Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Самыми простыми живыми организмами являются бактерии – организмы, о существовании которых Дарвин, несомненно, знал; однако он не был уверен в том, каким образом включить их в свою теорию. В самом деле, у Дарвина на «Бигле» был микроскоп (помимо Библии и книг по естественной истории, он взял с собой также два пистолета, дюжину сорочек, две книжки, по которым собирался учить испанский, и кошелек с деньгами). Однако из-за того что микроорганизмы не оставили в геологической летописи следов, ясно видимых невооруженным глазом, Дарвин не мог знать, что толщи, залегающие ниже слоев с различимыми органическими останками, относятся не к периоду в истории Земли, предшествовавшему зарождению жизни, но попросту ко времени, когда еще не было животных и растений. Даже если бы он сумел обнаружить ископаемые бактерии, ему почти наверняка не удалось бы уловить их связь с растениями или животными. Дарвин, как и практически любой ученый XIX столетия, был бы до глубины души удивлен, если бы узнал, что все растения и животные произошли от бактерий и это случилось на протяжении периода, длительность которого в XIX столетии представить было абсолютно невозможно – гораздо более трехсот миллионов лет. В самом деле, о микроорганизмах в Библии прямо ничего не говорится – разве что косвенно, при упоминании о таких заболеваниях, как чума. Нет никаких сомнений в том, что Ной не имел намерения брать их с собой в ковчег, и их изображений не встретишь на тканых турецких коврах с историей Великого потопа.

Несмотря на то что мы весьма продвинулись вперед за те 150 лет, что прошли со времени публикации «Происхождения видов», ученые до сих пор не могут определить, зародилась ли жизнь в маленьком теплом водоеме, глубоководном гидротермальном источнике или где-либо еще. Что могло положить ей начало? Как она развивалась? Как бактерии эволюционировали до растений и животных? Как получилось, что эти организмы так долго оставались незамеченными в нашем поиске истоков и развития жизни на Земле?

На эти вопросы так просто не ответишь, и многие аспекты до сих пор далеки от полного понимания, однако благодаря инструментам, разработанным на протяжении последнего столетия, нам удалось многое узнать. Если бы Дарвину в XIX веке довелось побывать на океанографическом исследовательском судне в Черном море, он, вероятно, заметил бы, что в толще воды ниже верхнего стометрового слоя животные не обитают, и заключил бы, что в глубинных слоях жизни нет. Однако, если бы он был микробиологом, наше представление о происхождении видов могло бы быть совершенно иным. Хотя бактерии в XIX веке были уже хорошо известны, потребовалось еще одно столетие, прежде чем они заняли свое место в наших представлениях об эволюции жизни на Земле. Мы упускали их из виду из-за предвзятости в наших наблюдениях. А ведь бактерии существовали на этой планете за миллиарды лет до того, как на ней появилось первое животное.

Так давайте же познакомимся с этими незаметными микроорганизмами и посмотрим, какую огромную роль они сыграли в том, чтобы эта планета могла функционировать. Без бактерий нас бы здесь не было.

Глава 2. Знакомьтесь: бактерии

Вероятно, один из величайших парадоксов в истории биологии заключается в том, что бактерии, являющиеся древнейшими самовоспроизводящимися организмами на Земле, были обнаружены едва ли не в последнюю очередь и по большей части игнорировались. Их открытие, как часто случается в науке, было связано с развитием новых технологий – в данном случае с изобретением микроскопа и затем генного секвенсора. Недостаток внимания к этим организмам происходит главным образом от нашей собственной предвзятости в наблюдениях: мы склонны не замечать того, чего не можем увидеть. Из-за этого мы смогли добиться величайших успехов в астрономии, наблюдая видимые объекты, удаленные от нас на расстояние сотен миллиардов миль, задолго до того, как сумели осознать роль микроорганизмов, живущих на нашей собственной планете. Давайте коротко рассмотрим историю открытия бактерий.

В XIV столетии в Европе изготавливались примитивные линзы (названные так по форме чечевичного зерна – lens по-латыни, имеющего двояковыпуклый профиль) для коррекции зрения. Тогда же бродячие артисты начали разрабатывать методы проецирования изображений на экран при помощи простейшей камеры-обскуры. Для камеры-обскуры линза не требуется – это ящик или даже небольшая комната с отверстием, пропускающим свет, благодаря чему на заднюю стенку ящика проецируется перевернутое изображение того, что находится снаружи. Внутри такого ящика можно проследить траекторию светового луча. Отслеживая траектории лучей и экспериментируя со стеклянными линзами, расположенными внутри ящика, мастера начали понимать, как изготавливать линзы.

