Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Глава 11. N равно единице?

Глава 11. N равно единице?

Я СТОЮ ВО ДВОРЕ ДОМА зимней НОЧЬЮ и гляжу вверх на несколько ярких звезд, пытающихся заявить о себе в свете почти полной Луны. Я держу в руках чашку Петри с E. coli. Лунный свет просачивается сквозь путаницу голых кленовых ветвей и падает на агар — агар в чашке. В его лучах колонии бактерий испускают прохладное мутноватое свечение. Они выглядят как далекие миры и звезды, увеличенные каким?то расфокусированным телескопом. Вот я и добрался до последнего вопроса о E. coli — варианта старого афоризма Моно: правда ли то, что все, что верно для E. coli, верно и для инопланетянина?

Однажды октябрьской ночью 1957 г. Джошуа Ледерберг тоже глядел на звезды. Он находился в Австралии в творческом отпуске. Ледербергу тогда было 32 года, но за его плечами оставалось уже больше десяти лет исследований, за которые в следующем году ему предстояло получить Нобелевскую премию. Объектом для большей части его исследований служила E. coli. Он открыл, что у бактерий бывает половое размножение, и воспользовался этим, чтобы составить первые генетические карты. Он подтвердил, что гены мутируют спонтанно, приблизив тем самым теорию Дарвина к современности. Вместе с женой он открыл вирусы, способные полностью слиться с хозяином, — E. coli. В значительной степени именно благодаря Ледербергу E. coli становилась стандартным инструментом для изучения молекулярной основы жизни; другие ученые тоже начинали использовать ее для расшифровки генетических кодов.

Но Ледербергу не было покоя. Он приехал в Австралию, в Университет Мельбурна, чтобы изучать иммунную систему. Известно, что белые кровяные тельца — лейкоциты — учатся распознавать бактерии и других паразитов, но не пользуются обычными генами для кодирования и хранения информации об этом. Никто тогда еще не знал, каким языком они пользуются. Немного позже Ледерберг вернулся в США с новой энергией и страстью, но страстью этой стали не лейкоциты, а космос.

Той весенней австралийской ночью Ледерберг поймал взглядом крохотную светящуюся точку Она двигалась. Это была не звезда и даже не метеорит, а металлический шар, заброшенный в космос человеком. Ледерберг был уверен, что запуск Советским Союзом искусственного спутника Земли изменит мир.

Ледерберг увидел в космических путешествиях новое поле деятельности для молекулярных биологов. В то время и он, и другие специалисты по молекулярной биологии только начинали понимать, насколько едина и единообразна жизнь на Земле. И E. coli, и слон одинаково кодируют свои гены при помощи ДНК, одинаково используют РНК для переноса этой информации к рибосомам, пользуются одним и тем же генетическим кодом для перевода ее в белки. Позже Ледерберг написал, что единообразие жизни стало поразительным открытием, «но ее владения ограничены тонкой оболочкой нашей планеты — тем, как одна — единственная искра жизни осветила одну — единственную пылинку космоса». Только попав в другие миры, ученые смогут выяснить, существует ли аналогичная нашей жизнь вне Земли.

Ледерберга очень беспокоило, что США и СССР в ходе яростной космической гонки могут погубить эту возможность. В своем безудержном стремлении установить флаг на Луне или Марсе они могут заразить иные миры земными микроорганизмами. Вернувшись в Соединенные Штаты, Ледерберг стал добиваться, чтобы только что созданное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) относилось к космическим телам, как к чашке Петри, и тщательнейшим образом берегло их от заражения.

Он быстро организовал встречи, на которых ученые обсуждали потенциальные риски космических полетов. Все сошлись во мнении, что если не принять особых предосторожностей, то при любом посещении другой планеты человек оставит там земные бактерии. Любой астронавт неизбежно станет источником бактериального загрязнения, считал Ледерберг. Автоматические зонды тоже могут подхватить от своих создателей миллионы бактерий и перенести их в другие миры.

