Воспроизводство протоклеток в лаборатории

Изложенный выше сценарий по-прежнему остается весьма умозрительным, поскольку химикам до сих пор не удалось получить липиды из простых молекул. В окружающей нас среде липиды образуются из нефти и других органических веществ. И все же подход, ставящий во главу угла мембраны и пузырьки, а не ДНК и РНК, положил начало новому многообещающему направлению исследований, которое уже принесло целый ряд обнадеживающих результатов.

Две базовые реакции в элементарной автопоэтической системе. Luisi (1993)

Одними из первопроходцев в этой области являются ученые из Швейцарского федерального технологического института (ЕТН) в Цюрихе, работающие под руководством Пьера Луиджи Луизи. Им удалось получить простые «мыльно-водные» среды, в которых спонтанно образуются аналогичные пузырьки и, в зависимости от проходящих в этих средах химических реакций, они самоподдерживаются, растут, самовоспроизводятся или же коллапсируют и гибнут [51].

Луизи подчеркивает, что созданные в его лаборатории самовоспроизводящиеся пузырьки представляют собой элементарные автопоэтические системы, в которых объем, где проходят химические реакции, ограничен оболочкой, построенной из продуктов самих этих реакций. В простейшем случае, который изображен на рисунке, оболочка состоит только из одного компонента — С. Имеется лишь один тип молекул, А, способных проходить сквозь мембрану и посредством реакции А — С образовывать внутри пузырька вещество С. Кроме того, имеет место реакция разложения С — Р, и возникшее в результате вещество Р покидает пузырек. В зависимости от соотношения скоростей этих двух базовых реакций пузырек будет либо расти и самовоспроизводиться, либо сохранять устойчивость, либо гибнуть.

Луизи и его коллеги экспериментировали с различными типами пузырьков и испробовали множество химических реакций внутри них [52]. Получив спонтанно образующиеся автопоэтические протоклетки, биохимики воспроизвели, пожалуй, наиболее важную стадию пребиотической эволюции.

Катализаторы и сложность

Образование протоклеток и молекул, способных поглощать и преобразовывать солнечную энергию, открыло путь для направленного усложнения структур. На этой стадии составляющие их химические соединения включали в себя углерод, водород, кислород и, вероятно, серу. Вступление же в игру азота (скорее всего, в виде аммония — NH3) сделало возможным резкое возрастание сложности молекул, поскольку азот необходим для реализации двух отличительных черт клеточной жизни — катализа и хранения информации [53].

Катализаторы ускоряют ход химических реакций, сами не претерпевая при этом изменений. Они также делают возможными реакции, которые без них не могли бы идти. Каталитические реакции — это важнейшие процессы химии живого. В современных клетках они управляются ферментами, но на ранних стадиях этих сложных молекул еще не существовало.

Тем не менее, химики обнаружили, что каталитические свойства могут проявлять, прикрепляясь к мембране, и некоторые простые молекулы. Моровиц полагает, что приход азота в химию протоклеток привел к образованию как раз таких примитивных катализаторов. И ученые из Швейцарского технологического института успешно воспроизвели эту эволюционную стадию, прикрепив молекулы со слабыми каталитическими свойствами к стенкам полученных в лаборатории пузырьков [54].

Появление катализаторов привело к быстрому росту молекулярной сложности, поскольку они служат связующим звеном между различными реакциями, образуя тем самым химические сети. Теперь уже в игру вступили все законы нелинейной динамики сетей. Как показали Илья Пригожий и Манфред Эйген — два нобелевских лауреата по химии и первопроходцы в изучении самоорганизующихся химических систем, — это, в числе прочего, открывает путь к спонтанному образованию новых упорядоченных форм [55].

Каталитические реакции значительно увеличили число полезных случайных событий, что привело к развертыванию полномасштабной дарвиновской конкуренции за выживание, постоянно подталкивавшей протоклетки к росту сложности, удалению от равновесия и в конце концов — к жизни.

Последней стадией возникновения жизни из протоклеток явилась эволюция белков, нуклеиновых кислот и генетического кода. Подробности прохождения этой стадии пока что весьма туманны, но не следует забывать, что эволюция каталитических сетей в замкнутом пространстве протоклеток породила новый тип сетевых химических процессов, которые до сих пор далеко не поняты. Можно рассчитывать, что применение к этим сложным химическим сетям законов нелинейной динамики и предсказанная Иэном Стюартом «лавина новых математических концепций» в значительной мере прольют свет на последнюю стадию пребиотической эволюции. Гарольд Моровиц указывает, что в результате анализа химических путей, ведущих от простых молекул к аминокислотам, обнаружились поразительные соответствия, вскрывающие в формировании генетического кода «глубокую сетевую логику» [56].

