Помоги проекту - поделись книгой:
Пол Фальковски
Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым.
© ООО Издательство «Питер», 2016
Благодарности
Я обдумывал эту книгу уже довольно давно. Она была написана в несколько приемов на протяжении почти двухлетнего периода. Эта книга стала развитием моих идей, изложенных в курсе «История земных систем», который я ежегодно читаю в Ратгерском университете; однако я не хотел, чтобы она превратилась в еще один учебник. Мне хотелось обратиться к более широкой читательской аудитории и попытаться разъяснить, что мы знаем и (пожалуй, это еще важнее) чего мы не знаем о роли, которую сыграли микроорганизмы в процессе превращения Земли в обитаемую планету. Львиная доля работы была проделана, пока я находился в творческом отпуске в Рэдклиффском институте перспективных исследований при Гарвардском университете. Я чрезвычайно признателен людям, оказавшим мне гостеприимство в институте, а также моим университетским коллегам, взявшим на себя труд прочитать и прокомментировать первые несколько глав. В особенности хочу поблагодарить Рэя Джайявардхану (он же Рэй Джей) (Ray Jayawardhana), Тамару Шапиро (Tamar Schapiro), Бенни Шайло (Benny Shilo) и Алессандру Буонаньо (Alessandra Buonanno) за помощь, оказанную мне в начале работы.
Я в долгу перед моим другом и гарвардским коллегой Энди Ноллом (Andy Knoll) за поощрение и критику моих первых глав, а также за многочисленные обсуждения в тот период, когда я был в Кембридже, штат Массачусетс. Я благодарен моему покойному другу Тоширо Саино (Toshiro Saino), пригласившему меня прочесть курс лекций в Нагойском университете в 2006 году. После лекций в Японии мне почти сразу же удалось выстроить структуру этой книги. Разговоры со множеством людей за долгие годы помогли мне оформить мои идеи о роли микроорганизмов в возникновении жизни на нашей планете. Я благодарен Тому Фенчелу (Tom Fenchel) и Эду Делонгу (Ed Delong), сотрудничавшим со мной в работе над статьей, где описывалась роль микроорганизмов в поддержании биохимических циклов. Основные положения этой статьи оказались чрезвычайно важны при разработке нескольких глав этой книги. Покойная Линн Маргулис (Lynn Margulis) оказала мне большую поддержку; во время обеденных перерывов у нас было множество интересных разговоров о симбиозе. Благодаря Джо Киршвинку (Joe Kirschvink) и Минику Розингу (Minik Rosing) мне удалось понять, как много могут рассказать древние камни.
Множество людей чрезвычайно мне помогли, вычитывая главы книги и делая конструктивные замечания; в особенности я благодарен Сэму Элворти (Sam Elworthy), ходатайствовавшему за мою книгу, пока он работал в издательстве Принстонского университета, и моему редактору Элисон Калетт (Alison Kalett) за терпение и новые идеи, которые помогли улучшить книгу. Отдельно хочу поблагодарить мою жену Сари Раскин (Sari Ruskin) за ее чрезвычайно дельные замечания и поддержку. Мой давнишний друг Боб Кросс (Bob Kross) выдвинул много интересных предложений. Спасибо Форду Дулитлу (Ford Doolittle), Дэйву Джонстону (Dave Johnston), Дону Кэнфилду (Don Canfield), Полу Хоффману (Paul Hoffman) и Дугу Эрвину (Doug Erwin), указавшим мне на ключевые ошибки, которые иначе прошли бы незамеченными. Ник Лэйн (Nick Lane) был в высшей степени любезен в своих хвалебных отзывах о тех нескольких главах, которые я попросил его прокомментировать, и я получил большое удовольствие от обсуждения с ним основополагающих концепций моей книги. Множество моих студентов, постдоков и сотрудников на протяжении длительного времени помогали мне оформить мои мысли о роли микроорганизмов в эволюции жизни на Земле. Я признателен организациям, поддерживавшим мои исследования: NASA, Национальному научному фонду, Агуронскому институту и фонду Гордона и Бетти Мур. Благодарю Сари и двух наших дочек, Сашу и Мирит, за их понимание и терпение и прошу извинения за время, украденное у них, пока я работал над книгой. Я благодарю моих коллег по Ратгерскому университету, где я работал начиная с 1998 года. Никогда бы не подумал, что, будучи биофизиком и океанографом, я в один прекрасный день стану преподавать «Историю земных систем» на геологическом факультете. Однако более всего я благодарен моим родителям, которые не были учеными, однако с детства поощряли меня следовать в жизни за своей мечтой и предоставили мне интеллектуальные возможности и эмоциональную поддержку, которые так благотворно сказались на всей моей взрослой жизни.
