Онлайн чтение книги Вид с высоты View from a Height
Часть I. Биология

1. Вот так обстоит дело с величиной

Сколько бы мы ни говорили себе, что в счет идет только качество, все-таки большие размеры всегда поражают воображение. Самые популярные звери в любом зоопарке — обезьяны и слоны, причем первые привлекают внимание из-за своего ошеломляющего сходства с нами, а вторые — просто потому, что они огромны. Мы смеемся над обезьянами, но перед слонами стоим в молчаливом благоговении. И если бы в клетку с другими обезьянами поместили какого-нибудь обезьяньего Гаргантюа, то он отвлек бы внимание от всех других приматов. В сущности, так оно и бывает.

Чувство благоговения, возникающее у нас перед громадными существами, естественно, заставляет человека ощущать себя маленьким и весьма тщедушным. А тот факт, что человечество все же добилось безусловного господства на планете, очень часто толкуется как победа Давида над Голиафом.

Однако наше представление о себе не совсем точно; в том нам поможет убедиться статистика.

Во-первых, поговорим о самых больших. Только что я упомянул слона. Этот пример был подсказан избитым выражением: «Большой, как слон».

Сухопутные животные не могут выдержать соревнования со своими собратьями, живущими под водой. Этому мешает сила тяжести на Земле. Если бы животному не приходилось поднимать свою тушу почти на метр над землей и при этом еще передвигаться, то все равно сила тяжести резко ограничивала бы его размеры. Даже обреченное вести неподвижную, как у устрицы, жизнь и лежать, распластавшись на земле, такое животное все равно должно вздымать свою громадную плоть при каждом вдохе. Выброшенный на берег кит издыхает в силу ряда причин, но одна из них состоит в том, что его собственный вес давит на легкие, — он гибнет от удушья.

Однако плавучесть в значительной степени помогает киту преодолеть силу тяжести, и масса, которая душит его на суше, в море не доставляет ему никаких неприятностей.

Поэтому самые большие существа на Земле и сейчас и в прошлом — это киты. Рекордной величины достигает одна из разновидностей кита — синий кит, или, как его еще называют, блювал. Есть сведения, что один экземпляр этого величайшего из гигантов имел длину 35 метров и весил 131,25 тонны.

А ведь синий кит, подобно человеку, тоже млекопитающее. Чтобы определить, какое место занимает человек среди млекопитающих по своим размерам, следует рассмотреть сначала другую крайность.

Самые маленькие млекопитающие — землеройки, существа внешне похожие на мышей, хотя на самом деле они вовсе не мыши и даже не грызуны. Они относятся к насекомоядным и состоят с нами в более близком родстве, чем с мышами. Вес самой маленькой взрослой землеройки чуть больше 2 граммов.

Между этими двумя крайностями вытянулся целый строй млекопитающих. За синим китом следуют киты поменьше, потом идут слоны, моржи, гиппопотамы, и далее — лоси, медведи, бизоны, лошади, львы, волки, бобры, кролики, крысы, мыши и землеройки. Каково же место человека в этом длинном списке млекопитающих?

Чтобы не было никаких обид, я предлагаю себя в качестве эталона (мой вес приближается к круглой цифре — добрых 90 килограммов).

Так вот, человек и гигант и пигмей — все зависит от того, с кем его сравнивать. В сравнении с землеройкой он гигант, в сравнении с китом он пигмей. Какое же сравнение предпочесть?

Мы, конечно, сразу запутаемся, если будем сопоставлять тонны, фунты и унции. Давайте сведем все к единой системе. Чтобы избежать дробей (хотя бы вначале), возьмем за единицу веса грамм.

Тогда: синий кит весит 120 миллионов граммов, а землеройка — всего 2 грамма. Где-то посередине помещается человек: его вес составляет 90 000 граммов.

Мы на десятки тысяч граммов тяжелее землеройки, но кит на десятки миллионов граммов тяжелее человека, и поэтому можно утверждать, что мы скорее пигмеи, чем гиганты, а, следовательно, использование мной образов Давида и Голиафа вполне оправданно.

Но человеческому разуму не свойственно сравнивать путем вычитания; для этой цели люди предпочитают деление. Разница между весом 2 килограмма и весом 6 килограммов кажется нам большей, чем между весом 6 и 12 килограммов, даже несмотря на то, что в первом случае эта разница составляет всего 4 килограмма, а во втором — целых 6. Наверное, нам важнее, что при делении 6 на 2 получается 3, а при делении 12 на 6 — всего 2. Мы стремимся узнать не разность, а отношение.

Делить, разумеется, скучно. С точки зрения ученика четвертого класса, да и многих взрослых, деление относится уже к области чуть ли не высшей математики. Поэтому было бы приятнее, если бы мы могли сравнивать отношения путем вычитания.

Так и сделаем. Только для этого возьмем не само число, а его логарифм. Например, самая простая форма логарифмов образуется таким образом: 1 есть логарифм 10; 2 есть логарифм 100; 3 есть логарифм 1000 и так далее.

Пользуясь обычными числами для описания равенства отношений, мы говорим, что 1000 относится к 100, как 100 относится к 10; это деление. Но, используя логарифмы, мы характеризуем то же равенство отношений, говоря, что 3 минус 2 равно 2 минус 1; это вычитание.

Еще пример: 1000 относится к 316 приблизительно так же, как 316 к 100 (проверьте сами и убедитесь). Так как логарифм 1000 есть 3, а логарифм 100 есть 2, мы можем установить, что логарифм 316 равен 2,5, и потом выразить равенство отношений, сказав, что 3 минус 2,5 равно 2,5 минус 2.

Давайте теперь выразим вес самого большого и самого маленького из млекопитающих при помощи логарифмов. Логарифм 120 000 000 (вес синего кита в граммах) равен 8,08, а логарифм 2 (вес землеройки в граммах) — 0,30. Что же касается человека, который весит 90 000 граммов, то логарифм его веса равен 4,95.

Как видите, вес человека отличается от веса землеройки примерно на 4,7 логарифмической единицы, а вот от веса самого большого кита — лишь на 3,1 логарифмической единицы. Следовательно, мы скорее гиганты, чем пигмеи.

Чтобы вы не подумали, что все это математические трюки и вам морочат голову, я скажу просто: человек в 45 000 раз тяжелее землеройки, а синий кит только в 1300 раз тяжелее человека.

В частности, логарифм массы, которую можно было бы считать средней между массами кита и землеройки, равняется среднему арифметическому чисел 0,30 и 8,08; то есть 4,19. Этот логарифм соответствует массе 15 550 граммов. То есть млекопитающее средней величины должно иметь рост четырехлетнего ребенка.

* * *

Вы, конечно, можете возразить, что деление на гигантов и пигмеев слишком упрощает дело. Почему бы не выделить три группы — пигмеев, «средних» и гигантов? Разбив логарифмический ряд на три равные части, мы получили бы для пигмеев диапазон от 0,30 до 2,90, для «средних» — от 2,90 до 5,40 и для гигантов — от 5,40 до 8,08.

В общепринятых единицах это означало бы, что любое животное весом менее 800 граммов относится к пигмеям, а животное весом более 250 килограммов — к гигантам. И тогда все млекопитающие весом от 0,8 до 250 килограммов (в том числе человек) относились бы к «средним». Конечно, все это весьма резонно и отлично доказывает, что человек и не пигмей, и не гигант.

Но давайте уж будем объективными до конца. Мы вспомнили легенду о Давиде и Голиафе в связи с господствующим положением человека на нашей планете. Это победа ума над мускульной силой. Но первобытный человек никогда не соперничал, к примеру, с китами. Киты жили в океане, а человек — на суше. Борьба за существование шла у людей только с наземными существами, и поэтому в дальнейшем, проводя свои сравнения, мы должны принимать во внимание только сухопутных млекопитающих.

Самое большое млекопитающее, когда-либо существовавшее на суше, уже вымерло. Речь идет о белуджитерии, гигантском вымершем носороге, который достигал 6 метров в холке и весил, по-видимому, около 13,5 тонны.

Как видите, белуджитерий (кстати, это означает «зверь из Белуджи», поскольку его останки впервые были найдены в Белуджистане) весил в 10 раз меньше синего кита. Так как логарифм 10 равен 1, вы не удивитесь, узнав, что логарифм веса белуджитерия (в граммах) на 1 меньше логарифма веса синего кита и равен 7,08. (Далее я буду выражать вес в общепринятых единицах, но в скобках ставить логарифмическую величину; помните, пожалуйста, что это логарифм веса в граммах.)

Однако белуджитерий, как известно, вымер еще до появления человека, и с ним тоже не могло быть никакого соперничества. Справедливости ради мы должны сравнивать человека с существами, жившими одновременно с ним и поэтому способными оказаться его потенциальными соперниками. Самыми большими млекопитающими, жившими и живущими в одно время с человеком, являются слоны. Самый большой из современных видов — африканский слон — весит до 7 тонн (6,80). Возможно, конечно, что в борьбе за существование человек сталкивался и с более крупными, ныне вымершими видами, но это не меняет картины. Самый большой слон, который когда-либо существовал, не мог весить больше 10 тонн (6,96).

(Заметьте, между прочим, что современный слон в 2 раза легче белуджитерия и вес его составляет всего 5 процентов от веса синего кита. В сущности, взрослый слон самой крупной существующей породы весит столько же, сколько новорожденный синий кит.)

Но продолжим наши рассуждения дальше. Сражаясь с другими видами за господство на Земле, человек сталкивался главным образом с плотоядными животными. А слон — животное травоядное. Он может раздавить человека случайно или намеренно, в состоянии раздражения, но вообще вредить человеку ему незачем. Он не ест человеческого мяса.

Зато саблезубый тигр, если он был очень голоден, выслеживал, убивал и съедал человека, который, разумеется, не искал с ним встреч.

Самые большие животные, как правило, травоядные. Да это и понятно: ведь на Земле источников растительной пищи гораздо больше, чем животной. (Это, впрочем, не исключает того, что некоторые плотоядные гораздо крупнее некоторых травоядных.)

Синего кита (гиганта из гигантов животного мира) фактически следует отнести к плотоядным животным. Однако он питается совсем крохотными существами, которых процеживает из океанской воды, а это, в сущности, почти то же, что пощипывание травки. Синий кит не является плотоядным животным классического типа, с зубами, которыми оно может цапнуть свою добычу.

Самое большое из таких плотоядных в истории Земли — кашалот (вспомните Моби Дика). Матерый кашалот с огромной пастью и великолепным набором зубов на нижней челюсти может весить 60 тонн (7,74).

Но, повторяю, люди не соперничали с морскими животными. Самое большое наземное плотоядное — громадный аляскинский медведь (называемый также кодьякским), вес которого достигает 725 килограммов (5,86). Я не знаю ни одного вымершего земного плотоядного млекопитающего, которое было бы крупнее.

Зато наши рассуждения относительно самых маленьких животных уже не будут нуждаться ни в каких оговорках. Землеройка — это и наземное, и плотоядное, и, насколько мне известно, действительно самое маленькое млекопитающее, которое когда-либо существовало; более того, млекопитающего меньшего размера вообще, по-видимому, не может существовать. Дело в том, что интенсивность обмена веществ у млекопитающих повышается с уменьшением их размера, так как возрастает отношение поверхности тела к объему. Некоторые мелкие животные могут пренебречь этим законом, обходясь менее интенсивным обменом, однако теплокровные существа не могут себе этого позволить. Они должны поддерживать высокую температуру тела, и поэтому обмен веществ у них идет с очень большой скоростью (конечно, не во время зимней спячки).