Другое интересное открытие состоит в том, что находящиеся в замкнутом пространстве химические сети, пронизываемые постоянными энергетическими потоками, порождают процессы, удивительно похожие на те, что происходят в экосистемах. Например, в лабораторных системах удалось продемонстрировать развитие ключевых черт биологического фотосинтеза и экологического углеродного цикла. Круговорот материи оказывается общей чертой химических сетей, поддерживаемых постоянным энергетическим потоком в существенно неравновесном состоянии [57].

«Общая идея, — заключает Моровиц, — состоит в необходимости осмысления сложных сетей органических реакций, промежуточные продукты которых служат катализаторами других реакций... Если мы лучше поймем, как изучать химические сети, множество других проблем пребиотической химии значительно упростятся» [58]. Рост интереса биохимиков к нелинейной динамике будет весьма способствовать тому, что предвиденная Стюартом новая «биоматематика» включит в себя адекватную теорию химических сетей и в конце концов поможет раскрыть секреты последней стадии возникновения жизни.

Становление жизни

Когда в макромолекулах оказалась закодирована память, ограниченные мембранами химические сети приобрели все отличительные черты современных бактериальных клеток. Эта крупнейшая веха в эволюции жизни приходится на время, отстоящее от нас приблизительно на 3,8 миллиарда лет, — спустя 100 миллионов лет после образования первых протоклеток. Это событие ознаменовало появление всеобщего предка — отдельной клетки, либо же клеточной популяции, — от которого последовательно произошла вся земная жизнь. Как разъясняет Моровиц: «Хотя мы не знаем, сколько было независимых случаев возникновения клеточной жизни, вся нынешняя жизнь происходит от единого клона. Это следует из универсальности базовых биохимических сетей и программ макромолекулярного синтеза» [59]. Общий предок был совершеннее любой из протоклеток, а потому его потомки заполонили Землю, построили планетарную бактериальную сеть и заняли все экологические ниши, так что зарождение других форм жизни стало невозможным.

Глобальное становление жизни шло по трем главным эволюционным направлениям [60]. Первое и, пожалуй, наименее важное — это случайные мутации генов, главная опора неодарвинистской теории. Генные мутации возникают вследствие случайных ошибок в саморепликации ДНК, когда нити ее двойной спирали разделяются и каждая из них служит шаблоном для построения новой комплементарной цепи. Такие ошибки, однако, вряд ли случаются достаточно часто, чтобы объяснить ими эволюционное возникновение огромного разнообразия живых форм — особенно с учетом того общеизвестного факта, что большинство мутаций пагубны для организма и лишь весьма малая их часть приводит к полезным изменениям [61]. В случае бактерий ситуация здесь несколько иная, поскольку они делятся так быстро, что в течение дня одна клетка способна породить миллиарды себе подобных. Из-за столь огромной скорости воспроизводства одна удачная мутация может распространиться довольно быстро. Поэтому в отношении бактерий пренебрегать этим направлением эволюции нельзя.

Однако бактерии следовали и другому, гораздо более эффективному, эволюционному направлению, чем случайные мутации. Они обладают свойством чрезвычайно легко передавать друг другу наследственные признаки по глобальной обменной сети. Обнаружение такого широкомасштабного обмена генами, получившего название рекомбинации ДНК, следует считать одним из наиболее поразительных открытий современной биологии. Вот как образно описывает это явление Линн Маргулис: «Горизонтальная генная передача у бактерий — это как если бы вы прыгнули в бассейн с карими глазами, а вынырнули с голубыми» [62].

Такая генная передача происходит непрерывно, в ней участвует множество бактерий, ежедневно обменивающихся до 15 % генного материала. Как объясняет Маргулис: «Если бактерии что-нибудь угрожает, она выбрасывает свою ДНК в окружающую среду, соседи подбирают ее, и за несколько месяцев она обходит весь земной шар» [63]. Поскольку все штаммы бактерий в принципе способны таким образом обмениваться наследственными признаками, некоторые микробиологи доказывают, что бактерии, строго говоря, нельзя подразделять на виды [64]. Иными словами, все бактерии оказываются частью единой микроскопической живой сети.

