Автор тексту: Friedrich Hohenstaufen
Решту авторських статей можна прочитати тут
Із науково-популярних книжок подібного типу ми вже розглянули книги Д. Іґлмена і Д. Свааба про мозок, книгу Ф. Вааля про етику тварин і книгу Д. Даудни про редагування геному. Наступним у моєму плані буде Роберт Гейзен (Вікі) і його книга «Історія Землі». Книги про «Душу восьминога» (Сай Монтгомері) та «Генетичну одіссею» (Спенсер Веллс) я вирішив не чіпати, бо вони або надто літературні, або надто заяложені (в «Одіссеї» просто описуються міграції людини, тож це радше про історію, та й тема мені й так знайома). Книгу Гейзена можна знайти на Флібусті. Але й ця книга не те щоб була для мене надто цікавою, тож я гортав її радше по діагоналі, чіпляючись лише за деякі, особливо цікаві теми. У першій половині (!) книги нічого особливо цікавого немає. Історія про Великий вибух, виникнення зірок і планет, появу Землі та Місяця тощо — зазвичай це нині знає кожен школяр. Те саме можна сказати про охолодження кори та інші подібні речі. На цьому етапі цікавим можна назвати лише те, що на початках доба тривала 5 годин, а Місяць був у 20 разів ближче, ніж тепер (і він віддаляється й досі, тільки повільно, і в міру його віддалення падає також швидкість обертання Землі навколо своєї осі).
Перші цікаві зауваги починаються в середині книги, коли порушується тема виникнення життя на Землі. Автор розповів про дві основні концепції, що постали в останні 60–70 років: (1) «первинний бульйон» на поверхні та (2) підземні гейзери. Це два середовища, які розглядають як кандидатів на місце зародження органіки, і обидва мають експериментальні підтвердження своєї працездатності. Теорія гейзерів із часом стала популярнішою, бо дає змогу припустити наявність життя на планетах, де немає поверхневих океанів. Але суть не в цьому. Так чи інакше, на більшості планет світу хімічний склад дуже подібний. Рано чи пізно елементи поєднуються одне з одним, і шляхом нехитрого перебору можливих комбінацій виникають такі елементи, як амінокислоти, ліпіди, вуглеводи і луги. Загалом, різні органічні речовини, які ми й досі вживаємо в їжу. У цьому вже навіть не бачать нічого дивовижного. Дайте обмежений набір елементів, замкніть у банці з окропом і струсіть — вуаля, органіка (це спрощення, почитати про перший експеримент можна тут). У Всесвіті таких місць має бути доволі багато. Але як із цього постає життя, тобто справжня клітина зі здатністю до поділу?
Цього ніхто не знає й досі, але, виявляється, є низка зачіпок. Наприклад, з’ясувалося, що сполуки ліпідів при контакті з водою стихійно складаються в певні «крапельки», в оболонки, аналогічні клітинним, і відбувається це на такому самому хаотичному, «несвідомому» й випадковому рівні. Залишилося лише зрозуміти, як змусити амінокислоти залізти всередину цієї оболонки, щоб у подальших реакціях перетворитися на РНК і ДНК. У Вікіпедії навіть сказано так: «У 2008 році американські біологи зробили важливий крок до розуміння початкових етапів зародження життя. Їм вдалося створити «протоклітину» з оболонкою з простих ліпідів і жирних кислот, здатну втягувати з навколишнього середовища нуклеотид-монофосфати, активовані імідазолом, — «цеглинки», необхідні для синтезу ДНК. У 2011 році японські вчені повідомили, що їм вдалося створити везикули з катіонною оболонкою й елементами ДНК усередині, здатну до поділу внаслідок полімеразної ланцюгової реакції, що реплікує ДНК». І в іншому місці на Вікі додається ще й таке: «У 2022 році було знайдено новий і вельми простий варіант абіогенного синтезу ланцюжків РНК. Було виявлено, що під час перколяції суміші нуклеотидів крізь вулканічне скло спонтанно утворюються довгі — до 100-200 ланок — ланцюжки РНК. Таким чином, ученим нарешті вдалося знайти доволі простий шлях перетворень, починаючи від елементарних органічних молекул, які виявляються і в космосі, і закінчуючи достатньо довгими ланцюжками нуклеїнових кислот РНК-світу, пращурами протожиття, здатними до дарвінівської еволюції».
Іншими словами, ми вже гранично близькі до того, щоб відтворити умови на Землі 4 млрд. років тому і на підставі цих умов створити всі необхідні компоненти для живої клітини. Щойно це станеться — буде зрозумілий увесь механізм походження життя, і, більше того, виявиться, що це результат стихійної випадковості в комбінації атомів. Тепер процитую великий фрагмент із книжки Гейзена.
«Наші експерименти, проведені в Інституті Карнеґі протягом останніх десяти років, показали, що багато життєво важливих молекулярних будівельних блоків прилипають практично до будь-якої природної мінеральної поверхні. Амінокислоти, цукри, компоненти ДНК і РНК адсорбуються на всіх мінералах, що входять до складу базальту й граніту: польовому шпаті, піроксені, кварці та ін. Ба більше, коли на одне місце претендують кілька молекул, вони нерідко кооперуються й самі утворюють складні поверхневі структури, даючи змогу іншим молекулам нашаровуватися на них. Ми дійшли висновку, що, де б первісний океан не вступав у контакт із мінералами, з безформного бульйону неодмінно утворювалися щільно зібрані органічні молекули.
