Майкл Бихи
Черный ящик Дарвина: Биохимический вызов теории эволюции

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Научный редактор: Анастасия Широкова

Литературный редактор: Камилл Ахметов

Руководитель проекта: Екатерина Булгакова

Арт-директор: Татевик Саркисян

Корректоры: Евгений Бударин, Наташа Казакова

Верстка: Олег Щуклин

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.

© Michael J. Behe, 1996, 2006

© Издание на русском языке, перевод, оформление. Zerde Publishing, 2025

* * *

Посвящается Селесте

Предисловие

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ФЕНОМЕН

Мы уже привычно, почти буднично говорим о том, как далеко продвинулась наука в понимании природы. Мы так хорошо поняли законы физики, что забросили свои космические зонды за миллиарды километров от Земли – и там они исправно фотографируют для нас новые миры. Компьютеры, телефоны, электричество – мы видим бесконечное множество примеров господства науки и техники над силами природы. Вакцины и высокопродуктивное растениеводство берут верх над древними врагами человечества – болезнями и голодом, – хотя и не по всему миру. Почти еженедельные сообщения об открытиях в области молекулярной биологии вселяют надежду на излечение генетических – и не только – заболеваний.

Но понять процессы – не то же, что понять их изначальные причины. Мы можем предсказывать движение планет Солнечной системы с невероятной точностью, однако вопрос о происхождении Солнечной системы, а именно – как образовались Солнце, планеты и их спутники, до сих пор вызывает споры[1]. Одно дело – знать, как работает то или иное явление, и совсем другое – понимать, откуда оно взялось.

Видя, как наука постигает природу, люди решили, что она может – и даже должна – объяснить происхождение природы и жизни. И подавляющее большинство образованных людей более ста лет принимало предположение Дарвина о том, что жизнь можно объяснить естественным отбором в условиях изменчивости и разнообразия, хотя еще несколько десятков лет назад основные механизмы жизни оставались абсолютной загадкой.

Современная наука выяснила, что жизнь, в конечном счете, – молекулярный феномен: все организмы состоят из молекул, которые являются мельчайшими деталями биологических систем. Конечно, существуют более сложные биологические свойства (например, циркуляция крови), которые работают на более высоких уровнях, но все мельчайшие детали жизни – территория биомолекул, поэтому миссия биохимической науки, которая изучает эти молекулы, – исследование самой основы жизни.

С середины 1950-х гг. биохимия кропотливо разъясняла устройство жизни на молекулярном уровне. Дарвин не знал, чем вызвано внутривидовое разнообразие (одно из условий его теории), а биохимия обнаружила, что дело в молекулах. Наука XIX в. даже не догадывалась о механизмах зрения, иммунитета или движения, но современная биохимия определила молекулы, которые обеспечивают эти функции – и множество других.

Когда-то существовали ожидания, что основа жизни окажется чрезвычайно простой. Но они совершенно не оправдались: оказалось, что зрение, движение и другие биологические функции устроены ничуть не проще, чем телекамеры или автомобили. Наука добилась огромного прогресса в понимании того, как работает химия жизни, но на молекулярном уровне биологические системы оказались настолько сложными, что попытки науки объяснить их происхождение оказались тщетны. Практически не идет речи о том, чтобы попытаться объяснить происхождение специфических, сложных биомолекулярных систем. Многие ученые смело заявляют, что объяснения уже найдены – или будут найдены рано или поздно, но подобные заявления не находят подтверждения в профессиональной научной литературе. Более того, структура самих биомолекулярных систем дает веские основания полагать, что дарвиновская концепция изменчивости жизни так никогда и не будет доказана.

Эволюция – гибкий термин[2]. Для одних это просто изменения с течением времени, для других – происхождение всех форм жизни от общего предка, но механизм изменений остается неясным. Однако в полном биологическом смысле эволюция означает процесс, в ходе которого жизнь возникла из неживой материи и прошла весь путь развития естественным путем. Именно такой смысл вкладывал в это слово Дарвин и именно такое значение оно имеет в научном сообществе. Именно в этом смысле я использую слово «эволюция» в этой книге.

АПОЛОГИЯ ДЕТАЛЕЙ

Несколько лет назад Санта-Клаус подарил на Рождество моему старшему сыну пластмассовый трехколесный велосипед. К сожалению, Санта очень торопился, и у него не было времени достать подарок из коробки и собрать его. Задача легла на плечи папы. Я достал детали из коробки, развернул руководство по сборке и вздохнул. Там было шесть страниц подробных инструкций: расположите в ряд восемь разных типов шурупов, вставьте два 32-миллиметровых шурупа сквозь ручку в вал, вставьте вал в квадратное отверстие в корпусе велосипеда и т. д. Мне не особенно хотелось открывать руководство, его ведь не пролистаешь, как газету, – все дело в деталях. Но я засучил рукава, открыл банку пива и принялся за работу. Через несколько часов трехколесный велосипед был собран. Я все делал в строгом соответствии с руководством, которое мне пришлось перечитать не один раз.

Похоже, нас, нелюбителей инструкций, очень много. Во многих семьях есть кассетные видеомагнитофоны, но большинство не умеет их программировать. Все эти технологические чудеса поставляются с полной инструкцией по эксплуатации, но всем неохота их изучать, так что задачу перепоручают ближайшему десятилетнему ребенку.

С биохимией примерно то же самое – в том смысле, что все дело в деталях. Если студент-биохимик ограничится беглым просмотром учебника, то можно не сомневаться, что экзамен он проведет, уставившись в потолок, периодически вытирая испарину со лба. Беглое чтение учебника не подготовит студента к вопросам типа: «Опишите подробно механизм гидролиза пептидной связи трипсином, в особенности – роль энергии связи переходного состояния». Конечно, существуют общие принципы биохимии, но простому смертному они помогут разве что понять картину химии жизни в целом. Диплом инженера не заменит инструкцию к трехколесному велосипеду и не поможет запрограммировать видеомагнитофон.

Увы, многие люди слишком хорошо понимают капризы биохимии. Те, кто страдает от серповидноклеточной анемии, мучаясь сильной болью всю свою не слишком долгую жизнь, знают, насколько важна крохотная деталь, которая изменила один из 146 аминокислотных остатков в одном из десятков тысяч белков в их организме. Родители детей, умерших от болезни Тея – Сакса или муковисцидоза, или страдающих диабетом или гемофилией, знают о биохимических мелочах куда больше, чем им того хотелось бы.

Моя проблема, как писателя, который хочет, чтобы его работы читали, в том, что никому не нравится погружаться в детали, но история о влиянии биохимии на эволюционную теорию строится исключительно на деталях. Я просто вынужден написать книгу из тех, которые обычно не любят читать. Сложность не поймешь, не ощутив ее на себе. Поэтому, дорогие читатели, я прошу вас набраться терпения: в этой книге будет много деталей.

Часть 1
Черный ящик открыт

Глава 1
Лилипутская биология

ПРЕДЕЛЫ ИДЕИ

Эта книга посвящена тому, как открытия в области биохимии обозначили пределы дарвиновской идеи эволюции. Биохимия – это изучение самой основы жизни: молекул, из которых состоят клетки и ткани и которые активизируют химические реакции пищеварения, фотосинтеза, иммунитета и многого другого[3]. Поразительный прогресс, достигнутый биохимией с середины 1950-х гг., стал великолепной иллюстрацией того, какой силой обладает наука в понимании мира. Он принес огромную практическую пользу медицине и сельскому хозяйству.

Однако за наши знания, вероятно, придется заплатить определенную цену. Когда раскапывают фундамент, конструкции, которые покоятся на нем, могут пошатнуться или вовсе обрушиться. Когда мы познали основы таких наук, как физика, нам пришлось отбросить, кардинально пересмотреть или ограничить наши старые взгляды на мир. Не грозит ли такая же участь теории эволюции путем естественного отбора?

Как и многие великие идеи, концепция Дарвина великолепно проста. Дарвин заметил различия видов: они отличаются друг от друга размерами, быстротой движения, цветом и т. д. Он сделал вывод, что, поскольку ограниченных запасов пищи не хватает на всех, те живые существа, чьи случайные отличия дают им преимущество в борьбе за жизнь, как правило, выживают и размножаются, обгоняя менее приспособленных. Если такие отличия передаются по наследству, то характеристики вида будут со временем меняться – и чем больше времени, тем больше изменения.

