Что такое жизнь

Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.

— Феодосий Добржанский

Видеоверсия главы · YouTube

Вопрос физика#

В 1943 году в Дублине, куда он перебрался, уехав от нацистов, Эрвин Шрёдингер прочитал цикл публичных лекций и выпустил их небольшой книгой «Что такое жизнь?». Физик, один из создателей квантовой механики, задал биологии два вопроса, которых биологи сами себе тогда почти не задавали.

Первый вопрос: как живое существо сохраняет порядок во Вселенной, где всё стремится к беспорядку? Второй закон термодинамики требует, чтобы в замкнутой системе энтропия росла: горячий чай остывает, сахар растворяется, дом без хозяина ветшает. Ответ Шрёдингера: организм не замкнут. Он питается, как выразился автор, «отрицательной энтропией», то есть берёт из среды упорядоченную энергию, в пище или в солнечном свете, и выбрасывает наружу тепло и отходы, иначе говоря, беспорядок. Жизнь похожа на водоворот в реке: форма сохраняется, пока через неё течёт вода, хотя сама вода всё время новая. За несколько лет большая часть атомов вашего тела сменится, а вы останетесь собой.

Через тридцать лет эту мысль развил Илья Пригожин, получивший за неё Нобелевскую премию по химии. В книге «Конец неопределённости» он объясняет, что вдали от равновесия, когда через систему идёт мощный поток энергии, порядок может возникать сам. Подогрейте снизу тонкий слой масла, и в нём сложатся правильные шестиугольные ячейки, по которым жидкость поднимается и опускается. Пригожин назвал такие образования диссипативными структурами: они существуют за счёт того, что рассеивают энергию. Живая клетка из того же семейства, только неизмеримо сложнее.

Второй вопрос Шрёдингера: как наследственная информация передаётся из поколения в поколение почти без искажений, если молекулы подвержены тепловому дрожанию? Он предположил, что носителем наследственности должен быть «апериодический кристалл» — молекула достаточно устойчивая, чтобы хранить запись, и достаточно нерегулярная, чтобы эта запись была богатой. Обычный кристалл повторяет один узор, как обои. Апериодический похож скорее на гобелен Рафаэля. Книга увлекла молодых физиков, и среди её читателей были Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон.

Код жизни#

Само вещество наследственности нашли задолго до Шрёдингера. В 1869 году молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работая в Тюбингене, выделил из ядер клеток гноя, который он смывал с больничных бинтов, вещество, богатое фосфором, и назвал его нуклеином. Его «Труды по биохимии» показывают, как кропотливо он отделял ядра от остальной клетки. Мишер подозревал, что нуклеин важен, но какую роль он играет, стало понятно лишь через восемьдесят с лишним лет.

В 1953 году Уотсон и Крик, опираясь на рентгеновские снимки Розалинд Франклин, предложили структуру ДНК: двойную спираль, похожую на скрученную лестницу. Перекладины лестницы составлены из четырёх «букв», азотистых оснований, которые обозначают A, T, G и C. Каждая буква на одной стороне соединяется только со своей парой на другой: A с T, G с C. Отсюда сразу видно, как молекула копирует себя. Спираль расплетается, и к каждой половине пристраивается новая, дополняющая её. Авторы с деланной скромностью заметили в статье, что этот механизм копирования «не ускользнул от их внимания».

Айзек Азимов в «Генетическом коде» рассказывает, как за следующие десять лет выяснили, что эти буквы означают. Три буквы подряд, кодон, задают одну из двадцати аминокислот, из которых собираются белки. Белки делают в клетке почти всю работу: ускоряют реакции, строят каркас, переносят вещества, передают сигналы. Словарь кодонов оказался одинаковым почти для всего живого, у бактерии и у человека он один. Это одно из самых сильных свидетельств общего происхождения: независимо возникшие системы вряд ли совпали бы до буквы.

Код избыточен: многие аминокислоты кодируются несколькими разными тройками, поэтому часть случайных замен в третьей букве ничего не меняет. Природа, как инженер связи, заложила в запись запас прочности. Клод Шеннон через несколько лет после войны доказал то же самое для телеграфа и радио: надёжно передать сообщение по шумному каналу можно только с избыточностью.

