"Scientific American": почему жизнь на самом деле не существует
Почему жизнь на самом деле не существует- на эту тему рассуждает Феррис Джабр в статье, опубликованной на "Scientific American". Перевод осуществило ИноСМИ.
У меня с детства вызывали интерес и восхищение живые существа. Детство я провел на севере Калифорнии, где часто играл на природе среди растений и животных. Мы с друзьями следили за пчелами, когда они опыляли цветы, и ловили их в пакеты с застежками, чтобы получше всмотреться в их обсидиановые глаза и золотистые волоски, а затем отпускали насекомых на волю заниматься повседневными делами. Иногда я мастерил лук со стрелами из росшего у нас на участке кустарника, в качестве тетивы использовал кору с тех же кустов, а листья с них шли на оперение стрел. Во время поездок с семьей на пляж я быстро научился отыскивать крабов и членистоногих в их укромных уголках, наблюдая за пузырьками в песке после отлива очередной волны. И я отчетливо вспоминаю, как мы в младших классах ходили в поход в эвкалиптовую рощу в Санта-Крус, где на отдых остановились тысячи мигрирующих бабочек-данаид. Они большими коричневыми комками цеплялись за ветки деревьев, напоминая засохшие листья. А потом какая-нибудь бабочка начинала шевелиться, и оказывалось, что внутренняя часть ее крыльев огненно-оранжевая.
Такие моменты, а также многие фильмы Дэвида Аттенборо, усилили мою увлеченность живым миром планеты. В то время как мой младший брат увлеченно занимался подаренным ему конструктором K’Nex, кропотливо строя русские горки или железную дорогу, я пытался понять, как устроена наша кошка. Как она видит мир? Почему она мурлычет? Из чего сделаны ее мех, когти и усы? Как-то раз я попросил на Рождество энциклопедию о животных. Сорвав оберточную бумагу с массивной книги, весившей примерно половину меня, я несколько часов просидел у елки, читая ее. Поэтому неудивительно, что в итоге я стал зарабатывать на жизнь статьями о природе и науке.
Но недавно у меня наступило прозрение, заставившее по-новому взглянуть на то, почему я так сильно люблю все живое, и по-новому задуматься над тем, что такое жизнь. Дело в том, что все то время, что люди изучают жизнь, они так и не могут дать ей четкое определение. Даже сегодня у ученых нет убедительного и признанного всеми определения жизни. Задумавшись над этой проблемой, я вспомнил, как мой брат увлеченно играл в конструктор, а я любопытствовал насчет кошки. Почему нам кажется, что конструктор неодушевлённый, а кошка живая? Разве в конечном итоге и первый, и вторая не являются машинами? Конечно, кошка - это гораздо более сложный механизм, способный на поразительные поступки, повторить которые конструктор не сумеет никогда. Но на самом базовом уровне в чем разница между неодушевленным механизмом и живым организмом? Что, люди, кошки, крабы и прочие существа принадлежат к одной категории, а конструкторы, компьютеры, звезды и камни к другой? Мой вывод: нет. Более того, я решил, что жизнь на самом деле не существует.
Позвольте объясниться
Формальные попытки дать точное определение жизни предпринимались еще во времена древнегреческих философов. Аристотель считал, что в отличие от неживого все живое имеет душу, а душа бывает трех видов: у растений, у животных и рациональная душа, которая есть исключительно у человека. Греческий анатом Гален предполагал наличие похожей, основанной на органах тела, системы "жизненного духа" в легких, кровеносной и нервной системе. В 17-м веке немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (George Erns Stahl) и другие ученые выдвинули теорию, получившую позднее название витализм. Виталисты утверждали, что "живые организмы в корне отличаются от неживых сущностей, потому что в них содержится некий нематериальный элемент, и ими управляют иные принципы, нежели в неживых вещах", а также, что органические вещества (молекулы, содержащие углерод и водород и создаваемые живыми организмами) не могут быть синтезированы из неорганических (это молекулы, где нет углерода, который появляется в основном в результате геологических процессов). Последующие эксперименты показали полную несостоятельность витализма: неорганические вещества могут превращаться в органические как в лабораторных условиях, так и вне стен лабораторий.
