, и при этом выделяется кислород), а митохондрия разрушает (АТФ нарабатывается разрушением питательных веществ с выработкой углекислого газа, и кислород при этом тратится).

Но самая главная и глубокая параллель митохондрий и хлоропластов даже не в том, чем они занимаются, а в том, что миллиарды лет назад, до «кислородного холокоста», они были не органеллами, а отдельно живущими существами. Бактериями, если точнее. Хлоропласты произошли от цианобактерий, а митохондрии – от альфа-протеобактерий. У них до сих пор есть собственные геномы и собственные хромосомы, замкнутые в кольцо, как у других бактерий. Они до сих пор делятся независимо от клетки-хозяина и распределяются между ее потомством[9]. Вдумайтесь: внутри каждой вашей клетки живут древние организмы с собственными геномами, которые за вас дышат23, 24.

Это явление – эндосимбиоз – одна из ключевых вех в человеческой истории. Мы, наконец, вплотную подошли к появлению величественных сооружений, которые представляют собой клетки нашего собственного домена. Но сначала мы отправимся в Асгард, скандинавскую обитель богов.

Замок Локи

С появлением генетического секвенирования в 1970-е гг. биологи бросились секвенировать все живое, что могли найти. Сегодня они секвенируют даже то, что найти не могут. Современные методы позволяют взять пробу земли и вытащить из нее гигабайты генетических последовательностей, а потом сидеть и разбираться, что же вы такое отсеквенировали и кому оно могло принадлежать, – все это называется метагеномика. В итоге получается интересная картина. Есть миллионы видов, о которых мы знаем, но которые никто никогда не видел. Своеобразная генетическая темная материя.

В 2010 г. такую пробу вытащили из гидротермального источника под названием «Замок Локи» между Гренландией и Норвегией25. В ней содержались гены, рассортированные учеными по тысячам видов, в которых целые команды специалистов рылись несколько лет. В 2015 г. шведские биоинформатики из группы Тайса Эттемы обнаружили в бесконечных полотнах четырехбуквенного кода то, что можно сравнить разве что с археоптериксом26.

Эта ископаемая полуптица-полуящер – легендарный символ эволюции, впервые найденная через два года после публикации «Происхождения видов» и воспринятая многими сторонниками Дарвина как окончательная победа его теории. Археоптерикс представляет собой классическую «переходную форму» между двумя современными ветвями эволюции. Так и археи, найденные в генных базах данных из «Замка Локи», представляют собой переходную форму между остальными археями и нами, эукариотами.

Уппсальские ученые назвали этих архей Lokiarchaeota, локиархеи, в честь Замка Локи. Их работа с фанфарами вышла в престижном журнале Nature. Буквально в течение нескольких месяцев американские ученые во главе с Бреттом Бейкером обнародовали открытие еще одной похожей группы, которую они ради смеха назвали Thorarchaeota, торархеи, в честь еще одного скандинавского бога и героя соответствующей киноэпопеи27. Обратной дороги уже не было. С тех пор нашлись еще одинархеи, хеймдалльархеи, и, как вы поняли, останавливать эту вечеринку никто не собирается. Все это царство вместе теперь официально называется Асгард – по мифическому миру, где все эти боги друг с другом тусовались28. К нему относятся и все эукариоты, так что мы с вами тоже можем считать себя асгардцами.


Хлопок одной ладонью

Чем же так отличились локиархеи и их родственники, что их признали генетическим археоптериксом нашего микроскопического прошлого? В них нашлись зачатки генов одного из принципиальных изобретений эукариот – двигающейся мембраны.

О хищниках и жертвах

Это может показаться странным, но бактерия не может съесть другую бактерию. Ей так не изогнуть мембрану.

Чтобы бактерии поесть, она должна всосать питательное вещество в молекулярной форме. Поэтому, если только она не плавает в сахарном растворе, сначала ей нужно что-то растворить, а потом это растворенное вещество впитать сквозь мембранные поры в специальных белках. Этим отчасти объясняется коллективная природа бактерий. Одна бактерия много не переварит, но если их собралось много, то они могут расквасить что угодно. Поэтому бактерии могут друг друга вытеснять, отравлять, блокировать, но не проглатывать целиком.

Наши же клетки владеют искусством глотания в совершенстве. Этот процесс называется фагоцитозом. Например, на бактерию, ненароком попавшую вам в организм, нападает макрофаг, огромная человеческая клетка, которая обволакивает эту бактерию своей мембраной. Та отпочковывается у макрофага изнутри, образуя пузырь, или везикулу, внутри которой – пойманная бактерия. Далее везикула сливается с плавающей по макрофагу лизосомой, специальной органеллой для переваривания, и бактериальная клетка растворяется заживо. Макрофаг впитывает питательные вещества и идет искать других нарушителей.

С молекулярной точки зрения этот сложнейший процесс требует, во-первых, отсутствия плотной клеточной стенки, во-вторых, подвижного каркаса мембраны – цитоскелета и, в-третьих, регулируемого аппарата почкования и слияния мембран. В генах локиархей как раз и нашлись зачатки белков, потенциально позволяющих управлять мембраной по-эукариотически26, 28.

На самом деле пожирание клеток – только одно из применений более широкого явления под общим названием мембранный или везикулярный транспорт. В общем случае это способность мембран гнуться, сливаться и почковаться, создавая разнообразные везикулы, вакуоли, цистерны и отростки. Есть эндоцитоз (то же самое явление, что фагоцитоз, но необязательно заканчивающееся растворением) – это когда клетка поглощает внешний объект, обволакивая его везикулой. Везикула отпочковывается от наружной мембраны и движется внутрь. Есть экзоцитоз – это когда, наоборот, к мембране изнутри подходит везикула, сливается с ней и выпускает наружу свое содержимое. Так работает, например, выброс нейромедиаторов – сигнальных молекул, передающих сообщения от одной нервной клетки к другой.

Помимо роли в собственно транспортировке молекул наружу и внутрь клетки, везикулярный транспорт считается причиной существования органелл. Бактерия – это клетка-пузырь, а эукариот – пузырчатая клетка. У бактерий внутри клеточной мембраны никаких других мембран нет. У эукариот куда ни плюнь – везде мембраны. Мини-клетки, каждая с собственными внутренними свойствами и функциями. Стопки плоских цистерн, сети разветвленных трубок, пузырьки-везикулы, ядро с двумя мембранами и, конечно, митохондрии, а иногда и хлоропласты.

Прометей – это Локи

Совсем недавно группа японских ученых опубликовала результаты 12-летнего эксперимента по культивации глубоководных архей. Результатом этой работы, выполненной с поистине японской самоотверженностью, стала первая в истории изоляция настоящей, живой локиархеи29.

Биологический материал для культивации был взят из метановых сипов – глубоководных источников этого газа на морском дне. Метан (СH4), как и углекислый газ (CO2), состоит из одиночных атомов углерода, только вместо двух атомов кислорода они связаны с четырьмя атомами водорода. Метан – конечный продукт разложения органического вещества в отсутствие кислорода. Всевозможный морской компост оседает на дне и постепенно накапливается там плотной подушкой ила, куда кислород плохо проникает. В глубине подушки сидят микроорганизмы, неспособные переносить кислород, – анаэробы, «безвоздушники» – и доедают эти падающие на них объедки биосферы, выделяя при этом метан. Тот поднимается к поверхности и проникает в воду и атмосферу через метановые сипы.

Метановые сипы остаются одним из редких уголков планеты, где жизнь протекает в бескислородных условиях, и поэтому ученые надеялись выделить из них кого-нибудь из наших ближайших архейных родственников, то есть из представителей Асгарда. Поскольку эукариоты уникальны среди асгардцев наличием кислородпотребляющих митохондрий, искать всех остальных архей этой группы нужно там, где кислорода нет.

Пробу, взятую в сипах, поместили в биореактор, воссоздающий внутреннюю среду этих источников. Типичные лабораторные микроорганизмы в растворе питательной среды быстро преумножаются, за одну ночь тысячекратно увеличиваясь в количестве. В этом же случае исследователям пришлось ждать 2000 суток – пять с половиной лет. На оптимизацию и очистку культур ушло еще несколько лет, но в результате ученые своего добились: у них в руках наконец оказалась пробирка с представителями до сих пор исключительно «виртуальной» группы локиархей.

До сих пор археи Асгарда изучались метагеномикой: слепым анализом фрагментов ДНК, найденных на морском дне. Самих этих архей никто никогда не видел. И вот перед нами живые асгардцы, да не какие-нибудь, а едва ли не самые близкие родственники эукариот, о которых на сегодняшний день известно. Это бесценный источник сведений о происхождении нашего домена. Да и вообще, воочию увидеть такое «живое ископаемое» – это как встретить живого неандертальца.

Японские ученые назвали выделенный таким образом организм Prometheoarcheum – архея-Прометей. То есть, видимо, связующее звено между богами-археями и людьми-эукариотами, а может, между скандинавской мифологией и древнегреческой. Все это создает совершенно нелепую путаницу, потому что получается, что Прометей – это один из видов Локи.


Хлопок одной ладонью

Первое, что можно сказать о Прометее: существо это до неприличия хилое. Вместо грозного хищника, вращающего мембранами, он оказался мелким, малоактивным одноклеточным, у которого уходит от 14 до 25 дней на одно-единственное деление. Как и предполагалось, дышать Прометей не умеет. Что он умеет, так это перерабатывать аминокислоты, для чего у него есть большой арсенал подходящих ферментов. То есть, видимо, Прометей питается теми самыми объедками биосферы, которые падают с поверхности океана. Но самое интересное в том, что даже это он не может делать в одиночку. Его успешная культивация требует симбионтов, осуществляющих завершающие стадии превращения аминокислот в метан. То есть без метаболических товарищей Прометей совершенно беспомощен. В пробирках японских ученых он сожительствовал с другой археей, Methanogenium, но авторы работы предполагают, что подобную роль «товарища» могли на заре времен играть и бактерии – предки будущих митохондрий.

Еще одно интригующее свойство археи-Прометея – это его уникальная форма. Он представляет собой шарообразную клетку с несколькими ветвящимися мембранными отростками. На основании этой формы и метаболической беспомощности Прометея, авторы предлагают альтернативу «хищной» модели эндосимбиоза. Им видится не большая клетка, заглатывающая маленькую и внезапно осознающая выгоду сотрудничества, а уже существующий симбиоз, который постепенно превращается из коллектива клеток в коллективную клетку, обретающую тем самым новые возможности и способности. Если верить японским специалистам, то пожирание клетки клеткой – это не причина, а результат эндосимбиоза археи с митохондрией. Такое мнение, кстати, уже высказывалось другими специалистами, которые считают, что без митохондрий фагоцитоз бессмыслен: добычу просто не переварить30.


Хлопок одной ладонью

Эта обновленная Прометеем модель эукариогенеза может объяснить среди прочего происхождение эукариотического ядра – двумембранной оболочки, окружающей в каждой нашей клетке генетический материал. Среди разных взглядов на этот вопрос традиционно популярнее всего была так называемая версия «снаружи-внутрь»: существовала архея, у которой в середине плавала ДНК, а затем мембрана этой клетки вогнулась внутрь глубокими складками, которые распластались сферой вокруг генов и окружили их двойной мембраной. Но сегодня набирает популярность и противоположная версия «изнутри-наружу»: сначала была клетка-ядро, а цитоплазма снаружи произошла из ее отростков31. Наличие ветвящихся отростков у Прометея делает эту версию более правдоподобной.

В союзе с огнем

С открытием архей Асгарда логика эукариогенеза стала проясняться. Почти наверняка известно, что эукариоты происходят из союза археи с бактерией под давлением кислорода. Ответственность за это в конечном итоге лежит на фотосинтезе, накачавшем планету токсичным газом и заставившем «безвоздушников» прятаться. Некоторые бактерии придумали способ обезвредить кислород, приспособив его в качестве нижней ступеньки электрон-транспортной цепи. Возникшее таким образом дыхание позволило этим организмам не только решить проблему кислородной токсичности, расширив для себя обитаемое пространство, но и использовать силу кислорода для многократного повышения эффективности питательных веществ. Эти предприимчивые бактерии, предки митохондрий, дерзко схватившие за горло опасного кислородного льва, – одни из наших предков.

В то же время среди архей была группа, которая дышать не умела, но обладала подвижной, гнущейся мембраной. Возможно, это были первые хищники в природе, уже умеющие глотать чужие клетки целиком. Возможно, это были не устрашающие пожиратели, а хиляки наподобие Прометея, которые своими ветвящимися щупальцами опутывали метаболических партнеров. Что бы ни представляли из себя эти существа, это тоже наши предки.

На каком-то этапе оба этих предка поняли, что им хорошо вместе. Бактерия защищена от других хищников, которые могут ее съесть и не пожалеть, а архея – та вообще в шоколаде, потому что мало того, что ей теперь не страшен кислород, у нее вдруг стало в десять раз больше энергии, которую ей в форме АТФ штампует кислородная бактерия. И вот эта бактерия становится полунезависимой органеллой с постоянным местом жительства в архейной цитоплазме.

Этот момент слияния двух доменов можно считать рождением третьего, эукариотического. (Впрочем, «момент» запросто мог быть растянут на миллионы лет.) Мы появились в результате противостояния кислороду, которое в итоге сделало нас многократно сильнее.

Рождение личности

Возникновение эукариот знаменует союз двух способов эксплуатации среды, будто созданных друг для друга: хищничества и дыхания. Первый позволяет превращать целые чужие организмы в питательные вещества. Второй извлекает из питательных веществ максимум энергии. Поэтому эукариот с митохондрией – это не просто корабль, на котором гены плывут сквозь время, а настоящая «Звезда смерти», принципиально новое слово в живой природе30.

Но важнее, на мой взгляд, не боевая мощь дышащего эукариота. Важнее его организменность.

С возникновением эукариот происходит перелом «бактериального мышления». В примере с устойчивостью к антибиотикам я говорил, что бактерии – существа «множественного числа», оперирующие не как отдельные организмы, а как целые популяции, штаммы. Эукариоты впервые начинают оперировать не только как штаммы, но и как личности.

Условно говоря, в какой-то момент прошлого существовала архея с дышащей бактерией внутри, и была генетически точно такая же архея, но без бактерии. Первая архея победила не потому, что у нее были лучше гены, а потому, что ее индивидуальная жизнь как организма оказалась более продуктивной – ей удалось обзавестись митохондрией. Для среднего прокариота значение имеет только набор генов в пределах клетки. С возникновением эндосимбиоза, при котором одни клетки живут в других клетках, становится важна не только генетическая информация, а личная история организма. Я считаю, что отсчет эукариотической «организменности», нашей эволюционной ставки на совершенство в пределах поколения, нужно вести именно с этой точки.

«Звезда смерти» эукариотической клетки – это такое большое вложение капитала, что его уже не выкинешь при первом погодном капризе. Она заинтересована в долгосрочном выживании. Это бактерии могут позволить себе терять 99 % населения и за пару часов возвращаться к исходным числам. Эукариотический организм – масштабный продукт масштабной операции по добыче энергии. На его производство требуется время и большое количество питательных веществ. Поэтому сам факт существования эукариот, этих ядерных ракетоносителей, направляет их эволюцию в сторону дальнейшего усложнения: как бы продлить дорогим организмам жизнь, как бы их размножить не один раз, а хотя бы несколько, как бы научить их получше приспосабливаться к окружающей среде без необходимости уничтожать неудачные варианты. Ну и, конечно, как бы их вооружить для поедания кого-нибудь другого, чем крупнее – тем лучше. В итоге появляется половое размножение, увеличивающее изменчивость в расчете на поколение, многоклеточность, позволяющая создавать новые организмы без исчезновения старых, и мозг, позволяющий адаптироваться к среде не за миллион лет, а за секунду. А также зубы, когти, жала и желудки.

Мы, эукариоты, с самого начала сделали ставку на сложность и до сих пор пожинаем плоды этого решения. Вступив в союз с митохондрией, наши предки, археи Асгарда, подсели на кислородную иглу. Чем больше энергии они жгли, тем они были крупнее, сложнее и совершеннее. И тем больше от них требовалось, чтобы поддерживать свою крупность, сложность и совершенство. Вдохнув кислорода и не умерев, они вскочили на эволюционный поезд, с которого им было уже не слезть.

Если человек перестает дышать, в течение нескольких минут нейронам его головного мозга становится остро не хватать запасов энергии. Этот мозг – энергетическая кульминация жизни на земле. Наше огромное теплокровное тело и так топит питательно-дыхательную печку на пределах биохимических возможностей, но мозг потребляет в десять раз больше энергии в расчете на вес, чем организм в среднем. Почти вся эта энергия уходит на поддержание заряда на мембранах сотни миллиардов нейронов32, 33. Если поставки энергии сокращаются (именно сокращаются, а не прекращаются – без кислорода питательные вещества вполне можно расщеплять, просто не так эффективно), то буквально за минуты заряд на мембранах начинает падать, что в конечном итоге вызывает неконтролируемый выброс нейромедиаторов, судороги и смерть. У человека нет зависимости сильнее, чем от этого газа, в свое время едва не уничтожившего жизнь на Земле: несколько минут без кислорода – и нам вышибает пробки. Ну не ирония ли это судьбы?

4. Чего ни сделаешь ради любви

Не житье мне здесь без милой:

С кем теперь идти к венцу?

Знать, судил мне рок с могилой

Обручиться молодцу.

Лучина. Романс

Драконьи лорды Таргариены в «Игре престолов» с древних времен женили братьев на сестрах с тем, чтобы поддерживать «чистоту своей крови». Этим для оправдания своих интимных отношений регулярно пользуются близнецы Джейме и Серсея Ланнистеры, но их, конечно, мало кто слушает. Разница между ними в том, что Таргариены практиковали инцест ради своего рода, а Ланнистеры – ради себя.

Для кого мы делаем то, что мы делаем? Что заставляет нас жить, двигаться, совершать поступки?

Бактерия, например, движима своими генами, то есть историей своих предков, как Таргариены. Эти гены, несущие в себе память о всех перипетиях своей эволюционной траектории, создают бактерию, как средство своего выживания, поэтому она не может не следовать их интересам. В интересах генов – чтобы бактерия двигалась и размножалась. Бактерия – это копия своих предков, поэтому с редкими, случайными исключениями она поступает во всем точно так же, как они[10]. Бактерия живет ради своего рода по определению.

Как и бактерии, мы во многом подражаем своим предкам. И все-таки каждый человек уникален и отличается от родителей по всем статьям, от отпечатков пальцев до свойств характера. Если бактерии наследуют все параметры родительского организма, то люди наследуют скорее общие принципы его устройства. А это дает нам больше свободы двигаться, мыслить и спрашивать: «А для кого это все?» Человек слишком свободолюбив, чтобы всецело плясать под генетическую дудку.

У бактерий нет других мотиваций, кроме генетических. Для бактерии нет смысла в вопросе, делает ли она что-то для себя или для своего рода – это для нее одно и то же. Но человек может идти против генов, против прошлого, против воли собственной семьи.

Откуда в нас это свободолюбие?

Ошибки Ланнистеров

Чтобы понять, в чем проблема близкородственных браков, нужно знать одну ключевую деталь нашего устройства. Мы состоим из диплоидных клеток. Это означает, что в каждой клетке нашего организма по две штуки каждой из хромосом, а значит, по две штуки каждого гена. Но эти две штуки – не просто копии. Парные, или гомологичные, хромосомы – два независимых архива, заполненных разными версиями, или аллелями, одних и тех же генов. Один из архивов достается нам от отца, другой – от матери.


Хлопок одной ладонью

Каждый человек носит у себя в геноме массу ошибок, или мутаций. Но, поскольку генов очень много, каждая конкретная ошибка очень маловероятна. Если у вас два варианта каждого из генов, то почти наверняка на каждую мутацию найдется запасная версия без ошибки, и никаких проблем не будет. Но если родители – близкие родственники, то их гены изначально похожи, поэтому с большой вероятностью мутации у них в одних и тех же местах. Вероятность, что ребенок останется без резервной версии нужного гена, резко повышается.

Этим и опасен инцест: он как бы обнажает мутации, замаскированные диплоидностью. Из-за этого в близкородственных браках гораздо чаще рождаются больные дети1–3.


Хлопок одной ладонью

В чем тогда состоит смысл «очистки крови», практикуемой Таргариенами в «Игре престолов», а также селекционерами собак или любых других породистых животных? Опять-таки вопрос в том, для кого мы делаем то, что мы делаем. Инцест – это плохо с точки зрения людей, рожденных с уродствами и страшными болезнями, но хорошо с точки зрения их рода – дома Таргариенов или, например, породы фокстерьеров. Уроды и больные не оставляют потомство, а значит, прекращают движение своих аллелей в будущее, тем самым отсеивая их из «крови», то есть пула генов. Инцест как бы концентрирует загрязнения, растворенные в стакане генетической воды, отчего они выпадают в осадок, а вода становится чище4.

Почему Таргариенам можно, а Ланнистерам нельзя? Потому что Ланнистеры думают о себе и своих детях, а Таргариены – о целом роде. Инцест может быть хорошей идеей, только если на нем основана вся твоя родословная и интересует тебя ее дальнейший успех в далеком будущем. В краткосрочном же интервале, и с точки зрения отдельно взятых детей от близкородственного брака, в нем нет ничего хорошего.

Последствия близкородственных браков, точнее их отсутствие в других браках, иллюстрируют очередное принципиальное отличие нашего организма от бактерии. Благодаря этому отличию мы не копии своих родителей, а уникальные, невоспроизводимые личности.

Мы не просто наследуем свои гены от предков. Мы наследуем по половине генов из двух независимых источников. По сравнению с бактериями мы – организмы-химеры, несущие в себе не просто волю предыдущих поколений, а нашу собственную, уникальную, случайно выпавшую нам из родительского генома комбинацию мотиваций. У этого случайного смешивания генов есть название: половое размножение.

КСТАТИ

В испаноязычных культурах подобным образом наследуются фамилии. Они тоже состоят из двух частей: например, у человека по имени Пабло может быть фамилия Гарсия-Санчес. Эта фамилия состоит из отцовской половины и материнской половины, причем и у отца, и у матери тоже двойные фамилии (в нашем примере их могут звать, скажем, Диего Гарсия-Мендес и Мария Санчес-Кампос), половина из которых при наследовании теряется. Традиционно отцовская половина шла первой, но сегодня есть варианты и с порядком половин, и с выбором половины для дальнейшего наследования, что еще больше приближает процесс к передаче хромосом.

Я помню чудное мгновенье

В какой-то момент два наших одноклеточных предка слились в одного. Это стало возможным благодаря все тому же новомодному мембранному аппарату, который незадолго до этого позволил археям из Асгарда стать эукариотами: проглотить митохондрию, окружить ДНК ядром и заполнить себе клетку пузырями-органеллами. Большинство архей и бактерий покрыты броней клеточной стенки. Предки же эукариот сбросили эту броню и вместо этого отрастили цитоскелет – подвижные клеточные кости, на которые, как на растяжку, натянута мягкая мембрана. Цитоскелет позволяет контролировать ее изгиб, движение и почкование. А такая подвижность мембран позволила двум эукариотам слиться, смешав содержимое своих клеток в одну клетку-химеру.


Хлопок одной ладонью

КСТАТИ

Большинство потомков этих первых «мягких» эукариот все-таки вернулись к идее клеточной стенки, окружив свои клетки новыми типами брони: из целлюлозы, как у растений, из хитина, как у грибов, или даже из кремнезема, как у диатомей, благодаря чему эти одноклеточные существа выглядят сделанными из стекла. «Мягкоклеточность», подобная той, что была у древних эукариот, – одна из наших важнейших отличительных черт как представителей царства животных, так что к теме клеточной стенки мы еще вернемся.

В живой природе почти всё начинается со случайности, но почти все случайности ничем не заканчиваются. Можно предположить, что так было и тут. Наверняка слияния двух или даже нескольких клеток случались и раньше. И наверняка в большинстве случаев на этом сексуальные приключения участвующих клеток заканчивались: поплавает-поплавает клетка-химера – и сгинет. Но однажды в химере что-то щелкнуло, и она стала делиться – сама, целиком. С двумя наборами генов, которые раньше воспроизводились независимо друг от друга. В этот момент случайно слившиеся клетки превратились в нечто новое – диплоид. Два ее набора хромосом стали наследоваться как один[11]5.

Но диплоидность – это еще не половое размножение, а только его предпосылка. Слияние двух «одинарных» клеток в одну «двойную» называется оплодотворением. Помимо оплодотворения, для полового размножения нужен еще обратный процесс: превращение «двойной» клетки в «одинарную». Этот процесс, оплодотворение наоборот, называется мейозом, а «одинарные» клетки – гаплоидными8–10.

Понять, зачем нужен мейоз и вообще половое размножение, проще всего на примере тех, у кого его нет – и это, как обычно, бактерии.

Вообразим себе на секунду бактериальный секс. Пускай две бактерии в порыве нежности сбросили свои клеточные стенки и слились, объединив свои хромосомы. Поскольку у каждой из бактерий всего одна хромосома, у нас получилась диплоидная бактерия с двумя хромосомами. Если она решит провернуть мейоз и разобьет эту пару хромосом на две отдельные клетки, то в результате получатся ровно те же две бактерии, с которых все началось. Совершенно непонятно, зачем им может понадобиться такой бессмысленный цикл.

КСТАТИ

На самом деле нечто подобное сексу у бактерий все-таки существует и называется конъюгацией. Но полноценного слияния клеток и геномов при этом не происходит. Вместо этого между двумя бактериями устанавливается мостик, по которому передается небольшое генетическое послание – плазмида. Это скорее напоминает обмен новостями, чем оплодотворение. В долгосрочной перспективе конъюгация усиливает сходства между организмами, а секс – различия.

Но если у каждой из клеток-партнеров хромосом не одна, а хотя бы две, то в слиянии с последующим мейозом появляется смысл. И действительно, разделение генома на многочисленные хромосомы – одно из ключевых отличий эукариот от бактерий.


Хлопок одной ладонью

Чем больше хромосом, тем больше новых комбинаций, которые можно из них составить. При оплодотворении все хромосомы смешиваются, а при мейозе каждая пара хромосом случайно распределяется между дочерними клетками. Если хромосом две, то возможны уже не только два исходных варианта, а еще два других, смешанных, итого 4. Если хромосом 3, то вариантов 8. А 23 пары хромосом, как у нас, позволяют скомбинировать их 8,3 млн возможных способов. В такой рекомбинации, или попросту перемешивании, и состоит смысл полового размножения, то есть чередования слияний и мейозов.

Половое размножение – это с исторической точки зрения вообще не размножение. Это способ перемешать свои гены с чужими и создать в результате новые, потенциально успешные комбинации, причем чем больше разных комбинаций, тем лучше.

Все в механике полового размножения устроено так, чтобы обеспечить максимум перемешивания. Есть перемешивание хромосом: их случайная сортировка в дочерние клетки. Есть так называемый кроссинговер. На одной из стадий мейоза гомологичные хромосомы сплетаются и обмениваются участками, то есть получается не просто перемешивание хромосом, а перемешивание аллелей в хромосомах. Но главный источник разнообразия – это сам факт свободы половых сношений. Перемешивание организмов. Половое размножение означает, что организмы могут решать, с кем они хотят скомбинировать свои гены. Половое размножение дает нам выбор.

В паху у тополя

Что вообще такое пол? Когда я прошу студентов определить, чем отличается мужской пол от женского, то ответы обычно делятся на две категории: знатоки вспоминают про X– и Y-хромосомы, ну а кто попроще, конечно, концентрируются на паховой области. Правильный вариант ответа – на третьем месте с большим отставанием.

Ответ насчет паховой области – слишком человеческий. У растений, например, вообще ничего такого нет, а мужские и женские особи и органы тем не менее различаются. То же самое относится к вынашиванию плода, уходу за потомством, гормональным различиям и любым другим первичным или вторичным половым признакам. Если мужчины и женщины есть у тополей или, например, у дрожжей, то о каком уходе за потомством может идти речь? Деление на два пола – это нечто более широкое и относится не только к человеку, а ко всей природе.


Хлопок одной ладонью

Что не так с X– и Y-хромосомами? Тут стоит разобраться поподробнее. X и Y – это просто названия. Так называются гомологичные хромосомы особой, половой пары, которая определяет пол у человека. Большинство пар гомологичных хромосом, хоть и представляют собой независимые архивы генов, в целом похожи друг на друга размерами и строением. Но в половой паре все иначе. В этой паре бывают два разных типа хромосом. Одна хромосома нормальная, средних размеров, со здоровым количеством генов. Этот тип половой хромосомы называется «X». Вторая – жалкий обрубок, на которой почти ничего не записано. Единственная роль этого обрубка – создавать мужчин. Он называется «Y».

В диплоидной клетке, то есть в обычной клетке человеческого организма, половых хромосом, как и других хромосом, две штуки. У женщин обе из них типа «X» (можно сказать генотип XX), а у мужчин одна типа «X», а другая типа «Y» (генотип XY). В яичниках или семенниках клетки с соответствующими генотипами проходят мейоз (редукционное деление), при котором половые хромосомы распределяются между двумя половыми клетками, или гаметами. Слово «гамета» происходит от древнегреческого γάμος – «брак», но в глубине души я всегда ассоциировал его с «гаплоидной ракетой». Это, конечно, с моей стороны очень антропоцентрично, а то и, прости господи, андроцентрично.

Итак, каждая гамета получает по одной половой хромосоме из двух. Соответственно у мужчин образуются два типа сперматозоидов: в половине из них X, в половине Y. Женщины же производят яйцеклетки, в которых может быть только X. При оплодотворении яйцеклетка сливается с одним из двух типов сперматозоидов. В зависимости от того, какую половую хромосому тот несет – полноценную X или обрубок Y, – из полученной зиготы вырастет либо женщина, либо мужчина соответственно.

Здесь становится понятна основная ошибка студентов, которые считают, что мужчины – это XY, а женщины – XX. И дело даже не в том, что это просто выдуманные названия. Главное, что генотипы определяют пол, а не являются им. У человека тот, у кого разные половые хромосомы, становится мужчиной, а тот, у кого одинаковые, в норме становится женщиной.

У других видов пол может определяться иначе. У птиц или, например, змей, все наоборот: одинаковые хромосомы у самцов, разные у самок (чтобы избежать путаницы, они обозначаются другими буквами: Z и W). У черепах и крокодилов пол может определяться температурой (бывает так, что в прохладных гнездах вылупляются одни самцы, а в гнездах потеплее – одни самки)11.

КСТАТИ

Любопытная история с мухами. С виду у них то же самое, что и у нас: мужчины XY, женщины XX. Но на самом деле пол у них определяется совсем по-другому.

Иногда при мейозе происходят ошибки, и появляются половые клетки с лишней половой хромосомой или вообще без нее, поэтому изредка диплоидному зародышу вместо положенных двух половых хромосом может достаться три или одна. Так вот, в случае с мухами и людьми принципиален случай моносомии по X-хромосоме, то есть патологической ситуации, при которой вместо XX или XY у зародыша всего одна X-хромосома, что обозначается как XO. У человека такие зародыши развиваются в женщин (хоть и с серьезными патологиями, так называемым синдромом Тёрнера), но вот у мух особи с генотипом XO – это самцы.

Почему это важно? Потому что XO – это генотип яйцеклетки, к которой ничего не добавили. Непорочный половой набор. То, что из него развивается, – это как бы пол по умолчанию. У человека он женский, а переход на мужской план развития вызывается присутствием Y-хромосомы. У мух же пол по умолчанию мужской, а вторая X-хромосома вызывает превращение в самку12.

Короче говоря, пол может определяться по-всякому, а значит, под словом «пол» подразумевается нечто более абстрактное, чем набор половых хромосом.

Что может быть более широким и абстрактным, чем любые половые признаки и даже генотипы? Сперматозоид и яйцеклетка. А если быть еще точнее, то просто-напросто размер гамет. Слово «сперматозоид» обозначает особый тип маленькой гаметы, характерный для животных, – подвижной, с активно бьющимся хвостом. У растений или одноклеточных бывают мужские гаметы поспокойнее, безо всяких хвостов, гаплоидные, но явно не ракеты. Объединяет их тот факт, что все они меньше по размеру, чем женские. В этом на самом деле и заключается единственное определяющее отличие мужского пола от женского. Мужчина – это пол с маленькой гаметой, а женский – с большой. Это может показаться тривиальным отличием, но на нем зиждется весь инь-ян межполовых отношений.

Бывает ли половое размножение без полов? Как ни странно, бывает. В этом случае половые клетки внешне неотличимы. Такая ситуация называется изогамией, и она до сих пор распространена среди многих одноклеточных. По всей вероятности, изогамия представляет собой изначальную форму полового размножения13.


Хлопок одной ладонью

Но куда более популярен среди современных эукариот видоизмененный вариант полового размножения, при котором одна гамета крупная, а другая мелкая: анизогамия. В большинстве случаев это масштабные различия: на одну гигантскую, неподвижную яйцеклетку могут приходиться миллионы мельчайших резвых сперматозоидов.

Чем так привлекательна анизогамия? Тем же, чем и любое разделение труда: сходи в магазин, а я пока помою посуду. При изогамии каждой гамете приходится искать себе партнера. Все необходимое для дальнейшего развития каждая гамета должна носить с собой. Это тягостно и затратно: большинство гамет партнера не найдут и так и останутся жить со своим багажом. При анизогамии одна из гамет может сконцентрироваться на ресурсах, а вторая – на поиске. Это гораздо эффективнее: можно наштамповать огромное количество дешевых мелких гамет, фактически генетических капсул с хвостом, и распустить их на все четыре стороны на поиск небольшого количества гамет неподвижных, но крупных, дорогих, хорошо укомплектованных. Такие гаметы называются яйцеклетками или просто яйцами. Кстати, вот она, разгадка загадки про курицу и яйцо. До появления птиц нам еще далеко, а яйца – вот они.

Мужской и женский пол появляются в тот момент, когда одна гамета становится крупнее другой. Но однажды возникнув, эта асимметрия полов нарастает как снежный ком.

Один пол стремится к дорогим гаметам, другой – к дешевым. Для одного пола важна каждая гамета и выгодно обеспечить каждой тепличные условия, а для другого важны не отдельные гаметы, а их количество и способность находить как можно больше яиц. Таким образом, один пол ориентирован на потомство, а второй – на поиск первого. Кроме того, поскольку мелких гамет гораздо больше, чем крупных, их производители обычно острее конкурируют между собой.

Пояснение, что отношения человеческих полов не сводятся к сперматозоидам и яйцеклеткам, надеюсь, излишне. Разумеется, за последующие миллиарды лет на одноклеточную логику полового размножения наслоились целые пласты генетики и культуры, усложнив и запутав все до неузнаваемости. И все-таки столь же очевидно и то, что истоки всего мужского и женского, что есть в живой природе, нужно искать здесь, в слиянии двух гаплоидных одноклеточных разных размеров.

Но, помимо асимметрии половых ролей, у возникновения яйца есть еще одно следствие. Стартовый капитал, который яйцо предоставляет зародышу, это не просто питательные вещества. Это время. Ресурсы, накопленные в яйце, дают полученному из него организму возможность развиваться, то есть проводить часть времени своего существования, не занимаясь поиском еды или размножением, а созревая до более совершенного состояния. Яйцо подарило диплоидной клетке детство – и тем самым проложило путь для принципиально нового этапа жизни на Земле.

Коммунистическая монархия

С высоты человеческого роста все муравьи кажутся более или менее одинаковыми. Они, конечно, различаются по цвету и размеру, но не более, чем, скажем, легковые автомобили. На самом деле различия между видами муравьев иногда не меньше, чем между котом и носорогом. Одни муравьи выращивают под землей грибы и пасут скот (тлю). Другие склеивают дома из листьев, цепляясь друг за друга и выдавливая липкое вещество из собственных личинок. Третьи – машины– убийцы, постоянно воюющие кланами внутри собственного вида и уничтожающие на своем пути целые леса. Про муравьев надо писать отдельную книгу, да еще и не одну.

Что объединяет всех этих разнообразных чудищ, так это их коллективность. Муравей не приходит один. Если вы увидели у себя на кухне хоть одного муравья, – значит, у вас на кухне муравьи. Все впечатляющие способности муравьев – от образования сложных сообществ с сельским хозяйством до создания гигантских армий, разрывающих врагов на части, – возможны благодаря тому, что эти животные умеют действовать не поодиночке, а группами.

Человек – тоже коллективное существо, хотя наша коллективность устроена совершенно иначе. Мы платим налоги и соблюдаем правила дорожного движения, потому что знаем преимущества общественного поведения. Но рядовому животному сложно объяснить, почему в принципе нужно делать что-либо против своей воли. Как так вышло, что муравьи вдруг поставили общество выше личности? Зачем муравью воевать в армии, если его шансы на выживание в тылу куда выше? За кого воюет этот муравей?

Воюет муравей, конечно, за царицу-матушку. Колония муравьев обычно состоит из огромного количества рабочих (часть из которых могут быть «солдатами» или какой-нибудь другой шестеренкой муравьиного общества), которыми правит плодовитая царица, их мать. Рабочие самоотверженно трудятся на благо матки и ее потомства.

С высоты наших представлений все это выглядит продуманной стратегией, наподобие государственного строя или хотя бы семейного этикета. Но самоотверженность муравьев имеет совсем другую природу. Все дело в том, что рабочие муравьи не умеют размножаться.

Не вдаваясь в интереснейшие, но запутанные детали (за которыми я настоятельно рекомендую читателю обратиться к книге Э. Уилсона «Социобиология: Новый синтез» Sociobiology: The New Synthesis), суть муравьиного общества в том, что оно поделено на размножающуюся и неразмножающуюся касты. Именно этим – так называемой эусоциальностью – объясняются все поразительные способности муравьев. То же самое характерно для пчел, термитов и голых землекопов (я не шучу)[12].

Суть рабочего муравья в том, что он никогда не эволюционировал сам по себе. Все его гены даны ему муравьиной маткой. Он как бы входит в комплект ее организма, вроде дистанционно управляемого органа. Он искренне хочет строить муравейник и воевать за царицу, потому что он часть ее тела. Та дает рабочему его гены, в которых записано, что именно этот рабочий должен для царицы делать. Это пропаганда на совершенно ином уровне. Муравейники в целом даже называют «суперорганизмами».

Если бы рабочий муравей умел размножаться, то у него бы наверняка рождались муравьята, лояльные бабушке-матке в чуть большей или чуть меньшей степени. Потомства было бы больше у свободолюбивых. Поколение за поколением рабочие избавились бы от «генов лояльности», что бы они собой не представляли, стали бы самостоятельными видами и им не приходилось бы трудиться на матку. Если ты размножаешься, то эволюция работает на тебя. Но если ты не размножаешься, то эволюция работает на того, кто размножается.


Хлопок одной ладонью

КСТАТИ

В связи с рабочими муравьями нельзя не вспомнить о евнухах в человеческой истории. Каким бы варварским ни казался акт оскопления с современных позиций, у него обычно была совершенно определенная цель: лишить человека потомства. Этим как бы перестраивается его мотивационная система. Дело не только в том, что евнухи не будут приставать к женам в гареме, потому что у них меняется гормональный фон. Евнухам незачем заботиться о собственном наследии, а значит, они безопасны для тех, кто оперирует династическими интересами. Евнухи числились в советниках у китайских и римских императоров, а в исламском мире составляли целый политический класс (что любопытно, кастрация формально запрещена Кораном, поэтому евнухов законопослушные граждане импортировали из неисламских стран)14, 15.

Такие отношения размножающихся цариц с рабочими можно изобразить в виде стрелы с отростками, как на рисунке. Поколение за поколением царица производит новых цариц, которые производят новых цариц, но, помимо этого, все они производят рабочих, которые никого не производят – их жизнь ведет в тупик. Рабочие – это отростки на древке стрелы, соединяющей прошлое с будущим через чередование поколений цариц. Это и делает их рабочими.

На самом деле, рассуждения про муравьев и евнухов мне потребовались именно для того, чтобы нарисовать эту картинку16. Муравьи – это просто метафора. А вот картинка с непрерывной стрелой и тупиковыми отростками описывает для нас нечто гораздо более значимое: принцип организации многоклеточного организма.


Хлопок одной ладонью

Власть гермоплазмы

Многоклеточный организм – это не просто много клеток. Это много клеток, работающих как одна. Этим многоклеточный организм отличается от колонии одноклеточных. Бактерии, например, образуют биопленки – бляшки особого плотного вещества, в котором сидят собственно бактериальные клетки. В каком-то смысле эти бляшки могут вести себя как отдельные организмы из множества клеток. И все-таки биопленка – не многоклеточный организм, а колония одноклеточных.

Разница в том, что каждая бактериальная клетка, входящая в состав биопленки, умеет делиться, поэтому способность к размножению равномерно распределена по всей биопленке. В настоящем же многоклеточном организме – в нашем собственном, например, – большинство клеток размножаются только в ограниченных пределах. Они делятся до тех пор, пока продолжается рост организма, а затем останавливаются и только изредка обновляются новым делением.

В этом большинство клеток нашего тела сродни муравьям-рабочим. Почти весь наш организм сделан из клеток, чьи гены, строго говоря, обречены на смерть. Клетки мышц или клетки мозга содержат ДНК точно так же, как яйцеклетки и сперматозоиды, но кожная или мозговая ДНК никогда не выйдет за пределы нашего организма, а значит, никогда не произведет потомства. То есть большинство клеток организма – это эволюционный тупик. Шанс оставить генетический след в истории есть только у особой, привилегированной, можно сказать, элитной группы половых клеток и их предшественников в семенниках и яичниках.

У этих двух «каст» клеток организма – размножающейся бесконечно и размножающейся ограниченно – есть названия. Клетки мозга, мышц, кожи, печени и в принципе клетки, из которых состоит наше тело, называются соматическими, от греческого слова σῶμα – «тело». Их подавляющее большинство. Сома – это «тупиковые» клетки-рабочие, которые подчинены меньшинству размножающихся клеток, живущих в половых органах. Те же несут генетическую эстафету, как олимпийский факел: от бабушки и дедушки, через папу с мамой – к внукам и так далее. Это они подвержены эволюции и собирают плоды отбора. Это они задают организму его свойства, дирижируя генами всех остальных клеток. Подобно муравьиной матке, эти размножающиеся клетки производят для своих целей вспомогательные тела – то есть нас с вами.


Хлопок одной ладонью

«Передача эстафеты», непрерывная линия, соединяющая поколения, отражена в названии этих «элитных» клеток многоклеточного организма. Они называются половой или зародышевой линией. В современном русском языке чаще используется термин «половая линия», а в английском – germ line, «зародышевая линия». Лучше всего, на мой взгляд, звучит старомодный вариант – germplasm, или «гермоплазма». Так давно никто не говорит, но зато в этом есть что-то от «Фауста». Этим термином я и буду пользоваться назло всем учебникам.

Сома и гермоплазма разделяются не сразу. Сразу после оплодотворения они представляют собой единое целое, потому что в этот момент весь зародыш – одна клетка с двойным набором хромосом, или зигота.

