Странные вопросы о Вселенной, или Как сделать Солнце из бананового пюре

В плане эволюции главная цель – передача ваших генов следующему поколению[6 - Информация для построения организма кодируется в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК – двойной спиральной молекуле, содержащейся внутри каждой клетки. Участок ДНК, который кодирует белок, называется геномом. Белки – это «рабочие лошадки» клетки, гигантские молекулы, собранные из аминокислотных строительных блоков.]. Не части этих генов, а именно полного их комплекта. С этой точки зрения разумно было бы клонировать себя, поскольку это обеспечивает 100-процентную передачу ваших генов любому потомству. Большинство существ на Земле практикует именно такое бесполое размножение. С другой стороны, организмы, вступающие в половые отношения, передают следующему поколению только половину своих генов. Они должны воспроизвести в два раза больше потомства, чтобы достичь того же результата, что и бесполые организмы, и при этом они должны тратить дополнительную энергию на поиск партнера. Все это представляется довольно бессмысленным.

Многие пытались объяснить разделение существ по половому признаку, но до недавнего времени ни одно объяснение не могло считаться достаточно убедительным. В последнее время, однако, все большее признание получает следующее толкование. Что самое удивительное, к нему подтолкнуло исследование таких организмов, как паразиты.

Если говорить о людях, то по всему миру, к сожалению, в каждый данный момент времени более двух миллиардов человек являются носителями различных видов паразитов, от малярийных плазмодий до кишечных глистов. Как правило, у них небольшие размеры и они способны быстро воспроизводить себя. А это означает, что за время жизни своего хозяина они могут дать жизнь многим поколениям себе подобных. Следовательно, они способны быстро адаптироваться к своему хозяину, чтобы научиться эффективно использовать его ресурсы. Сам организм-носитель в результате такого использования его ресурсов оказывается сильно ослабленным, иногда такое паразитирование может даже привести к его летальному исходу.

Чтобы понять, какое отношение к паразитам имеет разделение по признаку полов, давайте рассмотрим следующую ситуацию. Представим себе, что ДНК организма – это колода игральных карт. Когда организм просто клонирует себя, его потомство наследует всю колоду карт. В крайнем случае, одна или две карты слегка изменятся из-за случайной мутации. Но если мы имеем дело с половым размножением, потомство наследует половину карт из колоды одного родителя и половину карт из колоды другого родителя, причем они будут перетасованы друг с другом в случайном порядке. Полученные отпрыски будут не только отличаться от своих родителей, они будут уникальны. Следовательно, паразиты, жившие у родителей, окажутся плохо приспособлены к их детям и погибнут.

Идея о том, что разделение по половому признаку помогает избавляться от паразитов, была предложена американским биологом Ли Ван Валеном в 1973 г.[7 - «A New Evolutionary Law», Leigh Van Valen (Evolutionary Theory, Vol. 1, p. 1, 1973).]. Суть этой идеи в следующем: хотя организмы, паразитирующие в теле хозяина, способны постоянно обновляться, популяция хозяев может пережить их неустанный натиск, изменяясь еще быстрее.

В книге «Алиса в Зазеркалье», которую Льюис Кэрролл написал в 1871 году как продолжение «Алисы в Стране Чудес», Алиса бежит рядом с Черной Королевой и не понимает, почему не двигается с места.

– У нас, когда быстро и долго бежишь, – сказала Алиса, переводя дыхание, – непременно попадаешь в другое место.

– Какая медлительная страна! – сказала Королева. – А здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте[8 - Перевод Н. Демуровой.].

