Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым Фальковски Пол

Глава 9. Хрупкие виды

Когда я был маленьким, мой отец летом часто водил меня гулять в Риверсайд-парк, который находился в пятнадцати минутах ходьбы от нашего дома в муниципальном микрорайоне Гарлема. Более чем за пятьдесят лет до рождения моего отца, в 1901 году, Риверсайд-парк представлял собой большое кладбище. Оно было официально открыто в 1842 году распоряжением муниципалитета города Нью-Йорка в связи с увеличением смертности, связанным с эпидемиями холеры, оспы и брюшного тифа, что привело к переполнению кладбищ ближе к центру города. И хотя распоряжение позднее позволило городу использовать Риверсайд-парк как место массового захоронения солдат, погибших в гражданской войне, имелся прецедент погребения усопших в этой земле более чем за сто лет до названного времени.

В незаметном тихом уголке, как раз напротив мавзолея генерала Гранта, стоит небольшой памятник, посвященный «возлюбленному чаду», умершему в 1797 году в возрасте пяти лет. Место погребения отмечено обнесенным оградой гранитным монументом в память Сент-Клэра Поллока. Могила находится на выступе берега, откуда открывается вид на Гудзон и береговые утесы Палисадов Нью-Джерси. В 1797 году это место, несомненно, было великолепным для упокоения – панорама, должно быть, была одной из прекраснейших во всем мире.

Я был очень болезненным ребенком и однажды провел шесть месяцев в больнице. Я выжил и с тех пор почти не болел, но потом часто вспоминал могилу «возлюбленного чада» и размышлял о том, почему раньше дети так часто умирали в столь нежном возрасте. Также я часто думал о том, как мне повезло, что я не умер в той больнице.

Мы, люди, уже долгое время сосуществуем с микроорганизмами. И хотя в какой-то степени история нашего сосуществования может показаться достаточно мирной, за мирными аспектами всегда стояла непрерывная, глубинная война между нами и микробиологическими захватчиками, эволюционно запрограммированными на наше уничтожение. Однако мы и сами обладаем парой приобретенных в процессе эволюции навыков, дающих нам некоторые преимущества в этой войне. На протяжении человеческой истории сама эта война оказала большое влияние на эволюционный путь как людей, так и микроорганизмов. Давайте рассмотрим один из таких навыков, дающих нам преимущество в противоборстве с микробами.

Развитие у нас сложной речевой системы и абстрактного мышления – один из интереснейших и важнейших навыков, отличающих нас от всех остальных животных, но лишь частично осознаваемый на механистическом уровне. Ключевым эволюционным изменением, по всей видимости, послужили две мутации на пути от нашего последнего прародителя-примата к человеку, – мутации, которые привели к изменениям в двух аминокислотах, кодирующихся геном FOXP2 на 7-й хромосоме нашего генома. Белок, кодирующийся геном FOXP2, представляет собой фактор транскрипции, контролирующий экспрессию множества генов во время развития зародыша. У людей этот ген критичен для развития нескольких областей мозга, включая центр Брока, отвечающий за речь. Мутации в ключевых зонах гена FOXP2 могут вести к потере способности говорить, членораздельно произносить слова или понимать речь. Этот так называемый языковой ген, возникший в результате небольших и незначительных с виду мутаций на пути от приматов к человеку, сыграл преобразующую роль в нашей эволюции.

Несомненно, существуют и другие гены, участвующие в способности людей говорить и сообщать друг другу сложные, абстрактные идеи, но каковы бы они ни были, именно они ответственны за эволюцию другого типа – ту, которую антропологи называют культурной эволюцией; сам я предпочитаю называть этот феномен горизонтальным переносом информации. Способность беглой передачи таких идей является исключительной и исключительно важной. Люди – единственные животные, способные передавать сложную информацию от поколения к поколению практически мгновенно. Следовательно, приобретенное знание может сохраняться без какого-либо генетического отбора. Горизонтальный перенос информации потенциально позволил людям избежать ограничения «Черной королевы». Например, если благодаря горизонтальному переносу информации мы можем контролировать наше взаимодействие с микроорганизмами, способными нас уничтожить, или выработать относительно них какую-либо жизненную стратегию, можем ли мы нанести упреждающий удар и уничтожить их первыми? И если да, то изменим ли мы таким образом эволюционный путь этих микроорганизмов?

Можно выдвинуть резонное возражение, что люди и микроорганизмы совместно стремительно эволюционировали последние 20 тысяч лет, а возможно, это началось даже раньше. Несомненно, и для нас, и для них это было выгодно. Например, согласно археологическим данным, племена первых охотников-собирателей обладали умением сбраживать зерно, получая из него те или иные алкогольные напитки, возможно пиво. Встречающиеся в естественной среде микроорганизмы – дрожжи – способны превращать содержащиеся в зерне сахара в алкоголь. К 3500 году до н. э. пиво уже было популярным напитком в Самарии и других областях колыбели цивилизации. Вино также предположительно появилось еще до начала письменной истории. Археологические данные свидетельствуют о том, что его делали в Китае еще примерно в 7000 году до н. э., а к 3200 году до н. э. вино производилось на всем Ближнем Востоке. Умение сбраживать зерно и фрукты для производства алкоголя в конечном счете распространилось по всей Азии и Европе. Это было началом микробиологического бума в человеческой культуре.

Процессы брожения под влиянием микроорганизмов стали использоваться независимо во многих культурах и применительно ко многим видам пищи – для производства сыров, для изготовления продуктов из соевых бобов (например, пасты мисо и соевого соуса), для приготовления множества других продуктов из бобов, зерновых, фруктов и овощей, рыбы и даже мяса.

Процесс брожения может быть примером нашего «мирного» сосуществования с микроорганизмами, и с человеческой точки зрения оно служит, как минимум, трем целям. Оно обеспечивает сохранность продуктов гораздо более длительное время. Это было особенно важно во времена, когда поставка продуктов была сезонной, а другие средства их сохранения не были доступны. Кроме того, брожение зачастую повышает питательную ценность продуктов. Благодаря осуществляемому людьми отбору, из соображений вкуса или по другим параметрам, определенные микроорганизмы культивировались в используемых людьми продуктах задолго до того, как было обнаружено, что именно эти организмы отвечают за процесс брожения. Также брожение помогает людям усваивать пищу. Микроорганизмы разрушают трудноусваиваемые компоненты, делая продукты более доступными для человеческого пищеварения. Какао-бобы и кофейные зерна могут послужить примером пищевых продуктов, в которых мякоть, окружающая зерна, должна подвергнуться естественному разложению микроорганизмами, прежде чем продукт будет употреблен в пищу и пройдет дальнейшую переработку у нас в кишечнике.

Микроорганизмы возглавляют класс существ, способных на такие трюки, которые человек готов подвергнуть отбору. Очень небольшое их подмножество стало для человека, по сути, невидимыми «домашними питомцами», каждый из которых выполняет собственный уникальный фокус – например, преобразуя один определенный сахар в определенную кислоту при производстве конкретного вида сыра, пива, хлеба и так далее. Однако порой эти «хорошие» микроорганизмы уступают в борьбе другим микроорганизмам, и продукты оказываются отравленными – при их употреблении мы заболеваем и даже можем умереть.

В прошлые столетия преждевременная смерть от бактериальных инфекций была чрезвычайно распространенной – заранее предполагалось, что более половины рождающихся в любом семействе детей не доживет до возраста половой зрелости. Так, в Византийской империи в VI веке, при императоре Юстиниане I, вспышка бубонной чумы, вызываемой бактерией Yersenia pestis и переносимой блохами, унесла жизни приблизительно 50 млн людей. В XIV веке другая эпидемия чумы привела к гибели почти половины всего населения Европы. В Англии, Италии, Испании вспышки этого заболевания продолжались вплоть до середины XVII столетия.

В XIX веке на всей территории Азии были чрезвычайно распространены унесшие жизни десятков миллионов людей эпидемии холеры, возбудителем которой является бактерия Vibrio cholera. Это заболевание, разносимое с фекальным загрязнением питьевой воды, наводнило Европу, погубив много миллионов жизней в Венгрии, России, Британии и Франции и дойдя с иммигрантами даже до Америки. Холера погубила Джеймса Полка в июне 1849 года, три месяца спустя после того, как он оставил должность президента Соединенных Штатов. Множество людей погибли в XIX столетии от тифа, оспы, туберкулеза, пневмонии и гриппа (который называли тогда инфлуэнцей). Не вызывает сомнений, что микроорганизмы могут представлять огромную угрозу для здоровья человека.

Микроорганизмы попадают в наш организм через рот с пищей и водой, через легкие с воздухом, которым мы дышим, через половые контакты, укусы насекомых и даже через мелкие порезы. Они вызывают катастрофические разрушения в нашей дыхательной, кровеносной и пищеварительной системах и служат причиной серьезных заболеваний, с легкостью распространяющихся в широких слоях населения.

Микроорганизмы могут синтезировать чрезвычайно мощные нейротоксины, энтеротоксины и триллионы других соединений, поражающих определенные функции организма. Порой мы оказываемся в состоянии контролировать токсичное воздействие – например, когда мы используем ботулотоксин, поражающий нейроны и мышцы, в качестве терапевтического и косметического средства, ослабляя мышечные спазмы и убирая морщины. Тем не менее гораздо чаще действие этих чрезвычайно мощных токсинов трудно контролировать после того, как микроорганизмы оказались в теле человека.

Коротко говоря, вплоть до XX столетия микроорганизмы в целом держали под контролем численность человеческой популяции посредством уничтожения множества людей. Однако в настоящее время, хотя бактериальные заболевания все еще поражают многих из нас, в особенности в неразвитых и развивающихся странах, два крупных открытия в корне изменили наши отношения с микроорганизмами.

Первым было осознание того факта, что заболевания можно избежать, уменьшив контакт человека с определенным видом микроорганизмов. В этом отношении одной из важнейших перемен стал способ доставки воды в жилища человека и ее удаления оттуда. За последние столетия угроза переносимых с водой заболеваний была значительно снижена благодаря как предварительной обработке питьевой воды, так и уменьшению контакта людей со сточными водами. Кипячение воды с добавлением трав или других вкусовых добавок стало общепринятым во всей Азии, равно как и добавление алкогольных субстанций, полученных путем сбраживания зерна и фруктов. Эти два процесса в разных ипостасях применялись на протяжении веков с целью сделать воду более безопасной для питья. Системы отвода сточных вод стали использоваться значительно позже и еще больше снизили риск контакта с болезнетворными микроорганизмами. Некая база знаний о доставке воды и удалении бытовых отходов, быстро распространившаяся в XIX столетии во многих странах, является признаком развитой культуры.

Вторым открытием было обнаружение естественных метаболитов, убивающих микроорганизмы. Термин антибиотик был введен в употребление Зельманом Ваксманом, ученым, открывшим стрептомицин – молекулу, производимую микроорганизмом, который был изолирован из небольшого образца почвы, взятого прямо напротив моей лаборатории. Это открытие позволило излечиться бесчисленным миллионам больных людей. Практически невозможно найти в развитой стране взрослого, который бы за свою жизнь ни разу не принимал курса антибиотиков.

В середине XX века также было обнаружено, что если давать антибиотики животным, это ведет к увеличению производства мяса и молока. Приблизительно 80 % всех антибиотиков, потребляемых в США, используются для нужд животноводства, а не здравоохранения. В настоящее время применяется так много антибиотиков, в особенности в животноводстве, что многие микроорганизмы приобрели иммунитет к наиболее распространенным из них – и снова противодействуют нам, пытаясь нас уничтожить. Они смогли приобрести иммунитет благодаря мутациям. Из-за того что микроорганизмы воспроизводятся очень быстро – в масштабах нескольких часов или даже быстрее, естественные мутации накапливаются стремительно; а затем эти мутации подвергаются отбору благодаря нашему применению антибиотиков. Микроорганизмы, которые смогли уцелеть, продолжают жить и, будучи отобранными, быстро распространяют свои гены в триллионах микробиологических сообществ благодаря горизонтальному переносу. Эти болезнетворные микроорганизмы предприняли против нас контрнаступление. По сути, микроорганизмы отвечают ударом на удар; мы оказались в эволюционном цикле «Черной королевы», где эскалация защиты с нашей стороны привела к эскалации нападения со стороны микроорганизмов.