Разделение на две «касты» клеток у человека происходит только на третьей неделе развития17. Зигота поначалу дробится на две, четыре, восемь клеток, и вот через три недели, когда клеток уже тысячи, среди них обособляется группа, которой суждено развиться в предшественников половых клеток в яичниках или семенниках, в зависимости от пола. Это и есть гермоплазма. Остальные клетки сформируют кости, кожу и органы, но все это тупики, смертная материя, одноразовая сома. Задача половой линии – бессмертие, и достичь она его может только через половые клетки, потому что только оттуда гены могут отправиться в следующее поколение. А значит, только гены гермоплазмы определяют свойства потомков, включая и свойства их сомы.

Итак, с точки зрения одноклеточного многоклеточность – это форма общественных отношений, при которых меньшинство клеток, занятых половым размножением, подчиняет себе большинство клеток, обреченных на смерть. Самое интересное здесь в том, что мы смотрим на мир именно с точки зрения этих самых обреченных клеток. Наше тело, наш мозг, наше сознание – все то, что мы называем «я», – это тупиковая ветвь эволюции, произведенная на свет движением нашей гермоплазмы.

С одной стороны, звучит удручающе. Неужели человек просто орудие своего сперматозоида? На самом деле в разделении сомы и гермоплазмы – главный источник нашей свободы. Если бы мы были едины со своей гермоплазмой, то мы бы принципиально не могли пойти против своих генов, как не могут пойти против своих генов бактерии. Но соме, в принципе, ничего не мешает не подчиняться гермоплазме. Конечно, ей не свойственно это делать, потому что сомы, которые не обеспечивают выживание гермоплазмы, быстро вымирают. Но полностью контролировать сому гермоплазма просто не может. Многоклеточный организм – это сложнейшая конструкция, количество деталей в котором существенно превышает количество генов в геноме. Тем не менее все инструкции к этим деталям должны умещаться в одной клетке, отправляемой в следующее поколение. Поэтому чем такой организм сложнее, тем больше у него свободы от собственных генов.

Как даже самым нервным родителям на каком-то этапе приходится отпускать детей в школу с ранцем и обедом в кульке, так и генам гермоплазмы приходится на каком-то этапе довольствоваться общими напутствиями клеткам развивающегося тела. Остальную информацию клетки сомы получают друг от друга и от окружающей среды. У животных кульминацией этого антигенетического свободолюбия организма становится изобретение специальной машины, которая в течение всей жизни учится новым инструкциям, вообще никак не упомянутым ни в каких генах. Эта машина называется мозгом.

Благодаря половому размножению мы отличаемся от предков. Благодаря многоклеточности мы умеем думать сами за себя. Но за эту уникальность мы дорого платим. Как бы высоко мы ни парили над своей гермоплазмой, как бы ни возвышались над властью собственных генов, один аспект наших взаимоотношений остается незыблемым. Гермоплазма бессмертна, а сома – нет.

КСТАТИ

Бесполое размножение – это из одного два, а половое – из двух один. Так почему тогда это вообще размножение?

Разгадка тут в том, что с изобретением многоклеточности изменился смысл слова «размножение». Мы считаем свой организм продуктом полового размножения родителей. С точки зрения наших одноклеточных гамет, он представляет собой продукт бесполого размножения зиготы. Именно это бесполое размножение, собственно, приводит к приросту биомассы. Что же касается слияния двух клеток в одну, то сами сливающиеся клетки явно не считают это размножением.

Строго говоря, «размножиться» типичный одноклеточный организм может только однажды, разделившись на две клетки[13]. То есть появление двух новых клеток сопровождается исчезновением старой. Но многоклеточный организм, произведя потомство, не исчезает – он может повторять процесс многократно, что и делает наше половое размножение собственно размножением. Это полнейший переворот самого понятия.

Первая смерть

Смерть – это новый элемент в типичном жизненном цикле живого организма.

Конечно, одноклеточные существа умирали и раньше. Помимо относительно недавней перспективы быть проглоченной, любая древняя клетка могла запросто остаться без источника питания и попросту раствориться в океане, а то и свариться в каком-нибудь кипящем фонтане. Для одноклеточного смерть означает поражение. Сварился – значит не поделился, а другой задачи у одноклеточного нет. Смерть отрубает его генетическую ветку с вечно растущего древа жизни.

Но для многоклеточного смерть – это не поражение, а часть программы.

Почему многоклеточный организм обязательно должен умереть? Прежде всего надо отметить, что для среднего живого существа вопрос стоит не в том, зачем в принципе нужна смерть, а в том, кто, когда и как его съест. Фантазии на тему вечной жизни – это человеческая роскошь.

В принципе, обратившись к научной фантастике, вполне возможно представить нестареющий многоклеточный организм (скажем, жука – у меня скоро начнутся колики от слова «организм»). Вечный жук – это не то же самое, что вечный двигатель. Вечных двигателей быть не может, потому что для этого требуется создать энергию из ниоткуда. Вечный жук совсем необязательно должен создавать энергию – наоборот, ему требуется постоянно хорошо питаться, потреблять всякие витамины и антиоксиданты, чтобы поддерживать свое вечное тело в вечном состоянии. Вечный жук не противоречит законам биологии или физики. И все-таки вечных жуков не бывает. Любой жук, даже если его никто не ест, рано или поздно постареет и умрет.

Причина существования старения – сложный и неоднозначный вопрос. Производство нового организма отнимает колоссальное количество времени и энергии. Казалось бы, несопоставимо дешевле с эволюционной точки зрения продлить жизнь старому – так почему этого не произошло за миллионы лет эволюции?

Тут есть несколько версий. Одна из версий состоит в том, что вероятность размножиться с возрастом снижается (чем ты старше, тем удивительней, что тебя еще не съели), а значит, на проблемы со здоровьем, проявляющиеся с возрастом, хуже действует естественный отбор (рак у детей – большая проблема для популяции, а рак у стариков на генофонд влияет мало). По другой версии в генах прописана своего рода «техподдержка» организма (включая защиту от повреждений ДНК), но эта техподдержка делит «финансирование» с отделом размножения, поэтому эволюция распределяет между ними бюджет, из-за чего рано или поздно контракт на техподдержку просто истекает, и организм умирает от накопления мутаций18,19.

Причина неминуемой смертности жуков не в том, что жук непременно должен прийти в негодность. Суть в том, что гермоплазме жука не нужны вечные жуки. Ее заботы – не жучьи, а эволюционные. Гермоплазме нужно двигаться вперед, чтобы оставаться в живых. А шаги свои она мерит поколениями.

Эмерджентный домен

Бактерии, вечные коллективисты, при всем своем групповом подходе к решению проблем всегда остаются отдельными клетками. Эукариоты, приняв индивидуализм как жизненный принцип, то и дело норовят сделать из разных клеток какую-нибудь гиперклетку, наподобие суперорганизма у муравьев. Диплоид – первая из таких гиперклеток. Вроде бы одна, а на самом деле две. Работает как единый организм, но управляется двумя наборами генов. Многоклеточный организм – вторая. Выглядит как много клеток, а на самом деле одна большая зигота. Как это ни парадоксально, переступив порог нашей эукариотической империи хищников и эгоистов, мы стали с бóльшим интересом относиться к себе подобным.

Тут прослеживается более глубокая тема, чем слипающиеся клетки: эволюционное возникновение нового из совокупности старого. Жизнь – это наслоение уровней, каждый из которых состоит из компонентов предыдущего, но не сводится к этим компонентам. Многоклеточный организм – это не просто много клеток. Диплоид – это не просто два гаплоида. Клетка – это больше, чем кучка хромосом и белков. Молекулы – не просто набор атомов. В каждом из этих случаев целое больше, чем сумма компонентов.

У этого феномена много названий: синергия, холизм, системный эффект. Я пользуюсь словом «эмерджентность», потому что так его назвал Андрей Игоревич Гранович на первой лекции по зоологии в мой первый день на первом курсе биофака СПбГУ. Тогда я, конечно, был слишком поглощен свежеоткрывшимся мне статусом студента-универсанта, чтобы обращать внимание на такую ерунду, но я помню момент при подготовке к сессии, когда я перечитал первую страницу конспекта и вдруг все понял. Как из неживого вырастает живое, как оно находит новые способы существования, как оно усложняется в процессе, как оно выглядит в результате. Эмерджентность! Ради таких моментов, пожалуй, существует высшее образование. Я до сих пор благодарен Андрею Игоревичу за то, что он открыл для меня это слово, да и вообще страсть к скрытому смыслу живого.

Эмерджентность – очень простая идея: нечто больше, чем сумма его компонентов. Молекула – это не просто несколько атомов, это еще и их особая конфигурация. Предложение – это не просто набор слов, это смысл, который вырастает (англ. emerge) из их взаимоотношений. Мелодия – это не просто столько-то нот до и столько-то нот ре. Это то, как они соотносятся во времени. Короче говоря, у системы есть свойства, которых нет у ее компонентов. Это и есть эмерджентность.

Но в случае вечно движущейся живой природы эмерджентность – не просто удобный термин. Это долгосрочная стратегия выживания, способ вечно создавать новое там, где возможности кажутся исчерпанными. Именно это искусство создания новых уровней, как мы увидим в следующей части книги, в совершенстве постигли эукариоты.


Хлопок одной ладонью

Во всяком случае, извлекая из глубин своего многоуровневого мозга это многоуровневое предложение, я с теплом думаю о древних эукариотических предках и их ненасытной погоне за сложностью.

Часть II

Откуда взялись мы

Хлопок одной ладонью

5. Сложение движения

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал и стал пред ним ходить.

Александр Пушкин

Слово животное происходит от старославянского живот, то есть «жизнь». Живот, как предполагается, восходит к праиндоевропейскому гвивоте, от которого происходит и греческая биота, и латинская вита. «Животное» по-английски – animal, имеет истоки в латинском слове anima, в основе которого и тут лежит праиндоевропейский корень ане-: «дыхание». Другое слово, которым иногда обозначают животных, зверь, восходит к греческому тэр, ну а тот, естественно, тоже к праиндоевропейскому предку, гвер – «дикий», от которого также ведет родословную, например, английское слово feral – «одичавший».

В этой книге я уделяю много внимания этимологии, потому что этимология – это эволюционная история слов, а значит, ключ к пониманию человеческих идей. Что такое животное с точки зрения пращуров? По крайней мере праиндоевропейцы, культурные предки множества народов от Европы до Индии, решили, что животное – это нечто живое, дышащее и дикое.

Глупо, конечно, спорить с пращурами, но по современным представлениям эти их определения животных никуда не годятся. В чем проблема «живого, дышащего и дикого»? В том, что при ближайшем рассмотрении эти качества никак не отличают животных от не-животных.

Что считать живым, а что не считать – это, конечно, даже сегодня вопрос скорее лингвистический, чем биологический. Но если следовать подходу NASA и считать жизнью любую «химическую систему, способную к эволюции», то в эту систему одинаково вписываются и человек, и другие животные, и растения, и микроорганизмы. Да и вообще, с сегодняшними знаниями, например, о сходствах растительной и животной клетки, сложно оправдать такое определение жизни, при котором утка считается живой, а камыш – неживым. Дышать, как мы выяснили в прошлой главе, после «кислородного холокоста» тоже умеют почти все, а уж что касается дикости, то, например, к соснам это слово подходит гораздо лучше, чем к кошкам.

И все-таки животные однозначно выделяются из окружающего мира. В большинстве случаев человек может безошибочно отличить животное от не-животного, даже если он никогда его раньше не видел и даже если оно ни на что не похоже. Осознанно или неосознанно, мы используем для этого один центральный признак, по совершенно неясным для меня причинам не вошедший ни в один из известных мне синонимов «животного».

Животные двигаются.

До написания этой книги я никогда не задумывался, что слово анимация, например, имеет именно «дыхательный» корень: анимировать – значит вдохнуть во что-то жизнь. Я был убежден, что анимировать, значит приводить в движение. Анимационный фильм – это фильм из двигающихся картинок. Аниматронная кукла – это двигающийся динозавр на шарнирах. Аниматор на турецком курорте – это дядька, который заставляет людей плясать. В основе всех этих семантических конструкций – древняя ассоциация между жизнью, дыханием и движением. И все-таки любопытно, что при наличии исключительно «двигательных» корней (например, греческого кине-, как в слове «кинематограф» – «запись движения») ему редко выделяется центральное место в культурном и мифологическом описании животного.

Если задуматься, то к движению сводится почти любое наше взаимодействие с окружающим миром. В данный момент внутри моего организма происходит масса разнообразных и сложных событий, но единственное их следствие для окружающего мира – это движение моих пальцев по клавиатуре и движение кофе из кружки в рот. Любая работа – это физическое перемещение вещей, будь то перемещение коробок, перемещение руля с педалями или перемещение воздуха голосовыми связками. Поведение – это просто паттерн движения. К нам это относится точно так же, как и к остальным животным. Чтобы как-то повлиять на мир, нужно что-то сдвинуть.

Движение – не просто отличительный признак животных. Это их главный талант, принципиальная эволюционная стратегия и, пожалуй, самый существенный вклад в живую природу. Дышать умеют все. Но двигаться так, как мы, не умеет никто.

Карл Линней, основатель сильно устаревшей, но до сих пор пронизывающей всю биологию классификации видов, считал животных царством. Так мы и будем о них думать. Линнеевские Animalia – это царство движения.

Двоецарствие

Другое «царство» Линнея, Vegetabilia, мы сегодня понимаем несколько иначе, чем он. К царству растений он относил, грубо говоря, все, что растет, но не двигается, включая, например, грибы. (Третьим царством были минералы.) Под словом «растения» в сегодняшней науке обычно подразумевается более узкая группа живых существ. Они ведут свою родословную от ранних эукариот, которые к тому моменту уже раздробились на множество разнообразных групп одноклеточных. Все эти организмы были снабжены митохондриями, без которых могучая эукариотическая клетка превращается в хилый пузырь. Но однажды одна из этих клеток, будущая прародительница растений, решила повторить успех с митохондриями и проглотила в дополнение к ним хлоропласт, фотосинтетическую бактерию, переведенную на постоянное место жительства внутри эукариота. Полученный тройной симбиоз между хлоропластом, митохондрией и клеткой-хозяином заложил основу для нового царства поистине совершенных созданий: растений.

Впрочем, сегодня растения – не единственные эукариоты, способные к фотосинтезу. Многие другие группы эукариот обзавелись фотосинтетическими органеллами позднее, когда растения уже существовали. Их объединяют под не очень четко определенным термином «водоросли». Водоросли – это на самом деле огромное количество разнообразных живых существ, живущих в воде и промышляющих фотосинтезом. Часть из них относится к растениям – это красные и зеленые водоросли, ближайшие родственники растений суши. Но многие другие далеки от растений в системе природы и формально растениями не считаются, хоть и изучаются по традиции ботаниками на кафедрах ботаники. Среди них бывают вполне заметные организмы: например, бурые водоросли, из которых читателю наверняка знакома ламинария, она же морская капуста. Это, пожалуй, лучший пример многоклеточного существа, которое не является ни растением, ни грибом, ни животным1–3.

КСТАТИ

Растения умеют фотосинтезировать, потому что их предок когда-то проглотил фотосинтетическую бактерию и так и оставил ее у себя внутри. Это также называется первичным эндосимбиозом. Первичным, потому что фотосинтез изобрели именно бактерии. Предок растений первым придумал приспособить бактерию под органеллу-хлоропласт (отсюда еще одно научное название растительной ветви как надцарства эукариот: Archaeplastida, «древнепластовые»).

Другие эукариоты, обделенные родственники этих «древнепластовых», подключились к фотосинтезу от зависти и глотали уже не бактерии, а самих «древнепластовых» с готовым хлоропластом внутри. Поэтому их эндосимбиоз называется вторичным. К таким «вторично-пластовым» видам как раз и принадлежит морская капуста. Бывает третичный и даже четвертичный эндосимбиоз4, короче говоря, водоросли – это зачастую матрешки из мембран проглоченных друг другом клеток, в наслоениях которых спрятана заветная бактерия-солнцеед. Известен только один пример первичного эндосимбиоза за пределами Archaeplastida. Это одинокая амеба Paulinella из совсем другой, скромной в эндосимбиотическом смысле ветви эукариот. Считаные миллионы лет назад она вступила в союз напрямую с цианобактерией, то есть повторила то, что когда-то на заре времен сделал предок всех современных растений5.

Царство растений стоит на фотосинтезе. Если среди бактерий это один из путей освоения окружающего мира, пусть и чрезвычайно важный, то растения изначально не знают ничего другого. Все, что отличает нас, животных, от растений, в конечном итоге сводится к тому, что они берут еду из света, воздуха и воды, а мы – из них.

Взять, например, клеточную стенку. Это еще одно принципиальное отличие растений от животных, но и оно в конечном итоге сводится к фотосинтезу: именно благодаря этому магическому дару растения могут себе позволить такую роскошь, как бронированные клетки.

У бактерий и архей стенка вокруг клетки почти всегда есть, но первые эукариоты от нее избавились. Они жили тем, что заглатывали бактериальных жертв, чтобы сжигать их в своих новомодных митохондриальных печах, а это удобнее делать без твердой стены, окружающей мембрану. Животные, потомки этих древних одноклеточных, так и продолжают жить без клеточной стенки. Растения же в ходе эволюционного процесса заново возвели вокруг своих клеток укрепления.


Хлопок одной ладонью

Клеточная стенка – это очень привлекательная идея с точки зрения ее защитных качеств. Толстые стенки между клетками означают, что растение сделано из кирпичей. Его грызут жуки, клюют вороны, топчут сапоги, а оно как стояло, так и стоит. У клеточной стенки есть только одна проблема: она мешает двигаться, особенно многоклеточному организму, в котором эти кирпичи еще и скреплены между собой бетоном. Сравните подвижность березы (растение с клеточной стенкой), подберезовика (гриб с клеточной стенкой) и зайца (животное без клеточной стенки). Животное сделано почти что из пены, мягких клеточных пузырей, которые гнутся, ползают и сокращаются во всех плоскостях. Куда ни ткни – у него что-нибудь лопается, отрывается или ломается, зато животное быстро бегает и больно кусает.

То есть в каком-то смысле мы, животные, ближе к древним эукариотическим традициям лихой жизни. Именно благодаря своей особой движущейся мембране эукариоты когда-то получили возможность пожирать другие клетки. Их потомки растения пошли по «зеленому пути» и отказались от хищничества и вообще всяких мирских зависимостей. Поэтому они и строят свое тело из укрепленных блоков, намертво припаянных друг к другу, – им ничего не нужно от мира, кроме места. Мы не умеем фотосинтезировать, поэтому нам нужно все время есть, искать еду и отбивать ее у других едоков. Для этого нам нужны рты, зубы и желудки. Для этого нам нужны ноги и кулаки. Для этого нам нужно движение, даже ценой фундаментальной физической уязвимости по сравнению с растениями.

Может показаться, что отношения между нашими двумя царствами в лучшем случае нахлебнические, в худшем – вассальные: без растений животных быть не может, а вот растения без животных вполне управятся. Принципиально так, наверное, и есть. Но, по крайней мере, своим текущим расцветом царство растений столь же обязано животным, сколь и те обязаны растениям.

Именно союзом с животными, прежде всего с насекомыми, объясняется могущество главной группы растений современности – цветковых. За счет цветковых образуется вся биомасса лиственных лесов и обеспечивается почти все производство калорий для человечества, в первую очередь в виде четырех сельскохозяйственных гигантов: пшеницы, риса, сои и кукурузы.

Почему вообще растения производят сладкие фрукты, пестрят яркими цветами и источают ароматы? Потому что вкус фруктов, окраска и запахи цветов привлекают животных. Точно так же, как глаза на спине кобры нацелены на мозг потенциального хищника, растительный мир испещрен приспособлениями, нацеленными на мозг потенциального опылителя или едока. Любой съедобный плод, любой красивый цветок, любой аромат нектара – это следствие эволюционных инвестиций царства растений в царство животных.

Зачем растениям нужны животные, если те живут исключительно за их счет? Зачем растениям вызывать ощущения сладости или красоты в мозге этих вечных дармоедов? Ответ все тот же: движение.


Хлопок одной ладонью

Если ты не умеешь двигаться, то у тебя есть по крайней мере одна экзистенциальная проблема: распространение. Яблоко от яблони, как известно, падает недалеко, и если это яблоко не подобрать, то из него вырастет яблоня, которая будет конкурировать со своим родителем за свет и воду. Продолжаться так бесконечно не может, потому что рано или поздно на злополучной кочке, усаженной пятью поколениями чахлых от тесноты яблонь, случится пожар и все эти яблони умрут.

Именно поэтому у яблони есть приспособление, позволяющее избежать такой участи: яблоко. Яблоко отличается тем, что его любят есть животные. Животные отличаются тем, что носятся туда-сюда, жрут что попало и переваривают абы как (это не грибы, которые разложат до молекул последнюю деревяшку). Поэтому животные с удовольствием надкусывают яблоки и разбрасывают объедки по лесу, а если и проглатывают сидящие в яблоках семена, то потом их оставляют под кустом вместе с замечательным удобрением. Проблема коммунальной кочки решена.

Похожая ситуация и с опылением, только там распространяются не семена (зародыши), а пыльца – микроскопические растения-мужчины, которым нужно найти микроскопическую самку где-нибудь в далеком пестике далекого цветка, чтобы тряхнуть с ней генами. Некоторые растения полагаются на ветер, в принципе позволяющий им распространяться на тысячи километров, но шансы у отдельной пылинки найти адресата при таком варианте мизерные. Несопоставимо эффективнее иметь подвижного курьера, который знает цвета и запахи цветков нужного вида и целенаправленно летает от одного к другому.

КСТАТИ

Тут можно еще раз сравнить селекцию с естественным отбором. Самые успешные растения в мире – это цветковые в целом, а в частности – сельскохозяйственные культуры от пшеницы до кофе. Цветковые успешны потому, что они привлекательны для насекомых, и те их распространяют, выбирая самые соблазнительные. Кофе с пшеницей успешны потому, что они привлекательны для человека, и он их культивирует, отбирая самые питательные или бодрящие. Первое считается естественным отбором, второе – селекцией. Я лично не вижу для такого разделения никакого основания и потому пользуюсь более абстрактным термином «отбор».

Короче, успешное движение гермоплазмы из прошлого в будущее требует движения организмов в пространстве – хотя бы раз в поколение. С этой-то задачей в случае неподвижных растений и справляются лучше всего животные, поэтому польза в них для зеленого царства все-таки есть. Я подозреваю, что в этом причина того, что растения не выживают нас с планеты. Если они когда-нибудь решат, что от животных один вред, не так уж сложно представить сценарий, при котором все наше царство разом вымирает от какого-нибудь противоживотного газа. Это очень похоже на то, что уже однажды произошло с кислородом.

Дети губок

Есть разные версии происхождения первых животных. Согласно самой популярной, этот момент можно представить как превращение хоанофлагеллят в губку6–8.

Наше царство животных в современной биологии обозначается красивым словом Metazoa (это что-то оккультное. Метатрон! Зороастр! Минотавр! Фасфалакат!). Граница «метазой» на древе жизни проводится по той точке, где одноклеточные предки животных впервые становятся многоклеточными организмами. Хоанофлагелляты и губки – соседи по древу, но расположены по разные стороны этой границы, как Светогорск и Иматра по дороге из Петербурга в Хельсинки.


Хлопок одной ладонью

Хоанофлагелляты – ближайшие к животным не-животные. Хоанофлагеллят выглядит как толстый сперматозоид с «воротничком» вокруг хвоста (это принятая терминология, но, честно говоря, если уж мы решили, что жгутик – это хвост, то «воротничок» гораздо логичнее называть юбкой). Юбка-воротничок состоит из частокола толстых, покрытых мембраной ворсинок и нужна для питания. Мотая хвостом в центре юбки, хоанофлагеллят создает поток воды сквозь ворсинки, на которых в результате оседают бактерии, а хоанофлагеллят их заглатывает. Чем он их там, под юбкой, заглатывает – вопрос открытый. Такой тип питания называется фильтрацией.

Губка с эволюционной точки зрения – это ближайшее к не-животным животное и, соответственно, ближайшее к одноклеточным многоклеточное. На микроскопическом уровне губка и хоанофлагелляты поразительно похожи друг на друга. Главный элемент строения губки – это фактически батарея хоанофлагеллят, объединенных в единый слой. Каждая клетка размахивает жгутиком, создавая поток воды сквозь «воротничок», собирает таким образом еду и делится ею с окружающими. Такое объединение в группы в какой-то мере свойственно и самим хоанофлагеллятам – те зачастую образуют сферы из десятков или сотен клеток, словно сперматозоиды, столкнувшиеся головами9.

В общем, губка – это как бы стационарный цех хоанофлагеллят, причем и сами хоанофлагелляты зачастую увлекаются коллективной работой. Расчеты показывают, что это помогает клеткам-фильтраторам с гидродинамикой: суммарный ток воды через колонию мощнее, чем сумма индивидуальных токов, которые доступны отдельно взятым клеткам8. В случае с губками мощность потока воды действительно впечатляет: наберите в YouTube «sponge pumping» и посмотрите на фонтан, который извергает крупная и с виду совершенно статичная губка – его видно, если подкрасить воду.

То есть царство животных началось с того, что плавучие одноклеточные отказались от движения во имя коллективного труда. Труд этот, впрочем, заключался все равно в движении – только не в движении организма, а в движении воды через организм. Гидродинамика – это ведь и означает «движение воды».

Тем не менее отказ от «организменного» движения – способности плавать – порождает проблемы. Как и в примере с яблоней, чьи яблоки недалеко падают и потому требуют, чтобы их подбирали, губки не могут быть вечно неподвижными – что-то должно куда-то двигаться, хотя бы раз в поколение.

Отчасти отсутствие движения целой губки компенсируется движением ее сперматозоидов. Те имеют жгутик и с его помощью уверенно несут генетическое наследие своего неподвижного хозяина на все четыре стороны (точнее, шесть сторон – дело ведь происходит в воде). Но одним движением сперматозоидов проблему неподвижности не решить. Сперматозоиду так или иначе нужно найти яйцеклетку, а та двигаться не умеет и сидит внутри неподвижной губки, словно в завязи цветка – как обсуждалось в главе 4, в неподвижности яйцеклетки состоит весь смысл существования полов. Решение может быть только одно: после того как яйцеклетку найдет сперматозоид, то, что из этого получится, должно уплыть в новое место и уже там стать новой неподвижной губкой. Иными словами, у каждой неподвижной губки обязательно есть подвижная личинка.

КСТАТИ

Сперматозоиды у губок образуются из хоаноцитов – тех самых клеток, которые похожи на хоанофлагеллят и фильтруют воду. Фильтруют-фильтруют, потом оп! Мейоз. И поплыли сперматозоиды в поисках приключений. Следуя логике многоклеточного организма, получается, что эти клетки, хоаноциты-фильтраторы, у губок в организме главные. Если сперматозоиды формируются из клетки-фильтратора, а не из соседней клетки (например, производящей губкин скелет), то клетка-фильтратор имеет шанс отправить свои гены в следующее поколение губок, а скелет-производящая клетка такого шанса не имеет. Значит, и эволюция работает в интересах клетки-фильтратора, подчиняя им всю остальную губку. Это как если бы у нас сперматозоиды формировались из кишки[14].

Хлопок одной ладонью

Взрослые губки, помимо впечатляющего фонтана воды, ничем особо «анимированным» не отличаются и напоминают скорее смесь растения и цветного камня. Но губки– личинки, несмотря на свои микроскопические размеры, выглядят и ведут себя как настоящие животные. У них аккуратное, симметричное тело в форме небольшой дыньки. Они быстро и усердно плавают (правда, как одноклеточные – с помощью жгутиков). Они реагируют на стимулы – сторонятся яркого света, например. У некоторых даже есть глаз – светочувствительное пятно прямо в торце тела, как фара. Личинка губки живет пару дней, после чего оседает на дно и обретает свою неподвижную, окостеневшую взрослую форму.

Неудивительно, что многие эволюционисты ведут родословную остальных животных именно от личинок, а не от взрослых губок – каменных труб7, 11. Согласно этой версии получается, что все животные – это вариации личинки губки, точно так же как все эукариоты, строго говоря, – ветвь архей.

Базовая форма «желудок»

Японское искусство складывания бумаги, оригами, основано на бесконечной сложности, которая возникает, если простые изменения простых форм имеют возможность накапливаться. Самолетик можно сложить хоть из салфетки. Чтобы сложить журавля, нужна бумага, которая лучше держит складки, то есть лучше сохраняет историю произведенных с ней изменений. Самые сложные модели – реалистичные лошади, драконы, насекомые – требуют особой бумаги со слоем фольги, способной удержать сотни мелких складок.


Хлопок одной ладонью

Суть оригами не в геометрии отдельных складок и не в разнообразии способов сгибать бумагу (хотя бывает и такое). Суть оригами – в наложении одних складок на другие. Здесь принципиальна последовательность событий. Этим фигура оригами отличается, например, от скульптуры: в какой последовательности лепить уши, нос и рот гипсовому бюсту – не так важно.

Развитие животных можно сравнить с оригами. Это тоже процесс возникновения сложности из простоты в результате последовательности простых изменений. Точно так же как новые модели оригами возникают путем добавления складок, новые модели животных возникают путем добавления новых этапов развития. В эволюции животных новые планы строения не появляются с нуля и не замещают старые, а надстраиваются над ними.

В результате возникает типичная в зоологии ситуация: чем животные моложе, тем они больше похожи друг на друга, а с каждой новой «складкой» различия между ними становятся более очевидными. Все животные начинаются с зиготы, точно так же как все модели оригами начинаются с квадрата бумаги. Каждая новая складка – это новая развилка, новая степень свободы, новая возможность для развития, которую можно продолжать видоизменять в разных направлениях.

Многие модели оригами начинаются с одних и тех же «базовых форм» – простых последовательностей складок, задающих квадрату бумаги самые общие очертания будущей модели. Сами же базовые формы происходят из других, более базовых форм. Из базовой формы «двойной квадрат» можно сложить простую корзинку, а можно добавить к ней несколько складок и получить базовую форму «лягушка», у которой больше возможностей – из нее складываются не только лягушки, но и, например, лилии.

Эволюция животных – это прежде всего эволюция «базовых форм». Поскольку эти базовые формы не возникают с нуля каждый раз, а надстраиваются друг над другом, в эмбриональном развитии одних видов часто угадываются другие виды. Все мы проходим через стадию, напоминающую личинку губки, стадию, напоминающую медузу, стадию, напоминающую червяка, и стадию, напоминающую рыбу. От этого создается впечатление, что губки – это недоразвитые медузы, а медузы – недоразвитые люди. Это не совсем так. Бумажная коробочка, сложенная из «двойного квадрата», это не недоделанная бумажная лягушка. Просто она основана на базовой форме, требующей меньшего количества складок.

Прелести полости

Личинки губок под названием амфибластулы – это замкнутые, полые сферы толщиной в одну клетку (бывают у губок и другие личинки, заполненные клетками внутри, но нас интересует именно этот, полый вариант). Обычно они ничего не едят и выживают за счет питательных веществ, накопленных сидячим родителем-фильтратором12. Стенка такой личинки состоит из непрерывного частокола клеток, крепко связанных, плотно прижатых друг к другу и как бы наклеенных на подошву из белка коллагена[15]. Такая замкнутая оболочка из клеток называется эпителием.


Хлопок одной ладонью

Эпителий – это нечто очень знакомое. Мы уже сталкивались с идеей изоляции внутреннего от внешнего при помощи тонкой, полупроницаемой, герметично замкнутой капсулы. Эпителий – это как бы клеточная мембрана, сделанная из клеток.

Зоологи обожают эпителии и полости, которые этими эпителиями замкнуты. На лекции по зоологии можно подумать, что животные состоят исключительно из полостей. Но эта страсть возникла не на пустом месте. Полость, ограниченная эпителием, как опять-таки показывает пример клетки, окруженной мембраной, – вещь действительно полезная. Точно так же как мембрана создает физический барьер, позволяющий ДНК, РНК и белкам сотрудничать, эпителий создает физический барьер, позволяющий сотрудничать клеткам в организме. Например, без эпителиев сложно представить гормоны: чтобы они работали, нужно замкнутое пространство, иначе бы гормоны просто утекали наружу. Личинке губки замкнутая полость тела нужна, например, чтобы удерживать внутри симбиотических бактерий, помогающих с пищеварением или добычей энергии, совсем как эукариотические клетки удерживают внутри митохондрии и хлоропласты14.

Параллели между клетками и личинками губок на этом не заканчиваются. В истории одноклеточных главная революция – эукариогенез – произошла, когда мембрана превратилась из стационарного барьера в подвижный элемент клеточного строения, который гнется, почкуется и обволакивает. Эукариотическая клетка набита многочисленными слоями, пузырями, цистернами и прочими полостями из мембран. Именно благодаря этому эукариотические клетки достигают невообразимой по бактериальным стандартам сложности строения.

Очень похожая революция произошла и в царстве животных. Согласно наиболее популярной версии происхождения «настоящих метазой» (Eumetazoa – так называются все животные, помимо губок), на каком-то этапе шарообразная губка-личинка, будто бы вдохновившись легендарными подвигами своих одноклеточных предков, вогнулась своим эпителием сама в себя – точь-в-точь как эукариот, приспособивший свою мембрану под эндоцитоз.


Хлопок одной ладонью

Вогнувшись внутрь с одной стороны, как сдавленный шарик для пинг-понга, личинка губки одним этим маневром изобрела кишку (главную полость животного организма – не зря же в слове «животное» корень живот) и рот – специальный клапан, который, закрываясь, делает кишку замкнутой полостью. О том, насколько важными были последствия этого пируэта, свидетельствует тот факт, что его на каком-то этапе до сих пор проделывает каждое «настоящее» животное, включая любого из нас. Это ключевой этап нашего эмбрионального развития. Он называется гаструляцией, то есть «ожелудочиванием»[16].

Первая из базовых форм нашего развития называется бластулой. Типичная бластула – это шар клеток, по общему плану строения соответствующий той самой полой дынеобразной личинке губки. Можно сказать, что сами губки – модели оригами, сложенные из базовой формы «бластула». «Ожелудочивание», вгибание бластулы саму в себя, – это не просто новая складка на теле губки, а возникновение целой новой базовой формы: гаструлы.

Гаструляция – одно из главных событий как в вашей жизни, так и в истории животных в целом.

Чем так принципиально отличается гаструла от бластулы? До гаструляции у зародыша имеется всего один эпителий – слой клеток, ограничивающий полость организма от окружающего мира. Но благодаря гаструляции эпителиев становится два. Наружный слой ограничивает тело от внешней среды, а внутренний слой ограничивает желудок. С этого момента зародыш подразделен на два зародышевых слоя, пласта, или листка, они называются эктодермой и энтодермой соответственно15.

Два эпителия с точки зрения составляющих их клеток – это две разные профессии, две стратегии, два разных направления развития. Любые клетки эпителия по определению пограничники. Но границы, на которых они служат, имеют разную природу.

Клетки эктодермы образуют внешнюю границу организма. Их задача – защищать от опасностей и разведывать обстановку. Из эктодермы в нашем организме формируются эпидермис, то есть поверхность кожи, и нервная система. Первое очевидно: эпидермис – это просто разросшийся в несколько слоев и покрытый мертвыми клетками наружный эпителий. Второе менее очевидно, но куда более интересно. Получается, что с точки зрения эволюционного и эмбрионального происхождения нашего мозга и органов чувств они сродни коже. И кожа, и мозг – это интерфейсы взаимодействия с окружающим миром, призванные защитить от опасностей и повысить выживаемость.

У клеток энтодермы другие задачи. Они не видят окружающий мир. Они видят еду. Как нетрудно догадаться, из энтодермы возникает почти все, что у нас связано с питанием: желудок с кишечником, печень, поджелудочная железа. В будущем из того же источника возникнут легкие – воздух для нас и впрямь во многом сродни пище.

Люди питаются принципиально иначе, чем губки. Губка – это почти что батарея одноклеточных. Каждая отдельно взятая клетка фильтрует воду и заглатывает бактерии эндоцитозом, после чего переваривает их у себя внутри. Клетки губок работают заодно и умеют делиться друг с другом полученной пищей, но та всегда передается напрямую от клетки к клетке. В нашем же организме пища централизованно расщепляется ферментами в полости кишечника, централизованно всасывается в форме простых молекул и централизованно же распределяется по организму кровеносной системой, что гораздо эффективнее. У губок каждая клетка варит кашу в своей собственной кастрюльке, а у нас каша варится одна на всех, а клетки черпают из общего котла. Это возможно именно благодаря наличию такого общего котла, то есть желудка, ограниченного эпителием7.

Иными словами, возникновение желудочной полости открывает возможность для внеклеточного пищеварения. Фильтрующей губке выпускать наружу ферменты бессмысленно, они расплывутся, не успев ничего переварить, так что это пустая трата энергии. Наличие замкнутого пространства, в котором можно запереть пищу с ферментами, позволяет переваривать ее коллективно.

«Ожелудочив» личинку губки, мы создали новую «базовую форму» развития для всех остальных животных: гаструлу. Но вместе с тем мы фактически изготовили новый тип животного, который «складывается» из этой гаструлы.

Фигура вращения

Стрекающие, или книдарии, – пример того, что примитивная «базовая форма» тела не означает, что животное – лузер. В оригами «примитивную» форму «двойной квадрат» можно при желании сложить в фигуру с тысячей складок. Стрекающие со своим примитивным планом строения способны порождать организмы ювелирной сложности и достигают в природе огромных успехов.

Стрекающих много, они есть везде, их разнообразие ошеломляет. Между португальским корабликом с его причудливым воздушным пузырем и синей бородой из длинных полипов-охотников, грозной актинией, в чьих разноцветных щупальцах прячутся рыбы-клоуны, и смиренным кораллом-мозговиком на первый взгляд нет ничего общего. Тем не менее все они имеют общего предка, отделившегося от единой с нами ветви родословного древа где-то между губками и червями, и потому представляют собой параллельный нашему путь эволюции животных.

Название этой группы – стрекающие – происходит от их уникального признака: стрекательных клеток, удивительных микроскопических капсул со смотанным внутри шипом, который выстреливает наружу, когда что-нибудь касается ее чувствительного волоска. Пораженную развернувшимся шипом добычу медузы и полипы запихивают в рот и переваривают в своем наглухо замкнутом желудке. У некоторых книдарий рот после еды не просто закрывается, а в буквальном смысле зарастает. А потом снова рвется. Если это кажется странным, то в том и прелесть стрекающих: это очень странные, совершенно на нас не похожие и при этом чрезвычайно успешные животные. Если губки интересны своей примитивностью, то стрекающие – своей альтернативностью.

КСТАТИ

Большинство современных эволюционистов скажут, что фразы вроде «примитивные стрекающие» или «продвинутые позвоночные» некорректны: все виды равны, и точка. Тем не менее в разговорной речи даже среди эволюционистов такие конструкции регулярно попадаются. Может возникнуть ощущение, что продвинутая медуза как-то лучше оседлала эволюцию, чем примитивная губка. На самом деле понятия «продвинутый» и «примитивный» в принципе относятся не к целым видам, а к конкретным признакам, хотя иногда мы для простоты подменяем понятия. Говоря, например, что губка более примитивна, чем медуза, мы на самом деле имеем в виду, что у губки более примитивный план строения. Как решить, какой признак примитивный, а какой продвинутый? Тот, который был изначально, тот и примитивный. Например, по сравнению с человеком у медузы примитивная кишка – в ней всего одно отверстие. Так было и у нашего с медузой общего предка. Значит, человеческий вариант с двумя отверстиями более продвинутый. С другой стороны, можно сказать, что у медузы по сравнению с нами продвинутая кожа, – по крайней мере, по признаку наличия в ней стрекательных клеток. Обычно при разговоре об эволюции мы просто выбираем собственные продвинутые признаки и игнорируем чужие, потому что нам все время кажется, что цель эволюции – создать человека. Если бы мы были медузами, то всех билатерально симметричных животных (от мух и улиток до рыб и бегемотов) считали бы примитивным ответвлением стрекающих, у которых недоразвита кожа. В общем, что касается современных видов, то все они действительно одинаково продвинуты. Оседлать эволюцию – значит элементарно не вымирать. Неважно, как ты выживаешь, важно, что солнце встает, а ты до сих пор есть.

Хлопок одной ладонью

Медуза – это одна из двух форм существования стрекающих. Те обычно чередуют в жизненном цикле стадию медузы со стадией полипа – перевернутой кверху ртом сидячей медузы. Из многочисленных полипов, например, состоят кораллы. Актиния тоже полип, только одиночный. Первые книдарии, возникшие из личинок губок, были именно полипами, а медузы возникли позже16. Но «базовая форма» у двух этих форм стрекающих одна и та же: гаструла.

Наша собственная, человеческая «базовая форма» отличается от нее тремя продвинутыми качествами.

Первое из этих отличий: у нас есть спина.

Для медузы спина и брюхо – это одно и то же, равно как и бока. У нее всего одна ось движения. Медуза как будто живет в одномерном мире, в котором есть только перед и зад. Тело книдарий равномерно распределено вокруг этой передне– задней оси – это называется радиальной симметрией. Наша симметрия иная: у нас есть ось «спина – живот» и ось «голова – попа», что порождает плоскость, рассекающую тело на лево и право. Это наше свойство называется билатеральностью, или двусторонней симметрией.

Симметрия – единственное, что зоологи обожают больше, чем полости и эпителии. Дело не в пристрастии к правильным фигурам, а как всегда – в движении. Медуза не может повернуть налево или направо, потому что у нее нет левой и правой стороны. Мы можем двигаться в любую сторону. Билатерально-симметричному животному сложно представить радиально-симметричную жизнь: нужно как-то визуализировать, что вместо двух рук и двух ног у вас одна рука и одна нога, равномерно распределенные вокруг тела.


Хлопок одной ладонью

Сотни миллионов лет назад наши предки проделали обратную операцию: из радиально-симметричных стали билатерально-симметричными. Древний полип, нечто радиально-симметричное наподобие современной гидры или актинии, однажды завалился набок и пополз по земле. В процессе этого эволюционного превращения он обнаружил, что у него, помимо переда и зада, теперь есть живот, которым он ползет по земле, и спина с противоположной стороны. А если есть перед, зад, верх и низ, то есть также лево и право7. Возникновение билатеральности – как открытие нового измерения пространства.

Перед нами новое животное, новая базовая форма тела и новая, крупнейшая ветвь нашего царства: билатерии, чье название как раз и отражает их новый, билатеральный тип симметрии. Если честно, я бы предпочел, чтобы титульным животным нашей «базовой формы» был кто-нибудь величественный: синий кит или хотя бы муравей, но с эволюционной и эмбриологической точки зрения с вариантами не разбежишься: в оригами животного организма человек, как ни крути, сложен из базовой формы «червь».

Червь – не одна группа животных и даже не один тип строения, а общее очертание стандартного билатерального животного. Черви Acoelomorpha, сегодня считающиеся наиболее близкими к стрекающим17, действительно внешне напоминают ползающих книдарий или их личинок. Но большинство червей (включая нас с вами), помимо билатеральной симметрии, добавляют к своему эмбриону еще два принципиальных обновления: мезодерму и сквозную кишку.