Концепция Ван Валена, основанная на том, что разделение по половому признаку нужно организмам, чтобы эффективнее бороться с паразитами, получила название «гипотеза Черной Королевы». В 2011 году она получила сильное подспорье с экспериментальной стороны[9 - «The Red Queen: Sex and the Evolution of Human Nature», Matt Ridley (Penguin, 1994).]. Путем генетических манипуляций биологи в США сконструировали две различные популяции круглых червей Caenorhabditis elegans, которые размножались двумя способами: бесполым, путем оплодотворения своих собственных яиц, и половым – в результате скрещивания женских и мужских червей[10 - «Running with the Red Queen: Host-Parasite Coevolution Selects for Biparental Sex», Levi T. Morran et al. (Science, Vol. 333, p. 216, 2011).]. Затем биологи заразили обе группы червей патогенными бактериями. Самооплодотворяющаяся популяция быстро вымерла в присутствии бактерий Serratia marcescens, а на другую популяцию эти бактерии такого разрушительного действия не произвели. Черви с половыми признаками опережали паразитов – они постоянно «бежали» быстрее. Возможно, это не самое романтичное объяснение влюбленности, но природа, кажется, произвела «дискриминацию» по половому признаку в том числе и для защиты от паразитов.

3. Фокус с кислородом

Заправляем малышей ракетным топливом

В каждом из нас все время происходит процесс горения, очень похожий на горение свечи.

    Майкл Фарадей[11 - «A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle», Michael Faraday (Griffin, Bohn & Co., 1861).]

Ребенок ворочается в кроватке. Ракета устремляется ввысь, взвиваясь в небо на столбе дыма и пламени. Что общего между этими двумя процессами? – спросите вы. Казалось бы, ничего. И все-таки общее есть. В основе обоих процессов лежит одна и та же химическая реакция. Оба процесса подпитываются ракетным топливом.

Это не так удивительно, как может показаться на первый взгляд. Для вывода тяжелой ракеты на орбиту требуется двигатель, работающий на самом эффективном топливе, способный развить наибольшую мощность. Жизнь на Земле развивалась почти 4 миллиарда лет и проходила через бесконечную череду проб и ошибок. Было бы странно, если бы попытки отыскать подходящий источник энергии для биологических процессов не увенчались открытием самого эффективного из них.

И такой источник энергии, естественно, был найден. Это химическая реакция между водородом и кислородом, или горение, оно же окисление. Животные извлекают водород из пищи, а кислород – из воздуха. Ракета питается топливом, состоящим из жидкого водорода и кислорода. Чтобы понять, как происходит реакция между водородом и кислородом и откуда берется такое огромное количество энергии, рассмотрим более подробно этот процесс.

Атомы водорода и кислорода – и всех остальных веществ – состоят из крошечных ядер и еще более крошечных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, будучи не в силах избавиться от мощных пут его электрического заряда, во многом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, находясь в силках его гравитационного поля.

С точки зрения физики, все тела стремятся уменьшить до минимума свою потенциальную энергию, которая является мерой того, что полезного может совершить то или иное тело, или, говоря научным языком, какую «работу» оно может совершить. Например, мяч на холме обладает высокой гравитационной потенциальной энергией. Если предоставить ему возможность, он постарается уменьшить свою энергию, скатившись к основанию холма, где гравитационная потенциальная энергия у мяча будет меньше. Так же, как мяч скатывается с холма, электроны в атоме будут стремиться уменьшить свою энергию.

При соединении двух атомов электроны получают возможность расположиться по-новому в каждом атоме. Если найдется такая конфигурация, в которой полная энергия атомов будет ниже, чем в двух отдельных атомах, атомы объединятся и образуют молекулу. Происходит перегруппировка электронов. В этих двух словах заключена, по сути, вся химия.

Поскольку энергия молекулы меньше энергии образовавших ее атомов, остается лишняя энергия. Основной закон физики гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться; она может только переходить из одной формы в другую – например, электрическая энергия может преобразоваться в световую. Следовательно, излишек энергии может производить работу.

В ракете происходит реакция между атомами водорода и атомами кислорода. Конкретно – два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, в результате чего образуется вода – H

O. При этом освобождается большое количество энергии. Вода за счет этой энергии нагревается и выталкивается в виде пара с огромной скоростью из хвостовой части ракеты (в итоге ракеты движутся на паровой тяге!). Действие равно противодействию, и быстрый выхлоп толкает ракету вперед.