Как всё началось#

Как из неживой химии получилось первое живое? Вопрос до сих пор открыт, но кое-что о нём известно. Долго считалось, что ответ лежит на поверхности: мухи заводятся в гниющем мясе, мыши в грязном белье. Азимов в книжке «Как мы узнали о начале жизни» прослеживает, как эту веру шаг за шагом разрушали опытами, пока в 1860-х Луи Пастер не поставил точку. Он кипятил бульон в колбах с длинным изогнутым горлышком: воздух проходил внутрь, а пыль с микробами оседала в изгибе, и бульон оставался чистым месяцами. Жизнь происходит только от жизни, по крайней мере сегодня.

Но когда-то она должна была возникнуть впервые. Знаменитый опыт на эту тему поставили в том же 1953 году, когда описали двойную спираль. Аспирант Чикагского университета Стэнли Миллер под руководством Гарольда Юри пропускал электрические разряды через смесь метана, аммиака, водорода и водяного пара, которую тогда считали похожей на древнюю атмосферу. Через неделю вода в колбе побурела, и в ней нашлись аминокислоты. Кирпичики жизни образуются легко.

Труднее объяснить, как появилась молекула, способная и хранить информацию, и работать. В современной клетке эти роли разделены: ДНК хранит, белки работают, и каждая нужна, чтобы сделать другую. Замкнутый круг, как курица и яйцо. Одна из ведущих гипотез предлагает выход, мир РНК. Родственница ДНК, РНК умеет и хранить запись, и ускорять некоторые реакции. Возможно, первые живые системы были построены из неё, а разделение труда пришло позже.

Станислав Дробышевский в первом томе «Палеонтологии антрополога» подробно разбирает первые шаги. Самые древние следы жизни на Земле насчитывают около 3,5 миллиарда лет, а может быть, и больше. Первые два миллиарда лет планета принадлежала бактериям, и именно они изменили её сильнее всех последующих существ. Цианобактерии научились фотосинтезу, расщеплению воды с помощью солнечного света, и выпустили в атмосферу кислород. Для большинства тогдашних организмов кислород был ядом, и эта «кислородная катастрофа» стала первым великим вымиранием. Зато на кислороде стало возможно дыхание, дающее в разы больше энергии, и без него не появились бы крупные животные.

О том, как люди догадались, что растение строит себя из воздуха и света, Азимов написал отдельную книжку, «Как мы узнали о фотосинтезе». Начинается история в XVII веке с опыта Яна ван Гельмонта: он посадил ивовый прутик в кадку с взвешенной землёй и пять лет только поливал его. Ива прибавила больше семидесяти килограммов, а земля потеряла всего несколько десятков граммов. Ван Гельмонт решил, что дерево выросло из воды, и ошибся наполовину: главная часть массы пришла из углекислого газа воздуха. Через сто с лишним лет Джозеф Пристли посадил под стеклянный колпак мышь вместе с веточкой мяты и увидел, что растение «исправляет» воздух, испорченный дыханием, и мышь остаётся живой. Так по кусочкам собрали круговорот, на котором держится вся биосфера: растения выдыхают то, чем дышат животные, и наоборот.

Клетка внутри клетки#

Следующий великий шаг был сделан, когда одна клетка проглотила другую и не переварила. Митохондрии, энергетические станции наших клеток, когда-то были свободными бактериями. У них до сих пор своя маленькая ДНК, устроенная по бактериальному образцу. Хлоропласты растений, в которых идёт фотосинтез, тоже бывшие цианобактерии. Эту идею в 1960-х упорно отстаивала американский биолог Линн Маргулис, над ней долго посмеивались, а потом генетика подтвердила её почти полностью. Сложная клетка, из которой построены грибы, растения и животные, оказалась союзом.

Способность клеток глотать друг друга первым по-настоящему оценил Илья Мечников. В 1882 году в Мессине он воткнул шип розы в прозрачную личинку морской звезды и наутро увидел, что заноза окружена подвижными клетками, пытающимися её поглотить. Так он открыл фагоцитоз, а с ним клеточный иммунитет, за что позже получил Нобелевскую премию. «Избранные биологические произведения» Мечникова читаются как дневник наблюдателя, который из одного опыта вывел целую систему защиты организма.