КСТАТИ

В этой книге почти все мои герои изображены билатерально симметричными: чтобы что-то очеловечить, ему надо пририсовать лицо, а ничто так явно не говорит о билатерии, как два глаза, расположенные с двух сторон центральной оси. Обычно медуз на картинках и в мультфильмах изображают именно так. Но, даже если забыть про выдуманные глаза, у такой медузы есть еще одна «очеловечивающая» деталь анатомии. Ее воображаемый вектор «попа – голова» направлен вверх. Если бы вы решили пририсовать медузе шляпу, то щупальца бы оказались внизу рисунка, а шляпа легла бы на медузий купол сверху, как на человеческое темя. Но некоторые ученые утверждают, что все должно быть наоборот. Такой вывод можно сделать, сравнивая, какие гены работают в разных частях тела у разных животных. Например, некоторые гены, которые у билатерий активны в голове, у медузы активны в районе рта. На этом основании можно заключить, что купол медузы соответствует заду билатерии, а щупальца, которые окружают рот, – переду18. То есть шляпу медузе, следуя такой версии, нужно натягивать прямо на щупальца, а плавает это несуразное животное попой вперед.

Мезодерма – это третий зародышевый листок. В примитивной гаструле медузы два слоя: эктодерма и энтодерма. У них две разные профессии: взаимодействие со средой и взаимодействие с пищей. С появлением мезодермы возникает третья профессия.


Хлопок одной ладонью

Эту профессию определить сложнее. С одной стороны, мезодерма – это замкнутый слой клеток между эктодермой и энтодермой. Полость внутри полости. То есть эпителий мезодермы граничит не с полостью желудка, не с внешним миром, а с внутренней, изолированной и тонко контролируемой средой организма. Логично, что из мезодермы возникают, например, кровеносная и выделительная системы[17].

С другой стороны, эволюционные биологи сходятся на том, что первичной функцией мезодермы было – читатель уже в курсе – движение20. Именно из мезодермы возникают мышцы, а у нас еще и скелет[18].

Наша мезодерма возникает в процессе развития как две серии замкнутых мешков, которые откладываются с двух сторон кишки в гаструле. Из этих парных серий мешков и разовьются парные мышцы, парные почки, парные артерии. Мезодерма с двух сторон радиально-симметричной кишки – это решительный шаг в билатеральную симметрию15. В полученной фигуре ясно угадываются очертания древнего червя, извивающегося влево и вправо.


Хлопок одной ладонью

Но, чтобы завершить превращение человеческого эмбриона в базовую форму «червь», нужно добавить финальный штрих: анальный прорыв.

Vive la révolution

Среди червей бывают и хищники, и фильтраторы, и паразиты. Многие черви охотно плавают, другие ползают по земле или морскому дну. И все-таки главный талант канонического червя – его умение копать.

Медуза, решившая закопаться в землю, далеко не продвинется. Но если медузу пробить насквозь и превратить в трубку, то она может копать бесконечно, причем все это время непрерывно питаться. Проделав с несчастным животным такую устрашающую операцию, мы получили сквозную кишку: вместо одного отверстия для приема еды и выброса остатков, отверстий теперь два, и пища движется в одном направлении, противоположном направлению движения.

Получившаяся в конечном итоге «базовая форма» типичных билатерий представляет собой трубку, у которой с одной стороны рот, а с другой – анус. Это описывает и червя, и рыбу, и даже, с некоторыми добавлениями, человека.

В совокупности с мезодермальными мышцами и собственно билатеральной симметрией такое трубчатое строение позволило нашим предкам освоить новую среду обитания и тем самым, по одной из версий, подтолкнуло царство животных к назревающей революции.

Червь в земле – как рыба в воде. Все его тело устроено таким образом, чтобы заглатывать частицы почвы или морского грунта, пропускать через свою пищеварительную систему, переваривая и всасывая все полезное, и выбрасывать с обратной стороны, продолжая при этом копать землю своим удлиненным телом.

Такое было возможно не всегда. Самые древние из ископаемых животных – это фауна так называемого эдиакарского периода (635–541 млн лет назад). Вероятно, что в толще воды в те времена вовсю сновали медузы и личинки, которые из-за своих мягких тел и микроскопических размеров не оставили следа в геологической летописи. Основную же массу собственно ископаемых животных того времени составляют придонные виды. Так вот, среди них нет никого, кто умел бы копать. Часть дошедшей до нас эдиакарской фауны – это неподвижные фильтраторы, а часть – плоские существа, вероятно, скользившие по дну и, подобно современным планариям, обгладывающие с камней какой– нибудь питательный налет.

В этом-то питательном налете вся соль. Дело в том, что на морское дно постоянно оседает много потенциально съедобного: от бактерий до останков животных. На любой потенциально съедобный ресурс рано или поздно найдется кто-нибудь, кто его съест.

В случае с кембрийским взрывом – той самой революцией, к которой мы приближаемся в нашем повествовании, – питательный налет на морском дне копился там миллиарды лет. Он и сегодня-то толстенный: бактерии в осадочных отложениях составляют, по некоторым оценкам, половину общемировой биомассы прокариот22. Именно этими отложениями микроорганизмов, по всей видимости, и питались придонные животные в эдиакарский период. Проблема в том, что они могли их только соскребать с поверхности.

Кембрийский взрыв – это кульминация истории царства животных. Взятие Бастилии, переход через Рубикон, бомба над Хиросимой. В кембрийский период, следующий за эдиакарским, в считаные минуты по эволюционным часам (каких-то 25 млн лет) океан заполонили мириады существ неслыханной сложности и невероятного разнообразия. Все основные группы животных, которые мы могли бы узнать сегодня, появляются в ископаемой летописи в этот кратчайший период эволюционной истории. Внезапно вместо редких вкраплений странных животных возникают целые залежи трилобитов, тонны червей, бесконечные раковины, сегменты, ноги, зубы, шипы и антенны. Если и есть в истории жизни на земле «взрывообразные» фазы, то нет лучшего примера, чем кембрийский период. Именно поэтому граница между эдиакарием и кембрием – чуть ли не главная хронологическая отметка в истории Земли.

КСТАТИ

Как и классификация видов, классификация геологических эпох имеет свою иерархию: период – это часть эры, эра – часть эона. На границе эдиакарского и кембрийского периодов (около 541 млн лет назад) сходится все. С кембрия ведется отсчет собственно нового периода, но также и новой эры – палеозойской, сменившей протерозойскую, и даже нового эона – фанерозоя. Для палеонтолога история жизни по-настоящему начинается с кембрийского периода. В летописи ископаемых остатков контраст между кембрием и всем, что было до него (а жизнь к тому моменту существовала уже 2,5–3 млрд лет), настолько резкий, что обычно вся история Земли до этого момента так и называется – «докембрий».

Сложно найти в зоологии тему более противоречивую, чем кембрийский взрыв.

Типичный зоолог, как я уже объяснил, проводит утро, вращая перед студентами симметриями и полостями червей и медуз, а остаток дня в баталиях на тему кембрийского взрыва с коллегами. Так вот, хочу сразу пояснить: никто не знает, что вызвало кембрийский взрыв. Есть даже вполне резонная версия, что никакого кембрийского взрыва на самом деле не было, а просто появились виды вроде трилобитов, чей экзоскелет лучше сохраняется, чем, скажем, мягкое тело медузы. И все-таки большинство склоняется к тому, что в этот период действительно произошел внезапный скачок в разнообразии и количестве животных.

Я излагаю здесь версию не самую распространенную и далеко не общепринятую, а симпатичную лично мне. Идея ее состоит о том, что кембрийский взрыв был вызван «анальным прорывом»23, 24. Логика следующая: миллиарды лет на дне копились питательные вещества. В толще этих питательных наслоений никто, кроме редких бактерий, не жил, потому что туда не проникал кислород. В толще воды над наслоениями тоже особо никто не обитал, потому что там нечего было есть, – выживали там в основном микроскопические личинки, питавшиеся запасенным материнским желтком. Эдиакарские животные уныло паслись на поверхности придонного ила, скребли его, как могли, но много не наскребали. И тут вдруг у кого-то из них происходит генетическая перестройка – и наглухо замкнутая кишка внезапно превращается в сквозную.


Хлопок одной ладонью

Счастливый обладатель сквозного организма, по этой версии, устремляется в толщу ила, яростно пожирая накопленные миллиардами лет питательные вещества. Он размножается с невиданной скоростью, порождая за эволюционные мгновения армию бурильщиков, добывающих питательные вещества на дне океана. Это имеет двоякий эффект: во-первых, взбаламутив ил, черви обогащают пищей толщу воды. Во-вторых, разрыхляя ил, черви обогащают его кислородом. В результате появляются возможности для жизни не только на поверхности дна, но и в воде или в земле25. Это расширяет пространство для эволюционного маневра. Появляется масса новых животных, которые быстро заполоняют возникшие ниши. Среди этих животных однозначными триумфаторами становятся билатерии, к тому моменту разделенные на многочисленные кланы и подгруппы. В дальнейшем борьба за первенство в животном царстве развернется между этими подгруппами, от тевтонских роботов-членистоногих до безумных панков-иглокожих, от текучих, как картина Дали, моллюсков до упругих, как стержень, хордовых, включающих и рыб – наших предков.

Есть масса других сценариев кембрийского взрыва. Например, большой популярностью пользуется версия, что ключевым событием был скачок в уровне кислорода, то есть очередной подъем предела мощностей, как при появлении митохондрий26–28. Есть версия, что кислородные флуктуации были не так значительны, а взрыв начался с возникновением хищничества, то есть поедания одних животных другими29. Это мы тоже видели: эукариоты уже изобретали хищничество в форме фагоцитоза других клеток. Более трезвомыслящие биологи считают, что ничего настолько конкретного не происходило, а просто появились новые генетические программы развития, открывшие перед животными массу новых возможностей17, 30. Мало кто сомневается, что кембрийский взрыв как-то связан с появлением билатерий – вопрос только в том, где причины, а где следствия среди всех многочисленных изменений, которые произошли с живой природой в кембрийский период.

Мне нравится версия с анальным прорывом по нескольким причинам. Во-первых, это очень смешно[19]. Но важнее, на мой взгляд, то, что такая гипотеза лучше вписывается в общий ход истории животного царства.

Это путь освоения мира заново. Многоклеточное животное – это гиперклетка, организм нового масштаба, преодолевающий все жизненные препятствия, когда-то уже преодоленные одноклеточными. Эпителий решает те же проблемы, которые ранее решила клеточная мембрана. Его дробление и почкование на полости и листки выполняет ту же эволюционную задачу, что и появление везикул, цистерн и органелл в эукариотических клетках. Появление кишки и следующее за ним возникновение хищничества – это то же самое, что фагоцитоз, только в многоклеточных масштабах.

Но царство животных – это царство движения. Поэтому мне кажется если не логичным, то по крайней мере поэтичным, что именно в движении должна заключаться первопричина нашего истинного расцвета в системе живой природы.

Одноклеточные, благодаря жгутикам, умеют двигаться великолепно – в любых направлениях и плоскостях, с огромной в сравнении со своим размером скоростью. Но тяжесть новообретенной многоклеточности делает такое передвижение почти невозможным. Дальнейшая история животных – это постепенный возврат к свободному передвижению. Губки вообще не двигаются, медузы двигаются в одном измерении, эдиакарские черви – на плоскости. И вот благодаря прорыву кишки у билатерий кембрий вновь становится эпохой трехмерного движения.

Главное правило оригами: никогда, ни за что, ни при каких обстоятельствах не рвать и не резать бумагу. Но настоящая революция – это всегда прорыв.

6. На сушу!

И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что это хорошо.

Бытие 1:10

Одно из главных впечатлений моей жизни, связанных с живой природой, – это ночные роды морской черепахи на карибском побережье полуострова Юкатан в Мексике. Дело было в августе, за несколько дней до моей свадьбы в Тулуме, я проводил время в компании двух друзей, тоже биологов. То есть, строго говоря, рожала черепаха в рамках моего мальчишника.

Летней ночью на Карибском море видно, как из бездны океана возникает погода: пар поднимается в небо, разрезаемый лучами лунного света, образуя там тучи, а те, сгущаясь, стремительно превращаются в бурю и выплескиваются обратно в море. Мы на все это глазели, споря (довольно агрессивно) о природе реальности, когда нас окликнул человек с красным фонарем. Он оказался волонтером-экологом по имени Хосе. Участок пляжа, за которым мы остановились со своими палатками, относился к территории биосферного заповедника Сиан-Каан. Летом, в период размножения морских черепах, работники заповедника патрулируют береговую линию, чтобы в случае необходимости помочь этим животным исполнить свою непростую генетическую миссию. Хосе и его пес, явно проникнувшийся важностью момента, молча склонились над ямой глубиной в метр и диаметром метра в полтора. В красном свете невидимого для рептилий фонаря в яме ворочалось огромное животное. Из глаз черепахи текли слезы, и песок, в который она, содрогаясь в спазмах и будто задыхаясь, зарывалась головой и передними лапами, налипал ей на глаза мокрыми мешками. Хосе объяснил, что разговаривать можно, потому что черепаха впадает в отрешенное состояние и ничего не слышит. Но на фоне бушующего моря разговаривать уже не хотелось. Так мы и стояли, четыре биолога и собака, и молча смотрели на то, как морская черепаха в забытьи роет землю мексиканского пляжа, чтобы отложить туда яйца[20].

Волонтеры вроде Хосе нужны потому, что морские черепахи сильно страдают от наплыва туристов. Дело даже не в том, что туристы отдыхают на пляжах, куда морские черепахи приходят откладывать яйца (хотя и это, конечно, проблема). Дело в том, что, вылупившись ночью из яиц, новорожденные черепашки должны доползти до воды, чтобы выжить. И ползут они в сторону света, потому что на пляже лунный свет указывает дорогу к воде – но только если сзади нет ярких огней курортного города.

Это печальная история, но трагедия морских черепах становится совсем уж онегинской, если посмотреть на нее с большего расстояния.

Черепахи принадлежат к пресмыкающимся, или рептилиям. Вместе с птицами, которые по современной классификации должны тоже считаться рептилиями, и нами, млекопитающими, они входят в подгруппу позвоночных под названием «амниоты». Название происходит от амниона, который еще называется водной оболочкой, или амниотическим пузырем. Это водонепроницаемая мембрана, мешок, в котором развивающиеся зародыши плавают, словно рыбы в пластиковом пакете из зоомагазина. Среди млекопитающих большинство видов, включая наш, для большей сохранности помещает этот пакет внутрь материнского тела. Но изначально – и до сих пор среди большинства рептилий – амнион был главным элементом амниотического яйца.

Именно амниотическое яйцо позволяет змеям и птицам жить в горах и в пустынях. Благодаря наличию водонепроницаемой мембраны с внутренней стороны скорлупы, яйца пресмыкающихся не высыхают вдали от воды.

КСТАТИ

Этимология слова «амнион» загадочна. Многие древнегреческие медицинские термины дошли до нас через несколько ступеней исторического «испорченного телефона», транслитерируясь с греческого на латынь, с латыни на арабский или иврит, потом снова на латынь и, наконец, снова на греческий, в результате чего расшифровать исходную форму слова и его изначальное значение бывает трудно (в эпоху Возрождения, например, европейские университеты старательно вычищали из медицинского лексикона арабский, чем, конечно, все только запутали). По одной версии, слово «амнион» связано с древнегреческой богиней деторождения Илифией, святилище которой находилось в Амнисе на острове Крит. По другой – оно происходит от слова, обозначающего сосуд для сбора крови в ходе ритуальных жертвоприношений, по третьей – от ягненка, чью кровь в этот сосуд собирали, по четвертой – от овечьей шкуры, в которую тоже можно собирать жидкости. В общем, детали утеряны, но смысл амниона как «сосуда», то есть барьера для жидкости, видимо, был понятен людям с глубокой древности1, 2.

Земноводные, они же амфибии, например лягушки, к амниотам не относятся и водонепроницаемых яиц не кладут. Из-за этого их жизненный цикл неразрывно связан с водой. Яйца земноводных должны развиваться во влажной среде. Вылупляются из них головастики – фактически рыбешки, – которым, понятное дело, на суше делать нечего, пока у них не отрастут ноги. Короче говоря, амфибии не могут размножаться без водоемов, так что встретить лягушку в пустыне вам вряд ли доведется[21].


Хлопок одной ладонью

Амнион рептилий и млекопитающих – это капсула с частичкой океана, позволяющая животному окончательно и бесповоротно переехать на сушу. И только морские черепахи, махнув лапой на миллионы лет, которые занял этот продолжительный переезд, решили, что в океане им все-таки живется лучше.

Склонившись над рожающей черепахой, я думал о горькой иронии ее жизни. Вторичный «переезд» с суши в море – не такая уж редкость (так в свое время поступили, например, предки китов и дельфинов). Но морская черепаха не просто передумала жить на суше. Морская черепаха – это как бы лягушка наоборот. Земноводные в своей жизни стремятся на сушу, но всегда возвращаются к воде, которая тянет их назад. Морские черепахи стремятся в океан, но их тянет назад суша. То самое «сухопутное» яйцо, которое позволило предкам черепах отказаться от водной зависимости, теперь само создает зависимость, угрожающую существованию этих животных. Черепашье яйцо неразрывно связано с сушей: если яйцо залить водой, то зародыш погибнет от недостатка кислорода4.

Зависимость от воды понять несложно. Жизнь появилась в воде, в воде работает, водой наполнена. Без воды живого организма, по крайней мере в известном нам виде, быть не может. Поэтому в том, что лягушке нужно пройти «водную» стадию, перед тем как стать сухопутным животным, нет ничего удивительного. Мы и сами проходим эту водную стадию, просто у нас очень замкнутый водоем – амнион. Не так сложно понять и мотивацию морских черепах и дельфинов, чьи предки вернулись в океан в поисках приключений, которых там всегда хватало и хватает.

Гораздо интереснее вопрос о противоположной зависимости. Зачем живым существам в принципе выбираться из воды? Человеку это может показаться логичным – твердая земля под ногами и воздух в груди для нас естественны, а соленая вода чужда. Но как так вышло, что вода, колыбель жизни, стала для нас опасной? Что забыли наши предки в этой «безвидной и пустой», по-инопланетному суровой и совершенно не приспособленной для жизни среде, которую мы называем «суша»?


Хлопок одной ладонью

И Дух Божий носился над водою

Задолго до того, как на землю ступила первая нога, там жили бактерии5. Неприхотливым микроорганизмам проще адаптироваться к безводным условиям суши и вообще к любым физически неблагоприятным ситуациям. Чем организм сложнее устроен, тем труднее для него освоение новой среды, зато тем больше у него в этой новой среде возможностей. Поэтому эукариоты из воды вылезали очень медленно, но, вылезая, с каждым шагом постепенно меняли окружающий мир, воздух и почву, подминая под себя всю сушу планеты, и в конечном итоге превратили ее в настоящую эукариотическую империю, зеленеющую джунглями, шуршащую крыльями и пестрящую шкурами зверей. То, что эукариоты сумели выстроить на голом камне эту Византию природы, своим могуществом стоящую наравне с древним Римом океана, возможно, самый монументальный вклад нашего домена в историю.

Первыми эукариотическими завоевателями суши принято считать не растения и не животных, а грибы. Точнее, лишайники5, 6.

Лишайник – это грибоводоросль. Его основу составляет плоский гриб, в сердцевине которого спрятаны фотосинтезирующие клетки. Как мы выяснили в прошлой главе, «водоросль» – это широкое понятие, в которое включают любую фотосинтезирующую мелочь. Яркие и разнообразные цвета лишайников определяются яркими и разнообразными водорослями, входящими в их состав7.

КСТАТИ

Лишайник кажется простым, почти неживым. Он выглядит как налет на камне или на стволе дерева и зачастую неотличим от ржавчины или отслоившейся краски. На самом деле с точки зрения грибного царства некоторые лишайники – это самые сложные грибы в природе. Грибы вообще бывают одноклеточными, в таком случае они еще называются дрожжами, а бывают многоклеточными. В последнем случае они обычно имеют вид мицелия, то есть сети из тонких нитей, или гиф. Грибы в повседневном понимании – подберезовики и подосиновики – это наружные репродуктивные органы (плодовые тела) огромного подземного мицелия, также состоящие из тесно сплетенных гиф. По сравнению с мицелиями и даже этими наружными грибами, ткани лишайников зачастую устроены гораздо сложнее, с более выраженным разделением функций между клетками, почти как у животных. Иногда лишайники состоят не из двух, а из трех партнеров (третьим выступают азотфиксирующие бактерии, решающие проблему еще одного ресурса), а недавно выяснилось, что у многих видов в поверхностном слое, помимо главного гриба, живут совершенно другие, одноклеточные грибы, которые потенциально могут принимать участие в защите лишайника8.

Прообраз лишайника – это, скорее всего, цианобактериальные биопленки. Цианобактерии – это бактерии, способные к фотосинтезу (раньше их даже называли «синезелеными водорослями»). Теоретически они вполне самодостаточны и умеют в некоторых случаях образовывать защитные «корки», позволяющие переживать засуху. Грибы, возможно, изначально были нахлебниками в этих биопленках трудолюбивых микроорганизмов, а в дальнейшем завладели инициативой, подчинили цианобактерии себе и заодно стали экспериментировать с другими водорослями. Впрочем, даже сегодня некоторые лишайники – это именно союз гриба и бактерии, а не гриба и растения7.


Хлопок одной ладонью

В учебниках взаимоотношения гриба с водорослью описывают как классический пример взаимовыгодного сотрудничества, но мне они всегда казались больше напоминающими рабство. Роль водоросли в лишайнике понятна: фотосинтез. В чем состоит роль гриба, кроме как эксплуатировать труд водоросли, ограничивая ее свободу?

Я понял, что неправ, в национальном парке Арчес на юго-западе США, куда мы с женой приехали в рамках туристического марш-броска по Колорадскому плато. Арчес выглядит, как если бы Гильермо дель Торо снимал фильм про Марс. Для жизни эта выжженная солнцем красная груда причудливых камней-исполинов приспособлена плохо. Тем не менее жизнь там есть, и не только в эфемерных лужицах талой воды или редких оазисах подземной влаги, куда проникают корни колючих кустов. Прямо на голом красном камне, под палящими круглый год лучами жаркого пустынного солнца, медленно, но несгибаемо растет лишайник, сияющий разными цветами спрятанных в нем водорослей.

В условиях влажного климата водоросль действительно мало выигрывает от содружества с грибом. Но вот в условиях, более похожих на древнюю сушу, преимущества гриба становятся очевидны. В докембрийские времена в атмосфере не было в больших количествах ни кислорода, ни возникающего из него озонового слоя, который бы ослаблял солнечное излучение, – все это еще впереди. Не сгореть в этом солярии было бы сложно даже сегодняшним растениям, а древним водорослям и подавно. Лишайник же может выживать на камне под солнцем без внешних источников питания и даже воды годами. Лишайники выживают даже в открытом космосе: в одном эксперименте лишайники провели 16 дней снаружи спутника «Фотон», выдержав вакуум и прямое солнечное излучение, от которого у нас с вами слезла бы кожа, без видимых отклонений в жизнедеятельности (единственное обнаруженное отклонение после двух недель в таких условиях, как мило пишут авторы этого космического эксперимента: «в лишайниках повысилась доля клеток с поврежденными мембранами»)9.

Водоросли в массе своей существа довольно нежные, которым без посторонней помощи расти на камне можно даже и не мечтать. Феноменальная устойчивость лишайника возможна благодаря его коре – плотному сплетению гиф гриба, густо пропитанному защитными и водосвязывающими веществами10. Гриб – не просто нахлебник. Он защищает водоросль от ее главной уязвимости на чуждой ей территории суши – опасности высыхания.

Любопытно, что, хотя лишайникам не страшны ни пустыня Аризоны, ни спутник «Фотон», они пасуют перед каменными джунглями крупных городов. Из-за медленного роста и способности быстро впитывать любую влагу лишайники особо чувствительны к загрязнению воздуха, поэтому в городских условиях зачастую формируются «лишайниковые пустыни»11. Но выхлопные газы – это кайнозойская проблема. В палеозое главной заботой наземных организмов была вода.

Как выжить на суше

Перед тем как растения по-настоящему шагнули на сушу (произошло это порядка 450–500 млн лет назад12), им нужно было решить несколько проблем, каждая из которых так или иначе связана с водой.

Первая проблема, конечно, состоит в том, что суша сухая. Любому обитателю суши нужно постоянно заботиться о потере воды. В отличие от животного, растение не может в случае обезвоживания пойти попить или хотя бы уйти в тень – оно вынуждено неподвижно стоять на месте. Поэтому растения суши обычно покрыты толстым воскообразным слоем под названием кутикула, который непроницаем для воды13.

То есть листья растений, по сути дела, вымазаны воском. Это не так сложно реализовать. Но в полной изоляции от окружающего мира растение существовать не может, потому что ему нужно впускать углекислый газ и выпускать кислород. Это фундаментальная проблема: без обмена газов на суше не обойтись никому, а если обмениваются газы, то испаряется и вода. Поэтому главная сложность – сделать так, чтобы углекислый газ поступал, а вода при этом не терялась. Эту проблему, хоть и с большим трудом, у наземных растений решают специальные клетки-рты, или устьица (термин происходит от слова «уста», то есть более современным названием было бы «ротики»), которые открываются и закрываются в зависимости от температуры и влажности. Аналогия со ртом вполне точная, потому что через устьица в растения поступает углекислый газ – то, из чего фотосинтез делает еду. В каком-то смысле кутикула плюс устьица для растения – то же самое, что эпителий и рот для животного.

КСТАТИ

Подобно животному, заглатывающему добычу в пылу схватки, чтобы потом спокойно переварить в безопасном месте, растение может разделять фазы захвата углекислого газа и собственно фотосинтеза. Когда растение раскрывает рот (устьице), углекислый газ устремляется внутрь, а вода наружу, причем еще охотнее. Поэтому растения жарких стран, ананасы например, раскрывают свои устьица в темное время суток, чтобы в ночной прохладе испарялось не так много воды. Но ночью фотосинтез невозможен. Поэтому набранный в темноте углекислый газ растения временно запасают в форме яблочной кислоты. С восходом солнца ананас, захлопнув устьица, извлекает из этой молекулы накопленный углекислый газ и приступает к делу, не боясь обезвоживания. Такой трюк с яблочной кислотой называется CAM-путь фотосинтеза (англ. crassulacean acid metabolism, по названию семейства толстянковых, для которых этот путь характерен)14.

Как мы помним, неподвижному организму надо хотя бы раз за жизненный цикл куда-то переехать. В воде для этого используются одноклеточные стадии жизненного цикла: например, споры или сперматозоиды со своими жгутиками. В воздушной среде жгутики бесполезны. Но главная проблема все же в том, что одноклеточному, со всех сторон окруженному воздухом, выжить еще труднее, чем многоклеточному. Микроскопический объем жидкости, который представляет собой отдельно взятая клетка, в сухой среде почти мгновенно превращается в пар. Если с высыханием листьев бороться трудно, то высыхание споры – проблема, решить которую на первый взгляд вообще невозможно.

Поэтому едва ли не самым принципиальным изобретением, позволившим наземным растениям захватить сушу, считается спорополленин[22]. Это вещество – уникальный по своей прочности и устойчивости биологический полимер, напоминающий по структуре скорее искусственную пластмассу, чем естественные полимеры вроде целлюлозы. Спорополленин образует вокруг спор и пыльцы микроскопическую, но намертво запаянную капсулу, позволяющую отдельно взятым клеткам путешествовать по воздуху. Приземлившись в нужное место, они растворяют эту скорлупу специальными ферментами и приступают к росту.

Устьица и спорополленин – вот главные эволюционные приобретения, позволившие растениям питаться и размножаться в условиях неестественной сухости.

Забавно, что пыльца в водонепроницаемой капсуле из спорополленина по сути сильно напоминает зародыша в водонепроницаемой капсуле-амнионе (например, в яйцах черепахи, да и у человека тоже). Поскольку растения оказались на суше первыми, можно сказать, что мы, амниоты, отчасти украли у них идею своей наземности.

Вторая проблема растительных первопроходцев состоит в том, что типичные клетки (включая, кстати, большинство клеток нашего животного организма) приспособлены к соленой воде. Соли нужны для работы клеточных белков, для нормального протекания химических реакций и для поддержания целостности мембраны: если клетку крови, например, опустить в воду из-под крана, то она лопнет. Тем не менее цветы мы поливаем не соленой водой, а пресной. Дело в том, что главной формой жидкости, доступной растениям вне водоемов, всегда был дождь, а дождь – вода дистиллированная, то есть настолько пресная, насколько это вообще возможно.

Этим объясняется тот факт, что, строго говоря, все нынешние растения суши, они же эмбриофиты, – подгруппа пресноводных водорослей. Подавляющее большинство видов водорослей обитают в соленой воде, но с ними растения суши связывают только дальние родственные связи15. То есть на землю растения вышли не из океана, а из озера или реки. В каком-то смысле это удивительно. На фоне всего многообразия зеленых водорослей в океане (а их действительно очень много) вся суша без остатка досталась каким-то выскочкам из захолустья. На самом деле ничего удивительного нет. Пресноводное растение уже одной ногой стоит на суше. В пресной воде почти нет солей, что требует серьезных адаптаций и привлекает только любителей экстремальных ситуаций. Но, однажды приспособив свои клетки и белки к пресноводному водоему, водоросль в принципе может довольствоваться дождем – лишь бы не высыхать в промежутках.

Это подводит нас к третьей проблеме – почве, которая как раз и позволяет растениям выживать между дождями. Как мы увидим, растения суши не всегда умели этой почвой пользоваться.

Грибокорень или корнегриб

Лишайник – это первый из двух главных растительно-грибных симбиозов. Второй, еще более значительный в истории жизни на суше симбиоз, – это микориза16.

Слово «микориза» означает «грибокорень», и это ее, микоризу, хорошо описывает. Микориза – это гифы гриба, подключенные к корню растения. Это именно «подключение», а не какое-нибудь банальное прилипание. В некоторых случаях гриб буквально врастает в корень. Между растением и грибом устанавливается канал связи, по которому они обмениваются разнообразными веществами.

Микоризой до сих пор пользуются почти все наземные растения17. Функции микоризы так же многочисленны и трудноописуемы, как функции супругов в долгом и крепком браке. Основа этих отношений, безусловно, кормление гриба растением. Но растение дает грибу не только питание, а еще многое другое, например отправляет через него сигналы другим растениям. Гриб же поставляет растению минералы, которые он высасывает из почвы, всякие полезные грибные вещества и, что особенно интересно, воду.

Казалось бы, зачем растению вода от гриба, если у него есть свои корни? У современных растений эта функция микоризы действительно нужна только в дополнение к существующим корням. Но у первых растений суши корней не было.

Вероятно, они представляли собой ползучие пласты зеленых клеток наподобие современных печеночников, которые вряд ли могли жить где-либо, кроме как в непосредственной близости от водоемов. Грибы, прорастая в глубину почвы, дали этим существам доступ к источникам воды вдалеке от их собственного тела16.

Короче говоря, микориза – это изначальный корень18. Микориза возникает в геологической летописи синхронно с растениями на суше. У самых примитивных сухопутных растений до сих пор нет корней, и в сборе воды из-под земли они полностью зависят от гриба. Растения с более продвинутым строением частично перенимают у микоризы водосборную функцию, словно имитируя своими подземными отростками гриб. И если животные украли идею своей наземности у растений, то можно сказать, что растения украли свою идею наземности у грибов[23].

Микориза на рабство уже совсем не похожа. В ней гриб выступает не организатором всего предприятия, а спутником, пусть и очень важным, свободно живущего многоклеточного растения. Эти будущие дубы и сосны не полезли бы на землю, если бы в этом не было какой-то принципиальной для них самих выгоды.

Тут стоит вернуться к центральному вопросу этой главы, над которым я размышлял, стоя над рожающей черепахой. Что вообще мы, живые организмы, забыли на суше? Почему мы не можем дышать под водой, как рыбы? Почему мы ходим по земле, а не по дну моря? Почему разговариваем колебаниями воздуха?

Ответ нужно искать здесь, в мотивациях зеленых основателей нашей наземной Византии.

Можно подумать, что растениям в океане было просто тесно, поэтому их распространение на сушу ожидаемо и предсказуемо. Но места в океане хоть отбавляй, на суше в конечном итоге получается гораздо теснее. К тому же на суше все лежит одним слоем, а свет рассеивается меньше. Поэтому растение, растущее над другим растением, затеняет своего нижнего соседа гораздо сильнее, чем под водой.

Из-за этого на суше у растений возникает такое любопытное приспособление, как стебель19. Под водой обзаводиться стеблями, как, в общем, и корнями, обычно не имеет смысла. На суше стебель нужен тогда, когда стебель есть у соседа, потому что иначе сосед будет на свету, а ты – в тени. То есть вертикальный рост растений на суше, подаривший нам джунгли и тайгу, – это гонка вооружений под девизом «кто кого затенит». Чем крупнее стебель, тем выше шансы затенить всех соседей и получить максимум солнечного света. Но крупный стебель, например ствол дерева, требует инвестиций в виде огромного количества биомассы, которую приходится накапливать годами. Для растения это рискованная и дорогостоящая стратегия, которую можно оправдать только жесточайшей конкуренцией. Насколько тяжелой должна быть эта конкуренция за место на суше, чтобы оправдать инвестиции в ствол секвойи длиной в сотню метров?


Хлопок одной ладонью

В общем, причина озеленения суши не в том, что растениям в океане было негде жить. Суша привлекла растения чем-то другим.

На самом базовом уровне фотосинтезирующему организму нужны три вещи: вода, свет и углекислый газ[24]. Переезд на сушу создает тяжелые проблемы с водой. Но что касается света и углекислого газа, то их усвоению водная среда только мешает. Усиленное рассеяние света водой, может, и снижает конкуренцию за вертикальное положение, но сильно сокращает общее количество доступных фотонов. Углекислый газ в воде растворяется плохо. Эти-то два фактора – свет и углерод – и выманили зеленое царство на сушу. С точки зрения водорослей кембрийского периода неизведанная и суровая суша сулила богатства атмосферы – нужно было только научиться жить вне воды.


Хлопок одной ладонью

Как всегда в эволюции, любая непреодолимая проблема, если за ней стоит большая выгода, рано или поздно будет преодолена. Примерно так же когда-то стоял вопрос перед первыми фотосинтезирующими бактериями. Если помните, изначальный вариант фотосинтеза работал на сероводороде и производил в качестве побочного продукта серу. Неслыханные богатства в том случае обещал переход с сероводорода на воду (с соответствующим побочным продуктом – кислородом). Вода принципиально похожа на сероводород, но ее почти невозможно «взломать». В конечном итоге это все-таки произошло. В результате мир наполнился полчищами водорослей и извергаемым ими кислородом.

Здесь то же самое, и опять все вертится вокруг воды: в фотосинтезе воду нужно было научиться взламывать, при покорении суши воду нужно было научиться добывать и сохранять. В обоих случаях решение этих проблем заняло миллионы лет. Но из далекого будущего оба эволюционных переворота выглядят неотвратимыми: рано или поздно они должны были произойти просто потому, что такая возможность принципиально существовала.

Лучшая иллюстрация потенциальных возможностей, существовавших в древней атмосфере, – это то, что с ней произошло после того, как растения наконец решили все свои водные проблемы и ринулись покорять материки зеленой лавиной. В кембрийский период, пока суша была «безвидна и пуста», концентрация кислорода в атмосфере составляла около 15 %, а углекислого газа – около 0,6 %. К концу палеозойской эры, когда суша покрылась могучими лесами, кислорода в атмосфере стало в два с лишним раза больше – 35 %, а углекислого газа в 17 раз меньше – какие-то жалкие 0,035 %20, 21.


Хлопок одной ладонью

Покорив сушу, растения провели палеозойскую эру, жадно пожирая плоды своих завоеваний. Купаясь в солнечном свете, они выели почти весь углекислый газ из атмосферы, осадив его на землю в форме собственных тел, а заодно накачав воздух кислородом в количествах, которые не снились жителям океана. Такого кислородно-углеродного богатства на планете больше не будет никогда.

Становится ясно, зачем полезли из воды мы, животные. Растения пришли на сушу за светом и атмосферой. Животные пришли на сушу за растениями.

Война, которой не было

Наше время. По дну пруда крадется хищник, осторожно ступая по песку шестью ногами. Его симметричное, обтекаемое, удлиненное с тонким брюхом тело покрыто ворсистым панцирем, рассеченным на правильные сегменты. Блестящий шлем, окружающий голову хищника двумя перламутровыми полусферами, – это его глаза, точнее, тысячи глаз, микроскопических шестигранных трубок, направленных почти во все стороны одновременно. Движения хищника легки, даже невесомы. Он выглядит отлитым из пластмассы или титанового сплава, измазанным для маскировки в придонной грязи. Вдруг каждое из множества сочленений его тела, как суставы куклы-марионетки, дергается с места. Нижняя губа, покрывающая его голову маской, внезапно выдвигается цепким крюком, обнажая челюсти, которые смыкаются в железную хватку вокруг хребта жертвы.

Эта жертва – юная саламандра, беспомощно извивающаяся в последней попытке спастись. Если ей удастся вырваться, то когда-нибудь она, быть может, вырастет и своими глазами увидит сушу. Но вырваться саламандре не удается. Вместо нее сушу увидит шестиногий хищник. Пройдет неделя, а может, месяц, и он найдет тростинку или камыш, по которому вскарабкается наверх, к свету. Вынырнув из пруда в беспощадную пустоту атмосферы, он застынет, будто присохший к своему камышу.

В эту минуту кажется, что на этом его путь и заканчивается, бессмысленно и трагически, как полет Икара. Но спина присохшего к камышу хищника вдруг растрескивается, будто перезрелый стручок. Из старого панциря медленно, в течение часа выползает новое животное. Сначала показывается его голова, спина, ноги, затем оно замирает, будто отдыхая, и наконец в последнем усилии сжимается всем телом, выдергивая себя из своей подводной шкуры и расправляя четыре больших прозрачных крыла. Ими вчерашнее придонное чудовище взмахивает и летит прочь, лавируя в воздухе, как рыба среди волн. Передние крылья то бьются в противофазе с задними, пока хищник грациозно парит над прудом, то загребают синхронно, когда он пулей бросается на беспечных жертв, летучих или ползучих. Мастерство его полета, сухое, будто лакированное тело, отточенные, молниеносные движения, всевидящие глаза – такое совершенство наземной жизни и не снилось убогой саламандре.

И тут страшному хищнику приходит неожиданный конец. Своей мозаикой из тысячи глаз он видит все вокруг, но плохо различает неподвижные предметы – так что, пролетая вдоль берега пруда, не замечает, как нечто огромное и белое вдруг разворачивается, на мгновение напрягает мышцы и щелкает острыми щипцами. Хруст – и вот так просто, без боя и предупреждения, обрывается жизнь одного из самых устрашающих и безупречных созданий живой природы. Над прудом, поджав тонкую костяную ногу, с томным спокойствием возвышается цапля, позавтракавшая стрекозой.

В этой вполне реалистичной истории22 – метафора всех взаимоотношений между членистоногими и позвоночными. Давным-давно, в палеозойскую эру, именно членистоногие, предки современных насекомых, пауков и многоножек, стали животными – первооткрывателями суши. Эти почти идеальные существа решительным маршем завоевателей прошли по всей зеленой планете, оккупировав своими бронированными телами все ниши травоядных и хищников. Только появление позвоночных с их невиданно массивными челюстями, лапами и клювами пошатнуло эту гегемонию членистоногих на земле.

Но вот можно ли позвоночных считать триумфаторами великой наземной войны – вопрос спорный. Я придерживаюсь мнения, что этой войне не суждено было состояться.

Каменноугольная Византия

Экзамен по зоологии беспозвоночных (в просторечии – «зэбэпэ») на первом курсе биофака считается центральным и тяжелейшим, и его успешная сдача – предмет моей особой гордости. Успев уже поднатореть в устных экзаменах, мы с товарищами планировали все, как шпионскую операцию. Попасть следовало к конкретному преподавателю, чья любимая тема была известна по отчетам предыдущих групп. Это само по себе требует некоторой сноровки. Неважно, что за вопрос был в билете, в моем случае следовало плавно подвести разговор к гигантским стрекозам каменноугольного периода. Это было делом техники – мне попались немертины, черви, которые запросто вырастают до метровой длины. Как тут между прочим не посетовать на отсутствие по-настоящему крупных насекомых? В глазах моего экзаменатора зажегся хитрый огонек, и он ударил ровно туда, куда мне было надо: как же быть с гигантскими стрекозами карбона? Мысленно уже раскрывая зачетку, я изобразил смятение, потер лоб, посмотрел в потолок и робко предположил, что хотя я, к сожалению, точно не знаю, но, возможно, это как-то связано с пассивным дыханием, с трахеями и с огромным количеством кислорода в палеозойской атмосфере. Зачетка на стол, взмах пера, все остались довольны.


Хлопок одной ладонью

Я хорошо понимаю, почему эта тема так интересует зоологов. Честно говоря, гигантские стрекозы карбона (например, Meganeura) волнуют и мое воображение, даже сильнее динозавров. Представьте себе всю жутковатую грацию стрекозы, только с размахом крыльев 70 см – как у небольшой чайки. Представьте себе мир, в котором это существо – царь зверей, верховный хищник. Это совсем другая планета. Теплая, влажная суша покрыта странными густыми лесами из гигантских хвощей и папоротников (цветковых не будет еще сотни миллионов лет), а царством животных правят насекомые и черви23. Если бы у меня была туристическая машина времени, то свою первую остановку я сделал бы в этом мире.

К каменноугольному периоду (он же карбон), на пике расцвета гигантских насекомых и природного богатства палеозойской суши, из океана на землю уже вышли новые претенденты на престол – позвоночные. Вскоре эти животные достигнут по-настоящему исполинских размеров, доберутся до каждого уголка планеты и взойдут там на вершины почти всех пищевых пирамид. Но ста миллионами лет раньше, в силурийский период, сушей безраздельно правили членистоногие. Казалось бы, у этих великолепно приспособленных существ был прекрасный шанс защитить свою Византию от нашествия позвоночных иноверцев.

КСТАТИ

Биологи сильны мнемоническими приемами. Тот факт, что в силурийский период жизнь на суше была представлена растениями и членистоногими, обозначается рифмой «силур шур-шур», а «девон – рыбы вон» знаменует выход позвоночных на сушу в девонский период. (Эти правила мне пересказал мой однокашник Йоха Колудар из своих еще школьных воспоминаний о гуру петербургского Дворца творчества юных – Сергее Викторовиче Барабанове.) Для запоминания последовательности периодов палеозоя есть свое правило в двух вариантах: «Каждый отличный студент должен курить папиросы» и «Каждый отличный студент должен кушать пончики» (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь). Почему студент обязательно должен делать вредные вещи, а не красиво писать или хотя бы крепко питаться, я не знаю. Лучшее же мнемоническое правило, на мой взгляд – это настоящая поэма, предназначенная для запоминания последовательности 12 черепных нервов (обонятельный, зрительный, глазодвигательный и так далее): «О Зиночка, голубка белокрылая, тебя одну лишь вижу я, бедная девочка печальная»[25].