Более ста лет большинство ученых считало, что практически все живые существа – или, как минимум, все наиболее интересные проявления жизни – возникли в результате естественного отбора случайных вариаций. Идеи Дарвина объясняли природу окраса мотыльков и рабства у насекомых, почему у зяблика такой клюв, а у лошади копыта – и как все живое распределялось по земному шару в разные эпохи. Некоторые ученые с помощью этой теории даже пытались объяснить человеческое поведение: почему отчаявшиеся люди совершают самоубийство, почему подростки рожают вне брака, почему одни группы людей показывают лучшие результаты в тестах на интеллект, чем другие, и почему религиозные миссионеры отказываются от брака и детей. Все – части тела, чувства и мысли – оценивалось с точки зрения теории эволюции.

Спустя почти полтора века после того, как Дарвин предложил свою теорию, эволюционная биология значительно продвинулась в объяснении наблюдаемых нами закономерностей развития жизни. Многим триумф этой теории казался полным. Но настоящая работа жизни происходит не на уровне отдельного животного или органа – самые важные части живых существ слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Жизнь проживается в деталях, и за жизненные детали отвечают молекулы. Идея Дарвина объясняет происхождение лошадиных копыт, но может ли она объяснить, откуда взялась жизнь?

Вскоре после 1950 г. наука продвинулась настолько, что смогла определить формы и свойства нескольких молекул, из которых состоят живые организмы. Медленно и методично мы узнавали все больше структур биологических молекул и, проводя бесчисленные эксперименты, делали выводы о том, как они работают. Совокупность полученных результатов с пронзительной ясностью показывает, что в основе жизни лежат машины – машины, состоящие из молекул! Молекулярные машины перевозят грузы из одного места клетки в другое по «магистралям» (которые тоже состоят из молекул), а функции тросов, канатов и роликов, удерживающих клетку в форме, выполняют другие молекулы. Машины включают и выключают клеточные переключатели, убивая клетку или заставляя ее расти. Машины, работающие наподобие солнечных батарей, улавливают энергию фотонов и запасают ее в химических веществах. Электрические машины проводят ток через нервы. Машины-производители создают другие молекулярные машины – и самих себя. С помощью машин клетки плавают, копируют себя, поглощают пищу. Таким образом, каждым клеточным процессом управляют сложнейшие молекулярные машины. Все детали жизни точно выверены, а ее механизм чрезвычайно сложен.

Можно ли уместить все живое в дарвинову теорию эволюции? Из-за того, что популярные СМИ любят публиковать захватывающие истории, а ученые обожают рассуждать о том, как далеко могут зайти их открытия, обычным людям не так просто отделить факты от догадок. Чтобы найти реальные факты, нужно покопаться в журналах и книгах, опубликованных непосредственно научным сообществом. Научная литература сообщает об экспериментах из первых рук, и эти отчеты, как правило, не грешат излишним полетом фантазии. Но, как я покажу позже, если изучать научную литературу об эволюции – а именно вопрос о том, как развивались молекулярные машины, то есть основа жизни, – обнаружится полная и гнетущая тишина. Наука пасует перед сложностью основ жизни и не может их объяснить, молекулярные машины не позволяют дарвинизму стать универсальным объяснением всего сущего. Чтобы понять, почему так происходит, в этой книге я расскажу о нескольких удивительных молекулярных машинах, а затем поставлю вопрос, можно ли объяснить их случайной мутацией или естественным отбором.

Эволюция – противоречивая тема, поэтому в начале книги необходимо рассмотреть несколько основных вопросов. Многие считают, что подвергать сомнению дарвинову эволюцию – все равно, что отстаивать креационизм, то есть веру в то, что Земля сформировалась лишь около 10 000 лет назад, – эта библейская интерпретация все еще весьма популярна. Сразу скажу – я вполне уверен в том, что Вселенной, как говорят физики, несколько миллиардов лет. Более того, я считаю теорию общего предка всех организмов достаточно убедительной, у меня нет особых причин ставить ее под сомнение. Я весьма уважаю работу моих коллег, которые изучают развитие и поведение организмов в рамках эволюции, и считаю, что биологи-эволюционисты внесли огромный вклад в наше понимание мира. Дарвиновский механизм – естественный отбор и изменчивость – может объяснить очень многое. Однако я не верю, что он объясняет молекулярную жизнь, и считаю, что новая наука о самых малых величинах может изменить наше представление о чем-то не столь малом.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БИОЛОГИИ

Когда в жизни все идет гладко, многие из нас склонны думать, что общество, в котором мы живем, устроено правильно, а наши представления о мире, разумеется, верны. Нам трудно представить, как люди жили в другое время и в других местах и почему они верили в то, во что верили. Однако в периоды потрясений, когда якобы незыблемые истины подвергаются сомнению, кажется, что ничто в мире не имеет смысла. В такие периоды история напоминает нам о том, что поиск надежных знаний – долгий и трудный процесс, который все еще продолжается. Чтобы определиться с перспективой, через которую можно рассматривать идею дарвиновской эволюции, на следующих нескольких страницах я изложу краткую историю биологии. В каком-то смысле эта история – череда «черных ящиков»: открыв один, видишь следующий.

«Черный ящик» – это устройство, внутренняя работа которого непонятна: иногда потому, что эту работу нельзя увидеть, а иногда потому, что она попросту не поддается осмыслению. Хороший пример такого «черного ящика» – компьютеры. Большинство из нас пользуется этими волшебными машинами, не имея ни малейшего представления о том, как они работают. Мы обрабатываем слова, строим графики или играем, оставаясь в счастливом неведении о том, что происходит под корпусом компьютера, – и даже если снять корпус, мало кто из нас разберется во внутреннем нагромождении деталей. Между частями компьютера и тем, что он делает, нет простой и очевидной связи.

Представьте, что тысячу лет назад, во дворе короля Артура, появился компьютер с «вечной» батареей. Как люди той эпохи отреагировали бы на него? Большинство впало бы в благоговейный ужас, но есть шанс, что кому-то захотелось бы разобраться, что это за штука. Кто-то обратил бы внимание, что, если нажать на клавиши, на экране появляются буквы. Поскольку некоторые комбинации букв, соответствующие командам компьютера, вызывают изменения экрана, через некоторое время многие команды стали бы понятны. Средневековые англичане поверили бы, что раскрыли секреты компьютера. Но в конце концов кто-нибудь снял бы крышку и увидел бы внутреннее устройство компьютера – еще один «черный ящик» внутри «черного ящика», который, казалось бы, уже расшифровали. Все догадки о том, как работает компьютер, показались бы глубоко наивными.

В древности вся биология была «черным ящиком», потому что никто даже в общих чертах не понимал, как функционируют живые существа. Древние, которые разглядывали растения или животных, гадая, как они устроены, видели непостижимые для себя технологии. Они находились в полном неведении.

Самые ранние биологические исследования начинались единственным доступным методом – невооруженным глазом[4]. Ряд книг, относящихся примерно к 400 г. до н. э. (авторство которых приписывают «отцу медицины» Гиппократу), описывает симптомы некоторых распространенных заболеваний, а источником болезней называет не волю богов, а питание и другие физические причины. Эти труды заложили основы науки, однако древние все равно терялись, когда речь заходила о структуре живых существ. Они верили, что вся материя состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды. Считалось, что живые тела состоят из четырех «гуморов» (или жидкостей) – крови, желтой желчи, черной желчи и флегмы, – а все болезни якобы возникают от избытка одного из гуморов.

Величайший биолог греков – Аристотель – был одновременно и величайшим философом. Он родился еще при жизни Гиппократа, но, в отличие от большинства предшественников, понял, что познание природы требует систематического наблюдения. Внимательное изучение мира живых существ показало: этот мир поразительно упорядочен. Так Аристотель сделал важнейший первый шаг: он разделил животных на две общие категории – на тех, у кого есть кровь, и тех, у кого ее нет. Это во многом соответствует современным классификациям позвоночных и беспозвоночных. Среди позвоночных он выделил категории млекопитающих, птиц и рыб. Большинство амфибий и рептилий он объединил в одну группу, а змей – в отдельный класс. Несмотря на то, что наблюдения проводились без помощи приборов, последующие тысячелетия развития науки не пошатнули логики многих соображений Аристотеля.