Теплокровное животное величиной с землеройку, чтобы поддерживать свою жизнь, должно непрерывно есть. Землеройка умрет от голода, если хоть два часа пробудет без еды; она всегда голодна, а посему очень злобна и обладает скверным нравом. Никто никогда не видел и не увидит толстую землеройку, — может быть, действительно дородность и злобный характер несовместимы?.. Впрочем, если вы вздумаете меня опровергнуть, прислав фотографию жены соседа, то с вашей стороны это будет нечестно.

А теперь возьмем весь ряд сухопутных плотоядных млекопитающих и разделим его на 3 части. Величины от 0,30 до 2,15 соответствуют пигмеям, от 2,15 до 4,00 — «средним» и от 4,00 до 5,86 — гигантам. В общепринятых единицах это будет означать, что любое существо, весящее менее 150 граммов, является пигмеем, от 150 граммов до 10 килограммов — «средним» и более 10 килограммов — гигантом.

Итак, среди сухопутных плотоядных млекопитающих той эры, когда человек вел борьбу за существование (и одержал победу), он был гигантом. В борьбе давидов и голиафов победил один из голиафов.

Разумеется, то, что я все время тщательно выделял млекопитающих среди других животных, может вызвать некоторые сомнения. Вы можете подумать, что человек — гигант только среди млекопитающих, и если расширить круг рассматриваемых видов, то он все-таки окажется пигмеем.

Ничего подобного. Установлено, что млекопитающие вообще являются гигантами среди животных. Только одна разновидность немлекопитающих может соперничать (на суше) с крупными млекопитающими. Это чудовищные рептилии мезозойской эры — большая группа животных, которых обычно называют динозаврами.

Самые большие динозавры не отставали по длине от очень больших китов, но их тело состояло в основном из длинной тонкой шеи и длинного тонкого хвоста, и, конечно, по массивности они не могли идти ни в какое сравнение с теми же китами. Самые крупные из больших динозавров, брахиозавры, весили, по-видимому, не более 50 тонн (7,65).

Такой вес, конечно, внушает почтение. Брахиозавр в 7 раз больше белуджитерия, однако он в 2,5 раза меньше синего кита. Как и следовало ожидать, наиболее крупные виды динозавров были травоядными.

Самым большим плотоядным динозавром был знаменитый тираннозавр рекс, который весил, по-видимому, не более 15 тонн (7,13). Он значительно крупнее белуджитерия, весил вдвое больше африканского слона и почти в 20 раз превосходил по весу бедненького малютку — кодьякского медведя.

Тираннозавр рекс был, несомненно, самым большим и самым страшным из всех когда-либо существовавших наземных плотоядных. Однако и он и все его племя вымерли за миллион лет до того, как на арену вышел человек.

Если мы ограничимся современными пресмыкающимися, то самыми крупными среди них окажутся некоторые гигантские крокодилы Юго-Восточной Азии. К сожалению, исследователи в основном интересовались их длиной, а не весом (в еще большей мере это относится к змеям). Некоторые из них, судя по описаниям, имели до 10 метров в длину. Я думаю, что максимальный вес этих чудовищ также был близок к 2 тоннам (6,25).

У меня есть более точная цифра в отношении другой группы пресмыкающихся — черепах. Самая крупная из известных черепах — морская кожистая — весила 850 килограммов (5,93), то есть менее тонны.

Конечно, ни одно из этих существ не является сухопутным животным. Кожистая черепаха — обитательница моря, а крокодилы — речные жители. Впрочем, говоря о крокодилах, я не склонен исключать их из числа соперников человека. Первые цивилизации развивались вдоль тропических и субтропических рек; кому не известно, например, как опасен нильский крокодил, страшилище с громадной пастью и зубами? Если уж он цапнет, так цапнет! (Ни один фильм о джунглях не обходится без леденящих душу кадров: омерзительное скольжение и разверстая пасть крокодила.)

Крокодилы меньше самых больших наземных млекопитающих, но самая крупная из этих рептилий по весу превосходит кодьякского медведя. Вес галапагосской черепахи — великана среди наземных рептилий — не превышает 225,5 килограмма (5,35). Самая крупная змея — сетчатый питон, иногда достигающий в длину 10 метров (опять-таки точный вес нам не известен, и все охи и ахи, по сути дела, относятся к тому, что измерено рулеткой). Однако я полагаю, что максимальный вес змеи вряд ли превышает 200 килограммов (5,32). И, наконец, самая большая из современных ящериц — варан с острова Комодо — достигает в длину 4 метров и весит менее 113 килограммов (5,05).

Весьма внушительно выглядят некоторые рыбы. Самая крупная из рыб (современных и вымерших) — китовая акула. По весу и размеру наиболее крупные экземпляры, по-видимому, не уступают кашалотам, хотя более реальная цифра для максимального веса китовых акул — 45 тонн (7,61). И опять-таки эти акулы всего лишь мирные процеживатели морской воды. Самая большая плотоядная акула — это белая акула, достигающая в длину 7 метров и весящая, вероятно, 2,5 тонны (6,36).

Из костистых рыб самые крупные (к примеру, тунец, рыба-меч, осетр) весят до 1350 килограммов (6,3). Однако все рыбы, как известно, живут в воде и, разумеется, не могут быть прямыми соперниками человека.

Размеры птиц, как и следует ожидать, еще менее внушительны. Всякая птица, сравнимая по весу с человеком, должна быть нелетающей. Самой тяжелой птицей всех времен был нелетающий мадагаскарский эпиорнис — существо трехметровой высоты, весившее, по-видимому, не менее 450 килограммов (5,66). Самые крупные новозеландские моа были еще выше (4 метра), но имели менее плотное сложение и весили не более 225 килограммов (5,36). Для сравнения скажем, что максимальный вес самой крупной из современных птиц — страуса (тоже нелетающий вид) — составляет примерно 140 килограммов (5,13).

При переходе к летающим птицам вес резко падает. Альбатрос имеет рекордный размах крыльев — 4 метра, но весят крылья мало; поэтому вес самой тяжелой летающей птицы, очевидно, не превышает 16 килограммов (4,20). Даже птеранодон, крупнейший представитель вымерших летающих пресмыкающихся, имевший размах крыльев до 8 метров (в сущности, тела почти не было, были как бы одни крылья), весил, по-видимому, меньше, чем альбатрос.

Для полноты обзора классов позвоночных упомянем, что самые крупные амфибии — гигантские саламандры, обитающие в Японии, — достигают 1,5 метра в длину и весят до 41 килограмма (4,60).

Обратившись к противоположному концу нашей шкалы, мы увидим, что самая маленькая птичка — кубинский карликовый колибри, размером с самую маленькую землеройку (колибри тоже вынуждены почти непрерывно есть, так как все время испытывают чувство голода).

Но холоднокровные позвоночные часто бывают меньше любого теплокровного млекопитающего или птицы; ведь у таких животных температура тела может понижаться при понижении температуры окружающей среды и интенсивность обмена снижается до нужного уровня. Следовательно, самых мелких позвоночных следует искать среди рыб. У Филиппинских островов водится рыба из группы бычков; длина тела этой рыбки во взрослом состоянии всего 1 сантиметр. Ее вес вряд ли превышает 0,3 грамма, что дает отрицательный логарифм (–0,52).

* * *

А как обстоит дело с беспозвоночными?

У беспозвоночных нет внутреннего скелета, который служил бы опорой для их тела, поэтому они не могут догнать по своим размерам позвоночных. Только в воде, где их выручает плавучесть, они могут достигать значительных размеров.

Самых больших беспозвоночных следует искать среди моллюсков. Гигантские кальмары, обмеренные исследователями, достигали 18 метров в длину, и предполагается, что они могут быть длиной до 30 метров. Однако эта огромная величина, в сущности, иллюзорна, так как в основном она получается за счет очень длинных и сравнительно легких щупалец. Вес этих существ не превышает, по-видимому, 2 тонн (6,26).

Другой моллюск, гигантская тридакна, может весить до 220 килограммов (5,50), из которых большая часть падает на раковину. А самое большое членистоногое — омар; его вес достигает 15 килограммов (4,19).

Что касается беспозвоночных, обитающих на суше, то их массу можно фактически не принимать во внимание. Самые большие сухопутные крабы и улитки редко обгоняют в весе даже самых маленьких млекопитающих. Это справедливо и для самого процветающего, важного класса беспозвоночных — для насекомых. Наиболее крупное насекомое, жук-голиаф, достигает в длину 10–12 сантиметров. Мне не удалось найти сведений о его весе, но можно предположить, что он равняется примерно 30 граммам (1,44).

Насекомые-гиганты весят больше самых крошечных млекопитающих, но основную массу насекомых составляют виды, представители которых весят один другого меньше. Наименьшие из них поразительны; есть маленькие жучки, огнетелки, которые во взрослом состоянии имеют всего ¹/₅ миллиметра в длину. Такие существа не могут весить более 0,0000001 грамма (–7,00).

Но и это еще не все. Из всех многоклеточных беспозвоночных самые маленькие создания — коловратки. Самые крупные экземпляры имеют в длину около 0,2 миллиметра, а длина самых мелких взрослых экземпляров составляет всего ¹/₁₂ миллиметра; их вес — 0,000000006 грамма (–8,22). Иными словами, коловратки во столько раз меньше землероек, во сколько раз землеройки меньше китов. И если бы мы спустились еще ниже, то в конце концов пришли бы к выводу, что не только человек, но и землеройка — это гиганты среди живых существ.

Но меньше коловраток бывают только одноклеточные существа (впрочем, крупные одноклеточные больше самых маленьких коловраток и даже некоторых насекомых). Поэтому я здесь и остановлюсь, добавив только сводную таблицу величин.

2. Яйцо-гигант и крошка вирус

То и дело мы слышим, что человеческий мозг по своему устройству гораздо компактнее любой электронной вычислительной машины.

Безусловно, человеческий мозг — это чудо компактности по сравнению с думающими машинами, сделанными руками человека. Но дело здесь не в том, что есть какое-то коренное различие в принципах действия мозга и электронной вычислительной машины. Различие, по-моему, сводится скорее к размерам компонентов, из которых слагаются мозг и машина.

Считается, что в коре головного мозга человека 10 миллиардов нервных клеток (нейронов)^[1]По последним данным, один только мозжечок (отдел головного мозга, корректирующий и настраивающий работу центральной нервной системы) содержит чуть ли не 100 миллиардов нервных клеток. —  Прим. ред. . Для сравнения скажем, что первая современная электронная вычислительная машина имела около 20 тысяч переключательных устройств. Не знаю, сколько их в новейших машинах, но уверен, что число их даже и не начало приближаться к цифре 10 миллиардов.

Следовательно, не столько мозг, сколько клетку мы должны считать чудом. Клетка и намного меньше любой из деталей машины, и гораздо гибче в работе. Мало того, что она действует как электронный переключатель или усилитель; клетка, какие бы функции она ни выполняла в мозге, — это целый химический завод. Еще одно обстоятельство. Клеткам вовсе нет нужды скапливаться в огромных количествах, для того чтобы стать организмом. Человек в среднем состоит из 50 · 10¹² (50 триллионов), а самый большой кит — из 100 · 10¹⁵ (100 квадрильонов) клеток, но ведь эти громадины — исключение. В теле самой маленькой землеройки всего 7 миллиардов клеток, а в организме беспозвоночных и того меньше: самые крохотные из них состоят из какой-нибудь сотни клеток и все-таки отправляют все функции живого организма.

В действительности (уверен, что вы уже и сами догадались об этом) есть живые организмы, отвечающие всем требованиям, предъявляемым к живому, и в то же время состоящие из одной-единственной клетки.