Шаттл «на паровой тяге»: многоразовый космический корабль NASA, запускаемый в космос благодаря химической реакции, превращающей кислород и водород в воду.

Запуск корабля многоразового использования на орбиту вокруг Земли в 1989 г. (астронавты Джон Янг и Роберт Криппен, стартовая площадка 39А, STS-1, NASA).

Освобождение огромного количества энергии в результате реакции между водородом и кислородом может поднять ракету и запустить ее в дальний космос[12 - Энергии, выделяемой топливом, состоящим из жидкого водорода и жидкого кислорода, не вполне достаточно, чтобы поднять в космос их общий вес плюс вес металлической оболочки ракеты. Поэтому ракета состоит из ступеней. Сбрасывая ступень при подъеме в верхние слои атмосферы, ракета становится легче. На долю оставшегося топлива выпадает более легкая работа по подъему ракеты в космос.]. Эта же реакция лежит в основе подвижности ребенка, не говоря уже о любой вашей или моей деятельности, да и вообще активности каждого животного на Земле.

При полете ракеты образуется вода в результате соединения водорода и кислорода. При этом мгновенно выделяется огромное количество тепловой энергии. В живых организмах процесс, очевидно, происходит не так бурно. В них энергия освобождается постепенно, шаг за шагом, гораздо более искусным и менее разрушительным способом.

То, что происходит в ракете, взлетающей благодаря реакции между водородом и кислородом, происходит во всех химических реакциях: электроны участвуют в игре под названием «чехарда». А именно – в нашем случае атом кислорода захватывает электроны из двух водородных атомов[13 - Электроны в атоме расположены в оболочках, каждая из которых может быть заполнена до определенного предела. Каждый атом стремится иметь комплект полностью заполненных оболочек. Атом водорода может легко достичь этого состояния, потеряв электрон (фактически, свой единственный электрон), атом кислорода – получив два электрона. Вот почему атом кислорода с готовностью захватывает электроны из двух атомов водорода. Состояние, в котором два атома водорода теряют по электрону, а атом кислорода получает при этом два электрона, является самым низкоэнергетическим, желательным состоянием, которое можно сравнить с положением мяча, лежащего у подножия холма.]. В результате объединения этих атомов образуется молекула воды.

Чудесный источник энергии: энергия молекулы воды (справа) меньше, чем энергия составляющих ее атомов водорода и кислорода (слева), поэтому выделяется избыточная энергия.

В биологии мы имеем дело с неожиданным вариантом кислородно-водородной реакции: атомы водорода в клетке отдают свои электроны атому кислорода, но три атома при этом никогда не соприкасаются. Между атомами водорода и атомом кислорода протянута длинная электропроводящая перемычка из протеиновых комплексов. Освобожденные из атома водорода электроны, которые не могут сразу отдать переизбыток энергии, вынуждены перескакивать с места на место вдоль этой перемычки.

При каждом таком подскоке электрон действует на ядра атомов водорода, или протоны, через каналы, или поры, в клеточной мембране[14 - Протон, который примерно в 2000 раз массивнее электрона, – одна из двух составляющих ядра атома. Другая составляющая ядра – нейтрон. Все атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, кроме ядра атома водорода, которое содержит только протон.][15 - Наивно думать, что электрон просто врезается в протон, подталкивая его через пору в клеточной мембране. На самом деле электрон меняет форму белка. Белок имеет разную форму в зависимости от того, располагает ли он этим электроном. Именно такие изменения формы прокладывают электрону путь через мембрану.]. Поскольку протоны несут положительный электрический заряд – в отличие от электронов, которые заряжены отрицательно, – одна сторона мембраны оказывается заряженной по отношению к другой. Нечто подобное происходит в аккумуляторной батарее, между клеммами которой возникает электродвижущая сила. Именно это и делает сверхактивный электрон, пытающийся пробиться к атому кислорода через протеиновую заслонку: он превращает клеточную мембрану в заряженную батарею. В мембране возникает чрезвычайно большая напряженность электрического поля – она сравнима с напряженностью электрического поля при грозовом разряде, который расщепляет молекулы азота и кислорода и порождает вспышку молнии.