Что же случилось с насекомыми палеозоя? Почему они уменьшились, вместо того чтобы стать еще крупнее и дать отпор новым захватчикам покоренной ими суши? Даже стрекозы карбона, столь занимавшие моего преподавателя на экзамене, по позвоночным стандартам не такие уж и гиганты – у многих птиц размах крыльев существенно больше. Гигантская стрекоза нас, конечно, напугала бы до смерти, но вряд ли бы съела целого 70-килограммового примата. Сегодняшние же стрекозы, вроде описанной выше, едва ли могут добыть себе на обед кого-нибудь из позвоночных крупнее юной саламандры или лягушки. Вместо этого они сами куда чаще оказываются добычей позвоночных – например, цапли, весьма скромной в боевом смысле птицы, для которой тем не менее страшный и брутальный хищник стрекоза не опаснее мухи.

Как так получилось? Почему стрекозы не едят цапель? Если были птеродактили, то почему никогда не было десятиметровых бабочек? Если есть слоны и жирафы, то почему нет муравьев размером с автомобиль?

Вопрос этот – не просто праздные фантазии. Членистоногие появились на суше первыми и никогда не переставали быть самой успешной, самой многочисленной и самой разнообразной группой животных за пределами океана. Мы, сухопутные позвоночные, формировались в условиях их тотального контроля над всеми доступными ресурсами суши. То, как мы решили эту проблему, определило все наше дальнейшее существование. Поэтому вопрос о гигантских стрекозах – это на самом деле вопрос о том, почему мы такие, какие мы есть.

Достаточно посмотреть на любое насекомое под большим увеличением, чтобы убедиться, что в соответствующем масштабе это не животное, а железный робот-убийца (загуглите изображение муравья или даже мухи под микроскопом). Если на улицы, построенные позвоночными для позвоночных, вдруг запустить муравьев размером с автомобиль, то зомби-апокалипсис этим позвоночным покажется игрой в пятнашки. Именно в изменении масштаба заключен ключ к нашему эволюционному выживанию. Наши огромные размеры – это единственное, что позволило нам преуспеть в мире, который был и остается империей насекомых.

КСТАТИ

Примеров позвоночных, питающихся беспозвоночными, несметное множество, несмотря на то что позвоночные всего лишь одна из ветвей животного царства, а беспозвоночные – это все остальные. Обратных примеров – беспозвоночных, питающихся позвоночными, – гораздо меньше.

В воде весовое преимущество позвоночных менее выражено, поэтому черви, охотящиеся на мелких рыбешек, или осьминог, скручивающий акулу, – не такая большая редкость. Личинки стрекоз, хорошо известные в этой необычной роли, тоже в основном охотятся в воде, хотя иногда вылезают на поверхность и прыгают на взрослых лягушек24. Но в целом на суше беспозвоночные сильно уступают позвоночным. Например, тот же осьминог, который в воде может сравниться с крупными рыбами, на суше превращается в бесполезную желеобразную массу. Чтобы посягнуть на позвоночное за пределами океана, нужно обладать скелетом и достаточными размерами, поэтому почти все беспозвоночные, которым это удается, – крупные членистоногие, зачастую ядовитые25. Можно упомянуть богомолов, которые, бывает, ловят не просто какую– нибудь там древесную лягушку, а взрослых птиц-колибри26, и сколопендр – дальних родственников насекомых, хищных многоножек, некоторые из которых охотятся аж на летучих мышей27. Однако самая насыщенная убийцами позвоночных группа беспозвоночных – это паукообразные. Если вспомнить скорпионов, пауков-птицеедов, сольпуг, способных откусить человеку чуть ли не полруки, то нет ничего удивительного в том, что боязнь пауков составляет особую категорию человеческих страхов. Впрочем, надо отметить, что подавляющее большинство пауков для нас совершенно не опасны. Это умные и чуткие создания, чье поведение под стать душкам– млекопитающим, брачные ритуалы в своей красоте уступают только птичьим, и даже их знаменитое орудие, паутина – смесь капкана и барабанной перепонки, – идея жутковатая, но, согласитесь, стильная.

Сила в квадрате

Увеличение в размерах – дело непростое. Гравитация, удивительная и во многом до сих пор таинственная физическая сила, зависит от массы притягиваемых объектов, то есть от количества вещества. Ее невозможно обмануть. Объект, к которому притягиваются наши тела, – планета Земля – как бы знает на расстоянии, сколько именно протонов, нейтронов и электронов в этих телах содержится, и тянет каждый из них с четко установленной силой в четко установленном направлении, которое мы называем «вниз». Животное, в котором в два раза больше вещества, будет притягиваться к земле ровно в два раза сильнее.

Далеко не все в организме подчиняется такой простой арифметике. Масса пропорциональна объему, а объем – это произведение трех измерений: длины, ширины и высоты. Чтобы получить животное в два раза тяжелее, в каждом из этих измерений его нужно вытянуть примерно на четверть: если растяжение в трех направлениях перемножить, то как раз и получится двойной объем, а значит, двойной вес. Мышцы и кости, соответственно, точно так же вытянутся на четверть в каждом направлении, а их вес вырастет вдвое. Но сила мышцы и прочность кости определяются не весом, а поперечным сечением, то есть произведением ширины и высоты, которое при увеличении каждой из сторон на четверть вырастет всего лишь на половину с небольшим. Что получается? Увеличивая животное вдвое по массе, мы усиливаем его всего в полтора раза. То есть наше животное при прочих равных теряет четверть силы из расчета на массу. Чем ты крупнее, тем тяжелее тебе противостоять гравитации.


Хлопок одной ладонью

В более широком смысле эта зависимость называется законом квадрата – куба. Смысл его в том, что масса зависит от куба длины, но многие другие свойства объектов зависят от квадрата длины, то есть площади, и изменяются масса и площадь непропорционально.

От площади зависят, например, потери поверхностью тела влаги и тепла, потребление легкими кислорода, прочность костей и многие другие факторы, которые приходится учитывать в эволюционном дизайне животного. Чем животное крупнее, тем меньше у него поверхности из расчета на массу, а это означает, что ему проще сохранять энергию и воду, но тяжелее поддерживать и перемещать собственный вес. Если микроскопические животные могут обходиться мягкими тканями, то на каком-то этапе увеличения условием устойчивости и мобильности становится скелет28.

В мире есть два типа скелетов: внутренний и внешний. Наш скелет внутренний: кости внутри, мышцы снаружи. У насекомых наоборот: мышцы прикреплены изнутри к наружному панцирю из хитина – экзоскелету.

КСТАТИ

Особая категория внутренних скелетов, к которым мышцы не крепятся, – «гидравлические скелеты», заменяющие червям и осьминогам твердые ткани наподобие того, как надувной матрас заменяет кровать.

У экзоскелета есть очевидный плюс: он одновременно работает броней. Наши мягкие ткани никак не защищены от атаки, тогда как пробить панцирь насекомого соразмерному животному очень трудно. Это колоссальное преимущество, в плане защитных свойств сопоставимое разве что с клеточной стенкой растений или грибов. Но это преимущество имеет оборотную сторону: наружный скелет мешает расти. Насекомое должно его сбрасывать каждый раз, когда хочет увеличиться в размерах. Необходимость линьки, или экдизиса, – фундаментальная уязвимость не только насекомых, но и всех членистоногих (включающих насекомых, ракообразных, паукообразных и многоножек), и даже еще более широкой группы, объединяющей их всех с круглыми червями-нематодами29. Эта последняя группа называется Ecdysozoa – как раз по научному названию линьки, то есть сбрасывания панциря-кутикулы, сопровождающегося скачкообразным ростом. Экдизозои представляют собой целое «мини-царство», можно сказать княжество животных, которые составляют львиную долю фауны суши.

Экдизис – это принципиальная вещь, которую мы, позвоночные, не делаем. Как животные на фоне растений и грибов когда-то остались верны «мягким» традициям эукариот, так и мы на фоне гегемонии экдизозой нашли в себе мужество быть мягкотелыми.

У экзоскелета есть еще один недостаток: если его увеличивать, оставляя массу постоянной, то он очень быстро становится бесполезно тонким. Поэтому для поддержания массы, скажем, как у лошади, насекомому потребовался бы скелет совершенно неподъемного веса28. Не слишком понятно, как бы насекомое дорастало до такого веса – ведь при каждой линьке насекомое-лошадь превращалось бы в груду мяса.

Позвоночные с их внутренним скелетом гораздо более уязвимы с наружной стороны, но зато ничто не мешает им непрерывно расти и накапливать вес, не теряя поддержки скелета. В этом и есть наше историческое кредо: если от насекомых нельзя защититься, надо бросить попытки и поставить все на рост.

И все-таки успех позвоночных не всегда был таким очевидным, каким он кажется сейчас. Пусть насекомые физически не способны соперничать с сегодняшними бегемотами и тиграми, но в середине палеозоя насекомые были более крупными и умели летать, а позвоночные – более мелкими и еле вылезали из воды, поэтому теоретически все могло сложиться иначе. Помогло нам еще одно преимущество, которое стало решающим к концу палеозоя: дыхание.

Воздух в мешке

Жабры – орган дыхания преимущественно подводный, легкие – наземный, но, как ни странно, необязательно. Формально говоря, жабры от легких отличаются тем, что легкие – это мешок для кислорода внутри тела, опутанный кровеносными сосудами, а жабры – тот же мешок, только вывернутый наизнанку, так, что сосуды у него внутри, а сам мешок торчит во внешнюю среду28.


Хлопок одной ладонью

Легкие хуже подходят для водной среды, потому что в воде по сравнению с атмосферой мало кислорода. При 15 °C в литре воды его в 28 раз меньше, чем в литре воздуха. Если бы рыбы дышали легкими, то им бы приходилось качать туда-сюда огромные объемы воды и тратить все свои силы на пыхтение. В таких условиях жабры эффективнее: рыба плывет вперед, а вода непрерывно их омывает (это напоминает непрерывное питание червей, впервые открывших прелести двусторонней кишки). В итоге через жабры за единицу времени успевает протечь больше воды, чем через легкие.

На суше же рыбы задыхаются точно так же, как люди под водой. Если вдуматься, то причины этого совсем не очевидны – кислорода же должно быть больше! Проблема в том, что жабры представляют собой гребни из тончайших складок, между которыми обычно протекает насыщенная кислородом вода. Эти складки мягкие и нежные, что помогает лучше впитывать кислород, но на суше, без поддержки воды, они склеиваются, как мокрые волосы. Площадь поверхности падает почти до нуля, и рыба задыхается.

Можно ли теоретически решить эту проблему? Оказывается, можно. Ее решил, например, пальмовый вор, также известный как кокосовый краб: родственник рака-отшельника, живущий на суше и дышащий жабрами. Эти жабры у него элементарно более твердые, что позволяет их поверхностям не склеиваться28. Результат – ни много ни мало самое большое наземное беспозвоночное, бронированное чудище размером с собаку, ужасающее своими размерами, но вообще-то к агрессии совершенно не склонное. (Фотографию пальмового вора рекомендую загуглить, но предупреждаю: зрелище не для слабонервных.)

КСТАТИ

У пальмовых воров – наземные жабры, а у морских огурцов – подводные легкие. Впрочем, огурцы впитывают кислород всей поверхностью тела, так что их легкие просто увеличивают площадь впитывающей поверхности.

Так что в принципе наземные жабры возможны. Но наземные животные, чьи предки рыбы, конечно, дышали жабрами, на каком-то этапе столкнулись с фундаментальной проблемой жизни на суше: высыханием.

В органе дыхания по определению должен осуществляться газообмен, поэтому из него обязательно будет выпариваться и вода. Следовательно, задача животного – получить максимум кислорода при минимальных потерях влаги. Легкие позволяют временно изолировать объем воздуха от окружающей среды и собрать из него кислород, не теряя воду. Вода теряется только при выдохе, тогда как если бы легкие были вывернуты наизнанку, вода бы терялась постоянно.

Этот баланс газообмена и высыхания очень похож на дилемму, которая стоит перед наземным растением. Тому нужно впитать из воздуха максимум углекислого газа и потерять минимум воды. Растение решает проблему, закрывая устьица, что изолирует воздух внутри листа и позволяет собрать из него углекислый газ, не теряя воду. В каком-то смысле растениям тяжелее, чем нам, потому что углекислого газа в атмосфере куда меньше, чем кислорода, так что растению приходится делать больше «вдохов» и терять больше воды.

Строго говоря, вдохом и выдохом газообмен у растения не назвать, потому что эти слова подразумевают движение воздуха, а растение в силу своей неподвижности воздух не качает. Оно просто раскрывает клапаны, которые позволяют воздуху проникнуть внутрь. Интересно, что насекомые, первые животные завоеватели суши, своим уникальным способом дыхания больше всего напоминают именно такой пассивный газообмен растений. Насекомые тоже не качают воздух вдохами и выдохами. Вместо этого их тело пронизано системой полых трубок, или трахей, которые, как листья растений, открываются во внешнюю среду клапанами. Эти трахеи, как воздушные капилляры, напрямую доставляют воздух прямо к органам, густо ветвясь, например, около мышц. «Сосуды» на крыльях насекомых – это тоже трахеи.

И легкие, и жабры работают в сотрудничестве с кровеносной системой (фактически это интерфейсы «кровь – среда»). У человека именно кровеносная система организует доставку кислорода к тканям. Трахеи насекомых же отличаются тем, что отделяют дыхание от крови. У насекомых сосуды распределяют только питательные вещества, а кислород доставляется к тканям по выделенной линии трахей.

С одной стороны, это отличная идея, потому что в газах молекулы двигаются гораздо быстрее, чем в воде, так что при определенных габаритах животного полые трубки снабжают его внутренности кислородом быстрее и эффективнее. Но работает это только при маленьких размерах. Если насекомое сильно увеличить, то кислород не будет успевать поступать в глубину его тканей в достаточном количестве для поддержания их жизнедеятельности.

В этом-то и состоял ответ на хитрый вопрос на экзамене по ЗБП. Гигантские стрекозы карбона могли существовать потому, что в атмосфере было больше кислорода, а значит, верхний предел размеров насекомых был выше30, 31. После карбонового периода уровень кислорода стал убывать, и насекомые уже никогда не вернулись к прежнему гигантизму.

В случае с позвоночными кислород двигается по жидкости, которая активно качается сердцем. Низкая скорость движения кислорода по жидкости компенсируется, во-первых, скоростью движения самой жидкости, то есть высоким кровяным давлением, а во-вторых, красными кровяными тельцами, или эритроцитами. Это клетки-пустышки, забитые до отказа гемоглобином. Как помнит читатель, это красный белок, который связывает кислород. Благодаря гемоглобину в крови в десятки раз больше кислорода, чем в принципе растворимо в воде32.

Самое главное в нашей системе дыхания – то, что она, в лучших традициях царства животных, основана на активном движении. С одной стороны, это активная вентиляция легких вдохами и выдохами, а с другой стороны, активный отвод кислорода от легких кровеносной системой. Все это безумно затратно, однако позволяет обеспечивать кислородом органы на большом расстоянии от легких, а значит – позволяет нам быть крупнее. Ради размеров позвоночные готовы на все. На горизонте видна мезозойская эра – эпоха гигантов.

Дыхание палеозоя

Можно сказать, что в насекомых чувствуется палеозойская логика.

Насекомые формировались во времена, когда суша становилась зеленой, а атмосфера насыщалась огромными количествами кислорода. Их главной экзистенциальной проблемой была вода. Поэтому вместо принципиально возможной системы вдохов-выдохов они выбрали дыхание с минимумом потерь влаги.


Хлопок одной ладонью

В те первые беззаботные миллионы лет на суше насекомым незачем было быть крупными, потому что вокруг не было никого крупнее. Их наружный скелет в таких условиях прекрасно защищал от нападений, а трахеи, как воздушное волокно, пропитывали тело кислородом.

Что вообще значит «быть крупными»? Все зависит от точки зрения. Насекомые были гораздо крупнее, например, круглых червей (это преимущественно микроскопические родственники наших глистов, которые, по одной из версий, изначально попали на сушу в качестве паразитов насекомых23). Вопрос размеров для животных стоит точно так же, как вопрос стеблей для растений: большой стебель нужен тогда, когда вокруг есть другие большие стебли. До появления позвоночных насекомые не могли и представить, какие размеры в принципе допустимы, если у тебя есть позвоночник. Они оказались неподготовленными к конкуренции с этой новой возможностью. Насекомые застряли в палеозое.

Так, по крайней мере, я всегда воспринимал традиционную версию событий из учебника. В траве сидел кузнечик, потом пришла лягушка. Представьте себе, представьте себе – и съела кузнеца. Палеозойская эра подходит к концу, костяная спина приходит на смену хитиновому панцирю.

Но победили ли мы насекомых?

С одной стороны, мы пришли в их дом и грозно встали на вершине экологической пирамиды. Это такое графическое изображение пищевой цепи: в основе пирамиды растения, над ними травоядные, над ними хищники, а сверху в учебниках раньше обязательно рисовали человека с гарпуном. Так или иначе, насекомым до позвоночных не дотянуться. Вроде бы победа.

С другой стороны, насекомым в целом до позвоночных нет никакого дела. Зачем им до нас дотягиваться? Даже несмотря на грандиозное увеличение биомассы наземных позвоночных за счет человека и скота, мы остаемся меньшинством в мире жуков, мух и гусениц. Их гораздо больше по всем статьям. Они превосходно живут и крайне успешны. Позвоночные, конечно, ими питаются, но в большинстве случаев для них это далеко не главная забота.

Кто вообще сказал, что оказаться на вершине экологической пирамиды – это победа? Хищником, вообще-то, быть тяжелее, чем травоядным. Чем дальше от первичного источника пищи – фотосинтеза, – тем больше энергии из этой пищи теряется. Вот было, допустим, 100 т травы. Этой травы достаточно для поддержания жизнедеятельности, скажем, 10 т зебр, а они в свою очередь прокормят всего тонну львов (потому это и пирамида, а не столб). То есть при превращении травы в льва теряется значительная часть энергетической ценности фотосинтеза. Поэтому в целом в природе чем выше ступень пирамиды, тем больше конкуренция. Чтобы выжить, льву нужно быть самым быстрым львом, а зебре нужно просто не быть самой медленной зеброй. Пирамида – всего лишь символ, который можно с таким же успехом перевернуть, и тогда мы будем не на вершине экологической пирамиды, а на дне экологической ямы. Это даже лучше отражает суть вопроса: чем глубже – тем дальше от солнца.


Хлопок одной ладонью

Можно сказать, что мы стали большими и таким образом победили насекомых, а можно сказать, что из-за непобедимости насекомых в их весовой категории нам пришлось отрастить дорогостоящие гигантские тела. В маршрутах следования органического вещества по экосистеме нет победителей или побежденных – есть просто возможности, реализованные одними или другими существами.

В этом, пожалуй, главный урок всей авантюры жизни на суше. На первый взгляд, нет ничего более противоестественного, чем жизнь вне воды. Но в жизни нет правил, есть только возможности и их реализация. Жизнь просачивается всюду, куда она принципиально может просочиться. Если существует нереализованный способ быть, то рано или поздно жизнь его найдет. Никто наперед не знает, через какую трещину она просочится и как потечет дальше, но, однажды найдя лазейку, жизнь уже не поворачивает назад. Поэтому мы все платим за повороты судьбы своих предков: и морская черепаха, закапывающая яйца в песок, и несчастный ананас, фотосинтезирующий под палящим солнцем, и стрекоза в клюве цапли, и мы, люди, со своим катастрофически дорогостоящим организмом.

Человек – это звучит гордо. Но за эту гордость – колоссальную в размерах, молниеносную в движениях, раскаленную до биохимических пределов разумную машину собственного тела – мы дорого платим. Сколько времени, сил и ресурсов уходит на выращивание всего одного полноценного нового человека? За то же время тысяча поколений насекомых успевает родиться, прожить жизнь, оставить потомство и умереть.

7. Когда кончается свет

Белоглазая чудь дальше смерти не хочет взглянуть.

Жалко, блюдец полно, только не с кем стола вертануть,

чтоб спросить с тебя, Рюрик.

Иосиф Бродский. Конец прекрасной эпохи

Представьте себе динозавра в естественной среде обитания.

Представили? Хорошо. Попробую угадать картинку у вас перед глазами.

Готов поспорить, что ваш динозавр стоит на двух ногах, как тираннозавр или велоцираптор. Если вы представили нечто четвероногое и рогатое вроде трицератопса или длинношеее вроде диплодока, жму вам руку, вы большой оригинал. Хвост вашего динозавра, рискну предположить, направлен вниз, а то и вовсе лежит на земле, образуя нечто вроде третьей ноги. Кожа у него, я думаю, гладкая и чешуйчатая, как у змеи. Вообще больше всего он напоминает гигантскую ящерицу в позе «служить».

Оглядимся вокруг. Светит яркое солнце, правильно? Бьюсь об заклад, что вокруг густой тропический лес. Кто в этом лесу живет? Вероятно, другие динозавры. Кто летает в небе? Птеродактиль. Кто плавает в море? Ихтиозавр. Я не знаю пределов вашей фантазии, но для большинства людей мир динозавров – это вещь в себе. Период в истории планеты, населенный исключительно крупными ящерами. Этот период известен каждому школьнику под названием юрского. И каждому же школьнику известно, чем юрский период заканчивается: вымиранием динозавров, за которым следует появление человека.

Этот образ – сплав научной реконструкции, голливудского монстра и детского мультфильма. В нем масса неточного и неоднозначного. Например, хвост у бегущего тираннозавра не свисал вниз, а торчал параллельно земле или даже вверх1, 2. Кожа у большинства динозавров была не голой, а покрытой пухом или перьями3, 4. Ихтиозавры и птеродактили – не динозавры5. Юрский период – только средний из трех периодов настоящего «века ящеров», мезозойской эры6. Но главное, чего не хватает усредненному культурному образу эпохи динозавров, – это нас.

Человек – млекопитающее. Млекопитающие – это вовсе не потомки динозавров. На эволюционном древе не провести прямой линии от велоцираптора к человеку. Но от кого-то же мы произошли, и этот кто-то должен был существовать до динозавров и каким-то образом пережить все их царствование, чтобы потом, после их вымирания, произвести на свет нас. Раз мы в итоге оказались сильнее динозавров в гонке за выживание, что помешало нам появиться до того, как они вообще возникли?

И не князя будить, динозавра

В прошлой главе мы обсудили истоки нашей наземной родословной. Она восходит к рыбам, которые в девонский период палеозойской эры («девон – рыбы вон») вылезли на сушу и стали наполовину сухопутными амфибиями. Через миллионы лет среди амфибий появились амниоты – благодаря своему водонепроницаемому яйцу первые по-настоящему наземные позвоночные. Все это случилось задолго до появления динозавров. Вокруг летали гигантские стрекозы. Воздух был наполнен кислородом.

В этой главе древо позвоночных будет продолжать ветвиться, порождая новые группы в пределах групп в пределах групп – так уж устроена эволюция. Чтобы за этими группами было проще уследить, нужна хорошая аналогия.

Так вот, допустим, что наземные позвоночные – это династия Рюриковичей. Не удивляйтесь, сейчас все станет понятно.


Хлопок одной ладонью

Рыба с мускулистыми плавниками, впервые заползшая на берег в поисках добычи или переправы, была этаким Рюриком, основателем династии наземных позвоночных. Через миллионы лет один из ее земноводных потомков – подобно Владимиру Великому, принявшему византийскую веру, – изобрел полностью наземное амниотическое яйцо.

Наш последний общий с динозаврами предок в учебнике истории шел бы следующим, так что назовем его Ярославом Мудрым. Как именно выглядели эти наши предки, неизвестно, но скорее всего, как жабоящерицы. Поскольку Ярослав Мудрый был амниотом, то есть полностью сухопутным позвоночным, это уже была точно не лягушка и не жаба. Но его ближайшие известные родственники среди амфибий были небольшими насекомоядными животными наподобие ящериц, так что и прародитель амниот, наверное, выглядел похоже7.


Хлопок одной ладонью

Пермский период, последний в палеозое, – это как последний сезон почти любого драматического телесериала: ясно, что будет плохо, неясно только, как именно. Идиллия райского сада со стрекозами начинает рушиться уже в последних сериях предыдущего сезона – каменноугольного периода.

В каменноугольный период, он же карбон, суша в районе экватора была покрыта непрерывным поясом теплых, влажных джунглей. Там преобладали насекомые, а среди позвоночных основной группой были амфибии, хорошо приспособленные к жизни в лужах и болотах. Но к концу карбона климат стал меняться, становясь более сухим, что привело к коллапсу этого тропического леса. Бескрайние джунгли распались на мелкие леса, разделенные малопригодными для жизни проплешинами. Некогда единая империя суши раздробилась на мелкие княжества, каждое из которых боролось за собственное выживание в условиях меняющейся среды8, 9.

В этот момент, когда в конце карбона непрерывный влажный лес раздробился на мелкие и более сухие, настал час амниот. Сначала Владимира Великого, а за ним Ярослава Мудрого. Со своей способностью переносить сухие условия амниоты к концу палеозоя вытесняют амфибий, привязанных к воде. Те уже никогда не достигнут былых размеров и разнообразия.

И вот главная причина, по которой я ввожу эту аналогию с Рюриковичами. Внуки настоящего Ярослава Мудрого, как известно знатокам отечественной истории, разделились на два вечно воюющих между собой клана: Мономашичей и Ольговичей. Точно так же и потомки «жабоящериц», царивших в карбоновом лесу, к концу палеозоя разделились на два клана.


Хлопок одной ладонью

Эти кланы, зародившиеся еще в палеозойскую эру, существуют и по сей день. Как мы увидим, их противостояние, продолжающееся сотни миллионов лет, во многом определило возникновение и предков человека. Мы, люди, как и все прочие млекопитающие, принадлежим к первому из двух кланов. К нему же относятся древнейшие из крупных ящеров. Динозавры, возникшие позже, а также современные птицы и рептилии (ящерицы, черепахи, крокодилы) относятся ко второму клану.


Хлопок одной ладонью

Первый клан, к которому принадлежим мы, носит название синапсид (Synapsida). Второй – зауропсид (Sauropsida). Синапсиды – это Мономашичи, а зауропсиды – Ольговичи. Изначальное первенство среди двух этих ветвей в карбоновый период, последний в палеозое, однозначно захватывают синапсиды, то есть Мономашичи.

Дырка в голове

Поскольку о древних позвоночных мы знаем почти исключительно по костям, вся их классификация основана на дырках в черепе, форме таза и тому подобных отличительных признаках. Называются они тоже зачастую по этим костяным различиям. Вплоть до Ярослава Мудрого у позвоночных были тяжелые черепа, покрывающие голову сплошной броней. Среди амниот приобретают популярность более легкие, замысловатой формы черепа с отверстиями и дугами10.


Хлопок одной ладонью

Первыми с дырявым черепом начинают экспериментировать синапсиды, тем самым отделяя себя от сестринской группы зауропсид. Возможно, в этом и есть причина доминирующего положения синапсид среди амниот на протяжении карбонового периода. Слово «synapsida» обозначает наличие в черепе этих животных скуловой дуги – костной структуры, обрамляющей дырку позади глаза. Изначально эта дуга была просто следствием появления отверстия, но у человека оно давно исчезло, а вот дуга сохранилась, хоть и хитро изогнулась. Вы можете нащупать ее у себя в скуле над нижней челюстью (проще всего это сделать, найдя изображение человеческого черепа в интернете).

С одной стороны, дырка в черепе, изобретенная родоначальником синапсид (Мономахом), облегчила нашим предкам их тяжелый череп, составляющий львиную долю массы скелета, и, следовательно, позволила быстрее двигаться. С другой стороны, к образовавшейся дуге стало удобно прикреплять жевательные мышцы, что, как нетрудно догадаться, помогло синапсидам жевать11.

Не будет преувеличением сказать, что мы, синапсиды, постигли жевание во всех его проявлениях.

Синапсидам принадлежит честь в очередной раз (вслед за ранними эукариотами и медузоподобными животными) изобрести хищничество11, 12. На этот раз имеется в виду способность наземного животного питаться другим животным такого же, а иногда и большего размера – сравните, например, размеры волка и буйвола. Вплоть до этого момента позвоночные царили над насекомыми благодаря своим исполинским габаритам. Теперь же размер перестал быть гарантией безопасности: зубастые гиганты дорастили челюсти до того, что замахнулись друг на друга.

Зубастым синапсидам карбонового периода приписывают еще одну, менее брутальную, но не менее важную заслугу. Среди них впервые в родословной позвоночных появилась травоядность13.

Как это ни странно, с физиологической точки зрения травоядность – непростое предприятие14. Казалось бы, что может быть более присуще животным, чем поедание растений? Зеленое царство – это самый крупный запас съедобной энергии в мире. Ешь не хочу. Но далеко не всю энергию, имеющуюся в теле растения, может из него извлечь тело животного. Попробуйте-ка съесть полено.

Принципиальное ограничение, затрудняющее для нас, животных, переваривание растений, заключается в отсутствии ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Это главный компонент их клеточной стенки и химическая основа большинства растительных волокон, включая волокна бумаги и так называемую клетчатку (строго говоря, это вообще все растительное, что мы не можем переварить). В полене, правда, есть еще лигнин – совсем уж непробиваемый органический полимер, склеивающий волокна целлюлозы в прочную структуру, напоминающую железобетон. Но целлюлозы и ее производных значительно больше по массе15.

Фермент для переваривания целлюлозы – целлюлаза – встречается у бактерий. Почти все известные травоядные выживают за счет наличия у них этих бактериальных симбионтов, расщепляющих за них растения. То есть питаются они, строго говоря, не растениями, а продуктами брожения этих растений у себя в желудке, что не очень эффективно: существенная часть продуктов брожения улетучивается в виде газов.

КСТАТИ

У жвачных, современных экспертов в травоядном деле, все устроено еще более странно. Коровы питаются даже не просто бактериальным супом, а инфузориями, сложными мохнатыми одноклеточными, населяющими рубец, отдел коровьего желудка. Эти инфузории, как это ни смешно, тоже не умеют переваривать целлюлозу и пользуются для питания все теми же бактериальными симбионтами, которых носят внутри своей клетки. Такое многократное превращение энергии означает многократные же потери энергии, что гораздо менее эффективно, чем если бы у коровы просто была собственная целлюлаза.

Вообще-то, это удивительно. Принципиально корова могла бы расщеплять целлюлозу безо всяких бактерий и лишних газов, как мы перевариваем крахмал (химически эти вещества очень похожи). Казалось бы, вот типичный пример сложной, но тем не менее очевидно решаемой проблемы. Решение даст любому животному колоссальное преимущество. Какое животное, кроме человека на диете, откажется от усвоения калорий в самом распространенном пищевом продукте мира? Травоядность в существующем виде, с бактериями и медленным брожением, связана с массой затруднений: она требует особых зубов, особого кишечника, гигантского желудка, способного вместить большое количество еды, и постоянного, непрекращающегося, монотонного поглощения пищи. «Что делал слон, когда пришел Наполеон?» – вопрошает детская загадка. Слон щипал траву, потому что чисто статистически любое травоядное животное проводит бóльшую часть своей жизни что– нибудь жуя. А все из-за неспособности нормально расщеплять целлюлозу. Тем не менее даже сегодня практически все травоядные в этом принципиальном аспекте своей жизнедеятельности полагаются исключительно на бактерии[26]. Почему же эволюция не решила эту проблему раз и навсегда?


Хлопок одной ладонью

Я задерживаюсь на этом моменте, потому что, на мой взгляд, он в очередной раз иллюстрирует цену эволюционных инвестиций – плату за решения предков, которая лежит на каждом живом существе. Изобретения в сфере обмена веществ – как вскрыть молекулу, как добыть энергию, как обезвредить кислород – требуют именно бактериальной эволюции, возможности перебрать за сутки тысячу поколений и испробовать тысячу случайных вариантов. Животные, особенно позвоночные, такие сложные существа, что они не могут себе позволить экспериментировать с чем-то настолько маловероятным, как изобретение нового фермента. Их эволюция почти всегда направлена на новые формы и комбинации уже имеющихся молекул и клеток. Чтобы создать что-то новое на молекулярном уровне, им гораздо проще прибегнуть к помощи бактерий, устанавливая их в свой организм как готовые метаболические блоки, переваривающие целлюлозу, изготавливающие витамины, обезвреживающие токсины и так далее.

Почему у коровы нет целлюлазы? Видимо, потому что предки всех животных – губки – питались бактериями, у которых нет целлюлозы. А к тому моменту, как животные стали поедать растения, они уже были слишком сложными, чтобы изобретать новые ферменты.

В общем, синапсиды – они же Мономашичи, наша собственная ветвь амниот, – еще в конце палеозойской эры создали модель того, что в дальнейшем получит название «мегафауны». Это мир гигантов и их сложных взаимоотношений. Если раньше крупные позвоночные были увлечены тем, что поедали мелких насекомых, то теперь на первый план стали выходить внутренние распри среди этих огромных животных. Мегатравоядные, ходячие фабрики брожения травы, достигают гигантских размеров: огромный, кряжистый эстемменозух, например, и внешним видом, и образом жизни напоминал бегемота, только с массивным хвостом и рожками, как у Шрека. Параллельно возникают мегахищники, которые переключаются с гусениц и жуков на эту новую, сверхпитательную добычу – жирного Шрека, сидящего в реке. Например, горгонопсы напоминали саблезубых кошек со слегка змеиными очертаниями зубастой головы. В общем, возникают все элементы знакомой нам живой природы, собственно пирамида из нескольких уровней похожих существ, поедающих друг друга, – и верхние ярусы этой пирамиды занимают не динозавры, а синапсиды, наши близкие родственники.

Путешествуя на туристической машине времени, свою вторую, после эпохи гигантских стрекоз, остановку я сделал бы именно в этом мире. Увы, эта первая, палеозойская, версия мегафауны просуществует недолго. Мономашичей ждут тяжелые времена.

КСТАТИ

Особенность всего ископаемого состоит в том, что оно, в отличие от неископаемого, не имеет традиционных названий (типа «кошка» или, скажем, «Великая Отечественная война»). Это дает палеонтологам массу поводов отличиться. Если ученому выпадает шанс обнаружить и назвать, допустим, целого большого зубастого зверя, это создает и искушения, и креативные возможности (с подобным сталкиваются еще исследователи микроорганизмов и насекомых, среди которых нового всегда хватает). В итоге возникают такие замечательные казусы, как саблезубый горгонопс православлевия (названный в честь описавшего его профессора П. А. Православлева), который, отметим, входит в Соколковский комплекс позднетатарской эпохи северодвинской фауны вместе с другим горгонопсом: иностранцевией. Эта самая иностранцевия, конечно, названа в честь русского геолога А. А. Иностранцева, а геологические периоды обычно названы по месту раскопок, но, согласитесь, сложно не увидеть драмы народов в соперничестве иностранцевии и православлевии в позднетатарскую эпоху.

Пятьсот Помпей

Плато Путорана на северо-западе Среднесибирского плоскогорья – в числе самых удаленных и диких мест в мире. Дороги туда не ведут, мобильной связи нет, из людей туда ездят считаные сотни туристов в год. Как всегда в таких случаях, с одной стороны, радует, что такое место остается затерянным и нетронутым, но, с другой стороны, ужасно обидно, что про ошеломляющую красоту такого масштаба почти никто не знает. Путорана – это сибирский Большой Каньон, одними своими пейзажами достойный такой же мировой славы. Но это не просто живописное место, а краеугольный камень эпох, сыгравший центральную роль в истории жизни на Земле19, 20.

Из космоса видно, что Путорана – заснеженное нагорье, в которое, как корни растения, густо ветвящимися трещинами прорастают многочисленные долины. Это разломы базальта, затвердевшей вулканической магмы, из которой состоит плато. Путорана принадлежит к геологической формации под названием Сибирские траппы. Трапп – это «провинция вулканов», результат масштабного, катастрофического излияния лавы на протяжении очень долгого времени. В данном случае лава в течение миллиона лет разливалась по территории размером с Западную Европу, образовав в итоге одно из крупнейших базальтовых отложений в мире.

Вообразить такое событие непросто. Я мысленно измеряю извержения вулканов в «Последних днях Помпеи». На этом великом и, несомненно, научно достоверном полотне Карла Брюллова античные белые статуи падают к белым стенам античных дворцов, а античного вида белокурые младенцы и всадники на белых конях гибнут в черно-красном зареве пылающего Везувия. Очень страшно. Можно пойти в Русский музей и, стоя перед этой картиной, представить, что весь этот ужас (случившийся в 79 г. от Рождества Христова) продолжается до сих пор, причем на территории, скажем, всей Италии, и будет продолжаться еще столько же, и так еще 500 раз.

Сибирские траппы – надгробный камень палеозойской эры. Колоссальное извержение этой вулканической провинции привело к вымиранию существенной части жизни на земле. Именно это вывело на мировую сцену до тех пор малозаметную группу амниот под названием архозавры, к которым относятся большинство знаменитых мезозойских «завров». Среди них и та самая ветвь, известная каждому школьнику: динозавры.

Всем известно, что история динозавров заканчивается их вымиранием. Далеко не так широко известно, что начинается она тоже с вымирания, причем значительно более крупного. У него несколько названий: пермская катастрофа, пермо-триасовая граница (по названиям граничных периодов палеозойской и мезозойской эры) или просто Великое вымирание.

Месть Ольговичей

Пермская катастрофа – событие таких масштабов, что простых и понятных причин и следствий у него нет и быть не может. Незадачливые животные и растения, оказавшиеся вблизи от извержения вулканов, конечно, погибли быстро. Но остальная жизнь на планете не столько рухнула, сколько завяла – постепенно, медленно и трагически. О том, как именно протекал этот процесс, до сих пор ведутся споры. Ясно, что вулканы изверглись и что в итоге палеозойская жизнь погибла. Что же касается последовательности событий, связывающих Сибирские траппы с Великим вымиранием, здесь ясности мало. Возможно, всему виной глобальное потепление, вызванное подземными газами, почерневшим небом и бесконечными пожарами, следы которых видны в геологической летописи21. Возможно, закисление океана вулканическими газами22. Возможно, резкий выброс в атмосферу метана, то ли по чисто физическим причинам23, то ли из-за очередного микроба, испортившего воздух24.

КСТАТИ

Помимо связи вулкана с дальнейшим массовым вымиранием, есть вопросы и к самим вулканам. Казалось бы, извержения происходят случайно и непредсказуемо, поэтому никаких тайных сил за извержением Сибирских траппов быть не может. Однако есть ряд специалистов, которые доказывают, что всему виной метеорит, ударивший в южное полушарие планеты – будущую Австралию или Антарктику25, 26. От мощного столкновения земная кора якобы лопнула с противоположной стороны, что и привело к вулканической катастрофе. В это верят далеко не все, потому что однозначных следов такого метеорита в ископаемых пермского периода не обнаружено. Некоторые ученые, впрочем, утверждают, что следы существуют: в антарктических отложениях подходящего времени найдены следы благородных газов, по некоторым признакам похожих на инопланетные25. Так что не исключено, что в конечном итоге Великое вымирание имеет космические истоки.

Как война между двумя народами происходит не по воле одних правителей, а в силу всего исторического процесса в целом, так и любое массовое вымирание не происходит по одной причине. Палеозой рано или поздно должен был закончиться, отличный студент рано или поздно докурить свои папиросы, и если бы не изверглись Сибирские траппы, то в конце концов их роль сыграло бы что-то другое.

Это ясно хотя бы потому, что предзнаменования конца света при желании можно было заметить задолго до извержения вулканов. Первым был коллапс каменноугольных джунглей, осушение и дробление единого влажного леса. С падения этого райского сада началось царствование полностью наземных позвоночных, амниот. Вторым было резкое снижение концентрации кислорода в атмосфере. К концу карбона содержание кислорода в воздухе упало больше чем наполовину по сравнению с роскошным карбоновым периодом: в те времена кислород составлял до 30 % атмосферы, а в конце палеозоя всего 13 %27. Огромные участки суши – все, что хоть немного приподнято над уровнем моря, – становились необитаемыми потому, что там было нечем дышать.

Причины этого кислородного кризиса связывают со снижением отложений каменного угля, давших название каменноугольному периоду. Изобильные дни карбона были чем-то вроде кислородной финансовой пирамиды. В обычных условиях растения превращают углекислый газ в биомассу, выделяя при этом кислород, а животные, грибы и бактерии затем превращают биомассу обратно в углекислый газ, кислород при этом потребляя. Если все сбалансировано, то содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере не меняется. Но в болотах карбона наработанная фотосинтезом биомасса, вместо того чтобы поедаться животными или перерабатываться грибами, откладывалась в форме угля в огромных, планетарных масштабах. Это было вызвано, во-первых, подходящими климатическими условиями, а во-вторых, появлением у растений древесины, которую еще сложнее переварить, чем просто целлюлозу. В конечном итоге грибы, например, изобрели соответствующие ферменты и научились разлагать дерево, но в каменноугольный период они этого делать еще не умели, так что растения оставались непереваренными28.

Поскольку на каждую молекулу несъеденной биомассы в атмосфере оставалось несколько молекул неизрасходованного кислорода, это привело к его постепенному накоплению. Этим и объясняется кислородное богатство карбона, а с ним – неслыханное разнообразие и размеры животных этого периода. Когда климат изменился и болота осушились, биомасса перестала в них откладываться и вместо этого стала постепенно окисляться, что привело к падению уровня кислорода и исчезновению гигантских насекомых. Занятно, что сегодня, сжигая каменный уголь на электростанциях, мы как бы доводим этот процесс до его логического конца.

Все эти предвестия катастрофы произошли задолго до того, как извержение Сибирских траппов поставило точку в летописи палеозоя. Причина Великого вымирания – не вулканы и не метеориты, а просто конечность всего материального. В противостоянии этой конечности – вся суть жизни на Земле.

Через миллионы лет пожары потухнут, а небо прояснится. Солнце засияет, как раньше, моря снова наполнятся рыбой, а на сушу вернутся леса и новые виды животных. Знакомый доисторический пейзаж с диплодоками в тропическом лесу относится к этому далекому будущему юрского периода. Но колыбель великих ящеров, грозных динозавров мезозойской эры, – это не Эдемский сад, а черно-красная безысходность карбоновой катастрофы. Именно Великое вымирание позволило зауропсидам-Ольговичам восторжествовать над синапсидами-Мономашичами.

Гадкие лебеди

О динозаврах, по сравнению с большинством животных, когда-либо населявших нашу планету, мы знаем очень много: во-первых, кости хорошо сохраняются в окаменелой форме, а во-вторых, это всем интересно. Тем не менее наше представление о том, как они выглядели, весьма условно.