Пролог
Жизнь представляет собой цепь взаимосвязанных исторических случайностей, непредвиденных поворотов и неожиданных возможностей. Я вырос в нью-йоркском муниципальном микрорайоне на окраине Гарлема. Когда мне было около девяти лет, моя мама подружилась с молодой парой из нашего дома. Это были аспиранты Колумбийского университета, они жили несколькими этажами ниже.
Билл Коэн и его жена Мириам изучали биологию, и в их квартире находились аквариумы с тропическими рыбами. Это была чудесная молодая чета, и моя мать, разумеется, надавала им множество советов, в которых они не нуждались. Детей у них еще не было, и вскоре после того как мама познакомила меня с ними, они пригласили меня к себе посмотреть на рыб. И я пропал!
Уже через несколько недель после нашего знакомства я получил от Билла и Мириам небольшой аквариум и принялся выращивать рыбок гуппи и зеленую водоросль
Время шло; я откладывал карманные деньги и то, что мне удавалось заработать, выполняя небольшие поручения, и покупал все более и более объемистые аквариумы и все более дорогостоящих экзотических рыб в легендарной
Приблизительно в это же время мой отец купил мне небольшой микроскоп в Американском музее естественной истории, куда мы несколько лет ходили вместе едва ли не каждую субботу. Почти наверняка за микроскоп запросили больше, чем он стоил, и для моего отца это были большие деньги, однако я мечтал о нем уже давно; это был подарок ко дню рождения, который изменил мою жизнь. Я понимаю, что музеям необходимо получать деньги за микроскопы и тому подобное, но было бы гораздо лучше, если бы они могли просто раздавать их бесплатно всем детям, приходящим в музей.
Подарок отца позволил мне увидеть и исследовать невидимый, волшебный мир микроскопических организмов, что плавали у меня в аквариумах. Даже несмотря на то, что мой микроскоп был не самого высокого качества, он позволил мне прикоснуться к миру, о котором я не мог и мечтать. Сказать, что эти организмы были чудесными, – значит не сказать ничего.
Сотни часов я проводил, глядя в окуляр моего микроскопа в попытке постичь сюрреалистичный микроскопический мир, события в котором разворачивались у меня перед глазами, – мир, столь чуждый моему повседневному опыту. Я видел, как микроорганизмы поглощают частицы меньшего размера. Я видел, как делятся одноклеточные организмы. Я наблюдал, как одни организмы плавают, а другие передвигаются, «шагая» по предметному стеклу. Я не понимал, каким образом эти организмы перемещаются, как они питаются, как вообще живут.
Читая книги, взятые в местной публичной библиотеке на 125-й улице, я понемногу начал узнавать кое-что о мире микробов. Кроме того, в библиотеке еще имелась замечательная деревянная модель парусного судна. Она располагалась на внушительной лестнице, которая вела на второй этаж. Чтобы добраться до взрослого отделения, где хранились книги по науке, я должен был миновать парусник. И пока я шел от парусника к научным книжкам, я предавался мечтам о мирах за пределами Гарлема. Меня все больше увлекал процесс добывания сведений об экзотических местах Африки и Южной Америки, откуда были родом мои рыбы, а также распознавания различных микроорганизмов по рисункам в тех немногочисленных книжках по этому предмету, которые можно было найти в библиотеке.