Если уж заниматься проблемой компактности, то стоит более подробно поговорить о клетке. Зададим себе несколько вопросов: «Насколько компактным может быть живой организм? Какова минимальная величина жизнеспособного организма?»

А для начала попробуем ответить на простой, казалось бы, вопрос: как велика клетка?

* * *

Оказывается, на этот вопрос нет ответа. Существуют клетки и клетки, и все они очень разные по величине. Как правило, клетки можно увидеть только в микроскоп, однако некоторые из них настолько велики, что сами бросаются в глаза. Начнем с крайности: бывают клетки размером побольше вашей головы.

Яйцеклетки животных по праву можно назвать гигантами клеточного мира. Яйцеклетка человека, например, — это самая большая клетка его тела: размером она почти с булавочную головку.

Для того чтобы перейти к количественным сравнениям (нам нужно сравнить яйцеклетку человека с другими клетками, большими и маленькими), давайте выберем удобную единицу измерения. Миллиметр — слишком большая единица для наших целей (исключение составляют лишь некоторые яйцеклетки). Поэтому я буду пользоваться микроном, который равен ¹/₁₀₀₀ миллиметра. Объемы мы будем выражать в кубических микронах (1 кубический микрон равен объему куба, длина каждого ребра которого — 1 микрон). Вы поймете, какая это крохотная единица, если я скажу вам, что в кубическом миллиметре — миллиард кубических микронов.

Однако вернемся к яйцеклеткам.

Человеческая яйцеклетка представляет собой маленький шарик диаметром примерно 140 микронов (следовательно, ее радиус 70 микронов). Возведя 70 в куб, а затем помножив результат на 4,18 (я избавлю вас здесь от дополнительных, не относящихся к делу подробностей и от арифметических манипуляций), узнаем, что этот шарик имеет объем немногим более 1 400 000 кубических микронов.

Отсюда видно, что человеческая яйцеклетка ни в коем случае не является крупной. Существа, которые кладут яйца, особенно птицы, производят яйцеклетки гораздо большего размера: ведь птичьи яйца, как бы они ни были велики, — это, в сущности, не что иное, как отдельные клетки.

Самое большое яйцо, когда-либо снесенное птицей, принадлежало ископаемому мадагаскарскому эпиорнису. Возможно, именно эпиорнис был «прообразом» птицы рок из «Тысячи и одной ночи». Согласно мифу, птица рок была так велика, что легко могла взлетать, держа в одной лапе слона, а в другой — носорога; яйцо же ее было размером с дом.

На самом деле эпиорнис был далеко не так велик. А кроме того, он не мог бы взлететь даже с самым маленьким животным по той простой причине, что совсем не летал. И яйца, которые откладывала эта птица, были значительно меньше дома. Тем не менее они имели 24 сантиметра в ширину и 33 сантиметра в длину, а объем 7,5 литра, что при всей своей «скучной» реальности должно потрясти даже любителей точных фактов.

Это самое большое яйцо, когда-либо снесенное птицей. Ни одно живое существо, включая гигантских рептилий мезозойской эры, никогда не откладывало и не откладывает яиц большего размера. Видимо, яйцо эпиорниса по своим размерам приближается к тому максимуму, который возможен для яиц со скорлупой из углекислого кальция, не имеющих каких-либо внутренних перегородок или распорок. Яйцо эпиорниса — самое большое яйцо и в то же время самая большая из известных нам клеток.

В наше время самые большие яйца откладывает страус. Это и есть самые большие клетки. Яйцо страуса имеет от 15 до 17,5 сантиметра в длину и от 10 до 15 сантиметров в ширину; если вас это интересует, могу сообщить, что требуется не менее 40 минут, чтобы сварить его вкрутую. Для сравнения скажем, что крупная курица несет яйца, имеющие примерно 4 сантиметра в ширину и 6,5 сантиметра в длину. Самые маленькие птичьи яйца — это яйца одного вида колибри; они имеют в длину чуть больше 1 сантиметра.

А теперь сравним эти величины:

Как видите, разница в размерах огромная. Даже самое маленькое птичье яйцо в 300 000 раз объемнее яйцеклетки человека, а самое крупное птичье яйцо больше самого маленького почти в 20 тысяч раз.

Иными словами, яйцо эпиорниса во столько раз больше яйца колибри, во сколько самый большой кит больше собаки средней величины; а яйцо колибри в свою очередь настолько больше человеческой яйцеклетки, насколько самый большой кит больше крупной крысы.

И все-таки, хотя яйцо действительно состоит всего из одной клетки, его нельзя считать типичной клеткой. Прежде всего, его вряд ли можно отнести к живым клеткам. Скорлупа — это, безусловно, неживая ткань, а белок яйца служит всего лишь запасом воды. Настоящая клетка — это желток, но и он почти весь представляет собой склад продовольствия.

Если мы хотим познакомиться с типичными клетками, то давайте рассмотрим те, что состоят в основном из протоплазмы и не имеют запаса питательных веществ. Самые крупные клетки, в которых нет желтка, едва можно рассмотреть невооруженным глазом. То же можно сказать и о самых мелких яйцеклетках.

Встречаются, однако, клетки без желтка, превосходящие по размерам яйцеклетки. Амеба, например, — простой самостоятельный организм, состоящий всего из одной клетки, — имеет диаметр примерно 200 микронов и объем 4 200 000 кубических микронов. Она в 3 раза объемнее яйцеклетки человека.

Однако клетки, из которых слагаются многоклеточные организмы, гораздо меньше. Объем различных клеток человеческого тела варьирует от 200 до 15 000 кубических микронов; например, объем типичной клетки печени равен 1750 кубическим микронам.

Если же мы будем рассматривать клеткоподобные тела, которые не являются клетками в полном смысле этого слова, то получим еще меньшие объемы. Например, красные кровяные тельца (эритроциты) человека — эти несовершенные клетки, не имеющие ядра, — значительно меньше других клеток человеческого тела: их объем всего 90 кубических микронов.

Если яйцеклетка — это самая большая клетка, вырабатываемая в организме человека, то сперматозоид — самая маленькая. Сперматозоид почти целиком состоит из ядра. Его объем примерно 17 кубических микронов.

Все это может привести вас к мысли, что клетки, из которых складывается многоклеточный организм, слишком малы, чтобы стать индивидуальными и независимыми частицами жизни, и что для самостоятельного существования клетка должна быть несравненно больше. В конце концов, амеба в 2400 раз больше клетки печени. Может быть, в таком случае предел компактности клетки как самостоятельного организма лежит где-то между амебой и клеткой печени?

Однако это не так. Человеческие клетки, разумеется, не могут служить примером индивидуального организма, но причина не в том, что они слишком малы, а в том, что они слишком специфичны. Некоторые одноклеточные организмы гораздо меньше амебы и даже человеческого сперматозоида. Я имею в виду бактерии.

Объем самой крупной бактерии не превышает 7 кубических микронов, а объем самой мелкой — 0,02 кубического микрона. Итак, сравнительные объемы различных клеток таковы:

И снова — посмотрите, как велик диапазон. Амеба (сравнительно огромный одноклеточный организм) во столько же раз больше самой маленькой бактерии (тоже самостоятельного одноклеточного организма), во сколько раз самый большой взрослый кит больше самой маленькой разновидности неполовозрелой землеройки. Разница между самой большой и самой маленькой бактериями подобна разнице между большим слоном и ребенком.

* * *

Ну, а теперь зададимся вопросом: каким же образом все сложные процессы жизнедеятельности могут быть втиснуты в крошечную бактерию, которая в 200 миллионов раз меньше простой амебы?

Здесь снова перед нами встает проблема компактности, и мы должны задержаться на ней, чтобы подумать о единицах измерения. Когда мы рассматривали мозг, принимая за единицу меры килограмм, он представлялся нам сравнительно небольшим куском живой ткани. Когда мы стали оценивать мозг по числу клеток, обнаружилась его исключительная сложность. Вот так же, рассматривая клетки, давайте перестанем мерить их кубическими микронами и начнем оценивать по числу содержащихся в них атомов и молекул.

В одном кубическом микроне протоплазмы содержится около 40 миллиардов молекул. Следовательно, если выразить данные предыдущей таблицы в молекулах, то мы получим следующую картину:

Конечно, было бы очень соблазнительно сказать, что молекула — это такая же единица клетки, как клетка — единица многоклеточного организма. Тогда в дальнейшем мы могли бы утверждать, что с точки зрения молекулярного состава амеба в 17 миллионов раз сложнее, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава! С этих позиций нас теперь не удивляет, что вся сложность жизни вмещается в амебную клетку.

Однако здесь есть свое «но». Протоплазма почти целиком состоит из молекул воды, Н₂О. Они, видимо, необходимы для жизни, но служат главным образом в качестве «фона». Они не являются характерными молекулами жизни.

К числу молекул жизни относятся сложные макромолекулы, в состав которых входят азот и фосфор; это белки, нуклеиновые кислоты и фосфолипиды. На все эти макромолекулы приходится всего ¹/_10 000 общего числа молекул живой ткани.

(Заметьте, я не говорю, будто эти макромолекулы составляют только ¹/_10 000 веса живой ткани; речь идет только о числе молекул.) Все макромолекулы гораздо тяжелее молекул воды. Средняя молекула белка, например, тысячи в две раз тяжелее молекулы воды. В комбинации из 2000 молекул воды и 1 средней белковой молекулы на белковые молекулы будет приходиться очень незначительная часть (¹/₂₀₀₁ общего числа молекул), а вес белка будет составлять половину общего веса.

Теперь пересмотрим нашу таблицу вновь:

Итак, у нас есть все основания говорить, что средняя клетка человеческого тела с точки зрения молекулярного состава действительно не менее сложна, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава, причем если бактерия значительно проще мозга, то амеба значительно сложнее!

Но и самые простые бактерии исключительно быстро растут и делятся с великим рвением, а расти и делиться с химической точки зрения не так-то просто. Такая бактерия — а ее едва можно разглядеть в хороший микроскоп — является деятельной, самостоятельной и сложной химической лабораторией.

Из 80 000 макромолекул самой маленькой бактерии около 50 000 приходится на ферменты, катализирующие различные химические реакции. Если в клетке постоянно протекает почти 2000 различных химических реакций, необходимых для ее роста и размножения, то тогда на каждую реакцию приходится в среднем 25 ферментов.

Завод, на котором производится 2000 машинных операций (при условии что каждую машину обслуживают 25 рабочих), справедливо считается предприятием со сложным производством. И вот также сложна даже самая маленькая бактерия.

Теперь попробуем подойти к этому явлению с другой стороны. Примерно в середине столетия биохимики стали понимать, что, кроме таких компонентов живой ткани, как углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор и другие, человеческому организму в очень небольших количествах нужны и некоторые металлы.

Для примера возьмем молибден и кобальт — два совсем недавних дополнения к списку микроэлементов^[2]Микроэлементы — вещества, нужные организму в очень малых — следовых — количествах. —  Прим. ред. . В человеческом организме содержится, по-видимому, 18 миллиграммов молибдена и 12 миллиграммов кобальта. Это очень мало, но абсолютно необходимо для жизни организма.

И, что еще замечательнее, каждая клетка сама по себе нуждается во всех микроэлементах, в том числе в молибдене и кобальте. А теперь распределите 30 миллиграммов между 50 триллионами клеток человеческого тела, и вы увидите, какое мизерное количество придется на долю каждой! Казалось бы, теперь-то уж есть все основания считать, что клетки вовсе и не нуждаются в микроэлементах.

