О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

его не было, значит, первые организмы просто обязаны были быть анаэробами. Но и в этом, по большому счету, тоже особых проблем нет,мыпомним,чтоСпалланцаниещевXVIIIв.открылсуществова- ниетакихбактерий.Авотспитаниемвсенепростосложнее–гораз- досложнее!

Поспособу«приемапищи»всеживыесуществаделятсянаавто- трофовигетеротрофов.Первыепроизводяторганику,необходимую для жизни, самостоятельно из неорганических веществ. Всем из- вестныйпроцессфотосинтезаявляетсясамымраспространенным– нонеединственным!–примеромтакогопроизводства.Нофотосин- тетики – зеленые растения – появились в процессе эволюции не- сколько позже самых первых автотрофов, использующих хемосин- тез. Это такой же процесс переработки неорганического вещества, только в качестве источника энергии используется не солнечный свет,атепло.Прихемосинтезеобразуетсяменьшеаденозинтрифос- фата(мыужеговорили,чтоименновэтомвеществесодержитсяза- пас биологической энергии), поэтому с появлением зеленых расте- нийхемосинтетикивбуквальномсмыслеушливтень,темнеменее этотспособисейчасиспользуетсянекоторымивидами.

В противоположность автотрофам, гетеротрофы не могут про- изводить органические соединения самостоятельно и вынуждены использовать плоды чужого труда, поглощая либо произведенную автотрофамиорганику,либосамихавтотрофов.

Чтобы не возвращаться впоследствии к классификации, вспом- ним еще одно деление– продуценты, консументы и редуценты. Это более подробная таксономия, дополняющая предыдущую. Проду- центы, как явствует из названия, производят органические веще- ства,т.е.являютсяавтотрофами.Консументыпервогопорядка–это травоядные животные, консументы второго порядка – хищники. И, наконец, редуценты – это организмы, перерабатывающие отхо- ды жизнедеятельности консументов, разлагающие их до неоргани- ческих веществ. Часто их называют могильщиками или падальщи- ками. Три этих типа образуют замкнутую трофическую (пищевую) цепочку,обеспечиваякруговоротпитательныхвеществ.

И теперь вернемся к нашему вопросу: как питались первые ор- ганизмы? Ответ оказывается не таким простым, как может пока- заться на первый взгляд. Какими могли быть самые первые живые существа? Рассмотрим обе возможности. Могли ли первыми поя- витьсягетеротрофы?Впринципе,да.Мыужеговорили,чтопервич- ный океан содержал в себе множество растворенной органики не-

91

биологического происхождения, которая чисто теоретически мог- ла служить пищей. Однако в этом случае на первый план выходит фактор времени. Одноклеточные организмы размножаются очень быстро. Первая клетка делится пополам, образуя две, каждая из ко- торых, в свою очередь, делится, образуя четыре, и т.д. С каждым но- вым поколением количество клеток удваивается. Как скоро их мас- са достигнет критической, т.е. такой, при которой питательных ве- ществ перестанет хватать? Оказывается, не просто быстро, а очень быстро. Чтобы представить себе скорость прироста, можно вспом- нитьзнаменитуюлегендуонаградеизобретателюигрывшахматы. Постоянное удвоение в сочетании с отсутствием внешних врагов привело бы к тому, что вся первичная органика оказалась съеден- нойзанесколькосотенлет.Сточкизренияэволюции,оперирующей миллионолетиями, это даже не миг – гораздо меньше... Гетеротро- фная жизнь, таким образом, обречена на практически мгновенное вымирание.

Значит, первыми были автотрофы? Не тут-то было! На первый взгляд, у них, конечно, гораздо больше шансов выжить, поскольку пищу для себя они готовят сами. Но здесь необходимо учитывать один непреложный биологический закон – ни один вид не может существовать в среде, загрязненной отходами собственной жизне- деятельности.Проиллюстрироватьегоможнопримером,настолько жеточным,наскольконеаппетитным:представьте,чтокого-нибудь из нас заперли в квартире с неограниченным запасом еды, но с не- работающейканализацией.Долголипротянетэтотбедолага?