С помощью моего микроскопа и книг из библиотеки я понемногу начинал понимать, как инфузории-туфельки передвигаются, используя свои реснички, и как амебы скользят над поверхностью мелкозернистого гравия, выстилавшего днища моих аквариумов. Я узнал, что некоторые организмы тянутся к свету, а другие избегают его, что одним организмам для существования необходимо освещение, а другим – добавление органического вещества. Я начал выращивать колонии микроорганизмов из образцов воды, взятых в озерах Центрального парка и из луж на Риверсайд-драйв. Я пытался «думать» как микроб, что для ребенка не так уж сложно, даже если это происходит только в воображении.
Когда рыбы в моих аквариумах начали размножаться, я смог изучать развитие их эмбрионов за прозрачными оболочками икринок. При помощи моего микроскопа я наблюдал различные формы водорослей, растущих на стенках аквариумов, и видел, как улитки соскребают и поглощают их. Переворачивая гравий и перекладывая камни на дне, я мог рассматривать на предметном стекле детрит (донные отложения), с трудом различая движения мельчайших микроорганизмов, которые все называли бактериями. В то время я еще не очень хорошо понимал, что представляют собой эти «бактерии» и какова их связь с аквариумными рыбами и растениями.
Моя мама, у которой была навязчивая идея относительно пищевых отравлений, постоянно предупреждала меня насчет «червячков» в моих аквариумах, из-за которых я могу заболеть, если буду пить эту воду. Я не очень хорошо понимал, что это за «червячки», но осознавал, что с ними шутки плохи. Мама заставляла меня мыть руки каждый раз после того, как я перекладывал в аквариумах камни или отбирал образцы.
Разумеется, мне бы и в голову не пришло пить воду, в которой живут мои рыбы, но почему я, в принципе, могу от этого заболеть, оставалось загадкой. Ведь самим рыбам «червячки» не приносили никакого вреда, хотя они и пили эту воду – во всяком случае, мне так казалось. Неужели я действительно заболею, если попью воды из аквариума? Я не отваживался проверить. Вода наливалась из крана в ванной, рядом с моей комнатой. Я пил эту воду каждый день. Однако если бы мне вздумалось налить рыбам воды прямо из-под крана, они бы умерли. Я знал, что рыбы не переносят содержащийся в водопроводной воде хлор и что они могут жить только в такой среде, где есть бактерии и другие микроорганизмы. В то же время сам я мог спокойно пить воду, содержащую хлор, но почти наверняка бы заболел, если бы попил воды из аквариума. Получается, что в моем мире хлорированную воду пить было можно, но мои рыбы могли от нее умереть, потому что в их мире хлор убивал «червячков»? Это казалось лишенным смысла.
Выходило так, что микроорганизмы могли быть и хорошими и плохими одновременно. Для меня в мои девять лет было непросто осознать этот кажущийся парадокс. Было очевидно, что «червячки», приводившие в такой ужас мою маму, играли важную роль в моих аквариумах. Понемногу я начинал понимать, что эти «червячки» и есть микробы. В то время еще не было известно, что у каждого из нас внутри живет огромное множество микробов и что они столь же важны для нашего существования, как микробы в аквариумах для жизни рыб.
Мир микробов все более очаровывал меня, я бы даже сказал – поглотил с головой. Я проводил бесчисленные часы, далеко за полночь, разглядывая в окуляр микроскопа образцы из моих аквариумов и слушая в наушниках моего детекторного радиоприемника, как «Кузен» Брюси Морроу ставит хиты шестидесятых на радио WABC.
На протяжении нескольких лет моя жизнь была полностью сосредоточена на аквариумах, микроскопе и живших в моих аквариумах микроорганизмах. Однако к тринадцатилетнему возрасту мои горизонты стали расширяться. Меня все больше интересовал другой невидимый мир – мир электромагнитного излучения. Правда, тогда я его так не называл. Кажется, я думал, что это просто радиоволны или что-то типа того. Каким образом изображения и звуки могли передаваться с далекой станции ко мне в квартиру? Для меня это был совершенно невероятный феномен.
