У мене з дитинства викликали інтерес і захоплення живі істоти. Дитинство я провів на півночі Каліфорнії, де часто грав на природі серед рослин і тварин.
Ми з друзями стежили за бджолами, коли вони запилювали квіти, і ловили їх в пакети з застібками, щоб краще вдивитися в їх обсидіанові очі і золотисті волосини, а потім відпускали комах на волю займатися повсякденними справами.
Іноді я майстрував лук зі стрілами з рослого у нас на ділянці чагарнику, в якості тетиви використовував кору з тих же кущів, а листя з них йшло на оперення стріл. Під час поїздок з сім'єю на пляж я швидко навчився відшукувати крабів і членистоногих в їх кромних куточках, спостерігаючи за бульбашками в піску після відливу чергової хвилі. І я чітко згадую, як ми в молодших класах ходили в похід в евкаліптову гаю в Санта-Крус, де на відпочинок зупинилися тисячі мігруючих метеликів-данаїд. Вони великими коричневими грудками чіплялися за гілки дерев, нагадуючи засохле листя. А потім який-небудь метелик починав ворушитися, і виявлялося, що внутрішня частина його крил вогняно-помаранчева.
Такі моменти, а також багато фільмів Девіда Аттенборо, посилили мою захопленість живим світом планети. У той час як мій молодший брат захоплено займався подарованим йому конструктором K'Nex, копітко будуючи російські гірки або залізницю, я намагався зрозуміти, як влаштована наша кішка. Як вона бачить світ? Чому вона мурличе? З чого зроблені її хутро, кігті та вуса? Якось я попросив на Різдво енциклопедію про тварин. Зірвавши оберточний папір з масивної книги, що важила приблизно половину мене, я кілька годин просидів біля ялинки, читаючи її. Тому не дивно, що в результаті я почав заробляти на життя статтями про природу і науку.
Але нещодавно у мене настало прозріння, що змусило по-новому поглянути на те, чому я так сильно люблю все живе, і по-новому задуматися над тим, що таке життя. Справа в тому, що весь той час, що люди вивчають життя, вони так і не можуть дати їй чітке визначення. Навіть сьогодні вчені не мають переконливого і визнаного всіма визначення життя. Задумавшись над цією проблемою, я згадав, як мій брат захоплено грав у конструктор, а я цікавився щодо кішки.
Чому нам здається, що конструктор неживий, а кішка жива? Хіба зрештою і перший, і друга не є машинами? Звичайно, кішка - це набагато складніший механізм, здатний на вражаючі вчинки, повторити які конструктор не зуміє ніколи. Але на самому базовому рівні в чому різниця між неживим механізмом і живим організмом? Що, люди, кішки, краби та інші істоти належать до однієї категорії, а конструктори, комп'ютери, зірки та каміння до іншої? Мій висновок: ні. Більше того, я вирішив, що життя насправді не існує.
Дозвольте пояснити
Формальні спроби дати точне визначення життя робилися ще за часів давньогрецьких філософів. Арістотель вважав, що на відміну від неживого все живе має душу, а душа буває трьох видів: у рослин, у тварин і раціональна душа, яка є виключно у людини. Грецький анатом Гален припускав наявність схожої, заснованої на органах тіла, системи «життєвого духу» в легенях, кровоносній і нервовій системі. У 17-му столітті німецький лікар і хімік Георг Ернст Шталь (George Erns Stahl) та інші вчені висунули теорію, що отримала пізніше назву віталізм.
Віталісти стверджували, що «живі організми докорінно відрізняються від неживих сутностей, тому що в них міститься якийсь нематеріальний елемент, і ними керують інші принципи, ніж у неживих речах», а також, що органічні речовини (молекули, що містять вуглець і водень і створюються живими організмами) не можуть бути синтезовані з неорганічних (це молекули, де немає вуглецю, який з'являється в основному в результаті геологічних процесів). Наступні експерименти показали повну неспроможність віталізму: неорганічні речовини можуть перетворюватися на органічні як в лабораторних умовах, так і поза стінами лабораторій.