Независимо от того, кто в конечном счете окажется победителем в цикле «Черной королевы», человеческое знание, приобретенное и распространенное по земному шару посредством горизонтального переноса информации, несомненно, оказалось в высшей степени эффективным, позволив людям временно получить контроль над планетой. Наша непрекращающаяся война с микроорганизмами привела людей к великим победам. Хотя микроорганизмы и становятся все более устойчивыми к антибиотикам, ограничения, налагаемые ими на человеческую жизнь, хотя и не вовсе несущественны, все же гораздо менее значимы, нежели всего лишь столетие назад. Эволюция языка и быстрая передача информации помогли снизить микробиологический контроль за ростом численности населения. Кажется, что мы сумели временно избежать ограничения «Черной королевы» и при этом вошли в фазу экспоненциального роста человеческой популяции.

В студенческие годы я работал в микробиологической лаборатории при Городском колледже Нью-Йорка, выращивая штаммы водорослей для экспериментов. В лаборатории рост единичного микроорганизма в культуре – бульоне с питательными веществами – происходит по простой схеме. На протяжении некоторого периода после инокуляции (посева культуры) клетки растут медленно – это называется латентной фазой. Однако через какое-то время клетки постепенно привыкают к своей новой среде обитания и начинают расти быстрее. На протяжении этой фазы траектория роста популяции представляет собой экспоненту: две клетки превращаются в четыре, четыре – в восемь и так далее. В конце концов какого-либо из питательных веществ в среде начинает не хватать, и клетки принимаются соревноваться друг с другом за этот ограничивающий ресурс. Когда это происходит, темп роста снова замедляется, и кривая роста популяции выходит на плато.

Существует также и четвертая стадия, которую редко упоминают в статьях. Когда график роста клеток достигает плато и питательные вещества оказываются на какое-то время ограничены, клетки порой сталкиваются с трудностями при производстве основных наномеханизмов, необходимых для выживания, и многие из них «совершают самоубийство». Этот феномен я случайно обнаружил много лет назад, будучи студентом, но не вспоминал о нем на протяжении многих лет, он носит название самопроизвольной гибели клеток.

В реальном мире эта траектория выглядит гораздо более сложной – микроорганизмам неизбежно приходится соревноваться со множеством других микроорганизмов за ресурсы, кроме того, всегда присутствуют хищники и вирусы, контролирующие каждую конкретную популяцию микроорганизмов. В действительности отдельные виды очень редко выходят за пределы фазы экспоненциального роста, чтобы занять доминирующую позицию в океане или ландшафте – разве что они являются привнесенными видами, для которых не существует хищников, или же имеют какие-либо другие уникальные свойства, позволяющие им победить в соревновании с туземными организмами.

Рис. 33. Типичная кривая роста микроорганизмов. После инокуляции клетки переживают латентную фазу, прежде чем начинается экспоненциальный рост. В какой-то момент какое-либо из питательных веществ или других ресурсов (например, свет в случае водорослей) становится ограничивающим фактором, темпы роста снижаются и в конце концов рост прекращается. Это стационарная фаза. В дальнейшем, будучи оставлены на долгий период без пополнения запаса питательных веществ или внесения свежих клеток, клетки начнут гибнуть

Основная концепция о контролирующих и уравновешивающих факторах роста микроорганизмов применима к любому другому организму, включая и нас с вами. Согласно вычислениям ученых, в 1 году н. э. по григорианскому календарю на земном шаре проживало от 250 до 300 млн человек. В 1809 году, когда родился Дарвин, население Земли составляло около 1 млрд. К концу XIX столетия людей было около 1,6 млрд, и общая средняя продолжительность жизни составляла всего лишь около 30 лет. К концу XX столетия численность людей на планете составляла более 6 млрд, а общая продолжительность жизни увеличилась более чем вдвое – до 65 лет. По оценкам, к 2050 году нашу планету будут населять более 9,5 млрд человек, каждому из которых потребуются пища, вода, энергия и одежда. Демографы надеются, что в это время численность человеческой популяции выйдет на плато, но особой уверенности в этом нет.

Рис. 34. Кривая роста человеческой популяции начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции и открытия необходимости отделять сточные воды от питьевых человеческая популяция была относительно постоянной, что идентично латентной фазе в микробиотической культуре (см. рис. 33). С середины XIX столетия, однако, человеческая популяция начинает расти по экспоненте. По оценкам демографов, к середине XXI столетия она выйдет на плато при численности приблизительно от 9,5 до 10 млрд человек. Ср. с рис. 33

С учетом такого грандиозного прироста населения возникает вопрос: как мы сможем обеспечить себя всем необходимым? Что-то, несомненно, должно ограничить рост нашей популяции. Будет ли это пища? Вода? Энергия? Жизненное пространство? Достигнет ли рост сопротивляемости микроорганизмов нашим самым современным антибиотикам такой точки, где они снова станут способны убивать нас en masse? Или же мы внесем в микробиотический химизм нашей планеты такие необратимые изменения, в результате которых она станет менее гостеприимной для людей?

Давайте рассмотрим небольшое происшествие, которое привело к значительному изменению нашей планеты, вызванному нами.

В 1859 году – в тот год, когда Биг-Бен прозвонил в первый раз, а лондонское издательство «Джон Мюррей и сыновья» отправило в печать первое издание «Происхождения видов», – по другую сторону Атлантики американский железнодорожный служащий Эдвин Дрейк пробурил первую большую нефтяную скважину возле Титусвилля, штат Пенсильвания. Это событие впоследствии отметит начало современного бума нефтеразведки и в конечном счете нефтедобычи. В то время рынок нефти (английское слово petroleum буквально означает «каменное масло») был весьма невелик. Она применялась главным образом для производства лампового масла – керосина.

Керосиновая лампа была разработана в США Робертом Дитцем, мелким изобретателем из Бруклина, у которого была собственная фабрика по производству масляных ламп. Дитц придумал такую лампу, которая горела ярко и почти не давала дыма. Его лампы оказали на жизнь людей того времени не меньшее влияние, чем изобретенные через сорок лет лампы накаливания; однако непосредственно после их введения в производство Дитцу потребовался источник дешевого топлива. В те времена ламповое масло делалось главным образом из ворвани, особенно той, что добывалась из кашалотов. Титусвилль с успехом предоставил новый источник сырья, из которого можно было делать керосин. В совокупности с выходом на рынок керосиновых ламп Дитца это привело к мгновенному распространению таких ламп по всей стране. Возникновение новой для того времени технологии привело к снижению спроса на китовую ворвань, непреднамеренным результатом чего был полный упадок китобойного промысла во второй половине XIX века. Однако хотя можно считать, что применение керосина в качестве источника освещения спасло китов от полного истребления охотниками, у этого события были и другие, непредвиденные последствия.

К первым десятилетиям XX века нефтяная промышленность стала двигателем экономического роста для стран, в которых стремительно происходила индустриализация. Одним из побочных продуктов дистилляции керосина была высоколетучая жидкость – бензин. В то время на него не было спроса, поэтому его сжигали как отход производства. Однако в конце XIX столетия несколько конструкторов параллельно изобрели, в той или иной форме, двигатель внутреннего сгорания. В 1876 году, после более десяти лет экспериментов, немецкий инженер Николаус Отто с помощью многочисленных коллег успешно разработал двигатель внутреннего сгорания, способный работать на продуктах перегонки нефти. Бензин был настолько дешев, что очень скоро стал наиболее доступным для использования топливом. Бензиновые двигатели оказались гораздо более эффективными, нежели работавшие на угле паровые или газогенераторные, и были быстро приняты к использованию для транспортных целей. Появление новых двигателей привело к огромному спросу на отходы керосиновой промышленности, и для удовлетворения этого спроса нефтяные компании принялись вкладывать крупные суммы в инфраструктуры по очистке нефти и транспортного топлива.

Непреднамеренным и совершенно непредвиденным последствием стремительного сжигания нефти и других ископаемых видов топлива, однако, стало увеличение содержания парниковых газов, в первую очередь углекислого газа. С каждым галлоном сжигаемого бензина из выхлопной трубы автомобиля извергается около 20 фунтов углекислого газа. По дорогам всего мира ездит более миллиарда автомобилей; но это только часть проблемы. На земном шаре существуют обширные запасы угля и природного газа. Все это ископаемое сырье было произведено миллионы лет тому назад и представляет собой резервуар находящихся на хранении энергетических связей. В частности, для нефти эти запасенные энергетические связи являются производными ископаемых водорослей. Мы разработали очень эффективные способы извлечения этих видов топлива. За один год мы можем освоить запас нефти, накопленный за миллион лет; другими словами, водоросли и высшие растения фотосинтезировали на протяжении миллиона лет, чтобы создать количество топлива, которое мы сжигаем за один год.

С начала промышленной революции в середине XIX века концентрация углекислого газа в атмосфере возрастала в геометрической прогрессии – от 280 частей на миллион в 1800 году до более 400 частей на миллион в 2014 году, и в обозримом будущем никакого плато не предвидится. Продолжающееся использование ископаемых видов топлива значительно увеличивает потенциальную вероятность долгосрочного изменения глобального климата, включая потепление и закисление верхних слоев океана, таяние ледников, подъем уровня океана и увеличение частоты и силы штормов. Мы начали вырабатывать собственные отходы, оказывающие губительное влияние на планету, но не знаем легкого способа разрешить эту проблему. Удастся ли нам разработать возобновляемый углеродно-нейтральный вид топлива, который будет экологически устойчив, экономически жизнеспособен и сможет непосредственно заменить нефтепродукты, используя существующую инфраструктуру? Как мы вскоре увидим, большие надежды в деле нашего спасения возлагаются на помощь микроорганизмов. Однако непредвиденные последствия использования ископаемых видов топлива на этом не заканчиваются.

Рис. 35. Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции концентрация CO2 была относительно постоянной и составляла приблизительно 280 частей на миллион по объему (то есть 0,028 %, в то время как содержание кислорода – 210 тысяч частей на миллион, или 21 %). С началом промышленной революции содержание углекислого газа в атмосфере стало возрастать почти экспоненциально и к 2014 году достигло 400 частей на миллион. В отличие от азота и кислорода углекислый газ относится к парниковым газам, то есть удерживает тепловое излучение. Даже такая относительно небольшая концентрация этого газа в земной атмосфере имеет решающее значение в контролировании климата. Кривая изменения содержания углекислого газа поразительно напоминает график роста населения Земли (см. рис. 34)

Разработка ископаемых видов топлива привела к коренному изменению применяемых нами способов выращивать, убирать, перерабатывать и транспортировать наши продукты питания. На полях, которые прежде распахивались при помощи быков или лошадей, сейчас используются машины с двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтепродуктах. Уборка пшеницы, кукурузы и других зерновых, прежде требовавшая непосильного труда людей, теперь может производиться при помощи механизмов. Зерно может перевозиться на сотни и даже тысячи миль к крупным населенным пунктам, где расположены другие двигатели внутреннего сгорания, обслуживающие центры переработки продуктов. Стоимость продуктов питания снизилась, равно как и число людей, необходимых для их производства. Одновременно стремительно возросла потребность людей в других секторах новой экономики, сначала на большей части территории Европы и Соединенных Штатов, а затем и в других странах. Новые населенные пункты вырастают, становясь крупными городами. Крупные капиталовложения в инфраструктуру, в особенности в системы доставки чистой питьевой воды и удаления сточных вод, повысили продолжительность жизни, а следовательно, теперь появилось гораздо больше ртов, которые нужно кормить.

В конце XIX столетия серьезную озабоченность вызывал тот факт, что в мире могут закончиться удобрения, абсолютно необходимые для производства продуктов питания для индустриализированного мира. Первоначальной формой удобрений, применявшихся во второй половине XIX века, было гуано – высушенный птичий помет. За тысячи лет этот материал скопился во многих местах на побережьях всего мира, и экспорт гуано из Чили, Флориды и нескольких других прибрежных регионов превратился в крупную отрасль промышленности. Однако с ростом численности населения гуано стало потребляться быстрее, чем его могли производить птицы. Стоимость гуано начала возрастать, и пришло понимание необходимости заменителя. Однако чем его можно было заменить?