Вместо того, чтобы вселять в организмы "некую нематериальную силу", другие ученые пытались вывести определенный набор физических характеристик, который дифференцирует живое и неживое. Сегодня, ввиду отсутствия краткого определения жизни в книгах Кэмпбелла и в других широко используемых учебниках биологии, имеется обширный перечень определяющих характеристик, например: порядок (тот факт, что многие организмы состоят либо из одной клетки с разными отделениями и органеллами, либо из групп упорядоченных клеток), рост и развитие (изменение размера и формы в предсказуемой манере), гомеостаз (устойчивость состава внутренней среды, отличающегося от внешней, а также баланс биофизиологических функций, например, регулирование степени кислотности и концентрации солей), метаболизм (расходование энергии для роста и для замедления старения), реакция на раздражители (изменение поведения в качестве реакции на свет, температуру, химические вещества и прочие составляющие окружающей среды), репродукция (вегетативное размножение или спаривание с целью производства новых организмов с передачей генетической информации от одного поколения другому) и эволюция (изменение со временем генетических характеристик популяции).
Логику таких перечней очень легко можно опровергнуть. Никому и никогда еще не удавалось составить такой набор физических свойств, в котором объединяется все живое и исключается все то, что мы называем неодушевленным. Всегда бывают исключения. Так, большинство людей не считают кристаллы живыми, однако они высокоорганизованы, и они растут. Огонь тоже потребляет энергию и увеличивается. И наоборот, бактерии, тихоходки и даже некоторые ракообразные могут надолго впадать в спячку, и в это время они не растут, у них не происходит обмен веществ, и они вообще не меняются, хотя и мертвыми их тоже назвать нельзя. К какой категории мы можем отнести упавший с дерева лист? Большинство людей согласятся, что прикрепленный к дереву лист является живым. Его многочисленные клетки неустанно работают, преобразуя в питательные вещества солнечный свет, углекислый газ и воду, а также выполняют другие функции. Когда лист отрывается от дерева, его клетки не сразу прекращают свою деятельность. Умирает ли он во время падения на землю, когда касается земли или когда умрут все его клетки? Если вы сорвете лист с дерева и поместите его в питательную среду в лаборатории, где клетки листа будут сыты и довольны, это жизнь?
В такое затруднительное положение попадают почти все предлагаемые характеристики жизни. Реакция на окружающую среду – это свойство принадлежит не только живым организмам. Мы изобрели бесчисленное множество машин, которые делают то же самое. И даже размножение не является определяющей чертой жизни. Отдельное животное во многих случаях самостоятельно размножаться не может. Получается, что две кошки живые, поскольку вместе они могут производить на свет новых кошек, а одна нет, так как самостоятельно она не может размножаться и передавать свои гены. Вспомните также бессмертную медузу turritopsis nutricula, которая может бесконечно возвращаться из "взрослой" стадии медузы к "детской" стадии полипа. Она не воспроизводит потомство, не размножается вегетативно и даже не стареет традиционным образом – однако большинство людей согласятся с тем, что эта медуза живая.
А как насчет эволюции? Способность сохранять информацию в молекулах ДНК и РНК, передавать эту информацию потомству и приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды за счет изменения генетической информации – безусловно, этими талантами обладают не только живые существа. Многие биологи сосредоточились на эволюции как на ключевой и отличительной черте жизни. В начале 1990-х Джеральд Джойс (Gerald Joyce) из научно-исследовательского института Скриппса входил в состав консультативной группы Джона Раммела (John Rummel), который в то время руководил программой НАСА по биологии внеземного пространства. Во время дискуссий об оптимальных способах поиска жизни в других мирах Джойс с коллегами создал очень популярное ныне рабочее определение жизни: самостоятельная система, способная на эволюцию Дарвина. Определение четкое, краткое и исчерпывающее. Но работает ли оно на практике?
Давайте посмотрим, насколько такое определение подходит к вирусам, которые больше всего прочего усложняют поиски определения жизни. Вирусы это, по сути дела, нити ДНК или РНК, упакованные в белковую оболочку. У них нет клеток, нет обмена веществ, но есть гены, и они могут развиваться. Однако, как объясняет Джойс, чтобы стать "самостоятельной системой", организм должен содержать всю информацию, которая необходима для воспроизведения эволюции по Дарвину. Он заявляет, что из-за этого условия вирусы не подходят под рабочее определение. Ведь вирус должен внедриться в клетку и захватить ее, чтобы самовоспроизвестись. "Вирусный геном развивается только в рамках клетки-хозяина", – сказал Джойс во время недавнего интервью.