К счастью, клетки в нашем организме не трескаются от разряда, как молекулы во время грозы. Толщина клеточной мембраны очень мала, всего 5 миллионных долей миллиметра, и только она испытывает на себе действие электрического поля. К тому же в процесс вмешиваются другие молекулы, сдерживающие это поле.

Мощное напряжение электрического поля мембранной батареи возбуждает химическую реакцию, которая создает молекулы аденозинтрифосфата, или АТФ. Эти молекулы – своеобразные портативные батареи, они содержат большой запас энергии. Электрон, который совершает все новые и новые подскоки к протеиновой перемычке, теряя при этом энергию, оставляет за собой большое количество насыщенных энергией молекул АТФ. Если эту энергию выпустить на свободу, она способна питать клеточные процессы там и тогда, где и когда это будет необходимо.

В конечном счете, вы питаетесь от батареи! В вашем теле порядка миллиарда молекул АТФ, и их запасы энергии используются и восполняются каждую минуту или каждые пару минут. Несколько батареек обеспечивают бесперебойную работу игрушек в течение нескольких часов. А ваше тело использует до 10 миллионов блоков питания каждую секунду.

Протоны, которые подвергаются толчкам через клеточную мембрану, превращают мембрану в батарею, а она приводит в действие химическую реакцию, в результате которой появляются молекулы АТФ – источники питания «биологической батареи».

В конце концов электрон, лишенный всей своей энергии, достигает финальной точки в своем путешествии по протеиновой цепочке. И здесь он наконец встречается с атомом кислорода. А когда к нему присоединяется второй электрон от другого атома водорода, для атома кислорода наступает столь желаемое состояние, когда вся его внешняя оболочка заполнена электронами[16 - См. примечание 13.]. Но и это еще не конец истории.

Как мы уже говорили, живые организмы получают свой водород с пищей. Затем внутри клетки происходит очень хитрый и энергоэффективный процесс, называемый циклом Кребса, в ходе которого выделяются атомы водорода из пищи – либо из молекул сахара (глюкозы C

H

O

), либо из жира. При этом остаются атомы углерода. И если атом кислорода – у которого теперь есть полный комплект электронов во внешней оболочке – поделится своими электронами с атомом углерода, в результате появится очень стабильная молекула углекислого газа (CO

). Углекислый газ и водяной пар – это те «отходы производства», которые выделяют дышащие кислородом животные.

Итак, вот что мы имеем. Ваш организм берет водород из пищи и отбирает энергию – всю, до последней капли – у его энергичных электронов, а потом эти электроны, «обессиленные», вручаются атомам кислорода. Если в двух словах, то это и есть источник питания младенцев, да и всей остальной жизни.

4. Перестройка за семь лет

Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток

Ни одна из клеток вашего тела не знает, кто вы такой, и им это совершенно безразлично.

    Дэниел Деннет[17 - «Sweet Dreams: Philosophical Obstacles to a Science of Consciousness», Daniel Dennett (MIT Press, 2006).]

Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток. Это больше, чем количество звезд в нашей галактике Млечный Путь. Неудивительно, что я чувствую себя измотанным, даже когда ничего не делаю.

Клетка – это крошечный прозрачный кулечек с вязкой жидкостью. Это атом в биологии. Наверное, справедливо будет сказать, что не существует другой жизни, кроме клеточной. Первые ископаемые клетки, по-видимому, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, а первые признаки химических изменений, вызванных процессами жизнедеятельности, относятся к еще более раннему периоду – примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Это дает основание полагать, что жизнь могла возникнуть около 4 миллиардов лет тому назад, всего через полмиллиарда лет после того, как появилась сама наша планета.