Тут я мушу висловити застереження. Займаючись дослідженням походження життя (можливо, подібне відбувається і в багатьох інших галузях науки), учені тяжіють до моделей, що відбивають їхню власну спеціальність. Фахівець із органічної хімії Стенлі Міллер і його послідовники розглядали походження життя виключно крізь призму органічної хімії. На відміну від них, геохіміки схильні виробляти складніші сценарії, включно з такими змінними величинами, як температура, тиск і хімічний склад гірських порід. Фахівці в галузі формування мембран із ліпідних молекул говорять про «ліпідний світ», а ті, хто займається молекулярною біологією та досліджує ДНК і РНК, розглядають світ як «модель РНК». Фахівці з вірусів, метаболізму, глин або глибинної біосфери також мають свою упереджену думку. Усі ми такі; ми спираємося на те, що знаємо найкраще, і розглядаємо світ крізь об’єктив своїх знань.
Я вивчав мінералогію, тож неважко вгадати мої уподобання в питанні про походження життя. Mea culpa. Багато дослідників дійшли аналогічного висновку — насправді чимало видатних біологів також тяжіють до мінералів, оскільки сценарії походження життя, що спираються лише на океан і атмосферу, стикаються з нерозв’язними проблемами в поясненні базових механізмів молекулярного відбору та концентрації. Тверді мінерали вирізняються високим потенціалом відбору, концентрації та утворення молекул. Отже, мінерали напевно відіграли головну роль у походженні життя».
Далі Гейзен пише цікаву річ про те, що органічні молекули, як і просто живі істоти, мають властивість «хіральності», тобто поділу на праве й ліве. І живі клітини регулярно використовують лівобічні амінокислоти та правобічні молекули цукру. По суті лівобічні й правобічні молекули ідентичні, але формуються по-різному, або, скажімо, за примітивною аналогією з фізикою, — мають різний «спін». Але це призводить до серйозних наслідків. Ну і ще Гейзен виявив, що молекули формуються в такому вигляді через взаємодію з мінералами:
«Наші останні експерименти показали, що хіральні поверхні мінералів відіграли ключову роль у відборі молекул певної орієнтації і, відповідно, — у походженні самого життя. У 2000 р. ми з колегами виявили те, що тоді здавалося вражаючим, а тепер сприймається як щось буденне: хіральні поверхні мінералів трапляються повсюди в природі. Звичайні мінерали у складі будь-якої породи чи ґрунту рясніють поверхнями, де атоми перетворюються на молекули з певною спрямованістю — або лівою, або правою. У природі такі поверхні трапляються в рівній пропорції, тобто Земля в глобальному масштабі не віддає переваги ні правому, ні лівому боці. Але кожна молекула ретельно обирає спосіб закручування. Наші експерименти показали, що певні лівобічні молекули зазвичай збираються на одному й тому самому наборі поверхонь кристалів, а їхнє дзеркальне відображення, правобічні молекули, так само стійко надають перевагу формуванню на іншому виді мінералів. Кожна поверхня, на якій відбираються й накопичуються молекули, стає експериментальним мінімайданчиком для молекулярного відбору та синтезу.
Окремо кожен такий природний експеримент взаємодії мінералів із молекулами аж ніяк не породжував життя. Але зауважмо, що незліченні трильйони трильйонів трильйонів мінеральних поверхонь, омиваних насиченим органічними молекулами «бульйоном», повторювали свій маленький «експеримент» знову і знову — і так сотні мільйонів років. Земля протестувала таким чином практично всі можливі комбінації молекул у найрізноманітніших умовах».
Загалом книга цікава, але водночас нічого цікавого про неї я сказати не зможу. Автор розглядає формування Землі від початку й до кінця, зазирає в майбутнє (де все стабільно, Сонце згасне, влетить астероїд, настане льодовиковий період тощо). Наприкінці він непокоїться про те, як люди впливають на клімат, і що це загроза не планеті, а нам самим. Найцікавіші частини в середині книги пов’язані з виникненням життя, появою фотосинтезу тощо. Методологічно автор намагається розвивати «гумбольдтівську науку», тобто розглядає хімію, біологію та геологію разом, як складну систему. Крім того, він розглядає всі ці речі в динаміці й регулярно на цьому наголошує. Наприклад, геологія в мейнстримі розглядається статично, фіксуються лише властивості кристалів тощо, а автор розглядає історію мінералів, цікавиться зв’язком мінералів і органічного життя тощо. Тож так, це черговий Гумбольдт Нового часу спробував написати свій «Космос». Якщо я захочу оновити якісь погляди на історію планети, можливо, ще повернуся до цієї книги. Порадити її комусь, кому цікава історія Землі, — можна. Але нічого екстраординарного тут немає, просто добротна книга на тему еволюції планети.