Органика, вырабатываемая автотрофами, является для них ядом, загрязняющим среду обитания. Это загрязнение с неизбеж- ностью должно привести к вымиранию, разве что не к такому бы- строму, как у гетеротрофов. И в итоге мы приходим к неожиданно- му выводу – оба вида живых организмов просто обязаны были по- явиться одновременно, только в этом случае жизнь получала шанс сохраниться. Современные научные данные полностью подтвер- ждают этот вывод. Как считают палеонтологи (палеонтология – от греч. palaios – древний), первые живые существа образовывали своеобразные многослойные конструкции, получившие название «маты». Каждый, кто хоть раз бывал в спортзале, знает, что это та- кое – мягкий матрац, состоящий из нескольких слоев. Вот такие матрацы, верхний слой которых составляли продуценты, а ниж- ний – консументы, и населяли раннюю Землю. Биологи называют ихстроматолитовымиматами,илипростостроматолитами.

92

Следующий вопрос – когда же все-таки появилась жизнь. Здесь нет единой точки зрения. Одни исследователи называют дату 3 млрд лет назад, другие – три с половиной, есть и такие, кто отно- сит возникновение жизни к первым ста миллионам лет существо- вания Земли, т.е. к 4,5 млрд лет. Легко догадаться, что эти послед- ние являются сторонниками теории панспермии. Такой разброс в общем-то не вызывает удивления. Дело в том, что первые формы жизни практически не оставляли после себя прямых следов своего существования. Органика, из которой состояли клетки, полностью перерабатывалась другими организмами, и о жизни в ту эпоху мы судимлишьпо«косвеннымуликам».Иприродапозаботиласьотом, чтобы предоставить их! Например, известно, что углерод, хотя бы однажды участвовавший в процессе фотосинтеза, необратимо ме- няет соотношение изотопов С12 и С13. Самые древние отложения такого вещества были найдены в Гренландии, в толще формации Исуа, которая датируется возрастом 3,3 млрд лет. То есть уже в это время однозначно существовали живые организмы, и не просто живые, а фотосинтезирующие. Изредка находятся и прямые до- казательства того, что в результате природных катаклизмов ор- ганизмы оказывались погребенными под слоем осадочных пород или вулканического пепла. В этом случае удавалось найти доста- точно сохранные останки, но все же такие находки – в австра- лийской Эдиакаре, китайском Хайнане или в канадских сланцах Берджес – скорее исключения. Да и во всех вышеупомянутых ме- стах находки относятся к более позднему периоду, когда начинали появляться первые многоклеточные. Архей же таких возможно- стей не предоставил. Поэтому первые два эона часто объединяют под общим названием «криптозой», т.е. время, когда жизнь была скрытой от современных глаз. Наконец, для полноты картины сто- ит напомнить, что первая жизнь была анаэробной и прокариот- ной. Анаэробы выделяют кислород в качестве побочного продукта жизнедеятельности. Потребовалось два миллиарда лет, чтобы они наполнили им атмосферу Земли до уровня, при котором могут су- ществовать аэробные, т.е. дышащие кислородом, организмы. Эта величина называется точкой Пастера и составляет 1 % от нынеш- него содержания кислорода. И вот тут в полной мере проявилась простая философская истина – будущее создается тобой, но не для тебя! Анаэробы, расчистив плацдарм для появления своих прямых конкурентов,оказалисьвынужденыискатьубежищавместах,куда доступ кислорода ограничен или отсутствует, – на дне водоемов,

93

впочве и т.д. Многие анаэробные организмы нашли подходящую среду обитания внутри других живых существ. Они могут быть как относительно безопасными, например кишечная палочка, так и очень патогенными – возбудители таких болезней, как столбняк илигангрена,являютсяанаэробами.Но,несмотрянатакиеприспо- собления, в настоящее время подавляющее большинство живых организмов на Земле являются аэробами.

Еще один переход, совершаемый в криптозое, – от прокариот- ныхорганизмовкэукариотным.

