Глава 3
Жизнь, смерть и состояние, недавно между ними обнаруженное
В 2006 году пошел слушок, что проводится целая серия любопытных экспериментов, связанных с жизнью, смертью, а также странной и неустойчивой комбинацией этих двух состояний. Сначала все выглядело как досужие разговоры в кругу коллег, потом тема медленно дозрела до последовательных обсуждений на научных конференциях и, наконец, соответствующие открытия расцвели буйным цветом в многочисленных блестящих работах, опубликованных дотоле неизвестными биологами. Марку Роту не суждено было долго пребывать в безвестности, особенно после того как Фонд Макартуров вручил ему грант для гениев в 2010 году Марк Рот - первооткрыватель в своей области, исследователь неизведанной территории. Это человек, который многое может рассказать нам не только о том, что такое "жизнь", но и что такое "жить", а также о том, что одно вполне может существовать без другого, и если не сегодня, то уж точно в те давние времена, когда жизнь на Земле только появилась.
Рот открыл, что близкие к смертельным дозы сероводорода погружают млекопитающих в состояние, которое можно описать только как приостановленная подвижность, анабиоз. В массовой культуре словечко это весьма распространенное, особенно благодаря научной фантастике, однако именно это и происходит на самом деле с живыми организмами, обработанными таким газом. Подвижность останавливается не только в смысле наблюдаемости - подопытные животные больше не двигаются, сильно замедляются сердцебиение и дыхание, но движения нет и на более фундаментальных уровнях. Крайне замедляются нормальные функции тканей и клеток. И происходит даже нечто более удивительное: млекопитающие теряют свою способность к терморегуляции. Они перестают быть теплокровными и переходят в низший класс хордовых - в холоднокровные. При этом они ни мертвы, ни по-настоящему живы, поскольку по своему основополагающему признаку млекопитающих они вроде как мертвы, но смерть эта временная. Она "закончится", если действие газа прекратится через какое-то определенное время, и все нормальные функции восстановятся. Помимо очевидных медицинских перспектив, это новое понимание порядка вещей раскрывает, что именно есть жизнь, а что - нет.
Мысль Рота проста: существует некое состояние между жизнью и смертью, оно не исследовано и имеет несомненный медицинский потенциал, но, кроме того, позволяет понять, как некоторые организмы смогли избежать массового вымирания. Возможно, смерть не является таким уж "непоправимым" событием, как полагают. Рот надеется, что ему удастся научиться погружать организмы в это пограничное состояние, а затем возвращать обратно. Впрочем, пока у этого явления будет прозвище "приостановленная подвижность", многих это будет вводить в заблуждение. На самом деле, в английском языке нет слова, которое бы точно описывало суть этого состояния между жизнью и смертью. Киношники называют это "территория зомби" и все такое в том же духе, и, может быть, неповоротливая научная общественность примет этот термин. Но мы в этом сомневаемся.
В одном из важнейших экспериментов Рота участвовали плоские черви - примитивные организмы, тем не менее живые! Конечно же, в сравнении с любым микроорганизмом никакой другой не может быть назван примитивным. Ученый снизил уровень кислорода, необходимый для дыхания этих червей. Как и всем живым существам, плоским червям необходим кислород - и много. Итак, в закрытом резервуаре, где содержались черви, снизилось содержание кислорода, и постепенно их движения замедлились, а затем они вовсе перестали двигаться. Никакие тычки и толчки не вызывали ответной двигательной реакции. Но на этом Рот свой эксперимент не закончил. Он продолжил уменьшать количество кислорода в воде, где находились черви. Плоские черви пришли в состояние "спячки" - не жизни и не смерти. Жизнь и смерть, как кажется, - состояния куда более сложные, чем многие из нас думают.