Но это опять-таки кажется до тех пор, пока мы пользуемся обычными весовыми единицами, вместо того чтобы перейти на атомы. В средней клетке имеется, грубо говоря, каких-нибудь 40 атомов молибдена и кобальта на каждый миллиард молекул. Составим еще одну таблицу (см. стр. 35). Не забудьте, что в ней приведены средние значения. Однако я совершенно уверен, что клетка печени на самом деле содержит больше атомов молибдена и кобальта, а эритроцит — меньше.

Как видите, микроэлементов в клетке не так-то уж мало. В амебе — миллиарды атомов микроэлементов, а в клетке человеческого организма — миллионы. Даже большая бактерия насчитывает их тысячи.

А вот в самой маленькой бактерии их всего несколько дюжин, и это вполне подтверждает наш вывод, что у самой крошечной бактерии может быть в среднем 25 ферментов на каждую реакцию. Ведь кобальт и молибден (а также другие микроэлементы) необходимы в качестве очень важной составной части ферментов, без которой они не могут работать. Предположив, что в каждой молекуле фермента есть по атому металла, мы тем самым подтверждаем, что в самой маленькой бактерии имеется всего несколько дюжин ферментов.

И тут мы чувствуем, что приближаемся к пределу. Ферменты, по-видимому, не распределяются совершенно равномерно. В ряде случаев их больше двух десятков, в других случаях — меньше. Может случиться, что присутствуют всего один-два самых редких из основных, так называемых ключевых, ферментов. Если объем клетки меньше 0,02 кубических микрона, то повышается вероятность того, что некоторые ключевые ферменты окажутся вытесненными вообще, — вот тут-то рост и размножение прекратятся.

Значит, вполне, казалось бы, разумно предположить, что самая маленькая бактерия, различимая в хороший микроскоп, как раз и есть самая маленькая частица материи, наделенная всеми типичными жизненными процессами. И тогда предел компактности, совместимый с представлением о жизнеспособном самостоятельном организме, был бы положен такой бактерией.

* * *

А как же быть с организмами, которые еще меньше самой маленькой бактерии, не имеют некоторых важнейших ферментов и в обыкновенных условиях не растут и не размножаются? Зная, что они не живут самостоятельно, можем ли мы считать их полностью неживыми?

Прежде чем ответить на этот вопрос, вспомним, что подобные крошечные организмы (которые мы можем назвать субклетками) сохраняют способность к росту и размножению. Эта потенциальная способность становится реальностью, как только субклетка получает откуда-то со стороны недостающий фермент или ферменты, а их может дать только настоящая живая клетка. Субклетка — это организм, обладающий способностью проникать в клетку и там, внутри клетки, расти и размножаться, используя ферментный аппарат клетки и тем самым восполняя нехватку собственных ферментов.

Самые крупные субклетки — это риккетсии, названные так в честь американского ученого Говарда Тэйлора Риккетса, который в 1909 году открыл, что переносчиками возбудителей пятнистой лихорадки Скалистых гор, болезни, вызываемой такими субклетками, являются насекомые. В следующем году, исследуя сыпной тиф, который тоже переносится насекомыми, он заразился им и умер — в возрасте 39 лет. Наградой за то, что он отдал жизнь на благо человечества, ему было забвение.

Вслед за самыми мелкими риккетсиями идут вирусы (резкой границы между ними нет), а мельчайшие вирусы по размерам даже меньше генов, которые находятся в ядрах клеток и несут в своей вирусоподобной структуре генетическую информацию.

А теперь, имея дело с субклетками, давайте откажемся от кубического микрона в качестве единицы измерения объема, иначе нам придется забраться в область слишком мелких дробей. Вместо микрона будем пользоваться «кубическим миллимикроном». Миллимикрон равен одной тысячной доле микрона. Следовательно, кубический миллимикрон равен ¹/₁₀₀₀μ × ¹/₁₀₀₀μ × ¹/₁₀₀₀μ, то есть одной миллиардной доле кубического микрона.

Другими словами, о самой маленькой бактерии, объемом 0,02 кубического микрона, можно сказать, что ее объем равен 20 миллионам кубических миллимикронов. Давайте теперь составим таблицу для объемов субклеток:

Как видите, диапазон огромен. Самая большая риккетсия почти в 3 раза больше самой маленькой бактерии. (Субклеткой мы будем считать организм, у которого не только малые размеры, но и отсутствует по крайней мере один существенно важный фермент.) С другой стороны, самая маленькая субклетка только в 3500 раз меньше самой маленькой бактерии. А самая большая субклетка настолько больше самой маленькой, насколько самый крупный кит больше средней собаки.

Чем меньше субклетка, тем из меньшего числа молекул она состоит. Однако азотно-фосфорные макромолекулы, о которых шла речь выше, не могут полностью исчезнуть; ведь, в какой бы скрытой форме ни существовала жизнь, она без макромолекул (насколько нам известно) невозможна. Просто самые маленькие субклетки состоят всего лишь из нескольких таких макромолекул. Это, так сказать, основа основ жизни, без всяких «излишеств».

Однако если считать атомы, то в субклетках их все еще довольно много. При очень плотной упаковке в 1 кубическом миллимикроне поместилось бы несколько сот атомов; но для живой ткани это, безусловно, невозможно.

Так, молекулярный вес вируса табачной мозаики равен 40 миллионам и атомы в живой ткани имеют средний атомный вес 8. (На самом деле все эти атомы, кроме атома водорода, имеют атомный вес намного больше 8, но так как атомов водорода, — а их атомный вес равен 1 — очень много, то они тянут среднюю цифру вниз.)

Это означает, что в частице вируса табачной мозаики содержится примерно 5 миллионов атомов, то есть приблизительно 100 атомов на кубический миллимикрон. Исходя из этого, мы можем дать новый вариант предыдущей таблицы.

Что же это? Неужели основа основ жизни может быть обеспечена какими-то 70 тысячами атомов? Ниже этого уровня мы находим уже обыкновенные неживые белковые молекулы. Некоторые из таких неживых белковых молекул насчитывают более 70 тысяч атомов, но в среднем они состоят из 5–10 тысяч атомов.

Будем считать 70 тысяч атомов «минимальной единицей жизни». Макромолекулы, составляющие среднюю клетку человеческого тела, насчитывают по крайней мере в полмиллиарда раз больше атомов, чем эта минимальная единица жизни, а в коре головного мозга человека таких клеток 10 миллиардов. Не удивительно, что у нас такой чудесный мозг!

В сущности, это великое и достойное восхищения чудо, что человечество менее чем за 10 000 лет существования цивилизации оказалось в силах создать всего лишь из нескольких тысяч чрезвычайно простых устройств электронные вычислительные машины, которые удовлетворяют его современным требованиям.

А теперь вообразите, что вышло бы, если мы смогли создать устройства, состоящие из полумиллиарда рабочих элементов, а затем из 10 миллиардов таких устройств сконструировать кибернетическую машину. У нас получилась бы такая превосходная машина, что даже человеческий мозг по сравнению с ней представлял бы собой жалкое зрелище. Разумеется, мы с вами не в счет — ведь о присутствующих не говорят!

3. Вот она, жизнь!

Мой сын страстно увлекается космосом. Это не имеет совершенно никакого отношения к занятиям отца, к которым он питает полнейшее равнодушие. Так или иначе ради этого увлечения мы купили ему однажды пластинку с записью юмористической сценки под названием «Астронавт» (которую он вскоре заиграл до такой степени, что иголка стала извлекать звук с обеих сторон одновременно).

В одном месте этой пластинки ведущий спрашивает астронавта, рассчитывает ли он найти жизнь на Марсе, и астронавт задумчиво отвечает: «Возможно… если я сяду на планету в выходной, упившись до зеленого змия».

Так что же все-таки мы подразумеваем под жизнью? Нам вовсе нет нужды лететь на Марс, чтобы найти нерешенные проблемы. Горячих споров хватит и на Земле.

Интуитивно все мы представляем себе (или думаем, что представляем), что такое жизнь. Мы знаем, что мы живы, что устрица живая, а камень нет. И мы совершенно уверены, что столь различные организмы, как морские анемоны, гориллы, пальмы, губки, мхи, солитеры и бурундуки, — все живые… если только они не мертвы.

Трудности возникают, как только мы делаем попытку выразить наши интуитивные представления словами; именно этим я и хочу сейчас заняться.

Существует много способов, при помощи которых можно сформулировать определение. Можно, например, дать определение функциональное и можно — структурное.

Так, ребенок мог бы сказать: «Дом — это то, в чем живут» (функциональное определение). Он мог бы сказать и по-другому: «Дом — это то, что сделано из кирпича» (структурное определение).

Оба определения неудовлетворительны, так как жить можно и в палатке, которая все же обычно не считается домом, а забор, хоть и сделанный из кирпича, домом тоже считать нельзя.

Объединив оба определения, мы получим новое, хотя и не очень совершенное, но все же лучше прежних. Таким образом, сказав, что «дом — это то, что построено из кирпича и в чем живут люди», мы сразу исключим палатки и заборы. (Но одновременно это определение исключает также каркасные дома, не говоря уже об обычных кирпичных домах, которые пустуют, когда хозяева уезжают в отпуск.)

Попытаемся применить те же рассуждения, для того чтобы дать определение понятию жизни. Например, когда я учился в школе, то чаще всего встречался с функциональным определением, которое звучало приблизительно так: «Живой организм характеризуется способностью ощущать окружающую среду и соответственно реагировать на нее, поглощать пищу, переваривать, впитывать, усваивать, расщеплять ее и использовать полученную при этом энергию, освобождаться от отходов, расти и воспроизводиться». (Когда в ходе повествования мне придется возвращаться к этому определению, я буду ограничиваться словами «ощущать среду», добавляя «и т. д.», дабы не портить ленту моей пишущей машинки и сетчатку ваших глаз.)

Но всегда возникало сомнение: а действительно ли это определение является полным. Ведь и неодушевленные предметы могут имитировать эти функции. Кристаллы, например, растут, и если рассматривать насыщенный раствор как своего рода пищу, то, безусловно, мы сможем доказать, что она поглощается и усваивается. Можно сказать, что огонь переваривает топливо и освобождается от отходов, — и, уж конечно, растет и воспроизводится. Вдобавок уже сконструированы очень простые роботы, которые могут имитировать многие из этих функций жизни (кроме роста и воспроизведения) с помощью фотоэлементов и механических частей.

Я пробовал по-иному сформулировать функциональное определение жизни в книге «Жизнь и энергия» (1962). Там я дал общее представление о термодинамике и написал: «Живой организм характеризуется способностью временно и локально понижать энтропию».

Однако в таком виде это определение звучит просто ужасно, так как солнечное тепло тоже может вызывать временное и локальное понижение энтропии — например, всякий раз, когда под его воздействием испаряется лужа воды.

В данной главе я намерен объяснить, почему я не собираюсь оставлять это определение неизменным. (Если вы не знаете, что такое энтропия, то загляните в десятую главу.)

Очевидно, нам нужно внести в такое определение структурный элемент. Но можем ли мы это сделать? Все формы жизни, какими бы они ни были по внешнему виду, выполняют ряд общих функций. Все они ощущают среду… и т. д., и поэтому-то функциональное определение дать очень легко. Но одинаковы ли они по своей структуре? Уже сам факт, что я употребил выражение «какими бы они ни были по внешнему виду», говорит о том, что они неодинаковы.

Это, однако, верно только потому, что мы полагаемся на внешнее разнообразие, в котором можно убедиться невооруженным глазом. А что будет, если мы вооружимся соответствующими линзами?

* * *

Еще в 1665 году английский ученый Роберт Гук опубликовал книгу, в которой описал наблюдения, сделанные им с помощью микроскопа. В частности, он изучил тонкий срез пробки и нашел, что она вся изрешечена крохотными прямоугольными дырочками. Он довольно удачно назвал эти дырочки «клетками».