Одним из наиболее важных растительных питательных веществ, содержащихся в гуано, является аммоний и другие так называемые продукты связывания азота. Изначально азот «связывался» в сложные соединения микроорганизмами в океанах, после чего последовательно переходил к водорослям, затем к мелким животным и в конечном счете к рыбе, которой питаются птицы. В конце XIX века люди не очень хорошо представляли себе, что такое связывание азота. Лишь в 1901 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк показал, что бактерии, ассоциированные с корнями бобовых, способны превращать содержащийся в воздухе газообразный азот в форму, которую растение может использовать для роста. Хотя севооборот и помогал возвращать азот в почву (эта методика используется и до сих пор), стало понятно, что без добавления связанного азота извне мы не сможем выращивать достаточно пищи, чтобы прокормить себя.

В 1898 году недавно избранный председатель Лондонского королевского общества – той самой почтенной организации, которая за 274 года до этого издала «Микрографию» Роберта Гука, – опубликовал объявление: «Необходимо найти заменитель аммонию… [ради спасения] Англии и всех цивилизованных стран». Председатель, сэр Уильям Крукс – известный ученый Викторианской эпохи, первооткрыватель химического элемента таллия, интересовавшийся также спиритизмом, – был обеспокоен тем, что, если люди не смогут отыскать способ связывать азот для нужд сельского хозяйства, цивилизованный мир начнет голодать уже в 1930-х годах. Под «цивилизованным миром» сэр Крукс понимал народы, употребляющие в пищу пшеницу, а не «низшие» зерновые – рис и т. п. Оставалось невыясненным, как именно растения связывают азот, но было очевидно, что запасов гуано не хватит навечно. Вызов сэра Крукса был принят учеными-химиками.

В Германии сварливый немецкий еврей Фриц Хабер проделал кропотливую работу, чтобы отыскать химический катализатор, который позволил бы, взяв относительно инертный газ – азот, составляющий 78 % земной атмосферы, – и соединив его с водородом в условиях высоких температуры и давления, получить аммиак, который, будучи растворен в воде, становится ионом аммония. Через несколько лет работы Хабер мог синтезировать около стакана аммония в час при помощи механизма размером с большую коробку. Разумеется, это кажется не таким уж большим достижением, однако реакция работала. Катализатор производился на основе железа; его синтез был относительно несложен, однако чтобы выпустить реакцию на рынок, требовались крупные капиталовложения. Хабер не интересовался продажей чего-либо, будь то аммиак или что-то другое, – он был ученым.

Для Карла Боша, химика-инженера, работавшего в немецкой промышленной химической компании BASF, открытие Хабера явилось мощным стимулом. Он убедил директоров компании заложить опытный завод по производству аммония, который потребовал много энергии, но тем не менее работал. Требовавшийся для реакции водород добывался из угля, который также использовался для нагрева обоих газов в реакционном сосуде для производства аммония. Угля в Германии было много, и BASF предстояло немало обогатиться благодаря владению секретным способом производства удобрений. Реакция Хабера – Боша и по сей день остается – с незначительными поправками – основой мировых ресурсов связанного азота для производства удобрений. Без этого процесса мы почти наверняка не смогли бы прокормить 7,5 млрд людей или даже надеяться прокормить еще на два миллиарда больше в середине XXI столетия.

По существу, человечество изобрело крупные механизмы для связывания азота, обойдя необходимость заботиться о наномеханизмах, разработанных природой в микроорганизмах для абсолютно того же процесса на миллиарды лет раньше. Наши рукотворные машины – самолеты, поезда и автомобили, фабрики по связыванию азота, системы отвода сточных вод, сталелитейные заводы и прочие энерго– и материалоемкие процессы являются относительно недавними творениями. Практически все они были созданы за два последних столетия, с начала промышленной революции, но они не были приспособлены для того, чтобы быть совместимыми с биогеохимическими процессами, установившимися на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет земной истории. В результате эти созданные человеком машины стали вносить стремительные изменения в химизм планеты. Понадобится несколько сотен, если не тысяч лет, чтобы микроорганизмы смогли восстановить Землю относительно нового баланса.

Объемы связывания человеком азота значительно превосходят работу всех микроорганизмов на планете, и этот связанный азот смывается с полей всего мира в реки, откуда попадает в прибрежные зоны океанов, где стимулирует цветение водорослей. Цветение водорослей зачастую достигает таких масштабов, что, когда эти организмы гибнут, погружаются и оказываются съеденными другими микроорганизмами, происходят значительные потери кислорода, гибнет рыба и выделяются такие газы, как закись азота – веселящий газ.

В веселящем газе нет ничего особенно веселого. Каждая молекула закиси азота обладает в 300 раз большей способностью задерживать тепловое излучение, нежели молекула углекислого газа; это чрезвычайно мощный парниковый газ. Тем не менее есть и другая сторона проблемы, связанная с поддержанием на Земле сбалансированного рынка электронов в планетарном масштабе.

Во время Первой мировой войны, когда Германия сражалась с французами и британцами, стало не хватать пороха. Ключевым ингредиентом в порохе является селитра, представляющая собой нитрат, калийную соль азотной кислоты.

Рис. 36. Изменение общего количества связанного азота за последнее столетие. До открытия реакции Хабера – Боша по связыванию азота весь азот связывался микроорганизмами, небольшой вклад также вносили молнии. Природное биологическое связывание азота составляет приблизительно 100 тераграмм (1012 грамм) в год (более темная область на рисунке). После введения в эксплуатацию реакции Хабера – Боша производство человеком связанного азота резко увеличилось и в настоящее время превышает природное биологическое связывание азота почти в два раза (более светлая область)

Нитраты – еще один вид молекул со связанным азотом; они образуются, когда микроорганизмы совмещают ион аммония с тремя атомами кислорода. В мире очень немного мест, где можно промышленно добывать нитраты. Соли азотной кислоты хорошо растворимы в воде, и когда идет дождь, нитраты размываются дождевой водой и впитываются в почву или утекают в реки и озера. Основным источником нитратов для Германии был природный резервуар в пустыне Атакама в Чили, самом засушливом месте в мире.

Германии было необходимо защищать свои запасы нитратов во время их транспортировки из Южной Америки в Европу. В 1915 году, во время Первой мировой войны, британский флот уничтожил немецкие военные корабли, защищавшие нитраты. Поставка нитратов в Германию была остановлена, в результате чего застопорилось производство пороха и возник недостаток боеприпасов. Возможно, это послужило ключевым фактором поражения Германии в Первой мировой войне. Однако Гитлер, придя к власти в Германии, потребовал, чтобы компания BASF нашла способ превращать аммиак в нитрат. Немецкие химики повиновались, и в результате основным источником удобрений на мировом рынке по сей день является нитрат аммония – вещество, не существующее в природе (и чрезвычайно взрывоопасное). В основе производства нитрата аммония лежала реакция Хабера – Боша, которая обошла все микроорганические реакции в природе.

Куда в конечном счете девается весь излишек азота, синтезированного людьми ради пропитания? За удаление избыточного азота из озер, рек и океанов мира отвечают микроорганизмы. Это они, сами того не зная, являются переработчиками наших отходов в глобальном масштабе. В целом микроорганизмы превращают около 25 % азота, применяемого нами как удобрение, в нитраты и затем далее в газообразный азот; кроме того, небольшая часть уходит на образование закиси азота. Тот же процесс происходит при переработке стоков.

Расхищая во все возрастающих масштабах планетарные ресурсы ради производства пищи и удовлетворения своих нужд и прихотей, человек повлиял не только на углеродный и азотный циклы, но практически на все природные циклы химических элементов. Результатом стало стремительное и масштабное искажение основных биогеохимических циклов на всем земном шаре. Равновесие в этих циклах, контролируемое и поддерживаемое главным образом микроорганизмами в совокупности с геологическими процессами, было подорвано людьми в беспрецедентном масштабе на протяжении очень короткого временного периода. В результате природные циклы углерода, азота, серы и многих других элементов оказались разъединены – под этим я подразумеваю, что изменения циклов становятся все более независимы друг от друга. Так, до эволюционного развития человека углеродный и азотный циклы были теснейшим образом связаны. В те времена не было массового смыва азота в реки и океаны. В индустриальном мире производство аммония не имеет прямой связи с темпом сжигания ископаемых видов топлива.

Не катимся ли мы по наклонной плоскости? Могут ли люди населять планету совместно с микроорганизмами, не истребляя так много ресурсов и не нарушая химизм Земли так стремительно? И если да, то как нам вступить на этот путь?

Один подход, воспринимаемый все более серьезно, состоит в том, чтобы убедить микроорганизмы выполнять наши задания. Появилась отдельная научная отрасль – синтетическая биология, посвященная попыткам перестроить метаболизм микроорганизмов так, чтобы они могли связывать азот на порядки быстрее, чем делают это естественным путем, или же найти замену нефтепродуктам, или синтезировать белок, который смог бы послужить сырьем для искусственного мяса. Давайте проследим, как такой подход смог заронить в людях надежду.

Глава 10. Саботажники

В процессе человеческой эволюции мы превратились в маньяков, одержимых стремлением контролировать весь окружающий мир. Тысячелетиями мы выращивали и отбирали животных и растения, расчищали землю, создавали новые материалы, строили здания. Мы повернули русла рек, чтобы контролировать распределение воды на континентах, построили стены, чтобы сдерживать море. Мы сконструировали машины для перевозки пищи, материалов и нас самих во все уголки планеты. И разумеется, не следует удивляться, что на протяжении нескольких коротких десятилетий мы пришли также к тому, чтобы самим программировать микроорганизмы. Как будет показано далее, современные ученые пытаются перемещать, совершенствовать или блокировать гены с целью заставить микроорганизмы работать на нас без необходимости возиться с естественным отбором. Мы станем творцами микробиотического метаболизма и будем конструировать микроорганизмы для выполнения наших приказов. У нас есть соответствующие возможности, но эти возможности, судя по всему, не сопровождаются пониманием потенциальных сокрушительных последствий таких действий для эволюции микробиотической жизни, не говоря уже о нашей роли в изменении вектора развития планеты.

Более двух десятилетий я работал в правительственной национальной лаборатории, финансируемой в первую очередь министерством энергетики и его дочерними агентствами. Национальные лаборатории были задуманы и разработаны с намерением воплощать в жизнь перспективные идеи в физике и химии; многие справедливо связывают их с разработкой и изготовлением атомного оружия, что и было их изначальной целью. Тем не менее национальные лаборатории также часто оснащены мощными компьютерами и другими приборами, такими как высокоэнергетические коллайдеры, предназначенные для выяснения природы материи, и невероятно мощными микроскопами; там инженеры работают совместно с учеными над развитием технологий, ведущих к новым открытиям.

Каждую неделю я обедал вместе с химиками и физиками, работавшими над созданием атомной бомбы вместе с Оппенгеймером, Ферми, Юри и Сиборгом. Как правило, большинство моих сотрапезников смотрело на биологию как на нечто побочное, второстепенное. В отличие от физиков биологам редко требовалась аппаратура, на постройку которой были нужны десятки, если не сотни, миллионов долларов. Они не мыслили столь крупномасштабно, как физики или даже химики. Однако в начале 1980-х годов несколько ученых в министерстве энергетики поставили перед биологами важную задачу: секвенировать человеческий геном. Основная идея состояла в том, чтобы разработать технологии для быстрого и дешевого определения последовательностей геномов живых организмов и извлечь из этих последовательностей полезную информацию.

Первоначальный ответ был не очень обнадеживающим. Предложение не было основано на какой-либо конкретной гипотезе – а большинство биологов привыкло планировать свои исследования именно так – скорее, просто на желании собрать и проанализировать большое количество генетической информации. Однако когда эта идея понемногу прижилась в умах, она не только преобразовала наше представление о человеческом геноме, но также в корне изменила наш взгляд на микроорганизмы в окружающем мире. Зарождающаяся отрасль молекулярной биологии начала стремительно развиваться, впоследствии превратившись в один из краеугольных камней биологических исследований.