В 1959 г. собрание ученых попыталось представить, что произойдет, если одна — единственная E. coli попадет на планету, лишенную жизни, но богатую органическим углеродом. «Средняя бактерия Escherichia coli имеет массу 10 г. и минимальный интервал между циклами деления 30 мин, — писали они. — При такой скорости размножения одна бактерия за 66 часов может создать массу, равную массе Земли. Этот пример наглядно показывает, что вспышка размножения биологических объектов способна полностью уничтожить остатки добиологического синтеза».

Усилиями Ледерберга между США и СССР было заключено соглашение по стандартам стерилизации космических аппаратов. Но прославился Ледерберг не заботой о стерильности других планет, а тревогами по поводу обратного путешествия. Если жизнь в других мирах действительно существует, то космический аппарат при возвращении может случайно прихватить какие?то живые организмы на Землю. Чужие микроорганизмы могут устроить на нашей планете настоящий хаос — вызвать, к примеру, глобальную эпидемию или погубить посевы и спровоцировать голод.

«Ставкой в этом вопросе, может быть, является судьба человечества», — заявил Ледерберг, и вскоре уже репортеры описывали зловещие предостережения биолога и нобелевского лауреата громкими заголовками вроде: «Вторжение с Марса? Микробы!» Паническая версия Ледерберга нашла свое воплощение и в научной фантастике: к примеру, в фильме «Штамм Андромеда» (The Andromeda Strain), где бесстрашный биолог отчаянно пытается найти лекарство от инопланетного вируса[33].

Несмотря на все тревоги, Ледерберг не хотел и не предлагал навсегда закрыть для человека небо. По приглашению NASA он организовал в Стэнфордском университете лабораторию, где предполагалось начать разработку устройства, способного обнаружить на чужой планете признаки жизни. В некоторых отношениях эта работа, конечно, носила вполне земной характер. Вместе с коллегами Ледерберг возился с конвейерными лентами и масс- спектрометрами. Но одновременно перед учеными встал и глубокий — скорее даже не научный, а философский — вопрос: как найти жизнь, которую никогда прежде не видел? При поиске ответа на этот вопрос, решил Ледерберг, не обойтись без нового, совершенно самостоятельного раздела биологии. Он назвал его экзобиологией — биологией внеземной жизни.

Целью экзобиологии было понять, возникла ли жизнь еще где?нибудь во Вселенной, помимо Земли, и какую форму она приняла. Всякая ли жизнь обязана использовать ДНК? Должна ли жизнь строить клетки из белка? Обладают ли эти молекулы какими?то свойствами, которые делают их незаменимыми для жизни? Неужели никакая другая комбинация атомов не может выполнять ту же роль? «На эти вопросы можно ответить двояко, — писал Ледерберг. — Самонадеянный человек мог бы подражать примитивной жизни, имитируя Природу и подбирая заменители. Или он мог бы смиренно вопросить Природу об исходе ее собственных экспериментов с жизнью, поставленных, возможно, на других планетах Солнечной системы».

Поиск внеземных форм жизни по определению должен быть непрост, потому что ученые не в состоянии предсказать, что именно они могут обнаружить. Ледерберг считал, что начать можно с традиционных вещей. «Можно отложить наши тревоги по поводу экзотических биосистем до момента, когда будут получены результаты полноценных поисков более знакомых видов жизни», — писал он.

NASA не возражало. Агентство готово было поискать знакомые формы жизни, причем на Марсе. Марс в достаточной мере напоминал Землю, чтобы можно было надеяться обнаружить на нем жизнь. В 1965 г. американский космический зонд «Маринер-4» первым послал на Землю подробные изображения поверхности Марса. Земляне увидели скучный пейзаж, усеянный кратерами и полностью лишенный лесов и прочих признаков живого. Стало ясно: если на Марсе и есть жизнь, то, вероятно, она представлена только микроорганизмами. NASA воспользовалось фотографиями этой и последующих межпланетных станций при планировании новой экспедиции, предусматривавшей мягкую посадку аппарата на поверхность Марса. 4 июля 1976 г., через 18 лет после первого спутника, который в свое время наблюдал в Австралии Ледерберг, аппарат «Викинг-1» приземлился на поверхность этой планеты.