Но если хорошо подумать, то рабочее определение НАСА ничуть не лучше ухватывает неопределённость понятия вируса, чем любое другое предлагаемое определение. Живущий в кишечнике человека червь-паразит, которого многие считают пусть отвратительной, но вполне реальной формой жизни, обладает всей необходимой для размножения генетической информацией. Но паразит никак не сможет размножаться без клеток и молекул в кишечнике человека, из которых он крадет энергию, необходимую для выживания. Точно так же вирус обладает всей нужной для размножения генетической информацией, но у него нет необходимого клеточного механизма. Утверждение о том, что ситуация с паразитирующим червем радикально отличается от ситуации с вирусом, это довольно слабый аргумент. И червь, и вирус размножаются и развиваются только внутри своего "хозяина". На самом деле вирус размножается намного эффективнее червя. Вирус незамедлительно приступает к делу, и ему внутри клеточного ядра нужно лишь несколько белков, чтобы начать размножение в больших масштабах. А паразиту для размножения необходим целый орган другого животного, и успеха червь добьется лишь в том случае, если сумеет дожить до того момента, когда вырастет и отложит яйца. Так что если мы будем использовать рабочее определение НАСА, чтобы исключить вирусы из области живого, нам также придется исключать и всех прочих более крупных паразитов, включая червей, грибы и растения.
Определение жизни как самостоятельной системы, способной на эволюцию Дарвина, также заставляет нас признать, что некоторые компьютерные программы тоже живые. Например, генетические алгоритмы имитируют естественный отбор, чтобы найти оптимальное решение задачи. Эти битовые массивы кодируют черты и свойства, эволюционируют, соперничают друг с другом в борьбе за репродуцирование и даже обмениваются информацией. Аналогичным образом программные платформы типа Avida создают "цифровые организмы", состоящие из цифровых битов и способные мутировать во многом так же, как мутирует ДНК. Другими словами, они тоже эволюционируют. "Avida – это не симуляция эволюции, это ее пример, – сказал Карлу Циммеру (Carl Zimmer) в программе Discover Роберт Пеннок (Robert Pennock) из университета штата Мичиган. – Там происходит процесс естественного отбора. Все составляющие дарвиновского процесса там присутствуют. Эти штуки воспроизводятся, они мутируют, они соперничают друг с другом. Если в определении жизни это главное, то эти вещи надо тоже учитывать".
Я бы сказал, что лаборатория Джойса сама нанесла сокрушительный удар по рабочему определению жизни, созданному в НАСА. Он вместе со многими другими учеными отдает предпочтение теории происхождения жизни под названием "Мир РНК". Вся жизнь на нашей планете зависит от ДНК и РНК. В современных живых организмах ДНК хранит информацию, необходимую для создания белков и молекулярных механизмов, которые совместно формируют суетливую клетку. Сначала ученые думали, что лишь белки энзимы могут выступать в качестве катализатора химической реакции, необходимой для строительства клеточной структуры. Но в 1980-х годах Томас Чех (Tomas Cech) и Сидней Альтман (Sidney Altman) обнаружили, что во взаимодействии с различными белковыми энзимами многие типы энзимов РНК, или рибозимы, считывают закодированную в ДНК информацию и шаг за шагом строят разные части клетки. Гипотеза "Мир РНК" утверждает, что ранние организмы на нашей планете выполняли все эти задачи по хранению и использованию генетической информации исключительно при помощи РНК и без помощи ДНК и целой свиты белковых энзимов.
Как это могло происходить? А вот как. Около четырех миллиардов лет тому назад свободные нуклеотиды из первичного земного бульона, которые являются строительными кирпичиками РНК и ДНК, соединялись во все более длинные цепочки и со временем произвели на свет рибозимы, которые оказались достаточно большими и сложными, чтобы создать новые копии самих себя. Таким образом, они получили гораздо больше шансов выжить, чем неспособные к воспроизведению РНК. Эти первые энзимы окружили оболочкой собирающиеся самостоятельно мембраны, сформировав начальные клетки. Рибозимы не только создали больше РНК, но и могли соединить нуклеотиды в цепочки ДНК. Нуклеотиды могли также спонтанно сформировать ДНК. Так или иначе, ДНК заменила РНК в качестве главной молекулы для хранения информации, потому что она более стабильна. А белки стали играть роль катализаторов, поскольку они очень разнообразны и легко приспосабливаются. Однако клетки современных организмов по-прежнему содержат остатки изначального мира РНК. Так, рибосомы, представляющие собой набор РНК и белков, который синтезирует белки из аминокислот, являются рибозимами. Имеется также группа вирусов, которая использует РНК в качестве основного генетического материала.