Множество ученых внесли свой вклад в развитие молекулярной биологии со времен ее первоначальной фазы экспоненциального роста, и попытка перечислить основные исторические вехи неизбежно будет изобиловать пропусками. Тем не менее можно назвать три основных открытия, которым немало способствовали другие фундаментальные открытия XX столетия и которые дали нам возможность произвольно осуществлять горизонтальный перенос генов у микроорганизмов и тем самым потенциально изменять ход эволюции. Концепция горизонтального переноса генов очень проста: как мы уже видели, микроорганизмы постоянно перемещают гены из одного организма в другой. Однако мысль о том, что это сможет делать человек, не связываясь с запутанными проблемами пола и естественного отбора, означала, что мы потенциально имеем возможность «конструировать» микроорганизмы. Мой выбор ключевых событий, которые привели к зарождению и развитию генной инженерии, основывается на представлении о том, что история отражает наше будущее как вида и наши надежды на то, что микроорганизмы окажутся нашими спасителями.

Одно из важнейших открытий было сделано врачом Освальдом Эйвери, канадцем по происхождению, работавшим в Рокфеллеровской больнице (сейчас она входит в состав Рокфеллеровского университета – там же работал и Паладе, первооткрыватель рибосом), который совместно с Колином Маклаудом и Маклином Маккарти в 1944 году сообщил, что ДНК является носителем генетической информации. Первые эксперименты были достаточно просты, но весьма содержательны. Эйвери и его коллеги прибегли к методике трансформации, открытой в 1928 году и по сей день являющейся краеугольным камнем экспериментов по горизонтальному переносу генов. Выше мы уже упоминали трансформацию, когда говорили о горизонтальном переносе генов в консорциях, но не описывали в подробностях, как она работает.

Уже много лет микробиологи знали, что существует несколько штаммов, или серотипов, микроорганизмов, имеющих общее генетическое прошлое. В самом деле, в случае Escherichia coli, которая впервые была открыта в 1895 году немецким врачом Теодором Эшерихом в фекалиях здорового человека, позднее выяснилось, что некоторые разновидности, казалось бы, той же самой бактерии при попадании в пищу могут привести к смерти. Аналогичным образом британский микробиолог Фредерик Гриффит обнаружил, что бактерия Streptococcus pneumoniae, возбудитель пневмонии, присутствует и у здоровых людей, не вызывая заболевания.

Гриффит изолировал болезнетворный штамм, убил микроорганизмы посредством нагревания, после чего ввел их мышам. Мыши выжили. Однако когда он смешал убитый теплом болезнетворный штамм с безопасным, но живым и ввел эту смесь мышам, те погибли. Гриффит не имел представления о том, что происходит на молекулярном уровне, и назвал это явление «феноменом трансформации». По сути, Гриффит смог трансформировать неболезнетворную форму микроорганизмов в болезнетворную при помощи взвеси мертвых болезнетворных микроорганизмов. Это выглядело почти как магия. Он опубликовал полученные результаты в 1928 году, указав в качестве места своей работы «патологическую лабораторию министерства», – очевидно, ироническое значение слова «патологический» также эволюционировало за последнее столетие.

Освальд Эйвери, чрезвычайно скептически настроенный относительно экспериментов Гриффита, взялся их повторить. Потратив довольно много времени, он заключил, что Гриффит, который был весьма скрупулезным исследователем, оказался прав. Так что же произошло?

Для того чтобы идентифицировать агент трансформации, Эйвери и его коллеги культивировали бульон с мертвыми бактериями, изолированными из болезнетворного штамма, совместно с ферментами, которые могли переваривать белки. В то время большинство биохимиков считали, что именно белки являются носителями генетической информации, поскольку они были найдены в хромосомах эукариотических клеток и, будучи составлены из двадцати различных аминокислот, обладали достаточной вариативностью для объяснения наследуемости свойств; таким образом, логично было заключить, что эти молекулы несли в себе ключ к генетической информации. Эйвери и его сотрудники повторили эксперимент Гриффита, но с поправкой: когда они культивировали убитый теплом болезнетворный штамм бактерий вместе с ферментами, поглощавшими белки или РНК, и затем вводили раствор мышам, мыши погибали; однако если они добавляли фермент, поглощавший ДНК, мыши оставались живы. Эйвери сделал вывод, что именно ДНК передавала генетическую информацию от мертвого болезнетворного штамма безопасному штамму. Это было замечательным открытием, поскольку благодаря ему внимание научного мира было обращено на природу ДНК. Однако не менее примечательным был и тот факт, что Эйвери и его сотрудники практически не добились признания современников – и это еще мягко сказано. Их работа была почти проигнорирована. Представление о том, что белки являются носителями генетической информации, было настолько укоренившимся, что результаты Эйвери и его коллег сочли ошибкой в эксперименте. Это может служить примером когнитивного диссонанса в современном академическом мире. Многие биохимики решили, что трансформанты, полученные Эйвери и его сотрудниками, скорее всего, содержали следы белков.

И здесь на сцену выходит Джошуа Ледерберг, гениальный сын раввина, уроженец Нью-Джерси, выросший в нью-йоркском районе Вашингтон-Хайтс и проведший большую часть своей молодости в библиотеках. Приняв доклад Эйвери всерьез, Ледерберг решил отыскать действующий фактор трансформации и в своем поиске в буквальном смысле трансформировал биологию, открыв миру «магию» микробиологической трансформации. Вместе со своей женой Эстер он внедрял в бактерии частицы вирусов, содержащие генетическую информацию, – процесс, который мы сейчас называем трансдукцией, ставший фирменным знаком генной инженерии. В основе этого процесса лежит внедрение в бактерию кольцевого участка ДНК – Ледерберг назвал эти частицы плазмидами. Плазмида могла воспроизводиться внутри бактерии, но только вне ее хромосом. Она являлась чужеземным захватчиком, способным воспользоваться репликационной системой бактерии, чтобы реплицировать свою чужеродную молекулу внутри микроорганизма-хозяина. Ледерберг обнаружил, что плазмиды могут сделать бактерию-хозяина устойчивой к смерти от антибиотиков. С этим открытием Ледерберг стал пионером искусственного горизонтального переноса генов в лаборатории, что дало людям новый способ вмешиваться в эволюцию микроорганизмов. Ледерберг был удостоен Нобелевской премии в возрасте тридцати трех лет.

На основе работ Ледерберга и других ученых нынешние биологи могут намеренно внедрять гены практически в любой организм по своему выбору. В принципе, люди могли бы стать владыками биологической вселенной. Впоследствии за геномами организмов начнут охотиться, словно за дикими животными, ради собственной пользы – чтобы отыскать новое лекарство или ген, который сможет обеспечить долгую жизнь, сопротивляясь болезням или излечивая их. (Есть некоторая ирония в том, что Ледерберг умер в возрасте восьмидесяти двух лет от пневмонии – заболевания, возбуждаемого первым микроорганизмом, который он изучил, будучи студентом.) Однако для того чтобы конструировать организмы посредством трансформации, необходимо было понять, как именно ДНК кодирует определенные белки. Будучи генными инженерами, мы должны были выяснить, как природа создает гены.

История открытия структуры ДНК стала легендой, и оно поистине было легендарным. ДНК – это полимер, состоящий всего лишь из четырех повторяющихся циклических молекул – нуклеотидов, соединенных пятиуглеродным сахаром при помощи фосфатных связей и формирующих цепочку. Единственные вариации в пределах этой цепочки возможны в основаниях – и с учетом того, что их всего лишь четыре, ДНК может показаться не очень интересным соединением. Однако если Эйвери и Ледерберг были правы, то структура ДНК должна была открыть людям «магию». Тем не менее поначалу ничего подобного не случилось.

Знания о фундаментальной структуре молекулы ДНК основывались на одном-единственном дифракционном рентгеновском снимке, сделанном в 1952 году Розалиндой Франклин и Реймондом Гослингом из лондонского Королевского колледжа. В следующем, 1953 году, 25 апреля, уважаемый английский журнал Nature опубликовал серию последовательных статей. Первая из них, написанная Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, предлагала модель структуры ДНК, основанную на до той поры не опубликованных рентгеновских изображениях, сделанных Уилкинсом и Франклин. Вторая статья, написанная независимо, была от лаборатории Мориса Уилкинса в Лондонском королевском колледже – в ней вниманию читателей предлагалось грубое рентгеновское изображение этой молекулы. К третьей статье, написанной Франклин и Гослингом, прилагался более четкий дифракционный снимок, полученный ими самими. Во всех трех статьях делалось заключение о том, что молекула, вероятно, представляет собой спираль, но Уотсон, Крик и Уилкинс предположили также, что спираль может быть двойной. За открытие структуры ДНК Крик, Уотсон и Уилкинс в 1962 году разделили между собой Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году от рака яичников в возрасте тридцати семи лет, ввиду чего не смогла войти в число кандидатов на ее получение.

К тому времени стало очевидно, что молекула ДНК является ключом к наследованию информации. Каким-то образом она кодировала последовательность аминокислот в белках, но реконструкция на основе анализа рентгеновских дифракционных снимков оставляла совершенно не очевидным ответ на вопрос, как может структура ДНК содержать необходимую информацию для синтеза белков. В ДНК содержится всего лишь четыре различных нуклеотида. Как могут четыре нуклеотида кодировать информационную систему, приводящую к образованию белков, имеющих двадцать аминокислот в весьма определенных последовательностях?

Истолкование генетического кода было, возможно, еще более хитроумной задачей, нежели истолкование структуры ДНК. Вслед за работой Эйвери и его коллег и структурным анализом двойной спирали, проведенным Франклин, Гослингом, Уилкинсом, Уотсоном и Криком, быстро пришло понимание того, что если в ДНК содержится всего лишь четыре нуклеотида, а в белках – двадцать аминокислот, то каждую аминокислоту должен кодировать больше чем один нуклеотид. Нуклеотидов должно было быть самое меньшее три – такая логика основывалась на простых расчетах. Если бы нуклеотидов было только два, то все возможные комбинации давали бы 42 = 16 аминокислот, а этого далеко не достаточно. Если же, однако, взять три нуклеотида, то возможных комбинаций будет 43 = 64, и этого уже более чем достаточно. Используя метод внедрения и последующего удаления одиночного нуклеотида в вирус, заражавший E. coli, команда ученых под руководством Фрэнсиса Крика, включавшая в себя также известного борца с традициями Сиднея Бреннера, расшифровала генетический код этой бактерии. Они показали, что набор из трех нуклеотидов в очень специфической последовательности ДНК определяет конкретную аминокислоту. Их работа была в буквальном смысле расшифровкой кода, этого Розеттского камня, ради понимания механизма наследования жизни. Тем не менее возникли и некоторые затруднения.

Для большинства аминокислот более чем один набор из трех нуклеотидов, составляющих последовательность, кодирует одну и ту же аминокислоту. Зная последовательность ДНК, можно вывести аминокислотную последовательность белка, кодирующегося этим геном. Однако эта информация будет вырожденной, то есть мы не можем вывести точную последовательность ДНК, зная последовательность белков. Знание «слов» одного языка в мире ДНК определяет одно значение в аминокислотном мире белков. Но знание «слов» аминокислот белков не обеспечивает адекватного перевода на язык ДНК. Главная проблема понимания того, как функционируют все живые организмы, очевидно, заключалась в том, какие инструкции закодированы в ДНК. И эта проблема вела к новой технической задаче – секвенированию ДНК.

Белки, РНК и ДНК являются полимерами, а секвенирование любого биологического полимера представляет собой серьезный вызов: реакция должна отсекать каждый из мономеров родительского полимера в определенном порядке. Секвенирование же ДНК имело еще одну дополнительную сложность, поскольку этот полимер имеет двойную структуру, и, хотя можно было секвенировать однонитевую РНК, основы ее химизма неприменимы к ДНК непосредственно.