В области электромеханики мои родители были абсолютными луддитами. От них нельзя было ждать какой-либо помощи в понимании принципа работы радио и тем более телевидения. Радио мы иногда слушали, но только классическую музыку (мои родители не одобряли ни джаз, ни рок-н-ролл). Телевизора у нас не было. Мой отец называл телевизоры «пожирателями времени» и считал, что для нормальной жизни они совершенно не нужны. Зато книг у нас в доме были буквально тысячи – и мой отец постоянно читал, читал и читал. Это с его подачи я пристрастился к чтению серьезной литературы. (Не знаю, если бы он дожил до появления Интернета, как бы он его назвал – вероятно, «предприятием по вымоганию времени» или как-нибудь в этом роде.) Тем не менее, хотя он и внушил мне глубокое уважение к литературе и печатному слову, получилось так, что, смотря телевизор в гостях у друзей, я все больше загорался желанием выяснить, каким образом можно передавать звуки и изображения на расстояние без проводов. В моей жизни звуки и изображения сыграли преобразующую роль. Я не мог себе представить, как их можно передавать в эфире так, чтобы они проигрывались на телевизоре, однако в принципе мог понять, как именно у Кузена Брюси получается проигрывать запись где-то в Мидтауне так, что я могу слушать ее на своем детекторном приемнике на расстоянии нескольких миль. Я твердо вознамерился выяснить, как работает эта магия.
Накупив дешевых деталей в маленьких магазинчиках на Кэнал-стрит, я соорудил детекторный радиоприемник. Самый сильный сигнал ловился на волне 770 AM – это было радио WABC. Фактически сигнал был настолько сильным, что оказался единственным сигналом, который я мог слушать на своем детекторном приемнике, использовавшем невероятно слабое электрическое поле, источником питания для которого служили радиоволны. Я мог прицепить зажим «крокодил» со своего приемника к батарее и бесплатно слушать музыку через маленькие наушники. «Кузен» Брюси был супер-диск-жокеем – перед каждой новой песней он выкрикивал несколько хвалебных фраз и объяснял, кто из музыкантов самый крутой. Это было просто отлично; Брюси был именно тем парнем, которого следовало слушать, вычищая аквариумы и перекладывая камни на дне.
Подрастая, я стал выполнять разные случайные работы неподалеку от дома, благодаря чему имел достаточно денег, чтобы покупать для своих аквариумов самые экзотические виды рыб. Одновременно я покупал подержанные или скидочные радиодетали в многочисленных лавочках на Кэнал-стрит. Я сделался страстным поклонником африканских цихлид, параллельно сооружая усилители, приемники и другую незамысловатую радиоаппаратуру. Я усвоил основы генетики, выращивая и продавая экзотических рыб Альфреду из
У меня ушло еще двадцать лет, прежде чем я по-настоящему осознал, каким образом организмы, которые мы не можем непосредственно воспринимать при помощи глаз, преобразовали нашу планету, создав глобальную электрическую схему жизни. Они делают свою работу молча, но их электрический контур – не метафора; это в самом деле двигатель жизни на Земле. Хотя их и нет в экспозиции Музея естественной истории, но именно они создали газы, благодаря которым я сейчас живу. Это они удаляют создаваемые мной отходы. Это они превратили крупинку пыли в галактическом пространстве в обитаемую планету.
На протяжении моей дальнейшей жизни мир в аквариумах, который я наблюдал благодаря купленному отцом микроскопу, становился для меня все более значимым, но я не мог в точности сказать почему. У меня ушло несколько десятилетий на то, чтобы понять, что смерть микроорганизмов и их разложение на усыпанных гравием днищах моих детских аквариумов представляли собой миниатюрные модели того, как органические соединения становятся топливом для машины, на которой я езжу. За время моей научной деятельности я начал понимать, что электрические схемы, которые я конструировал в детстве, были аналогами самой жизни – но они были незавершенными. Чего-то не хватало. Я понял, что не знаю ключевых механизмов функционирования клеток. Они-то не получают энергию из радиоволн; они берут энергию у более высокоэнергетических частиц света, излучаемых Солнцем. Что еще более загадочно – в отличие от радиоприемников, которые не развиваются из радиоикринок, чтобы стать взрослыми приемниками, клетки раз за разом объединяются и воспроизводятся. Воспроизводство клеток – одна из важнейших функций жизни.