Прокариоты – это клетки, не содержащие ядра. В ходе эволю- ции, примерно 1,8 млрд лет назад, они превратились в эукарио- тов – клетки с ярко выраженным ядром, четко отделенным от про- чего внутриклеточного содержимого. Этот факт на первый взгляд кажется интересным лишь биологам, однако это не так. Философ- ский взгляд на этот процесс приводит к двум любопытным выво- дам. Во-первых, это касается механизма появления эукариотов. Подавляющее большинство исследователей сходится во мнении, что это был симбиоз двух прокариотных клеток. Учитывая нашу убежденную гуманитарную направленность, стоит напомнить, что

вприроде известны четыре типа взаимодействия живых организ- мов – нейтрализм, паразитизм, хищничество и симбиоз. Пример нейтрализма – мухи и комары, обитающие на коровьем пастбище на лугу. Несмотря на то, что они находятся в едином пространстве (выражаясь биологическим языком, занимают один ареал), они ни- как не влияют друг на друга, достаточно вспомнить, чем питаются комары и чем – мухи... При паразитизме один организм (паразит) питается за счет другого (хозяина), не вызывая его гибели. Хищник тоже питается за счет жертвы, но, в отличие от паразита, убивает ее. И только симбиоз представляет собой взаимовыгодное сотруд- ничество, при котором два или более видов сосуществуют вместе, принося пользу друг другу и способствуя выживанию симбионтов. Ужеупоминавшиесяматыявляютсявеликолепнымпримеромтако- говзаимодействия.

Ввопросе о происхождении эукариотов прослеживается имен- но симбиотический механизм. Вероятнее всего, одна клетка – хищ- ник – поглотила вторую – жертву, но не переварила, а заставила «работать на себя», сохраняя генетический материал, который у эукариотов содержится в клеточном ядре. Взамен бывшая жерт- ва получила защиту и питание, предоставляемые ей нынешним хозяином. Подобный механизм работает и в наши дни. Совершенно

94

потрясающую картину перехода от хищничества к симбиозу дает пара одноклеточных организмов – инфузория-туфелька и зеленая водоросльхлорелла.Вобычныхусловияххлореллыявляютсядобы- чей инфузорий. Но при уменьшении численности хлорелл – «в неу- рожайный год» – происходит очень интересное явление – инфузо- рияпоглощаетхлореллу,номеханизмпищеварениянезапускается. Ферменты, разрушающие клеточную стенку хлорелл, не активиру- ются, и водоросль продолжает спокойно жить внутри инфузории, производя, как и положено, при помощи фотосинтеза органику, ко- торойипитаетсяинфузория.Хлореллыдажеразмножаютсявнутри туфельки, правда, после нескольких циклов теряют способность к делению. Если инфузории удается найти еще одну хлореллу, эта последняя будет немедленно переварена, в то время как «домаш- няя»водоросльпродолжитсвоесуществованиевнутрихозяина.Как только численность популяции хлорелл восстанавливается, инфу- зория возвращается к обычному способу питания – хищничеству. Вот здесь-то и кроется первый вопрос, представляющий, на самом деле, проблему невероятной важности. ОТКУДА ИНФУЗОРИЯ ЗНА- ЕТ? Про то, что численность хлорелл снизилась. Про то, что она восстановилась. И, самое главное, как пищеварительные ферменты могутотличить«свою»хлореллуот«чужой»?

В данном случае мы сталкиваемся с огромной проблемой пере- работки информации. Мы уже видели, что живые системы способ- ны уменьшать энтропию внутри организма, рассеивая ее в окружа- ющую среду. Однако на примере инфузории и хлореллы мы видим, чтоэнтропияможетснижатьсяивсообществахживыхорганизмов. Информация не подчиняется закону сохранения, она может появ- ляться и исчезать. Возникновение информационных связей между живыми организмами подтверждает гениальную догадку Вернад- ского, который считал, что жизнь следует рассматривать как пла- нетарное явление, учитывая не только биологические взаимосвя- зи, такие как трофические цепи, но и геологические, химические, астрономические процессы. Жизнь, рассмотренная в космическом масштабе, – вот финиш того пути, на который мы встали, рассма- тривая одну маленькую частную биологическую проблему – проис- хожденияэукариотныхорганизмов.

Втораяпроблема,окоторойшларечьвыше,–этопроблемавоз- никновениямногоклеточныхорганизмов.Думаю,послевышеизло- женногониктоуженескажет,чтоэтоможетзаинтересоватьтолько ученых-биологов.Иправильно!