Рис. 37. Кодоновое колесо – Розеттский камень, указывающий, как индивидуальные основания, или нуклеотиды, в составе ДНК кодируют конкретные аминокислоты в белке. Код каждой аминокислоты содержится в последовательности из трех нуклеотидов, которая называется кодоном. Двигаясь от центра колеса наружу, можно определить, какая аминокислота закодирована каждой из последовательностей ДНК. Например, последовательность AGC кодирует аминокислоту серин, а последовательность ACC – треонин. Для всех аминокислот, за исключением метионина и триптофана, существует более одного возможного кодона

За эту проблему брались несколько ученых-химиков, первым среди которых был Фредерик Сэнгер, английский биохимик из Кембриджского университета, уже получивший в 1958 году Нобелевскую премию по химии за разработку методики секвенирования белков. Сэнгер и его коллеги разработали метод секвенирования ДНК, предполагавший вначале разделение двух нитей и затем химическое разбиение последовательности в случайном порядке, на любом из четырех нуклеотидов в цепочке. После этого было необходимо найти молекулярную массу того, что осталось после химической реакции. Молекулярная масса продуктов определялась посредством отделения каждого из них согласно размеру в большом объеме геля. Через гель пропускался электрический ток, ввиду чего разрезанные кусочки ДНК были принуждены двигаться через гель. Самые маленькие кусочки двигались быстрее и, следовательно, дальше, чем более крупные; измеряя, насколько далеко продвинулся тот или иной кусочек, можно было вычислить, какой нуклеотид оказался на первом месте, какой – на втором, третьем и так далее. Применив эту методику, Сэнгер и его коллеги смогли секвенировать вирус PhiX174, содержащий 5375 нуклеотидов.

Их работа, опубликованная в 1977 году, была первой в истории записью геномной последовательности ДНК. Метод Сэнгера в конце концов привел к появлению технологии, позволившей секвенировать геном человека. В 1980 году Сэнгер получил вторую в своей жизни Нобелевскую премию по химии, разделив ее с Уолтером Гилбертом, независимо от него открывшим другой, несколько более трудоемкий метод секвенирования ДНК. Был и третий участник, разделивший с ними премию, – Пол Берг, биохимик из Стэнфордского университета, открывший процесс создания молекул ДНК из двух или более источников – молекул, не существующих в природе. Такие рукотворные молекулы ДНК называются рекомбинантной ДНК. Открытия этих трех ученых изменили мир не меньше, а, вероятно, даже больше, чем открытие структуры ДНК.

Разработанная Сэнгером базовая методика секвенирования посредством «обрыва цепи» не могла применяться к длинным последовательностям ДНК. Для того чтобы подступиться к проблеме секвенирования человеческого генома, содержащего 23 хромосомы, ДНК следовало разрезать на более мелкие куски. Отдельные куски уже можно было секвенировать, после чего перекрывающиеся случайные последовательности сверялись и по ним реконструировался весь геном. Этот метод, которому было дано название «метод дробовика» (термин, предложенный самим Сэнгером), был вначале разработан для микроорганизмов, а затем его применил к человеческому геному Дж. Крейг Вентер с коллегами. В самом деле, если технические аспекты секвенирования были сами по себе достаточно сложны, то реконструирование порядка генов в каждой хромосоме представляло собой еще более трудную задачу. Эта работа, на завершение которой ушло несколько лет, показала, что наш геном содержит более 3,2 млрд пар оснований, но лишь около 1,5 % из них кодируют белки. Это был один из самых больших сюрпризов, преподнесенных проектом по секвенированию человеческого генома, – у нас, оказывается, всего лишь около 20 тысяч генов, кодирующих белок, – гораздо меньше, чем предсказывалось до того, как геном был секвенирован, и всего лишь на один-два порядка больше, чем у обычных червей. Таким образом, более 97 % нашего генома содержат некодирующие области, которых нет у микроорганизмов.

Как ни парадоксально, секвенирование человеческого генома раскрыло, как относительно небольшие генетические изменения могут привести к более высокой организационной структуре животного. Важнейшие инструкции по сборке механизмов, снабжающих нас энергией и обеспечивающих синтез белков, транспортировку ионов и основной метаболизм, – все опираются на генетические платформы, унаследованные от микроорганизмов и сложившиеся миллиарды лет тому назад.

Благодаря материальной поддержке, оказанной министерством энергетики проекту по секвенированию человеческого генома, появилась возможность вкладывать крупные суммы в создание аппаратуры, которая позволила бы автоматизировать процесс секвенирования ДНК. Действительно, для меня и моих коллег в Ратгерском университете секвенирование генома является повседневной работой, и стоимость этой операции невообразимо мала. Когда Сэнгер впервые начал секвенировать ДНК, она составляла около 75 центов за нуклеотид, а к 2014 году упала до менее чем 0,001 цента. В 2002 году, когда проект «Геном человека» находился на стадии разработки, было определено, что стоимость секвенирования человеческого генома составит 100 млн долларов; сейчас эта цифра приближается к 1000 долларов и почти наверняка еще более снизится в ближайшие годы.

Невероятному снижению стоимости секвенирования содействовало огромное увеличение мощности компьютерной техники и взаимосвязанности компьютеров. Используя Интернет, последовательности ДНК теперь можно пересылать в реальном времени, так что подбор наилучшего соответствия с уже секвенированными молекулами ДНК занимает миллисекунды, и для только что расшифрованной последовательности сразу может быть определена ее вероятная функция внутри клетки.

С возросшими способностями компьютерной техники пришли более эффективные и дешевые технологии секвенирования и новые алгоритмы поиска генов. Фактически технологии стали настолько дешевыми, а аппаратура – настолько распространенной, что в национальных лабораториях США образовались избыточные мощности. Этот избыток мощностей секвенирования вскоре стремительно распространился по всему миру – на Францию, Германию, Великобританию, Китай, Японию, Корею и Индию. Как его использовать?

Вскоре после того, как проект «Геном человека» начал воплощаться в жизнь, Дэвид Галас, возглавлявший эту программу в министерстве энергетики в Вашингтоне, посетил Брукхэвенскую национальную лабораторию, чтобы узнать, чем занимаются тамошние биологи. Директор лаборатории попросил меня подготовить короткую презентацию, посвященную моей работе по выяснению механизма, позволяющего определенному виду одноклеточных водорослей синтезировать большее или меньшее количество определенных белков в ответ на изменение освещения – феномен, чрезвычайно важный для океанического фитопланктона. Галас спросил, не соглашусь ли я провести встречу, чтобы рассмотреть вопрос о том, как новые технологии секвенирования и компьютерные технологии могут применяться для изучения распределения микроорганизмов в окружающей среде. Я с радостью принял это предложение.

На заседании, где присутствовало около шестидесяти моих коллег из разных частей страны, я выступил с обстоятельным докладом. В конечном счете мы пришли к массовому секвенированию ДНК микроорганизмов в океанах, почвах, воздухе, озерах, горных породах, ледниках – практически во всех возможных местах обитания. В результате геномные последовательности океанических микроорганизмов анализируются с немыслимой скоростью; уже идентифицированы десятки миллионов новых генов. По существу эта информация представляет собой сокровищницу нетронутого биологического потенциала, который может быть мобилизован с целью выполнения любых поставленных нами задач в области генной инженерии микроорганизмов.

Буквально одним щелчком электронного прибора последовательность гена или множества генов – да что там, целого генома – может быть переслана через весь мир для анализа, переформирования и перераспределения. Едва ли не любой из генов может быть синтезирован и внедрен в микроорганизм. Такой свободный обмен генными функциями не знает границ; он привел к дальнейшему наращиванию войны с микроорганизмами.

Ввиду того что секвенирование генов и геномов к началу XXI столетия стало настолько дешевым и эффективным, ученые перешли от секвенирования геномов одиночных организмов к секвенированию геномов естественных микробиотических сообществ практически в любых местообитаниях, представляющих потенциальный интерес. Списки генов, определенных компьютерными алгоритмами, стали стремительно пополняться. На планете были идентифицированы десятки миллионов генов микроорганизмов, и пока не похоже, чтобы темпы их обнаружения замедлялись. Эта генная библиотека представляет собой «список запчастей», из которых можно сделать любой созданный природой белок, присутствующий в ныне живущих организмах. Но можем ли мы создавать новые части – такие, которые не существуют и никогда не существовали в природе?

Коротко говоря, да.

Одна из отраслей биологической науки сейчас ищет способы конструировать микроорганизмы, направлять обмен веществ и запускать внутри микроорганизмов новые процессы, чтобы добиться от них большей эффективности или придать им новые качества, которых они не имели прежде. Сможем ли мы создать организм, который сможет перерабатывать пластмассу? Или нейтрализовать радиоактивные вещества в почве? Получится ли у нас разработать альтернативный вид топлива? Или новый тип строительных материалов? Все эти вопросы – не плод теоретических размышлений. Все это уже происходит в реальности.

Тысячи лабораторий по всему миру используют плазмиды Ледерберга и рекомбинантную ДНК Пола Берга, чтобы внедрять один или несколько генов в микроорганизмы. Подавляющее большинство этих экспериментов безвредны и проводятся для проверки гипотез касательно функционирования конкретных генов. Однако значительная часть горизонтальных генных переносов осуществляется для манипуляции теми или иными природными реакциями, которые мы хотим изменить, например создав с нуля новый фотосинтезирующий организм.

Секвенирование человеческого генома обнаружило, что у нас практически нет уникальных генов. Если людей не станет, мир микроорганизмов будет по-прежнему функционировать, придя к новым устойчивым состояниям, и благодаря их метаболизму наша планета будет оставаться обитаемой. В самом деле, с эволюционной точки зрения человеческая эволюция представляет собой лишь временное нарушение биологически выраженного круговорота химических реакций. Коротко говоря, мы – выродки природы, нарушающие естественные геохимические циклы. Тем не менее мы нуждаемся в микроорганизмах.

Мы саботируем микробиологическую эволюцию – и сами не понимаем, что делаем. Попытки, предпринятые в этом направлении, все еще остаются чисто теоретическими упражнениями, но они не тривиальны. Так, Дж. Крейг Вентер со своими коллегами работал над созданием микроорганизма, в котором генетическая информация будет полностью сконструирована человеком при помощи компьютерных технологий, синтезирована в лаборатории и введена в клетку-хозяина, генетически запрограммированную на уничтожение собственной генетической информации. Клетка-хозяин превращается всего лишь в контейнер для полностью рукотворного генома.

Биологов, занимающихся синтезом, чаще всего не заботит состояние экосистем Земли – они сосредоточены на том, чтобы создать микроорганизм, который будет более эффективно фиксировать азот, или, еще лучше, запихнуть гены, отвечающие за связывание азота, непосредственно в зерновые культуры, от которых зависит наше пропитание. Они хотят сделать такой рубиско, который сможет отличать углекислый газ от кислорода, и распространить этот новый и «лучший» рубиско по всему растительному миру. Список изменений, которые ежедневно пытаются навязать микроорганизмам и другим живым существам, практически бесконечен. Большинство из этих попыток совершаются с благородными целями в стремлении к такому будущему, которое обеспечит выживание людям, но при этом очень редко принимаются во внимание непредвиденные последствия подобного недомыслия для эволюционного пути жизни на Земле.

Человек – животное, живущее на этой планете лишь временно, и за нашу короткую историю мы стали одной из наиболее разрушительных биологических сил, начиная с тех пор, когда цианобактерии стали производить кислород в качестве побочного продукта своего метаболизма. Мы – современные биологические большевики. Подобно цианобактериям, мы можем открыть ящик Пандоры, выпустив на волю множество непреднамеренных последствий. Я утверждаю, что, вместо того чтобы вмешиваться в жизнедеятельность организмов, гораздо лучше было бы применить наши интеллектуальные способности и технологические возможности, чтобы добиться лучшего понимания ключевых наномеханизмов, возникших в процессе эволюции, и того, как эти механизмы распространились по всей планете и стали двигателями жизни. Почему это так?

Микроорганизмы – служители этой планеты, и мы почти не понимаем, как они смогли развиться в систему по перемещению электронов и элементов по ее поверхности. А ведь в конечном счете этот поток электронов сделал Землю обитаемой и для нас. Мы имеем лишь самые поверхностные представления о том, как работает этот электронный круговорот, и тем более не знаем, как его контролировать, однако наша гордыня и неистощимая потребность в новых ресурсах заставляют нас вмешиваться в его работу, которую мы неосторожно нарушаем. К счастью, в контролируемый микроорганизмами электронный круговорот встроено столько избыточной информации, что для нас практически невозможно нанести ему серьезные повреждения, но мы не прекращаем попытки это сделать.