Но пробка — это мертвая ткань даже тогда, когда она образуется на живом дереве. На протяжении последующих полутора столетий ученые изучали под микроскопом живые ткани или ткани, которые были живыми, до того как их подготовили для изучения. Они обнаружили, что такие ткани тоже разделены на крошечные ячейки. Название «клетка» сохранилось и для них, хотя в живой ткани такие ячейки уже не пустые дырочки, а заполнены веществом.

И только в 1830 году, основываясь на всех накопленных к тому времени данных, два немецких биолога, Маттиас Якоб Шлейден и Теодор Шванн, смогли подарить миру обобщение, которое гласило, что все живые организмы состоят из клеток.

Вот вам и структурное определение: «Живой организм состоит из клеток».

Хотя такое определение и звучит хорошо, но оно не допускает обратного толкования. Нельзя сказать, что предмет, состоящий из клеток, жив, так как мертвый организм точно так же состоит из клеток, только клетки его мертвы.

И нельзя исправить определение, сказав, что живой организм состоит из живых клеток, потому что это будет переливанием из пустого в порожнее. Кроме того, в организме, только что умершем, многие клетки, возможно даже большая их часть, живы, а организм все равно мертв.

Мы добьемся большего успеха, если, как в случае с определением того, что такое дом, подойдем к нашему определению одновременно со структурной и с функциональной точек зрения и скажем: «Живой организм состоит из клеток и характеризуется способностью ощущать среду и т. д.».

Это определение включает все столь различные между собой типы организмов, которые мы интуитивно называем живыми, и исключает все прочее, имитирующее функции, которые мы ассоциируем с жизнью, — вроде кристаллов, речных дельт, огня, роботов и абстракций: ведь все то, что мы перечислили, не имеет клеточного строения. В то же время определение исключает останки когда-то живших организмов (даже если они умерли только что): ведь мертвые предметы, хотя и состоят из клеток, не выполняют функций, связанных с жизнью.

* * *

Несколькими абзацами выше я упомянул «живые клетки». Что это значит?

В данном мною только что определении живого организма говорится, что он состоит из клеток. Но подразумевается ли при этом, что сами клетки тоже живые? Можно ли утверждать, что все части человеческого тела непременно живые и что все клетки, следовательно, должны быть живыми, поскольку они входят в живой человеческий организм?

Совершенно очевидно, что подобное утверждение было бы ошибочным. Волосы не являются живыми, хотя, они растут на нашем теле. Кожа наша покрыта слоем клеток, которые омертвели, хотя и не перестали быть частью живого организма.

Если мы хотим решить, живы ли клетки, мы не должны ставить выяснение этого вопроса в зависимость от определения живого организма. Мы должны применить соответствующий критерий жизни к самой клетке и задаться вопросом, может ли она ощущать среду и т. д., то есть отвечать по крайней мере функциональному определению живого.

Тут же напрашивается отрицательный ответ, так как многие клетки явно лишены некоторых существенных функций живого. Клетки нашей нервной системы, например, неспособны воспроизводиться. Мы рождаемся с тем же числом нервных клеток, которое имеем всю жизнь; любое изменение впоследствии ведет только к худшему, так как нервная клетка, переставшая выполнять свои функции, не заменяется.

В общем, ни одна из наших клеток, отделенная от своих соседок и предоставленная самой себе, не сможет жить и долго выполнять свои функции. В то же время различные клетки тела способны сами выполнять каждую из функций, связанных с жизнью. Некоторые клетки ощущают свою среду, другие соответственно реагируют на нее; некоторые управляют пищеварением, другие всасывают питательные вещества; все клетки ассимилируют, производят и используют энергию; некоторые клетки растут и воспроизводятся постоянно, всю жизнь, и даже в том случае, когда организм в целом перестает расти и воспроизводиться. Короче говоря, функции живого организма являются в некотором смысле суммой функций клеток, из которых он состоит.

Теперь мы можем сказать: «Живой является клетка, некоторым действенным образом способствующая функционированию организма, в который она входит». Сразу же возникает вопрос, что мы подразумеваем под «некоторым действенным образом», но это я выношу на ваш суд и скажу лишь, что определение призвано исключить вопрос о мертвых клетках кожи, которые служат нашему телу лишь в качестве защиты, но не выполняют каких-либо действенных функций. Поскольку клетка способна некоторое время продолжать привычную деятельность и после смерти организма, мы можем говорить о живых клетках в мертвом теле.

Но нам остается решить еще один немаловажный вопрос. Теперь у нас есть два разных определения: одно — для живой клетки, и другое — для живого организма. Это значит, что понятие о живой клетке человеческого организма отличается от понятия о человеке как существе. И в этом есть свой смысл, так как, несмотря на то что функции человеческого организма могут рассматриваться как сумма функций его клеток, жизнь человека — это все-таки нечто большее, чем сумма жизни его клеток.

Допустим на минуту, что можно взять живые клетки и произвольно соединить их, — все равно человека не получится. Человек не просто состоит из клеток. Не менее важна клеточная организация. Очень легко оборвать человеческую жизнь, разрушив клеточную организацию, но фактически не тронув ни одной из самих клеток.

Верно ли то, что сказано о человеческих клетках, также и для клеток других организмов? Да, по крайней мере для любого достаточно сложного организма.

Однако, по мере того как мы переходим к все более и более простым организмам, значение фактора клеточной организации постепенно уменьшается. Иными словами, чем проще многоклеточный организм, тем дальше может заходить разрушение организации без того, чтобы жизнь при этом прекратилась. Мы можем заново отрастить ноготь, а у рака отрастает оторванная клешня. Морскую звезду можно разрубить на куски, и каждый вырастет в морскую звезду, а если расчленить губку на клетки, то они заново сгруппируются и вновь образуют губку. В организме, состоящем более чем из одной клетки, клеточная организация всегда играет важную роль.

Но ведь существуют и организмы, состоящие всего из одной клетки. Их открыл голландский ученый Антон ван Левенгук. Такой одноклеточный организм, как амеба, отвечает всем функциональным требованиям, предъявляемым к живому организму, то есть способен ощущать среду и т. д. Но амеба не подходит под структурную часть определения, потому что не состоит из клеток. Она сама клетка.

Следовательно, наше определение нужно несколько видоизменить: «Живой организм состоит из одной и более клеток и характеризуется способностью ощущать среду и т. д.».

Из этого следует вывод, что клеточная организация не является непременным условием для всех без исключения типов живых организмов. По-видимому, для существования живого организма требуется только наличие самой клетки. Вот почему в XIX веке было принято говорить, что клетка — это «единица жизни», и с тех пор биологи прилагают все больше и больше усилий к ее дальнейшему изучению.

* * *

Теперь мы можем задаться вопросом, действительно ли клетка — это наименьшая единица жизни, или существует нечто еще более простое и все же живое.

Но прежде всего — что такое клетка? Грубо говоря, это организм, состоящий по крайней мере из трех частей. Во-первых, у него есть мембрана, которая отделяет клетку от внешнего мира, во-вторых, — маленькая внутренняя структура, называемая ядром, и, в-третьих, цитоплазма, заполняющая пространство между мембраной и ядром.

Правда, в теле человека есть клетки (например, клетки сердца), которые, собственно говоря, не отделены друг от друга мембранами, а есть и такие клетки, как эритроциты, которые не имеют ядер. Но это очень специализированные клетки многоклеточного организма, и, взятые отдельно, они не могут считаться живыми организмами.

А для тех клеток, которые действительно являются живыми организмами, мембрана, цитоплазма и ядро — это минимум необходимых составных частей. У некоторых особенно простых одноклеточных организмов, по-видимому, нет ядер, — примером тому служат бактерии и сине-зеленые морские водоросли. Однако и в этих клетках так или иначе содержится «ядерный материал», то есть вещество, которое химически реагирует точно так же, как ядра более сложных клеток. Значит, у бактерий и сине-зеленых водорослей все же есть ядра, но они распределены по всей клетке, а не собраны в одном месте.

Какая же из трех частей клетки важнее? Это все равно, что спросить, какая из ножек трехногого стула более важна; ведь ни одна клетка не может жить без всех своих трех составных частей. Тем не менее оказывается, что значение каждой из них неодинаково. Если, например, амебу разделить тонкой иглой на две части, то часть с целым ядром может выжить, вырасти и нормально размножаться. Половинка же, лишенная ядра, непродолжительное время сохранит способность выполнять основные жизненные функции, но уже не сможет расти и размножаться.

Когда клетка делится, она обязательно претерпевает сложную цепь изменений, которые затрагивают очень мелкие структуры, находящиеся внутри ядра и называемые хромосомами. Это верно как для клетки-организма, так и для клетки, являющейся всего лишь частью сложного организма.

Одно из важнейших изменений, в котором принимают участие хромосомы, — «копирование», когда каждая хромосома вызывает образование новой, себе подобной хромосомы, создает копию самой себя. Ни одна клетка не делится, прежде чем не произойдет такое копирование. К концу XIX столетия биологи начали догадываться, что главное в организме — это клетка, а в клетке — хромосома.

* * *

Но давайте вернемся к структурному определению. Ведь, в конце концов, наше определение живого многоклеточного организма является как функциональным, так и структурным. Что же касается определения живого одноклеточного организма, то оно чисто функциональное, так как в нем не сказано, из чего состоит одна клетка.

Чтобы внести ясность, следует спуститься до молекулярного уровня. Клетка содержит многочисленные типы молекул; некоторые из них встречаются и в неживой природе (например, вода). Следовательно, их нельзя считать характерными только для живых организмов.

Но есть молекулы, которые имеются только в живых клетках и в веществе, которое когда-то было частью живой клетки или по крайней мере образовано живой клеткой. Самыми характерными из этих молекул являются различные белковые молекулы. Не существует ни одной формы жизни, ни одной клетки, какой бы простой или сложной она ни была, которая не содержала бы белка.

Белки выполняют разнообразные функции. Некоторые белки просто-напросто служат основной составной частью тела, кожи, волос, хрящей, сухожилий, связок и так далее. Другие белки очень тесно связаны с самой химической деятельностью клеток; они катализируют тысячи реакций в клетках. Интуитивно мы чувствуем, что эти белки (так называемые ферменты) близки к химической сущности жизни.

Вот когда я снова могу вернуться к своей книге «Жизнь и энергия», из которой в начале главы цитировал малоудачное определение живого организма; теперь, со всеми поправками, это определение будет звучать так: «Живой организм характеризуется способностью временно и локально понижать энтропию с помощью реакций, катализируемых ферментами». Вот это определение является как функциональным («понижать энтропию»), так и структурным («при помощи ферментов»).

В таком определении ничего не говорится о клетках. Правда, оно применимо как к многоклеточному, так и к одноклеточному организму, ибо точно разграничивает те системы, которые мы интуитивно признаем живыми, оставляя в стороне те, которые мы таковыми не признаем.

Судя по новому определению, можно подумать, что единицей жизни является не клетка, а ферменты, находящиеся в клетках. Но коль скоро ферменты могут быть созданы только внутри клетки и только клеткой, то это различие носит чисто академический характер. Если, конечно, нам не удастся связать образование ферментов с чем-то отличным от клетки как таковой.

В течение последних десятилетий было убедительно доказано, что тысячи различных ферментов (по одному на каждую из тысяч различных химических реакций, постоянно протекающих в клетке) создаются в клетке под контролем хромосом.