За последующую тысячу лет появилось всего несколько значительных исследователей биологии. Одним из них был Гален, римский врач II в. н. э. Работы Галена показывают, что тщательное наблюдение за внешним видом и препарированными внутренностями растений и животных необходимо, но недостаточно для понимания биологии. Например, Гален пытался разобраться, как функционируют органы животных. Он знал, что сердце перекачивает кровь, но простого наблюдения ему не хватило, чтобы понять: кровь циркулирует по организму и возвращается в сердце. Гален ошибочно полагал, что кровь выкачивается для «орошения» тканей, а для подпитки сердца постоянно вырабатывается новая кровь. Эта идея передавалась от учителей к ученикам примерно 1500 лет.

Лишь в XVII в. англичанин Уильям Гарвей предложил теорию о том, что кровь течет непрерывно в одном направлении, совершая полный круг и возвращаясь в сердце. Гарвей подсчитал, что если сердце перекачивает всего 60 мл крови за удар при 72 ударах в минуту, то за один час оно перекачивает 245 л крови – втрое больше, чем вес человека! Произвести такой объем крови за столь короткое время явно невозможно, а значит, кровь используется повторно. Беспрецедентные логические рассуждения Гарвея, подкрепленные расчетами (которые были облегчены благодаря относительно новым для Европы индо-арабским цифрам), подтверждали невидимую работу организма. Это положило начало современной биологической мысли.

В Средние века скорость научных исследований возросла. Примеру Аристотеля следовало все большее число натуралистов. Первые ботаники Брунфельс, Бок, Фукс и Валерий Корд описали множество растений. Благодаря тому, что Ронделе подробно зарисовывал жизнь животных, развивалась научная иллюстрация. Энциклопедисты вроде Конрада Геснера публиковали огромные тома, обобщавшие все знания по биологии. Классификацию Аристотеля значительно расширил Линней, который изобрел категории класса, отряда, рода и вида. Исследования в области сравнительной биологии показали массу сходств между различными звеньями жизни – и началось обсуждение идеи общего происхождения.

Биология начала стремительно развиваться в XVII–XVIII вв., когда ученые объединили придирчивость наблюдений Аристотеля и рационализм логики Гарвея. Однако даже самое пристальное внимание и самая рациональная логика не помогут далеко продвинуться, если скрыты важнейшие части системы. Человеческий глаз способен различить объекты размером 0,1 мм, однако большинство жизненных процессов протекает в лилипутском масштабе – на микроуровне. Так биология вышла на плато: открыв один «черный ящик» – приблизительное строение организмов, – она увидела «черный ящик» более тонких уровней жизни. Чтобы двигаться дальше, биологии были нужны технологические прорывы. Первым из них стал микроскоп.

ЧЕРНЫЕ ЯЩИКИ ВНУТРИ ЧЕРНЫХ ЯЩИКОВ

Линзы были известны еще в древности, а к XV в. обычным делом стало их использование в очках. Однако лишь в XVII в. выпуклую и вогнутую линзы соединили в тубусе – так получился первый грубый микроскоп. Галилей воспользовался одним из ранних приборов и поразился, разглядев сложноустроенные глаза насекомых. Стеллути изучал глаза, язык, усики и другие части тела пчел и долгоносиков. Мальпиги смог подтвердить, что кровь циркулирует по капиллярам, и описал раннее развитие сердца у эмбриона цыпленка. Неемия Грю исследовал растения, Сваммердам препарировал мух, Левенгук первым в истории увидел бактериальную клетку, Роберт Гук описал клетки пробки и листьев (хотя и не понял всю значимость этого открытия).

Началось изучение непредсказуемого лилипутского мира – и устоявшиеся представления о том, что такое живые существа, были опровергнуты. Историк науки Чарльз Сингер отметил, что «с философской точки зрения явленная бесконечная сложность живых существ была столь же обескураживающей, как и упорядоченное величие звездного мира, открытое Галилеем предыдущему поколению, однако следствия этой сложности укоренялись в сознании людей гораздо дольше». Другими словами, иногда новые «черные ящики» требуют пересмотра всех наших теорий, а это может вызывать сопротивление.

Клеточная теория была окончательно сформулирована в начале 1890-х гг. Маттиасом Шлейденом и Теодором Шванном. Шлейден работал в основном с растительными тканями, он доказывал центральное значение темного пятна – ядра – во всех клетках. Шванн сосредоточился на животных тканях, в которых было сложнее разглядеть клетки. Тем не менее он обнаружил, что животные по своему клеточному строению похожи на растения. Шванн пришел к выводу, что клетки или выделения клеток составляют все тело животных и растений и что в каком-то смысле клетки – это отдельные единицы, которые ведут собственную жизнь. Он писал, что «вопрос об основополагающей силе организованных тел разрешается сам собой через вопрос об отдельных клетках». Шлейден добавлял: «Таким образом, основной вопрос заключается в том, каково происхождение этого уникального крохотного организма – клетки?»

Шлейден и Шванн работали в первой половине и середине XIX в., когда Дарвин путешествовал и писал книгу «Происхождение видов». Для Дарвина – и любого другого ученого того времени – клетка была «черным ящиком». Тем не менее на уровне более высоком, чем клеточный, ему удалось многое постичь в биологии. Идея об эволюции жизни принадлежит не Дарвину – хотя он наиболее системно ее обосновал, – но именно ему принадлежит теория эволюции как естественного отбора, основанного на изменчивости.

Тем временем методично изучался «черный ящик» клетки. Исследование клеток показало пределы возможностей микроскопа, обусловленные длиной световой волны. По физическим причинам микроскоп не может четко показать две точки, находящиеся друг к другу ближе, чем на половину длины волны света, который их освещает. Поскольку длина волны видимого света составляет примерно 0,1 диаметра бактериальной клетки, многие мелкие и критические детали клеточной структуры увидеть с помощью светового микроскопа невозможно. «Черный ящик» клетки было невозможно открыть без дальнейших технологических усовершенствований.

В конце XIX в., когда физика стремительно развивалась, Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а через несколько десятилетий был изобретен электронный микроскоп. Поскольку длина волны электрона меньше длины волны видимого света, электронное «освещение» позволяет увидеть значительно меньшие объекты, чем световое. У электронной микроскопии есть ряд практических слабостей, в первую очередь – вероятность того, что электронный пучок «поджарит» образец. Но и эти проблемы удалось обойти, и после Второй мировой войны электронная микроскопия получила широкое распространение. Были открыты новые субклеточные структуры: в ядре разглядели поры, а вокруг митохондрий («электростанций» клетки) – двойные мембраны. Клетка, такая простая под световым микроскопом, теперь выглядела совершенно иначе. Увидев сложную структуру клетки, ученые ХХ в. испытали удивление, сходное с тем, какое чувствовали первые пользователи световых микроскопов, увидев в деталях строение насекомых.

На этом уровне открытий биологи приблизились к величайшему из всех «черных ящиков». Дарвин и его современники не могли ответить на вопрос, как устроена жизнь. Они знали, что глаза нужны для того, чтобы видеть, но как именно они видят? Как свертывается кровь? Как организм борется с болезнями? Сложные структуры, открытые электронным микроскопом, сами состояли из более мелких компонентов. Что это за компоненты? Как они выглядят? Как работают? Ответы на эти вопросы выводят нас из области биологии в область химии – и возвращают в девятнадцатый век.

ХИМИЯ ЖИЗНИ

Как легко видеть, живые существа выглядят и ведут себя не так, как неживые. Они и на ощупь другие: шкура и волосы – совсем не то же, что камни и песок. Большинство людей вплоть до XIX в. вполне закономерно полагало, что все живое состоит из особого материала, который отличается от материала неодушевленных предметов. Но в 1828 г. Фридрих Вёлер нагрел цианат аммония и с изумлением обнаружил, что при этом образуется мочевина – продукт биологических отходов. Оказалось, что мочевина может получаться из неживого вещества – а значит, простого различия между живым и неживым нет. Тогда химик-неорганик Юстус фон Либих начал изучать химию жизни (то есть биохимию). Он показал, что тепло тела животных обусловлено сгоранием пищи, а не просто врожденным свойством жизни. На основе своих успехов Либих сформулировал идею метаболизма, согласно которой организм создает и расщепляет вещества посредством химических процессов. Эрнст Феликс Гоппе-Зейлер кристаллизовал красное вещество крови (гемоглобин) и показал, что оно соединяется с кислородом, чтобы разносить его по всему организму. Эмиль Фишер продемонстрировал, что большой класс веществ под названием «белки» состоит всего из двадцати типов строительных блоков (так называемых аминокислот), которые соединяются в цепочки.