В ходе своей эволюции микроорганизмы сделали эту планету обитаемой как для самих себя, так и в конечном счете для нас. Мы лишь пассажиры в этом путешествии; тем не менее мы позволяем себе вмешиваться в действия тех, кто его контролирует. Если мы не будем сдерживать себя, то рано или поздно неизбежно создадим и выпустим на волю микроорганизмы, способные фундаментально нарушить баланс электронов в глобальном электронном круговороте. Это чревато катастрофой.

Глава 11. Бактерии на Марсе и бабочки на Венере?

В науке немного вопросов настолько же фундаментальных, как вопрос: «Одни ли мы в этом мире?»

Ответ на этот вопрос, возможно, навсегда изменит наши представления о самих себе. Если мы не одни, то какие формы жизни еще существуют? Как они возникли? Каковы условия на их родной планете? Пытаясь понять, как возникла жизнь на нашей планете и как получилось, что различные случайно образовавшиеся наномеханизмы оказались внедрены во все организмы, когда-либо существовавшие и продолжающие жить на Земле, мы также спрашиваем себя: «Возможно ли, что подобные же наномеханизмы возникли и на других планетах нашей Солнечной системы или на планетах, обращающихся вокруг других звезд в далеком космосе? И если да, то как мы можем это выяснить?»

С тех пор как Галилей обнаружил, что луны Юпитера обращаются вокруг этой планеты и что Земля не является центром Вселенной, мы прошли долгий путь к осознанию того, что наша планета – всего лишь островок жизни в океане небесного тумана. Для нас почти невозможно во всей полноте осознать порядки величин, необходимые, чтобы достичь границ света, испускаемого звездами, которые были рождены в одном изначальном взрыве около 14 млрд лет тому назад. Хотя наши телескопы стали невероятно сложными приборами, глядящими в бесконечное пространство, их разрешение все так же не позволяет разглядеть планеты, находящиеся в нескольких световых годах от нас, как и разрешение лучших телескопов в начале XXI столетия. Мы можем видеть, как объекты движутся, и оценить их размеры, но по-прежнему не можем сказать, существует ли жизнь вне Земли. Мы по-прежнему так и не знаем, одни ли мы во Вселенной.

Исходя из научных данных (которые лишь немногие люди до конца понимают, если понимают вообще) теперь принято считать, что Вселенная расширяется и что она содержит в себе миллиарды галактик. Однако на данный момент мы можем утверждать, что наша планета, судя по всему, является уникальной. Это единственная из всех известных нам планет, где существует жизнь. И каждая мельчайшая частица этой жизни обязана своим существованием тем микроорганическим наномеханизмам, что вырабатывают газы, являющиеся прямым признаком существования жизни. Эта планета не только пригодна для обитания – она обитаема.

Вопрос об исключительности Земли преследовал меня почти всю жизнь, как и многих из нас. Это вопрос, который задают многие дети по всему миру, когда глядят на звезды и гадают, как зародилась жизнь на нашей планете. Это вопрос, на который возможно найти ответ, и этот ответ, несомненно, заключен в истории эволюции микроорганизмов и их наномеханизмов, создавших глобальный электронный рынок, который в свою очередь изменил состав планетарной атмосферы, а тем самым и саму планету.

В нашей Солнечной системе есть две соседние с нами планеты, которых мы можем достичь в обозримый период времени при помощи спускаемых аппаратов с ракетным двигателем, – Венера и Марс. Сейчас эти две планеты очень сильно отличаются от Земли, но, возможно, около трех миллиардов лет тому назад это было не так.

Хотя масса Венеры составляет немногим больше 80 % массы Земли, на ее поверхности нет жидкой воды. В настоящий момент Венера покрыта чрезвычайно плотным слоем углекислого газа, выбрасываемого тысячами вулканов. Слой газов настолько толстый, что атмосферное давление на поверхности Венеры приблизительно в 100 раз превышает земное. Если бы мы оказались на поверхности Венеры, то испытали бы на себе давление, сравнимое с тем, что существует в земных океанах на глубине 1000 м. Нас расплющило бы до одной десятой нашего нынешнего размера. Правда, при этом мы бы еще и сварились.

Поскольку углекислый газ принадлежит к числу парниковых, его толстый слой задерживает и поглощает солнечное излучение, делая Венеру самым жарким местом в нашей Солнечной системе. Там настолько жарко, что свинец на ее поверхности сразу бы расплавился. Однако существуют свидетельства того, что в своей ранней истории Венера была гораздо холоднее и, возможно, на ее поверхности имелась жидкая вода. Существовала ли там когда-либо жизнь – вопрос открытый, но в настоящий момент ввиду чрезвычайно высокой температуры на ее поверхности и изменениям, произошедшим в рельефе, весьма маловероятно, что беспилотный посадочный модуль сможет найти какие-либо свидетельства некогда существовавшей там жизни. С Марсом, однако, другая история.

Сегодня Марс – очень холодная и сухая планета с очень тонким слоем атмосферы. Однако она также гораздо меньше Земли, и в ее радиоактивном ядре закончилось топливо, разогревавшее внутренности планеты в достаточной степени, чтобы извергать наружу углекислый и другие газы, столь необходимые для жизни. На Марсе сколь-нибудь значимая вулканическая активность отсутствует уже более 500 млн лет. Его поверхность покрыта лавовыми потоками от прежних вулканических извержений и частицами песка и пыли, а также усеяна валунами и кратерами. На протяжении нескольких десятилетий Марс был первоочередной целью для проектов по изучению внеземной жизни. Судя по всем параметрам, жизнь могла бы развиться и на Марсе, и на Венере, так же как и на Земле, – но, по-видимому, только Земля выиграла в этой лотерее.

Хотя мы, возможно, и одержимы стремлением все контролировать, вместе с тем мы чувствуем себя неуверенно и желаем удостовериться в том, что если мы разрушим эту планету, то сможем найти себе дом на одной из соседних. Марс кажется наиболее подходящим кандидатом для этой цели.

В 1975 году, шесть лет спустя после того, как человек впервые в истории ступил на поверхность Луны, НАСА с трехнедельным промежутком отправило к Марсу два спутника. Эти два космических аппарата, «Викинг-1» и «Викинг-2», были на то время самым амбициозным предприятием в космической программе. Каждый из них состоял из двух составляющих – орбитальной станции и спускаемого модуля. За последующие четыре года орбитальные станции сделали более 50 тысяч фотографий Марса и картировали поверхность планеты. Модули тоже не были просто объектами для демонстрации – они были экипированы инструментами, предназначенными для поиска признаков жизни на красной планете, существующей сейчас или существовавшей в прошлом. Говоря конкретнее, эти инструменты были сконструированы для поиска свидетельств существования микроорганизмов посредством отслеживания в марсианской почве газов, которые те потенциально могли вырабатывать, а также выяснения, какие типы органических соединений они могли потреблять или синтезировать.

Биологические аспекты программы были крайне амбициозными. Проект возглавлял Джеральд (Джерри) Соффен – биолог, прошедший обучение в Принстоне. Во время Второй мировой войны Джерри, безоружный шофер санитарной машины американской армии, говоря на идише с кливлендским акцентом, сумел убедить взвод немецких солдат сдаться, чтобы избежать истребления наступающими советскими войсками. Имея такой опыт, ему было нетрудно убедить руководство НАСА в необходимости попытки доказать существование – нынешнее или в прошлом – жизни за пределами Земли.

На тот момент отправка «Викингов» на Марс стоила более миллиарда долларов. Джерри собрал научный консультативный совет, в который вошли Джошуа Ледерберг и Гарольд Юри. Более того, ему хватило прозорливости распорядиться, чтобы инженеры построили такую аппаратуру, которая сможет работать в экстремальных марсианских условиях, позаботившись о том, чтобы она была достаточно легкой для запуска в космос, но и достаточно прочной, чтобы противостоять многолетнему облучению мощными дозами радиации. Эти жесткие условия было не так просто выполнить.

Несмотря ни на что аппаратура функционировала превосходно; были взяты образцы марсианской почвы на признаки органического вещества, которое было бы первым указанием на существование жизни. Первоначальные результаты были мучительно многообещающими, однако после более глубокого изучения стало очевидно, что на поверхности Марса нет явных признаков жизни, ни нынешней, ни существовавшей в прошлом. Единственное, что удалось найти, – это свидетельства существования жидкой воды и вулканической активности, двух ингредиентов, которые некогда почти наверняка способствовали формированию жизни на Земле. На протяжении последующих десятков лет главным лозунгом НАСА стало: «Следуйте за водой». С тех самых пор мы следуем этому указанию. За прошедшие годы было реализовано еще несколько программ по исследованию Марса, однако к настоящему моменту так и не удалось найти убедительных свидетельств существования там жизни.

Команда «Викинга» поняла, что существует по меньшей мере одна потенциальная – и потенциально решаемая – проблема, связанная с поиском доказательств существования жизни на Марсе. Эта проблема заключается в занесении заражения с нашей собственной планеты. Тот или иной микроорганизм неизбежно должен был проникнуть «зайцем» на запускаемом спутнике. НАСА приняло все меры, чтобы этого не произошло при поиске жизни посредством спускаемой на планету аппаратуры. Посадочные модули «Викингов» были простерилизованы и тщательно исследованы, чтобы – если признаки жизни на Марсе будут все же обнаружены – не оказалось, что мы попросту фиксируем деятельность наших собственных «пассажиров» с Земли. Однако проблема становилась еще более значимой в случае доставки образца с Марса с целью изучения на Землю.

На третьем этаже штаб-квартиры НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, есть кабинет с возбуждающей воображение табличкой: «Офис планетарной защиты» (Planetary Protection Officer, PPO). В обязанности главы этого подразделения входит контроль за тем, чтобы была минимизирована возможность микробиологического заражения наших спускаемых аппаратов на Марсе и других планетах, лунах, бывших планетах и им подобных. Также этот чиновник должен следить за тем, чтобы, в случае если мы доставляем на Землю образцы с этих небесных тел, они не послужили причиной нашей гибели или необратимых изменений на нашей планете. Это увлекательная работа, и я уверен, что она дает возможность говорить грандиозные тосты на вечеринках с коктейлями; однако, кроме того, это работа серьезная, и для того есть свои причины.

Если мы все же найдем доказательства жизни на Марсе, следует ли нам также ожидать, что эволюционные процессы и здесь приведут к появлению в точности такого же строения наномеханизмов? Это весьма и весьма маловероятно, разве что наши предки были родом с Марса и перенеслись на Землю с каким-нибудь метеоритом, или наоборот. Такое предположение может показаться слегка натянутым, но метеориты марсианского происхождения действительно находят на Земле. Один из наиболее знаменитых был обнаружен в 1984 году в Антарктиде группой геологов, путешествовавших на снегоходах через район Алан-Хиллз. Далеко не сразу удалось определить, что этот четырехфунтовый кусок скалы не является обычным метеоритом.

Метеорит Алан-Хиллз, обозначаемый ALH84001, ведет свое происхождение от марсианских горных пород, сформировавшихся около 4,1 млрд лет тому назад. Этот метеорит был вышвырнут из гравитационного поля Марса в результате столкновения с другим метеоритом и приземлился на Землю около 13 тысяч лет тому назад. Понадобилось около десяти лет, чтобы осознать потенциальную значимость этой находки. В 1996 году Дэвид Маккей и его коллеги из Джонсоновского космического центра НАСА, расположенного в Техасе поблизости от Хьюстона, на основе микроскопического анализа метеорита предположили, что он содержит свидетельства существовавшей на Марсе жизни.