Как ни печально, из поисков жизни ничего не вышло. «Викинг-1» не обнаружил на поверхности признаков живых организмов, которые могли бы перерабатывать двуокись углерода (углекислый газ) в органический углерод. Некоторые разновидности земной жизни, такие как E. coli, напротив, поглощают органический углерод и выделяют углекислый газ в качестве отходов, но «Викинг» не обнаружил на планете признаков и такого метаболизма[34]. Оставался последний эксперимент. «Викинг» копнул грунт, нагрел его, чтобы высвободить летучие молекулы, и направил их в трубку для измерений. Этот прибор вообще не обнаружил в марсианском грунте органического углерода. Это был окончательный приговор, потому что на Земле жизнь накопила огромные запасы органического углерода — и не только в организмах живых существ, но и в отходах их жизнедеятельности.

«Конец игры, — сказал тогда Джеральд Соффен, научный руководитель проекта «Викинг». — На Марсе нет органики. На Марсе нет жизни».

Условия на поверхности Марса оказались намного суровее, чем предполагали ученые. Ультрафиолетовое излучение и агрессивные химические вещества, такие как перекись водорода, быстро уничтожали любой органический углерод. Шансы на возникновение жизни в таких условиях казались очень низкими, если не нулевыми. Ледерберг был оптимистичнее коллег, но не намного. Возможно, что жизнь на Марсе существует лишь в нескольких оазисах, может быть, вокруг горячих источников в местах их выхода на поверхность планеты. Но если жизнь на Марсе все же есть, она, безусловно, куда скромнее буйной всепоглощающей земной жизни.

«Мы больше не можем быть уверены, что везде, куда ни посмотри, имеется жизнь», — сказал Ледерберг репортерам.

Ледерберг и его коллеги считали, что неудача «Викинга» — недостаточная причина для того, чтобы прекратить поиски жизни. Ученые призывали NASA к созданию «сына “Викинга”» — новой межпланетной станции, которая отвезла бы на Марс новый набор инструментов и приборов. Но NASA тогда больше интересовали астронавты[35] — резервуары с E. coli, по определению Ледерберга. Интерес к экзобиологии упал, и Ледерберг вновь вернулся к животрепещущим вопросам биологии, таким как появление новых болезней и угроза биологической войны. Его звездные дни в профессии подошли к концу.

Двадцать лет спустя у NASA вновь пробудился интерес к поискам внеземной жизни. Внутри метеорита, прилетевшего на Землю с Марса, обнаружились странные следы, которые, по предположению ученых, могли представлять собой окаменелости микроорганизмов. Тем временем межпланетная станция «Галилео» пролетела мимо Европы, спутника Юпитера, и прислала на Землю детальные фотографии ледяного панциря, покрывающего ее поверхность. Может быть, подо льдом скрывается жизнь? Наука, занимающаяся поисками внеземной жизни, которую теперь называют астробиологией, вновь получила поддержку NASA, основавшего в 1998 г. Институт астробиологии NASA.

Сегодня многие астробиологии занимаются поиском таких мест на Земле, где, несмотря на экстремальные условия, существует жизнь. E. coli — выносливое существо, но ученым удалось обнаружить немало других организмов, способных выжить в местах, где E. coli погибла бы очень быстро. Это и залитые кислотой шахтные стволы, и лишенные кислорода трясины, и глубины ледников, и перегретые воды гидротермальных источников, и полости соляных кристаллов. Планеты и луны с подобными условиями могли бы оказаться подходящим обиталищем для жизни.