Замість того, щоб вселяти в організми «якусь нематеріальну силу», інші вчені намагалися вивести певний набір фізичних характеристик, який диференціює живе і неживе. Сьогодні, зважаючи на відсутність короткого визначення життя в книгах Кемпбелла і в інших широко використовуваних підручниках біології, є великий перелік визначальних характеристик, наприклад: порядок (той факт, що багато організмів складаються або з однієї клітини з різними відділеннями та органелами, або з груп впорядкованих клітин), зростання і розвиток (зміна розміру і форми в передбачуваній манері), гомеостаз (стійкість складу внутрішнього середовища, що відрізняється від зовнішнього, а також баланс біофізіологічних функцій, наприклад, регулювання ступеня кислотності і концентрації солей), метаболізм (витрачання енергії для росту і для уповільнення старіння), реакція на подразники (зміна поведінки в якості реакції на світло, температуру, хімічні речовини та інші складові навколишнього середовища), репродукція (вегетативне розмноження або спарювання з метою виробництва нових організмів з передачею генетичної інформації від одного покоління іншому) та еволюція (зміна з часом генетичних характеристик популяції).
Логіку таких переліків дуже легко можна спростувати. Нікому і ніколи ще не вдавалося скласти такий набір фізичних властивостей, в якому об'єднується все живе і виключається все те, що ми називаємо неживим. Завжди бувають винятки. Так, більшість людей не вважають кристали живими, однак вони високоорганізовані, і вони ростуть. Вогонь теж споживає енергію і збільшується. І навпаки, бактерії, тихоходки і навіть деякі ракоподібні можуть надовго впадати в сплячку, і в цей час вони не ростуть, у них не відбувається обмін речовин, і вони взагалі не змінюються, хоча і мертвими їх теж назвати не можна.
До якої категорії ми можемо віднести лист, що впав з дерева? Більшість людей погодяться, що прикріплений до дерева лист є живим. Його численні клітини невпинно працюють, перетворюючи на поживні речовини сонячне світло, вуглекислий газ і воду, а також виконують інші функції. Коли аркуш відривається від дерева, його клітини не відразу припиняють свою діяльність. Чи помирає він під час падіння на землю, коли стосується землі або коли помруть всі його клітини? Якщо ви сорвете лист з дерева і помістите його в живильне середовище в лабораторії, де клітини листа будуть ситі і задоволені, це життя?
У таке скрутне становище потрапляють майже всі запропоновані характеристики життя. Реакція на навколишнє середовище - ця властивість належить не тільки живим організмам. Ми винайшли незліченну безліч машин, які роблять те ж саме. І навіть розмноження не є визначальною рисою життя. Окрема тварина в багатьох випадках самостійно розмножуватися не може.
Виходить, що дві кішки живі, оскільки разом вони можуть виробляти на світ нових кішок, а одна ні, так як самостійно вона не може розмножуватися і передавати свої гени. Згадайте також безсмертну медузу turritopsis nutricce, яка може нескінченно повертатися з «дорослої» стадії медузи до «дитячої» стадії поліпу. Вона не відтворює потомство, не розмножується вегетативно і навіть не старіє традиційним чином - проте більшість людей погодяться з тим, що ця медуза жива.
А як щодо еволюції? Здатність зберігати інформацію в молекулах ДНК і РНК, передавати цю інформацію потомству і пристосовуватися до мінливих умов навколишнього середовища за рахунок зміни генетичної інформації - безумовно, цими талантами володіють не тільки живі істоти. Багато біологів зосередилися на еволюції як на ключовій і відмінній межі життя.
На початку 1990-х Джеральд Джойс (Gerald Joyce) з науково-дослідного інституту Скриппса входив до складу консультативної групи Джона Раммела (John Rummel), який на той час керував програмою НАСА з біології позаземного простору. Під час дискусій про оптимальні способи пошуку життя в інших світах Джойс з колегами створив дуже популярне нині робоче визначення життя: самостійна система, здатна на еволюцію Дарвіна. Визначення чітке, коротке і вичерпне. Але чи працює воно на практиці?
Давайте подивимося, наскільки таке визначення підходить до вірусів, які найбільше іншого ускладнюють пошуки визначення життя. Віруси це, по суті справи, нитки ДНК або РНК, упаковані в білкову оболонку. У них немає клітин, немає обміну речовин, але є гени, і вони можуть розвиватися. Однак, як пояснює Джойс, щоб стати «самостійною системою», організм повинен містити всю інформацію, яка необхідна для відтворення еволюції по Дарвіну. Він заявляє, що через це умови віруси не підходять під робоче визначення. Адже вірус повинен впровадитися в клітку і захопити її, щоб самовіддатися. «Вірусний геном розвивається тільки в рамках клітини-господаря», - сказав Джойс під час недавнього інтерв'ю.