Чтобы проверить гипотезу "Мир РНК", Джойс и другие ученые попытались создать такие типы самовоспроизводящихся рибозимов, которые могли когда-то существовать в первичном бульоне Земли. В середине 2000-х годов Джойс и Трейси Линкольн (Tracey Lincoln) создали в лабораторных условиях триллионы случайных и несвязанных последовательностей РНК, похожие на ранние РНК, которые могли конкурировать друг с другом миллиарды лет тому назад. Кроме того, они создали изолированные последовательности, которые случайно проявили способность соединять два других кусочка РНК. Противопоставляя такие последовательности друг другу, эта пара со временем произвела два рибозима, которые могли воспроизводить друг друга до бесконечности, пока получали достаточное количество нуклеотидов. Эти голые молекулы РНК способны не только к воспроизводству, они могут также мутировать и эволюционировать. Рибозимы, например, изменили небольшие сегменты своего генетического кода, чтобы адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды.
"Они подходят под рабочее определение жизни, – говорит Джойс. – Это самостоятельная дарвиновская эволюция". Однако он не может точно сказать, являются ли рибозимы живыми. Чтобы не превратиться в доктора Франкенштейна, Джойс хочет увидеть, как его творение обретает совершенно новые свойства, а не просто модифицирует то, что уже умеет делать. "Я думаю, недостающее звено здесь в том, что рибозимы должны быть изобретательными, должны создавать новые решения", – говорит он.
Но мне кажется, что Джойс не отдает должное рибозимам. Эволюция - это генные изменения, происходящие со временем. Чтобы увидеть эволюцию в действии, не нужно дожидаться, когда у свиней появятся крылья, а РНК соберутся в буквы алфавита. Голубой цвет глаз, появившийся 6000-10000 лет тому назад, – это просто очередная разновидность пигмента радужной оболочки. Это такой же обоснованный пример эволюции, как и первые пернатые динозавры. Если мы даем определение жизни как "самостоятельной системы, способной на эволюцию Дарвина", то я не вижу никаких веских причин для того, чтобы лишать звания живых самовоспроизводящиеся рибозимы или вирусы. Но я также не вижу оснований для полного отказа от этого рабочего определения и от всех прочих определений жизни.
Почему дать определение жизни настолько трудно? Почему ученые и мыслители веками не могут найти конкретное физическое свойство или набор свойств, которые могут четко отделить живое от неживого? Потому что таких свойств не существует. Жизнь – это понятие, которое мы изобрели. На самом базовом уровне вся существующая материя - это организованное множество атомов и составляющих их частиц. Это невероятно сложное множество, в котором есть такие вещи как элементарный атом водорода и сложнейший головной мозг. Пытаясь дать определение жизни, мы произвольно провели черту в этом сложном множестве и объявили: все, что выше нее, живое, а все что ниже – нет. На самом деле такое разграничение существует только у нас в мозгу. Нет того порога, за которым скопление атомов внезапно оживает, нет четкого различия между живым и неживым, нет пресловутой искры Франкенштейна. Мы не может дать определение жизни, потому что и определять-то здесь нечего.
Я нервно объяснил эти свои идеи Джойсу по телефону, ожидая, что он засмеется и назовет их абсурдом. В конце концов, это ведь он помогал НАСА разрабатывать определение жизни. Но Джойс назвал "идеальным" аргумент о том, что жизнь это всего лишь понятие, или идея. Он согласен с тем, что давать определение жизни это в определенном смысле пустая затея. Рабочее определение существует просто для языкового удобства. "Мы пытались помочь НАСА найти внеземную жизнь, – говорит он. – Мы не могли использовать в каждом абзаце слово "жизнь", не дав ему определение".
Философ из Колорадского университета в Боулдере Кэрол Клиланд (Carol Cleland), много лет посвятившая исследованию попыток дать описание жизни, также считает неправильным стремление дать ей точное определение. Но она пока не готова отказать жизни в ее физической реальности. "Делать вывод об отсутствии истинной природы жизни столь же преждевременно, как и давать ей определение, – говорит она. – Мне кажется, лучший вариант в таких условиях – считать окончательные критерии жизни гипотетическими и умозрительными".