Но какими бы странными ни были некоторые из обнаруженных видов, все они разделяют фундаментальные черты E. coli. Все они представляют собой мембраны, внутри которых собраны белки и ДНК. Для роста им необходимы источники углерода и энергии. И еще им необходима жидкая вода — среда, в которой могут протекать химические реакции. Если перенести некоторые из самых выносливых организмов Земли к какому?нибудь подземному гидротермальному источнику на Марсе — или, к примеру, под ледяную корку спутника Сатурна Энцелада, — они, возможно, смогли бы там выжить, хотя и с трудом.

Тем не менее ученые остро чувствуют, что жизнь на Земле может и не быть образцом для всей жизни во Вселенной. Это стало особенно очевидно после наших собственных экспериментов с жизнью. Расширение генетического кода E. coli не убивает бактерию, и нет оснований считать, что жизнь на других планетах не могла бы использовать для строительства белков другие аминокислоты. Вся жизнь на Земле для кодирования генетической информации пользуется четырехбуквенным языком. Но ученым уже удалось модифицировать E. coli с использованием искусственных оснований — иными словами, удалось расширить алфавит жизни, добавив к нему новые буквы. Чем дальше, тем больше синтетическая биология сливается с астробиологией.

Можно допустить даже, что жизнь способна вообще обойтись без ДНК. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что та же структура — прочная основа и последовательность соединений, несущих информацию, — может быть реализована на основе других молекул. Не исключено даже, что эти молекулы будут способны точно себя копировать. Некоторые ученые рассуждают даже о том, что жизнь в принципе может существовать без жидкой воды. Вместо нее соответствующую роль может выполнять другая жидкость, к примеру жидкий метан.

Но из чего бы ни состояла внеземная жизнь, ее открытие, безусловно, сильно изменило бы наши представления о жизни вообще. Это событие дало бы наконец нам возможность искать закономерности жизни на примере больше чем одной планеты. Ученые, вероятно, начали бы исследование внеземной жизни с самых низких ее уровней и попытались бы определить, как она хранит генетическую информацию. Но черед самых интересных сравнений пришел бы позже. Всю без исключения жизнь на Земле объединяет не только ДНК. И E. coli, и слон выживают в меняющемся мире благодаря устойчивости своих генетических схем. Естественный отбор определяет срок их существования и управляет сложной социальной жизнью, полной самопожертвования и обмана. Барьеры делят живые системы на отдельные организмы, но вирусы объединяют их все в единую генетическую матрицу. Внеземная жизнь показала бы, насколько универсальны эти свойства.

Если бы внеземная жизнь оказалась во всем похожей на земную, ученым пришлось бы выбирать из двух возможных вариантов. Может быть, одна и та же биология возникла независимо в разных мирах, а может, она путешествует по Вселенной от мира к миру.

Греческий философ Анаксагор, живший в V в. до н. э., объявил, что жизнь на Земле возникла из семян, распространяющихся по всему космосу. Процесс переноса жизни он назвал панспермией. В XX в. Фрэнсис Крик и некоторые другие видные ученые вновь, и не единожды, выдвигали теорию панспермии в различных формах. Они предположили, что начало всей жизни на Земле дали некие споры жизни, упавшие на Землю несколько миллиардов лет назад. Теория панспермии была встречена с большими сомнениями, поскольку ее сторонники не могли предъявить никаких доказательств того, что жизнь существует на других планетах или что она способна пережить межпланетное путешествие. Более того, сама концепция панспермии совершенно неудовлетворительна, потому что никак не объясняет происхождение жизни. Она просто отодвигает границы проблемы.

Панспермия и теперь вызывает серьезный скептицизм, но сегодня ученые по крайней мере могут говорить о ней на конференциях и не бояться быть осмеянными. На ранних этапах существования Солнечной системы большие метеориты очень часто падали на планеты, выбрасывая их вещество в космос. В некоторых случаях это вещество могло со временем достигнуть других планет. Путь с Марса на Землю особенно удобен, потому что эти планеты расположены достаточно близко друг к другу и поле тяготения у Марса намного слабее. Даже в наше время, по оценкам ученых, на Землю каждый год падает около 15 метеоритов с Марса. Планеты могут обмениваться кусочками своего вещества и на куда более далеких расстояниях. Куски скальной породы с Земли вполне могли добраться до лун Юпитера и Сатурна. Более того, по одной из оценок, камень с Земли, возможно, падает на спутник Юпитера Европу каждые 50 000 лет. Конечно, для нас 50000 лет — невообразимо долгий срок, но в масштабах истории Солнечной системы это не более чем дождь с градом.