Але якщо добре подумати, то робоче визначення НАСА анітрохи не краще вхоплює невизначеність поняття вірусу, ніж будь-яке інше пропоноване визначення. Живе в кишечнику людини хробак-паразит, якого багато хто вважає нехай огидною, але цілком реальною формою життя, володіє всією необхідною для розмноження генетичною інформацією. Але паразит ніяк не зможе розмножуватися без клітин і молекул в кишечнику людини, з яких він краде енергію, необхідну для виживання. Точно так само вірус володіє всією потрібною для розмноження генетичною інформацією, але у нього немає необхідного клітинного механізму. Твердження про те, що ситуація з паразитуючим хробаком радикально відрізняється від ситуації з вірусом, це досить слабкий аргумент.
І хробак, і вірус розмножуються і розвиваються тільки всередині свого «господаря». Насправді вірус розмножується набагато ефективніше хробака. Вірус негайно приступає до справи, і йому всередині клітинного ядра потрібно лише кілька білків, щоб почати розмноження у великих масштабах. А паразиту для розмноження необхідний цілий орган іншої тварини, і успіху хробак доб'ється лише в тому випадку, якщо зуміє дожити до того моменту, коли виросте і відкладе яйця. Так що якщо ми будемо використовувати робоче визначення НАСА, щоб виключити віруси з області живого, нам також доведеться виключати і всіх інших більш великих паразитів, включаючи хробаків, гриби і рослини.
Визначення життя як самостійної системи, здатної на еволюцію Дарвіна, також змушує нас визнати, що деякі комп'ютерні програми теж живі. Наприклад, генетичні алгоритми імітують природний відбір, щоб знайти оптимальне рішення завдання. Ці бітові масиви кодують риси і властивості, еволюціонують, змагаються один з одним у боротьбі за репродуціювання і навіть обмінюються інформацією. Подібним чином програмні платформи типу Avida створюють «цифрові організми», що складаються з цифрових бітів і здатні мутувати багато в чому так само, як мутує ДНК. Іншими словами, вони теж еволюціонують. "Avida - це не симуляція еволюції, це її приклад, - сказав Карлу Ціммеру (Carl Zimmer) у програмі Discover Роберт Пеннок (Robert Pennock) з університету штату Мічиган. - Там відбувається процес природного відбору. Всі складові дарвінівського процесу там присутні. Ці штуки відтворюються, вони мутують, вони змагаються один з одним. Якщо у визначенні життя це головне, то ці речі треба теж враховувати ".
Я б сказав, що лабораторія Джойса сама завдала нищівного удару по робочому визначенню життя, створеному в НАСА. Він разом з багатьма іншими вченими віддає перевагу теорії походження життя під назвою «Світ РНК». Все життя на нашій планеті залежить від ДНК і РНК. У сучасних живих організмах ДНК зберігає інформацію, необхідну для створення білків і молекулярних механізмів, які спільно формують метушливу клітку. Спочатку вчені думали, що лише білки ензими можуть виступати як каталізатор хімічної реакції, необхідної для будівництва клітинної структури.
Але в 1980-х роках Томас Чех (Tomas Cech) і Сідней Альтман (Sidney Altman) виявили, що у взаємодії з різними білковими ензимами багато типів ензимів РНК, або рибозимі, зчитують закодовану в ДНК інформацію і крок за кроком будують різні частини клітини. Гіпотеза «Світ РНК» стверджує, що ранні організми на нашій планеті виконували всі ці завдання зі зберігання і використання генетичної інформації виключно за допомогою РНК і без допомоги ДНК і цілої свити білкових ензимів.
Як це могло відбуватися? А ось як. Близько чотирьох мільярдів років тому вільні нуклеотиди з первинного земного бульйону, які є будівельними цеглинками РНК і ДНК, з'єднувалися у все більш довгі ланцюжки і з часом справили на світ рибозими, які виявилися досить великими і складними, щоб створити нові копії самих себе. Таким чином, вони отримали набагато більше шансів вижити, ніж нездатні до відтворення РНК. Ці перші ензими оточили оболонкою мембрани, які збираються самостійно, сформувавши початкові клітини. Рибозими не тільки створили більше РНК, а й могли з'єднати нуклеотиди в ланцюжки ДНК. Нуклеотиди могли також спонтанно сформувати ДНК.
Так чи інакше, ДНК замінила РНК в якості головної молекули для зберігання інформації, тому що вона більш стабільна. А білки стали грати роль каталізаторів, оскільки вони дуже різноманітні і легко пристосовуються. Однак клітини сучасних організмів, як і раніше, містять залишки початкового світу РНК. Так, рибосоми, що представляють собою набір РНК і білків, який синтезує білки з амінокислот, є рибозимами. Є також група вірусів, яка використовує РНК як основний генетичний матеріал.
