Черный ящик Дарвина: Биохимический вызов теории эволюции

Глава 1

Лилипутская биология

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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