P.S. Трохи оптимізму
Читаючи книгу Карла Циммера — «Еволюція. Тріумф ідеї» (окремого огляду не буде, але книга теж непогана), я тут подумав, що аргументи про те, що можуть бути інші форми життя, не такі як ми (білкові), в принципі можна буде перевірити в лабораторних умовах, щойно ми зможемо створювати білкові клітини з нуля. Останнє не видається таким уже неможливим дослідом; потрібно всього лише змішати необхідні елементи й підібрати потрібні умови. Проблема, звісно, в тому, що тоді життя зароджуватиметься ті самі мільйони років, що й у реальності, а чекати цього ми не зможемо, тож доведеться створити інші умови, набагато ефективніші, щоб життя сформувалося бодай за рік. Але в принципі в цьому немає нічого неможливого. Зрештою, після виявлення правильного механізму побудови життя його можна буде ліпити штучно, просто механічно складаючи потрібні атоми в потрібні молекули. Отже, коли б ця можливість не відкрилася, ми зможемо ставити аналогічні досліди з найрізноманітнішими наборами вихідних елементів. Формувати альтернативні ДНК із цілком інших атомів. І тоді тема альтернативних варіантів життя буде повністю закрита. Оптимізм тут у тому, що це питання потенційно може вийти з розряду загальнофілософських і стати питанням суто практичним.
Що ще цікавого для себе можу відзначити, так це те, що принцип природного добору працює і на молекулярному, і на клітинному рівні. Лабораторні експерименти чудово продемонстрували, як молекули РНК (поза складними організмами, самі по собі) модифікують свій функціонал покоління за поколінням, якщо навмисно «спрямовувати» їх зміною зовнішніх умов. Цей принцип суто статистичний, і працює він, у принципі, також і з «неживою» матерією. Хімічні сполуки, які виявляються стійкішими, витісняють менш стійкі. У певному сенсі можна сказати, що РНК і ДНК нічим не «кращі» за молекулу бензолу. Усі вони створені випадковим поєднанням атомів і набули властивостей, яких ніхто не планував отримати. Після трильйонів і більше комбінацій виникали дедалі складніші сполуки. І найбільшого успіху досягли ті, що змогли переробляти навколишні молекули на самих себе (як агент Сміт у «Матриці»). У принципі, це навіть життям важко назвати, просто здатність молекули множитися, структуруючи за власною подобою атоми-сусіди. Але така властивість уже вмикається в логіку природного добору й дає «живим» молекулам значну перевагу та можливість експансії.
Ще цікавіше те, що теза про те, що гени, які відповідають за формування організму в будь-яких тварин, включно з мухою чи людиною, практично однакові. Тобто вони взяті з одного «набору інструментів» і виконують однакові функції. Щоправда, вони трохи відрізняються в деталях, але їхня схожість указує на те, що всі тварини стартували від якогось одного «спільного предка» (нагадує Сент-Ілера). Зрозуміло, що в різних тварин загалом різний набір генів, але взяті окремо — це одні й ті самі гени, що трапляються в будь-якого з видів. Ящик інструментів один, але в кожному випадку використовуються різні набори. Це ідеально поєднується з універсальністю нейронів (мозку), про яку йшлося в книзі Іґлмена про нейропластичність.
Звідси випливає ще один кумедний наслідок. Зрозуміло, що цей «спільний предок» не був єдиним у своєму роді. У нього, безперечно, були конкуренти, які мали інші набори генів і які вимерли в ході конкурентної боротьби. Якщо в того нашого предка вже були всі інструменти для побудови рук, ніг, очей, серця тощо і т. ін., то очевидно, що в його конкурентів справи були не так добре. Тому еволюційна гіпотеза Емпедокла (!) про випадкові комбінації органів, що існують окремо, — виглядає майже як правда. Адже цілком можливі поєднання генів, які формують повноцінні руки, але не створюють ніг тощо і т. ін. Усі подібні «мутанти» програли нашому предкові. Але найцікавіше інше. Виходить, що до цього моменту Х — життя йшло шляхом синтезу. Мільйони молекул ДНК створювали різні гени, які потім комбінувалися між собою і породжували найрізноманітніших істот, і так доти, доки не було створено той самий «універсальний інструментарій», швейцарський ніж еволюції. Довгий час розвиток ішов від елементарних елементів до дедалі складнішого, єдиного організму, подібно до розгалуженого дерева, усі корені якого зрештою зливаються в один великий стовбур. Але починаючи з моменту Х усе відбувається точно навпаки. Цей стовбур (спільний предок) розгалужується в генеалогічне древо форм життя, кожна гілочка якого стає окремою формою, хоча по суті вона складається з матеріалу того самого дерева. Така собі діалектика поєднання і розпаду. Хоча в обох випадках ідеться про ускладнення системи, але про по-різному здійснене ускладнення. Єдине, що тут потрібно уточнити: користуючись аналогією з деревом, там усі корені йдуть у стовбур дерева, тоді як у нашій історії багато коренів стали «тупиковими», а стовбуром стала лише одна з багатьох комбінацій генів.