Щоб перевірити гіпотезу «Світ РНК», Джойс та інші вчені спробували створити такі типи самовідтворюваних рибозимів, які могли колись існувати в первинному бульйоні Землі. У середині 2000-х років Джойс і Трейсі Лінкольн (Tracey Lincoln) створили в лабораторних умовах трильйони випадкових і незв'язаних послідовностей РНК, схожі на ранні РНК, які могли конкурувати один з одним мільярди років тому.
Крім того, вони створили ізольовані послідовності, які випадково виявили здатність з'єднувати два інших шматочка РНК. Протиставляючи такі послідовності один одному, ця пара з часом справила два рибозими, які могли відтворювати один одного до нескінченності, поки отримували достатню кількість нуклеотидів. Ці голі молекули РНК здатні не тільки до відтворення, вони можуть також мутувати і еволюціонувати. Рибозимі, наприклад, змінили невеликі сегменти свого генетичного коду, щоб адаптуватися до мінливих умов навколишнього середовища.
"Вони підходять під робоче визначення життя, - каже Джойс. - Це самостійна дарвінівська еволюція ". Однак він не може точно сказати, чи є рибозимі живими. Щоб не перетворитися на доктора Франкенштейна, Джойс хоче побачити, як його творіння набуває абсолютно нових властивостей, а не просто модифікує те, що вже вміє робити. «Я думаю, відсутня ланка тут у тому, що рибозимі повинні бути винахідливими, повинні створювати нові рішення», - говорить він.
Але мені здається, що Джойс не віддає належне рибозимам. Еволюція - це генні зміни, що відбуваються з часом. Щоб побачити еволюцію в дії, не потрібно чекати, коли у свиней з'являться крила, а РНК зберуться в букви алфавіту. Блакитний колір очей, що з'явився 6000-10000 років тому, - це просто черговий різновид пігменту райдужної оболонки. Це такий же обгрунтований приклад еволюції, як і перші пернаті динозаври. Якщо ми даємо визначення життя як «самостійної системи, здатної на еволюцію Дарвіна», то я не бачу жодних вагомих причин для того, щоб позбавляти звання живих самовідтворювані рибозими або віруси. Але я також не бачу підстав для повної відмови від цього робочого визначення і від усіх інших визначень життя.
Чому настільки важко дати визначення життя? Чому вчені та мислителі століттями не можуть знайти конкретну фізичну властивість або набір властивостей, які можуть чітко відокремити живе від неживого? Тому що таких властивостей не існує. Життя - це поняття, яке ми винайшли. На самому базовому рівні вся існуюча матерія - це організована безліч атомів і складових їх частинок. Це неймовірно складна безліч, в якому є такі речі як елементарний атом водню і складний головний мозок.
Намагаючись дати визначення життя, ми довільно провели риску в цій складній безлічі і оголосили: все, що вище неї, живе, а все що нижче - ні. Насправді таке розмежування існує тільки у нас в мозку. Немає того порогу, за яким скупчення атомів раптово оживає, немає чіткої відмінності між живим і неживим, немає горезвісної іскри Франкенштейна. Ми не може дати визначення життя, тому що і визначати-то тут нічого.
Я нервово пояснив ці свої ідеї Джойсу по телефону, очікуючи, що він засміється і назве їх абсурдом. Зрештою, адже це він допомагав НАСА розробляти визначення життя. Але Джойс назвав «ідеальним» аргумент про те, що життя це всього лише поняття, або ідея. Він згоден з тим, що давати визначення життя це в певному сенсі порожня затія. Робоче визначення існує просто для мовної зручності. "Ми намагалися допомогти НАСА знайти позаземне життя, - каже він. - Ми не могли використовувати в кожному абзаці слово "життя", не давши йому визначення ".
Філософ з Колорадського університету в Боулдері Керол Кліланд (Carol Cleland), яка багато років присвятила дослідженню спроб дати опис життя, також вважає неправильним прагнення дати їй точне визначення. Але вона поки не готова відмовити життю в її фізичній реальності. "Робити висновок про відсутність справжньої природи життя настільки ж передчасно, як і давати їй визначення, - каже вона. - Мені здається, кращий варіант в таких умовах - вважати остаточні критерії життя гіпотетичними і умозрительними ".
Що нам потрібно насправді, пише Кліланд, так це «досить обґрунтована і адекватна загальна теорія життя». Вона проводить порівняння з хіміками з шістнадцятого століття. До того як вчені зрозуміли, що повітря, бруд, кислоти і всі хімічні речовини складаються з молекул, їм не вдавалося дати визначення води. Вони могли перераховувати її властивості - мокра, прозора, несмачна, замерзає, може розчиняти багато інших речовин, - але були не в силах точно охарактеризувати її, поки дослідники не виявили, що вода це два атома водню в зв'язці з атомом кисню.