Эта история важна для понимания эволюции в целом. Её часто представляют как войну всех против всех, а на деле сотрудничество, симбиоз, взаимная выгода встречаются в ней на каждом шагу. Митохондрии тому пример, и бактерии в нашем кишечнике тоже: без них мы не могли бы переварить заметную часть пищи.

Дарвин и голуби#

Чарльз Дарвин не знал ни генов, ни ДНК. «Происхождение видов» 1859 года он построил на наблюдениях, накопленных за двадцать с лишним лет, начиная с кругосветного плавания на корабле «Бигль». Начинает он книгу неожиданно, не с экзотических островов, а с голубятни. Дарвин сам разводил голубей и переписывался с заводчиками. Все породы, от дутыша, раздувающего зоб, до турмана, кувыркающегося в полёте, выведены из одного дикого сизого голубя. И различаются они так сильно, что натуралист, встретив их в природе, без колебаний описал бы как разные виды, а то и разные роды.

Через девять лет Дарвин выпустил двухтомник «Изменение животных и растений в домашнем состоянии», где собрал всё, что знал о породах кур, кроликов, свиней и сортах растений. Там же он предложил свою гипотезу наследственности, пангенез, с частицами, которые будто бы собираются в половые клетки со всего тела. Гипотеза оказалась неверной, и сам этот промах хорошо показывает, какой детали не хватало его теории. Первую серьёзную проверку теория прошла быстро. Немецкий натуралист Фриц Мюллер, живший в Бразилии, изучил личинок ракообразных и в 1864 году выпустил книжку с вызывающим названием «За Дарвина»: у совершенно непохожих взрослых раков личинки оказались почти одинаковыми, как и положено потомкам общего предка. Дарвин был так доволен, что помог издать её по-английски.

Дальше в «Происхождении видов» Дарвин делает шаг, на котором держится вся биология. Природа отбирает так же, только без заводчика. Потомков рождается больше, чем может выжить. Они чуть различаются. Те, чьи отличия лучше подходят к условиям, оставляют больше потомства, и их черты накапливаются. Через тысячи поколений из одного вида получаются разные. Дарвин понимал, как неудобен его вывод, и почти двадцать лет не решался опубликовать теорию, пока Альфред Уоллес не прислал ему рукопись с той же идеей. Полувеком раньше Жан-Батист Ламарк уже писал об изменении видов, но считал, что приобретённое за жизнь передаётся потомкам: жираф тянется к листьям, и шея удлиняется у детей. В «Избранных произведениях» Ламарка видно, как близко он подошёл к идее эволюции и где ошибся в её механизме.

Карл Саган в «Космосе» приводит пример отбора, который люди провели, сами того не заметив. У японских берегов водятся крабы хейкэ, на панцире которых рисунок напоминает сердитое лицо самурая. По легенде, это души воинов клана Тайра, погибших в морской битве 1185 года. Рыбаки веками отпускали крабов, похожих на лицо, обратно в море, а прочих съедали. Саган предполагает, что так и вышла порода с самурайскими лицами: отбор, где роль заводчика сыграло суеверие.

Горох и гены#

Недостающую деталь в теории Дарвина нашёл монах Грегор Мендель, скрещивавший горох в монастырском саду в Брюнне. Его статья «Опыты над растительными гибридами» 1866 года построена как отчёт экспериментатора: семь пар признаков, гладкие и морщинистые семена, жёлтые и зелёные, тысячи подсчитанных горошин. Мендель показал, что признаки наследуются не смешиванием, как краски, а дискретными единицами, и во втором поколении появляются в отношении примерно три к одному. Работу при жизни не заметили, а в 1900 году её переоткрыли сразу трое ботаников. Слово «ген» придумал датчанин Вильгельм Иогансен в 1909 году. Ещё раньше, в книге «О наследовании в популяциях и чистых линиях», он показал на фасоли, что отбор внутри чистой линии ничего не даёт: крупные и мелкие бобы одного растения дают одинаковое потомство, потому что разница между ними создана условиями, а не наследственностью. Отсюда выросли понятия генотипа и фенотипа, то есть записи и того, что из неё получилось. Соединение Дарвина с Менделем стало основой современной биологии.