95

Дело в том, что прокариотные клетки не в состоянии создавать многоклеточность. Ученые до сих пор спорят о причинах этого яв- ления. Возможно, дело в строении клеточной стенки, может быть, отсутствие функциональной дифференциации внутри клетки (уместно напомнить, что у прокариот нет не только ядра, но и та- ких органелл, как митохондрии, рибосомы или комплекс Гольджи) не позволяет возникнуть такой дифференциации между клетками итканями,аможет,причинавчем-тодругом,нофактостаетсяфак- том. За три миллиарда лет, прошедших от возникновения первых живых организмов до появления эукариотов, многоклеточность так и не возникла, несмотря на то, что времени для эксперимен- тов было предостаточно, даже по эволюционным меркам. Зато эу- кариотам понадобилось втрое меньше времени, чтобы перейти к многоклеточности (первые эукариоты появляются в середине протерозоя – 1,8 млрд лет назад, а первые многоклеточные суще- ства – в последнем периоде протерозоя, который называется венд. Он начинается примерно 800–750 млн лет назад и продолжается до кембрия – первого периода фанерозоя, который берет начало 540 млн лет назад). В чем же смысл многоклеточности – не с точки зрениябиологии,априфилософскомвзгляде?

Каждый нормальный человек рано или поздно задается вопро- сом столь же простым, сколь и вечным: для чего я пришел в этот мир? Мы обладаем трагической способностью сопоставлять огра- ниченность своего существования с бесконечностью Вселенной. Хотя мы уже помним, что наш мир имел начало и, возможно, будет иметь конец, 14,5 млрд лет, прошедших с момента его возникно- вения, с точки зрения 70–80 лет, отведенных человеку, восприни- маются как вечность. И вопрос «зачем?» является действительно вечным. Разумеется, никто не даст окончательного ответа на этот вопрос, однако в качестве вполне приемлемой представляется сле- дующаягипотеза.Нашмозгпредставляетсобойсамуюсложнуюси- стему,существующуювэтоммире.Онсостоитиз100млрднейронов и 250 млрд так называемых глиальных клеток. Учитывая клетки, из которых состоят кровеносные сосуды, питающие мозг, получаем фантастическое число – свыше трех триллионов! Это больше, чем число звезд во всей Вселенной. И наш мозг, обеспечивающий нашу возможность познавать окружающий мир, мог появиться только благодаря тому, что без малого два миллиарда лет назад эволюция привела к появлению эукариотных клеток, способных к созданию конгломератов... Однако это еще не все. Одноклеточные организмы

96

размножаются делением, в то время как многоклеточные должны искать другой способ. Один из древнейших многоклеточных – три- хоплакс – не имеет четкой межтканевой дифференциации, у него нет ни мышц, ни пищеварительной системы, но он уже обладает важнейшей особенностью многоклеточных – половым способом размножения. Опять-таки, применительно к нам это означает, что в эпоху венда была заложена величайшая возможность человека – любитьдругдруга.

Две возможности – познавать и любить – это величайшие дары природы, проявившиеся именно благодаря появлению многокле- точныхорганизмов.Однакобылилионибезвозмездными?Отнюдь нет. Многоклеточные существа, в том числе и мы с вами, расплати- лисьзаэтоутратойспособности,котораянапротяжениивсейисто- риичеловечествавоспринималасьтокакнесбыточнаямечта,токак проклятие.Речьидетобессмертии.

Одноклеточные организмы бессмертны по своей сути. Они про- ходят определенный цикл развития, затем делятся пополам, ка- ждая из вновь образовавшихся клеток повторяет этот цикл, и так до бесконечности. Разумеется, клетка может погибнуть, она может стать жертвой хищника, может пересохнуть водоем, в котором она живет, и т.д., но это будет именно гибель. Понятия естественной смерти для одноклеточных нет. Фактически они бессмертны. С пе- реходом к многоклеточности бессмертие утрачивается. Мы полу- чили возможность познавать мир и любить друг друга, но взамен сталисмертными.Равноценнойлиполучиласьзамена?Чтобыотве- тить на этот вопрос, надо просто задать его по-другому: хотел бы кто-либо из читающих эти строки быть безмозглым, бесчувствен- ным,нозатобессмертнымсуществом?