Каждое человеческое существо – это гигантская колония клеток. «Вот хороший пример того, что нас трудно рассматривать как единую сущность», – сказал американский биолог Льюис Томас[18 - The Lives of a Cell, Lewis Thomas (Penguin, 1978).]. «Каждый из нас – толпа», – считает Карл Саган[19 - «Cosmos: A Personal Voyage», Carl Sagan, Ann Druyan and Steven Soter (Public Broadcasting Service, 1980).]. Эта толпа состоит из множества клеток, примерно 100 миллионов миллионов – поистине астрономическое число. Я – это галактика. Вы тоже галактика. Более того, каждый из нас – это тысяча галактик, потому что в нашем теле содержится больше клеток, чем звезд в тысяче галактик, подобных Млечному Пути.

Каждая из клеток, из которых состоит человек, представляет собой миниатюрный мир, такой же сложный, как и крупный город. В нем происходит кипучая деятельность миллиардов наномашин. Здесь есть свои административные центры, мастерские и склады, по улицам беспрерывно осуществляется транспортировка грузов. Как написал американский журналист Питер Гуинн: «Чтобы снабжать клетки энергией, работают целые электростанции. Заводы производят белки, жизненно важную продукцию на химическом рынке. Сложные транспортные системы направляют специальные химические препараты к разным точкам внутри клетки и за ее пределы. Часовые на баррикадах следят за деятельностью на рынках экспорта и импорта и внимательно вглядываются во внешний мир, чтобы не пропустить признаки надвигающейся опасности. Специально обученные биологические армии готовы сражаться с непрошеными захватчиками. Центральное генетическое правительство поддерживает строгий порядок»[20 - «The Secrets of the Human Cell», Peter Gwynne, Sharon Begley and Mary Hager (Newsweek, 20 August 1979, p. 48).]. А вся наша жизнь начинается с одной-единственной клетки, когда сперматозоид – самая маленькая клетка в организме – соединяется с яйцеклеткой, которая по размерам, напротив, превосходит все остальные клетки. Примерно полчаса каждый человек существует в виде одной-единственной клетки (помню, что мне было очень скучно – я не мог дождаться, когда же появится другая клетка, с которой мы могли бы поиграть). Затем эта одна клетка делится на две. Это необыкновенный процесс. Всего за полчаса клетка не только делает копию своей ДНК, – чтобы ускорить этот процесс, он осуществляется одновременно на нескольких участках ДНК – но и создает порядка 10 миллиардов сложных белков[21 - ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, представляет собой гигантскую биомолекулу, которая хранит в закодированной форме структуру белков клетки.], то есть почти 10 миллионов белков в секунду. Через час две клетки делятся на четыре, затем на восемь, и т. д. После нескольких делений химические различия в развивающемся эмбрионе заставляют клетки дифференцироваться. Этот процесс достигает высшей точки мастерства, когда отдельные клетки «поймут», что они должны будут войти в состав печени, мозга или костей. Наконец одна-единственная первоначальная клетка размножается до семейства из 76 миллионов миллионов клеток человеческого организма.

И это опять-таки не конец истории. Мало найдется в вашем организме таких мест, где клетки сохранялись бы в неизменном виде, кроме мозга. Например, клетки, которые выстилают стенки желудка, буквально купаются в соляной кислоте, а это такая эссенция, которая способна растворить лезвие бритвы, поэтому эти клетки необходимо постоянно восстанавливать. Каждые три-четыре дня слизистая оболочка желудка полностью обновляется. Кровяные клетки живут дольше, но даже они саморазрушаются примерно через четыре месяца. По сути дела, почти все клетки организма заменяются через каждые семь лет. Может быть, этим объясняется стремление обновить отношения, которое возникает у некоторых раз в семь лет. Вы смотрите на свою вторую половину и думаете: «А ведь это совсем другой человек, не тот, с которым мы когда-то встретились впервые».