Перейдя к хромосомам и оставаясь на молекулярном уровне, я должен объяснить, что хромосомы состоят из ряда гигантских молекул, называемых нуклеопротеидами; каждая из них состоит частично из белка и частично из нуклеиновой кислоты. По своей структуре нуклеиновая кислота совершенно отлична от белка.

Нуклеиновая кислота получила свое название потому, что впервые была обнаружена в ядре (ядро по-латыни nucleus ). Вскоре она была обнаружена и в цитоплазме, но ее первоначальное название сохранилось. Есть два вида нуклеиновой кислоты — дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота. Сокращенно они именуются ДНК и РНК. ДНК присутствует только в ядре, и хромосомы по большей части состоят из нее. РНК находится главным образом в цитоплазме, хотя небольшое количество ее есть и в ядре.

Исследования, проведенные в 50-х годах, показали, что не просто хромосомы, а именно ДНК (с помощью РНК) контролирует синтез специфических ферментов. Можно сказать, что через ферменты нуклеиновые кислоты руководят химической деятельностью клетки и, следовательно, контролируют все функции, которые ассоциируются у нас с функциями живого организма.

Но могут ли нуклеиновые кислоты считаться «живыми» на том основании, что они контролируют функции живых организмов? Когда речь шла о клетке, мы назвали ее живой только после того, как выяснилось, что одна-единственная клетка способна выполнять функции целого организма. Точно так же мы не можем считать нуклеиновые кислоты живыми, до тех пор пока не выясним, способна ли молекула нуклеиновой кислоты выполнять функции целого организма.

Давайте снова вернемся в прошлое столетие.

* * *

Еще в 1880 году французский биохимик Луи Пастер, изучая бешенство, пытался выделить возбудителя этой болезни. Дело в том, что примерно за двадцать лет до этого он выдвинул микробную теорию заразных болезней; согласно этой теории, все инфекционные заболевания вызываются микроорганизмами. Бешенство было явно инфекционной болезнью, но ее возбудителя никак не могли найти.

У Пастера было два выхода. Он мог либо отказаться от своей теории, либо сделать поправку ad hoc , то есть только для данного случая. Обычно такие поправки ad hoc производят жалкое впечатление, но гений всегда с честью выходит из положения. Пастер предположил, что микроб бешенства существует, но он слишком мал, чтобы его можно было увидеть в микроскоп.

И Пастер оказался прав.

В то время начали — на этот раз ботаники — изучать еще одну болезнь, табачную мозаику, названную так потому, что при этой болезни листья табака как бы испещряются мозаикой. Сок из больного листа заражал здоровый лист, и, по теории Пастера, здесь тоже должен был существовать заразный микроб. Однако и его не могли найти.

В 1892 году русский бактериолог Дмитрий Иосифович Ивановский пропустил некоторое количество сока зараженного листа через фарфоровый фильтр, отверстия которого были настолько малы, что через них не проходила ни одна, даже самая маленькая бактерия. Пропущенный через фильтр сок все же остался заразным. Поэтому возбудитель болезни был назван «фильтрующимся вирусом». (Вирус в переводе с латинского означает яд, а «фильтрующийся вирус» значит просто-напросто «яд, проходящий через фильтр».)

Было показано, что и другие болезни, включая бешенство, вызываются фильтрующимися вирусами. Однако природа этих вирусов стала известна лишь в 1931 году, когда английский бактериолог Уильям Дж. Элфорд создал фильтр с настолько малыми отверстиями, что они задерживали вирусы. Таким образом, оказалось, что вирус, который гораздо меньше даже самых маленьких клеток, намного крупнее большинства молекул.

Но можно ли назвать вирусную частицу (какова бы ни была ее природа) живым организмом? Она заражает клетки и поэтому должна как-то ощущать их присутствие и соответственно реагировать на них. Она должна питаться их содержимым, впитывать, усваивать, использовать энергию, расти и размножаться. И при всем том вирусная частица, безусловно, не состоит из клеток в том виде, в каком они были известны. Вот так в 1930 году проблема сущности жизни повисла в воздухе, хотя в 1830 году клеточная теория, казалось бы, внесла в нее полнейшую ясность.

В 1935 году американскому биохимику Уэнделлу Мередиту Стэнли удалось получить вирус табачной мозаики в кристаллическом состоянии, и это казалось сильным аргументом против того, что вирус — живое существо. Даже кристаллический вирус оставался заразным; но как же живое может пережить переход в кристаллическое состояние? Кристаллы в нашем сознании всегда ассоциируются только с неживой природой.

В действительности же этот аргумент не выдерживает критики. Ничто живое не кристаллизуется; но ведь, в сущности, до открытия вирусов нам были известны только сложные организмы. А вирусы оказались проще любой клеточной формы жизни, и не было никакой причины предполагать, что правило, согласно которому живое не может переходить в кристаллическое состояние, применимо также и к ним. С помощью кристаллизации вирус табачной мозаики был очищен и сконцентрирован. Теперь его можно было подвергнуть химическому анализу, и два английских биохимика, Фредерик С. Боден и Норман У. Пири, открыли, что вирус — это нуклеопротеид, на 94 процента состоящий из белка и на 6 процентов — из РНК.

С тех пор был проведен анализ всех без исключения вирусов. Все они оказались нуклеопротеидами. Одни содержат ДНК, другие — РНК, некоторые — и то и другое, но без нуклеиновой кислоты вирусов нет.

Оказалось, кроме того, что при вирусном заражении в клетку проникает именно вирусная нуклеиновая кислота, белок же остается снаружи. Это дает основания полагать, что белок всего лишь неживая оболочка для нуклеиновой кислоты и что как раз нуклеиновая кислота является главной в вирусе. Выделенная в чистом виде вирусная нуклеиновая кислота частично сохраняет инфекционность.

Итак, это пример молекулы нуклеиновой кислоты, которая ведет себя, как живой организм.

Предположим, что теперь мы скажем: «Организм может быть назван живым, если в нем имеется по крайней мере одна молекула нуклеиновой кислоты, способная к копированию». Это определение является как структурным (наличие нуклеиновой кислоты), так и функциональным (копирование). Оно охватывает не только все клеточные формы жизни, но и все вирусы, и исключает все прочее.

Разумеется, могут быть и возражения. Некоторые считают, что вирус не является примером подлинно живого организма, так как не может выполнять своих жизненных функций, пока не попадет в клетку. Внутри клетки, и только внутри нее, он управляет действием ферментов и осуществляет синтез специфических ферментов и других белков. Он делает это, используя химический аппарат клетки, в том числе ее ферменты. Вне клетки вирус не выполняет ни одной из функций, которые мы связываем с жизнью. Из всего этого и следует вывод, что на самом деле именно клетка является единицей жизни.

Мне этот довод не кажется таким уж неопровержимым. Разумеется, вирусу для отправления некоторых его функций требуется клетка, но и вне клетки жизнь его не совсем статична. Вирус активно проникает в клетку — самостоятельно, без помощи самой клетки. Это пример по крайней мере одного действия, характерного для жизни (что-то вроде приема пищи, только в данном случае он делает это шиворот-навыворот, то есть не отправляет ее внутрь себя, а сам забирается в пищу), которое вирус выполняет совершенно самостоятельно.

А кроме того, даже если предположить, что вирус использует аппарат клетки для выполнения некоторых своих функций, то ведь и солитер пользуется нашим клеточным аппаратом для тех же целей. Вирус, как и солитер, паразит, но более законченный. Справедливо ли ставить какую-то искусственную границу и утверждать, что солитер — живой организм, а вирус — нет?

Более того, все организмы (паразиты они или не паразиты) зависят от некоторых факторов внешнего мира. Мы с вами, например, прожили бы всего несколько минут, если бы нас лишили кислорода. Можно ли на этом основании считать, что мы не живые организмы, а истинно живым организмом является кислород? Почему бы тогда не отнести необходимую вирусу клетку, находящуюся вне его, к той же категории, к которой мы относим необходимый нам кислород, находящийся вне нас?

Нельзя считать решающим и тот довод, что вирус использует ферменты, которые ему не принадлежат. Я объясню это, прибегнув к аналогии.

Предположим, дровосек рубит дерево топором. Он не может делать это без топора, и все же мы никогда не думаем о дровосеке, как о комбинации человек — топор. Дровосек — это человек, а топор — это просто его орудие. Точно так же нуклеиновая кислота может оказаться неспособной выполнять свои функции без ферментов, но ферменты — это всего лишь ее орудие, а вот главное — все-таки она сама.

Кстати, топор, которым дровосек рубит дерево, может оказаться как его собственным, так и ворованным. Это характеризует его или как честного человека, или как вора, но в любом случае он дровосек, занимающийся своим делом. Так и вирус, выполняющий свои функции, является живым организмом независимо от того, принадлежат ему ферменты или нет.

Что касается моего определения живых организмов, говорящего, что они должны состоять из нуклеиновых кислот, то оно с этой точки зрения правомерно.

Необходимо, конечно, помнить, что живой организм — это нечто большее, чем составляющая его нуклеиновая кислота и составляющие его клетки. Как я уже говорил в этой главе, живой организм построен из отдельных частей, которые еще и соответствующим образом организованы в единое целое.

Есть некоторые биологи, которые порицают усиленный интерес к ДНК в нынешних биологических и биохимических исследованиях. Они считают, что проблемой организации пренебрегают ради изучения отдельных частей, и я должен признать, что их опасения до некоторой степени оправданны.

Тем не менее я также считаю, что мы никогда не поймем организацию, пока тщательно не разберемся в тех составных частях, которые подлежат организации, и надеюсь, что, когда молекула ДНК будет разобрана по косточкам и выставлена для всеобщего обозрения, многие явления, которые сегодня загадочны (и организация в том числе), точно станут на свое место.

4. Жизнь в той ее форме, которая нам неизвестна

Нет худа без добра. И вот вам пример.

Однажды мои дети упросили меня сводить их на фильм о чудовищах, который рекламировался по телевидению.

«Это научная фантастика», — пояснили они. Что такое научная фантастика, дети точно не знали, а так как папа пишет что-то вроде этого, то они сочли такой аргумент весьма убедительным.

Я пытался объяснить им, что, насколько я понимаю, фильм этот вовсе не научно-фантастический, но, хотя логика и была на моей стороне, все решили децибелы, которыми измерялась мощь детского хора.

И я встал в очередь, растянувшуюся на два квартала. Здесь были мальчишки со всей округи и приблудившийся взрослый, который неумело притворялся, будто ждет автобуса и вот-вот уедет. Погода была типичная для ранней весны в Новой Англии (сеялась мерзкая изморось, и завывал восточный ветер), а мы, как назло, продвигались вперед очень медленно.

Наконец, когда мы уже были метрах в двух от кассира, а мне лично оставалось каких-нибудь два шага до воспаления легких, мой ангел-хранитель улыбнулся и пришел на выручку. Над кассой вывесили табличку: «Все билеты проданы».

Я радостно воскликнул: «Ах, какое безобразие!» — и повез вопивших от возмущения ребят домой.

В связи с этим случаем я подумал, как ничтожна фантазия создателей киночудовищ. Они наделяют их только двумя атрибутами — громадными размерами и способностью все разрушать и убивать. Здесь и громадные обезьяны, и громадные осьминоги (а может быть, правильнее сказать «спруты»?), и громадные орлы, и громадные пауки, и громадные амебы. Во всяком случае, именно это, как мне кажется, и нужно Голливуду. Одного этого достаточно, чтобы привлечь в кино огромные толпы наших крикливых головастиков, ибо все на свете крепкие и живые мальчишки или девчонки втайне мечтают стать большими и могучими.