Таким образом, бактерии способны в процессе своей эволюции быстро накапливать случайные мутации, а также встраивать в себя при помощи генного обмена крупные участки ДНК. Соответственно, они обладают впечатляющей способностью приспосабливаться к окружающим условиям. Ярким свидетельством эффективности их коммуникационной сети может послужить быстрота, с которой в бактериальных сообществах распространяется устойчивость к лекарственным препаратам. Микробиология преподает нам отрезвляющий урок: такие технологии, как генная инженерия и глобальные сети связи, которые нередко почитаются выдающимися достижениями современной человеческой цивилизации, применяются планетарным сообществом бактерий уже миллиарды лет.

В течение первых двух миллиардов лет биологической эволюции бактерии и другие микроорганизмы оставались единственными живыми формами на планете. За этот период бактерии постепенно преобразили земную поверхность и атмосферу, и установили глобальные обратные связи для саморегуляции системы Геи. В процессе этой деятельности они изобрели все важнейшие биотехнологии живого, включая брожение, фотосинтез, азотфиксацию, дыхание и различные приспособления для быстрого передвижения. Последние микробиологические исследования со всей очевидностью показали, что в отношении процессов жизнедеятельности планетарная система бактерий служила основным источником эволюционной креативности.

А что же эволюция биологических форм, того удивительного разнообразия живых существ, которое мы наблюдаем в сегодняшнем мире? Если случайные мутации не являются эффективным в этом отношении механизмом, если высшие формы жизни не обмениваются генами как бактерии, то как же возникли они? Линн Маргулис ответила на этот вопрос, обнаружив третье направление эволюции — развитие путем симбиоза, — имевшее далеко идущие последствия для всех отраслей биологии.

Симбиоз, склонность различных организмов жить в тесном сотрудничестве друг с другом, а порой и внутри друг друга (как, например, бактерии в нашем кишечнике) — явление широко распространенное и хорошо известное. Но Маргулис пошла дальше, выдвинув гипотезу, что длительный симбиоз крупных клеток с обитающими в них бактериями и другими микроорганизмами приводил и продолжает приводить к образованию новых форм жизни. Впервые Маргулис опубликовала свою революционную гипотезу в середине шестидесятых и за прошедшие годы развила ее в полноценную теорию, получившую название теории симбиогенеза. Непрерывные симбиотические приспособления рассматриваются в ней как основное направление эволюции всех высших организмов и возникновения новых их форм [65].

Главенствующую роль в такой симбиотической эволюции играли опять-таки бактерии. Результатом того, что определенные бактерии симбиотически слились с более крупными клетками и стали обитать в них в качестве органелл, стал гигантский эволюционный шаг — образование растительных и животных клеток, размножающихся половым путем и в конце концов развившихся в те живые организмы, которые мы сегодня наблюдаем вокруг себя. В процессе своей эволюции эти организмы продолжали поглощать бактерии, встраивая их геном в свой, благодаря чему синтезировались новые белки, которые выполняли новые функции и служили материалом для новых структур. Это чем-то напоминает слияние и поглощение корпораций в нынешнем деловом мире. В частности, ученые получают все больше свидетельств в пользу того, что микроканальцы (microtubules), являющиеся неотъемлемой частью структуры мозга, были изначально привнесены бактериями-спирохетами [66].

Эволюционное становление жизни в течение миллиардов лет — это захватывающая история, блестяще рассказанная Линн Маргулис и Дорионом Саганом в книге «Микрокосм» [67]. Движимая созидательной способностью, присущей всем живым системам, проявляющаяся посредством мутаций, генного обмена и симбиоза, усовершенствованная естественным отбором, планетарная сеть жизни расширялась и усложнялась, приобретая все большее разнообразие.

Это величественное развертывание жизни не представляло собой непрерывную цепь постепенных изменений. Геологические свидетельства ясно показывают, что длительные периоды стабильности эволюционной истории, или стасиса, время от времени прерывались внезапными качественными скачками [68]. Такая картина «перемежающейся стабильности» указывает, что упомянутые внезапные переходы вызывались совершенно иными механизмами, нежели случайные мутации неодарвинистской теории; возникновение новых видов путем симбиоза, по-видимому, играло здесь ключевую роль. Как пишет Маргулис: «В масштабах огромных геологических периодов симбиозы были как вспышки эволюционной молнии» [69].

Еще одной примечательной особенностью было периодическое наступление катастрофических событий с последующими длительными периодами роста и обновления. Так, 245 миллионов лет назад произошло наиболее массовое вымирание населявших планету существ, за которым быстро последовало развитие млекопитающих. А 66 миллионов лет назад катастрофа, стершая с лица земли динозавров, открыла путь для эволюции приматов и, в конечном итоге, человека.