Жизнь и смерть простейших организмов
Млекопитающие - одни из самых сложноорганизованных организмов, но подобные эксперименты, проведенные над ними, также показывают, что жизнь в них, очевидно, сохраняется: сердце по-прежнему бьется, кровь продолжает циркулировать по венам, нервы реагируют на раздражители, и происходит транспортировка необходимых для жизни веществ, хотя все это - в очень медленном темпе. Но что и правда интересно и важно, так это то, как сохраняется жизнедеятельность в намного менее сложных организмах, например, в бактериях и вирусах, особенно если они попадают в среду, лишенную всяких газов, или в очень холодную среду. И это не теоретические вопросы, поскольку постоянно вместе с сильными ветрами микроорганизмы улетают далеко вверх, в верхние слои атмосферы, за пределы озонового слоя - нашего основного щита против ультрафиолета из космоса. Это второй рубеж в изучении жизни и смерти: исследования верхних областей атмосферы Земли.
Через несколько дней или недель, проведенных в верхних слоях земной атмосферы, эти представители недавно открытой экосистемы (которую ученые не очень изящно назвали "верхняя жизнь") - тропосферной флоры и фауны - возвращаются обратно на поверхность планеты. Но живы ли они, пока находятся в космосе?
С самого начала космической эры всем известно, что бактерии и споры грибов обнаруживаются на самых верхних уровнях земной поверхности, которые только могут быть доступны для воздушных судов. Однако никто не считал, сколько различных видов можно встретить в этой крупнейшей из всех сред обитания на планете, а ведь это пространство, по сравнению с которым другое крупнейшее обиталище живых существ - дно океана - кажется просто мелкой лужей. Однако в 2010 году началась работа, которая показала, что в любой промежуток времени в верхних уровнях могут обитать тысячи видов бактерий, грибов и безымянных родов вирусов. Кроме того, ученые Вашингтонского университета, порыскав на вершинах Каскадных гор в Орегоне, обнаружили, что пыльные ветры из Китая постоянно выносят на западное побережье Северной Америки грибы, бактерии и вирусы.
Факт, что микроорганизмы можно найти так высоко в атмосфере (или что атмосфера может служить транспортным каналом для межконтинентального перемещения опасных вирусов), помимо чисто биологических выводов, представляет еще и непосредственный интерес в контексте темы данной книги, пожалуй, фундаментальный для понимания части нашей истории: перемещение в атмосфере может объяснить, как первичная жизнь распространилась из источника своего зарождения на Земле. Зачем медленно дрейфовать в океане, двигаясь по воле капризных волн и течений, если по ветру можно перепрыгнуть с континента на континент меньше чем за один день. Позже мы еще вернемся к вопросу о значении обитателей верхних уровней в истории жизни на Земле, здесь же обсуждается то, живы эти организмы на протяжении всего своего воздушного путешествия или они находятся в спячке. Вот тут, рассматривая самые базовые формы жизни, мы приходим к выводу, что категории жизни и смерти несколько неполны, а то и некорректны.
Образцы "верхней жизни" собирают тремя способами: с поверхностей списанных военных самолетов, которые летают в верхних слоях атмосферы; с воздушных шаров, которые запускают в верхние слои; а также, когда сильные бури прилетают из Азии через Тихий океан, можно прямо из воздуха взять "понюшку" образца тропосферы высоко в горах. Такой воздух - настоящий "зоопарк" микрожизни. Собранные в горах высоко над уровнем моря микроорганизмы оказываются мертвыми, но перенесенные в более низкие места, на которых они предположительно находились до своего воздушного путешествия, через некоторое время, необходимое для акклиматизации, вновь оживают.
Многие из нас согласятся, что в отношении млекопитающих, да вообще всех многоклеточных, верно: что умерло, то умерло. Но для простейших это не так. Оказывается, между нашими привычными представлениями о жизни и смерти есть целое поле для исследовательской деятельности. И это новое пространство имеет огромный потенциал для понимания первого этапа истории развития жизни на Земле, объясняя, могут ли "мертвые" химические соединения при соответствующих комбинациях и заряде энергии стать живыми. Жизнь, по крайней мере простейшая жизнь, не всегда жива.
И вот наука ищет это место между жизнью и смертью. Возможно, окажется, что первая жизнь на Земле возникла из состояния, которое мы называем смертью, а возможно, из какого-то пограничного состояния, очень близкого к жизни.