Но что такое просто большие размеры для настоящего aficionado?^[3]Любитель, энтузиаст ( исп. ). —  Прим. перев. Нас манит разнообразие. И, когда осторожный астроном говорит о жизни на других мирах, делая оговорку, что подразумевает под этим только «жизнь в той ее форме, которая нам известна», нас разбирает нетерпение.

А как же быть с «жизнью в той ее форме, которая нам неизвестна»?

Именно о ней я и хотел поговорить в этой главе.

Для начала решим, что понимать под «жизнью в той ее форме, которая нам известна». Безусловно, «жизнь в той ее форме, которая нам известна» бесконечно разнообразна. Мы знаем, что живое существо в состоянии и летать, и бегать, и прыгать, и ползать, и ходить, и скакать, и плавать, и просто сидеть. Оно способно светиться и не светиться, есть и не есть. Иметь кости, панцирь, раковину или бесформенное, мягкое тело. У живого существа есть конечности, щупальца или вообще нет придатков. Оно может быть волосатым, чешуйчатым, покрытым перьями, шипами или просто голым.

Если мы хотим свалить все это в кучу и назвать «жизнью в той ее форме, которая нам известна», то нам придется найти в каждом живом существе нечто общее для всех. Мы могли бы сказать, что живое существо состоит из клеток. Однако вирус — форма жизни, знакомая всякому, кто когда-либо болел гриппом, — не состоит из клеток.

Значит, мы должны оставить физиологию и забраться в химию, чтобы иметь возможность сказать, что все живые организмы состоят из соответствующего набора молекул нуклеиновой кислоты, которые управляют химическими реакциями с помощью белков, действующих в водной среде.

О жизни можно говорить много, почти до бесконечности, но я попытаюсь свести подробности до минимума. Для «жизни в той ее форме, которая нам известна» совершенно необходима вода: на ее фоне разыгрывается драма, в которой главные роли исполняют нуклеиновые кислоты и белки.

Поэтому всякий ученый, оценивая возможность возникновения жизни на какой-нибудь планете, всегда отвергает ее, если на планете нет воды или если вода находится не в жидком состоянии, а только в виде льда или пара.

(Между прочим, вы можете поинтересоваться, почему я не взял в качестве непременного условия жизни кислород. Да потому, что для жизни он не обязателен. Разумеется, кислород необходим для тех процессов, которые у большинства форм жизни связаны с выделением энергии, но это не обязательное условие. Есть ткани в нашем теле, которые могут временно жить без молекулярного кислорода, и есть микроорганизмы, способные сколько угодно жить вообще без кислорода. Жизнь на Земле, вероятнее всего, развивалась в бескислородной атмосфере, и даже сегодня существуют микроорганизмы, которые вообще не выносят кислорода. Но ни одна известная форма жизни на Земле не может существовать при полном отсутствии воды, без которой нет ни белка, ни нуклеиновой кислоты.)

* * *

Для обсуждения «жизни в той ее форме, которая нам неизвестна» давайте переменим либо фон, либо исполнителей главных ролей. Начнем с фона!

Вода — это изумительное вещество с целым набором необычных свойств, идеальных для существования «жизни в той ее форме, которая нам известна». Она действительно так хорошо подходит для развития жизни, что некоторые люди видят в природе воды несомненное доказательство божественного провидения. Но этот довод неверен, так как известно, что жизнь вынуждена была приспосабливаться к условиям водной среды, в которой она развивалась. Жизнь приспособлена к воде, а не вода к жизни.

Можем ли мы представить себе жизнь, которая приспособилась бы к какой-либо другой жидкости, не слишком отличающейся от воды? Такой жидкостью, например, мог бы быть аммиак.

Аммиак почти во всем схож с водой. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (Н₂O), ее атомный вес равен 18; молекула аммиака состоит из одного атома азота и трех атомов водорода (NH₃), и ее атомный вес равен 17. Жидкий аммиак имеет почти такую же теплоемкость, как и вода; его тоже можно считать универсальным растворителем, и он весьма легко теряет один ион водорода.

В сущности, изучив реакции, происходящие в жидком аммиаке, химики нашли, что они аналогичны реакциям, происходящим в воде, и поэтому «химия аммиака» разработана весьма подробно.

Аммиак легко представить себе фоном жизни… только не на Земле. Температура на Земле такова, что аммиак существует в природе в виде газа. При нашем атмосферном давлении он кипит при –33,4 градуса и замерзает при –77,7 градуса.

А на других планетах?

В 1935 году с помощью спектрального анализа было показано, что атмосфера Юпитера и в меньшей степени Сатурна насыщена аммиаком. Сразу высказали предположение, что Юпитер покрыт огромными океанами аммиака.

Разумеется, температура на Юпитере, по-видимому, не поднимается выше –100 градусов, и поэтому можно предположить, что аммиак на этой планете находится в твердом состоянии, а для равновесия в атмосфере есть пары аммиака. Очень жаль. Вот если бы Юпитер был поближе к Солнцу…

Но погодите! Ведь аммиак кипит при –33,4 градуса только при атмосферном давлении, существующем на Земле. Температура кипения повышается с повышением давления, и если плотность атмосферы Юпитера достаточно высока и границы ее достаточно обширны, то весьма возможно, что океаны аммиака там действительно существуют. (Есть и другие точки зрения — см. главу 16.)

Однако против всей концепции жизни на фоне аммиака можно выдвинуть то возражение, что составные части живых организмов нестойки и реагируют на все быстро, чутко и по-разному. Поэтому белки, столь характерные для «жизни в той ее форме, которая нам известна», очевидно, очень нестабильны. Небольшое повышение температуры — и они расщепляются.

С другой стороны, понижение температуры могло бы сделать белковые молекулы слишком стабильными. При температурах, близких к температуре замерзания воды, многие формы нетеплокровной жизни становятся поистине вялыми. Тогда каким образом поддерживалась бы жизнь в среде аммиака, при температуре на добрую сотню градусов ниже температуры замерзания воды, когда химические реакции протекают слишком медленно?

На это есть два ответа. Во-первых, что значит «слишком медленно»? Почему бы не существовать формам жизни, которые по сравнению с нами живут неторопливо? Как растения.

Второй, менее тривиальный ответ: белковые структуры в процессе эволюции жизни приспосабливаются к температуре среды. Если бы жизнь более миллиарда лет приспосабливалась к температурам жидкого аммиака, то создались бы, наверно, такие белковые структуры, для которых было бы невозможно даже самое кратковременное существование при температуре жидкой воды; в то же время они были бы весьма стабильны для нормального существования при температурах жидкого аммиака. Эти новые виды белковых структур при низких температурах были бы и достаточно стабильны и достаточно нестабильны, чтобы поддерживать быстро изменяющуюся «торопливую» форму жизни.

И не стоит печалиться из-за того, что невозможно представить себе эти структуры. Предположим, что мы постоянно живем при температуре, когда железо раскаляется почти докрасна (естественно, что химически мы тогда коренным образом отличались бы от того, что представляем собой ныне). Могли бы мы в таких условиях знать что-либо о белках земного типа? Удалось бы нам охлаждать сосуды до 25 градусов по Цельсию, создавать белки и изучать их? Могли бы мы когда-либо мечтать об этом до тех пор, пока не были бы открыты формы жизни с такими белками?

* * *

Ну, а кроме аммиака?

Самые распространенные элементы Вселенной — это водород, гелий, углерод, азот, кислород и неон. Мы вычеркиваем из списка гелий и неон, потому что они инертны и не участвуют в реакциях. Ввиду колоссального преобладания водорода во Вселенной углерод, азот и кислород образуют в основном соединения с водородом. Кислород с водородом дают воду (Н₂О), а азот с водородом — аммиак (NH₃). Их мы уже рассмотрели. Остается углерод, который, соединяясь с водородом, образует метан (СН₄).

В атмосфере Юпитера и Сатурна наряду с аммиаком есть и метан, а на Уране и Нептуне, планетах еще более отдаленных, метан преобладает, так как аммиак там выморожен. Причина в том, что метан остается жидким при температурах более низких, чем для жидкого аммиака. На Земле он кипит при –161,6 градуса и замерзает при –182,6 градуса.

Может ли метан быть фоном для жизни, в которой исполнителями главных ролей были бы все те же нестабильные формы белков? Увы, здесь дело гораздо сложнее.

И аммиак и вода являются полярными соединениями; это означает, что электрические заряды в их молекулах распределяются несимметрично. А вот метан — это соединение неполярное, ибо электрические заряды распределяются в его молекуле симметрично.

Известно, что полярные жидкости способны растворять только полярные вещества, а неполярные жидкости растворяют только неполярные вещества.

Поэтому вода (которая полярна) растворяет соль и сахар (также полярные соединения), но не растворяет жиры и масла (неполярные соединения, называемые липидами). Отсюда возникла поговорка: «Масло и вода не смешиваются никогда».

С другой стороны, метан, неполярное соединение, растворяет липиды, но не растворяет ни сахара, ни соли.

Белки и нуклеиновые кислоты полярны и в метане не растворяются. Оказывается, очень трудно представить себе структуру, соответствующую нашим понятиям о том, какими должны быть белок и нуклеиновая кислота, чтобы они могли растворяться в метане.

Метан в качестве фона для жизни требует смены исполнителей главных ролей.

Для этого нам придется решить вопрос, какие именно свойства делают белки и нуклеиновые кислоты необходимыми для жизни.

Ну, во-первых, они построены из гигантских молекул, почти бесконечно разнообразных по своей структуре и потому обладающих способностью легко изменяться, — это необходимая основа для почти бесконечного разнообразия жизни.

А нет ли каких-либо других веществ со столь же большими и сложными, но неполярными молекулами, тоже способными растворяться в метане? Самыми распространенными неполярными соединениями, ассоциирующимися с жизнью, являются липиды; здесь возникает вопрос: а может быть, существуют липиды с гигантскими молекулами?

Это не просто предположение. Такие гигантские молекулы липидов существуют на самом деле. В частности, в ткани мозга есть гигантские липидные молекулы сложной структуры (их функции неизвестны). Очень распространены в природе так называемые липопротеиды; эти соединения состоят как из липидов, так и из белков, объединенных в единые гигантские молекулы. Пока что человек всего лишь чуть-чуть затронул поверхность химии липидов; по-видимому, возможности неполярной молекулы гораздо больше, чем мы представляли себе до последнего времени.

Вспомните также, что биохимическая эволюция жизни на Земле шла в основном в полярной водной среде. Если бы жизнь развивалась в такой неполярной среде, как метан, то под действием тех же эволюционных сил молекулы липидов изменялись бы, создавались бы сложные и хрупкие нестабильные формы молекул, способные в конце концов выполнять функции, которые в нашем представлении обычно связываются с белками и нуклеиновыми кислотами.

В поисках веществ, имеющих в жидком состоянии еще более низкую температуру, чем метан, мы столкнемся лишь с водородом, гелием и неоном. Если исключить гелий и неон, останется водород — самое распространенное вещество Вселенной. (Некоторые астрономы считают, что, возможно, ⁴/₅ Юпитера — это водород, а остальное — в основном гелий… в таком случае мы можем распрощаться с океанами аммиака.)

Водород становится жидким при –253 градусах и замерзает при –259 градусах; никакое давление не может поднять его температуру кипения выше –240 градусов. Это всего на 20–30 градусов выше абсолютного нуля, и поэтому более холодного фона для жизни, чем водород, представить невозможно. Водород неполярен, так что снова исполнителем главной роли был бы какой-нибудь липид.

* * *

До сих пор мы говорили о планетах более «холодных», чем Земля. А как же обстоит дело с планетами более «горячими»?

Начнем с того, что с химической точки зрения одни планеты резко отличаются от других. В солнечной системе, как, очевидно, и во всей Вселенной, существует три типа планет.

