Карл Саган - Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации
Около миллиарда лет назад жизнедеятельность растений привела к поразительным изменениям среды обитания на Земле. Зеленые растения производят молекулярный кислород. Поскольку океаны были, как и теперь, густо населены простыми зелеными растениями, кислород становился главной составляющей земной атмосферы, необратимо изменяя ее первоначальный, богатый водородом состав и приближая конец той эпохи в истории Земли, когда живая материя порождалась небиологическими процессами. Кислород способствует расщеплению органических молекул. Несмотря на наше пристрастие к нему, в своей основе он является ядом для всякой незащищенной органической материи. Переход к окисляющей атмосфере стал величайшим кризисом в истории жизни, в результате которого погибло огромное множество организмов, неспособных справиться с кислородом. В наши дни существуют лишь немногочисленные примитивные формы жизни, такие как ботулизм и бациллы столбняка, выживающие только в бескислородной среде. Азот в земной атмосфере химически гораздо более инертен и потому намного менее опасен, чем кислород. Однако и он поставляется биологическими процессами. Таким образом, 99 процентов земной атмосферы имеет биологическое происхождение. Наше небо было создано жизнью. В течение четырех миллиардов лет от зарождения жизни доминирующими организмами оставались микроскопические синезеленые водоросли, которые покрывали и заполняли океаны. Затем, около 600 миллионов лет назад, монополия этих водорослей была нарушена, и появилось невероятное изобилие новых форм жизни — событие, получившее название кембрийского взрыва. Живая материя возникла почти сразу после образования Земли, и это позволяет предположить, что жизнь, возможно, есть химический процесс, с неизбежностью возникающий на планетах земного типа. Однако три миллиарда лет эволюция не шла дальше синезеленых водорослей, и это заставляет думать, что развитие живой материи в крупные формы со специализированными органами — задача куда более трудная, чем даже само появление жизни. Быть может, существует множество заселенных микробами планет, где не встретишь больших животных и растений.
Вскоре после кембрийского взрыва океаны уже кишели многочисленными и разнообразными формами жизни. Около 500 миллионов лет назад в них обитали огромные полчища трилобитов — замечательно устроенных животных, отдаленно напоминавших насекомых; некоторые из них охотились стаями на дне океана. Кристаллическое вещество в их глазах позволяло им различить поляризацию света. Однако в наши дни живых трилобитов больше нет; вот уже 200 миллионов лет, как они вымерли. Землю неоднократно заселяли растения и животные, от которых в современной флоре и фауне не осталось и следа. И конечно же видов, населяющих Землю сейчас, в далеком прошлом тоже не было. Среди древних окаменелостей нет и намека на подобных нам животных. Виды появляются, живут какое-то время, а затем угасают. Похоже, что до кембрийского взрыва виды сменяли друг друга относительно медленно. Отчасти, наверное, такое впечатление складывается из-за того, что чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем скуднее становится доступная нам информация; лишь немногие организмы на ранних этапах истории нашей планеты имели твердые органы, а мягкие ткани почти не оставляют ископаемых останков. Однако отчасти представление о том, что до кембрийского взрыва принципиально новые формы жизни появлялись редко, соответствует действительности; тончайшие эволюционные изменения в структуре и биохимии клетки не находят непосредственного отражения во внешних формах, фиксируемых окаменелостями. После кембрийского взрыва новые изощренные акты приспособления следовали друг за другом со скоростью, от которой захватывает дух. В стремительной череде превращений появились первые рыбы и позвоночные; растения, прежде обитавшие только в океанах, начали колонизировать сушу; народилось первое насекомое, и его потомки стали пионерами в освоении земной тверди среди животных; крылатые насекомые вывелись одновременно с амфибиями, существами, которые, подобно двоякодышащим рыбам, способны жить и на земле, и в воде; выросли первые деревья и рептилии; расплодились динозавры; возникли млекопитающие, а вслед за ними первые птицы; увидели свет первые цветы; динозавры исчезли с лица Земли; первые китообразные, предки современных дельфинов и китов, пришли в мир одновременно с приматами, пращурами обезьян и человека. Первые подобия человека, со значительно увеличенным объемом мозга, обрели плоть меньше десяти миллионов лет назад. И всего несколько миллионов лет назад появились первые настоящие люди.