Противоречие между воспроизводством и метаболизмом остается одной из самых трудных преград к пониманию того, как эволюционировала жизнь на Земле. Для этого требуется больше знаний об электрической схеме жизни. Мне далеко не сразу удалось соединить в своем мозгу пресловутые два мира. Честно говоря, я не уделял большого внимания невидимым мирам и в моем формальном обучении. Объединение схемы электрической циркуляции жизни с эволюцией организмов отнюдь не стояло в списке задач или приоритетов у моих школьных учителей или университетских преподавателей. Мне следовало обнаружить эти связи самостоятельно.
В старших классах школы, в которую я ходил, биология была дополнительным курсом и не включала в себя области, которые меня интересовали. В основном меня натаскивали по математике, физике и химии. Только став значительно старше, я осознал, что в книгах по биологии, которые мне давали читать в колледже, о микробах по большей части речь не шла – они рассматривались лишь как переносчики болезней (те же самые «червячки»). Разговоры об эволюции, когда они случались, почти всегда вращались вокруг животных и растений. Биологические статьи, которые требовалось читать, было не только невозможно достать – они были к тому же невыносимо скучны. Я не мог понять, как можно такой волнующий предмет, как изучение жизни, превратить в нечто настолько забитое никому не нужным научным жаргоном.
Тем не менее, будучи студентом нью-йоркского колледжа, обращающим внимание на окружающий мир, я вспомнил, как видел множество бабочек в парке рядом с моим домом – вдоль Риверсайд-драйв. Мне отчетливо припомнилась статья в
В колледже мы узнали, как отличать правый глаз коровы от левого, вызубрили названия костей человеческой руки, а также названия и формы различных цветов и фруктов. Большое внимание было уделено эволюции зубов и стадиям развития зародыша цыпленка. В результате неизбежно прививающийся, все менее вразумительный и большей частью ни на что не пригодный биологический лексикон стал для нас более важен, чем сам предмет изучения. К концу моего обучения в колледже практически все былое восхищение чудесами биологии, столь вдохновлявшее меня в детстве, как и следовало ожидать, оказалось перечеркнуто и уступило место формализованному языку и ритуализованной научной культуре. Наука – это философский культ, въевшийся в умы даже самых продвинутых ученых настолько глубоко, что ключевые вопросы, такие как: «Что такое жизнь? Когда она появилась? Как она устроена?», превратились в отдаленное воспоминание, если они вообще когда-либо задавались.
Вполне в духе армейских инструкторов по строевой подготовке многие из моих преподавателей всеми силами старались выкорчевать из моей головы эти и им подобные дерзкие вопросы. Восхищение или тем более радость от занятия биологией – да и вообще наукой, если на то пошло, – не имели никакого значения для жизни будущих медиков, которых из нас готовили. Если я собирался стать успешным солдатом в армии на службе биологических исследований, мне следовало владеть терминологией, знать факты и забыть об электрических схемах жизни и микробах. Я не виню моих профессоров, многие из которых руководствовались вполне благими намерениями. Такова была в те годы, а зачастую остается и по сей день, научная культура: найти «лучшее» и исключить «худшее». Проблема в том, как породить в молодых умах желание браться за самые сложные вопросы – а понимание происхождения жизни весьма сложный предмет. К несчастью, в процессе исключения «худшего» некоторые преподаватели зачастую систематически выпалывают из науки самые пытливые и творческие умы.