Жизнь: определения понятия
Вопрос "Что такое жизнь?" является названием для нескольких книг, а самая знаменитая из них, работа начала XX века, принадлежит перу Эрвина Шрёдингера. Эта небольшая книжка стала заметной вехой благодаря не только теме повествования, но и профессии автора: Шрёдингер был физиком. До него и в его времена физики насмехались над биологией и считали ниже своего достоинства тратить на нее время. Шрёдингер же начал осмыслять организмы с точки зрения физической науки и в ее терминах: "Порядок атомов в наиболее значимых частях организма и взаимодействие этих упорядоченных комплексов коренным образом отличаются от тех, что физики и химики принимают за объект своей теоретической и эмпирической работы".
В основном книга посвящена природе наследственности и мутаций (она была написана за 20 лет до открытия ДНК, когда природа наследственности все еще была великой тайной), но в финале ее Шрёдингер рассматривал физику "жития", и, в частности, писал: "Живая материя балансирует между разложением и равновесием" и "живет за счет отрицательной энтропии".
Иными словами, жизнь живет за счет метаболизма, то есть, грубо говоря, за счет еды, воды, дыхания, обмена веществ - этот последний и обозначается греческим словом "метаболизм". Это и есть ключ к пониманию природы жизни? Возможно, по крайней мере, для биолога. Но физик Шрёдингер заметил кое-что куда более глубокое: "Считать, что обмен веществ должен быть ключевым фактором - абсурд. Любой атом азота, кислорода, серы и так далее так же хорош, как и другие. В чем выгода такого обмена?" Что такого ценного, что мы называем "жизнь", содержится в нашей пище и не дает нам умереть? Для Шрёдингера ответ был очевиден: "Любой процесс, событие в природе означают усиление энтропии в том месте, где они происходят". Вот в этом и есть секрет жизни: жизнь есть материя, которая усиливает энтропию, и в этом - новая возможность отличить живое от неживого.
Шрёдингер считал, что жизнь поддерживается, извлекая "порядок" из окружающей среды, это что-то, что мы называем неуклюжим словосочетанием "отрицательная энтропия". Жизнь, таким образом, - "приспособление", с помощью которого большое количество молекул поддерживают сами себя на весьма высоком уровне упорядоченности, постоянно "высасывая" эту упорядоченность из своего окружения. Шрёдингер предположил, что организмы не только создают порядок из беспорядка, но также - порядок из другого порядка.
Это и есть жизнь - механизм, который меняет природу упорядоченного и разупорядоченного? С точки зрения физики жизнь можно представить как ряд химических механизмов, совмещенных и как-то урегулированных между собой в единое целое, и которые поддерживают порядок, поглощая для этого энергию. Многие десятилетия это определение жизни было самым авторитетным из всех. Но спустя полвека многие начали пересматривать и дополнять это понимание предмета. Некоторые, как Шрёдингер, были физиками, например, Пол Дэвис и Фриман Дайсон. Но другие были биологами.
Пол Дэвис в своей книге The Fifth Miracle ("Пятое чудо", 2000), рассматривая вопрос "Что такое жизнь?", задает другой: "Что делает жизнь?" В соответствии с его концепцией жизнь определяется действием. Вот основные характеристики жизни.
Жизнь производит обмен веществ. Все живые организмы производят химические соединения и таким образом насыщают свои тела энергией. Но зачем им энергия? Производство и высвобождение энергии организмом и есть то, что мы называем метаболизмом, и именно таким путем жизнь собирает отрицательную энтропию, необходимую для поддержания внутренней упорядоченности. Кроме того, это же явление можно объяснить в химических терминах. Если организм перестает производить химические реакции (но не в своем теле), это означает, что жизнь организма также прекратилась. Жизнь не только сама поддерживает такое странное состояние, но и находится в постоянных поисках таких мест, где она могла бы получить энергию, необходимую для поддержания такого состояния. Некоторые места обитания на Земле более приспособлены для такой жизненной химии, чем другие (например, коралловые рифы у теплых, пронизанных солнцем поверхностей океана или горячий источник в Йеллоустонском национальном парке) - в таких местах наблюдается изобилие жизни.