На картине «Последний день Помпеи» античные статуи, свергнутые Везувием на землю, изображены девственно белыми. Мы в принципе представляем древних римлян и греков в основном в белых декорациях – так для нас выглядит их античный мир. На самом деле, это представление ошибочно: просто краски за тысячи лет стираются и блекнут, поэтому до нас зачастую доходит только белый камень. В древнегреческом и древнеримском искусстве смело использовались яркие краски – некоторые более достоверные современные репродукции этих произведений вообще выглядят, как детская раскраска29, 30. В основном наша ассоциация белизны с «чистотой» античной скульптуры сформирована эпохой Ренессанса, которая, следуя этому ошибочному представлению о древних римлянах, кодифицировала квазиантичную эстетику в форме голого мрамора Микеланджело.

Свою великолепную книгу «Все вчера» (All Yesterdays) палеозоолог Даррен Нэйш и палеохудожники Джон Конвей и Севдет Мехмет Козмен делят на две части: «Все вчера» и «Все сегодня»31. В первой они воображают динозавров, какими те могли бы быть – не потому что имеются доказательства, что протоцератопсы умели лазать по деревьям, утконосые динозавры были толстыми, как поросята, а плезиозавры маскировались под кораллы, а потому, что такое в принципе можно представить на основании имеющихся ископаемых – ведь ни поведение, ни жировая ткань, ни окраска не сохраняются в окаменелостях. Нет никаких причин, почему у динозавров не могло быть причудливых орнаментов, неожиданных брачных ритуалов, разноцветного оперения или просто частей тела, до нас не дошедших. Например, если бы мы откапывали не динозавров, а носорогов или оленей, мы бы ничего не знали об их рогах, потому что те состоят не из костей, а из кератина, как волосы и ногти. Вторая часть книги – «Все сегодня» – как раз про это: она состоит из реконструкции современных животных, как если бы их восстанавливали археологи будущего. Самым страшным зверем на основании одного скелета оказывается гиппопотам, корова превращается в грациозную антилопу, а отвратительные лебеди своими длинными, заостренными передними лапами протыкают мелкую добычу.

В общем, реконструкции динозавров (как и античного мира) всегда были и остаются отчасти фантазией художника. Что, впрочем, не мешает нам постепенно повышать в них долю достоверности.

Динозавры приобрели известность в середине XIX в. Традиционно они считались медлительными, неповоротливыми, тупыми, холоднокровными созданиями. Скульптуры Бенджамина Уотерхауса Хокинса в лондонском Кристал-Палас-парке, например, изображают динозавров большими, толстыми ящерицами на слоноподобных ногах2. Собственно, и слово «динозавр» означает «ужасная ящерица».

Этот викторианский образ резко изменился во второй половине XX в. во многом благодаря одному динозавру, дейнониху, и одному человеку, американскому палеонтологу Джону Острому. Скелет дейнониха в начале 1960-х гг. ему показал другой палеонтолог, Барнум Браун. Вглядевшись в тонкие, изящные очертания динозавра размером со взрослого мужчину, Остром задумался о том, что вообще представляла собой эта группа животных. Дейноних был совсем не похож на медлительную ящерицу или сонного крокодила. Он выглядел легким, подвижным, ловким, почти прыгучим, с острыми зубами и огромными когтями, готовым быстро мчаться за убегающей жертвой. Острома осенило: перед ним совсем не «ужасная ящерица», а нечто совсем другое – ужасная птица.

Сегодняшний образ динозавра – это во многом следствие культурного шока, произведенного в 1993 г. фильмом «Парк Юрского периода». По сюжету ученые воскрешают динозавров, выделив их кровь из комара, застывшего в янтаре, и клонировав оттуда ДНК. На самом деле такое невозможно по целому ряду причин: во-первых, насекомые в янтаре не столько застывают, как во льду, сколько растворяются, как в кислоте, оставляя только твердые части (правда, те доходят до нас в великолепной форме, поэтому янтарь – все равно бесценное окно в прошлое). Во-вторых, ДНК как макромолекула в принципе не сохраняется столько времени. Сегодня ученые регулярно бьют рекорды древности ДНК, выделенной из каких-нибудь неандертальских костей, но речь идет максимум о нескольких сотнях тысяч лет. Временной предел сохранности ДНК оценивают в 0,4–1,5 млн лет32, а от заката динозавров нас отделяет 65–66 млн лет. Так что если клонирование мамонта представить вполне реально33 (он жил всего несколько тысяч лет назад), то воспроизвести сюжет фильма вряд ли возможно.

Для автора «Парка Юрского периода» Майкла Крайтона[27] именно дейноних, тот самый динозавр, вдохновивший Джона Острома, стал прототипом одного из самых запоминающихся персонажей будущего блокбастера: велоцираптора34. Настоящие велоцирапторы были мельче и выглядели бы не очень страшно, но в остальном эти виды похожи, из-за чего в фильме произошла путаница в названиях, и в народном сознании дейнонихи стали велоцирапторами. Так или иначе, от «птичьего» озарения Джона Острома к фильму 1993 г. можно провести прямую линию.

На основании своих наблюдений Остром высказал революционное для своего времени предположение, что птицы – это и есть динозавры. Зоологи к тому моменту знали, что птицы произошли от каких-то пресмыкающихся (рептилий). Но мало кто видел в них прямых потомков знаменитых мезозойских ящеров. Именно это доказывал Остром, ссылаясь на массу сходств между современными птицами и ископаемыми динозаврами.

Остром оказался прав. Сегодня родство птиц и динозавров – установленный факт. За последние десятилетия выяснилось, что многие динозавры были быстрыми, ловкими1, разноцветными35, возможно, умными36, быть может, даже теплокровными, как птицы37. Некоторые заботились о потомстве38, 39 и друг о друге (судя по следам заживления тяжелых травм)40, вили гнезда41, общались звуками (а может, и чем-то вроде песен)42, лазали по деревьям43. Большинство динозавров, согласно современным представлениям, были покрыты не гладкой змеиной кожей, а перьями или, по крайней мере, пухом44. У многих были клювы45. Собственно современные птицы – это одна из групп динозавров, пережившая вымирание большинства своих сородичей. Птиц от остальных динозавров отличает всего несколько продвинутых особенностей46, главная из которых очевидна: птицы умеют летать.

Джон Остром не просто сделал динозавров подвижнее и эффектнее. Он отменил их вымирание. Динозавры не вымерли – они до сих пор полноправные и весьма успешные представители земной фауны. Если исключить человека и домашний скот, то биомасса наземных позвоночных примерно поровну поделена между млекопитающими и птицами47. Мономашичи и Ольговичи продолжают делить между собой планету, пусть и не совсем на равных условиях: все сегодняшние гиганты принадлежат к млекопитающим, а динозавры после мезозоя, как и насекомые после палеозоя, довольствуются обычно весьма скромными, птичьими размерами.

«Птичья гипотеза» Острома стала фактически переоткрытием динозавров, вызвавшим кипучую палеонтологическую активность, которую даже называют «динозавровым ренессансом»: ученые бросились с новым энтузиазмом откапывать этих ускоренных, птицеподобных ящеров. Лично для меня интереснее даже не столько тот факт, что динозавры – это птицы, сколько тот факт, что птицы – это динозавры. С того момента, как я это окончательно усвоил, я стал по-другому смотреть на орлов, попугаев, скворцов, ворон. Мне приятно думать, что красочный, причудливый, музыкальный, воздушный мир этих необычайных существ дает нам возможность вдохнуть мезозойский воздух, одним глазом взглянуть на утерянное, но, несомненно, столь же красочное и бесконечно разнообразное прошлое. За это я благодарен тому тесному сплетению науки и фантазии, которое представляет собой искусство палеореконструкции.

Ну а что же «Парк Юрского периода»? Забавно, что в 1993 г. фильм шел в ногу с прогрессивной наукой и именно тем покорил сердца целого поколения. Но к 2019 г. «Парк» разросся до франшизы индустриальных масштабов, и стандарты зрелищности возобладали над научностью. «Научные» динозавры с каждым годом все больше и больше напоминают гигантских злобных птиц. Но тираннозавр-трясогузка и зубастые страусы выглядят, увы, не так брутально, как змеекожий ящер, так что продюсеры фильма остаются верными этому устаревшему образу двуногой ящерицы. Хотя, по-моему, с перьями было бы куда интереснее.

Мономах уходит в тень

Итак, в пожарищах Великого вымирания гибнет палеозойская мегафауна. Среди жертв – родственные нам синапсиды– Мономашичи, первые настоящие крупные хищники и травоядные суши. Хрупкий природный баланс, поддерживающий амбициозное существование этих огромных, энергетически дорогостоящих животных, нарушается легче всего. Им не хватает еды, воды, кислорода. Они уступают место видам мелким, неприхотливым, простым, всеядным.

Среди горстки выживших Мономашичей оказываются листрозавры, похожие на инопланетных свиней48, 49. Они получают неожиданное распространение на первых этапах постапокалипсиса. Как мыши по заброшенному чердаку, эти тупорылые существа снуют по выжженной земле, вдыхая жидкий вулканический воздух в разросшиеся легкие. Судя по необычной форме их черепа («листрозавр» означает «лопатоящер»), они хорошо рыли землю и, возможно, даже жили в тоннелях, как кроты50. Интересно, что если в карбоне листрозавры были размером примерно с крупную свинью и весили около 200 кг, то в триасовый период, после Вымирания, они уменьшились до размеров средней собаки и стали размножаться в более юном возрасте51.

Такая миниатюризация, или «лилипут-эффект», отражает общую стратегию видов, которым удалось пережить пермскую катастрофу. Это стратегия сокращения расходов. В условиях конца света, когда ресурсов мало, а шансы внезапно умереть велики, большое долгоживущее тело – слишком большая роскошь для генов, путешествующих с ним сквозь поколения. Выживают те, кто снижает стоимость организма и ускоряет процесс его воспроизведения.

Для нас этот «лилипут-эффект» имеет значение, потому что, помимо листрозавров, схожим образом изменилась еще одна выжившая группа Мономашичей – цинодонты52. А это – наши прямые предки53.

Цинодонты, или «собакозубые», напоминающие страшноватых больших крыс, тоже существенно уменьшились в размерах в результате Великого вымирания. Как мы вскоре увидим, эта изначально вынужденная мера в конечном итоге окажется одним из принципиальных условий, определивших наше происхождение. Среди цинодонтов ближе к концу мезозоя возникнут млекопитающие (также известные под простым, красивым и древним названием «звери»). После вымирания крупных динозавров они взойдут на вершину пищевой пирамиды и останутся там до наших дней.

Но пока крысоподобные цинодонты вместе с вездесущими лопатомордыми листрозаврами остаются жалкой тенью былого величия синапсид, Мономашичей. На фоне пепелища оживает другая ветвь эволюционного древа амниот – зауропсиды, Ольговичи, и главную роль среди них получает до сих пор малозаметная группа архозавров. К ним относятся и небесные птерозавры, и наземные динозавры.


Хлопок одной ладонью

Почему зауропсиды, и в частности архозавры, пришли к успеху именно после пермской катастрофы – один из самых неоднозначных вопросов зоологии. Большинство учебников и статей сдаются, ограничившись общими фразами вроде «им благоволили условия». Но что именно в этих условиях благоволило именно зауропсидам, а не синапсидам? Почему зауропсиды выросли в размерах и расплодились в бесчисленных вариациях, а синапсиды из саблезубых гигантов превратились в крысовидных лилипутов?

Догнать и перегнать

Пожалуй, самое интересное в дихотомии зауропсид и синапсид – это то, что, несмотря на древность этого раскола, обе ветви на протяжении сотен миллионов лет остаются поразительно похожими друг на друга. Благодаря этому то одна, то другая выходят вперед. Обычно крупные эволюционные победы окончательны. У насекомых, например, в силу чисто физических причин просто не было шансов занять место позвоночных после того, как те объявились на суше. Точно так же сложно представить, например, чтобы амфибии вдруг одолели амниот. Но зауропсиды с синапсидами вечно дышат друг другу в спину, и от этого-то их борьба так увлекательна.

В ходе этого противостояния оба клана по многим статьям будто подражают один другому. Синапсиды называются синапсидами, потому что у них в черепе есть дырка с дугой, куда крепятся жевательные мышцы. На самых ранних этапах раскола именно это их и отличало от зауропсид, но вскоре и те, будто спохватившись, стали украшать череп разнообразными дугами и дырками. Дошло до того, что сегодня у зауропсид змей весь череп – одни сплошные дуги с дырками, а у синапсид людей эту нашу знаменитую изначальную дугу еще надо поискать.

КСТАТИ

Те или иные формы отверстий в черепе позади глаз сегодня есть у всех пресмыкающихся и птиц, за одним исключением: черепахи. Причем по современным представлениям такой сплошной черепаший череп – это вторичное приобретение, то есть происходит он от дырявого черепа более древних зауропсид, а не наоборот (как считалось раньше). Это забавно: у черепахи, получается, тяга к сплошной броне распространяется даже на голову, пусть и в ущерб жевательным мышцам. Зачем кусаться, когда ты – танк?

Другой пример «подражания» синапсид и зауропсид друг другу – это наши сердца. У более примитивных в этом смысле видов, например лягушек, сердце трехкамерное: в нем два предсердия, но всего один желудочек. У людей (синапсид) и птиц (зауропсид) сердце четырехкамерное. В четырехкамерном сердце, в отличие от трехкамерного, единый желудочек разделен на два, благодаря чему артериальная и венозная кровь не смешиваются. Это позволяет полностью разделить так называемый малый круг кровообращения (круг, в котором кровь течет от сердца к легким и обратно, насыщаясь кислородом) и большой круг кровообращения (в котором кровь течет от сердца к остальным тканям и обратно, раздавая кислород). В результате достигается более высокая концентрация кислорода в крови, а значит, повышается эффективность дыхания. Как и дуги в черепе, повышающие эффективность жевания, это видоизменение сердца синапсиды и зауропсиды осуществили независимо друг от друга.


Хлопок одной ладонью

Такое явление называется конвергентной эволюцией. Дельфины, например, произошли от наземных зверей, а ихтиозавры – от наземных ящеров, и эти их предки не были похожи друг на друга. Войдя в воду, и те и другие по внешним признакам стали походить на типичных рыб, причем почти одинаковых. Они независимо сошлись на одном и том же признаке: гидродинамически обтекаемом теле с плавниками. Это и есть конвергентная («сходящаяся») эволюция.

Из будущего параллельные пути синапсид и зауропсид смотрятся как противостояние двух держав, подражающих друг другу в бесконечной гонке вооружений. В этой гонке раньше впереди были синапсиды, но после Великого вымирания вперед вырвались зауропсиды. Чем же объясняется такой поворот событий в мезозойскую эру? Почему Ольговичи после сибирской напасти побороли Мономашичей?

Ответ остается неизвестным, но кое-что зауропсидам удалось реализовать лучше, чем синапсидам, и в этом может крыться объяснение торжества динозавров.

Воздушные жабры

Когда человек вдыхает, воздух устремляется внутрь легких, то есть мешка, опутанного кровеносными сосудами. Кровь отводит от легких кислород, и через секунду-другую человек выдыхает обедненный воздух в обратном направлении. Такой обратный ток совершенно бесполезен в плане дальнейшего насыщения крови кислородом: выдох нужен только для того, чтобы сделать новый вдох. Это досадная трата времени, снижающая суммарную эффективность дыхания54.

Дыхание птиц работает несколько иначе. Вместо того чтобы двигаться туда-сюда, воздух течет в одном направлении, с каждым вдохом и выдохом постепенно продвигаясь по легким. Фактически легкое превращается из мешка в замкнутую трубку, по которой воздух циркулирует в одном направлении, что достигается встроенными воздушными мешками, работающими как мехи. Благодаря этому кислород всасывается не только во время вдоха, но и во время выдоха, непрерывно. Такой усовершенствованный тип дыхания называется двойным.

Легкие птиц сочетают в себе достоинства обычных легких с жабрами. В воде жабры хороши тем, что они непрерывно омываются свежей водой, тогда как легкие нужно накачивать и опорожнять54. У наземных животных, как обсуждалось в прошлой главе, преобладают легкие, потому что в них лучше удерживается влага. Легкие птиц позволяют и по-рыбьему непрерывно дышать, и по-наземному бороться с высыханием. В результате птица способна за единицу времени впитать в себя больше кислорода, чем млекопитающее того же размера. Это легко продемонстрировать, если поместить мышь (дышащую обычным способом) и воробья (дышащего двойным способом) в гипобарическую камеру, имитирующую разреженный воздух на высокой горе. При понижении давления до уровня, соответствующего высоте 6100 м над уровнем моря, мышь с трудом ползает на брюхе, а воробей не просто хорошо себя чувствует, а летает как ни в чем не бывало55.


Хлопок одной ладонью

Традиционно считалось, что в этом и есть смысл воздушных мешков в птичьих легких: они помогают летать. Полет – чрезвычайно энергозатратный способ передвижения, особенно трудный на большой высоте, поэтому вполне логично, что он требует существенных физиологических инноваций. Двойное дыхание во всех учебниках описывается как классический пример птичьей адаптации к полету56.

Но недавно двойное дыхание было обнаружено у видов, явно не предпринимающих попыток взлететь: крокодилов. Оказывается, у них тоже есть воздушные мешки, которые также качают воздух сквозь легкие в одном направлении57.

Само по себе это, конечно, занимательно, но в действительности дело тут не столько в крокодилах, сколько в динозаврах. На эволюционном древе крокодилы и птицы – две выжившие ветви, с двух сторон примыкающие к вымершим ветвям мезозойских ящеров. Птицы – это последние выжившие динозавры, а крокодилы из всех ныне живущих видов – ближайшие к динозаврам не-динозавры. Поэтому черты сходства между крокодилами и птицами представляют для эволюционных биологов особый интерес: если что-то особенное есть и у тех и у других, то почти наверняка, оно было и в ветвях посередине, то есть и у диплодоков, и у велоцирапторов, и у всех остальных динозавров.


Хлопок одной ладонью

Выходит, двойное дыхание – свойство не только птиц, а вообще динозавров56–58, а то и всех зауропсид: после крокодилов оно было обнаружено и у ящериц, еще более дальних птичьих родственников58, 59. Это значит, что легкие с воздушными мешками должны были появиться задолго до того, как пернатые научились летать. Приходится заключить, что так дышали и первые динозавры, застолбившие за этой группой доминирующую роль в мезозойскую эру60. Такая способность пришлась бы как нельзя кстати в условиях катастрофической нехватки кислорода после Великого вымирания. Напрашивается предположение, что двойное дыхание и было адаптацией к этим тяжелым условиям, обеспечившей динозаврам их мезозойский успех.

То есть, согласно этой версии событий, причина выдвижения Ольговичей на историческую сцену в момент, когда династия Мономашичей потерпела свой пермский крах, – это улучшенные отношения с кислородом, тем самым едким газом, который уже не первый раз вершит историю планеты.

Культ Кислорода

Жизнь слеплена из углерода, но правит ею кислород, Шива-разрушитель. В далекой, микроскопической, одноклеточной древности фотосинтезирующие бактерии впервые извлекли его из молекулы воды и тем самым переписали правила жизни на Земле, вызвав «кислородный холокост» (а может, как обсуждалось в главе 3, нечто более медленное, вроде «великого кислородного замещения»). Противники кислорода были вытеснены его адептами, среди которых фанатичнее всех был наш домен эукариот, вообще неспособный существовать без дыхания. Чтобы поддерживать эукариотический организм, нужно жечь много топлива, а чтобы что-то сжечь, нужен Он.

Через сотни миллионов лет, прошедшие от происхождения первых эукариот, самые убежденные последователи культа Кислорода, животные, были подняты своим газообразным покровителем на вершины эволюционной роскоши. Соревнуясь друг с другом в мастерстве добычи и сжигания топлива, они отрастили себе огромные, тяжелые, дорогие тела, вечно жаждущие питания и огня.

Как будто рассердившись на них за эту жадность, Шива-Кислород отвернулся от жизни, и жизнь снова подчинилась его воле.

Первыми от нехватки кислорода погибли гигантские насекомые, потому что они со своим пассивным дыханием больше всех зависели от настроений атмосферы. Позвоночные тоже оказались в ситуации разорившихся богачей: и от старых привычек не избавиться, и новый бюджет не позволяет разгуляться. Пермская катастрофа стала логическим концом природы, опрометчиво посчитавшей свой запас кислорода неиссякаемым. Оставшиеся в живых боролись за каждую крупицу энергии: как бы побольше и получше вдохнуть, откуда бы выкопать хоть какую-нибудь пищу. В этой новой среде преимущество получили зауропсиды – до сих пор скромная группа позвоночных, которая умела дышать хитрым двойным способом и получать таким образом больше кислорода.

Пермское вымирание одинаково поразило всех крупных позвоночных, поэтому на первых порах после катастрофы и у зауропсид, и у синапсид могли быть шансы взобраться на освободившуюся вершину экологической пирамиды. Почему же тогда увеличились в размерах именно зауропсиды, а синапсиды уменьшились? Очевидно, для того чтобы увеличиться, надо много питаться. Чтобы много питаться, надо быть быстрее всех. Чтобы быть быстрее всех, нужны самые мощные мышцы. К этому должны были стремиться и синапсиды, и зауропсиды, поэтому в долгосрочной перспективе вопрос мог решиться разницей в доли процентов скорости или силы. Двойное дыхание, дающее мышцам больше кислорода, как раз и могло оказаться таким решающим фактором, из-за которого синапсидам было элементарно не догнать зауропсид. Это небольшое ускорение открыло зауропсидам путь к престолу мезозойской эры. Для синапсид же настали темные века.

Как и о насекомых, о динозаврах написаны тысячи книг, так что мы не будем задерживаться на них слишком долго. Для нас великие ящеры важны как главный фактор повседневной жизни наших предков на протяжении почти 200 млн лет. В следующую, кайнозойскую, эру, продолжающуюся до наших дней, млекопитающие выйдут из тени и триумфально займут место, освобожденное вымершими динозаврами. Но для этого им понадобится провести весь мезозой в борьбе за выживание в чуждом и беспощадном мире.

В темноте

В мультфильмах про динозавров никого из наших предков нет, потому что всю сложность их ситуации в двух словах не объяснишь. Про синапсид надо снимать полнометражное кино, лучше – несколько серий. Первая серия – про то, как жадные богачи, палеозойские синапсиды, остаются у разбитого корыта. Вторая серия – про то, как бедные потомки этих богачей, цинодонты, выживают во враждебном мире динозавров. Третья – про то, как дети этих бедняков, млекопитающие, снова становятся богатыми, но не забывают своего прошлого. Это не «Земля до начала времен», это «Крестный отец».

Первая серия, то есть карбоновая катастрофа и становление динозавров, проходит в декорациях вулканического апокалипсиса[28]. Вторая серия – поспокойнее, но не менее мрачная потому, что она почти целиком происходит ночью. Только в третьей серии ночь сменяется днем, и мир приобретает знакомые нам, людям, кайнозойские очертания.

Цинодонты, крысоподобные синапсиды, пережившие Великое вымирание и неспособные конкурировать с могучими ящерами, выжили, избегая с ними прямого контакта. Отчасти этому способствовала «лилипутизация» – резкое уменьшение в размерах. Как когда-то насекомые разошлись с позвоночными по разным весовым категориям, так и цинодонты ушли от конкуренции, сжавшись до несущественных, с точки зрения динозавра, габаритов[29]. К тому моменту в истории позвоночных крупным хищникам было уже не до козявок величиной с землеройку: им требовалась добыча столь же крупная, как и они сами. Так что отчасти нашим предкам помогла их скромность.

Но главной стратегией мезозойских синапсид под гнетом мезозойских зауропсид считается освоение ночного образа жизни62. Даже сегодня млекопитающие – это преимущественно ночная группа, в отличие от пресмыкающихся и птиц63. У дневных же зверей, появившихся после вымирания динозавров, масса признаков указывает на ночное прошлое, в первую очередь – в зрительной системе и других органах чувств64. В целом в условиях яркой освещенности птицы (то есть динозавры) видят дальше, четче и лучше различают цвета, тогда как млекопитающие лучше видят в темноте, а также лучше различают запахи, звуки и текстуры[30].

Например, в сетчатке глаз типичного млекопитающего по сравнению с другими позвоночными большое количество палочек (клеток-антенн, отличающихся высокой чувствительностью, но не различающих цвета), и небольшое – колбочек (клеток с меньшей чувствительностью, но независимо улавливающих свет разных цветов). Отличаются и сами колбочки. Цвета в них регистрируются фоторецепторами – специальными белками, реагирующими на определенные частоты световых волн. Чем больше разных фоторецепторов, тем больше цветов может различить мозг. Для рыб, амфибий, птиц и пресмыкающихся типичны четыре «колбочковых», то есть «цветных», фоторецептора в дополнение к одному «палочковому», «черно-белому». У большинства млекопитающих «цветных» фоторецепторов всего два. Сложно понять, зачем предкам млекопитающих понадобилось избавляться от цветного зрения, кроме как для того, чтобы расчистить место под высокочувствительное, «палочковое» зрение.

Главное исключение из общего «ночного» плана зрения млекопитающих – это человек и другие человекоподобные приматы, чье зрение по ряду статей снова обретает «дневные» признаки. У человека в сетчатке три «цветных» фоторецептора, что позволяет нам различать больше цветов, чем различают, например, собаки или кошки, которые, с нашей точки зрения, все страдают дальтонизмом. Человеческое зрение – это как бы возврат к цветам, в которые был окрашен мир палеозойских амниот. Но большинство млекопитающих до сих пор носят в глазах и других органах чувств черно-белый отпечаток ночного прошлого.

Итак, судя по ряду признаков, наши предки провели мезозой в темноте. В этом состоит замечательно названная гипотеза «ночного бутылочного горлышка». Это нелепое название (как будто про ночную потасовку с битьем бутылок) – забавный казус перевода в целом очень точного термина. В английском языке слово «bottleneck» – «бутылочное горлышко» – имеет образный смысл узкого прохода, ограничивающего свободное течение (то, что скорее можно выразить словом «перетяжка»), тогда как в русском языке «бутылочное горлышко» означает просто бутылочное горлышко. Важно то, что на фоне тысяч видов и колоссального разнообразия как динозавров, так и будущих млекопитающих, мезозойских цинодонтов, известна лишь небольшая горсточка – всего 10–20 родов, и все они более или менее похожи друг на друга: это маленькие насекомоядные зверьки, ведущие ночной или сумеречный образ жизни. От кого-то из этих редких зверьков и произошло все многообразие современных зверей, больших и маленьких, ночных и дневных.

До сих пор позвоночные предпочитали двигаться днем, а спать ночью (о том, почему животным вообще нужно спать, разговор впереди). Преимущества дневного образа жизни для дневного зверя человека очевидны: во-первых, днем лучше видно, во-вторых, днем теплее. Но в условиях, когда днем всем заправляют динозавры, ночь становится единственным возможным временем существования.

Цинодонты, вынужденные довольствоваться темным временем суток, развили ночное зрение и альтернативные органы чувств, чтобы справиться с первой проблемой ночи: низкой освещенностью. (Так, по крайней мере, гласит в целом общепринятая сегодня гипотеза «ночной бутылки».) Как мы увидим в следующих главах, кульминацией этих эволюционных инвестиций в новые способы познания мира стало возникновение коры больших полушарий. Этот верховный отдел мозга млекопитающих связывает органы чувств между собой, извлекая из их сигналов абстрактный смысл. Именно кора определяет большинство свойств нашего мышления и сознания. Так что нам есть за что поблагодарить динозавров, как благодарят строгих учителей после окончания школы.

Но если разнообразных органов чувств в природе несметное множество, то вот вторую проблему ночного образа жизни – низкую температуру – еще никто не пытался решить так, как ее решили мы.

Скорость всего

Есть такие силы природы, на которые жизнь никогда не пыталась повлиять: гравитация, например. Вплоть до XX в. ни одно живое существо (по крайней мере, из рожденных на нашей планете) не знало иной гравитации, кроме той, что действует на поверхности Земли. У живых существ могут быть приспособления к этой гравитации (кости, стебли), но нет органов, влияющих на гравитационное поле.

Ситуация с температурой, конечно, менее радикальна, но в целом похожа. Температура большинства живых организмов в природе в подавляющем большинстве случаев равна температуре среды, в которой эти организмы находятся. Вплоть до недавнего – в эволюционных масштабах – времени никому и в голову не приходило, что температура тела может отличаться от температуры среды.

До выхода животных на сушу такое было практически невозможно. Вода лучше проводит тепло, чем воздух. Поэтому, например, вода комнатной температуры кажется холоднее, чем воздух комнатной температуры. Наше тело одинаково горячее и того и другого, но если опустить руку в воду, то тепло теряется быстрее. (По той же, только обратной, причине вода при температуре 100 °C – это кипяток, а воздух при температуре 100 °C – это горячая, но вполне комфортная сауна.) Из-за того, что вода так быстро отводит тепло, в воде поддерживать температуру тела иную, чем сама вода, очень трудно. Выход же на сушу создает предпосылки для заигрываний с температурами тела, превышающими температуру воздуха.

В чем смысл этих экспериментов? Зачем животному может понадобиться быть горячее, чем диктует среда? Компьютеры, например, тратят массу энергии, чтобы наоборот, охладиться до температуры окружающего воздуха. Зачем же разогревать собственное тело?

Температура тела влияет на массу вещей в организме – можно сказать, что она влияет на все вещи. Но все, что температура с этими вещами делает, сводится к одной идее – скорости. Температура по сути и есть скорость, с которой молекулы носятся туда-сюда и бьются друг о друга (это то, что мы ощущаем как тепло). Вместе со скоростью молекул меняется скорость химических реакций. Вместе со скоростью химических реакций меняется скорость расщепления еды, скорость продвижения заряда по нервным клеткам, скорость сокращения мышц и все остальное, что делает организм. Поэтому более горячий организм – значит более быстрый организм.

Традиционное название этой новой идеи – что тело может быть горячее, чем среда, – это теплокровность. Противоположность ее, то есть исходный, наиболее распространенный вариант, при котором температура тела равна температуре окружающей среды, традиционно называется холоднокровностью. Сегодняшние зоологи предпочитают более детальные термины, отражающие стабильность / нестабильность температуры тела либо источник тепла в организме, но я постараюсь для простоты ограничиться «теплокровностью» и «холоднокровностью».

Сам факт жизнедеятельности уже повышает температуру тела, потому что жизнь состоит из превращений энергии из одной формы в другую, а при каждом превращении энергии часть ее всегда расплескивается в форме тепла. Из-за этого разогреваются процессоры, атомные реакторы, и точно так же от этого разогреваются мышцы и мозги. Так что живой организм по определению производит тепло. Просто для большинства животных количество этого тепла настолько незначительное, что оно внутри тела не задерживается.

Тепло теряется путем излучения или испарения с поверхности тела, а чем тело крупнее, тем меньше у него площадь поверхности из расчета на массу. Поэтому чем животное крупнее, тем медленнее оно остывает, как разогретая чугунная сковорода по сравнению с мелкой тефлоновой (поэтому же, кстати, два человека могут согреться, тесно прижавшись друг к другу). Крупное животное на суше просто благодаря своим размерам и базовой жизнедеятельности может накопить в себе достаточно тепла, чтобы быть стабильно горячее окружающего воздуха. Чем оно горячее, тем быстрее в нем протекает та же самая жизнедеятельность, которая это же тепло и производит. Химические реакции разогревают друг друга и тем самым разгоняют весь метаболизм. Это дает животному два принципиальных преимущества: во-первых, взвинчивает его физические способности, во-вторых, позволяет жить там, где раньше было слишком холодно.

Примерно так могла выглядеть промежуточная форма между холоднокровностью и теплокровностью65. Сам факт, что нашим позвоночным предкам удалось дорасти до гигантских размеров, говорит о том, что им удалось разогреть свои организмы, а следовательно, ускорить биохимические реакции в них протекающие, по сравнению с мелкими лягушками, чья температура тела совпадает с температурой среды. Викторианский образ «ужасной ящерицы», холоднокровной и медлительной, не учитывал тепловой инерционности крупного тела. Сегодня известны и другие признаки частичной теплокровности динозавров66. Судя и по оперению, и по механике движения, и по распространению динозавров в умеренных широтах, эти животные в своей эволюции стремились сохранить внутреннее тепло и успешно его сохраняли, что позволяло им быть мощными, быстрыми и почти наверняка горячими на ощупь.

Скорее всего, для наших предков синапсид до Великого вымирания тоже была характерна подобная форма промежуточной теплокровности. Такой вывод можно сделать на основании анализа формы носовых пазух, которые служат неплохим индикатором интенсивности метаболизма. При дыхании через нос воздух соприкасается с обонятельным эпителием, который улавливает запахи. Чем активнее обмен веществ, тем чаще животное дышит и, следовательно, тем сильнее у него этот эпителий высыхает. В результате у животных с более интенсивным метаболизмом носовые пазухи более сложные и разветвленные. Это связано с наличием дополнительной, необонятельной поверхности, увлажняющей воздух и защищающей тем самым обоняние67. По этому признаку в позднем карбоне у синапсид, в частности у крупных (20–100 кг) хищников, уже видны зачатки теплокровности68.

Таким образом, наши предки, после Великого вымирания загнанные динозаврами в «ночное бутылочное горлышко», оказались в положении, в котором до них еще никто не оказывался. Произойдя от едва ли не самых крупных животных в истории планеты на тот момент, они были вынуждены вновь уменьшиться до размеров лягушек, если не больших жуков. Логично предположить, что все их химические реакции, ферменты, клетки и нервные пути были приспособлены к большому и хотя бы частично теплокровному организму. Но, как должны были вскоре выяснить наши уменьшенные предки, поддерживать все эти метаболические привычки на неизменном уровне традиционными способами просто невозможно.

Если большому животному для сохранения тепла не нужно изобретать ничего сложного, то мелкому животному удерживать свою температуру тела выше температуры окружающей среды гораздо труднее. Килограмм слона при комнатной температуре отдает за час гораздо меньше тепла, чем килограмм мышей. У слонов с мышами может быть одинаковая температура тела, но у мышей гораздо больше суммарная поверхность тела. Поскольку тепло среде отдает именно поверхность, мышам требуется производить больше тепла, чтобы поддерживать ту же самую температуру тела, что и слон.

Какие варианты развития были у уменьшенных синапсид? Можно смириться и остыть. Ящерицы, например, тоже не накапливают достаточно собственного тепла в силу своих размеров. Зато ящерицы замечательно умеют греться на солнце и благодаря такой постоянной температурной подзарядке могут иметь вполне «теплую кровь» все активное время суток[31]. Ящерицы бегают довольно шустро, правда, по сравнению с настоящими теплокровными быстро выдыхаются69.

Однако возможности погреться на солнышке у синапсид в век динозавров не было, потому что те принудили их к ночному образу жизни. Так что оставалось либо совершенно лишиться уже столь привычных преимуществ разогретого организма и, медленно перебирая ватными лапами, шарахаться от ночных лягушек, либо придумать что-то совсем другое, безумное и немыслимое. Какой из вариантов выбрали наши предки, читатель, несомненно, уже догадался.

Взломать метаболизм

Теплокровность млекопитающих – это высоковольтный провод, который разрезали и сунули в ведро с водой. Раньше все тепло в организме производилось само собой, как побочный продукт полезных процессов – например, пищеварения и движения мышц. Млекопитающие же от недостатка тепла идут на, казалось бы, безумную меру: они ломают себе метаболизм таким образом, чтобы тратить больше энергии. Просто так, почти безо всякой пользы, только чтобы сгорали питательные вещества и становилось теплее70, 71.

Тепло – это форма, в которую энергия превращается по умолчанию, можно сказать, ее самое любимое состояние, к которому она постоянно стремится. Поэтому обычно задача живого организма состоит в том, чтобы, наоборот, предотвратить превращение энергии в тепло и направить ее в полезное русло.

Например, в митохондриях энергия, запасенная в пище, превращается сначала в высокую концентрацию протонов, которые закачиваются в пространство между двумя мембранами этой органеллы. Далее протоны, как из накачанного шарика (только в данном случае наоборот, из накачанной оболочки шарика внутрь шарика), устремляются струей обратно в полость митохондрии. Эта струя протонов раскручивает ротор вставленной во внутреннюю мембрану турбины – АТФ-синтазы. Та превращает энергию струи в АТФ – разменную монету, которую принимают все полезные ферменты клетки. Короче говоря, чтобы успешно превратить еду в полезные функции, нужно, чтобы протоны прошли сквозь АТФ-синтазу. Так вот, млекопитающие изобретают специальный белок, UCP1, который, как и АТФ-синтаза, вставлен во внутреннюю мембрану митохондрии и который, как и АТФ-синтаза, пропускает протоны, но, в отличие от нее, не делает ничего полезного[32]. Протоны утекают сквозь UCP1, а АТФ-синтазу никто не раскручивает72. Куда при этом уходит энергия? Теряется, то есть рассеивается в виде тепла.


Хлопок одной ладонью

Это все равно как если бы матросы пытались согреться, делая пробоины в бортах корабля. Митохондрия просто тратит энергию вхолостую. Именно «холостыми» митохондриями, богатыми UCP1, и забиты клетки такой типично звериной ткани, как бурый жир. «Жиром» эта ткань называется из-за обилия в этих клетках самого энергоемкого питательного вещества, а «бурым» – из-за обилия плавающих в ее клетках митохондрий. В отличие от обычного, белого жира, чей девиз – «потом пригодится», девиз бурого жира – «гори все огнем». Его митохондрии постоянно сжигают жир с производством тепла.

КСТАТИ

Мечта всей медицинской науки – целенаправленное превращение белого жира в бурый. Вот бы так, чтобы съел таблетку, а бока сами себя сожгли! В принципе, есть хорошо известные способы «забурить» себе белый жир (полученный самосжигающийся жир называют бежевым) и, соответственно, повысить уровень «холостого» сжигания калорий. Проблема такого похудения по методу цинодонтов в том, что один из способов вызвать «побурение» – хронический холод, а второй – активная физическая работа73–75. Так что придется выбирать, что вам больше нравится: тренажер или жизнь в холодильнике[33].

Хотя почти наверняка скоро подоспеет и таблетка76 – на дворе все-таки не мезозой.

Есть и другие процессы, которые тратят энергию без очевидной пользы, кроме тепла. Например, клетки млекопитающих с бóльшим рвением, чем у холоднокровных позвоночных, выкачивают наружу натрий и закачивают внутрь калий71. Эти положительно заряженные атомы, или ионы, по-разному распределены внутри и снаружи наших клеток. Натрия много снаружи, и он всегда стремится внутрь, а калий, наоборот, изобилен внутри и стремится наружу. Клетка постоянно трудится над тем, чтобы рассортировать эти ионы в обратном направлении – загнать калий в клетку, а от натрия избавиться, – и тратит на это уйму энергии. Но калий и натрий упорно продолжают течь туда, куда им хочется, поэтому потраченная энергия улетучивается в виде тепла. Поддержание баланса калия и натрия нужно, например, для проведения нервного сигнала нейроном или для выброса инсулина клеткой поджелудочной железы, но заодно это удобный способ пустить энергию на ветер. Еще один пример бесполезного действия, чей смысл исключительно в поднятии температуры тела, – это дрожание, то есть «холостое» сокращение мышц. Любопытно, что многими из этих процессов централизованно управляют гормоны щитовидной железы, которые у зверей как бы дирижируют бесполезными тратами энергии в организме70.

С человеческой точки зрения все это сжигание калорий звучит замечательно, потому что для среднестатистического современного человека проблема добычи питательной энергии просто не стоит. Какое-нибудь мороженое или, допустим, жареная картошка обеспечивают организм таким концентрированным количеством энергии, какого в природных продуктах не может быть в принципе. Для большинства из нас гораздо острее стоит проблема того, куда эту питательную энергию девать, чтобы она не нагружала нам тело гипертрофированными жировыми отложениями.

Но в природе так не бывает. Если еды много, значит, вскоре станет много едоков и еды станет мало. Так разбрасываться калориями, как это делает человек, может себе позволить только сельскохозяйственная цивилизация, искусственно производящая эти калории в планетарных масштабах. Поэтому на первый взгляд теплокровность млекопитающих – это сумасшествие. Организм типичного зверя потребляет раз в пять больше энергии, чем организм типичного пресмыкающегося54. Оправдать такие траты непросто.

На самом деле в этом-то сумасбродном решении и заключается революционность нашей теплокровности. Мы не просто производим тепло, не просто его сохраняем, не просто поддерживаем постоянную температуру в теле и не просто разогреваем его сильнее, чем среда. Все это в той или иной степени разными способами делают и другие животные. Мы, млекопитающие, расходуем колоссальное количество энергии исключительно для того, чтобы нагреть тело до неестественной температуры. Этот гамбит дорого стоит, но он делает нас самыми быстрыми животными на планете. Мы – как гоночные автомобили, которые плюют на расход топлива с одной целью: выжать из мотора максимум скорости.

При работе процессора главное – охлаждение, потому что процессор получает питание из розетки. Он ограничен не энергией, а угрозой плавления тонких деталей. Для большинства животных проблема таким образом не стоит: интенсивность их жизнедеятельности не достигает таких мощностей, чтобы произведенное ими тепло хоть сколько-нибудь на них отразилось. С развитием частичной теплокровности тепло организма начинает ускорять его работу. Но только среди полноценно теплокровных животных проблема охлаждения встает наравне с проблемой нагревания, потому что температура их тела, как и температура процессора, начинает приближаться к критическому значению, при котором вот-вот начнут ломаться клетки и молекулы. Из-за этого им приходится разрабатывать не просто «печку», а термостат, чутко реагирующий на колебания температуры и способный быстро отдать излишки энергии, например испарением пота. Звери, как процессоры в компьютерах, приблизились к пределам безопасных температур.

«Ночное бутылочное горлышко» из тяжелой вынужденной меры стало источником будущего могущества млекопитающих. Можно сказать, что уже в самом начале века динозавров предки зверей заложили фундамент для их дальнейшего триумфа: они развили целый спектр органов чувств, подключили их к новому, универсальному мозгу и разогнали его и все остальное тело до максимально возможной скорости. Осталось только ждать падения метеорита.

Дальше смерти взглянуть

Мезозойская эра началась в Сибири, а закончилась на Юкатане. Мексиканский полуостров, тот самый, где мы с товарищами наблюдали рожающую черепаху, знаменит своими сенотами – глубокими подземными колодцами с лазурной водой, изрезанной лучами тропического солнца сквозь провалы в земле. Индейцы майя считали сеноты священными вратами в царство мертвых. Коренные американские народы вообще обожают мертвых и имеют склонность видеть магические порталы в любом предмете с дырой, но в данном случае индейцы попали в точку.


Хлопок одной ладонью

На карте Юкатана видно, что сеноты образуют полукруг диаметром 180 км. Если мысленно замкнуть его в окружность, то ее центр придется на морское дно в нескольких километрах от побережья. Первые намеки на значение этой окружности стали появляться всего полвека назад – в 1970-е гг., а окончательно ее роль подтвердилась только в 2016 г., когда ученые пробурили центр круга и вытащили оттуда камни, расплавленные ударом одного из самых крупных метеоритов, когда-либо падавших на планету Земля77, 78.