Лишь много позже, когда я принялся серьезно работать в настоящем природном аквариуме – океане, я начал размышлять о том, почему нет бабочек на Венере, и если бы они там были, то смогли бы мы об этом узнать? Я стал осознавать масштаб того, насколько все находится под контролем микроорганических процессов, которые делают Землю обитаемой для растений и животных, включая нас самих; я понял, что организмы, которые я в детстве наблюдал в микроскоп, связаны между собой невидимым, но вполне реальным электрическим контуром жизни. Именно этот контур позволяет нашей планете функционировать.
Эта книга представляет собой попытку исследовать и объяснить, как возникла эта глобальная электрическая схема, как она контролирует природное равновесие на Земле и как люди могут ее нарушить, подвергая себя потенциальной опасности. Начнем с того, что мы видим – а зачастую и не видим – в макроскопическом мире, том, в котором мы живем.
Глава 1. Незамеченные микроорганизмы
Несколько лет назад я получил возможность поработать на исследовательском судне на Черном море, у северного побережья Турции. Черное море – поразительный и уникальный водоем: ниже приблизительно 150-метровой отметки в нем нет кислорода. Задачей моей работы было изучить фотосинтезирующие бактерии в верхнем 150-метровом слое.
Фотосинтезирующие бактерии используют энергию солнечного света для строительства новых клеток. В любой части Мирового океана существуют микроскопические фотосинтезирующие организмы –
Работа на Черном море оказала глубочайшее влияние на мои представления об эволюции жизни на Земле. Отбирая образцы из все более глубоких слоев водной толщи, я мысленно возвращался вспять во времени, обнаруживая микроорганизмы, некогда населявшие все океаны, а сейчас ограниченные лишь очень малой частью своего прежнего местообитания. Организмами, испускавшими тот странный флюоресцентный сигнал, оказались фотосинтезирующие зеленые серные бактерии – облигатные анаэробы. При помощи энергии Солнца они расщепляют сероводород (H2S) и используют образовавшийся водород для производства органических соединений. Эти организмы могут жить при очень низком уровне освещенности, но не переносят даже весьма незначительного присутствия кислорода.
На протяжении нескольких последующих недель, курсируя по Черному морю с целью сбора образцов в различных его частях, мы наблюдали стаи дельфинов и рыб в верхних слоях воды, но ниже приблизительно 100-метровой отметки многоклеточные организмы отсутствовали. Животная жизнь не может долго существовать без кислорода, а здесь, на глубине, он исчезал. Бактерии преобразовали экосистему Черного моря: в верхнем 100-метровом слое они продуцировали кислород, но в более глубоких слоях, наоборот, поглощали его. Таким образом они сделали бассейн Черного моря своей уникальной экологической нишей.
Рис. 1. Теоретический график распределения кислорода и сероводорода (газа с запахом тухлых яиц) в верхнем 300-метровом слое Черного моря. В Мировом океане этот водоем является уникальным. В большинстве океанических и морских бассейнов кислород прослеживается вплоть до самого дна. Здесь же, чуть ниже отметки, куда проникает лишь 1 % солнечного света, приходящего на поверхность, существует очень тонкий слой фотосинтезирующих бактерий, которые при помощи солнечной энергии расщепляют сероводород, используя его для своего роста. Метаболизм этих организмов чрезвычайно древен; вероятно, он возник более трех миллиардов лет тому назад, когда концентрация кислорода на поверхности Земли была еще чрезвычайно низкой
Проведя в море почти месяц, я наконец вернулся в стамбульский порт, где принялся восхищаться турецкими коврами. Гора Арарат в северо-восточной части Турции славится своими ткаными коврами, на которых изображена история Ноева ковчега. Изготавливаемые в этом регионе
Слово «эволюция» буквально означает «развертывание», но, глядя, как торговец разворачивает передо мной свои восхитительные ковры, я понял, что библейский рассказ о ковчеге не дает нам ключа к пониманию того, как эволюционировала жизнь. Вся ли существовавшая на Земле жизнь была сохранена Ноем? Возможно ли, что какие-то организмы не были взяты в ковчег? Хотя история ковчега глубоко укоренилась в западной культуре, она не может служить источником информации о происхождении жизни. Чтобы подступиться к пониманию происхождения жизни, нам необходима другая перспектива, основанная на науке, и в особенности на тех ее разделах, что касаются эволюции микроорганизмов.