Как выглядят белки? Эмиль Фишер показал, что они состоят из аминокислот, однако детали их структуры оставались неизвестными – слишком мелкими, чтобы рассмотреть их даже под электронным микроскопом. Тем не менее было ясно, что белки – фундаментальные машины жизни, которые катализируют химические процессы и создают клеточные структуры. Но для изучения структуры белков требовалась новая техника.

В первой половине ХХ в. для определения структуры малых молекул использовался рентгеноструктурный анализ (РСА). РСА – это процесс, в ходе которого на кристалл химического вещества направляют пучок рентгеновских лучей, рассеивающихся в результате дифракции. Если за кристалл поместить и экспонировать фотопленку, то на снимке можно обнаружить рассеянные рентгеновские лучи, а с помощью некоторых вычислений по картине рассеяния можно определить положение буквально каждого атома в молекуле. Теоретически РСА должен был показывать структуру белка, но тут возникла большая проблема: чем больше атомов в молекуле, тем сложнее вычисления, а в белках в десятки раз больше атомов, чем в молекулах, обычно исследуемых при помощи РСА, и это делает задачу в десятки раз сложнее. Правда, у некоторых людей упорства в десятки раз больше, чем у других.

В 1958 г., после десятилетий работы, Д. К. Кендрю определил структуру белка миоглобина с помощью РСА – наконец-то методика показала детальную структуру одного из основных компонентов жизни. Ожидалось, что белки окажутся простыми и правильными структурами, как кристаллы соли, – но что же мы увидели? Очередную сложность. Макс Перутц, увидев сложную, запутанную, похожую на кишечник структуру миоглобина, простонал: «Неужели поиски окончательной истины и правда вывели на такую отвратительную, кишкообразную штуку?»

С тех пор биохимики все же полюбили хитросплетения белковой структуры. Нынешние усовершенствованные компьютеры и прочие приборы существенно облегчают процесс РСА по сравнению с временами Кендрю, но все равно эта процедура требует значительных усилий.

Рентген использовал и Кендрю, исследуя белки, и Уотсон и Крик, исследовавшие ДНК. В результате биохимики впервые смогли увидеть форму интересующих их молекул. Рождение современной биохимии, которая с тех пор развивается бешеными темпами, можно отнести именно к этому времени. Достижения в области физики и химии помогали друг другу и создавали мощный синергетический эффект в исследованиях жизни.

Теоретически РСА мог определить структуру всех молекул живых существ, однако практические проблемы ограничивают его применение относительно небольшим числом белков и нуклеиновых кислот. Тем не менее в дополнение к ней с головокружительной скоростью появляются новые методы, и один из важнейших – ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Благодаря ЯМР молекулу можно изучать в растворе, без кристаллизации. Как и РСА, ЯМР позволяет определить точную структуру белков и нуклеиновых кислот. Как и РСА, ЯМР имеет ограничения, из-за которых он эффективно работает лишь с частью известных белков. Но вместе ЯМР и РСА показали структуры немалого количества белков, а ученые получили детальное представление о том, как они выглядят.

Когда Левенгук с помощью микроскопа увидел крошечного клеща на крошечной блохе, Джонатан Свифт сочинил вдохновенный стишок, в котором предсказывал бесконечную прогрессию все более мелких насекомых:

И обнаружил микроскоп,
Что на клопе бывает клоп,
Питающийся паразитом,
На нем – другой, ad infinitum.[5]

Но Свифт ошибся: прогрессия не бесконечна. В конце ХХ в. мы – на пике исследований жизни, конец их близок. Клетка была последним «черным ящиком», открыв который мы обнаружили молекулы – основу природы. Ниже нам не опуститься. Более того, работа, которая уже проделана над ферментами, другими белками и нуклеиновыми кислотами, открыла принципы, которые лежат в основе жизни. Нам еще предстоит прояснить множество деталей и, несомненно, столкнуться с некоторыми сюрпризами. Но в отличие от ученых прежних дней, которые, глядя на рыбу, сердце или клетку, задавались вопросом, что это такое и как оно работает, современным ученым достаточно того, что действия белков и других молекул вполне объясняют основы жизни. Начиная с Аристотеля и до современной биохимии, мы вскрывали один слой за другим, пока не открыли «черный ящик» Дарвина – клетку.

ПРЫЖКИ И СКАЧКИ

Представьте: ваш участок отделяет от участка соседа канава, уходящая к горизонту в обоих направлениях. Встретив однажды соседа у себя во дворе, вы спросите, как он сюда попал. Ответ: «Я перепрыгнул через канаву» не вызовет сомнений, если ширина канавы чуть больше метра. Если ширина канавы – 2,5 м, вас впечатлят спортивные способности соседа. Если ширина канавы пять метров, вы насторожитесь и попросите его прыгнуть еще раз. Он, конечно, может отказаться, сославшись на вывих колена, и у вас останутся сомнения, но полной уверенности в том, что он все выдумал, не будет. Однако если «канава» будет оврагом шириной в 30 м, вы ни на секунду ему не поверите.

Но предположим, что ваш неглупый сосед может доказать свои слова. Он не перепрыгивал одним скачком. По его словам, в овраге были холмики, и он перепрыгивал с одного холмика на другой. Вы не видите никаких холмов, но он объясняет, что перебираться пришлось долго, а холмики поднимались один за другим, а потом размывались и обрушивались. Очень сомнительно, но, чем опровергать его слова, проще сменить тему на бейсбол.

В этой истории кроется несколько уроков. Во-первых, слово «прыжок» можно использовать для объяснения способа преодоления преграды, но в зависимости от деталей (например, ширины преграды) объяснение может становиться как совершенно убедительным, так и абсолютно неадекватным. Во-вторых, долгое путешествие можно гораздо правдоподобнее описать как серию небольших прыжков, а не как один огромный скачок. В-третьих, очень трудно подтвердить или опровергнуть правдивость версии о небольших прыжках, если нет доказательств слов того, что промежуточные ступени были, но исчезли.

Разумеется, аллегорию с прыжками через канавы и овраги можно применить и к эволюции. Слово «эволюция» используется для объяснения как крошечных, так и громадных изменений в организмах. Им часто дают отдельные названия: можно сказать, что микроэволюция описывает изменения, которые достигаются одним или несколькими небольшими прыжками, а макроэволюция – изменения, которые требуют скачков.

Предположение Дарвина о том, что в природе могут происходить даже относительно крошечные изменения, было большим концептуальным достижением, наблюдение за такими изменениями во многом подтвердило его интуитивные догадки. Дарвин видел похожие, но не идентичные виды зябликов на нескольких Галапагосских островах и предположил, что они произошли от общего предка. Недавно ученые из Принстона подтвердили своими наблюдениями, что в популяциях зябликов средний размер клюва меняется в течение нескольких лет[6]. Ранее было показано, что количество темных и светлых мотыльков в популяции меняется по мере того, как окружающая среда становится чище. Точно так же птицы, завезенные в Северную Америку европейскими поселенцами, диверсифицировались на несколько отдельных групп.

В последние десятилетия удалось получить доказательства микроэволюции на молекулярном уровне. Например, вирусы вроде того, что вызывает СПИД, мутируют, чтобы обойти иммунную систему человека. Болезнетворные бактерии вернулись, когда их штаммы научились защищаться от антибиотиков. Можно привести множество других примеров.

В небольших масштабах теория Дарвина одержала победу, и сейчас она вызывает не больше споров, чем утверждение спортсмена о том, что он может перепрыгнуть метровую канаву. Скепсис возникает на уровне макроэволюции – то есть скачков. Вторя Дарвину, многие утверждают, что огромные изменения можно разбить на вероятные небольшие шаги, которые совершались в течение больших периодов времени. Однако убедительных доказательств в поддержку этой позиции так и не появилось – как и рассказ соседа об исчезнувших холмиках, ее сложно было подтвердить… до этих пор.

Современная биохимия дает нам возможность заглянуть на самый нижний уровень жизни. Теперь мы можем обоснованно оценить, насколько реалистичны предполагаемые маленькие шаги, необходимые для больших эволюционных изменений. В книге вы увидите, что овраги, разделяющие повседневные формы жизни, аналогичны оврагам, которые разделяют биологические системы в микроскопическом масштабе. Подобно фрактальным узорам, на которых мы в любом масштабе видим один и тот же рисунок, даже на самом крошечном уровне жизни возникают непреодолимые препятствия.

