Хлопок одной ладонью. Часть 2. Как неживая природа породила человеческий разум. Николай Кукушкин

Хлопок одной ладонью. Часть 2. Как неживая природа породила человеческий разум.



Мы решили считать изменчивость топливом, наследственность колесами, а отбор водителем.

двигатель у эволюции один: время.

Теория Дарвина – это жизнь на Земле, осознающая саму себя.

(Рис 23).

теория Дарвина объясняет, как все виды могут происходить из одного.

Теория Дарвина как бы добавила к человеческой картине мира дополнительное измерение.

Мы обнаружили, что у природы есть четвертое измерение – временнóе.

Раньше люди были высшей формой жизни, а теперь они – одна из многих ее ветвей. Раньше мир был статичным: все многообразие существ просто существовало в той форме, которую ей когда-то дал Создатель. Теперь мир стал динамичным.

Это триумф не столько нашего вида, сколько всей жизни на Земле.

Его бы не произошло без бактерий, его бы не произошло без растений, его бы не произошло, если бы черви не умели копать или если бы рыбы жили на суше.

Наше существование – результат непрекращающейся череды событий, последовательно происходивших с каждым из наших предков за миллиарды лет, прошедшие с зарождения жизни.

Всемирная организация здравоохранения сегодня обсуждает неминуемое наступление «постантибиотиковой эры».

проведя почти столетие в отступлении, сегодня микробы наносят нам ответный удар. 

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

Сегодня мы знаем, что микробы настолько разные существа, что объединять их в одну категорию – это как объединять человека и кустик клубники в категорию «макроб».

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

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

Весь фундамент нашей многоклеточной жизни был заложен нашими одноклеточными предками и другими микроорганизмами, без которых сегодняшнего человека не представить. Одноклеточные придумали дыхание, хищничество, половое размножение.

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

Организм – это транспортное средство, на котором гены едут из точки А в точку Б.

Точка А – это родители организма, а точка Б – его дети. В этих точках гены перепрыгивают в новые транспортные средства и продолжают ехать вперед. Это движение и есть выживание гена.

Идея организма состоит в том, что есть «свои гены», а есть «чужие гены». 

Смысл клетки в том, что она замкнута в капсулу, которая умеет делиться, удваивая содержащиеся в ней гены, и никакие другие. При этом если гибнет клетка, гены гибнут коллективно. Ровно то же самое можно сказать и про наш многоклеточный организм.

(Рис 25)

Устойчивость к антибиотикам – это типичный дарвинизм. Сложно придумать более прямую демонстрацию эволюции в действии, работающую настолько безотказно и легко наблюдаемую в таких подробностях.

Допустим, человек заразился стафилококком. У него в теле миллионы клеток этой бактерии. Ему дают антибиотик, который блокирует производство, допустим, бактериальной клеточной стенки.

99,99 % клеток стафилококка от этого погибают. Но бактерий такое количество, что часть из них по чистой случайности худо-бедно выживает.

Может оказаться, например, что у 0,01 % бактерий чуть отличается структура какого-нибудь клеточного фермента, да так удачно, что такой фермент может расщеплять антибиотик.

Это меньшинство бактерий продолжит кое-как размножаться, причем среди их потомства преимущество получат те, у которых фермент еще лучше расщепляет антибиотик.

Человек чувствует себя выздоровевшим, потому что почти весь стафилококк погиб, и перестает принимать антибиотик. Но в это время выжившие стафилококки размножаются с новой силой и снова заполняют организм.

Человек начинает снова принимать антибиотик, но теперь тот работает гораздо хуже, потому что весь его стафилококк состоит из потомства самых устойчивых клеток. Он эволюционировал.

Что бы мы ни кидали в бактерий, рано или поздно они наэволюционируют себе решение проблемы, и кидание потеряет смысл.

Бактерии мыслят группами, штаммами, ветвями генетического древа. Это гены, плывущие сквозь время на сменных организмах.

(Рис 26-27)


Задача этой книги и моего рассказа – объяснить чудо человеческого существования.

Чтобы понять человека, нужно понять эукариогенез.

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

Синтез — значит «сборка», «соединение».

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

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

Но самое сложное в фотосинтезе – где взять энергию. В энергии смысл любого питательного вещества. 

(Рис 28)

Фотоны – как бы куски энергии света. Хлорофилл — ловец фотонов.

Возбужденный фотоном хлорофилл пребывает в таком радостном настроении, что с готовностью отдает электрон окружающим, вкладывая в него ту энергию, которую сообщил ему произведенный на солнце фотон.

(Рис 29).

Растения, как и первые фотосинтетические организмы древнего мира, обладают обратной способностью. Они поглощают углекислый газ, впрыскивают в него энергию и вклеивают обратно в органическую молекулу.

Это ставит фермент Рубиско в центр жизни на Земле: он превращает неживое в живое.

Можно сказать, что растения производят собственную еду, а животные эту еду добывают извне.

Для обозначения этих разных стратегий существования есть соответствующие термины: автотроф («самоед») и гетеротроф («инакоед»).

Первые фотосинтезирующие организмы были бактериями и жили около 3 млрд лет назад.

Сегодняшние их потомки называются цианобактериями (синезелеными водорослями). 

насыщение океана и атмосферы кислородом принципиально меняет правила существования жизни на планете. Одним из следствий этого изменения правил и станет возникновение нашего домена эукариот.

Тот факт, что сегодняшняя атмосфера Земли состоит из кислорода аж на 21 %, – это по космическим стандартам одно из самых неординарных свойств нашей планеты.