Каковы же были эти свидетельства? Их можно распределить по нескольким направлениям. Прежде всего, в метеорите были найдены микроскопические гранулы солей угольной кислоты. Формирование углекислых солей на Земле требует присутствия воды. На тот момент мысль о том, что на Марсе в ранние эпохи могла иметься вода, была довольно шокирующей, но еще более шокирующим был тот факт, что в этих карбонатных гранулах были обнаружены мельчайшие червеобразные структуры, напоминавшие ископаемые микроорганизмы. Это, несомненно, поражало; структуры были настолько малы, что было трудно поверить в то, что они действительно могут представлять собой ископаемые микроорганизмы. Ни один из известных микроорганизмов на Земле не был настолько мал, как эти структуры, найденные в метеорите, и простые вычисления подсказывали, что, если бы такие клетки действительно существовали, их геном был бы невероятно модернизирован. Тем не менее существовала и третья линия доказательств, основанная на присутствии в веществе метеорита очень мелких зерен магнетита – оксида железа, который часто находят в геологических разрезах. Форма этих зерен настолько совершенна, что они напоминают продукт жизнедеятельности магнитотактических бактерий. Более того, эти бактерии при вырабатывании магнетита формируют внутри своих клеток крошечные цепочки кристаллов этого минерала, напоминающие микроскопические нити жемчуга, – такие магнетитовые нити позволяют бактериям чувствовать магнитное поле. Так вот, некоторые из найденных в метеорите магнетитовых кристаллов выстроены в цепочки, очень напоминающие те, что обнаруживаются в магнитотактических бактериях. Они, судя по всему, представляют собой наиболее сильный довод в пользу существования жизни на Марсе.

Статья, описывающая предполагаемые доказательства существования жизни на Марсе, была опубликована 6 августа 1996 года в журнале Science – одном из самых уважаемых научных журналов в мире. Она, несомненно, привлекла внимание читателей и снова пробудила огромный интерес к поискам жизни на красной планете. Тогдашний президент Соединенных Штатов Билл Клинтон через день после выхода в свет статьи созвал пресс-конференцию на Южной лужайке Белого дома, заявив: «Сегодня этот камень под номером 84001 говорит с нами через разделяющие нас миллиарды лет и миллионы миль.

Рис. 38. Вверху: электронная микрофотография цепочки магнитных (магнетитовых) частиц. Они выстроены внутри бактерии и формируют магнетосому – структуру, позволяющую клетке чувствовать направление магнитного поля. Такие структуры чрезвычайно малы, характеризуются совершенной формой и высокой упорядоченностью; они вырабатываются и контролируются бактерией. (Публикуется с разрешения Ацуко Кобаяси.) Внизу: сделанная под сканирующим электронным микроскопом микрофотография полированного образца из метеорита Алан-Хиллз (ALH84001). В верхнем правом углу обнаруживается цепочка продолговатых магнетитовых частиц (показана стрелкой). Такая структура аналогична тем, которые находят в магнитотактических бактериях. (Публикуется с разрешения Я. Вешхоса и К. Аскаско.)

Он говорит о возможности жизни. Если это открытие подтвердится, оно, несомненно, станет одним из самых ошеломляющих научных открытий относительно окружающей нас Вселенной. Трудно себе представить, настолько далеко идущими и впечатляющими будут его последствия. И хотя это открытие обещает нам дать ответы на некоторые из самых давних наших вопросов, оно тут же ставит новые, еще более фундаментальные». Это выступление появилось на передовицах всех ведущих газет мира и обозначило новое направление деятельности НАСА.

Хотя интерпретация микроскопических структур в метеорите Алан-Хиллз остается чрезвычайно неоднозначной, она привлекла большое внимание к двум ключевым вопросам науки: «Где впервые возникла жизнь?» и «Одни ли мы во Вселенной?» Многие ученые добавляют также: «Не марсиане ли мы?» Джо Киршвинк порой принимается доказывать, что вся жизнь на Земле произошла в результате заражения нашей планеты организмами, занесенными с марсианским метеоритом.

Последующие анализы ALH84001 трудно примирить с нашими знаниями о том, что такое жизнь. Большинство геологов сейчас отказались от идеи о том, что этот метеорит содержит убедительные следы ископаемых микроорганизмов, однако процесс, который привел к возникновению идеально оформленных магнетитовых цепочек, остается загадкой. В любом случае открытие этого метеорита, несомненно, послужило стимулом для новых поисков потенциальных следов существовавшей ранее или ныне существующей жизни на Марсе.

Джерри Соффен убедил руководителя НАСА Дэна Голдина послать на Марс новые посадочные модули и развернуть поиски жизни в других местах Вселенной. Однако чтобы удостовериться в том, что для НАСА это не будет просто преходящим интересом, Джерри убедил НАСА разработать программу по астробиологии и в 1998 году курировал создание Астробиологического института НАСА. Одной из наиболее интересных и сложных задач, поставленных перед этим институтом, был поиск свидетельств существования жизни в границах нашей Солнечной системы и за ее пределами.

В новом тысячелетии НАСА успешно доставило на поверхность Марса несколько новых вездеходов, и каждый последующий из них был оборудован все более сложной аппаратурой, предназначенной для поиска следов жизни. Было приложено множество усилий, чтобы найти такие газы, как метан или закись азота, наличие которых указывает, хотя и не бесспорно, на существование микробиотической жизни. До настоящего момента не было получено положительных результатов, не говоря уже об окончательных выводах. Эти исследования будут продолжаться на протяжении последующих десятилетий; также планируется доставить образцы марсианской почвы и горных пород на Землю для более тщательного анализа. Эти исследования требуют большого напряжения инженерной мысли, и нам удалось многое узнать о марсианской истории. Однако вместе с тем мы смотрим дальше вперед, не переставая задаваться вопросом: «Одни ли мы во Вселенной?»

В 1972 году в рамках программы «Аполлон» НАСА запустило первый телескоп космического базирования. Этот инструмент фиксировал ультрафиолетовое излучение, которое не доходит до поверхности Земли вследствие того, что атмосфера поглощает большую часть излучения в этой части спектра. Это положило начало серии самых значительных открытий относительно нашей Вселенной с тех пор, как Галилей впервые описал луны Юпитера.

Телескопы предназначены для того, чтобы распознавать свет; однако, не имея помехи в виде земной атмосферы, космические телескопы могут получать изображения очень отдаленных объектов в хорошем разрешении. Они способны обнаруживать чрезвычайно малые различия в свете звезд нашей Галактики Млечный Путь.

В 1988 году три канадских астронома, Брюс Кэмпбелл, Гордон Уокер и Стивенсон Янг, сообщили о периодических изменениях длин волн излучения двойной звезды Гамма Цефея, расположенной на расстоянии приблизительно 45 световых лет от Земли. Системы двойных звезд содержат две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс; они встречаются довольно часто. Изменение длин волн, зафиксированное астрономами, было результатом того, что регистрируемый свет доходил то быстрее, то медленнее в результате доплеровского смещения. Ученые предположили, что причиной доплеровского смещения является планета, вращающаяся вокруг одной из звезд и тем самым принуждающая звезду изменять собственную орбиту. Они назвали эту планету «Гамма Цефея Ab». Их сообщение было встречено скептически, и лишь в 2002 году оно подтвердилось. Гамма Цефея Ab была первой планетой, обнаруженной за пределами нашей Солнечной системы, однако к 2014 году имелось уже около двух тысяч подтвержденных сообщений о планетах вне Солнечной системы, и каждый год открываются сотни новых. Однако как узнать, есть ли на планете жизнь? Все они находятся настолько далеко, что мы не сможем доставить вездеходы даже на ближайшую из таких планет ни при нашей жизни, ни при жизни наших детей, внуков и правнуков. Давайте рассмотрим, почему.

Два спутника, «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году, в настоящий момент покидают пределы нашей Солнечной системы, пролетев около 18 млрд километров со средней скоростью около 500 млн километров в год, или около 35 тысяч миль в час. При такой скорости они смогут достичь ближайшей к Земле звезды Проксима Центавра, находящейся на расстоянии 4,2 световых года от нас, приблизительно через 80 тысяч лет. Не думаю, что мы готовы ждать так долго, чтобы выяснить, одни ли мы во Вселенной, особенно если у этой звезды не окажется обитаемых планет. К счастью, у астрономов имеются и альтернативные методы поиска жизни за пределами нашей Солнечной системы.

Один из них связан с только что упоминавшимся доплеровским смещением света звезды из-за изменений ее орбиты, вызванных соседством обращающегося вокруг звезды небесного тела. Этот метод достаточно однозначен: любая звезда, вокруг которой обращается планета, сама тоже имеет орбиту. Орбита планеты может быть обнаружена по изменениям длины световых волн, возникающим в спектральных линиях звезды. Когда звезда смещается немного в нашу сторону (то есть в сторону нашего космического телескопа), спектральные линии смещаются в сторону голубой части спектра (более короткие волны). Когда она удаляется, спектральные линии смещаются в сторону красной части спектра (более длинные волны). Чем крупнее планета, тем заметнее этот эффект, поэтому большинство планет, обнаруженных на настоящий момент, являются гигантами наподобие Юпитера или Сатурна. Масса этих планет в сотни раз превышает массу Земли, и на большинстве из них нет суши или океанов – они состоят из газа. Трудно себе представить, чтобы на таких планетах могла существовать жизнь.

Однако имеется и другой метод опознавания планет. Он основан на невообразимо крошечном количестве света, который блокируется, когда планета проходит перед звездой. Как ни трудно в это поверить, и космические, и наземные телескопы способны фиксировать этот момент так называемого транзита, даже в случае звезд, находящихся от нас на расстоянии десятков световых лет, что по астрономическим меркам означает практически у нас во дворе. Принцип измерений относительно прост: когда планета проходит перед звездой, свет звезды немного менее ярок, чем тогда, когда планета находится с другой стороны от звезды. Разница в количестве света, зафиксированном при наличии и при отсутствии планеты между звездой и нашим телескопом, предоставляет основу для расчета размеров планеты: чем крупнее планета, тем больше света она блокирует. Если определить размер планеты исходя из ее транзита и массу планеты исходя из доплеровского смещения за счет орбитальной скорости, то по соотношению этих двух величин – массы и размера – можно сделать заключение о плотности планеты.

Планеты с большой плотностью – это скалистые планеты, наподобие нашей, и на скалистых планетах потенциально может существовать жизнь. Но есть и еще несколько характеристик, которые мы можем выяснить, используя результаты наблюдений с помощью телескопа. Одной из важнейших среди них является время, затрачиваемое на транзит планеты вокруг своей звезды. Земля, третья по счету планета от Солнца, имеет период обращения 365,26 земных солнечных суток. Для Венеры эта цифра составляет 224,7 суток, в то время как Марс совершает полный оборот вокруг Солнца за 697 земных солнечных суток. Фактически, если рассмотреть периоды обращения всех планет нашей Солнечной системы, время их обращения имеет прямую связь с расстоянием между планетой и Солнцем независимо от массы планеты. Самый большой период обращения имеет Нептун (поскольку Плутон больше не считается планетой) – 60 200 земных суток, что соответствует приблизительно одному обороту за 164 земных года. Другими словами, один человек за свою жизнь не успеет увидеть полный оборот Нептуна вокруг Солнца. Как бы там ни было, если время транзита планеты связано с ее удаленностью от звезды, то мы можем определить, сколько солнечного излучения планета может потенциально получать, – а это очень важная информация.

Два наших ближайших соседа, Венера и Марс, больше не имеют на своей поверхности жидкой воды. На одной из планет для этого слишком жарко, на другой слишком холодно. В нашем же умеренном мире совершенная планета Земля смогла сохранить относительно постоянную температуру, что позволило воде на ее поверхности оставаться в жидком состоянии на протяжении всего известного нам времени. Одна причина этого заключается в том, что мы находимся не слишком близко к нашей звезде, другая – в том, что парниковые газы в нашей атмосфере со временем внесли свои коррективы. И это само по себе примечательно.

Три миллиарда лет тому назад, когда Солнце светило не так ярко, концентрация парниковых газов, и в первую очередь углекислого газа и метана, была, по-видимому, гораздо выше. На Венере концентрация углекислого газа продолжала возрастать, поскольку вулканы выбрасывали этот газ в атмосферу. Из-за этого вода испарялась, и в верхних слоях атмосферы водяной пар под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца разлагался, образуя водород и кислород. Водород, будучи самым легким из элементов, вероятно, вырывался за пределы гравитационного поля планеты, и его уносило в открытый космос. Кислород в таком случае должен был вступать в реакцию со скальными породами на поверхности планеты. В результате этих процессов океаны Венеры со временем должны были выкипеть. Нечто подобное с большой вероятностью происходило на этой планете на протяжении нескольких миллиардов лет, пока наша звезда медленно нагревалась и увеличивала яркость своего свечения. Однако наша планета обитаема более четырех миллиардов лет, в то время как на Марсе и Венере больше нет жидкой воды.