ГЛАЗНОЙ РЯД

Биохимия показала нам границы теории Дарвина. Она открыла самый настоящий «черный ящик» – клетку – и тем самым помогла нам понять, как устроена жизнь. Именно поразительная сложность субклеточных органических структур заставляет задаваться вопросом: «Как это все могло развиться?» Чтобы прочувствовать всю остроту этого вопроса и понять, что нас ждет, давайте рассмотрим пример биохимической системы. Объяснение происхождения той или иной функции должно согласовываться с современной наукой. Посмотрим, как развивалось научное объяснение одной из функций – зрения – с XIX в., а затем разберемся, как это влияет на нашу задачу объяснить его происхождение.

В XIX в. детали анатомии глаза были известны. Ученые знали, что зрачок работает как заслонка, которая пропускает достаточно света, чтобы видеть как при ярком солнце, так и в ночной темноте. Хрусталик глаза собирает свет и фокусирует его на сетчатке, формируя четкое изображение. Мышцы глаза позволяют ему быстро двигаться. Из-за того, что световые волны разных оттенков имеют разные длины, изображение могло бы получаться размытым, но хрусталик глаза меняет плотность своей поверхности, чтобы исправить хроматическую аберрацию. Всех, кто ближе знакомился с подобными тонкостями, это поражало. Ученые XIX в. знали, что если у человека отсутствует какая-нибудь из множества функций глаза, то результатом будет серьезная потеря зрения или полная слепота. Они пришли к выводу, что условием работы глаза является его целостность.

Чарльз Дарвин тоже знал об устройстве глаза. В книге «Происхождение видов» он разобрал ряд возражений против своей теории эволюции путем естественного отбора. Проблему глаза он обсудил в разделе, который вполне уместно называется «Органы крайней степени совершенства и сложности». По мнению Дарвина, эволюция не могла создать сложный орган за один или несколько шагов. Для таких радикальных нововведений, как глаз, потребовались бы несколько поколений организмов и постепенное накопление полезных изменений. Он понимал, что внезапное появление в одном поколении такого сложного органа равносильно чуду. К сожалению, казалось невозможным, чтобы человеческий глаз развивался постепенно, так как было ощущение взаимозависимости всех его сложных функций. Чтобы в эволюцию можно было поверить, Дарвин должен был как-то убедить общественность в том, что сложные органы могут формироваться поэтапно.

И ему это блестяще удалось. Дарвин поступил умно: он не стал искать реальный путь, которым шла эволюция при формировании глаза. Вместо этого он показал современных животных с различными видами глаз (от простых до сложных) и предположил, что в эволюции человеческого глаза в качестве промежуточных звеньев могли участвовать похожие органы (см. рис. 1–1).

РИСУНОК 1–1

Глазной ряд. Слева: Небольшой участок фоторецепторов медуз. Справа: Глаз морских моллюсков с хрусталиком. Внизу: Глаз морской улитки с хрусталиком

Источник: McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1987. Воспроизводится с разрешения.

Перескажу доводы Дарвина. Человек обладает сложным, устроенным по принципу камеры глазом, но многие животные обходятся меньшим. У ряда крошечных существ есть лишь группа пигментированных клеток – всего-навсего светочувствительное пятно. Нельзя сказать, что здесь речь идет о полноценном зрении, но способность различать свет и тьму есть, а значит, это удовлетворяет потребности существа. Светочувствительный орган некоторых морских звезд устроен несколько сложнее. Их глаз расположен в углублении. Поскольку изгиб углубления блокирует свет с некоторых направлений, животное чувствует, откуда идет свет. Направленное восприятие глаза улучшается, если изгиб становится более выраженным, но одновременно с этим количество света, попадающего в глаз, уменьшается, а чувствительность снижается. Ее можно повысить, поместив в полость желатиновый материал, который будет работать как хрусталик, у некоторых современных животных глаза – именно с такими грубыми хрусталиками. Постепенное усовершенствование хрусталика обеспечивает все более четкое изображение, которое соответствует окружающей животное среде.

Подобными рассуждениями Дарвин убедил многих своих читателей, что эволюционный путь идет от простейшего светочувствительного пятна к сложному человеческому глазу, но вопрос о том, как возникло зрение, остался без ответа. Дарвин убедил большую часть мира в том, что современный глаз постепенно развился из более простой структуры, но даже не попытался объяснить, как появилась его отправная точка – относительно простое светочувствительное пятно. Напротив, Дарвин отмахнулся от вопроса об изначальном происхождении глаза: «Каким образом нерв сделался чувствительным к свету, вряд ли касается нас в большей степени, чем то, как возникла самая жизнь»[7].

У него были все причины отказаться отвечать на этот вопрос, ведь он выходил за рамки научного знания XIX в. В то время было неясно, как работает глаз, то есть что происходит, когда фотон попадает на сетчатку. Собственно говоря, невозможно было ответить ни на один вопрос о механизмах, лежащих в основе жизни. Как мышцы животных приводят в движение тело? Как происходит фотосинтез? Как извлекается энергия из пищи? Как организм борется с инфекциями? Никто не знал.

БИОХИМИЯ ЗРЕНИЯ

Для Дарвина зрение было «черным ящиком», но, накопив результаты кропотливой работы многих биохимиков, мы приблизились к ответу на вопрос о зрении[8]. Далее я приведу биохимическую схему работы глаза. Пусть вас не смущают странные названия составляющих элементов. Это всего лишь обозначения, которые звучат не более странно, чем слова «карбюратор» или «дифференциал» для того, кто впервые читает руководство по эксплуатации автомобиля. Читатели, жаждущие подробностей, найдут их во многих учебниках по биохимии, остальным советую читать внимательно или обратиться к рисункам 1–2 и 1–3, чтобы понять суть.

 Когда свет впервые попадает на сетчатку, фотон взаимодействует с молекулой 11-цис-ретиналь, которая за пикосекунды превращается в транс-ретиналь. (Пикосекунда – время, необходимое свету для прохождения расстояния в один человеческий волос.) Изменение формы молекулы ретиналя приводит к изменению формы белка родопсина, с которым плотно связан ретиналь[9]. Метаморфоза белка меняет его поведение – теперь он называется метародопсин II и прилипает к другому белку, трансдуцину. До столкновения с метародопсином II трансдуцин прочно связывал небольшую молекулу ГДФ. Но когда трансдуцин взаимодействует с метародопсином II, ГДФ меняется на ГТФ, связывающуюся с трансдуцином (ГТФ «близкий родственник» ГДФ, но в то же время существенно отличается от него).

РИСУНОК 1–2

Зрение: первый шаг. Фотон света вызывает изменение формы маленькой органической молекулы – ретиналя. В результате меняется также форма гораздо более крупного белка – родопсина, к которому он крепится. Рисунок белка не соответствует реальному масштабу

Теперь ГТФ-трансдуцин-метародопсин II связывается с белком под названием фосфодиэстераза, который расположен во внутренней мембране клетки. Присоединившись к метародопсину II и его окружению, фосфодиэстераза приобретает химическую способность «разрезать» молекулу, которая называется цГМФ (химический родственник ГДФ и ГТФ). Изначально в клетке много молекул цГМФ, но фосфодиэстераза снижает их концентрацию – прямо как выдернутая пробка снижает уровень воды в ванне.

РИСУНОК 1–3

Биохимия зрения. Rh – родопсин, RhK – родопсинкиназа, A – аррестин, GC – гуанилатциклаза, T – трансдуцин, PDE – фосфодиэстераза

Источник: Chabre, M. & Deterre, P. (1989) European Journal of Biochemistry, 179, 255. Публикуется с разрешения.

Другой мембранный белок, связывающий цГМФ, называется ионным каналом. Он действует как шлюз, регулирующий количество ионов натрия в клетке. В норме ионный канал позволяет ионам натрия поступать в клетку, а отдельный белок активно выкачивает их обратно. Двойное действие ионного канала и насоса поддерживает уровень ионов натрия в клетке в узком диапазоне. Когда количество цГМФ снижается из-за расщепления фосфодиэстеразой, ионный канал закрывается, что приводит к снижению концентрации положительно заряженных ионов натрия в клетке. Это изменяет заряд клеточной мембраны, что в конечном итоге приводит к передаче электрического тока по зрительному нерву в мозг. А зрение – это результат интерпретации мозга.