Что нам нужно в действительности, пишет Клиланд, так это "достаточно обоснованная и адекватная общая теория жизни". Она проводит сравнения с химиками из шестнадцатого века. До того как ученые поняли, что воздух, грязь, кислоты и все химические вещества состоят из молекул, им не удавалось дать определение воды. Они могли перечислять ее свойства – мокрая, прозрачная, безвкусная, замерзает, может растворять многие другие вещества, – но были не в силах точно охарактеризовать ее, пока исследователи не обнаружили, что вода это два атома водорода в связке с атомом кислорода. Соленая, грязная, подкрашенная, жидкая, замороженная – вода это всегда Н2О. В ее составе в качестве примеси могут быть другие элементы, но тройка атомов, составляющих то, что мы зовем водой, присутствует в ней всегда. Азотная кислота может напоминать воду, но это не вода, потому что две субстанции имеют разную молекулярную структуру. Для создания теории жизни, соответствующей молекулярной теории, потребуется гораздо большая величина выборки, говорит Клиланд. Она утверждает, что пока у нас имеется только один пример того, что есть жизнь – это земная жизнь, в основе которой лежит ДНК и РНК. Как можно создавать теорию о млекопитающих, наблюдая только за зебрами? А ведь именно в таком положении мы оказались со своими попытками определить, что делает жизнь жизнью, заключает Клиланд.
Я с ней не согласен. Конечно, открытие образцов внеземной жизни на других планетах расширит наши представления о том, как работает то, что мы называем живыми организмами, и прежде всего, как они развивались. Но такие находки вряд ли помогут нам разработать новую революционную теорию жизни. Химики XVI века не могли сказать, чем вода отличается от других веществ, поскольку они не понимали ее фундаментальную природу: они не знали, что каждое вещество состоит из конкретного и упорядоченного набора молекул. А современные ученые точно знают, из чего состоят существа на нашей планете – из клеток, белков, ДНК и РНК. Молекулы воды, почвы и серебра от кошек, людей и других живых существ отличает не "жизнь", а уровень сложности. Ученые уже обладают достаточным набором знаний, чтобы объяснить, почему так называемые организмы могут делать то, чего большая часть неживого делать не в состоянии. Они могут рассказать, как бактерии делают новые копии самих себя, как они быстро приспосабливаются к своей среде и почему этого не могут камни. Но при этом они могут не говорить, что живое это то-то, а неживое то-то, и что эта пара никогда не объединится.
Признавая жизнь в качестве понятия и идеи, мы ни в коем случае не лишаем ее присущего ей великолепия. Дело не в отсутствии материальных различий между живым и неживым. Скорее всего, мы никогда не отыщем четкую разграничительную линию между ними, поскольку понятие жизни и не-жизни как определенных категорий – это просто понятие, а не действительность. Все, что восхищало меня в живой природе в детстве, в равной степени удивляет и сейчас, даже с моим новым пониманием жизни. Я думаю, что те вещи, которые мы называем живыми, на самом деле объединяют не какие-то только им присущие свойства; скорее, их объединяет наше представление о них, наша любовь к ним и, если говорить откровенно, наше высокомерие и нарциссизм.
Во-первых, мы объявили, что все на Земле можно разделить на две группы – на живое и неживое, и не секрет, какую группу мы считаем высшей. Далее, мы не только поместили себя самих в первую группу, мы настояли на том, что все прочие формы жизни на нашей планете надо оценивать в соотношении с нами. Чем больше такая форма похожа на нас – чем больше она двигается, говорит, чувствует, думает, – тем более живой мы ее считаем. Но при этом конкретный набор свойств и характеристик, делающих человека человеком, это далеко не единственный способ (и далеко не самый успешный с точки зрения эволюции) описания живого.
По правде говоря, то, что мы называем жизнью, невозможно без и неотделимо от того, что мы считаем неживым. Если бы мы могли как-то подсмотреть основополагающую сущность нашей планеты, понять ее структуру на всех уровнях одновременно – от микроскопического до макроскопического, мы бы увидели мир как неисчислимое множество песчинок, как гигантскую трепещущую сферу атомов. Человек может из тысяч практически идентичных песчинок строить на пляже замки, делать медуз и все прочее, что он только в состоянии себе представить. Точно так же бесчисленные атомы, из которых состоит все на нашей планете, непрерывно собираются, распадаются и создают постоянно меняющийся калейдоскоп материи. Некоторые множества этих частиц становятся горами, океанами и облаками; из других получаются деревья, рыбы и птицы. Некоторые множества остаются относительно неподвижными и инертными; другие же меняются с невообразимой скоростью и озадачивают сложностью своих построений. Из чего-то получается конструктор K’Nex, а из чего-то кошка.
Оригинал публикации: Why Life Does Not Really Exist