Помимо двух философских проблем, которые мы попытались обозначить, существует целый ряд чисто биологических вопро- сов, которые, тем не менее, представляют значительный интерес. В первую очередь следует сказать о способах, которые использует эволюция.Всемыобладаемзеркальнойсимметрией,иэтокасается не только людей: любое животное, насекомое, ракообразное – все живыесущества,способныедвигаться,дажемедузыиморскиезвез- ды, организованы именно по этому принципу. Долгое время счита- лось, что это единственно возможный способ организации (только уодногопредставителясовременнойфауны–ланцетника–наблю- дается отклонениеот этого типа симметрии). Однако в 1947г. в ме- стечке Эдиакара в Южной Австралии были сделаны удивительные

97

находки. В раскопках пластов, относящихся к периоду 650–600 млн лет назад, были найдены организмы, способные сойти за плоских червей (одни из первых многоклеточных существ) или хотя бы за их предков, если бы не одно обстоятельство. Все эти организмы обладали не зеркальной симметрией, а симметрией скользящего отражения. Правая и левая половины тела сдвинуты друг относи- тельно друга на полшага, словно ветки елочки на детском рисунке. Это было настолько необычно, что вначале даже считалось, что это результат деформации эдиакарских организмов с течением време- ни. Однако находились все новые экземпляры, многие из которых были в состоянии великолепной сохранности, так что стало ясно – подобное строение действительно характерно для животных того времени. Любопытно, что ни на одном из них не было никаких сле- дов укусов или повреждений,характерных для борьбы, из чегобыл сделан логичный вывод – в те времена еще не существовало хищ- ников. Это дало основание назвать фауну той эпохи «эдиакарским садом» (по аналогии с райским). Однако, несмотря на отсутствие хищников, все обитатели эдиакарского эдема вымерли, не оставив послесебяпотомства,кконцувенда.

В1986г.былосделаноаналогичноеоткрытие.Вкитайскойпро- винции Хайнань обнаружили залежи останков многоклеточных животных, возраст которых был оценен в 800–850 млн лет. Излиш- не говорить, что и эти организмы не отличались зеркальной сим- метрией и также оказались тупиковой ветвью эволюции. Эти две попытки создания многоклеточности получили название Хайнань- ский и Эдиакарский эксперименты. Научный сотрудник палеонто- логического института РАН М. Б. Бурзин дал им остроумное опреде- ление: «черновики Господа Бога». Таким образом, прослеживается механизм эволюционного процесса: вначале происходит «вброс» нескольких возможных вариантов развития, а затем остается наи- болееприспособленнаяформа,остальныежевымирают.Всевстро- гомсоответствиисдарвиновскимпринципоместественногоотбора. Этотжемеханизмможнонаблюдатьинадругихпримерах,вчастно- сти,онпроявляетсявструктуредыхательногопигментакрови.

Унаскраснаякровь,чтоопределяетсяналичиемвнейкрасных кровяных телец – эритроцитов. На вопрос «а что придает красный цвет эритроцитам?» многие читатели-гуманитарии, слегка по- копавшись в остатках школьных знаний, вероятно, ответят: «ге- моглобин» – и будут совершенно правы! А вот причину красного цвета гемоглобина назовут уже немногие, а ведь она необычайно

98

проста. Дыхательный пигмент гемоглобин представляет собой сложную молекулу, состоящую из небелковой части – гема и бел- ковой – глобина. В основе гема находится атом железа, что и опре- деляет красный цвет всей молекулы (все соединения железа име- ют красный цвет – достаточно посмотреть на ржавый гвоздь), а вместе с ней – и всей крови. Однако все в том же позднем венде появлялись и весьма экзотические попытки. У некоторых видов, например, вместо двухвалентного железа в центре находится атом меди, и кровь этих созданий голубая. У некоторых это экзо- тический ванадий, что дает ярко-морковную окраску. Фактически мы наблюдаем тот же принцип: равный старт в равных условиях, а дальше – выживает сильнейший. Существа с медной или ванади- евой кровью сохранились до наших дней, но их неизмеримо мало по сравнению с числом видов, обладающих привычной красной кровью. Очевидно, что они проиграли борьбу, оказавшись в роли безнадежных аутсайдеров. И это естественно и привычно для на- шего понимания эволюции.