Если бы в клетке протекали только вышеупомянутые реакции, запасы 11-цис-ретиналя, цГМФ и ионов натрия быстро истощились бы. Что-то должно отключить включенные белки и вернуть клетку в исходное состояние. Для этого существует несколько механизмов. Во-первых, в темноте ионный канал (в дополнение к ионам натрия) пропускает в клетку ионы кальция. Кальций откачивается обратно другим белком – так поддерживается постоянная концентрация кальция. Когда уровень цГМФ падает, отключая ионный канал, концентрация ионов кальция тоже снижается. Фермент фосфодиэстераза, разрушающий цГМФ, замедляется при снижении концентрации кальция. Во-вторых, белок под названием гуанилатциклаза начинает заново синтезировать цГМФ, когда уровень кальция падает. В-третьих, пока все это происходит, метародопсин II химически модифицируется ферментом под названием родопсинкиназа. Затем модифицированный родопсин связывается с белком, который называется аррестин и который не позволяет родопсину активировать больше трансдуцина. Таким образом, клетка содержит механизмы, ограничивающие усиление сигнала, запускаемого одним фотоном.

В конце концов трансретиналь отпадает от родопсина, он должен снова превратиться в 11-цис-ретиналь и быть связанным родопсином, чтобы вернуться в исходную точку и запустить очередной зрительный цикл. Для этого трансретиналь сначала химически модифицируется ферментом в трансретинол – форму, которая содержит еще два атома водорода. Затем второй фермент преобразует молекулу в 11-цис-ретинол. Наконец, третий фермент удаляет ранее добавленные атомы водорода, чтобы получился 11-цис-ретинол, и цикл завершается. 

Параграфы выше – всего лишь краткий обзор биохимии зрения. Но в конечном итоге именно к такому уровню объяснения должна стремиться биология. Чтобы по-настоящему понять функцию, необходимо детально разобраться в каждом этапе процесса. Соответствующие этапы биологических процессов происходят на молекулярном уровне, поэтому удовлетворительное объяснение биологического феномена – например, зрения, пищеварения или иммунитета – должно включать его молекулярное объяснение.

Сейчас, когда «черный ящик» зрения открыт, для объяснения этой способности с точки зрения эволюции уже недостаточно рассматривать только анатомические структуры глаз, как это делал Дарвин в XIX в. и как продолжают делать популяризаторы теории эволюции сегодня. Каждый из анатомических этапов и структур, которые Дарвин считал такими простыми, на самом деле включает в себя невероятно сложные биохимические процессы, которые невозможно описать пустой риторикой. Прыжки Дарвина с холма на холм во многих случаях оказываются огромными скачками между весьма изощренными механизмами, и чтобы преодолеть такое расстояние за один раз, понадобился бы вертолет.

КАЛЬВИНИЗМ

Человеческому разуму как будто свойственно, увидев «черный ящик», вообразить, что внутри таится что-то очень простое. Отличный тому пример – комиксы «Кальвин и Хоббс» (рис. 1–4). Кальвин запрыгивает в ящик со своим плюшевым тигром Хоббсом и путешествует в прошлое, или «трансфигурирует» себя в животных, или использует его как дупликатор и создает свои клоны. Маленький мальчик вроде Кальвина запросто представляет, что ящик может летать как самолет (или еще как-то), потому что он не знает, как устроены самолеты.

РИСУНОК 1–4

Кальвин и Хоббс летят в своем черном ящике

CALVIN AND HOBBES copyright 1990 Watterson. Распространяется Universal Press Syndicate. Перепечатано с разрешения. Все права защищены.

В каком-то смысле взрослые ученые так же любят выдавать желаемое за действительное, как и мальчики типа Кальвина. Например, много веков назад считалось, что насекомые и мелкие животные рождаются прямо из испорченной пищи. В это было легко поверить, ведь мелкие животные считались чем-то элементарным (до изобретения микроскопа натуралисты думали, что у насекомых нет внутренних органов). Но по мере развития биологии точные эксперименты показывали: испорченная пища не порождает жизнь, теория спонтанной генерации отступила за границы, за которыми наука не могла увидеть, что происходит на самом деле. В XIX в. такими границами была клетка. Пиво, молоко или моча, оставленные на несколько дней в контейнерах, даже закрытых, всегда становились мутными от того, что в них что-то росло.

Микроскопы XVIII–XIX вв. показывали рост крошечных и, по-видимому, живых клеток – вот почему идея, что простые живые организмы могут спонтанно возникать из жидкостей, казалась разумной.

Чтобы люди в это поверили, достаточно было представить клетку как нечто «простое». Одним из главных защитников теории спонтанной генерации в середине XIX в. был Эрнст Геккель, большой поклонник Дарвина и активный популяризатор дарвиновской теории. Полагаясь на ограниченное представление о клетках, которое давали микроскопы, Геккель утверждал, что клетка – «простой комочек альбуминового соединения углерода»[10], который мало чем отличается от микроскопического кусочка желе. Поэтому Геккелю казалось, что такую простую форму жизни без внутренних органов можно запросто получить из неживого материала. Теперь-то мы, конечно, знаем больше.

И вот простая аналогия: Дарвин по отношению к нашему пониманию происхождения зрения – то же, что и Геккель по отношению к нашему пониманию происхождения жизни. В обоих случаях блестящие ученые XIX в. пытались объяснить лилипутскую биологию, которая была от них скрыта, и оба делали это полагая, что внутри «черного ящика» все должно быть просто. Время показало, что они ошибались.

В первой половине ХХ в. многочисленные направления биологии не очень-то кооперировались друг с другом[11]. В результате генетика, систематика, палеонтология, сравнительная анатомия, эмбриология и другие области выработали собственные взгляды на эволюцию. Теория эволюции неизбежно стала означать разные вещи для разных дисциплин, целостный взгляд на дарвиновскую теорию был утрачен. Однако в середине века лидеры этих областей организовали серию междисциплинарных встреч, чтобы объединить свои положения в стройную теорию эволюции на основании дарвиновских принципов. Результат назвали «эволюционным синтезом», а теорию – неодарвинизмом. Именно неодарвинизм лежит в основе современной эволюционной мысли.

Но на этих встречах не было биохимиков! Впрочем, на то была веская причина – биохимии тогда еще не существовало. Зачатки современной биохимии появились только после официального провозглашения неодарвинизма. После открытия сложности микроскопической жизни пришлось переосмыслить биологию. Аналогично, неодарвинизм должен быть пересмотрен в свете достижений биохимии. Все научные дисциплины, которые были частью эволюционного синтеза, являются немолекулярными. Тем не менее, чтобы дарвиновская теория эволюции была верна, она должна объяснять молекулярную структуру жизни. Цель моей книги – показать, что она ее не объясняет.

Глава 2
Болты и гайки

БРОЖЕНИЕ УМОВ

Линн Маргулис – заслуженный профессор биологии Массачусетского университета. Она выдвинула теорию о том, что митохондрии – источник энергии для растительных и животных клеток – когда-то были независимыми бактериальными клетками, и тем самым заслужила уважение и признание. Линн Маргулис утверждает, что в конечном итоге неодарвинизм останется в истории как «незначительная религиозная секта ХХ в., существовавшая в рамках размашистого религиозного убеждения англосаксонской биологии»[12]. На одном из своих многочисленных публичных выступлений она просит молекулярных биологов, присутствующих среди зрителей, назвать хоть один однозначный пример образования нового вида путем накопления мутаций. Эта просьба остается без ответа. Сторонники стандартной теории, говорит она, «погрязли в своей зоологической, капиталистической, конкурентной, рентабельной интерпретации Дарвина, которого неправильно поняли… Неодарвинизм, который отстаивает медленное накопление мутаций, находится в полном упадке».

Сказано, конечно, сильно. И Линн Маргулис не одинока в своем раздражении. Как бы прочно ни укоренился дарвинизм, в последние 130 лет его преследует поток несогласных как внутри научного сообщества, так и за его пределами. В 1940-х гг. генетик Рихард Гольдшмидт настолько разочаровался в дарвинистском объяснении происхождения новых видов, что предложил гипотезу «обнадеживающих уродов». Гольдшмидт полагал, что иногда масштабные изменения могут происходить просто по воле случая: скажем, однажды рептилия отложила яйцо, а из него вдруг вылупилась птица.