У жизни есть усложненность и организация. На самом деле простой жизни - даже если она состоит из горстки (несколько миллионов) атомов - не существует. Все жизненные формы состоят из огромного числа атомов, упорядоченных самым замысловатым образом. Вот эта организация сложных систем и есть отличительная черта жизни: усложненность - не механизм, а свойство.
Жизнь воспроизводит себя. Дэвис уточняет, что жизнь должна не только создавать свои копии, но также воссоздавать механизм, позволяющий продолжать дальнейшее копирование. Как замечает Дэвис, жизнь также должна включать в себя копию копировального аппарата.
Жизнь развивается. Как только сделана копия, жизнь продолжает изменения - назовем это развитием. Это совершенно не механический процесс. Машины не растут, не меняют форму и тем более функцию вместе с ростом.
Жизнь эволюционирует. Это одно из основополагающих свойств жизни, неотъемлемое от ее существования. Дэвис описывает эту характеристику как парадокс постоянства и изменения. Гены должны воспроизводиться, а если они не могут этого делать с достаточной регулярностью, то организм умрет. А с другой стороны, если воспроизводство идеально, не будет изменчивости и не будет эволюции путем естественного отбора. Развитие - ключ адаптации, а без адаптации невозможна и жизнь.
Жизнь автономна. Эта характеристика, возможно, самая сложная для определения, хотя для жизни - основная. Организм автономен, то есть самоопределяется, может жить без постоянного воздействия со стороны других организмов. Но то, как эта автономность создается из множества частей и систем организма, по-прежнему остается загадкой.
Действие и сложное строение - одно и то же для живой системы, то есть деятельность системы состоит из непрерывного производства (и воспроизводства: белок живет не более двух дней) всех процессов и компонентов, которые объединяют все в одну производственную единицу. С этой точки зрения именно постоянное воспроизведение и обновление жизненных форм и есть сама жизнь.
Конечность, временный характер этого жизненного цикла молекул - самый важный момент для жизни в целом - недооценивался как главный ключ к пониманию того, где первая жизнь могла зародиться. Определение жизни, которое дают специалисты NASA и которое основано на любимом изречении Карла Сагана, весьма простое и заключается в следующем: "Жизнь есть химическая система, способная к дарвинистской эволюции". Здесь есть три опорных понятия. Во-первых, мы имеем дело с химическими веществами, не только с энергией.
Во-вторых, имеются в виду не просто вещества, но химические системы. Таким образом, между веществами происходит взаимодействие, они существуют не сами по себе. Наконец, речь идет о химических системах, которые обязательно подвергаются дарвинистской эволюции. Это означает, что в мире индивидов намного больше, чем запасов энергии, которая их обеспечивает - то есть некоторые умрут. Те, кто останется, выживут потому, что они являются носителями выигрышных унаследованных качеств, которые передадутся их потомкам, и, значит, обеспечат им большую способность к выживанию. Такое определение NASA/Сагана хорошо тем, что не смешивает понятия "жизнь" и "быть живым".
Что за сила соединила мертвые химические вещества так, чтобы они стали живыми? Была ли эта сила метаболизмом, а к ней уже добавилась способность к воспроизведению, или, может, все было наоборот? Если первыми являлись примитивные метаболические системы, то они обязательно должны были иметь какую-нибудь закрытую клеткообразную оболочку, и в дальнейшем у них должна была появиться способность порождать и содержать в себе молекулу, несущую информацию. А если сначала появились порождающие молекулы (такие как РНК или их варианты), то потом им необходимо было заиметь энергетическую систему, которая бы поддерживала процесс воспроизведения и позднее приобрела бы оболочку. Вот как противоречива эта проблема первичности метаболизма и воспроизводства, поставленная на химическом/молекулярном уровне: первым был белок? или полинуклеотид? Оба ли они живые? И какой путь каждому пришлось пройти от просто химических реакций до той реакции, которая породила жизнь? И если основополагающей характеристикой для живой клетки является поддержание равновесия системы, гомеостаз (то есть предполагается, что поддерживаются более-менее устойчивые химические реакции в постоянно меняющемся окружающем пространстве), то следует, что первым должен быть метаболизм. Насыщение перед размножением кажется более приемлемым положением вещей на сегодняшний день, но что касается происхождения жизни, вопросы остаются.