Кислород просто так не витает над планетами – он всегда находит какой-нибудь другой атом, к которому можно присосаться с отъемом электронов.

Чтобы в воздухе был свободный кислород, его нужно постоянно производить в мировых масштабах.

То есть с поверхности Земли в ее атмосферу непрерывно бьет фонтан кислорода. С точки зрения человека, заядлого «воздушника», это замечательный фонтан.

Но с точки зрения населения планеты 2,5 млрд лет назад, состоявшего из «безвоздушников», это был фонтан токсичных отходов с планетарной энергостанции фотосинтеза.

Большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.

Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками.

Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.

Митохондрия – это то, чем мы, собственно говоря, дышим. 

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

АТФ – это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ.

(Замок Локи)

С появлением генетического секвенирования в 1970-е гг. биологи бросились секвенировать все живое.

Современные методы позволяют взять пробу земли и вытащить из нее гигабайты генетических последовательностей, а потом сидеть и разбираться, что же вы такое отсеквенировали и кому оно могло принадлежать, – все это называется метагеномика.

В 2010 г. такую пробу вытащили из гидротермального источника под названием «ЗамОк Локи» между Гренландией и Норвегией. В ней содержались гены, рассортированные учеными по тысячам видов.

биоинформатики обнаружили то, что можно сравнить разве что с археоптериксом.

Эта ископаемая полуптица-полуящер – легендарный символ эволюции.

Археоптерикс представляет собой классическую «переходную форму» между двумя современными ветвями эволюции.

Все это царство вместе теперь официально называется Асгард – по мифическому миру, где все эти боги друг с другом тусовались. К нему относятся и все эукариоты, так что мы с вами тоже можем считать себя асгардцами.

(Рис 38)

В них нашлись зачатки генов одного из принципиальных изобретений эукариот – двигающейся мембраны.

бактерии могут друг друга вытеснять, отравлять, блокировать, но не проглатывать целиком.

Наши же клетки владеют искусством глотания в совершенстве.

Этот процесс называется фагоцитозом.

Например, на бактерию, ненароком попавшую вам в организм, нападает макрофаг, огромная человеческая клетка, которая обволакивает эту бактерию своей мембраной.

Та отпочковывается у макрофага изнутри, образуя пузырь, или везикулу, внутри которой – пойманная бактерия.

Далее везикула сливается с плавающей по макрофагу лизосомой, специальной органеллой для переваривания, и бактериальная клетка растворяется заживо. Макрофаг впитывает питательные вещества и идет искать других нарушителей.

На самом деле пожирание клеток – только одно из применений более широкого явления под общим названием мембранный или везикулярный транспорт.

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

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

Если человек перестает дышать, в течение нескольких минут нейронам его головного мозга становится остро не хватать запасов энергии. Этот мозг – энергетическая кульминация жизни на земле. 

У человека нет зависимости сильнее, чем от этого газа, в свое время едва не уничтожившего жизнь на Земле: несколько минут без кислорода – и нам вышибает пробки. Ну не ирония ли это судьбы?

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

(рис. 41-42)


Но если родители – близкие родственники, то их гены изначально похожи, поэтому с большой вероятностью мутации у них в одних и тех же местах. Вероятность, что ребенок останется без резервной версии нужного гена, резко повышается.

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

Помимо оплодотворения, для полового размножения нужен еще обратный процесс: превращение «двойной» клетки в «одинарную». Этот процесс, оплодотворение наоборот, называется мейозом, а «одинарные» клетки – гаплоидными.

(рис. 44)

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

Половое размножение означает, что организмы могут решать, с кем они хотят скомбинировать свои гены. Половое размножение дает нам выбор.

Деление на два пола – это нечто более широкое и относится не только к человеку, а ко всей природе.

(рис. 45)

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

Что может быть более широким и абстрактным, чем любые половые признаки и даже генотипы? Сперматозоид и яйцеклетка. А если быть еще точнее, то просто-напросто размер гамет. Слово «сперматозоид» обозначает особый тип маленькой гаметы, характерный для животных, – подвижной, с активно бьющимся хвостом. 

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

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

для многоклеточного смерть – это часть программы.

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

Тут есть несколько версий. Одна из версий состоит в том, что вероятность размножиться с возрастом снижается.

По другой версии в генах прописана своего рода «техподдержка» организма (включая защиту от повреждений ДНК), но эта техподдержка делит «финансирование» с отделом размножения, поэтому эволюция распределяет между ними бюджет, из-за чего рано или поздно контракт на техподдержку просто истекает, и организм умирает от накопления мутаций.

Гермоплазме нужно двигаться вперед, чтобы оставаться в живых. А шаги свои она мерит поколениями.

Многоклеточный организм – это не просто много клеток. Диплоид – это не просто два гаплоида. Клетка – это больше, чем кучка хромосом и белков. Молекулы – не просто набор атомов. В каждом из этих случаев целое больше, чем сумма компонентов.

У этого феномена много названий: синергия, холизм, системный эффект.

Будем пользоваться словом «эмерджентность».

Эмерджентность – очень простая идея: нечто больше, чем сумма его компонентов. Молекула – это не просто несколько атомов, это еще и их особая конфигурация. Предложение – это не просто набор слов, это смысл, который вырастает (англ. emerge) из их взаимоотношений.

у системы есть свойства, которых нет у ее компонентов.

в случае вечно движущейся живой природы эмерджентность – это долгосрочная стратегия выживания, способ вечно создавать новое там, где возможности кажутся исчерпанными.

Именно это искусство создания новых уровней в совершенстве постигли эукариоты, как мы увидим в следующей части книги и во втором видео.

(рис.50)