Что такое жизнь?

Давайте вернемся теперь к поставленному в начале этой главы вопросу об определяющих характеристиках живых систем и подытожим то, что нам удалось выяснить. Рассмотрев простейшие из таких систем — бактерии, — мы охарактеризовали живую клетку как ограниченную мембраной, самовоспроизводящуюся, организационно замкнутую метаболическую сеть. Эта сеть включает в себя несколько типов чрезвычайно сложных макромолекул: структурные белки, ферменты, которые катализируют метаболические процессы, переносчики генетической информации РНК и, наконец, ДНК, которые хранят эту информацию и отвечают за самовоспроизводство клетки.

Мы также выяснили, что клеточная сеть материально и энергетически открыта и использует непрерывный поток материи и энергии для своего построения, ремонта и поддержания жизнеспособности. Сеть эта существенно неравновесна, что обусловливает спонтанное возникновение новых структур и форм, а значит — становление и эволюцию.

Наконец, мы увидели, что пребиотическая форма эволюции с участием окруженных мембранами пузырьков «элементарной жизни» началась задолго до возникновения первой живой клетки и что своими корнями жизнь уходит глубоко в фундаментальную физику и химию таких протоклеток.

Также мы определили три основных направления эволюционного становления — мутации, генный обмен и симбиоз. Следуя именно этим направлениям, в течение более трех миллиардов лет жизнь развертывалась от общих бактериальных предков до человека, ни разу не нарушив базовой организационной модели своих самовоспроизводящихся сетей.

Чтобы распространить такое понимание природы жизни на сферу человеческого общества (что и является основной задачей настоящей книги), нам придется рассмотреть такие вещи, как понятийное мышление, ценности, смысл и цель — феномены, относящиеся к области человеческого сознания и культуры. Это значит, что наше понимание живых систем должно охватить также разум и сознание.

Обратившись к когнитивному аспекту жизни, мы увидим, что в наше время формируется единый взгляд на жизнь, разум и сознание, в котором человеческое сознание оказывается неразрывно связано с социальным миром межличностных отношений и культуры. Более того, мы обнаружим, что этот единый взгляд допускает осмысление духовного аспекта жизни, ничуть не противоречащее традиционным концепциям духовности.

Глава II

РАЗУМ И СОЗНАНИЕ

Одно из наиболее важных философских следствий нового понимания жизни — это новая концепция природы разума и сознания, призванная в конечном итоге преодолеть картезианское противопоставление разума и материи. В XVII веке Рене Декарт основывал свое видение природы на фундаментальном различении между двумя независимыми и отдельными сферами — сферой разума, «вещи мыслящей» (res cogitans), и сферой материи, «вещи протяженной» (res extensa). Такой концептуальный разрыв между разумом и материей более трехсот лет был общим местом западной науки и философии.

Следуя Декарту, ученые и философы продолжали считать разум некоей непостижимой сущностью и не могли представить себе, каким образом эта «мыслящая вещь» соотносится с телом. И хотя нейробиологи уже в XIX веке знали о теснейшей связи мозговых структур с мыслительными функциями, конкретное соотношение разума и мозга оставалось загадкой. Еще совсем недавно, в 1994 году, редакторы антологии, озаглавленной «Сознание в философии и когнитивной нейробиологии» честно признавались в предисловии: «И хотя ни у кого не вызывает сомнений, что разум каким-то образом связан с мозгом, по поводу конкретной природы этой связи единого мнения нет до сих пор» [1].

Решительный прогресс, достигнутый в этом отношении благодаря системному видению жизни, состоял в отказе от картезианских воззрений на разум как на вещь и понимании того, что разум и сознание суть не вещи, но процессы. В биологии такая новая концепция разума была разработана в 60-е годы Грегори Бэтсоном, использовавшим термин «ментальный процесс», и независимо от него Умберто Матураной, чьи научные интересы касались в первую очередь когнитивности, т. е. процесса познания [2]. В 1970-х годах Матурана и Франсиско Варела развили первоначальные построения Матураны в полноценную теорию, получившую известность как сантьягская теория познания [3]. За прошедшие двадцать пять лет изучение человеческого разума под таким системным углом зрения породило разностороннюю междисциплинарную область, получившую название когнитивистики. Этой новой науке удалось выйти за традиционные рамки биологии, психологии и гносеологии.