Солона, брудна, підфарбована, рідка, заморожена - вода це завжди Н2О. У її складі в якості домішки можуть бути інші елементи, але трійка атомів, складових те, що ми кличемо водою, присутня в ній завжди. Азотна кислота може нагадувати воду, але це не вода, тому що дві субстанції мають різну молекулярну структуру. Для створення теорії життя, що відповідає молекулярній теорії, потрібно набагато більша величина вибірки, каже Кліланд. Вона стверджує, що поки у нас є тільки один приклад того, що є життя - це земне життя, в основі якого лежить ДНК і РНК. Як можна створювати теорію про ссавців, спостерігаючи тільки за зебрами? Адже саме в такому становищі ми опинилися зі своїми спробами визначити, що робить життя життям, підсумовує Кліланд.
Я з нею не згоден. Звичайно, відкриття зразків позаземного життя на інших планетах розширить наші уявлення про те, як працює те, що ми називаємо живими організмами, і насамперед, як вони розвивалися. Але такі знахідки навряд чи допоможуть нам розробити нову революційну теорію життя. Хіміки XVI століття не могли сказати, чим вода відрізняється від інших речовин, оскільки вони не розуміли її фундаментальну природу: вони не знали, що кожна речовина складається з конкретного і впорядкованого набору молекул. А сучасні вчені точно знають, з чого складаються істоти на нашій планеті - з клітин, білків, ДНК і РНК.
Молекули води, ґрунту і срібла від кішок, людей та інших живих істот відрізняє не «життя», а рівень складності. Вчені вже мають достатній набір знань, щоб пояснити, чому так звані організми можуть робити те, чого більша частина неживого робити не в змозі. Вони можуть розповісти, як бактерії роблять нові копії самих себе, як вони швидко пристосовуються до свого середовища і чому цього не можуть каміння. Але при цьому вони можуть не говорити, що живе це те-то, а неживе те-то, і що ця пара ніколи не об'єднається.
Визнаючи життя як поняття та ідеї, ми ні в якому разі не позбавляємо його властивої їй пишності. Справа не у відсутності матеріальних відмінностей між живим і неживим. Швидше за все, ми ніколи не знайдемо чітку розмежувальну лінію між ними, оскільки поняття життя і не-життя як певних категорій - це просто поняття, а не дійсність. Все, що захоплювало мене в живій природі в дитинстві, рівною мірою дивує і зараз, навіть з моїм новим розумінням життя. Я думаю, що ті речі, які ми називаємо живими, насправді об'єднують не якісь тільки їм притаманні властивості; швидше, їх об'єднує наше уявлення про них, наша любов до них і, якщо говорити відверто, наша зарозумілість і нарцисизм.
По-перше, ми оголосили, що все на Землі можна розділити на дві групи - на живе і неживе, і не секрет, яку групу ми вважаємо вищою. Далі, ми не тільки помістили себе самих в першу групу, ми наполягли на тому, що всі інші форми життя на нашій планеті треба оцінювати в співвідношенні з нами. Чим більше така форма схожа на нас - чим більше вона рухається, каже, відчуває, думає, - тим більш живою ми її вважаємо. Але при цьому конкретний набір властивостей і характеристик, що роблять людину людиною, це далеко не єдиний спосіб (і далеко не найуспішніший з точки зору еволюції) опису живого.
Правду кажучи, те, що ми називаємо життям, неможливо без і невіддільно від того, що ми вважаємо неживим. Якби ми могли якось підглянути основоположну сутність нашої планети, зрозуміти її структуру на всіх рівнях одночасно - від мікроскопічного до макроскопічного, ми б побачили світ як незліченну безліч піщинок, як гігантську трепіщучу сферу атомів. Людина може з тисяч практично ідентичних піщинок будувати на пляжі замки, робити медуз і все інше, що він тільки в змозі собі уявити.
Точно так само незліченні атоми, з яких складається все на нашій планеті, безперервно збираються, розпадаються і створюють калейдоскоп матерії, що постійно змінюється. Деякі безлічі цих частинок стають горами, океанами і хмарами; з інших виходять дерева, риби та птахи. Деякі безлічі залишаються відносно нерухомими та інертними; інші ж змінюються з неймовірною швидкістю і спантеличують складністю своїх побудов. З чогось виходить конструктор K'Nex, а з чогось кішка.