Если сибирское плато Путорана – это надгробный камень палеозоя, то кольцо юкатанских сенотов – это усыпальница мезозойских динозавров. Оно представляет собой кайму Чикшулубского кратера, оставленного ударом космического валуна размером с крупный город. «Чикшулуб» на языке майя означает «дьявольская блоха», что как нельзя лучше описывает метеорит, прокусивший кожу планеты на десятки километров в глубину и вызвавший на ней очередную смену эпох, сопровождающуюся массовым вымиранием.

Вымирание крупных динозавров ставит точку на мезозое и возвещает начало новой эры, продолжающейся до сих пор: кайнозойской. Официально это вымирание называется мел-палеогеновым, мел-третичным или мел-кайнозойским. Меловой период – последний из трех мезозойских периодов (триас, юра, мел). Третичный период и палеогеновый период – это варианты определения первого периода кайнозоя по разным классификациям[34].

Как и в случае с предыдущим, Великим вымиранием, известно ключевое событие, вызвавшее новый природный катаклизм, но не очень понятно, как именно это ключевое событие привело к вымиранию динозавров. В первом случае это было извержение вулканов, теперь – удар метеорита (хотя «метеоритные» версии высказываются и про пермскую катастрофу). Что произошло дальше, не совсем ясно – сколько людей, столько и мнений. Метеорит упал в гипсовые отложения. Гипс состоит из кальция, серы и кислорода, и удар метеорита мгновенно испарил в атмосферу мегатонны серного газа, который, соединяясь с парами воды, превратился в серную кислоту79. Так что результатом должен был стать глобальный кислотный дождь, который некоторыми учеными считается основной причиной вымирания. Помимо кислоты, падение крупного метеорита должно было поднять в стратосферу груды осколков, которые в первые часы кайнозоя сыпались обратно на всю поверхность планеты дождем из раскаленных болидов80. По версиям некоторых экспертов, основной причиной вымирания были именно эти вторичные метеориты. Другие грешат на глобальное похолодание («метеоритную зиму») из-за затенения солнечного света, вызванного пылью и газами81. Еще одна группа ученых винит во всем пожары – точнее, один глобальный пожар, покрывший весь мир слоем сажи82. В разрезе осадочных пород дату 66 млн лет назад обычно легко опознать по тонкой черной полосе, отделяющей мезозой от кайнозоя. Этим зловещим фактом вымирание динозавров опять-таки напоминает Великое вымирание.

В общем, какая бы из причин ни была главной, мел-кайнозойское вымирание – это поразительное повторение уже, казалось бы, пройденного этапа в истории жизни на Земле: Великого пермо-триасового вымирания.

В конце палеозоя жизнью на суше заправляли большие синапсиды, а зауропсиды были их малоизвестной тенью. Пермское вымирание затронуло прежде всего самых крупных синапсид, уравняв в правах две эти ветви позвоночных. Но зауропсиды вскоре вышли вперед, возможно благодаря своей скорости, обусловленной более эффективными легкими. К концу мезозоя малоизвестной тенью были маленькие и ночные синапсиды, а лидерство принадлежало огромным зауропсидам.


Хлопок одной ладонью

Наконец настало время для, пожалуй, величайшего рондо всей истории планеты. Новое вымирание, будто бы поставленное по мотивам Великого, снова затронуло прежде всего всех самых больших животных. Только на этот раз ими были уже не синапсиды, а зауропсиды. В очередной раз два вечно конкурирующих клана уравнялись в правах. Но теперь на исторической сцене стояли уже не просто синапсиды, а млекопитающие: самые быстрые, самые сильные и самые умные существа на планете, выкованные миллионами лет тяжелой жизни. Вернув себе былые размеры, они победоносно вступили в разоренное царство динозавров и остаются там по сей день.

А что же динозавры? Как и синапсиды после карбона, они не прекратили свое существование. Просто из всего разнообразия этих мезозойских чудищ в живых остались только самые маленькие, вместо тупой силы сделавшие ставку на избегание непобедимого врага. Как и синапсиды, они нашли нишу, в которой крупным хищникам их не достать. Для нас этой нишей была ночь. Для птиц – выживших динозавров нашего времени – небо.

Вообще, между млекопитающими и птицами поразительно много сходств, идеально венчающих драму противостояния синапсид и зауропсид. Вплоть до человеческих времен их количество на суше было вполне сопоставимо. И те и другие распространены на всех континентах. И те и другие – самые развитые в нейробиологическом смысле животные в мире. Мозг птицы устроен иначе, чем мозг млекопитающего, но абстрактное мышление вороны не уступает интеллекту собаки.

Такому интеллектуальному развитию помогло еще одно наше сходство: высокая температура тела. Я описал теплокровность как уникальное изобретение млекопитающих, что было бы правдой, если бы птицы независимо от нас не изобрели то же самое. Если вспомнить примеры с черепами и сердцами, подобное между зауропсидами и синапсидами происходит регулярно: к хорошей идее ведут разные тропы. Несмотря на их преимущественно дневной образ жизни, температура тела у птиц еще выше, чем у млекопитающих, что помогает им так же быстро двигаться и даже летать. Этим же определяется географическое распространение наших групп: в отличие от мезозойских динозавров и других позвоночных, птицы и млекопитающие могут жить не просто в прохладной среде, а в снегах и на айсбергах.

Наконец, обе наши группы делают нечто, до сих пор неизвестное в природе: и птицы, и звери тратят существенную часть своей жизни на то, чтобы прокормить, вырастить и воспитать потомство. Некоторые специалисты даже считают, что именно преимуществами насиживания яиц объясняется появление теплокровности (ведь яйца когда-то откладывали и предки млекопитающих)83, 84. Как мы увидим в следующей главе, забота о потомстве – прообраз любой социальности, без которой не было бы языка, а значит, и современного человека.

Если у человеческого разума и был когда-то шанс появиться за пределами класса млекопитающих, то я бы сделал ставку на птиц. Кто знает, может, у зауропсид еще остались козыри на следующий конец света.

8. Зеркало

Делай меня точно, мама, –

Я хочу вырасти красивым.

Делай меня ночью, мама, –

Я не буду агрессивным.

Мумий Тролль

Крысы, как и люди, любят шоколад. Если кусочек шоколада поместить в прозрачный ящик, крыса быстро разберется, как ящик открывается, и с удовольствием съест свою награду. Но если рядом в таком же тесном ящике запереть другую крысу, то первая крыса освободит и товарища, и награду и поделится со спасенной крысой шоколадом1.

Почему крыса так поступает? Если исходить из того, что живые существа действуют всегда в собственных интересах, то неясно, зачем освобождать из тюрьмы конкурента за лакомство, тем более с ним делиться. Почему бы не съесть все самой, а уж потом при желании освобождать вторую крысу? Да и вообще, почему крысу обязательно должны волновать страдания незнакомого животного? Мух, например, такие глупости не волнуют.

Это явление, при котором один организм добровольно делает что-то полезное для другого организма, но при этом бесполезное или вредное для себя, называется альтруизмом. На первый взгляд в нем можно увидеть противоречие теории Дарвина, и сам классик по своему обыкновению на этот счет сильно переживал и много оправдывался. Альтруизм – по определению нечто, что не приносит пользу, а, наоборот, отнимает ресурсы. Почему же тогда естественный отбор не пресекает любые подобные нежности? Разве не будет крыса, съедающая всю шоколадку, сильнее крыс, съедающих каждая по половине?


Хлопок одной ладонью

На самом деле альтруизм не противоречит дарвинизму, а прекрасно в него вписывается. В этом, кстати, состоит главная мысль уже упоминавшегося опуса Ричарда Докинза «Эгоистичный ген» (The Selfish Gene). Все объясняется, если смотреть на жизнь не с точки зрения организмов, как мы обычно делаем, а с точки зрения информации. Жизнь действительно всегда действует в собственных интересах. Просто собственные интересы генов – живой информации – необязательно совпадают с собственными интересами организмов – машин для выживания этой информации.

Гены – это не просто куски ДНК, а их последовательность, то есть конфигурация, то есть абстрактная информация, заложенная в материальном носителе. Одни и те же гены одновременно существуют во многих организмах, как файл может одновременно содержаться на нескольких устройствах. То есть под контролем одного и того же гена одновременно находится не одно животное, а все животные, у которых есть этот ген.

В большинстве случаев генам выгодно, чтобы все им подконтрольные организмы думали только о себе: охотились на свою пищу, защищали себя от опасностей, производили максимум своего потомства. В типичных условиях это обеспечивает гену максимум размножения. Но бывают ситуации, когда гену выгоднее по-разному распределить роли между своими «машинами для выживания».

Сложные сообщества муравьев и пчел – это как раз пример такого перераспределения: из одного и того же генома происходят солдаты и рабочие, заботящиеся о потомстве, а также половые особи, это потомство производящие. Если рассматривать каждого муравья по отдельности, можно подумать, что рабочие и солдаты провалили экзамен по теории Дарвина и бессмысленно истратили ресурсы на производство собственных тел. Но с точки зрения генов они просто вспомогательные органы в целом крайне успешной машины.

Подобным образом можно рассматривать и альтруистичные наклонности других животных. Крыса, которая съедает всю шоколадку сама, выигрывает с точки зрения крысы. В краткосрочной перспективе это может помочь и ее генам: эгоистичная крыса оставит больше потомства, чем другие, которые остались без шоколада. Но рано или поздно наступят тяжелые времена, и в этой ситуации единственным способом выживания окажется сотрудничество. В таких условиях скорее выживут те крысы, которые друг другу помогают. Тот, кто спасает товарища из ящика и делится с ним шоколадом, с большей вероятностью сам оказывается спасен в аналогичной ситуации, поэтому «гены альтруизма» оказываются эффективнее в долгосрочной перспективе, чем «гены эгоизма». Альтруистичная крыса может проигрывать эгоистичной крысе с крысиной точки зрения, но при этом побеждать с генетической точки зрения. В общих чертах именно так звучит современное объяснение альтруизма.

Самая главная проблема этого объяснения состоит в том, что оно хорошо работает только в отношении близких родственников. Гену альтруизма нужны гарантии, что у окружающих тоже есть гены альтруизма, иначе альтруизм будет слишком опасным в долгосрочной перспективе: ты всем помогаешь, а тебе – никто. Если у двух организмов похожие гены, значит, они управляются отчасти единой силой. Если альтруизм выгоден одному, то с большой вероятностью он выгоден и другому. В результате возникает взаимопомощь, и гены альтруизма побеждают. Альтруизм в отношении братьев и сестер объяснить таким образом просто.

Гораздо сложнее объяснить, почему животных может нервировать факт страдания чужих, неродственных особей. Зачем генам спасать другие гены, если у них нет гарантий взаимности? Крыса, обученная добывать шоколад, безо всякого шоколада побежит к ящику с незнакомой крысой и освободит ее. Макака, обученная получать награду при нажатии кнопки, перестанет это делать, если одновременно бить током другую макаку2.

О том, как быть с таким неродственным альтруизмом, среди эволюционных биологов до сих пор ведутся споры. Возможно, отчасти дело в том, что альтруистическое поведение, которое мы пытаемся напрямую объяснить теми или иными силами эволюции, на самом деле лишь побочное следствие чего-то большего. Дело не в том, что отбор благоволит крысе, которая слепо помогает каждому встречному. Благоволит он той, которая понимает, что такое ящик; что, если тебя туда засунут, будет очень неприятно; и, самое главное, что крыса, которая там заперта в данный момент, ощущает себя именно таким образом.

За что капуцины не любят огурцы

Живые организмы во все времена реагировали друг на друга. Хищнику нужно опознать жертву, жертве – хищника. Пчеле нужно разглядеть цветок, а растению – найти гриб для микоризы. Светлячки привлекают друг друга вспышками света, а одноклеточные водоросли тем же методом отпугивают всех, кто к ним прикасается3.

Такие способы взаимодействия иногда называют «рефлекторными», от слова «рефлекс». Есть стимул: другая особь. Есть ответ: реакция организма. Этой реакции не нужно учиться, она уже отточена эволюцией. О ней не нужно думать, то есть комбинировать с другими знаниями, накопленными за время жизни. Врожденный рефлекс – это прямой контроль генов над поведением.

Но нам, людям, знаком и другой способ взаимодействия с окружающими, который иногда называют «рефлексивным», от слова «рефлексия». Мы не просто реагируем на других людей, как мы реагируем на яркий свет или на удар по коленной чашечке. Мы примеряем людей на себя – и именно это помогает нам их понимать. Человеческое общение – это не просто череда рефлексов, а активный мыслительный процесс, в котором чужой организм, с его ощущениями, эмоциями и умозаключениями, моделируется внутри нашего собственного сознания4.

Если рефлекторное взаимодействие – это стандарт поведения в царстве животных, то рефлексивное взаимодействие – уникальный случай. Вопрос в том, каковы границы этой уникальности. Пару веков назад подобные вещи считались исключительно человеческой способностью, продуктом биологического и культурного превосходства нашего вида над остальными животными. Сегодня ясно, что границы «рефлексивности» должны включать по меньшей мере других приматов, а как показывает пример с крысами и шоколадом – видимо, и других млекопитающих.

Приматолог Франс де Вааль в своих лекциях показывает великолепное видео про обезьян-капуцинов (его можно найти, загуглив «Capuchin monkeys reject unequal pay»). Рядом стоят две клетки с капуцинами, перед ними – ученый. Обезьяны знают, что если они дадут ученому камень, то получат съедобную награду. Но у ученого припасено две разных награды: огурец (что при отсутствии альтернативы обезьяну вполне устраивает) и виноград (то есть награда гораздо более вкусная). Обе обезьяны протягивают ученому камни, но одна получает огурец, а другая виноград. Поначалу первая обезьяна с удовольствием ест свой огурец и не капризничает. Но увидев, что второй обезьяне за ту же работу дают виноград, она в негодовании швыряет огурец обратно в ученого, высовывает руки из клетки, безуспешно пытаясь выхватить еду, затем подбирает еще один камень, проверяет его на прочность (может, у меня неправильные камни?), снова отдает ученому, но все равно получает огурец. Обезьяна приходит в полнейшую ярость, колотит клетку, дергает решетку и визжит на несправедливого ученого[35] как ужаленная5.

Для человека эти эмоции предельно понятны. Именно так мы реагируем на любую вопиющую несправедливость: лихорадочно пытаемся найти из нее выход, а если выхода нет, приходим в ярость. Но в этом-то и суть эксперимента: обезьянам-капуцинам никто не объяснял, что такое справедливость. Это чувство в них заложено от природы, генами, как тяга пчелы к цветку или тяга светлячка к вспышке света. Разница в том, что если реакция насекомого на свет – это рефлекс, то реакция обезьяны на несправедливость – это рефлексия.

Дело ведь не в том, что обезьяна так ненавидит огурцы. Внешний вид огурца сам по себе не вызывает у нее рефлекса отторжения. Если бы не было второй обезьяны, то поедание огурца было бы для первой обезьяны вполне приятным занятием. Дело в сопоставлении собственного опыта с опытом другого животного. Капуцин воображает себя на месте капуцина-соседа и, проделав такую мысленную операцию, осознаёт, что его собственный опыт не настолько хорош.

Именно так мы в принципе понимаем других людей. Когда мы смотрим на человека, испытывающего боль, мы отчасти воспринимаем эту боль как свою собственную, что видно, например, по активации тех же отделов мозга, что и при настоящей боли. Когда мы слушаем чью-то речь, мы повторяем чужие слова у себя в голове, как будто сами их формулируем. Это хорошо заметно на примере пациентов, страдающих афазией Вернике, при которой затруднена связь слов со смыслом. Чтобы понять, что им говорят, эти пациенты стараются как можно быстрее повторить услышанное – и если им это, хоть и с большим трудом, удается, то мысль до пациента доходит, а если нет, то он не понимает сказанного6, 7.

В 1990-е гг. в научной литературе пользовались популярностью так называемые зеркальные нейроны, в которых часть нейробиологов видела основу человеческой эмпатии и социальности8. Некоторые нейроны, как выяснилось, активируются, когда совершается какое-то действие, причем неважно, совершает его сам обладатель нейронов или кто-то другой, за кем он наблюдает. Например, макака тянется к игрушке на столе, и у нее в моторной коре активируется определенный набор клеток. Если к этой же игрушке потянется ученый, то у макаки активируются те же самые клетки, как бы «отражая» действие другой особи. Подобные «зеркальные нейроны» в моторной коре есть и у человека. Если их временно инактивировать (это можно сделать без хирургического вмешательства, с помощью безопасной электрической стимуляции), то у человека ухудшается понимание того, что делают другие люди9.

Сегодня «зеркальные нейроны» уже не считаются чем-то особым и магическим, так как понятно, что они всего лишь один из примеров общего принципа, по которому работает человеческая социальность10, 11. В данном случае мы моделируем в своей моторной, «двигательной» коре движения других. Но точно так же мы моделируем чужие эмоции в своей эмоциональной коре, чужие слова в своей языковой коре, чужую боль в своей болевой коре и так далее. Весь наш мозг – это одно большое зеркало.

«Рефлексия» – это ведь и значит «отражение». Этим словом выражается идея, на которой стоит социальность млекопитающих. Для человека эта идея интуитивна, а для большинства животных – немыслима.

Оно – то же самое, что я.

Миллиард лет одиночества

Типичное животное проводит взрослую жизнь в одиночестве, задумываясь о компании, только когда наступает время размножаться. Иногда даже и это необязательно. Рыба, например, может теоретически вылупиться из яйца, вырасти, отложить где-нибудь икру и умереть, не встретив за свою жизнь ни одной другой рыбы того же вида (хотя на практике такое, конечно, маловероятно). Но у млекопитающих есть по крайней мере один момент в жизни, когда мы гарантированно взаимодействуем с родственным существом: рождение.

Институт материнства существовал среди нашей ветви синапсид еще до динозавров. Самые ранние, палеозойские ископаемые, свидетельствующие о заботе о потомстве, были обнаружены в Южной Африке: скелет синапсида-матери и четверых ее детенышей12. Похожие семейные группы были характерны и для цинодонтов, более поздних мезозойских синапсид, от которых произошли млекопитающие13. Но этих наших предков от нас отличала важная деталь: они были яйцекладущими.

Когда-то в палеозое амниотические яйца с их водонепроницаемой оболочкой казались вершиной эволюционной биотехнологии. Благодаря им амниоты победили амфибий и распространились во все уголки планеты. Но в тяжелые времена мезозоя «сухопутные яйца» устарели. Не в силу своей сухопутности, а в силу сдвига эволюционных приоритетов. Если в середине палеозоя все заботились о влаге и высыхании, а к концу думали только о кислороде, то теперь свет сошелся клином на температуре.

Вынужденные уменьшиться и перейти на ночной образ жизни, предки млекопитающих столкнулись с проблемой чрезмерного охлаждения, которую они решили, резко увеличив интенсивность обмена веществ. Но уменьшенные яйца точно так же охлаждаются с повышенной скоростью, а сам зародыш еще слишком маленький, чтобы производить собственное тепло. Так что теплокровному животному, которое согрело само себя, нужно еще согреть потомство. Для этого надо либо все время сидеть на яйцах, либо просто засунуть их внутрь тела и так ходить14, 15.


Хлопок одной ладонью

Первым вариантом пользуются птицы. Из-за полета они не могут носить на себе лишний вес, так что вместо этого откладывают огромные яйца, которые лежат в гнезде. Это опасно, потому что, пока птица летает, яйца охлаждаются. Еще хуже то, что птичьи яйца – главный фастфуд природы, куча калорий безо всяких усилий, любимый всеми, кто может до них дотянуться. Но летают птицы в основном днем, когда яйцам не так холодно, и оставляют их обычно в недоступном месте, куда без крыльев не добраться. Так что для птиц периодическое насиживание хранящихся в гнезде яиц – вполне приемлемый вариант.

Для предков же млекопитающих такой номер бы не сработал, потому что они жили на земле и вели ночной образ жизни. Оставленные яйца неминуемо либо съедались бы, либо быстро охлаждались. Поэтому звери, в отличие от птиц, наоборот, уменьшают яйца до минимального размера, не запасая в них тепло или питательные вещества, а просто подключая их к материнскому организму изнутри, на весь период развития. Это называется беременностью.

Внутриутробное развитие позволяет млекопитающим долго развиваться в постоянно теплых условиях, что существенно расширяет возможности организма и повышает готовность к взрослой жизни. Но, помимо тепличных условий, у внутриутробного развития есть и менее очевидное эволюционное следствие: живорождение обеспечивает нам гарантированную встречу с матерью. В этой встрече и нужно искать истоки понимания людьми друг друга16.

В огне твоих расширенных зрачков

Млекопитающие – это профессиональные матери. Даже название этой нашей группы отражает не что иное, как материнскую заботу о потомстве, кормление своих детей собственным телом. У большинства современных млекопитающих женского пола, помимо млечных желез, есть и другой орган с похожей функцией – плацента, то есть интерфейс подключения зародыша к матери на время беременности. Млекопитающие настолько заботятся о потомстве, что превращают свое тело в ходячий детский сад.

КСТАТИ

Раньше считалось, что молоко – уникальный признак млекопитающих, но в последние годы выяснилось, что очень похожие вещества есть, например, у пауков17 и насекомых18. Так что название нашей группы несколько потеряло уникальность.

Со времен изобретения нашими одноклеточными предками анизогамии, то есть разделения труда между женской и мужской гаметами, забота о потомстве была почти по определению материнским делом. Сам факт наличия в яйце питательных веществ – это уже забота, а все остальное – просто новые версии той же самой идеи.

Тем не менее большинство млекопитающих матерей вовсе не рвутся заботиться о потомстве спонтанно. Для этого им требуется химическая подготовка беременностью19. Плацента на протяжении вынашивания плода извергает в материнский кровоток массу гормонов, без которых мышь, например, к своим детям совершенно равнодушна (в отличие от обезьяны, у которой материнский инстинкт может проснуться и без беременности). С этой точки зрения отношения большинства матерей и детей среди млекопитающих можно считать типично «рефлекторными» – ведь они полностью контролируются врожденными механизмами, не требуют обучения или мышления и легко отключаются блокировкой гормонов16.


Хлопок одной ладонью

По крайней мере, часть из этих «рефлекторных» механизмов материнства в ходе эволюции млекопитающих были усложнены, переведены в разряд «рефлексивных» и приспособлены под другие формы социальных взаимоотношений. Я имею в виду прежде всего окситоцин-вазопрессиновую систему.

Окситоцин (главный у женщин) и вазопрессин (главный у мужчин) – похожие гормоны, регулирующие массу функций организма и мышления. Например, окситоцин усиливает сокращения матки и ослабляет боль при родах – возможно, в регуляции беременности и состоит его изначальная функция. Интереснее же всего его психологические эффекты. Долгое время окситоцин считался «гормоном любви»: позитивной молекулой, которая обеспечивает привязанность матери к ребенку и наоборот, а половых партнеров «влюбляет» друг в друга. Но это слишком «рефлекторные» интерпретации человеческих отношений: секс вызвал выброс гормона, человек влюбился.

На самом деле окситоцин, если можно так выразиться, сидит на грани между рефлексом и рефлексией. Он вызывается и тем и другим, вызывает и то и другое и таким образом эволюционно связывает их между собой20, 21.

У человека, действительно, есть вполне конкретные стимулы, вызывающие выделение окситоцина, и роды среди них – главный и самый «рефлекторный». Но в других случаях выброс окситоцина – не просто рефлекс, а продукт мышления, то есть рефлексии. Что, помимо родов, вызывает у человека выброс окситоцина? Секс22, 23. Прикосновение24. Зрительный контакт21. Задушевный разговор25. Но только в том случае, если человек, с которым вы проделываете эти операции, вам симпатичен. А это огромное но, потому что рефлексами «симпатичность» объяснить очень сложно. Чтобы влюбиться, недостаточно услышать человеческую речь или почувствовать человеческое прикосновение – нужно, чтобы ваш мозг проанализировал все, что он знает о говорящем или прикасающемся, и только в случае общей благосклонности к этому человеку выделил вам в кровь дозу окситоцина.

Что происходит, когда окситоцин оказывается в крови? С одной стороны, вещи вполне «рефлекторные», вроде снижения стресса и расслабления мускулатуры. Но окситоцин – это не героин, который вызывает эйфорию независимо от контекста и ситуации. Главные психологические эффекты окситоцина тоже «рефлексивные». Окситоцин не превращается напрямую в любовь, а как бы усиливает восприятие других людей26. Повышаются щедрость27, доверие28 и взаимопонимание29. Улучшается распознавание эмоций в выражениях лица30. Снижается страх встретиться глазами31. То есть окситоцин действует на нашу способность «отражать». Под его влиянием мы впускаем людей к себе в душу, прощупываем их личность собственными ощущениями, обдумываем их мысли своими словами. А это, как нетрудно догадаться, ведет к душевным разговорам, прикосновениям и сексу, то есть ровно к тому, что и вызвало выброс окситоцина.

Это система потрясающей элегантности. Что объединяет разговор, секс, прикосновение, зрительный контакт и роды? Все это действия, в которых гарантированно участвуют два человека. Если вы смотрите кому-то в глаза – это означает, что вам в глаза тоже кто-то смотрит: оба участника получают окситоциновый заряд. Если вы с кем-то разговариваете, то этот кто-то одновременно разговаривает и с вами. Элегантность состоит в том, что окситоцин, одновременно выделившийся в каждом из двух организмов, как бы усиливает их симметрию. При родах окситоцин выделяется одновременно у матери и ребенка и привязывает их друг к другу. Чем больше два человека, испытывающих взаимную симпатию, смотрят друг другу в глаза, тем больше они хотят продолжать это делать. Чем дольше люди разговаривают, тем охотнее разговаривают в дальнейшем. Окситоцин – это реакция на взаимность, вызывающая взаимность.

Благодаря этому окситоцин в крови на каком-то этапе секса или разговоров становится самосбывающимся пророчеством. Окситоцин подобен огню, который начинается с небольшой щепки и поначалу легко затухает, но разгораясь, превращается в могучий костер, уже не гаснущий без внешнего вмешательства. Так работают все крепкие, долгосрочные человеческие взаимоотношения, такие как дружба и любовь.

Родственные окситоцину молекулы есть даже у беспозвоночных. Но у синапсид с развитием материнства этот гормон, по-видимому, стал использоваться для рефлекторного привязывания матери к своему ребенку, а ребенка – к матери16, 20. С развитием мозга наших предков к этой системе естественным образом подключалось все больше и больше мощностей и «рефлекторное» привязывание стало «рефлексивным»4. Матери стали не просто исполнять механические ритуалы, а вглядываться в собственных детей и задумываться о том, что им может быть нужно. А вслед за матерями и все мы стали вглядываться друг в друга, да так друг другом увлеклись, что в конце концов заговорили. Рефлекс материнства превратился в рефлексию материнства, надстроенную над этим рефлексом, а та в конечном итоге легла в основу рефлексии как общего подхода к социальности.

Окситоциновая система – необязательно причина этого превращения, но по крайней мере один из механизмов, расширивших свою физиологическую роль с рефлекса на рефлексию. На этом примере видна эволюционная логика событий. Способность «отражать» других и к ним привязываться повысила древним млекопитающим выживаемость потомства благодаря улучшенному материнству, но, помимо этого, подарила им целый новый способ взаимодействия друг с другом. В дальнейшем этот способ взаимодействия разросся за пределы отношений между матерью и ребенком. Фактически социальность млекопитающих – это форма материнского инстинкта, распространенная и на других особей. Материнство-плюс.

Почему не чихуа-хуа

Очевидно, что человек чем-то уникален, и эта уникальность как-то связана с культурой и цивилизацией, то есть продуктами работы человеческого мозга. Мы, люди, не самые большие, не самые быстрые, не самые сильные, но даже самые заядлые энтузиасты улиток и одноклеточных (это я про себя) не возьмутся спорить с тем, что мы самые умные.

Но что это значит – быть самым умным? Откуда берется этот ум и чем именно он у нас настолько уж резко отличается? Если не вглядываться в других животных, то кажется, что между нами пропасть. Мы летаем в космос, а они кидаются какашками. Но стоит попытаться найти эту пропасть на карте, описать ее в более конкретных выражениях, разглядеть ее в нервной системе человека в сравнении, скажем, с шимпанзе или с дельфином, как пропасть исчезает и становится совершенно непонятно, что вообще такого особенного в этом кайнозойском животном, Homo sapiens.

Мозг человека выделяется среди млекопитающих и по общей массе, и по площади поверхности, но главным образом – относительно размеров нашего тела, а не в абсолютном измерении32. Мозг слона или кита существенно крупнее, чем человеческий. Кто сказал, что ум должен измеряться относительно размеров тела? Скорость компьютера из расчета на килограмм его веса мы не замеряем. Если соотношение размера мозга и размера тела – секрет человеческого успеха, то становится непонятно, почему миром не правят чихуа-хуа: миниатюрные собаки по этому показателю не уступают человеку, правда не из-за увеличенного мозга, а из-за уменьшенного тела. Прежде всего человек выделяется по суммарному количеству нейронов, хотя и в этом несколько уступает слонам. Правда, у тех нервные клетки иначе распределены по мозгу, что затрудняет прямые сравнения33. В общем, хоть человеческий мозг и особенный, пропасти между нами и другими животными на физическом уровне нет34, 35.


Хлопок одной ладонью

Мерясь мозгом со слонами или собаками, трудно избежать подспудного антропоцентризма: в данном случае аксиомы, что чем мозг больше, тем он лучше. С человеческой точки зрения трудно представить, что кому-то может не понадобиться быть умным. Хищникам нужно быть умнее, чтобы лучше охотиться на жертву. Жертве нужно быть умнее, чтобы лучше скрываться от хищника. Интеллект, казалось бы, помогает вообще в любой деятельности, на которую способен животный организм. Почему же тогда все остальные млекопитающие не развили себе мозг с такими же возможностями, как у нас? В чем таком особенном мы преуспели на своем эволюционном пути? Если так ставить вопрос, то божественные объяснения нашей исключительности всплывают сами по себе.

На самом деле с эволюционной точки зрения быть умнее – необязательно полезно. Мозг потребляет колоссальное количество энергии в теле, и без того расходующем немыслимые киловатты: у человека грамм мозга сжигает в 10 раз больше питательных веществ, чем усредненный грамм его организма. Вдобавок чем мозг крупнее, тем он тяжелее и тем легче его повредить. Так что у увеличенного мозга есть своя цена. Но главное в том, что на каком-то этапе увеличение мозга просто перестает приносить пользу большинству млекопитающих, как среднему пользователю – наращивание оперативной памяти компьютера. Если бы мозг, увеличенный вдвое, помогал выживать носорогам, то за миллионы лет он у них обязательно увеличился бы вдвое. Наш мозг крупнее, чем у большинства млекопитающих не потому, что мы лучше умеем эволюционировать, а потому, что нам это в ходе эволюции зачем-то понадобилось, а им – нет.

Зачем тогда вообще нужен большой мозг? Что может оправдать повышенные энергетические расходы и риски, связанные с раздутой нервной системой? Чтобы это понять, ученые сопоставляют размеры мозга разных млекопитающих, пытаясь найти закономерности, объединяющие всех, у кого мозг непропорционально большой в сравнении с другими близкими группами. Выясняется, что увеличение мозга среди млекопитающих никак не связано, например, с положением животного в пищевой цепи. Ни хищники, ни травоядные в целом не выделяются какими-то особенными мозгами. Размеры мозга не связаны сколь-либо очевидной закономерностью ни с ночным или дневным образом жизни, ни с морской или наземной средой, ни с размерами тела, ни со скоростью движений. С размерами мозга у млекопитающих стабильно связан только один параметр их образа жизни: сложность социальной организации36.

Такая связь наблюдается, например, у парнокопытных и хищных. Среди них есть множество разнообразных подгрупп, различающихся размерами мозга и образом жизни. В подгруппах, где мозг увеличен относительно размеров тела, одновременно наблюдается повышенное количество социальных видов. Вывод, который делают из этого сторонники так называемой гипотезы «социального мозга» состоит в том, что жизнь в группах для млекопитающих – задача беспрецедентной сложности, и именно ее «системными требованиями» обусловлена связь между социальностью и размерами мозга. Вычислительные запросы социальности – единственное, ради чего может понадобиться увеличивать мозг до неестественных размеров37.

Но даже на фоне других млекопитающих, склонных к групповой жизни, это совместное развитие мозга и социальности ни у кого не достигает таких масштабов, как у приматов. У них размеры мозга связаны не просто с наличием, а со сложностью социальных отношений. Чем больше особей входит в социальную группу того или иного вида, тем крупнее у этого вида мозг. Самые большие мозги у приматов, которые умеют друг у друга учиться, друг друга обманывать и друг с другом играть, то есть делать все то, что мы привыкли считать уникальными свойствами человеческого общения.

Традиционно считалось, что человек умнее всех, и поэтому он так здорово общается с окружающими. На самом деле, если верить в гипотезу «социального мозга», все наоборот: мы начали с общения и именно ради него стали самыми умными. Гигантский мозг – дорогое и сомнительное удовольствие, которое можно оправдать только колоссальной ментальной нагрузкой, нужной для конкретной задачи: поддержания сложных общественных отношений.

Наш мозг был сформирован обществом. Благодаря ему мы, приматы, были умнее всех задолго до того, как стали людьми. Так что перед тем, как подойти к особенностям именно человеческого вида, стоит приглядеться к другим обезьянам – нашим ближайшим соседям по эволюционному древу.

Деревянный сосуд

Вымирание нептичьих динозавров освободило огромное количество ниш, в которые немедленно ринулись млекопитающие. Каждая из современных подгрупп этих животных возникла в результате реализации одной из возможностей, открывшихся в кайнозойской природе. Все эти подгруппы – эксперты в чем-то своем.

Эксперты в области охоты – отряд хищные: собаки, кошки, медведи. Эксперты в области убегания от хищников – копытные: газели, антилопы, лошади. Китообразные представляют млекопитающих в море, кроты – под землей, а рукокрылые, то есть летучие мыши, – в воздухе, правда почти исключительно ночью. Пожалуй, единственная доступная позвоночным ниша, которую млекопитающие за редкими исключениями обходят стороной, – дневной полет. Эта ниша занята птицами, непревзойденными мастерами своего дела[36].

С этой точки зрения появление многообразия млекопитающих кажется почти предопределенным. Они заполнили освободившиеся ниши, как вода заполняет сосуды, и приобрели форму этих сосудов, соответствующую требованиям той или иной возможности. Дельфины стали похожи на рыб, кошки отрастили острые клыки и когти, а летучие мыши – перепонки между пальцами. Никто не мог предполагать, что крыло летучей мыши будет устроено именно таким образом – и у птиц, и у птеродактилей крылья устроены по-другому. Но появление крылатых млекопитающих в принципе было закономерностью, которую можно было ожидать.


Хлопок одной ладонью

Отряд приматов впервые появляется в геологической летописи около 55 млн лет назад, через 10 млн лет после падения Чикшулубского метеорита, уничтожившего мезозойских динозавров. Как и другие отряды млекопитающих, приматы сформированы своей нишей. Эта ниша – деревья39, 40.

Приматов отличают длинные, гибкие, подвижные лапы с большим пальцем, противопоставленным остальным четырем. Эти лапы идеально приспособлены под хватание веток. Лазать по деревьям, в принципе, умеют и другие животные – белки, например. Судя по ископаемым, приматы на первых порах своей эволюции просто очень хорошо хватались за ветки, но со временем развили эту способность в уникальный способ трехмерного передвижения.

Обычно этот способ передвижения называют «прыжком», но это плохо его описывает. Прыжок в человеческом понимании – это движение, создаваемое ногами, отталкивающими тело от поверхности. Таким способом прыгать с ветки на ветку и белки тоже неплохо умеют. Но обезьяний прыжок обычно делается руками – передними конечностями, на которых можно раскачиваться всем телом при движении по деревьям. Собственно, руки как нечто отличное от ног и есть приспособление к такому прыжку – у большинства млекопитающих, в том числе и у самых древних приматов, передние конечности очертаниями похожи на задние.

Эта способность передвигаться в трех измерениях для приматов сродни полету, только на высоте, ограниченной верхушками деревьев. Но если для обычного полета нужно просто махать крыльями, то, чтобы летать между деревьями, деревья нужно видеть. Видимо, поэтому большинство приматов оставили ночной образ жизни в прошлом[37].

Исторически сложилось так, что главный орган чувств ночных млекопитающих – обоняние. Дневные приматы полагаются на обоняние меньше, чем, например, грызуны или хищные, и вместо этого развивают себе зрение42–44. В предыдущей главе я упоминал, что человекообразные обезьяны различают больше цветов, чем большинство млекопитающих. У зрения приматов есть и еще одно достоинство: наши глаза на лице расположены спереди и смотрят одновременно на одно и то же. Это отличает нас, например, от все той же белки, чьи глаза расположены по бокам головы.


Хлопок одной ладонью

На первый взгляд может показаться, что беличье зрение лучше, потому что у белки гораздо шире угол зрения – она видит даже то, что находится сзади. Зачем направлять два глаза на один и тот же предмет? На самом деле вопрос в том, для чего это зрение используется. Боковые глаза характерны для типичных жертв, когда главная задача – замечать опасность с любой стороны. В таком случае угол зрения действительно крайне важен. Но у типичных хищников, кошек или сов например, глаза расположены спереди, как и у нас. Это уменьшает угол зрения, но зато придает ему повышенную трехмерность.

Сопоставляя слегка различающиеся изображения, поступающие из двух глаз, мозг вычисляет удаленность предметов, на которые оба эти глаза направлены, то есть глубину. В это сложно поверить, потому что, закрывая один глаз, мы не сразу замечаем, что картинка стала «плоской». Это вопрос привычки: поскольку обычно у нас открыты два глаза, мы просто помним пропорции предметов. Если по-пиратски прикрыть один глаз повязкой и так походить по незнакомым местам, то рано или поздно вы обязательно обо что-нибудь споткнетесь или с чем-нибудь столкнетесь.

Хищники пользуются стереоскопическим зрением, чтобы, например, точно рассчитывать атаку из засады. Не совсем понятно, для чего эта трехмерность была нужна первым приматам (возможно, как раз для охоты на насекомых, а может быть, для добычи труднодоступных плодов), но в конечном итоге именно она позволила им «летать» с дерева на дерево в трех измерениях45.

Я описываю это передвижение в подробностях потому, что возникновение рук у приматов – это почти такая же значимая веха в нашей истории, как возникновение языка. Руки у них появляются при жизни на деревьях, но скоро деревья исчезнут, и это запустит последовательность событий, закономерным результатом которых станет появление человека.

Любовь для разлуки, брак навсегда

Как мы установили выше, социальность – способность понимать чужую особь, как себя самого, – в какой-то степени характерна для многих млекопитающих, включая, например, крыс. Скорее всего, прообразом этой социальности стали отношения матери и ребенка, сформировавшиеся в мезозойские времена благодаря малым размерам, теплокровности и живорождению.

Но возникший в кайнозое отряд приматов – просто ярмарка социальных организаций. Сегодня в этом отряде встречаются все возможные варианты общественного устройства, которые вообще можно представить. Для горилл характерны патриархальные гаремы с одним брутальным самцом и несколькими женами. Гиббоны, наоборот – образец семейной идиллии, при которой отец с матерью вместе заботятся о потомстве. Бонобо предпочитают коммуны с несколькими самцами и несколькими самками.

Видимо, этот последний коммунальный вариант был изначальным: он появляется среди приматов на самых ранних этапах их истории, одновременно с переходом к дневному образу жизни. Выйдя из тени, приматы стали сбиваться в группы с общими интересами, которые с развитием мозга постепенно становились более стабильными и более сложными36. Гаремы и моногамные пары, по такой версии, происходят из коммун, а не наоборот.

Как объяснить, что приматы стали сбиваться в кооперативные группы, явно не сводящиеся к отношениям матери и ребенка? Чтобы животные захотели сотрудничать друг с другом, им должно быть очень туго поодиночке. Почему тяжело живется одиночным приматам? Именно потому, что они вышли из-под защиты ночи.

Взобравшись на деревья, приматы получили доступ к новой нише, не занятой другими крупными животными. Но в такой нише гораздо удобнее существовать при хорошем освещении, что закономерно выдавило приматов в дневное время суток. В свою очередь, это поставило их перед проблемой, когда-то стоявшей перед всеми синапсидами: днем сложнее защищаться от хищников. Эта проблема настолько опасна для одиночного животного, что ради ее решения гены обезьян пошли на кооперацию, а значит – на альтруизм. Именно преимуществами коллективной обороны сегодня объясняют изначальное возникновение социальных групп в отряде приматов, а вместе с тем – и тенденцию к увеличению мозга.

Среди других млекопитающих социальность, по-видимому, обычно связана напрямую с заботой о потомстве. Для летучих мышей, хищных и парнокопытных (а также для птиц) характерны резкие различия между видами, живущими в моногамных парах, и остальными, живущими поодиночке: у «парных» видов мозг стабильно больше. Получается, что в целом среди млекопитающих моногамия – это самая сложная форма социальности. Что может быть сложного в моногамии? Нужно каким-то образом заставить мужчину, который по своей эволюционной природе совершенно не расположен ни о ком заботиться, бросить все и на протяжении многих лет помогать женщине. С точки зрения самки, это означает, что нужно с умом подходить к выбору надежного самца, а также уметь делить с ним роли. С точки зрения самца, это означает полную перестройку мотиваций и приоритетов, что тоже не так просто осуществить без усложнения мозга.

Но у приматов такой зависимости размеров мозга от моногамии не наблюдается. Для них характерны крупные мозги независимо от типа брачных отношений. Что прослеживается у приматов, так это связь между мозгом и размерами группы. Другие млекопитающие тем умнее, чем лучше они заботятся о потомстве, а приматы тем умнее, чем больше у них друзей.

Чуть выше мы заключили, что социальность млекопитающих может быть «материнством-плюс». Началось все с матерей, которым по определению выгодно вкладывать ресурсы в потомство, а далее к «рефлексии материнства» подключились другие субъекты и объекты. Но «плюс» у разных групп разный. У многих млекопитающих «материнство-плюс» – это материнство плюс отцовство, то есть парная забота о потомстве и моногамия. Другое дело приматы. Те исторически были озабочены не столько заботой о потомстве, сколько защитой от дневных хищников. Поэтому их «материнство-плюс» распространяется на целое общество. Приматы способны воспринимать всех своих соплеменников с той же глубиной и интенсивностью, с которой родители воспринимают детей, а половые партнеры – друг друга.


Хлопок одной ладонью

Что же касается моногамии, то у приматов она тоже встречается, но не в качестве изначального варианта, а в качестве следующего этапа эволюции коммуны. «Семейные» приматы (гиббоны, например) происходят от групповых приматов, а не наоборот. Поэтому в отличие от, скажем, моногамных грызунов, моногамные обезьяны хранят в себе эволюционную память о большой толпе народа. История человека – это как раз и есть пример перехода от коммунальности к моногамии при сохранении способности к групповому общению. Мы любим и детей, и супругов, и друзей.