К концу XVI века голландцы начали работать с итальянским стеклом, изготовленным в Венеции. В то время венецианское стекло стоило очень дорого, поскольку оно было наиболее прозрачным и высококачественным из всех возможных вариантов. С его помощью голландцы начали изготавливать линзы относительно высокого качества. В начале XVII столетия двое голландских мастеров, вставив вогнутую и выпуклую линзы внутрь трубы, сконструировали телескоп. Хотя этот инструмент представлял собой не более чем примитивную подзорную трубу с увеличением приблизительно в семь или восемь раз, это был огромный прорыв в технологии того времени. До сегодняшнего дня изготовители приборов используют те же самые основные формулы, разработанные пионерами в этой новой области знаний – оптике – благодаря прослеживанию траектории лучей света в темном ящике.

В 1609 году Галилео Галилей при помощи телескопа, сделанного в Италии по проекту голландского мастера, обнаружил, что спутники Юпитера обращаются вокруг этой планеты, а не вокруг Земли. Хотя инструмент Галилея имел всего лишь приблизительно двадцатикратное увеличение, этого было достаточно, чтобы позволить ученому разглядеть вблизи то, что люди уже могли наблюдать невооруженным взглядом: планеты, звезды и Луну. Его наблюдения поколебали доминирующую в то время птолемеевскую, или геоцентрическую, систему, ставившую Землю в центр Вселенной и утверждавшую, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли, а не наоборот. Однако Галилей открыл для нас нечто более фундаментальное, нежели просто наблюдение за звездами: он показал нам наше место, о котором мы не знали и которое делало нас менее значительными. Земля стала всего лишь одной из планет среди нескольких других, входящих в нашу Солнечную систему. Галилей прекрасно понимал, насколько важным является открытие им спутников, вращающихся вокруг Юпитера. Он изменил представление людей о нашей планете, нас самих и особых отношениях, связывающих нас со Вселенной (а отсюда и о том, что мы занимаем особое место в глазах Бога).

Хотя рассказов о Галилее и его телескопе существует предостаточно, менее известен тот факт, что он являлся также изобретателем микроскопа. К тому времени люди уже несколько лет знали, что, если просто повернуть телескоп с двумя линзами другим концом, можно увеличить объекты, находящиеся вблизи. Вы можете проделать это у себя дома, поглядев с обратной стороны в один из окуляров бинокля и держа какой-либо предмет, скажем кончик вашего пальца, близко к линзе с другой стороны. (Такое использование бинокля может стать великолепным подспорьем в экспедиции.)

Микроскоп Галилея, сконструированный приблизительно в 1619 году, был всего-навсего непреднамеренным дополнением к изобретению телескопа: Галилей перевернул оптическую схему телескопа и поместил ее в новый корпус. По размерам этот микроскоп был меньше своего предшественника телескопа; две линзы располагались в цилиндрическом футляре из дерева и кожи. Впрочем, у Галилея не возникло большого интереса к тому, что он увидел в своем перевернутом телескопе. По-видимому, он почти не делал попыток понять, а тем более интерпретировать представшие перед ним мельчайшие объекты. Фактически это имело для него настолько небольшое значение, что лишь в 1625 году он дал своему изобретению название microscopio. Можно увидеть иронию судьбы в том, что во время эпидемии чумы – бактериального заболевания, переносимого с укусами блох, – Галилей делал зарисовки блох, которых наблюдал под своим микроскопом. Впрочем, эти рисунки не получили большого распространения, и его инструмент продолжал бездействовать в Италии, используемый лишь изредка.

Различие между телескопом и микроскопом заключается не просто в конфигурации линз – оно состоит также в человеческом восприятии и ожидании того, что предполагается увидеть. Хотя недостаток восприятия может быть частично отнесен на счет нашего самомнения, мне кажется, что чаще всего причина заключается в том, что мы не ищем природные закономерности в местах, обычно недоступных для наших ограниченных чувств. Мы можем наблюдать удаленные объекты невооруженным глазом. Кометы, метеориты, планеты, спутники, звезды и даже сверхновые можно увидеть без телескопа, и поэтому, когда мы приближаем их для более внимательного рассмотрения при помощи такого инструмента, как телескоп, эти отдаленные объекты не кажутся нам такими уж загадочными – лишь в некоторой степени. А вот объекты, размеры которых значительно меньше толщины волоса (около десятой доли миллиметра), наши глаза не способны различить без увеличительного приспособления. В масштабах микроскопических структур нас можно считать практически слепыми. Мы видим невооруженным глазом Луну, но не клетки собственного тела. Мы видим звезды, но не видим молекулы. Мы видим далекие галактики, но не видим атомы. Если мы даже не осознаем, что мир микроорганизмов существует, с какой стати нам его искать?