Непривычноеначинаетсячутьпозже,впервомпериодефанеро- зоя.Здесьнеобходимосделатьодноотступление,касающеесяхроно- логии. 540 млн лет назад начинается последний из эонов – фанеро- зой.Названиесвязаностем,чтовэтовремяпоявляютсяживотные, содержащие неорганический скелет. Теперь, в отличие от предыду- щихвремен,останкиживотныхпослесмертисохранялисьдлитель- ное время. Поэтому следы жизни стали явными, откуда и название эона (от греч. phaneros – явный). Фанерозой делится на три эры – палеозой, мезозой и кайнозой. Каждая эра состоит из нескольких периодов, в палеозое их шесть, в мезозое и кайнозое – по три. Вот эти периоды: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь, триас, юра, мел, палеоген, неоген, антропоген. Совершенно не требуется заучивать их, тем не менее автор считает своим долгом привести мнемоническую формулу, которой еще в юности поделились с ним друзья-геологи:каждыйотдельныйстудентдолженкуритьпапиро- сы. Ты, Юрик, мал, подожди немного, а то... Много позже в уже упо- минавшейсякнигеК.Еськоваавторувстретиласьдругаяверсия,ко- торая является более политкорректной в свете набирающей силы кампании по борьбе с курением: каждый отличник-студент должен купитьполлитра(далее–полноесовпадение).

Так вот, в кембрии и происходит событие, над которым ломал голову Дарвин и которое до сих пор вызывает массу споров. Речь идет о появлении скелетированных организмов. Вначале все шло

99

как всегда – появились различные варианты скелета. Собственно, вариантов было не так много: скелет может быть либо неподвиж- ным, либо подвижным, каждый из которых, в свою очередь, может быть наружным или внутренним. Так и произошло – появились организмы с неподвижным скелетом, которые мы все прекрасно знаем – это моллюски. Неподвижный наружный скелет имеют всем известныерапаны,мидии,устрицыимножестводругих.Неподвиж- ный внутренний скелет содержится в другом типе моллюсков – го- ловоногих. Это кальмары, осьминоги, каракатицы. Преимущества неподвижногоскелетаочевидны:наружныйдаетвеликолепнуюза- щиту, внутренний играет роль стабилизатора, благодаря которому головоногие развивают большую скорость. Однако и недостатков тоже хватало. Внутренний скелет не давал защиты, а внешний тре- бовал значительных затрат энергии при передвижении: попробуй- те потаскать на себе известковую коробку, весящую в 5–6 раз боль- ше самого моллюска. Сохранить преимущества, устранив при этом недостатки, попытались существа, носящие несколько игривое на- звание – «членистоногие». Они обзавелись подвижным наружным скелетом, который, защищая тело снаружи (каждый, кто хоть раз пытался разломить клешню вареного камчатского краба, знает, сколь мощной может быть хитиновая броня), не стесняет в то же время движений. Представители членистоногих процветают и по- ныне–книмотносятсяракообразные,паукообразныеинасекомые. Наконец, подвижный внутренний скелет получили хордовые, к ко- торымотносятсяипозвоночные,ккоторымотносимсяимысвами. Чтожездесьнеобычного?Сразудвевещи.Первое–чтовсеэтифор- мы возникают одновременно, без значительного разброса во вре- мени, что было характерно для предыдущих попыток эволюции. И второе – что все четыре варианта оказались одинаково жизне- способными.Вотэтоужесовершеннонеобычно!«Вброс»вариантов произошел, а вот отбор не состоялся, каждая ветвь оказалась спо- собной конкурировать с другими. И не стоит успокаивать себя тем, что человек все равно совершеннее кальмара, а значит, победитель вэволюционнойгонке.Попробуйтеобъяснитьэточеловеку,смыто- му за борт волной и оказавшемуся в щупальцах гигантского каль- мара(который,кслову,можетсожратьнебольшогокашалота)...Как получилось, что эволюционный механизм принимает в кембрии совершенно иной вид, принципиально не похожий на то, что эво- люцияиспользоваланапротяжениипочтичетырехмиллиардовлет доэтого?Ответапоканет.

100