Здесь можно снова вспомнить окситоцин – гормон материнства (он же «гормон взаимности»), повышающий доверие, взаимопонимание и так далее. Интересно, что у людей этот эффект, вызванный конкретным человеком, распространяется и на других окружающих. В любвеобильном настроении кажется, что вы любите всех и все любят вас. На самом деле эксперименты показывают, что это не совсем так. Окситоцин действительно вызывает мягкие «плюшевые» чувства по отношению ко всем «своим», а не только к тому человеку, с кем вы разговариваете или, скажем, целуетесь. Но одновременно окситоцин повышает агрессию и недоверие ко всем «чужим». Просто в хорошем настроении вы об этом не задумываетесь46–48.

В общем, окситоцин и здесь рассказывает эволюционную историю. Наша социальность – это не просто слепая любовь. Это стадное чувство. То, что мы воспринимаем как любвеобильность, на самом деле повышенный контраст между «своими» и «чужими», или, как сказали бы биологи, – между ингруппой и аутгруппой. Наше общество основано на защите от врагов. Поэтому с происхождением первых приматов связано почти все плохое, что есть в человеческих отношениях: ненависть, предрассудки, шовинизм, войны. Все это результаты «рефлекторного» недоверия к тем, кого мы «рефлексивно» опознаем как «чужих», в совокупности со столь же «рефлекторным» доверием к «своим».

На заре жизни на Земле сообщества генов, плавающих по гидротермальным источникам, формализовали свои общественные отношения, изолировав «свои» гены от «чужих» в пределах замкнутой капсулы, то есть клетки. Миллиарды лет спустя уже сами клетки формализовали свои общественные отношения, изолировав «свое» пространство от «чужого» замкнутым эпителием, что положило начало многоклеточным животным. В кайнозойскую же эру животные, а именно приматы, точно так же формализовали свои общественные отношения искусственной границей, изолировав «своих» от «чужих» в собственном сознании.

Эмерджентность, эмерджентность и еще раз эмерджентность.

Зачем нужны руки

Примерно с этого этапа начинается большинство книг про эволюцию человека, поэтому я лишь мельком упомяну заключительные эволюционные штрихи, превратившие наших человекообразных предков в собственно человека. Около 3 млн лет назад сдвиг континентальных плит в Африке привел к изменению климата в восточной части континента49, 50. Более влажный запад оставался покрытым тропическими лесами, но на осушенной территории современной Эфиопии леса сменились саванной, то есть высокой травой. Приматы, оказавшиеся на этой территории, были вынуждены спуститься с деревьев. Поскольку движение по ветвям уже отчасти приспособило их к вертикальной ориентации тела, логическим развитием событий на земле стало возникновение прямохождения51.

Чем передвижение на двух ногах лучше стандартного, четвероногого варианта? Бегать не помогает. Рожать – сильно мешает. Но у двуногого животного есть огромное преимущество: свободные руки. Еще Дарвин отмечал, что без свободных рук, а значит без прямохождения, человек не мог бы научиться швырять камни или вытачивать топоры52.

С дальнейшим развитием биологии стало, впрочем, понятно, что человек не единственное животное, которое ходит на двух ногах. Даже не считая динозавров (в том числе орлов и куриц), для которых это норма, на двух ногах иногда ходят другие обезьяны, а также, например, медведи. В геологической же летописи прямоходящие приматы появляются на миллионы лет раньше, чем каменные орудия, с которыми Дарвин связывал двуногость.

Дарвиновская гипотеза «свободных рук» вернулась к жизни уже в наше время, правда акцент делается уже не на орудиях, а на семье. Эту влиятельную гипотезу, объясняющую происхождение человека взаимоотношениями матерей и отцов, предложил Оуэн Лавджой, человек с почти карикатурно говорящей фамилией («Lovejoy» – значит «Счастье любви»)53.

Согласно гипотезе Лавджоя, главная функция рук не в том, что они помогают создавать и швырять орудия, а в том, что они помогают носить ценные вещи, а именно еду и детей. Благодаря рукам еду необязательно съедать там, где ее добыли, ее можно отнести в сохранное место и оставить на потом или передать семье. Кроме того, используя руки, мать может одновременно собирать еду и нести ребенка, сидящего у нее на спине. В условиях саванны все эти возможности стали особо актуальны, потому что количество еды уменьшилось, а расстояния, которые требовалось преодолевать в поисках фруктов или орехов, увеличились. Лавджой предположил, что все это привело к человеческому прямохождению, семейной структуре общества и свободным рукам, которые, в свою очередь, открыли новые возможности для охоты и изготовления орудий. Наконец, такой новый образ жизни с расширенными возможностями подтолкнул мозг человеческих предков к дальнейшему увеличению даже по сравнению с остальными приматами. Отчасти это увеличение могло быть связано и с переходом на мясную диету, который некоторые ученые тоже считают одним из ключевых этапов превращения обезьяны в человека54, 55.

Итак, главное в этой версии событий то, что руки помогают приматам носить ценные вещи. До недавнего времени считалось, что человек в этом смысле уникален, так что проверить данную гипотезу было невозможно. Но сегодня известно, что даже шимпанзе используют свое частичное прямохождение именно в таких целях56. Например, при наличии двух разных видов орехов, один из которых встречается повсюду, а другой редкий и вкусный, обезьяны чаще встают на две ноги, когда несут ценные орехи. То есть инстинкт взять что-то в руки, чтобы не потерять, должен был существовать у наших общих предков еще до того, как человек спустился с деревьев. Прямохождение просто вывело эту идею на новый уровень. Это не то чтобы доказывает гипотезу Лавджоя, но делает ее более правдоподобной.

Есть и другие версии причин прямохождения, часть из которых, впрочем, не исключает компромисса с гипотезой Лавджоя. Некоторые антропологи, например, ставят в центр событий необходимость охлаждения организма, которое якобы достигалось благодаря голому вертикальному телу, обдуваемому ветрами саванны57, 58. По этой версии мозг к тому моменту был уже таким огромным, что перегревался и мог продолжать увеличиваться только при усиленной теплоотдаче. Еще существует любопытная, но сегодня уже забытая большинством специалистов и воспринимаемая скорее как курьезная гипотеза «водной обезьяны», при которой человеческая двуногость, лысое тело и особые свойства теплообмена объясняются этапом эволюции, на котором наши предки вели полуводный образ жизни, населяя прибрежное мелководье59.


Хлопок одной ладонью

Так или иначе, последний миллион-другой лет все основные тенденции в эволюции человека очевидны. Мы выделяемся из приматов множеством характеристик – относительно крупным мозгом, относительно редкой семейной структурой, прямохождением, рационом питания, – но ни один из этих признаков не делает нас уникальными. Все они в большей или меньшей степени прослеживаются и среди других представителей приматов. Пропасть между человеком и обезьяной при ближайшем рассмотрении оказывается не пропастью, а всего лишь узкой расщелиной между камнями.

И все-таки пропасть существует. Просто искать ее нужно не в размерах мозга, не в температуре тела и не в гормональных сигналах, а в чем-то эмерджентном, что состоит изо всех этих компонентов, но решительно к ним не сводится.

Если отбросить гипотезу о богоизбранности, то существует только одно человеческое свойство, которое годится на роль такой эмерджентной пропасти. Мы изобрели это свойство, по разным оценкам, примерно 70 000–200 000 лет назад. Оно выделяет нас не просто из приматов, а вообще из всего живого, когда-либо населявшего эту планету. Это свойство превращает человека из обезьяны в новую форму жизни. Это новый подход к существованию, перестройка принципов эволюции, внезапностью и масштабами последствий сопоставимая разве что с кембрийским взрывом. Это свойство, зародившееся в последние мгновения нашей эволюционной истории, неразрывно связано с происхождением вида, который антропологи называют «анатомически современный человек»60. Именно на этом нашем свойстве стоят цивилизация, культура, наука, история, искусство, да и вообще человеческая личность, к возникновению которой мы будем подбираться всю оставшуюся часть книги.

Это свойство называется языком.

Часть III

Откуда взялся я

9. Мысль как абстракция

Есть мысли у телят?

Я видел, как телята

Хвостами шевелят

И вдаль глядят куда-то.

Агния Барто

Чувствует ли улитка боль?

Я использую в своей научной работе моллюсков, и на этот вопрос мне приходится отвечать регулярно. Как и любые эксперименты на животных, особенно касающиеся их мозга, опыты над морским зайцем Aplysia californica – дело порой брутальное. Аплизия – брюхоногий моллюск, вырастающий за год из небольшой улитки в толстого слизня размером с котенка. Конечно, мы усыпляем своих аплизий раствором магниевой соли перед тем, как проводить над ними какие– либо эксперименты, но человеку в принципе сложно смотреть на вскрытие животного за пределами собственной тарелки и не видеть, что кромсают его самого.

Что на самом деле хочет понять человек, когда спрашивает, больно ли улитке? Ему хочется знать, что бы он чувствовал, если бы сам в этот момент был улиткой. Он представляет себя проснувшимся в теле этого животного, как герой повести «Превращение» Франца Кафки, в полном сознании, но без дара речи. Он пытается увидеть в движениях улитки крик о помощи. Ему чудится страшный экспериментатор со шприцем и ножницами, злорадно хохочущий над его несчастным склизким телом. Человеческая боль – это сложное субъективное ощущение, и интересует нас не то, как улитка физически реагирует на боль, а то, что она при этом испытывает внутри.


Хлопок одной ладонью

Нет никаких сомнений, что улитка не испытывает ощущений подобных нашим. Она не может пытаться издать крик о помощи, потому что у нее нет голосовых связок, лингвистических центров в мозге и представления о том, что такое помощь. Она не может пугаться экспериментатора, потому что она его не видит, не слышит и не ощущает иначе как в форме набора осязательных стимулов. Ее глаза – два мелких пятнышка, способные максимум отличать свет от темноты. Она не в курсе, как выглядит человеческий мир. Она не понимает, где находится, в привычных человеку пространственных или временных категориях. Наше понятие боли к ней неприменимо, как неприменимо понятие оперативной памяти к утюгу.

Но что-то же улитка испытывает? Она реагирует на то, что с ней делают, именно так, как будто ей больно. Убегает, если ее ткнуть, извивается, если ее держать в руке, выпускает облако фиолетовой слизи, если ее долго дергать или вытащить из воды. Значит, все эти опасные стимулы так или иначе в нее проникают. Что бы я чувствовал, если бы ощущал все эти стимулы?

Фундаментальное ограничение восприятия человеком любых других существ состоит в том, что мы стремимся с помощью наблюдений понять о них то, что наблюдению недоступно. Мы можем судить о других только по тому, что они делают. Но интересуют нас не закономерности движения («если столкнуть Серегу в канаву, он издаст громкий звук»), а скрытый от нас мыслительный процесс («если столкнуть Серегу в канаву, он сильно разозлится»). Мы не можем наблюдать внутреннее состояние других людей, зато можем наблюдать внутреннее состояние себя. Поэтому мы представляем, что будет, если в канаве окажется не Серега, а мы сами, и какие при этом мы будем издавать звуки. Проделав такую мысленную операцию, мы осознаем, что Серегу, наверное, не надо толкать в канаву.

Но как быть, когда другое живое существо – не Серега, по всем статьям похожий на меня и, вероятно, размышляющий сходным образом, а морской заяц?

Интуитивно человеку кажется, что тело – оболочка, внутри которой сидит независимое от нее сознательное существо. Мы смотрим из своих глаз, как из перископа, слушаем своими ушами, как микрофонами, наблюдаем за сигналами собственных нервных клеток, как будто сидим в театре и смотрим на сцену. Представляя себя Серегой, человек представляет свою личность в его теле. Точно так же, представляя себя улиткой, человек представляет, что сознательное существо из его мозга переехало в новую оболочку и смотрит другой спектакль – но при этом остается самим собой. Испытывает те же ощущения, думает те же мысли, только ничего не может по этому поводу сказать или сделать. Разумеется, от этого человеку становится страшно.

Но если тело улитки – оболочка, в которую принципиально можно установить человеческое сознание, то почему тогда нас не нервирует убийство бактерий? Те, как и улитки, реагируют на то, что с ними делают: избегают опасных веществ и температур, двигаются в сторону света или, наоборот, от него прячутся и так далее. Но если убегающая от укола улитка наводит нас на мысль о том, что она испытывает боль, то убегание бактерии от кислоты мы объясняем просто особенностями ее строения. На каком именно основании мы решаем, у кого есть взгляд изнутри, а у кого нет?

Раньше люди этот гордиев узел рубили с плеча: человек имеет душу, потому что он подобие Бога, а все остальные живые существа – просто механические устройства. Но мне сложно представить современного здравомыслящего человека, который может посмотреть на шимпанзе или даже собаку и решить, что это роботы, которые не испытывают хотя бы отчасти тех же самых ощущений, эмоций и мотиваций, что и мы. В масштабах всего живого мира эти млекопитающие по своему внутреннему строению от нас почти неотличимы. Нет никаких причин полагать, что они не могут бояться или радоваться, страдать или веселиться, что им не может быть больно или приятно, и что эти чувства они испытывают как-то принципиально иначе, чем человек.

Но где именно пролегает эволюционная граница, на которой механические реакции становятся субъективными ощущениями? Каких животных мы можем понять с помощью своего мышления, а какие нашему воображению принципиально недоступны? У кого из животных есть «первое лицо», точка зрения, понятная сидящему у нас в голове человеку?

Когда студенты спрашивают, больно ли улитке, которую я на лекции тыкаю в жабры, я обычно отвечаю, что нет, потому что иначе она бы выпустила свои фиолетовые чернила. Но это просто отговорка. На самом деле, чтобы понять, больно ли улитке, нужно представлять, откуда берется сознание и в чем оно состоит – а это, возможно, самый неоднозначный вопрос, который вообще стоит перед человечеством.

Из чего сделано сознание

Исторически считалось, что сознание, оно же субъективность, оно же душа, есть особая материя, независимая от материального тела. Такая философская позиция называется «дуализм», то есть двойственность: есть материальное, а есть сознательное. Главной фигурой в истории дуализма считается Рене Декарт с его знаменитым утверждением: «Мыслю, следовательно, существую». Вышеупомянутую метафору «сцены», на которой сознание наблюдает происходящий в мозге «спектакль», придумал неистовый критик дуализма Дэниел Деннет и назвал именно в честь Декарта «картезианским театром» (Картезий – латинизированное имя Декарта).


Хлопок одной ладонью

Типичный аргумент против дуализма довольно простой. Если сознание независимо от материи, то как оно может на эту материю влиять, заставляя нас что-то делать? Если оно все же влияет на материю, то не означает ли это, что на материю при этом должны действовать материальные силы? А если на материю со стороны сознания действует материальная сила, то разве не делает это материальным и само сознание? Если же сознание никак не влияет на тело, то зачем оно вообще нужно? Если нет влияния, то сознание никак не отражается на работе мозга, никак не меняет хода мыслей, не влияет на память, эмоции, мотивации и движения – ведь сегодня мы хорошо понимаем, что все эти вещи имеют материальную природу. Если сознание ни на чем не отражается, говорят дуалистам их оппоненты, то как вообще оно могло возникнуть в процессе эволюции?

Противоположность дуализму – физикализм, заявляющий, что никакой двойственности нет. Все материально и все состоит из физических объектов, которые двигаются и взаимодействуют друг с другом физическими силами по физическим законам. Сознание, по мнению типичного физикалиста, – это особый, конкретный, физический признак мозга, верховный главнокомандующий, который у разных животных может там быть или не быть, и благодаря которому мозг этого животного может контролировать сам себя. Главная проблема физикализма – это объяснить, как из движения материальных объектов в мозге возникает субъективное ощущение этого мозга. Многие философы считают эту проблему принципиально неразрешимой и называют ее «трудной проблемой сознания».

Я придерживаюсь точки зрения, пограничной между дуализмом и физикализмом, которая ближе всего к философской школе эпифеноменализма (по части изобретения «-измов» философам нет равных). Эпифеноменалисты считают, что сознание – это не отдельно существующее свойство живого, а побочный продукт какого-то другого свойства. Сама работа мозга в определенных обстоятельствах порождает сознание, которое ни для чего конкретного не нужно, а просто есть. Эпифеноменалистов обычно относят к дуалистам1, потому что для них сознание и мозг – это разные вещи, и в этом я с ними согласен. Но, на мой взгляд, «дуализм» должен заключаться не в разделении материи и сознания, а в разделении материи и информации[38]. Это же касается и всей биологии.

Кусок ДНК и нуклеотиды, из которых он состоит, – это материя. Ген, записанный в этом куске, – это информация. На мой взгляд, это то же самое, что дуализм мозга и сознания. Но разве скажет кто-нибудь, что ген не влияет на ДНК? Только благодаря конкретной последовательности нуклеотидов ДНК может исполнять свою функцию, производить белки, копироваться, распределяться между клетками. Только благодаря своей конфигурации материя приобретает осмысленное направление движения. С точки зрения истории жизни на земле конфигурация первична, а материальная форма вторична – ведь до появления ДНК гены жили в другом носителе, РНК, но точно так же заставляли этот носитель двигаться и размножаться. Информация определяет функцию.

Точно так же и мозг приобретает осмысленность и направление движения за счет своей конфигурации. Причем если конфигурация ДНК – это просто буква за буквой, то конфигурация мозга – это почти бесконечное пространство возможностей. Как мы увидим, на эту конфигурацию влияет каждое событие, происходящее с мозгом за время его существования. Конфигурация мозга, с моей точки зрения, и есть сознание в самом общем смысле, и при желании это понятие можно применять к кому угодно. Вопрос в том, что в силу различий в строении мозга, а значит, и в его конфигурации, у разных животных сознание очевидно ощущает себя по-разному. Это и требует объяснения. Объяснять нужно не что такое сознание, откуда оно взялось и где оно живет (оно живет везде и нигде конкретно), а почему именно наша конфигурация мозга ощущает себя так, как она ощущает, и что вообще значит, что некая система «ощущает себя».

Я согласен с дуалистами в том, что сознание, то есть конфигурацию мозга, можно рассматривать отдельно от самого мозга. Теоретически его можно даже перенести в другой носитель, если только создать искусственный мозг адекватной сложности. Я согласен с физикалистами в том, что, помимо материи, в мозге нет никаких «особых субстанций», как нет никаких особых «генных» субстанций, витающих между нуклеотидами ДНК. С эпифеноменалистами я согласен в том, что решения мозга достигаются физическими способами, а наши субъективные ощущения естественным образом «вырастают» из этих решений.

Но и «картезианский театр» дуалистов, и «трудная проблема сознания» физикалистов мне кажутся надуманными, а в эпифеноменализме мне не нравится полное отрицание какой-либо роли сознания в материальном мире. По-моему, если воспринимать мозг как материю, движимую информацией сквозь время, то меняется само понятие сознания и все вопросы отпадают. Взаимодействуя с окружающим миром, мозг постоянно усваивает информацию, то есть меняет свою конфигурацию. Эта информация не есть сама материя мозга, но неразрывно с ней связана. Вся совокупность этой информации определяет то, что мозг делает в дальнейшем. Наша субъективность тоже продукт этой информации. Как информация в ДНК – это то, что, строго говоря, живет и эволюционирует, так и информация в мозге – это то, что думает и осознает.

Но, чтобы понять, как именно из усвоенной информации в мозге вырастают человеческие ощущения, нам придется для начала прояснить, что такое мозг.

Провода

В документальных фильмах про животных попадается любопытный рефрен. Ползет, допустим, морская звезда по дну морскому, вдруг чует какую-нибудь аппетитную улитку и бросается за ней в погоню, догоняет, опутывает ее своими щупальцами и заживо жрет. «Удивительная сноровка, – заключает ведущий. – Особенно для существа, у которого нет мозга!» Такое в зоологии беспозвоночных встречается даже среди специалистов: я регулярно слышу от коллег по аплизии, что у нее тоже, оказывается, нет мозга. У аплизии, говорят коллеги, не мозг, а ганглии.


Хлопок одной ладонью

На мой взгляд, различия между мозгом и ганглиями никакой принципиальной роли не играют. И человеческий мозг, и ганглии аплизии – это формы существования нервной системы, то есть системы соединенных друг с другом нервных клеток, или нейронов. Мозг – это огромный ком нейронов, а ганглии – это комки чуть поменьше. У нас все слеплено в единую массу, а у аплизии распределено между независимыми островками нервных клеток, соединенных нервами. То же самое с морской звездой: у нее, разумеется, тоже есть нервная система, просто немного другого строения, и ей абсолютно все равно, называем ли мы эту систему мозгом или нет. Короче говоря, я поступаю радикально и ставлю между понятиями «мозг» и «нервная система» знак равенства. Это один и тот же орган, который делает одно и то же у всех животных. Мозг – это система нейронов. Так что именно в нейроне – ключ к пониманию мозга.

КСТАТИ

В нервную ткань – то, из чего состоит мозг, – помимо нейронов, входит еще масса других клеток, объединенных термином «глия». Раньше клетки глии обзывали в учебниках «вспомогательными» (читай – неинтересными), что отражено и в самом слове: «глия» (γλία) – буквально «клей» по-гречески.

Сегодня модно глию уважать. Как выяснилось в последние годы, глия принимает активное участие в работе мозга. Например, она может регулировать работу тех или иных нейронных ансамблей, выделяя в нужный момент гормоны и резервные питательные вещества, так что без участия глии, например, не будет правильно работать долгосрочная память2–4.

Глия же в человеческом мозге отвечает за внешнюю политику. Наш мозг частично изолирован от остального тела, как в клетке ядро частично изолировано от цитоплазмы. У мозга, например, своя иммунная система, состоящая из клеток микроглии, чье название звучит забавно, если учесть, что микроглия («маленькая глия») – это как бы элитная гвардия макрофагов («больших пожирателей»). Макрофаги – типичные иммунные клетки, патрулирующие кровь на предмет незваных бактерий в остальном теле, а микроглия исполняет сходную функцию на территории нервной системы5, 6.

В мозге даже есть собственная, внутренняя альтернатива крови – спинномозговая жидкость. Кровеносные же сосуды, проходящие через мозг, плотно опутаны отростками клеток глии, так что все, что попадает из крови в мозг, проходит через строжайший таможенный контроль. Эта стена между мозгом и телом называется гематоэнцефалическим барьером. Он защищает мозг от вредных веществ, инфекций и в некоторых случаях – даже собственных гормонов организма7.

На рисунках в учебниках нейроны напоминают провода. Это клетки с длинными отростками, несущие электрический разряд в определенном направлении. Одни отростки – дендриты – несут входящие сигналы, другие – аксоны – несут исходящие сигналы. Нейроны соединяются друг с другом и передают друг другу электрический сигнал. Получается как бы несколько удлинителей, воткнутых один в другой.

На самом деле нейроны отличаются от проводов по нескольким статьям. Во-первых, в проводе электричество движется по металлической сердцевине, а в нейроне оно движется по мембране, то есть как бы по оболочке провода8. Во-вторых, в проводе ток течет непрерывно в одном направлении (при постоянном токе) либо волнообразно болтается туда– сюда (при переменном токе), тогда как по мембране нейрона бегут отдельные «разряды», из-за чего нейронный поток электричества напоминает скорее азбуку Морзе. Только вместо точек и тире – одинаковые точки, отстукиваемые с разной частотой (о том, как это получается, поговорим чуть позже).

Электричество – самое заметное свойство нейрона. Но на самом деле в электрических разрядах, бегущих по мембране клетки, нет ничего необычного. Точно такие же электрические импульсы используются, например, клетками поджелудочной железы, которые производят инсулин – гормон, контролирующий сахар в крови. Когда эти клетки чувствуют повышение концентрации сахара, они разряжаются точно так же, как нейроны, и в результате выбрасывают свой гормон в кровь9. Электрические разряды есть и у живых существ, вообще не имеющих нервной системы. Например, инфузория-трубач (пресноводное одноклеточное существо впечатляющей сложности и размеров – оно существенно крупнее многих многоклеточных животных) умеет резко сокращаться от прикосновения. Это опять-таки достигается разрядом, пробегающим по мембране инфузории, если ее потревожить10, 11. У губок, единственной крупной группы животных без нервной системы, электрическими волнами осуществляется координация потока воды и межклеточного обмена пищей12. Даже растения отправляют разрядами тока сообщения в пределах организма, например, реагируя на атаку гусеницы централизованным производством ядовитых веществ13. В любой ситуации, когда сигнал нужно быстро передать на большое расстояние, живые существа пользуются мембранным электричеством. Так что уникальность нейрона в чем-то другом.

Мозг без электричества представить в принципе можно, просто он будет очень медленным. Без чего невозможно представить мозг, так это без синапсов. Именно синапсы, соединения между нейронами, определяют уникальные свойства нервной системы. Синапсы бывают двух типов, но знаменит из них только один, причем на первый взгляд совершенно не очевидно почему. Большинство синапсов в нервной системе называются химическими, меньшинство – электрическими.

Электрический синапс – это как раз удлинитель, воткнутый в другой удлинитель. Между двумя мембранами двух нейронов устанавливается прямой физический контакт с белковыми порами, пронизывающими обе мембраны. В результате электрический сигнал напрямую перескакивает из одного нейрона в следующий и продолжает движение.

В химическом же синапсе отростки двух нейронов сближаются, но не слипаются мембранами. Между ними остается небольшое расстояние, называемое синаптической щелью. Поэтому электрический импульс не может просто «перескочить». Для этого требуется посредник, преодолевающий пространство синаптической щели и доставляющий сигнал от нейрона к нейрону. В качестве такого посредника выступают простые химические молекулы, называемые нейромедиаторами. Они выбрасываются окончанием клетки, по которой разряд приходит в синапс (этот нейрон называется, соответственно, пресинаптическим), и принимаются окончанием следующего нейрона (он называется постсинаптическим). Почти любой нейрон выступает в качестве постсинаптического по отношению к «входящим» сигналам и одновременно пресинаптическим по отношению к «исходящим».

На первый взгляд, само существование химических синапсов кажется нелогичным. «Химически» общаются между собой клетки за пределами нервной системы. Обычная клетка, чтобы послать сигнал, выделяет в раствор сигнальные молекулы, которые лениво плывут по этому раствору и в конце концов доплывают до других клеток, которые их улавливают (так работают гормоны и многие другие похожие вещества). Казалось бы, весь смысл проведения электричества по мембране – это скорость, которой таким «химическим» способом не достичь. Зачем же тогда останавливать этот сверхбыстрый сигнал на каждом перекрестке, заставляя его превращаться в обычный, стандартный, медленный «химический» сигнал, ничем принципиальным не отличающийся от выделения гормона? Почему бы не соединить все нейроны электрическими синапсами?


Хлопок одной ладонью

Электрические синапсы могли бы быть ценнее, если бы смысл мозга заключался в быстрой передаче сигналов от органов чувств к мышцам. Вероятно, в этом и состояла изначальная эволюционная функция нервной системы: многоклеточному животному в поисках пищи необходимо быстро координировать работу далеких друг от друга частей тела. У самых простых животных, медуз например, такое проведение сигнала и сегодня можно назвать главной функцией мозга14. Но почти у всех остальных современных групп гораздо важнее становится не само соединение органов чувств с мышцами, а то, что происходит посередине. В такой ситуации химические синапсы приобретают смысл, очевидный любому специалисту по вычислительным машинам.

Цифровые компьютеры, как и мозг, работают при помощи электрических сигналов. Но вычисления в них возможны не столько благодаря металлам – проводникам электричества, сколько благодаря кремнию, полупроводнику, через который электричество проходит по-разному, в зависимости от условий. Благодаря этому свойству кремниевые полупроводники позволяют процессорам совершать логические операции. Основной элемент строения процессора – кремниевый транзистор.

Существуют разные типы транзисторов, но в простейшем случае это микроскопическое устройство, в которое поступают два электрических сигнала, а выходит один. Первый из входящих сигналов воздействует на кремниевый полупроводник в транзисторе таким образом, что тот начинает проводить электричество, и это позволяет пройти второму сигналу, который выходит из транзистора и продолжает движение по электрической цепи. В отсутствие же первого сигнала полупроводник электричество не проводит и второй сигнал не вызывает исходящего. То есть для того, чтобы транзистор стал транслировать сигнал, он должен получать оба сигнала одновременно. А это означает, что транзистор благодаря своей кремниевой начинке совершает логическую операцию обобщения двух сигналов в один. В комбинациях из миллиардов таких логических операций и состоит работа цифрового компьютера.

По той же причине, по которой кремний лежит в основе современных технологий, химические синапсы составляют главный элемент строения мозга. Дело не в том, что такие синапсы лучше проводят электричество, а в том, что они проводят его по-разному.

Самая дорогая деталь

У млекопитающих порядка половины энергобюджета организма уходит на работу всего одного белка, имеющегося в мембране каждой клетки15. Вдумайтесь: половина того, что вы едите и вдыхаете, расходуется на один-единственный вид молекул, так называемый натрий-калиевый насос. Его можно представить себе как шлюз, который поднимает корабль от подножья водопада к его вершине, то есть в сторону, противоположную естественному движению. Свалиться с водопада вниз можно самопроизвольно, то есть без затрат энергии, но для работы шлюза энергию нужно потратить. Натрий-калиевый насос точно так же двигает калий и натрий в неестественном направлении, что стоит нам огромных затрат.


Хлопок одной ладонью

КСТАТИ

Металлы, такие как калий, натрий и кальций, в водном растворе обычно существуют в виде положительных ионов. Ионы – это заряженные атомы, то есть атомы с перманентно оторванным или лишним электроном. В случае металлов электрон у атомов оторван, из-за чего их заряд становится положительным, то есть натрий или калий можно представить как свободно плавающие «плюсы». Но если электроны (свободно плавающие «минусы») всегда одинаковые, то разные ионы с одним и тем же зарядом могут быть разными химическими элементами, а значит, их можно отличить друг от друга. Этим занимаются белки, называемые ионными каналами и ионными насосами. Оба этих типа белков «настроены» на определенный ион и могут переносить его через мембрану. Каналы – это просто фильтры, пассивно пропускающие свой ион оттуда, где его много, туда, где его мало. Бывают каналы, которые открыты постоянно, бывают такие, которые открываются по сигналу. В отличие от каналов, насосы активно качают ионы, тратя при этом энергию, но зато могут двигать ионы туда, куда те самопроизвольно двигаться не хотят, то есть туда, где их и так много.

Хлопок одной ладонью

Каждый «цикл» шлюза-насоса закачивает внутрь клетки два иона калия, выкачивает наружу три иона натрия и съедает одну молекулу АТФ – как помнит читатель, это наша главная молекулярная «энерговалюта». В результате снаружи клетки становится больше натрия, а внутри – больше калия. Но из-за разного количества «плюсов», качаемых в разные стороны, наружная сторона мембраны становится к тому же еще более положительно заряженной, чем внутренняя. То есть снаружи теперь много натрия и относительный «плюс», а внутри много калия и относительный «минус» – такие относительные заряды еще называют потенциалами. На мембране благодаря натрий-калиевому насосу возникает напряжение, которое постоянно тянет натрий внутрь. А клетка его туда не пускает[39].

Такое «натриевое напряжение» – одно из самых фундаментальных качеств всех живых организмов на Земле, корнями уходящее, по-видимому, к самому происхождению жизни. Жидкости, омывающие наши клетки, от крови до межклеточного вещества, богаты натрием, как морская вода. Цитоплазма же любой клетки, от бактериальной до человеческой, преимущественно «калиевая». Некоторые ученые считают, что клетки изначально появились где-то, где было больше калия, и при выходе в «натриевую» морскую воду были вынуждены искусственно воссоздавать у себя внутри привычную ионную среду, выкачивая натрий наружу и закачивая калий внутрь16.

Так или иначе, в сегодняшних клетках постоянное натриевое напряжение нужно не просто для комфортной клеточной жизнедеятельности, а само по себе. У нас оно играет роль натянутой струны, на которой благодаря ее натянутости можно что-то сыграть. Натрий постоянно толпится возле мембраны, пытаясь проникнуть внутрь клетки, поэтому, если на мгновение приоткрыть ему дверь, сквозь мембрану устремляется мощная струя его положительного заряда. Даже если дверь тут же захлопнуть, этот импульс волной распространяется по внутренней поверхности мембраны, быстро нейтрализуя ее «минус» до тех пор, пока натрий не рассеется по клетке и не будет выкачан наружу натрий-калиевым насосом. Такие короткие импульсы, вызывающие в мембране разбегающиеся всполохи заряда, используются многими клетками для передачи сигналов из одной части клетки в другую. Но у некоторых клеток, и в частности у нейронов, есть еще один трюк, который поднимает эту идею на новую высоту: потенциал действия.


Хлопок одной ладонью

Выстрел голосованием

Типичный нейромедиатор, выброшенный в синаптическую щель, доплывает до «принимающего», или постсинаптического, нейрона, и открывает там натриевые каналы. Эти каналы как раз и напоминают захлопнутую дверь, которую нейромедиатор временно приоткрывает. Внутрь клетки устремляется натрий, и волна положительного заряда растекается по внутренней стороне ее мембраны. Но нейромедиатор поступает в синаптическую щель не постоянным потоком, а небольшими облачками, выпущенными окончанием предыдущего нейрона. Нейромедиатор быстро утекает из синапса, зачастую впитываясь только что испустившей его пресинаптической клеткой для повторного использования. Так что дверь ионного канала приоткрывается всего на несколько милли– секунд, после чего она снова захлопывается. В результате струя натрия в клетку обрывается и вызванная им волна положительного заряда быстро затухает, не сильно продвинувшись вглубь нейрона. Усердно пыхтящий натрий-калиевый насос возвращает все на свои места.

Но что будет, если нервная клетка принимает нейромедиаторы от нескольких нейронов одновременно? Чем больше у нее «входящих соединений», тем сильнее ее бомбардируют нейромедиаторами, тем больше в нее впускается натрия и тем сильнее суммарная волна положительного заряда, растекающаяся по клетке. Того же самого эффекта можно достичь, если лупить нейромедиатором по одному и тому же синапсу, но с огромной частотой – так, что натриевая волна не будет успевать затухать, а будет продолжать нарастать.

И вот тут, с нарастающей натриевой волной, в дело вступает тот самый фирменный трюк нейрона, исполняемый одной из важнейших молекул в нашей нервной системе. Называется эта молекула, к сожалению, предельно банально: потенциал-зависимый натриевый канал.

КСТАТИ

Ядовитая рыба фугу – знаменитый японский деликатес для любителей острых ощущений. Ее можно есть, если особым образом разделать, но стоит повару чуть промахнуться, и исход для едока может оказаться смертельным. Приготовление фугу жестко контролируется: поварам нужно получать специальную лицензию, а употребление печени (самой ядовитой части, которую знатоки, разумеется, считают самой вкусной) вообще запрещено.

Яд рыбы фугу называется тетродотоксин. Это вещество блокирует потенциал-зависимые натриевые каналы, тем самым предотвращая нервные и мышечные импульсы (сокращение мышц во многом похоже на возбуждение нейронов). Умирает человек обычно от паралича дыхательных мышц.

История с фугу и тетродотоксином любопытна в первую очередь тем, что от него не умирает сама рыба, которая, конечно, тоже не может жить без нервной системы и мышц, а значит – без потенциал-зависимых натриевых каналов. Разгадка в том, что у фугу в генах этих каналов есть мутация, делающая их нечувствительными к яду17. Сам же тетродотоксин производится не организмом рыбы, а бактериями, которых рыба поедает. То есть эволюционно предки фугу, по-видимому, сначала пытались обезвредить какую-то ядовитую пищу, содержащую тетродотоксиновые бактерии, и в итоге получили возможность приспособить эти бактерии для самообороны.

Но самое интересное в том, что ровно так же поступают по крайней мере несколько животных независимо друг от друга. Очень похожие мутации в генах натриевых каналов обнаружены, например, у некоторых моллюсков и змей, которые, как и фугу, пользуются микроорганизмами с тетродотоксином, чтобы самим быть ядовитыми18. Поскольку все эти мутации происходили независимо и многократно, а у неядовитых животных не встречаются, создается впечатление, что тетродотоксин – это универсальный противоживотный яд, который в принципе легко найти среди микроорганизмов, но которым среди животных почти никто не может пользоваться, кроме отдельных мутантов натриевого канала. Те же обретают в результате своей мутации доступ к мощному бактериальному оружию. Это прекрасный пример конвергентной эволюции, при которой разные тропы ведут к одной и той же идее.

С «натриевым каналом» в названии все понятно: как и «двери», открываемые нейромедиаторами, этот белок впускает натрий внутрь клетки. Но ключевое свойство этого конкретного канала – его потенциал-зависимость, то есть зависимость от напряжения на мембране. Эти каналы открываются не нейромедиатором, а самой мембраной, в которой они сидят. Стоит мембране (в норме отрицательно заряженной изнутри) впустить в клетку достаточное количество натрия, как раскрываются потенциал-зависимые каналы и впускают в клетку еще больше натрия, что раскрывает еще больше потенциал-зависимых каналов – и так продолжается до тех пор, пока эти каналы не захлопнутся самопроизвольно, обрубая натриевый ток. Весь процесс занимает считаные миллисекунды, но в это мгновение отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны вдруг резко становится положительным.

Обычно потенциал-зависимые каналы сконцентрированы на некотором удалении от «принимающих» синапсов, поэтому натриевая волна, вызванная нейромедиаторами, до них доходит не сразу, а только если достаточное количество синапсов работает одновременно с достаточной частотой. Но стоит суммарной волне положительного заряда разрастись до размеров, при которых она достигает потенциал-зависимых натриевых каналов, как те разом и настежь распахивают свои натриевые двери и превращают волну в лавину. Эту лавину уже не остановить. Натрий хлещет сквозь мембрану, вызывая взрывную нейтрализацию, которая почти мгновенно охватывает всю клетку и все ее отростки. Этот взрывной эффект и называется потенциалом действия. Через мгновение потенциал-зависимые натриевые каналы спонтанно захлопнутся, и клетка быстро вернется к своему исходному состоянию. Но пробежавший по ней «натриевый взрыв», потенциал действия, приводит к главному – и, по сути, единственному – действию, на которое способен нейрон: выбросу нейромедиаторов во все его «исходящие» синапсы.


Хлопок одной ладонью

Цикл замкнулся: мы проследили движение нервного импульса от синапса до синапса. Нейромедиатор, выброшенный клеткой № 1, впустил в клетку № 2 немного натрия. При достаточном количестве впущенного натрия в клетке № 2 активируются потенциал-зависимые натриевые каналы и впускают очень много натрия, то есть вызывают потенциал действия. В результате клетка № 2 тоже стреляет нейромедиатором в следующую клетку № 3 и так далее. В английском языке при потенциале действия так и говорят: neuron fires, «нейрон стреляет».

Синапс может быть любой силы. Но потенциал действия всегда одинаковый. Каждое синаптическое соединение между двумя нейронами может усиливаться или ослабляться, что соответствует большему или меньшему количеству натрия, запускаемого в клетку B «выстрелом» из клетки A. Достигаться такие изменения могут разными способами. Например, клетка А может регулировать количество нейромедиатора, содержащегося в каждом «выстреле». Клетка B, в свою очередь, может менять на «принимающей» мембране количество белков-рецепторов, «мишеней» нейромедиатора, и тем самым тоже влиять на силу сигнала, передаваемого через отдельно взятый синапс. В общем, каждый нейрон получает с разных сторон сигналы разной силы. Но стоит всем разнообразным сигналам достичь в совокупности нужного порога, как их сминает одной и той же лавиной потенциала действия. Этот одинаковый потенциал действия – одинаковая команда к выбросу всех заготовленных нейромедиаторов из всех окончаний. Это одна и та же команда «Пли!», которая одновременно достигает всех имеющихся в нейроне «пушек» независимо от того, сколько в них «зяряда». Нейрон не может сначала выбросить немножко нейромедиатора из одной половины своих окончаний, а потом еще чуть-чуть из другой половины. Он либо молчит, либо выстреливает всем, что заряжено, изо всех окончаний.


Хлопок одной ладонью

У человека каждый нейрон постоянно получает сигналы от тысяч других нейронов. Все эти тысячи сигналов разной силы складываются, и при достижении определенного порога по всему нейрону раздается команда «Пли!». Входящие соединения как бы «голосуют» за потенциал действия, причем в зависимости от силы каждого синапса меняется его вклад в общее решение. Потенциал-зависимые натриевые каналы решают исход голосования: это они определяют порог, при котором тишина превращается в выстрел. То есть смысл потенциала действия – это превращение массы аналоговых сигналов в единый дискретный, или цифровой, сигнал.

КСТАТИ

Электрические сигналы в клетках хороши тем, что за ними относительно легко наблюдать в реальном времени: нужно просто проткнуть мембрану тонким электродом. В исследованиях, проводимых в нашей лаборатории, этому особенно способствуют крупные размеры нейронов аплизии (их видно невооруженным глазом). Колебания заряда под мембраной записываются в виде графика, напоминающего кардиограмму, но параллельно выводятся на динамик и превращаются в звуковую волну. Это сложно объяснить, но с динамиком работать проще, чем в тишине, – опытный электрофизиолог может на слух отличить здоровый нейрон от неправильно шумящего.

Активные нейроны обычно стреляют не одиночными потенциалами действия, а целыми очередями – весь цикл «нейромедиатор – потенциал действия – нейромедиатор» занимает миллисекунды, так что клетка быстро «перезаряжается» и стреляет снова, если ее продолжать стимулировать. Каждый потенциал действия на экране выглядит как большой острый пик: он резко взлетает вверх и резко падает вниз, из-за чего потенциалы действия еще называют «спайками», то есть «шипами». Но звучит потенциал действия как низкий, глухой удар, напоминающий удар бас-барабана. Чем активнее нейрон, тем быстрее он грохочет своим карданным валом. Со временем разные частоты и даже тембры ударов начинают казаться голосами – то ленивыми, то энергичными, то хлипкими и болезненными, то уверенными и возмущенными. Как и у любого отдельно взятого животного, у любого отдельно взятого нейрона свой характер.

В чем смысл нейрона? Если бы он был проводом, то синапсы вообще были бы не нужны. Собственно, в нервах их и нет. Нервы – это как раз высокоскоростные трассы передачи сигнала, и состоят они из очень длинных отростков одних и тех же клеток, не прерывающихся синапсами и нейромедиаторами. В одном и том же нерве могут быть сведены отростки тысяч клеток, но сигнал по ним бежит всегда в пределах клетки, а не между ними. Такие отростки достигают огромной длины: например, у нейронов седалищного нерва, живущих в спинном мозге, они должны дорастать аж до кончиков пальцев на ноге.

Но основную часть мозга составляют не нервы, а сети нейронов, соединенных астрономическим количеством синапсов, причем синапсов именно химических, «прерывистых», а не электрических, по которым сигнал может бежать без остановки. Задача типичного нейрона – не просто провести сигнал. Его главная функция – обобщение. Каждый нейрон принимает тысячу разнообразных входящих соединений, а сам отправляет одно и тот же сообщение по тысяче исходящих каналов. Каждое отдельно взятое соединение и каждое отдельно взятое сообщение значат мало, но их совокупность, их частота, их сила, иными словами, их паттерн порождает нечто, к чему не сводится ни одно из них. Смысл нейрона – в эмерджентности информации на выходе по отношению к информации на входе.