Российская наука дала этой истории и великие, и трагические страницы. Николай Вавилов, как видно из его «Избранных произведений», объездил пять континентов, собирая семена культурных растений, и открыл центры их происхождения: пшеница пришла из Передней Азии, картофель из Анд, кукуруза из Мексики. Собранная им коллекция семян стала одной из крупнейших в мире, и сотрудники института сохранили её в блокадном Ленинграде, умирая от голода рядом с мешками зерна. Сам Вавилов, противник лысенковской лженауки, умер в саратовской тюрьме в 1943 году. Его судьба показывает, что бывает, когда государство решает, какой должна быть истина в биологии.

Эгоистичный ген#

В 1976 году Ричард Докинз предложил взглянуть на эволюцию с необычной точки зрения. В «Эгоистичном гене» он смотрит на неё глазами гена. Организм, по Докинзу, — «машина выживания», временный транспорт, который гены строят, чтобы переправить свои копии в следующее поколение. Гены, чьи машины лучше выживают и размножаются, становятся чаще.

«Эгоистичный» здесь метафора, а не моральная оценка. Гены ничего не хотят, они копируются с разным успехом. И главный парадокс книги в том, что эгоистичные гены могут строить альтруистичных существ. Птица, предупреждающая стаю криком об опасности, рискует собой, но её родственники несут копии тех же генов. Биолог Уильям Гамильтон рассчитал, при каких условиях помощь родственникам выгодна гену, и Докинз популярно изложил его расчёт: родной брат несёт половину ваших генов, двоюродный восьмую.

Труднее объяснить помощь чужим. Ответ дал Роберт Трайверс, назвавший его взаимным альтруизмом: я помогаю тебе сегодня, ты мне завтра. Опасность очевидна, ведь выгоднее взять и не вернуть. В 1980 году политолог Роберт Аксельрод устроил турнир компьютерных программ, игравших друг с другом в повторяющуюся «дилемму заключённого», где каждый раунд можно сотрудничать или обмануть. Победила самая короткая программа, «око за око» Анатоля Рапопорта: в первом ходе сотрудничай, дальше повторяй последний ход соперника. Она никогда не обманывала первой, сразу наказывала за обман и сразу прощала. Во втором издании «Эгоистичного гена» Докинз добавил об этом главу с говорящим названием «Хорошие парни финишируют первыми». Природный пример — летучие мыши-вампиры: сытая отрыгивает кровь голодной соседке, а делятся они охотнее с теми, кто прежде делился с ними. Взаимность работает, когда встречи повторяются и партнёры помнят друг друга.

В той же книге Докинз ввёл слово, которое потом стало частью повседневного языка: мем. Мемом он назвал единицу культурной передачи, будь то мелодия, идея, фраза или способ делать горшки. Мемы копируются от головы к голове, мутируют и конкурируют за внимание, как гены за место в потомстве.

Жизнь как процесс#

Где проходит граница живого? Учебники перечисляют признаки: обмен веществ, рост, размножение, раздражимость. Но огонь тоже «питается», растёт и размножается искрами, а мул живой и при этом бесплоден. Вирусы и вовсе стоят на пороге: вне клетки это сложная, но инертная частица, а внутри клетки они захватывают её машинерию и множатся. В NASA в 1990-х приняли рабочее определение, удобное для поиска жизни на других планетах: самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции. Главное в нём последние слова. Живое — то, что поддерживает себя потоком энергии, копирует свою запись и меняется, потому что копирование не бывает идеальным, а среда отбирает удачные ошибки.

По отдельности каждое из этих свойств встречается и в неживой природе: водоворот держит форму, кристалл растёт по образцу. Вместе они дают нечто новое. Дэн Браун в «Происхождении» сделал вопрос «откуда мы пришли» завязкой триллера: футуролог обещает публично на него ответить, и вокруг этого обещания закручивается погоня по Испании. В жизни сюжет медленнее и интереснее. За четыре миллиарда лет водоворот химии, однажды научившийся себя копировать, превратил голый камень в планету с лесами, кораллами и городами. И Добржанский, выходец из Российской империи и один из создателей современной эволюционной биологии, сформулировал правило для всякого, кто захочет понять любую из её частей: ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.