Одной из причин, по которым жидкая вода так надолго осталась на поверхности Земли, явилось взаимодействие между эволюцией микроорганизмов и развитием земной атмосферы. По мере того как микроорганизмы постепенно развивали глобальный электронный круговорот, газовый состав атмосферы менялся. Углекислый газ из атмосферы был удален, и часть его (около 20 %) превратилась в органические соединения и захоронена в горных породах. В то же время кислород, не являющийся парниковым газом, накапливался. Благодаря этим изменениям на Земле смогла появиться животная жизнь.

Хотя мы можем быть совершенно уверены в том, что на Венере при существующих там сейчас условиях бабочки не водятся, а скорее всего, никогда и не водились, но все же – есть ли за пределами нашей Солнечной системы планеты, на которых существует жизнь? И если да, что может послужить этому свидетельством?

Если бы мы могли определить состав атмосферы планеты наряду с ее массой и расстоянием от ее звезды, то имели бы потенциальную возможность заключить, существует ли жизнь за пределами нашей Солнечной системы. Как ни удивительно, эта задача, по-видимому, вполне выполнима. Самый простой метод определить состав атмосферы планеты – это воспользоваться прохождением планеты перед звездой, которая с точки зрения наблюдателя будет в этот момент в затмении. На протяжении затмения свет от звезды будет просвечивать через тонкую пленку планетарной атмосферы. Атмосферные газы поглощают свет, и разница в спектрах излучения звезды самой по себе и во время затмения ее планетой может быть использована для вычисления газового состава атмосферы планеты. Существуют несколько сложных методов, при помощи которых можно убрать сияние звезды на заднем плане и очень точно определить спектр света, зафиксированного телескопом. Однако для таких измерений требуются не только значительные капиталовложения в аппаратуру, но также большое количество драгоценного времени телескопических наблюдений. Ввиду этого мы обладаем гораздо меньшим количеством информации об атмосферах внесолнечных планет, нежели о самих этих планетах. Мы смогли различить атмосферы планет, содержащие водяной пар, угарный газ (CO) и углекислый газ (CO2), метан и даже ацетилен. Большинство этих планет являются газовыми и расположены очень близко к звезде. Они имеют большие размеры и очень высокую температуру. Ни одна из обнаруженных до сих пор планет не находится в обитаемой зоне своих звезд, и ни одна не годится в кандидаты на возможное существование на ней жизни, но это почти наверняка должно измениться на протяжении следующих десяти с чем-то лет, поскольку мы открываем все новые планеты, а наши наблюдательные приборы становятся все более сложными.

Критерием того, может ли на внесолнечной планете существовать жизнь, служит равновесное состояние газового состава атмосферы. Термин «равновесное состояние» предполагает, что образование этих газов может быть отнесено исключительно за счет геологических условий на планете. Так, например, на Земле вулканы извергают углекислый газ и метан, а под влиянием жара от Солнца жидкая вода испаряется вне зависимости от того, есть ли на планете жизнь; сами по себе эти газы не могут служить индикаторами наличия жизни. Тем не менее изменение состава нашей атмосферы микроорганизмами задолго до появления растений и животных дает нам некоторое представление о том, какие газы следует искать на внесолнечных планетах в обитаемой зоне – том месте, где планета находится в достаточной степени близости к своей звезде, чтобы вода на ее поверхности могла сохраняться в жидком состоянии.

Одним из очевидных индикаторов является присутствие молекулярного кислорода, которое привело на Земле к образованию стратосферного озонового слоя. Обнаружение озона на планете земного типа в пределах обитаемой зоны будет сложно объяснить чем-то, кроме присутствия там жизни. Озон не принадлежит к числу газов, которые могут вырабатываться любым из механизмов, понимаемых нами под условиями поддержания равновесного состояния. Еще одним кандидатом, не входящим в равновесное состояние, является веселящий газ (N2O). Если в атмосфере планеты земного типа будут обнаружены и веселящий газ, и метан, это почти наверняка будет указывать на наличие жизни.

В январе 1613 года, через четыре года после того, как Галилей открыл, что луны Юпитера вращаются вокруг этой планеты, он обнаружил в нашей Солнечной системе другую планету, которую нельзя было увидеть невооруженным глазом. Эта планета, Нептун, находится на расстоянии 4,5 миллиарда километров от Земли и так же, как и Земля, вращается вокруг Солнца. Спустя четыреста лет астрономы установили, что в одной галактике Млечный Путь имеется около 144 миллиардов планет. И хотя эта цифра может быть неточна, в известной Вселенной насчитывается более 100 миллиардов галактик. Таким образом, вероятность того, что мы одни в этом мире, поистине мала. Если жизнь существует только на нашей планете, это означает, что Земля выиграла в лотерее жизни из более чем 1022 возможных исходов. Я бы поставил на то, что и в нашей собственной Галактике имеются другие победители, помимо нас, – но я никогда не бьюсь об заклад.

С учетом имеющихся шансов открытие газов, далеких от равновесного состояния, на планете земного типа в обитаемой зоне почти неизбежно. Такое открытие будет играть преобразующую роль для нас как представителей человеческой расы. Оно заставит нас задуматься над тем, что делает нашу планету такой исключительной и вместе с тем, возможно, не такой уж и исключительной. Однако при этом оно приведет нас к пониманию того, что жизнь может появляться независимо во многих местах множество раз. Мы будем знать, что некоторые из наномеханизмов возникли и в других местах, чтобы начать перемещение электронов по поверхности планеты и тем самым изменить газовый состав атмосферы. И хотя мы никогда не сможем утверждать это с уверенностью, мы можем предполагать, что именно комплекс микроорганизмов сделал эту планету благоприятной для жизни и, возможно, даже для высших форм жизни.

Построенные нами модели филогенетического древа жизни ограничиваются этой планетой. Трудно поверить в то, что мы можем иметь общего предка с формами жизни на планетах, расположенных на расстоянии многих световых лет отсюда. Однако если это так, возможны ли несколько вариантов ответов на вопрос о происхождении жизни?

Жизнь, отпущенная на волю, должна найти способ существовать и на другой планете. Но как?

Пока функционируют основные системы, на этой планете будут оставаться некоторые реакции, сохраняющиеся независимо от всей остальной жизни в небесном тумане. Эти системы включают в себя геологическую рециркуляцию некоторых веществ, необходимых для жизни организмов. На Земле таким процессом является тектоника. Никто не говорит, что это единственный процесс, однако это единственный из известных нам процессов, работающий во временных масштабах миллиардов лет. Также сюда должна входить и атмосфера или какая-либо жидкая среда, выполняющая роль проводника, объединяющего метаболизм всех организмов на всей поверхности планеты.

Жизнь на Земле одновременно и хрупка, и устойчива. Я совершенно уверен, что на этой планете живут бабочки и что эти хрупкие с виду организмы существуют здесь уже более двухсот миллионов лет. Однако, как и мы, они зависят от микроорганических механизмов, обеспечивающих их существование. Поблагодарим же микробов за то, что они превратили этот комочек грязи посреди звездной пыли Вселенной в замечательное место обитания для своих чрезмерно выросших родичей – животных и растений, временно украшающих собой эту мельчайшую пылинку, которую они арендуют у своих микроорганических предков, сохраняющих ее для своих потомков.

Цепь взаимосвязанных случайностей, которые привели к возникновению жизни, несомненно, не откроется нам во время поездки на лифте в нью-йоркской многоэтажке. Однако такие случайности позволяют нам исследовать мир, в котором мы живем, и искать жизнь за пределами нашей планеты – там, откуда идет к нам свет далеких звезд и их планет. Удастся ли нам найти «разумную» жизнь – вопрос другой. Разумная жизнь, возможно, является очень редким товаром в окрестностях нашей Галактики. Она появилась на Земле лишь за последнюю пару миллионов лет, и только на протяжении последнего столетия нам удалось разработать технологии, которые преобразовали планету навсегда.

Если мы одиноки, то нам следует понять и принять свою уникальность. Если мы не одиноки, то нам следует быть скромнее. В любом случае скажу вам как один эукариот другим эукариотам: все мы являемся макроскопическими организмами и наше существование стало возможным только благодаря эволюции микроскопических наномеханизмов, появившихся давным-давно у микроорганических форм жизни. Они – наши истинные предки и настоящие служители жизни на Земле.

Дополнительная литература

Глава 1

The 1785 Abstract of James Hutton’s Theory of the Earth. C.Y. Craig, editor. 1997. Edinburgh University Press.

Darwin and the Beagle. Alan Moorhead. 1983. Crescent Press.

Measuring Eternity: The Search for the Beginning of Time. Martin Gorst. 2002. Broadway Publisher.

On the Origins of Species. Charles Darwin. 1964. Harvard University Press.

Principles of Geology. Charles Lyell. 1990. University of Chicago Press.

Seashell on a Mountaintop: How Nicolas Steno Solved an Ancient Mystery and Created a Science of the Earth. Alan Cutler. 2004.

Глава 2

“The discovery of microorganisms by Robert Hooke and Antoni van Leeuwenhoek, fellows of the Royal Society.” H. Gest. Notes Rec. R. Soc. Lond. (2004) 58: 187–201.doi: 10.1098/rsnr.2004.0055.

Microbe Hunters. Paul de Kruif. 1926. Harvest Press.

Micrographia – Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses with Observations and Inquiries Thereupon. Robert Hooke. 1665. Reprinted 2010.

Глава 3

The Age of Everything: How Science Explores the Past. Mathew Hedman. 2007. University of Chicago Press.

Darwin’s Lost World: The Hidden History of Animal Life. Martin Brasier. 2010. Oxford University Press.

Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. Andrew Knoll. 2004. Princeton University Press.

Глава 4

Aquatic Photosynthesis. P.G. Falkowski and J.A. Raven. 2007. Princeton University Press.

Life’s Ratchet: How Molecular Machines Extract Order from Chaos. Peter M. Hoffmann. 2012. Basic Books.

“There’s plenty of room at the bottom: An invitation to enter a new field of physics.” R.P. Feynman. 1960. Онлайн-версия http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html.

What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Edwin Schrodinger. 1944. Cambridge University Press. Онлайн-версия http://whatislife.stanford.edu/LoCo_files/What-is-Life.pdf.

Глава 5

Cradle of Life: The Discovery of Earth’s Earliest Fossils. J. William Schopf. 1999. Cambridge University Press.

Eating the Sun: How Plants Power the Planet. Oliver Morton. 2007. HarperCollins.

Oxygen: A Four Billion Year History. D.E. Canfield. 2014. Princeton University Press.

Oxygen, The Molecule That Made the World. Nick Lane. 2002. Oxford University Press.

Глава 7

Microcosmos: Four Billion Years of Microbial Evolution. Lynn Margulis and Dorian Sagan. 1997. University of California Press.

Глава 8

Lives of a Cell: Notes of a Biology Watcher. Lewis Thomas. 1978. Penguin Press.

Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life. Nick Lane. 2005. Oxford University Press.

Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History. Stephen J. Gould. 1989. W.W. Norton.

Глава 9

The Alchemy of Air: A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler. Thomas Hager. 2008. Three Rivers Press.

From Hand to Mouth: The Origins of Human Language. Michael C. Corballis. 2003. Princeton University Press.

The Genesis of Germs: The Origin of Diseases and the Coming Plagues. Alan L. Gillen. 2007. Master Books.

Microbes and Society. Benjamin Weeks. 2012. Jones and Bartlett Learning.

Глава 10

The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. James D. Watson. 1976. Scribner Classics.

Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits. Uri Alon. 2006. Chapman and Hall/CRC Press.

Life at the Speed of Light. J. Craig Venter. 2013. Viking.

Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves. George Church and Edward Regis. 2014. Basic Books.

Rosalind Franklin and DNA. Anne Sayre. 1975. W.W. Norton.

Глава 11