Нейроны передают информацию по цепи одной и той же азбукой Морзе, состоящей из потенциалов действия, «стреляющих» с разной частотой. Но с продвижением по цепи синапсов эта информация меняет значение. Каждый следующий нейрон отражает очередью своих выстрелов все более и более сложные закономерности. Информация, которую он несет, становится более общей, более отрешенной от деталей, более абстрактной. В этой абстракции и заключается смысл нейрона, а как мы увидим в дальнейшем, и всего мозга. Любое действие, любой рефлекс, любая мысль сводятся к обобщению.

Обобщение как базовая математическая операция сближает нашу нервную систему с цифровым компьютером19. Похожую функцию, только сильно упрощенную, в процессорах исполняют транзисторы – микроскопические детали микрочипа, которых там десятки миллионов на квадратный миллиметр. Типичный транзистор получает два входящих сигнала, а дальше по цепи отправляет один исходящий, совершая тем самым элементарную операцию обобщения. К этой операции сводятся любые, даже самые сложные вычисления, производимые компьютерами. Но у нейронов, помимо способности обобщать, есть еще одно свойство, которого у транзисторов нет: они хранят в себе память о прошлом.

Иллюзия прошлого

Один из эпизодов телесериала «Черное зеркало» вертится вокруг технологии, позволяющей копаться в памяти другого человека и даже выводить сцены из его прошлого на экран специального телевизора. Героиня эпизода, страховой агент, пользуется таким устройством для расследования несчастного случая и случайно натыкается в воспоминаниях второй героини на нечто ужасное. Это ужасное проецируется из головы второй героини на экран телевизора в виде мутного видеоролика, и страховой агент видит то, что не должна была увидеть. Следует драма.

Мы представляем себе собственную память как память компьютера. Память можно скачать и закачать, ее можно скопировать, удалить, вывести на экран. Мы смотрим на память как на вещь, которая лежит в конкретном месте и которую можно из этого места взять и переложить в другое место. Даже если мы знаем, что файл на экране компьютера – это его виртуальная иконка, мы все равно понимаем, что где-то на жестком диске есть место, на которое можно указать и сказать: «Вот этот файл». Этот файл не изменится в зависимости от того, на каком устройстве его открывать. Он существует сам по себе. Так мы представляем и собственные воспоминания. Лучше всего это отражено в научной фантастике: помимо «Черного зеркала», можно, например, вспомнить, замечательный киберпанк-боевик 1995 г. «Джонни-мнемоник» по одноименному рассказу Уильяма Гибсона, в котором герой Киану Ривза выступает в качестве живой флешки (весь сюжет основан на том, что у Джонни-мнемоника в голове умещается 80 гигабайт информации, а ему – о ужас! – пытаются туда закачать 320 гигабайт. По современным меркам все это смешные объемы, умещающиеся на USB-накопителе размером с монету). Подобное представление о памяти встречается и в фэнтези: в «Гарри Поттере», например, есть магический артефакт «Омут памяти», в котором можно сохранять сокровенные воспоминания для дальнейшего просмотра любопытными школьниками.

Компьютерная память гораздо понятнее, чем человеческая, поэтому велико искушение смотреть и на нашу память как на файлы, аудиозаписи и видеоролики. Но если задуматься о том, что мы помним, то становится понятно, что наша память так не работает.

Попробуйте не смотреть влево, а вместо этого вспомнить как можно больше предметов с левой стороны. Если только вы не сидите у белой стены, я гарантирую, что вы забудете по крайней мере половину из того, что могли бы вспомнить. Эту игру, «не смотри влево», придумала одна моя студентка, которая таким образом наблюдала за собой в течение недели. Главный ее вывод: мы недооцениваем забытое. Ей всегда казалось, что она знает, понимает и помнит все вокруг, но это неизменно оказывалось иллюзией. На самом деле она помнила только те предметы, с которыми раньше взаимодействовала и на которые обращала внимание.

Этот феномен хорошо известен и в научной литературе: можно всю жизнь на что-то смотреть и при этом совершенно не помнить, как оно выглядит. Люди, например, отвратительно помнят, как выглядят дорожные знаки или деньги, хотя об этом и не подозревают. В экспериментах на такую тему большинство добровольцев изначально думают, что без труда воспроизведут монету в один цент, но приходят в ужас, когда им потом показывают оригинал20. Нам всегда кажется, что мы помним больше, чем мы помним на самом деле. В этом легко убедиться, если попробовать по памяти нарисовать, скажем, карту мира или утку. В голове они могут выглядеть кристально четко, но стоит вам начать водить ручкой по бумаге, как выяснится, что вы совершенно не помните береговую линию Южной Америки или пропорции утиного клюва.

Конечно, если вы специалист по аргентинскому флоту или по питанию водоплавающих птиц, ваши шансы вспомнить больше деталей увеличиваются. Но в этом-то и суть: мы не просто запоминаем свойства окружающего мира. Мы запоминаем свои взаимодействия с этими свойствами. Воспоминания не записываются на носитель-пустышку – они проходят через призму нашего внимания и восприятия, которые, в свою очередь, сформированы образованием, воспитанием, языком – иначе говоря, предыдущими воспоминаниями. Новые воспоминания всегда привязываются к другим, уже имеющимся. Древние греки об этом знали и даже пользовались специальной техникой запоминания, называемой «дворцом памяти». Идея в том, что нужно вообразить дворец с множеством комнат, стеллажей и полок, а затем представить, что вы кладете то, что хотите запомнить, на ту или иную полку в той или иной комнате. Фактически это искусственно создаваемый «каркас», на который удобно крепить новые воспоминания. Но в той или иной степени все мы носим в голове собственный «дворец памяти», который постоянно расширяем. Биологу проще запомнить информацию про гены и белки, которая для неспециалиста звучит тарабарщиной, а пианисту проще запомнить фортепианный концерт, из которого средний человек не воспроизведет даже мелодию. Монета в один цент запоминается плохо именно потому, что она ни с чем не связана и не играет в нашей жизни никакой роли – взаимное расположение разных элементов дизайна ни на что не влияет и ни о чем не говорит. Память не абсолютна, а относительна.

Если бы наша память работала как видеокамера, то нам было бы совершенно все равно, что запоминать. Но лица, например, запоминаются несопоставимо лучше, чем снежинки или абстрактные формы21. Начало и конец запоминаются лучше, чем середина22. Необычные или эмоционально заряженные вещи запоминаются лучше, чем банальные23. Мы запоминаем то, что воспринимаем, а воспринимаем мы далеко не все, что видим.

В своей крайней форме этот феномен известен как «слепота невнимания». Есть, например, гениальная социальная реклама лондонского общественного транспорта, основанная на психологическом исследовании 1999 г.24 В ней две команды баскетболистов быстро пасуют мяч, и зрителю предлагается сосчитать количество пасов между игроками в белом. Если вы не знаете, о чем я рассказываю, то рекомендую прямо сейчас отложить книгу и загуглить «Transport for London awareness test», потому что дальше будут спойлеры и смотреть станет не так интересно. Так вот, спойлер: на самом деле смысл видео не в подсчете пасов, а в том, что, пока вы их усердно считаете, среди баскетболистов появляется человек в костюме медведя и, пританцовывая, не спеша прогуливается из одного угла экрана в другой. Я показываю этот ролик сотням людей, и пока медведя с первого раза не заметил ни один. «Если не обращать внимание, можно многое пропустить, – объясняет текст на экране. – Следите за велосипедистами».

Короче говоря, воспоминание – не просто отражение реальности, а его преломление нашим собственным восприятием, сохраненное в координатах нашего собственного сознания. В видеоролике все изображения имеют одинаковую природу: и снежинки, и лица, и автомобили состоят из одних и тех же пикселей, и больше не из чего. Мы же можем видеть автомобиль, можем – автомобиль марки «Тойота», а можем – автомобиль марки «Тойота», принадлежащий бывшей жене, и все это совершенно разные мысленные конструкции, отражающие не просто момент запоминания, а всю нашу предыдущую жизнь. Поэтому представить себе реализацию сюжета «Черного зеркала» на практике очень трудно. «Просмотреть» свою память я могу только в связи со всем остальным, что есть у меня в голове, а значит, для этого нужна именно моя голова25, 26.

Что такое память

Главное, что мешает нам правильно понимать собственную память, это то, что компьютерная память – вещь, а наша – связь между вещами. Информация, заложенная в отдельном файле, имеет физические координаты, границы и смысл в отрыве от остальных файлов. Информация, заложенная в отдельном воспоминании, без остальных воспоминаний смысла не имеет. Дзен нашей памяти заключается в том, что никакое наше воспоминание не существует само по себе, а всегда отражает связь между предыдущими воспоминаниями.

Словом «воспоминание» обычно описывают только один из типов нашей памяти, называемый в науке эпизодической или автобиографической. Эпизодическая память – это память об эпизоде из прошлого. Допустим, вы помните, как сидели с симпатичным молодым человеком в кафе и разговаривали о Рене Декарте. Пока вы там сидели, ваш мозг получал одновременно несколько параллельных потоков информации извне: слуховая кора анализировала частоты колеблющегося воздуха, зрительная кора регистрировала приглушенный свет и деревянные столы, по обонятельному нерву транслировался запах кофе, разбитый на молекулярные компоненты, а языковые центры усваивали структуру предложений вашей интеллектуальной беседы. В чем заключается воспоминание об этой чудной встрече? Именно в том, что все эти отдельно взятые нити опыта связаны между собой в единый узелок. Если потянуть за одну из нитей, то можно восстановить всю связку: так, запах кофе может вызвать в памяти сцену из прошлого. Эпизодическая память работает путем реактивации тех же самых участков мозга, которые были активны при ее записи. Это не значит, что в других ситуациях эти участки ничего не делают. Просто память состоит не в самой работе участка, а в том, что конкретно эти участки конкретно в этой ситуации работали одновременно8.


Хлопок одной ладонью

Есть и другие формы памяти, которые «воспоминаниями» мы обычно не называем, но которые сводятся все к той же идее усиленной связи между имеющимися элементами. Например, навыки в научной терминологии считаются формой памяти, ведь это нечто усвоенное организмом из внешней среды, а не заложенное в нем от природы. Как и эпизодическая память, навык отражает связь между вещами, только в первом случае это связь между разными элементами опыта, а во втором – связь между действием и его результатом. Например, обучаясь игре на фортепиано, мы запоминаем, какие движения пальцев приводят к тем или иным звукам, и постепенно усиливаем связь между искомым звуком и правильным движением. Точно так же работают любые привычки, привязанности и зависимости – все это разные формы памяти, заключающиеся в связи между нужным результатом и подходящим действием.

Пожалуй, лучшей иллюстрацией того, что память не вещь, а связь между вещами, служит язык. Человек, выросший в лесу среди зверей, разговаривать не умеет, так что все, что мы знаем про свой язык, мы тоже когда-то запомнили. На первый взгляд, эта память состоит в связи слов с их смыслом, и это действительно часть знания языка. Мы запоминаем, что слово «мама» связано с видом, звучанием и запахом конкретной мамы. Но из чего у нас в голове состоит слово «мама»? Из двух слогов «ма». То есть для запоминания слова «мама» надо запомнить, что слог «ма» связан с таким же слогом «ма», а не с другим слогом «ра». А слог «ма» можно запомнить либо как связь между частотами и амплитудами колебаний барабанной перепонки, либо как связь между двумя черными символами на белой поверхности (это если мы учим новый язык, уже зная его алфавит).

Любую память можно представить как разветвленную систему гиперссылок, в конечном итоге ведущую к органам чувств. Видеокамера – это как бы глаз, запоминающий изображение на собственной сетчатке. Мы же запоминаем не то, что видят органы чувств, а то, как мозг структурирует эту информацию, соединяя ее в единую систему.

Поэтому неудивительно, что главный физический носитель памяти в мозге – это синапс, который и представляет собой не что иное, как соединение.

Искусство втягивать

С точки зрения нейробиологии главное, что умеет делать морской заяц, – это втягивать части тела в ответ на раздражение. В принципе, все, что мы, исследователи памяти, с ними делаем, сводится к силе втягивания хвостов или жабр. У нас в лаборатории даже есть специальный прибор для раздражения улиточьего хвоста струей воды. Теоретически это зубоврачебный аппарат для чистки зубов, поэтому техподдержка производителя, видимо, считает нас сумасшедшими стоматологами: один из моих коллег поставил на уши всю контору, пытаясь выяснить, сколько силы в ньютонах выдает струя их прибора за 500 миллисекунд.


Хлопок одной ладонью

Плюс аплизии состоит в том, что ее рефлексы просты и настолько хорошо изучены, что между событиями, происходящими внутри клеток, и событиями, происходящими в жизни слизня, установлена прямая взаимосвязь. Втягивание хвоста контролируется двумя нейронами – сенсорным, несущим сигнал от хвоста в мозг, и моторным, несущим сигнал из мозга в хвост. В мозге аплизии два этих нейрона соединены единственным синапсом. Когда мы направляем свою стоматологическую струю воды аплизии на хвост, это активирует в отростке сенсорного нейрона ионные каналы, чувствительные к механическому растяжению мембраны. Волна натрия устремляется в сенсорный нейрон и по его отростку добегает до мозга. От этого сенсорный нейрон выстреливает свой нейромедиатор – в данном случае аминокислоту глутамат – в «принимающие» отростки моторного нейрона. Одного выстрела может быть недостаточно, чтобы моторный нейрон зашевелился, но если струя воды была достаточной силы, то сенсорный нейрон выстрелит сразу очередью, а моторный нейрон «обобщит» эту очередь своим собственным потенциалом действия. Тот пробежит по его отростку обратно в хвост и выбросит там другой нейромедиатор – ацетилхолин – в мышцу, что приведет к ее сокращению.

Все это очень напоминает коленный рефлекс: там тоже один сенсорный нейрон, один моторный нейрон и их синапс в спинном мозге. Доктор бьет под коленную чашечку – нога дергается. Отличие в том, что коленный рефлекс не меняется в зависимости от воли или обучения – в этом весь его смысл для врачей. Аплизия же может втягивать хвост сильнее или слабее.

Если аплизии надоедать струей воды или похожим слабым стимулом несколько раз подряд с небольшими промежутками, то она станет реагировать слабее. Это самая простая форма памяти, какую можно себе представить: в ослабленной реакции на стимул отражается история предыдущих событий. Аплизия помнит, что струя воды не причиняет ей вреда. Если, наоборот, ударить аплизию током, то после этого она какое-то время будет раздражительной, реагируя на струю воды сильнее, чем обычно. Это тоже память: аплизия помнит, что с ней случилось что-то плохое.

Физически эти формы памяти состоят в конфигурации синапса между сенсорным и моторным нейроном. Все, что моторный нейрон знает о происходящем в хвосте, он узнает из этого синапса. А синапсы, как мы установили, могут быть сильными или слабыми. Если синапс слабый, то влияние сенсорного нейрона на моторный тоже слабое. Чтобы вызвать слабым сигналом хотя бы один потенциал действия в моторном нейроне, сенсорному нейрону нужно «стрелять» таким сигналом как из пулемета. Если же синапс сильный (эта сила может различаться в десятки раз), то одного «выстрела» сенсорного нейрона, наоборот, может хватить на целую «очередь» в моторном. Поэтому в зависимости от силы синапса между сенсорным и моторным нейроном одна и та же струя воды, направленная на хвост аплизии, вызывает у нее разную двигательную реакцию.

Что же определяет силу этого ключевого синапса? Изначально она случайна и в среднем одинакова для разных частей тела, например между сенсорным и моторным нейронами головы и между сенсорным и моторным нейронами хвоста. Меняется она в зависимости от частоты, интенсивности и давности использования. От повтора слабого стимула сила временно падает. От мощного стимула сила растет. Это фундаментальное свойство нейронов изменять силу своих синапсов на основании событий, произошедших с ними в прошлом, называется синаптической пластичностью8.

Биологический смысл памяти – это предсказание будущего на основании прошлого, а биологический смысл мышления – предсказание общего на основании частного. Нервная система, снабженная синаптической пластичностью, осуществляет обе эти задачи. Из-за того, что каждый нейрон обобщает слабые сигналы от тысячи других нейронов, пространство информационных возможностей в мозге возрастает до неисчислимых высот. А из-за того, что каждое соединение помнит историю своей деятельности, эти возможности обретают физическое тело, подобно бестелесным генам, когда-то давным-давно возникшим в молекулах нуклеиновых кислот.

Коан улитки

Второй по популярности вопрос, который мне задают про аплизий, когда я говорю, что исследую их память, это: «А что, у них есть память?»

Что, собственно, такого странного в том, что у аплизий есть память? Удивительно ведь не то, что аплизия сильнее втягивает хвост, если ее ударить током. Это как раз очень интуитивно понятная реакция. Удивительно было бы, если бы у аплизии была человеческая память – а это как раз и пытается представить себе человек, задающий вопрос.

Аплизии помнят то, что аплизии ощущают. Их сенсорный мир не богаче, чем у дождевого червя, их движения контролируются незамысловатыми цепочками нейронов, поэтому и информационное пространство памяти для них ограничено простыми закономерностями предыдущих событий: сколько раз, с какой силой и с какими промежутками их ткнули в хвост, например.

Люди тоже помнят то, что ощущают. Триллионы синапсов нашего мозга ежесекундно пропускают сквозь себя целые симфонии потенциалов действия, гуляющие по мозгу волнами электрической активности, в которых все наши органы чувств соединяются единой многомерной абстракцией. Наши воспоминания – это слоистая паутина причинно-следственных, эмоциональных, ассоциативных взаимосвязей между событиями прошлого, для хранения которых требуется годами перераспределять силу в бесчисленном количестве синапсов, разбросанных по всей нашей огромной нервной системе, запоминая сначала общие законы реальности, потом язык, а потом – все, что про эту реальность знают окружающие нас люди.

Очевидно, что люди и улитки помнят разные вещи. Но память – процесс запоминания информации – у нас с ними, в принципе, не так уж сильно различается. И у нас, и у них работа мозга заключается преимущественно в выбросе нейронами нейромедиаторов, которые стимулируют другие нейроны. И у нас, и у них запоминание в основном сводится к модификации силы синапсов паттернами стимуляции. Механизмы этого запоминания, многие из которых были впервые показаны на аплизии, предельно похожи на механизмы памяти мышей и других млекопитающих. Наш мозг совсем не похож на мозг улитки. Но, насколько можно судить, молекулярная аппаратура, принимающая участие в работе нейронов и синаптической пластичности, у нас почти идентична.

Если между человеком и аплизией что-то идентично, то почти наверняка оно нами обоими унаследовано от общего предка. Последний общий предок человека и аплизии был, по-видимому, червеобразным существом, ползавшим по морскому дну незадолго до кембрийского взрыва27. Наша с аплизией память работает почти одинаково. Но наши с ней эволюционные тропы разошлись за сотни миллионов лет до того, как животные по-настоящему воцарились в океане и тем более на суше, за целые эпохи до того, как наши предки прошли через тропический лес карбона, пережили динозавров и залезли на деревья.

В этом, пожалуй, самая главная ценность этого животного для меня. Аплизия максимально удалена от человека, оставаясь при этом совершенно стандартным животным. Аплизия – не столько «простое» животное, сколько животное абстрактное, обобщенное, типичное. Оно гораздо типичнее, чем мы. Оно живет в океане, оно обычного размера, обычной скорости, обычной температуры, обычной сложности. Аплизия, в сравнении с человеком, дает мне точку отсчета, заземляет мое представление о собственной природе, постоянно напоминает, что и память, и мышление, и поведение – это вещи относительные, требующие собственной системы координат и потому легко теряемые в наслоениях субъективного, человеческого, личного.

Все в жизни относительно. Относительна боль, относительны воспоминания, относительно сознание. Все это закономерности времени и пространства, паттерны, отраженные в материи, но столь же отдельные от нее, как отдельно содержание книги от его носителя. Даже сами понятия жизни и смерти относительны. Когда я извлекаю из улитки мозг и протыкаю его электродами, можно ли сказать, что улитка мертва? Судя по тому, что мне сообщают электроды, ее мозг об этом не подозревает. А если извлечь из мозга отдельные нервные клетки и соединить их между собой? С их точки зрения ничего не поменяется. А если разделить каждую клетку на молекулы? А если записать химическое строение каждой молекулы в файл на компьютере? Где она, жизнь? Где она, смерть? Все это просто слова, которыми мы разбиваем один хлопок на две ладони.

10. Огонь изнутри

Зачем притворяешься ты

То ветром, то камнем, то птицей?

Анна Ахматова

«Итак, боги, подражая очертаниям Вселенной, со всех сторон округлой, включили оба божественных круговращения [души и материи] в сферовидное тело, то самое, которое мы ныне именуем головой и которое являет собою божественнейшую нашу часть, владычествующую над остальными частями. Ей в помощь они придали все устроенное ими же тело, позаботившись, чтобы оно было причастно всем движениям, сколько их ни есть; так вот, чтобы голова не катилась по земле, всюду покрытой буграми и ямами, затрудняясь, как тут перескочить, а там выбраться, они даровали ей эту вездеходную колесницу. Поэтому тело стало продолговатым и, по замыслу бога, сделавшего его подвижным, произрастило из себя четыре конечности, которые можно вытягивать и сгибать; цепляясь ими и опираясь на них, оно приобрело способность всюду продвигаться, высоко нося вместилище того, что в нас божественнее всего и святее.

Таким образом и по такой причине у всех людей возникли руки и ноги. Найдя, что передняя сторона у нас благороднее и важнее задней, они уделили ей главное место в нашем передвижении. Сообразно с этим нужно было, чтобы передняя сторона человеческого тела получила особое и необычное устройство; потому-то боги именно на этой стороне головной сферы поместили лицо, сопрягши с ним все орудия промыслительной способности души, и определили, чтобы именно передняя по своей природе часть была причастна руководительству.

Из орудий они прежде всего устроили те, что несут с собой свет, то есть глаза, и сопрягли их [с лицом] вот по какой причине: они замыслили, чтобы явилось тело, которое несло бы огонь, не имеющий свойства жечь, но изливающий мягкое свечение, и искусно сделали его подобным обычному дневному свету. Дело в том, что внутри нас обитает особенно чистый огонь, родственный свету дня, его-то они заставили ровным и плотным потоком изливаться через глаза; при этом они уплотнили как следует глазную ткань, но особенно в середине, чтобы она не пропускала ничего более грубого, а только этот чистый огонь.

И вот когда полуденный свет обволакивает это зрительное истечение и подобное устремляется к подобному, они сливаются, образуя единое и однородное тело в прямом направлении от глаз, и притом в месте, где огонь, устремляющийся изнутри, сталкивается с внешним потоком света. А поскольку это тело благодаря своей однородности претерпевает все, что с ним ни случится, однородно, то стоит ему коснуться чего-либо или, наоборот, испытать какое-либо прикосновение, и движения эти передаются уже ему всему, доходя до души: отсюда возникает тот вид ощущения, который мы именуем зрением»1.

Это цитата из «Тимея», одного из диалогов Платона, где описывается происхождение природы и человека. По Платону, сначала были созданы души, которые затем были «посеяны» богами в смертных, материальных носителях, названных им «орудиями времени». Вследствие такого укоренения духовного в материальном появилась необходимость в сопряжении их «кругодвижений». Так возникло ощущение – «вынужденная» реакция души на то, что тело «принимает или извергает».

Души, согласно Платону, перерождаются из одного «орудия времени» в другое по схеме, напоминающей индуизм с оттенком шовинизма. У каждой души есть исходное, бессмертное состояние, в котором она припаркована к отведенной ей звезде. Душа, населяющая смертный организм, стремится вернуться к своей звезде (эти звезды напоминают ведийское понятие брахмана – вневременного абсолюта, «души мира», пронизывающей весь мир). Но вот попадет туда душа или нет, определяется тем, как она проживает текущую жизнь, – это очень похоже на идею кармы. «Тот, кто проживет отмеренный ему срок должным образом, возвратится в обитель соименной ему звезды и будет вести блаженную, обычную для него жизнь, а тот, кто этого не сумеет, во втором рождении сменит свою природу на женскую».

Все остальные свойства человеческого тела вторичны по отношению к этому изначальному сопряжению души с материей. Боги, утверждает Платон, обожают округлые формы, поэтому создали специальное сферическое тело, называемое головой, и дали ему в распоряжение «колесницу» из рук, ног и туловища – не катиться же голове, как Колобку, по земле, «всюду покрытой ямами и буграми». Далее боги по довольно смутным причинам решили, что «передняя сторона благороднее и важнее задней», и поместили на эту сторону лицо, снабдив его «орудиями», главным из которых стали глаза. И тут начинается самое интересное.

Тело, согласно Платону, заключает в себе особый огонь, который изливается из глаз. Этот огонь, встречаясь с огнем окружающего мира, порождает некое «однородное тело», чье движение передается душе. Это движение совокупности внутреннего и внешнего огня и составляет зрение.

Большинство современных авторов описывают эту теорию со снисходительной иронией. Вариации на тему «огня из глаз» были распространены в античном мире на протяжении столетий: Гален, например, описывает почти то же самое спустя почти пять веков после Платона2. В историографии науки за «теорией экстрамиссии» (то есть теории, что зрение основано на излучении из глаз) закрепилась репутация наивного заблуждения из глубокого прошлого.

Фигурой, опрокинувшей это заблуждение с ног на голову, считается арабский ученый X–XI вв. Ибн аль-Хайсам, также известный под латинизированным именем Альхазен. В своей семитомной «Книге оптики» он со скрупулезной педантичностью, достойной современных научных журналов (хоть и гораздо более многословной), в щепки рубит теорию экстрамиссии и доказывает, что зрение работает в обратном направлении: свет не исходит из глаз, а, наоборот, попадает в глаза извне3. Главный аргумент Ибн аль-Хайсама заключается в том, что если из глаз действительно что-то «излучается», то это что-то потом все равно должно как-то попасть обратно в глаз. Следовательно, предположение об «излучении» ничего не добавляет к объяснению, и, поскольку оно ни на чем, кроме фантазий, не основано, им можно пренебречь. Спустя несколько веков этот логический принцип получит название «бритвы Оккама», по имени английского францисканского монаха, который таким же образом «отсекал» от своих рассуждений все ненужное.

Сегодня теория экстрамиссии кажется дикой – ну не дураки ли все эти античные философы? Например, если зрение требует, чтобы лучи из глаз достигли предмета, на который мы смотрим, то как мы видим звезды? На самом деле, осознанно или нет, современный человек с детства впитывает в себя великие открытия Ньютонов, Максвеллов и Пастеров. Мы интуитивно понимаем, что у земли есть притяжение, что в розетке ток, что грязные предметы населены микробами, но эта интуиция на самом деле основана на знаниях, накопленных за многие тысячелетия. В XXI в. сложно поставить себя на место античного ученого, почти ничего не знающего о структуре Вселенной, природе света и работе мозга. Как, например, объяснить, что мы видим только перед собой, если не знать, что свет состоит из прямых лучей? Без специальных приборов совершенно не очевидно, что свет куда-то движется, причем по прямой. Если на секунду забыть учебник по физике, в котором свет нарисован прямой стрелкой, то становится неясно, почему мы не видим позади себя. С этой точки зрения идея о том, что мы физически «ощупываем» предметы глазами, интуитивно кажется более очевидной. Стоики, например, пользовались аналогией палки, с помощью которой «видят» слепые, – точно так же мы не видим позади себя, потому что не щупаем там «палкой» своего зрения.


Хлопок одной ладонью

Вопросы оптики зрения были окончательно решены относительно недавно, в XVI в., когда Иоганн Кеплер установил, что хрусталик проецирует перевернутое изображение на заднюю поверхность глаза. В древности считалось, что глаз видит всем своим объемом, но сегодня мы знаем, что чувствительна к свету в нашем глазу только сетчатка, а все остальное нужно для проведения и преломления лучей. Так или иначе, рассуждения средневекового ученого Ибн аль-Хайсама остаются в силе до сих пор: из глаза ничего не излучается.

Тем не менее психологические исследования показывают, что люди и сегодня интуитивно склонны к теории экстрамиссии4. Детям кажется логичным, что глаза проецируют что-то на окружающий мир. Если им показывать образовательные фильмы, опровергающие экстрамиссию, а потом показывать картинки, в которых лучи двигаются из глаз или в глаза, то сразу после просмотра они выбирают правильные варианты, но через несколько месяцев забывают содержание фильма и снова начинают склоняться к лучам из глаз. Встречается такое и среди взрослых, причем независимо от наличия у них высшего образования. Человек склонен считать зрение активным процессом, тогда как наука утверждает, что зрение пассивно. Это отражено даже в языке: мы смотрим на предметы, а не предметы «смотрятся» на нас, как льется на нас вода или дует на нас ветер.

Чем объясняется такая живучесть, казалось бы, смехотворной теории из древности? Возможно, тем, что она не так смехотворна, как кажется. Просто в ее античной формулировке сказывается недостаток фактических знаний, а именно тот факт, что древние ученые до смешного игнорировали мозг. Одни считали его устройством для охлаждения, другие устройством для изготовления спермы, а египтяне вообще думали, что функция мозга – доставлять в нос слизь. С точки зрения философов прошлого, ощущения порождаются органами чувств, которые общаются напрямую с душой. Если сегодня вопросы зрения считаются вопросами нейробиологии, то есть науки о мозге, то в древности зрение изучала оптика – наука о поведении света и его взаимодействии с глазом5. В этом заключается главная неполноценность рассуждений Платона: они концентрируются на глазах, которые на самом деле играют сугубо «принимающую» роль придатков мозга и ничего во внешний мир не излучают. Но вот если отрешиться от глаз и углубиться в механизмы восприятия, спрятанные в глубине нервной системы, то «два огня» Платона, с двух сторон сливающиеся в единое ощущение, звучат поразительно современно.


Хлопок одной ладонью

Право против лева

Лучшее средство познакомиться с собственным мозгом, не прибегая к внедрению электродов или к запрещенным химическим веществам, – это зрительный эффект под названием «бинокулярная конкуренция». Его легко воспроизвести дома или в аудитории. Все, что для этого нужно, – бумажные 3D-очки с красной и синей линзами и экран с красно-синим изображением. На лекциях я пользуюсь картинкой, в которой красная женщина, смотрящая влево, наложена на синюю женщину, смотрящую вправо. Разноцветные линзы в очках фильтруют это изображение так, что каждый из глаз получает разные картинки. Я прошу студентов надеть очки и внимательно присмотреться к женщине: в какую сторону она смотрит?

Большинство людей, надевших очки, видят только одну из двух картинок – например, женщину, смотрящую влево. Но если продолжать на нее смотреть, то через несколько секунд картинка вдруг начинает шевелиться и сменяется другой – женщиной, смотрящей вправо. Через несколько секунд ситуация повторится и исходное изображение вернется на место. Такие колебания восприятия будут продолжаться до тех пор, пока человек не снимет очки. Два «конкурирующих» изображения никогда не сливаются в единое целое, а ходят туда-сюда между картинками, получаемыми левым и правым глазом.

Этот простой эксперимент иллюстрирует фундаментальное свойство нашего восприятия. Наши ощущения – не просто сигналы от органов чувств, а интерпретации этих сигналов, которые мы активно выбираем из множества возможных.


Хлопок одной ладонью

В большинстве случаев два наших глаза смотрят на одно и то же, в отличие от глаз, например, лошади. Это свойство роднит нас с совами и хищными зверями вроде кошек, но в нашем случае было, по-видимому, адаптацией к жизни на деревьях, требующей передвижения в трех измерениях. Из-за близкого расположения спереди на лице наши глаза получают слегка различающиеся изображения на сетчатке, но вместо двух «плоских» изображений мы видим одно объемное. Сетчатка физически неспособна воспринимать объем, потому что она сама плоская. Но обобщая информацию из двух сетчаток, мозг формирует единое ощущение, включающее как собственно информацию от глаз, так и более абстрактную информацию о расположении предмета в пространстве.

Бинокулярная конкуренция – клин, воткнутый в этот механизм сопоставления и обобщения. Принцип любых 3D-очков заключается в том, что двум глазам показываются разные изображения. В трехмерном кино эти изображения различаются только перспективой, искусственно имитируя объемное зрение, поэтому мозгу кажется, что он смотрит не на плоский экран, а на рельефные предметы. При бинокулярной конкуренции же глазам предъявляются изображения, совершенно не совместимые между собой. Мозг пытается проделать с ними свою обычную операцию обобщения и выработать на их основании единый ментальный объект. Он хватается за одно из изображений (скажем, женщина, повернутая влево) и решает, что это и есть то, на что он смотрит. Но эта интерпретация совместима только с одним из глаз. Как только мозг решает, что женщина смотрит влево, возникает конфликт со вторым глазом, который утверждает, что женщина смотрит вправо. Через несколько секунд мозг сдается и пытается принять такую версию событий. Но стоит ему решить, что женщина все-таки смотрит вправо, как первый глаз начинает точно так же этому противоречить. Мозг не может выбрать единую интерпретацию, потому что единой интерпретации не существует, и зацикливается в постоянной смене объяснений увиденного.

К конфликту между зрительными интерпретациями сводится почти любая оптическая иллюзия. Есть, например, известная картинка, на которой можно увидеть либо белую вазу, либо два черных профиля – но не то и другое одновременно. Эта ситуация похожа на бинокулярную конкуренцию, только в данном случае конкурируют между собой не два глаза, а две разные интерпретации изображения, которое видят оба глаза.

Зачем нужна такая система интерпретаций, становится понятно, если трезво оценить возможности наших глаз. При каком угле обзора изображение кажется вам четким и ясным? Большинство людей скажут, что этот угол составляет по крайней мере 90°, а то и все 180° – ведь что-то же мы на периферии поля зрения видим. На самом деле область сетчатки, которая способна различать предметы с максимальным разрешением, соответствует углу обзора в 2–3° – это приблизительно ноготь большого пальца на вытянутой руке. По сравнению с этой крошечной областью, называемой желтым пятном, остальная сетчатка почти ничего не видит: на краях вообще-то очень узкого угла обзора в 20° разрешение зрения падает в десять раз. Этого разрешения хватает, чтобы заметить, что в боковом поле зрения что-то происходит, но не хватает, чтобы понять, что именно6, 7.

Как мы вообще тогда что-то видим? Во-первых, мы постоянно двигаем глазами: в среднем три-четыре раза в секунду. Но одним движением глаз проблемы не решить – попробуйте смотреть через соломинку и быстро-быстро ею двигать. Важнее то, что мы в принципе видим не сигналы из глаз, а собственные фантазии на тему этих сигналов. Сами же сигналы в большинстве случаев нужны только для корректировки таких фантазий, обновления уже имеющегося представления об окружающем мире. Все это позволяет нам постоянно жить в «виртуальной реальности» собственных ощущений, которая гораздо понятнее, чем хаотичная и непредсказуемая сенсорная информация.

КСТАТИ

Глаза двигаются резкими дергающими движениями, или саккадами, которые длятся обычно от 20 до 200 миллисекунд. На это время поток зрительной информации в мозг отключается и мы ничего не видим. Если бы вам показали фильм, в котором четыре раза в секунду были бы пробелы даже в 20 миллисекунд, вы бы не стали его смотреть. Но зрение субъективно воспринимается как непрерывный видеопоток. Нам кажется, что мы просто смотрим, но на самом деле по большей части мы воображаем. Информация, поставляемая в мозг глазами, – только одна из составных частей ощущения зрения.

В одном эксперименте, например, добровольцев просили зафиксировать взгляд в центре экрана, после чего у них в боковом поле зрения появлялась некая картинка. Пока люди переводили взгляд на эту картинку, ее подменяли другой. Если это сделать быстро, то человек не замечает подмены и думает, что вот эту-то вторую картинку он и видел боковым зрением. Если такое повторить много раз, то в дальнейшем люди будут смотреть боковым зрением на первую картинку и говорить, что видят вторую – ту, которую привыкли видеть после перевода глаз. То есть боковое зрение – это по крайней мере отчасти привычка, иллюзия четкого, объективного зрения там, где на самом деле мы ориентируемся по памяти6, 8.


Хлопок одной ладонью

В то, что мы на самом деле очень плохо видим боковым зрением, может быть сложно поверить. Если вы, как и я, смотрите на такую возможность скептически, то, скорее всего, мы с вами просто люди уникальных способностей. Но для проверки есть простой эксперимент7. Попробуйте зафиксировать взгляд на строчке текста и не двигать глазами. При этом попытайтесь переключить внимание на строчку ниже. Потом еще на одну. И еще. Через полминуты вы почувствуете, что в глазах как будто помутнело: четко видно только несколько слов, на которых сфокусированы ваши глаза, а все остальное размыто. На самом деле, именно так мы все и видим. Прочие же детали того, что нам видится в боковом поле зрения, – виртуальная модель реальности, изготовленная мозгом на основании предыдущего опыта. Именно эту виртуальную модель, а не собственно окружающую реальность, населяет наше сознание.

Хлор и золотое платье

Взгляните на эту картинку.


Хлопок одной ладонью

Если не знать, что на ней изображено, то картинка выглядит как черные пятна на белом фоне. Но если знать, что на картинке изображен далматинец, нюхающий землю возле дерева, то пятна легко «собираются» в черно– белую фотографию собаки. Более того, однажды увидев далматинца, «развидеть» его почти невозможно. Закрыв глаза, его образ можно вообразить безо всяких помех.

Примерно так работает знаменитое фото платья, которое разным людям кажется либо бело-золотым, либо сине-черным. Как и во всех других случаях, глядя на эту фотографию, мы воспринимаем не просто изображение, а ментальный объект. Мы видим не цвета, напечатанные принтером на бумаге, а воображаем, как на самом деле выглядит платье, если бы мы его рассматривали в реальности. Чтобы «собрать» такой ментальный объект, нам нужно обобщить две вещи: во-первых, собственно цвета на бумаге, во-вторых, освещение на фотографии. В зависимости от того, при каком освещении фотография была сделана, платья, которые на самом деле имеют разный цвет, на бумаге будут выглядеть одинаково. Поэтому от нашей интерпретации света зависит то, как мы воспринимаем истинный цвет платья. Фотография с платьем отличается от любой другой фотографии тем, что она сбалансирована ровно на границе двух возможных интерпретаций цвета-света. По каким-то неясным причинам, то ли из-за свойств зрительной системы, то ли просто случайным образом, у разных людей побеждает либо одна интерпретация, либо другая. Но главное в том, что, когда одна из них побеждает, человеку требуются неимоверные усилия воображения, чтобы увидеть вторую. Одним словом, интерпретации реальности конкурируют между собой.

Чтобы понять механику этого процесса, надо слегка усложнить схему работы нейрона, описанную в прошлой главе на примере аплизии. До сих пор речь шла о нейронах, называемых возбуждающими. Когда один такой нейрон «выстреливает» своим нейромедиатором, это подталкивает следующий по цепи нейрон к собственному «выстрелу» – потенциалу действия. То есть повышает вероятность его возбуждения. «Входящие выстрелы» в каждый нейрон как бы голосуют за его «исходящий выстрел», причем, в зависимости от силы входящих синапсов, вклад каждого из них в «итоге голосования» может быть разным.

Усложнение заключается в том, что нейроны бывают не только возбуждающими, но и тормозящими. Внешне они мало отличаются. Как и возбуждающие нейроны, тормозящие нейроны выбрасывают нейромедиаторы, когда возбуждаются, но это другие нейромедиаторы с другими свойствами. «Выстрел» тормозящего нейрона приводит к эффекту, противоположному «выстрелу» возбуждающего: вместо того чтобы запустить в следующую по цепи клетку положительный заряд натрия и тем самым приблизить ее к потенциалу действия, тормозной нейрон запускает в нее отрицательный заряд хлора. Хлор, как и натрий, в воде существует в виде иона и постоянно хочет попасть снаружи внутрь клетки. Только если натрий заряжен положительно, то хлор заряжен отрицательно, и поэтому струя хлора имеет противоположный натрию эффект: она подавляет потенциалы действия.


Хлопок одной ладонью

Типичный нейрон получает тысячи сигналов – как возбуждающих, так и тормозящих. Каждый из сигналов сам по себе мало что значит: значение имеет их совокупность. Торможение не отменяет возбуждения, а конкурирует с ним на равных, принимая участие в «голосовании», только если возбуждающие синапсы голосуют за потенциал действия, то тормозящие голосуют против.


Хлопок одной ладонью

Благодаря существованию тормозных нейронов разные потоки информации в мозге могут конкурировать друг с другом. Возбуждающий нейрон может не только отправлять потенциалы действия по цепи других возбуждающих нейронов, но и параллельно активировать тормозящий нейрон, вставленный между ним и другими возбуждающими клетками, а значит – подавлять их активность. Чем сильнее будет такой нейрон возбуждаться, тем сильнее он будет «давить» другие возбуждающие нейроны по соседству. Увидев на картинке далматинца, мы уже не можем увидеть что-то другое – те нейроны, которые создали эту интерпретацию, подавили альтернативные интерпретации, чья «сила» была меньше. Ровно то же самое происходит при бинокулярной конкуренции – просто там ни одна интерпретация никак не может победить и окончательно задавить другую.

Баланс возбуждения и торможения определяет то, что мы воспринимаем в любой момент времени. Торможение как бы образует постоянное силовое поле подавления, сквозь которое в сознание пробиваются сенсорные сигналы и их обобщения. Без торможения эти возбуждающие сигналы охватили бы пожаром весь мозг – такое происходит при эпилептических припадках.

Конкуренция между интерпретациями определяет не только их текущую активность, но и долгосрочное выживание. Чем дольше мы смотрим на изображение и видим в нем далматинца, тем активнее используются именно те синапсы, которые ведут к этому ментальному объекту, и менее активно – те, которые ведут к другим возможным интерпретациям (например, что на картинке изображена поверхность воды). В результате своей активной работы «победившие» синапсы становятся все сильнее и сильнее, поэтому дальнейшие изменения в том, что мы видим, становятся все менее и менее вероятными. Так формируются вкусовые предпочтения, созревают по мере чтения книги образы литературных героев, цементируются национальные стереотипы. Борьба интерпретаций реальности, их бескомпромиссная решимость к взаимоисключающей войне против любых конкурентов – это то, что на протяжении всей нашей жизни формирует из мозговой глины человеческую индивидуальность.

Нервная система продолжает меняться и приспосабливаться к окружающей среде всю жизнь, но настоящий «Дикий Запад» возможностей мозга – это детство. Родившись, мы ничего не знаем об окружающем мире, и разные обобщения сенсорной информации имеют равную силу. Но постепенно более успешные интерпретации подавляют менее успешные, что приводит к их дальнейшему усилению. В результате в мозге закрепляются только такие синаптические конструкции, которые адекватно интерпретируют опыт. Это видно даже на анатомическом уровне: в первые пять лет жизни ребенка нейроны его коры сплетаются отростками в густой лес, который затем постепенно, с годами, становится все реже и реже, стабилизируясь только к концу третьего десятка лет жизни. Этот процесс носит название синаптического прунинга (pruning – по-английски «прореживание ветвей кустарника или дерева»). Прунинг можно считать особой формой синаптической пластичности, при которой активные синапсы выживают, а неактивные отмирают.

По большому счету тот же самый, только гораздо более сдержанный и локальный процесс оптимизации мозга продолжается всю жиз