На холодных планетах молекулярные движения замедленны, и поэтому в процессе образования планета может удержать даже водород и гелий (самые легкие, а следовательно, и самые подвижные из всех веществ). Так как все здесь состоит из водорода и гелия, планеты имеют большие размеры. Вот известные нам примеры: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

На «горячих» планетах, где молекулярное движение ускорено, водород и гелий улетают в пространство. Более сложных атомов — этих жалких примесей в могучем океане водорода и гелия — хватает лишь на образование маленьких планет. Из основных соединений водорода остается только вода. Температура ее кипения выше, чем у остальных участников трио метан — аммиак — вода. Кроме того, вода лучше всего подходит для образования прочных соединений с силикатами, из которых состоит твердая кора планеты.

Возникают такие миры, как Марс, Земля и Венера. Здесь аммиачная и метановая формы жизни невозможны. Во-первых, при температуре этих планет аммиак и метан существуют в газообразном состоянии. Во-вторых, даже если спустя много миллионов лет и наступит период полного обледенения (температура при этом упадет достаточно сильно, чтобы аммиак или метан стали жидкими), — все равно количество аммиака и метана будет недостаточным для поддержания аммиачной или метановой формы жизни на любой из этих планет.

А теперь представьте себе мир еще более теплый, чем наше умеренное трио планет, мир настолько горячий, что в нем нет даже воды. Пример — Меркурий. Это твердое каменное тело; если в нем и есть водород или соединения водорода, то их очень мало.

Неужели здесь вовсе немыслимы формы жизни, которые можно было бы связать с существующими химическими механизмами?

Не обязательно.

Есть неводородные жидкости с температурой кипения выше, чем у воды. В космическом масштабе наиболее распространенной жидкостью такого рода была бы сера — при давлении в одну атмосферу она плавится при 113 градусах и кипит при 445 градусах (именно такова температура на солнечной стороне Меркурия).

Но кто же станет исполнителем главных ролей на этом фоне?

Рассмотренные нами до сих пор сложные молекулярные структуры — это обыкновенные органические молекулы, то есть гигантские молекулы, состоящие главным образом из углерода и водорода, с кислородом и азотом в качестве главных (по количеству) «примесей» и серой и фосфором в качестве второстепенных (опять-таки по количеству). Если бы молекула состояла только из углерода и водорода, она была бы неполярной, — кислород и азот придают ей полярные свойства.

На фоне воды (а она, как известно, состоит из кислорода и водорода) следует ожидать, что в живой ткани атомов кислорода больше, чем атомов азота. На Земле именно так и обстоит дело. На фоне аммиака, как мне кажется, атомы азота будут превалировать над атомами кислорода. Два подвида соответствующих белков и нуклеиновых кислот можно было бы отличать друг от друга, ставя в скобки О или N (чтобы указать, каких атомов больше).

Липиды, играющие главные роли на фоне метана и водорода, бедны как кислородом, так и азотом; они почти целиком состоят из углерода и водорода и поэтому неполярны.

Но на такой горячей планете, как Меркурий, ни белки, ни нуклеиновые кислоты, ни липиды не могли бы существовать. При температуре жидкой серы все известные нам органические соединения — кроме простейших — разрушаются. Земные белки при температуре от 60 градусов и выше разрушаются уже через несколько минут.

Как же тогда стабилизировать органические соединения? Первое, что приходит в голову, — это заменить водород каким-нибудь другим элементом, так как в горячих мирах ощущается острая нехватка водорода.

Давайте поговорим о водороде. Атом водорода — самый маленький из всех атомов; его можно протиснуть в молекулярную структуру там, где другие атомы не пройдут. В любую, даже самую сложную углеродную цепочку можно со всех сторон втиснуть маленькие атомы водорода — получатся углеводороды. Любой другой атом оказался бы для этого слишком большим… кроме одного.

«Кроме одного»! Какого же? Оказывается, только атом фтора по размерам почти так же мал, как атом водорода, и обладает сходными химическими свойствами (по крайней мере в отношении способности участвовать в определенных комбинациях молекул). К сожалению, фтор так активен, что химикам очень трудно с ним работать, и поэтому они, естественно, больше занимались исследованиями не столь агрессивных элементов.

Но во время второй мировой войны положение изменилось. Возникла необходимость работать с гексафторидом урана: это был единственный способ ввести уран в соединение, которое без особого труда превращалось в газ. Работу с ураном надо было продолжить (вы знаете почему), и волей-неволей пришлось иметь дело и с фтором.

В результате была создана целая группа фторуглеродов, сложных молекул, состоящих из углерода и фтора, а не из углерода и водорода. Так была заложена основа химии фторорганических соединений.

Разумеется, фторуглероды инертны в значительно большей степени, чем соответствующие углеводороды (именно это свойство оказалось особо ценным для промышленности), и, по-видимому, совершенно не обладают гибкостью и изменчивостью, необходимыми для жизни.

Но ведь полученные до настоящего времени фторуглероды аналогичны полиэтилену или полистиролу. Эти последние относятся к органическим соединениям водорода, а если бы нам пришлось судить о возможностях таких соединений только по полиэтилену, то мы едва ли могли бы составить представление о белках.

Насколько мне известно, до сих пор еще никто не только не имел дела с проблемой фтористых белков, но даже и не думал об этом. Но почему бы нам и не поговорить о ней? Не приходится сомневаться в том, что фтористые белки при обычной температуре должны быть гораздо менее активными, чем обычные белки. Но на такой планете, как Меркурий, где температура настолько высока, что водородные органические соединения разрушаются, фторорганические соединения могли бы стать как раз настолько активными, чтобы поддержать жизнь; возможно, именно из этих фторорганических соединений и развилась бы там жизнь.

* * *

Такая фторорганическая жизнь на фоне серы возможна, конечно, лишь при условии, что количества фтора, углерода и серы на горячих планетах достаточны для развития жизни в результате случайных реакций, протекавших на протяжении всего существования солнечной системы.

Каждый из перечисленных элементов в умеренном количестве имеется в любом уголке Вселенной, так что это условие, в общем, не так уж невыполнимо. Но на всякий случай поговорим и о возможных альтернативах.

Что, кроме углерода, может послужить главной составной частью гигантских молекул, на которых строится жизнь? Какие другие элементы обладают почти уникальной особенностью — способностью образовывать длинные цепочки и кольца из атомов? Ведь именно благодаря этой способности углерода возможно существование гигантских молекул, воплощающих разнообразие жизни.

В этом отношении более всего сходны с углеродом бор и кремний. И в периодической таблице элементов (в том виде, в каком ее обычно изображают) бор располагается как раз слева от углерода, а кремний — точно под ним. Однако бор — это элемент довольно редкий. Из-за низкой концентрации в коре планет его участие в случайных реакциях, порождающих жизнь, было бы таким редким, что жизнь на основе бора вряд ли появилась бы даже за пять миллиардов лет.

Остается только кремний, и уж здесь мы по крайней мере можем чувствовать себя уверенно. На Меркурии или на любой другой «горячей» планете может недоставать углерода, водорода или фтора, но, по-видимому, там имеются огромные количества кремния и кислорода: известно ведь, что это основные компоненты горных пород. Если «горячая» планета начнет сперва утрачивать водород и другие легкие элементы, а затем также кремний и кислород, то она перестанет существовать как планета и превратится просто-напросто в рой железо-никелевых метеоритов.

Кремний, как и углерод, способен образовывать длинные цепи. В результате присоединения атомов водорода к такой цепи образуются силаны. К сожалению, силаны менее стабильны, чем соответствующие углеводороды, и при высоких температурах уменьшается вероятность существования силанов достаточно сложного строения, которые могли бы обеспечить возникновение живого.

Но факт остается фактом: кремний образует в горных породах сложные цепочки, и эти цепочки не разрушаются при высокой температуре, даже если горные породы раскалить добела. Однако эти цепочки состоят не только из атомов кремния (Si — Si — Si — Si — Si), а из атомов кремния вперемежку с атомами кислорода (Si — О — Si — О — Si).

Может случиться так, что каждый атом кремния прикарманит четыре атома кислорода. Тогда к атому кремния сверху и снизу присоединятся атомы кислорода, соединенные в свою очередь с другими атомами кремния, и так далее. В результате получится чрезвычайно стабильная пространственная решетка.

Раз уж мы начали говорить о кремнийкислородной цепочке, то посмотрим, а что же произойдет, если атомы кремния с их способностью подцеплять два дополнительных атома вместо атомов кислорода заполучат атомы углерода — в сочетании, конечно, с атомами водорода? Такие гибридные молекулы, имеющие как кремниевую, так и углеродную основу, называются силиконами. Эти соединения тоже были созданы во время второй мировой войны и с тех пор высоко ценятся за высокую стабильность и инертность.

Возможно, что при более высокой температуре какие-то очень сложные силиконы могли бы проявить активность и гибкость, необходимые для жизни. А может быть, существуют и такие силиконы, которые вместо атомов водорода содержат атомы фтора? Подобные силиконы было бы логично назвать фторсиликонами, но, насколько мне известно, они до сих пор не изучались (но я готов тут же отказаться от своих слов, если кто-нибудь меня поправит)^[4]В настоящее время этот класс соединений синтезирован и находит широкое применение. —  Прим. ред. .

А не возможно ли существование таких систем, в которых простые молекулы силиконов или фторсиликонов (те, что могут оставаться жидкостями при высоких температурах) служили бы фоном для жизни, а сложные молекулы этого же типа — главными действующими лицами?

* * *

Вот мой список химий жизни, охватывающий все температуры, от нескольких сот градусов тепла до абсолютного нуля:

1) фторсиликоны; фон — фторсиликоны;

2) фторуглероды; фон — сера;

3)  нуклеиновые кислоты и белки (О) ; фон — вода;

4) нуклеиновые кислоты и белки (N); фон — аммиак;

5) липиды; фон — метан;

6) липиды; фон — водород.

В этой полудюжине форм жизни лишь третья есть «жизнь в той ее форме, которая нам известна». Чтобы вы ее случайно не прозевали, я выделил ее курсивом.

Это, конечно, не исчерпывает возможностей, подсказываемых богатым воображением; в книгах научных фантастов можно встретиться и с металлическими существами, живущими на ядерной энергии, и с парообразными существами, живущими в газах, и с энергосуществами, живущими в звездах, и с существами — сгустками мыслей, живущими в космосе, и с существами, не поддающимися никакому описанию, живущими в гиперпространстве, и т. д.

Однако в мой список входят, по-видимому, наиболее вероятные формы жизни как явления чисто химического, жизни, основанной на обычных атомах, встречающихся во Вселенной.

Что ж, когда мы выберемся в космос, то, наверное, обнаружим значительно больше форм жизни, чем ожидаем. Я предвижу встречу не только с нашими внеземными братьями, живущими в мире, где господствует «жизнь в той ее форме, которая нам известна». Я надеюсь, что нам доведется повидаться и с двоюродными братьями, ведущими «жизнь в той ее форме, которая нам неизвестна».

По правде говоря, мне кажется, что следует отдать предпочтение нашим двоюродным братьям. Конкуренция с родными братьями может быть острой, даже чересчур острой, так как вполне вероятно, что мы бросимся отнимать друг у друга родные планеты, а вот с двоюродными братьями, живущими на «горячих» и «холодных» мирах, интересы наши настолько «совпадают», что останется только жить в мире и дружбе. Каждая звездная система вполне могла бы иметь набор всех форм жизни, по одной на каждой из своих планет, и каждая планета при этом была бы бесполезна и нежеланна для прочих разновидностей.

Как легко было бы тогда соблюдать десятую заповедь!