Гипотеза «обнадеживающих уродов» не получила широкого распространения, однако недовольство дарвиновской интерпретацией ископаемых находок получило свой выход несколько десятилетий спустя. Палеонтолог Найлз Элдридж так описывает проблему:

Неудивительно, что палеонтологи так долго держались в стороне от эволюции, ведь, по ощущениям, ее не существует. Усердный сбор образцов на горных обрывах показывает зигзаги, незначительные колебания и очень редкие, ничтожные накопления изменений – в течение миллионов лет, – слишком медленные, чтобы учесть все огромные перемены, произошедшие в эволюционной истории. Эволюционные новшества, как правило, проявляются молниеносно, и зачастую нет никаких веских доказательств того, что окаменелости не эволюционировали где-то в другом месте! Но эволюция не может вечно происходить где-то в другом месте. И все же именно этим палеонтологическая летопись поразила многих отчаявшихся палеонтологов, пытавшихся узнать что-то об эволюции[13].

Чтобы хоть как-то решить эту дилемму, Элдридж и Стивен Джей Гулд в начале 1970-х предложили теорию, которую назвали «прерывистым равновесием»[14]. У этой теории два постулата: в течение длительных периодов большинство видов не претерпевает заметных изменений, а когда изменения все же случаются, они происходят быстро и концентрируются в небольших изолированных популяциях. В таком случае было бы трудно обнаружить промежуточные формы ископаемых – и это как раз согласуется с неравномерностью палеонтологической летописи. Как и Гольдшмидт, Элдридж и Гулд верят в теорию общего предка, но считают, что быстрые и масштабные изменения объясняет не естественный отбор, а какая-то другая схема.

Гулд был в авангарде обсуждения другого захватывающего явления – «кембрийского взрыва». Скрупулезные поиски выявили незначительное количество окаменелостей многоклеточных существ в породах старше 600 млн лет. В то же время в чуть более «молодых» породах находится множество окаменевших животных с самым разным строением тела. Предполагаемый период, в течение которого произошел взрыв, пересмотрели и уменьшили с 50 до 10 млн лет – не больше чем миг по меркам геологии. Это подтолкнуло авторов заголовков искать новые гиперболы, больше всего полюбился «Большой Биологический взрыв». Гулд утверждал, что естественным отбором нельзя объяснить стремительное появление новых форм жизни, нужен иной подход.

Как ни странно, со времен Дарвина мы прошли полный круг. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию, одной из главных трудностей был предполагаемый возраст Земли. Физики XIX в. считали, что Земле всего около ста миллионов лет, а Дарвин полагал, что зарождению жизни и естественному отбору понадобилось бы гораздо больше времени. Поначалу казалось, что он прав: сейчас мы знаем, что Земля намного старше. Однако с открытием Большого Биологического взрыва временной интервал перехода жизни от простого к сложному сократился и стал гораздо меньше, чем оценки возраста Земли в XIX в.

При этом недовольны не только занятые поиском костей палеонтологи. Ряд эволюционных биологов, изучающих целые организмы, задается вопросом, как дарвинизм может объяснить их наблюдения. Английские биологи Мэй-Вань Хо и Питер Сондерс жалуются:

Неодарвинистский синтез оформился уже примерно 50 лет назад. В рамках определяемой им парадигмы было проведено множество исследований. Однако успехи теории ограничиваются незначительными эволюционными деталями, такими как адаптивное изменение окраски мотыльков, в то же время на самые интересующие нас вопросы – например, как вообще появились мотыльки – эта теория ответить не может[15].

Генетик Джон Макдональд из Университета Джорджии обращает внимание на парадокс:

Результаты исследований генетической основы адаптации последних 20 лет привели нас к великому дарвиновскому парадоксу. Те [гены], которые явно изменчивы в природных популяциях, не лежат в основе многих крупных адаптивных изменений, в то время как те [гены], которые составляют основу многих, если не большинства, крупных адаптивных изменений, очевидно, не вариативны в природных популяциях[16] [Курсив Д. Макдональда].

Австралийский эволюционный генетик Джордж Миклос размышляет о пользе дарвинизма:

Что же в таком случае предсказывает эта всеобъемлющая теория эволюции? Учитывая горстку постулатов, таких как случайные мутации и коэффициенты отбора, она предсказывает изменения в частотах [генов] с течением времени. Но разве к этому должна сводиться великая теория эволюции?[17]

Джерри Койн с факультета экологии и эволюции Чикагского университета выносит неожиданный вердикт:

Мы пришли к неожиданному выводу, что у неодарвинизма не так много доказательств: теоретические основы и экспериментальные данные в подтверждение теории слабы[18].

А генетик Джон Эндлер из Университета Калифорнии размышляет о возникновении полезных мутаций:

Мы много знаем о мутациях, и все же они остаются «черным ящиком» эволюции. Новые биохимические функции, по-видимому, редко появляются в процессе эволюции, а предпосылки к их возникновению практически неизвестны[19].

В течение многих лет математики жаловались, что цифры дарвинизма попросту не сходятся. Специалист по теоретической информатике Хьюберт Йоки утверждает, что необходимая для зарождения жизни информация не могла появиться случайно, и предлагает считать жизнь данностью, как материю или энергию[20]. В 1966 г. ведущие математики и эволюционные биологи провели симпозиум в Институте Вистара в Филадельфии, потому что организатор, Мартин Каплан, услышал «довольно странную дискуссию между четырьмя математиками… по поводу сомнений относительно дарвиновской теории эволюции с точки зрения математики»[21]. На симпозиуме одна сторона выражала недовольство, а другая – непонимание. Биологи заявили: если математик утверждает, что для того количества мутаций, которые понадобились бы для появления глаза, прошло недостаточно времени, то ему стоило бы перепроверить цифры. Однако математики сомневались, что дело в их ошибках. Один из них сказал:

В неодарвинистской теории эволюции существует значительный пробел, и мы считаем, что пробел такого рода невозможно преодолеть с помощью современной концепции биологии[22].

Стюарт Кауффман из Института Санта-Фе – один из ведущих сторонников «теории сложности». В двух словах, он утверждает, что многие особенности живых систем являются результатом не естественного отбора, а самоорганизации – тенденции сложных систем образовывать определенную систему:

…Дарвин и эволюция – насколько верен этот взгляд? Или даже – адекватен ли он? Я считаю, нет. Дело не в том, что Дарвин ошибался, а в том, что он ухватил лишь часть истины[23].

До сих пор у теории сложности было мало сторонников и много критиков. Джон Мейнард Смит, у которого Кауффман учился в аспирантуре, указывает, что в этой теории слишком много математики и мало реальной химии[24]. Претензия обоснованна, однако Смит не предлагает решения проблемы, которую обозначил Кауффман, – происхождения сложных систем.

В общем, теория Дарвина встречала сопротивление с момента публикации – и не только по теологическим причинам. В 1871 г. один из критиков Дарвина, Сент-Джордж Миварт, перечислил свои возражения, и многие из них поразительно похожи на те, что выдвигают современные критики:

Претензии к дарвинизму можно суммировать следующим образом: «естественный отбор» не справляется с объяснением зарождения и начальных стадий полезных структур. Он не объясняет сосуществования очень похожих структур различного происхождения. Есть основания полагать, что специфические различия могут развиваться внезапно, а не постепенно, что у видов есть определенные, пусть и разные, пределы изменчивости, что отсутствуют некоторые ископаемые переходные формы, хотя можно было бы рассчитывать на то, что мы их найдем, что существует множество замечательных явлений в органических формах, на которые «естественный отбор» не в состоянии пролить свет[25].

Похоже, что уже более века этот спор остается неразрешенным. Всегда находятся эрудированные и уважаемые ученые – от Миварта до Маргулис, – которых не устраивает дарвинизм. Очевидно, что либо вопросы, поставленные Мивартом, остались без ответа, либо полученные ответы удовлетворили не всех.

Прежде чем продолжить, отметим очевидное: если опросить всех ученых в мире, подавляющее большинство ответит, что не сомневается в дарвинизме. Но ученые, как и все мы, формируют свое мнение во многом на основании высказываний других людей. Дарвинизм принимается подавляющим большинством ученых, но многие из них (хотя и не все) делают это, опираясь на авторитеты. Кроме того, научное сообщество, к сожалению, слишком часто отвергает критику теории из страха усилить позиции креационистов. Парадоксально, но от яростной научной критики естественного отбора отмахиваются именно во имя защиты науки.

Настало время вынести дебаты на всеобщее обозрение, не обращая внимания на пиар. Время для дебатов настало, потому что мы наконец опустились на самое дно биологии – и решение проблемы стало возможным. На мельчайших уровнях биологии – химической жизни клетки – мы открыли сложный мир, который радикально меняет основания для полемики с Дарвином. Для примера рассмотрим, как биохимическая точка зрения влияет на спор креационистов и дарвинистов о жуке-бомбардире.