Человеческий род взращен в лесах, и мы питаем естественное влечение к зеленым кущам. Как чудесно дерево, устремленное к небу! Его листья собирают солнечный свет, необходимый для фотосинтеза, и потому деревья соперничают, затеняя соседей. Часто, приглядевшись, можно заметить, как два дерева с медлительной грациозностью борются друг с другом. Деревья — это замечательные механизмы, которые у солнца берут энергию, у почвы — воду, у воздуха — углекислый газ и все это превращают в пищу для себя и для нас. Созданные ими углеводы растения используют в качестве источника энергии для своих, растительных нужд. А мы, животные, паразитирующие на растениях, воруем углеводы для достижения наших собственных целей. Поедая растения, мы соединяем углеводы с кислородом, растворенным в нашей крови благодаря дыханию, и таким образом извлекаем энергию, позволяющую нам двигаться. По ходу дела мы выдыхаем углекислый газ, который растения вновь превращают в углеводы. Какая изумительная кооперация: растения дышат тем, что выдыхают животные, и наоборот! Этакий изящный всепланетный цикл взаимного питания, который поддерживается энергией звезды в 150 миллионах километров от нас.
Известны десятки миллиардов типов органических молекул. Но лишь около пятидесяти из них участвуют в фундаментальных процессах жизнедеятельности. Одни и те же схемы снова и снова используются с изобретательностью и экономным консерватизмом для разных функций. В самой основе земной жизни — протеинах, управляющих клеточной химией, и нуклеиновых кислотах, несущих наследственные инструкции, — мы обнаруживаем молекулы, одинаковые у всех растений и животных. И дуб, и я сделаны из одного материала. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, то найдем нашего общего предка.
По сложности и красоте устройства живая клетка не уступает царству звезд и галактик. Ее тщательно отлаженный механизм совершенствовался миллиардами лет эволюции. Фрагменты пищи причудливым образом превращаются в работающие клеточные структуры. Сегодняшние белые кровяные тельца — это вчерашнее пюре из шпината. Как подобное удается клетке? Внутри нее находится сложнейшая самоподдерживающаяся структура, которая преобразует молекулы, запасает энергию и готовится к самовоспроизведению. Попав внутрь клетки, мы увидели бы многочисленные пятна-молекулы, в основном протеины, некоторые в состоянии бешеной активности, другие — в ожидании чего-то. Самые важные протеины — энзимы. Эти молекулы управляют химическими реакциями в клетке. Энзимы подобны сборщикам у конвейера — каждый специализируется на какой-то отдельной молекулярной операции: один выполняет, например, шаг 4 в процессе конструирования нуклеотида гуанозинфосфата, другой — шаг 11 в процессе расщепления молекулы сахара в целях извлечения энергии, универсальной валюты, которой расплачиваются за выполнение всех остальных работ в клетке. Однако не энзимы заказывают музыку. Они получают инструкции и сами создаются по указаниям свыше. Молекулы-начальники — это нуклеиновые кислоты. Они живут изолированно в запретном городе в самой сердцевине клетки — ее ядре.
Просочась сквозь поры клеточного ядра, мы обнаружим что-то вроде последствий взрыва на фабрике спагетти — множество беспорядочно разбросанных нитей и спиралей, представляющих собой два типа нуклеиновых кислот: ДНК, которая знает, что следует делать, и РНК, которая доставляет инструкции от ДНК к остальным элементам клетки. Это лучшее, что смогла произвести эволюция за четыре миллиарда лет, здесь собрана полная информация о том, как создать клетку, дерево или человека. Объем информации, заключенной в ДНК человека, таков, что, если изложить ее обычным языком, она составит сотню толстых фолиантов. Но что особенно важно, молекулы ДНК умеют создавать точные (за очень небольшими исключениями) копии самих себя. Они действительно знают чрезвычайно много.
ДНК представляет собой двойную спираль, две перекрученные нити, напоминающие спиральную веревочную лестницу. В ходе воспроизведения нити разделяются при помощи специального раскручивающего протеина, а затем каждая нить синтезирует идентичную копию из строительных блоков — нуклеотидов, плавающих вокруг в вязкой жидкости клеточного ядра. Когда процесс раскручивания запущен, замечательный энзим, называемый ДНК-полимеразой, следит за тем, чтобы копирование протекало с почти идеальной точностью. Если случается ошибка, специальные энзимы вырезают дефект и заменяют ошибочный нуклеотид правильным. Эти энзимы — молекулярные машины потрясающих возможностей.