Если эти исследования верны, возможно, что какая?нибудь группа E. coli унеслась когда?то, тысячи лет назад, на метеорите в межпланетное пространство. Для большинства микроорганизмов подобное путешествие не могло не закончиться фатально. Одни погибли бы от жесткого космического излучения, от которого обитателей Земли защищает плотная атмосфера. Другие умерли во время огненного спуска на другую планету. Но несколько микроорганизмов все же могло уцелеть. А для заселения плодородной планеты их и нужно?то, согласно выводам Ледерберга и его коллег, всего несколько. Некоторые ученые даже считают, что подобные путешествия могли сыграть положительную роль и сохранить жизнь в Солнечной системе. Дело в том, что столкновение с достаточно крупным объектом могло вскипятить и полностью испарить все океаны Земли — и уничтожить жизнь на планете, практически стерилизовав ее. Потребовались бы миллионы лет, чтобы испарившаяся вода собралась в тучи и вновь выпала дождем на землю, сделав ее пригодной для жизни. В этой ситуации жизнь на время тяжких испытаний могла найти себе убежище на Марсе или где?то в другом месте.

Крайнюю форму панспермии предложил в 2004 г. ирландский астроном Уильям Нэйпир. Он утверждал, что камни, выбитые с одной из планет нашей Солнечной системы, могли вообще улететь за ее пределы. Там, далеко, на безопасном расстоянии от Солнца, улетевшие вместе с камнем микроорганизмы не будут страдать от его ультрафиолетового излучения. Некоторые из этих камней могут закончить свой путь на планетах, обращающихся вокруг иных звезд, где микроорганизмы могут найти новый гостеприимный дом. Конечно, эти планеты тоже содрогаются от ударов небесных тел и посылают собственную жизнь в другие солнечные системы. По оценкам Нэйпира, при помощи такой межзвездной инфекции всего за несколько миллиардов лет вся Галактика оказалась бы заражена жизнью.

Это возвращает меня к мысли о чашке с E. coli, которую я поднял к усеянному звездами небу. В некоторые ночи в некоторых местах Земли можно разглядеть в космосе Международную космическую станцию. E. coli тоже там, наверху. Она плавает в телах астронавтов, в питьевой воде, в водяных капельках на стенах орбитальной станции. Удалось ли ей проникнуть дальше? Беспокойство Ледерберга по поводу заражения других планет никуда не делось. Какие бы меры ни принимали создатели автоматических межпланетных станций, судя по всему, кое — какие особенно стойкие существа умудряются устроиться на их поверхности и отправиться в далекий путь.

«Специалисты в страшных снах видят, как они обнаруживают жизнь на Марсе, а оказывается, что это E. coli из Пасадены», — сказал в 2001 г. Кеннет Нилсон, геобиолог из Южно — Калифорнийского университета.

Сегодня я вижу, как восходит Марс — красновато — желтая точка на темном бархате неба. На мгновение я забываю о теории вероятности и представляю, как E. coli летит сквозь пространство на спине одного из первых марсианских зондов — возможно, русского орбитального аппарата[36], который потерял управление и рухнул на поверхность. Я понимаю, что E. coli не смогла бы овладеть этой планетой — она погибла бы в холодной радиоактивной ночи без атмосферы, которая создала бы вокруг достаточное давление. И сейчас, глядя на красновато — желтую точку, я представляю себе Марс как крохотную погибшую колонию E. coli на фоне громадной черной чашки Петри. Escherichia coli помогла нам здесь, на Земле, прийти к пониманию жизни, а сейчас отправилась на разведку в бескрайнюю живую Вселенную.