ЖУК-БОМБАРДИР

Бомбардир – насекомое с непритязательной внешностью и всего чуть больше сантиметра в длину, однако на случай угрозы со стороны других жуков у него есть особый способ защиты: из отверстия в задней части тела он выпрыскивает на врага кипящую смесь[26]. Получив заряд горячей жидкости, агрессор обычно тут же меняет свои планы на обед. Как же он проделывает этот трюк?

Как выяснилось, жук-бомбардир пользуется химией. До схватки специальные структуры, состоящие из секреторных клеток, производят очень концентрированную смесь двух химических веществ – пероксида водорода и гидрохинона (рис. 2–1). Пероксид водорода – это та самая перекись, которую можно купить в аптеке, а гидрохинон используется при проявке фотографий. Смесь наполняет резервуар, который называется собирательной полостью. Эта полость соединена со вторым резервуаром, который называется реакционной камерой. Два отсека отделены друг от друга протоком с мышечным кольцом, очень напоминающим мышцы сфинктера, которые регулируют функции кишечника у человека. К реакционной камере крепится ряд бугорков – эктодермальных желез, они выделяют в реакционную камеру ферменты-катализаторы. Когда жук чувствует опасность, он сжимает окружающие резервуар мышцы и одновременно расслабляет мышцы сфинктера. Это выталкивает раствор пероксида водорода и гидрохинона в реакционную камеру, а там он смешивается с ферментами-катализаторами.

РИСУНОК 2–1

Система защиты жука-бомбардира: B – собирательная полость, E – реакционная камера, G – эктодермальные железы, которые выделяют каталазу, L – секреторные клетки, M – мускул сфинктера, O – выводящий проток. B содержит смесь гидрохинона и пероксида водорода, которую при переходе в E взрывает каталаза

Из книги Crowson, R. A. (1981) The Biology of the Coleoptera, Academic Press, New York, chap. 15. Воспроизведено с разрешения.

С точки зрения химии это все очень интересно. Пероксид водорода быстро разлагается на обычную воду и кислород – то же самое произойдет с купленной в аптеке бутылкой перекиси, если оставить ее открытой. Кислород вступает в реакцию с гидрохиноном, в результате образуется еще больше воды, а также крайне раздражающее химическое вещество под названием хинон. В результате этих реакций выделяется большое количество тепла. Температура раствора поднимается до точки кипения, часть раствора испаряется. Пар и газообразный кислород сильно давят на стенки реакционной камеры. В этот момент сфинктерная мышца закрыта и единственным выходом наружу для кипящей смеси является канал из тела жука. Мышцы, окружающие канал, позволяют направить струю на источник опасности. В итоге паровой раствор токсичного химического вещества хинона ошпаривает агрессора.

Возможно, вы недоумеваете, почему смесь пероксида водорода и хинона не вступает во взрывную реакцию, когда они находятся в собирательной полости. Причина в том, что многие химические реакции протекают довольно медленно, если молекулы не могут легко соединиться на атомном уровне – в противном случае эта книга вспыхнула бы в воздухе при реакции с кислородом. В качестве аналогии рассмотрим запертую дверь. Людям (например, мальчикам и девочкам-подросткам), которые находятся по разные стороны двери, при всем желании не так просто оказаться вместе. Однако если у кого-то есть ключ, то можно открыть дверь и познакомиться. Ферментные катализаторы играют роль ключа, позволяя пероксиду водорода и гидрохинону соединиться на атомарном уровне, чтобы произошла реакция.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Notes

1

Cameron, A. G. W. (1988) «Origin of the Solar System», Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 26, 441–472.

Вернуться

2

Johnson, P. E. (1991) Darwin on Trial, Regnery Gateway, Washington, DC, chap. 5, Mayr, E. (1991) One Long Argument, Harvard University Press, Cambridge, MA, pp. 35–39.

Вернуться

3

Под биохимией я подразумеваю все науки, которые изучают жизнь на молекулярном уровне – даже те, которые называются иначе, например молекулярная биология, генетика или эмбриология.

Вернуться

4

Представленный здесь исторический очерк в основном опирается на: Singer, C. (1959) A History of Biology, Abelard-Schuman, London. Дополнительные источники: Taylor, G. R. (1963) The Science of Life, McGraw-Hill, New York, and Magner, L. N. (1979) A History of the Life Sciences, Marcel Dekker, New York.

Вернуться

5

Пер. С. Я. Маршака. – Прим. пер.

Вернуться

6

Описано в: Weiner, J. (1994) The Beak of the Finch, Vintage Books, New York.

Вернуться

7

Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. – СПб.: Наука, 1991.

Вернуться

8

Неплохое резюме по биохимии зрения можно найти в: Devlin, T. M. (1992) Textbook of Biochemistry, Wiley-Liss, New York, pp. 938–954.

Вернуться

9

Согласно общепринятым научным понятиям ретиналь не связан с родопсином, а является его частью. Данная формулировка была бы более корректной: «Изменение формы молекулы ретиналя приводит к изменению формы белка родопсина, в состав которого входит ретиналь». – Прим. науч. ред.

Вернуться

10

Farley, J. (1979) The Spontaneous Generation Controversy from Descartes to Oparin, Johns Hopkins University Press, Baltimore, p. 73.

Вернуться

11

Mayr, E. (1991) One Long Argument, Harvard University Press, Cambridge, chap. 9.

Вернуться

12

Mann, C. (1991) «Lynn Margulis: Science's Unruly Earth Mother», Science, 252, 378–381.

Вернуться

13

Eldredge, N. (1995) Reinventing Darwin, Wiley, New York, p. 95.

Вернуться

14

Eldredge, N., and Gould, S. J. (1973) «Punctuated Equilibria: An Alternative to Phyletic Gradualism» in Models in Paleobiology, ed. T. J. M. Schopf, Freeman, Cooper and Co., San Francisco, pp. 82–115.

Вернуться

15

Ho, M. W., and Saunders, P. T. (1979) «Beyond Neo-Darwinism – An Epigenetic Approach to Evolution,» Journal of Theoretical Biology 78, 589.

Вернуться

16

McDonald, J. F. (1983) «The Molecular Basis of Adaptation,» Annual Review of Ecology and Systematics 14, 93.

Вернуться

17

Miklos, G. L. G (1993) «Emergence of Organizational Complexities During Metazoan Evolution: Perspectives from Molecular Biology, Paleontology and Neo-Darwinism,» Memoirs of the Association of Australasian Paleontologists, 15, 28.

Вернуться

18

Orr, H. A., and Coyne, J. A. (1992) «The Genetics of Adaptation: A Reassessment,» American Naturalist, 140, 726.

Вернуться

19

Endler, J. A., and McLellan, T. (1988) «The Process of Evolution: Toward a Newer Synthesis,» Annual Review of Ecology and Systematics, 19, 397.

Вернуться

20

Yockey, H. (1992) Information Theory and Molecular Biology, Cambridge University Press, Cambridge, England, chap. 9.

Вернуться

21

Kaplan, M. (1967) «Welcome to Participants» in Mathematical Challenges to the Neo-Darwinian Interpretation of Evolution, ed. P. S. Moorhead and M. M. Kaplan, Wistar Institute Press, Philadelphia, p. vii.

Вернуться

22

Schützenberger, M. P. (1967) «Algorithms and the Neo-Darwinian Theory of Evolution» in Mathematical Challenges to the Neo-Darwinian Interpretation of Evolution, ed. P. S. Moorhead and M. M. Kaplan, Wistar Institute Press, Philadelphia, p. 75.

Вернуться

23

Kauffman, S. (1993) The Origins of Order, Oxford University Press, Oxford, England, p. xiii.

Вернуться

24

Smith, J. M. (1995) «Life at the Edge of Chaos?» New York Review, March 2, pp. 28–30.

Вернуться

25

Mivart, St. G. (1871) On the Genesis of Species, Macmillan and Co., London, p. 21.

Вернуться

26

Aneshansley, D. J., Eisner, T., Widom, J. M., and Widom, B. (1969) «Biochemistry at 100 ℃: Explosive Secretory Discharge of Bombardier Beetles,» Science, 165, 61; Crowson, R. A. (1981) The Biology of the Coleoptera, Academic Press, New York, chap. 15.

Вернуться