Наука в большой степени является искусством находить в природе закономерности. Для этого требуется терпеливое наблюдение, но мы неизбежно подпадаем под влияние наших чувств. Человек – животное визуальное, и наше восприятие мира базируется главным образом на том, что мы видим. А то, что мы видим, определяется тем, какие инструменты у нас есть под рукой. История науки тесно связана с историей изобретения новых орудий, позволяющих видеть вещи в другой перспективе, однако парадоксальным образом изобретение новых инструментов зависит от того, что мы видим. Если мы не видим какой-либо вещи, мы, как правило, выпускаем ее из внимания. Так и микроорганизмы долгое время оставались вне поля зрения, в особенности в том, что касается их роли в истории эволюции.
Первые несколько глав современной истории эволюции жизни на Земле были написаны в основном в XIX столетии учеными, изучавшими ископаемые останки животных и растений – останки, которые они могли с легкостью видеть. Наблюдавшиеся ими природные закономерности не учитывали микроорганическую жизнь по двум простым причинам: горные породы не содержали заметных ископаемых останков микроорганизмов, а при наблюдении за живыми организмами нельзя было с легкостью различить закономерности микробиотической эволюции. Инструментов для обнаружения ископаемых микроорганизмов почти не существовало; да и в любом случае, даже если бы они и были, роль этих организмов в формировании эволюции Земли не могла быть оценена до тех пор, пока в последующие десятилетия не стали доступны другие, более совершенные инструменты. Закономерности эволюции, наблюдавшиеся для животных и растений, были исторически выведены из формы и размеров их останков, а также расположения этих останков в геологическом времени. Применительно к микроорганизмам такой подход далеко не настолько действен.
В целом то, что мы не замечали микроорганизмы – как в буквальном, так и в переносном смысле, – исказило наше представление об эволюции более чем на столетие, и включение микроорганизмов в нашу картину эволюции еще до конца не завершено. Наука – не просто искусство обнаружения закономерностей в природе (что само по себе достаточно трудно). Она требует умения находить закономерности, которые не видны невооруженным глазом.
Однако, прежде всего, давайте вкратце рассмотрим историю эволюции, какой она виделась в XIX столетии. Именно тогда были сформированы многие из наших нынешних научных концепций относительно жизни на Земле. Эти идеи во многом основывались на том, что можно было понять в рамках библейских историй о сотворении мира, включая историю о потопе и том, как Ной позаботился о Божьих созданиях, – историй, подобных тем, что были вытканы на турецких коврах.
В начале 1830-х годов дворянин-ученый Родерик Импи Мурчисон и харизматичный кембриджский профессор Адам Седжвик сообщили о находке окаменелых останков животных в толще земли в Уэльсе. Окаменелости были известны уже на протяжении нескольких веков, однако их значение не было до конца ясно. Многие понимали, что это отпечатки организмов, погибших очень давно, – однако насколько давно, никто не мог сказать; оставалось неясным и то, каким образом эти отпечатки сохранились.
Седжвик был одним из ведущих английских специалистов по окаменелостям, а одним из студентов, посещавших его лекции, был Чарльз Дарвин. Летом 1831 года Дарвин, которому на тот момент едва исполнилось двадцать два года, отправился вместе с Седжвиком на экскурсию в Северный Уэльс, чтобы своими глазами посмотреть на ископаемые останки. Эта поездка перевернула жизнь Дарвина навсегда. Он не только помогал Седжвику искать среди камней останки животных – при этом он также изучил основные принципы геологии, и эти способности к наблюдению не раз сослужили ему хорошую службу на протяжении его дальнейшей жизни.
Окаменелости, подобные тем, что были найдены Седжвиком и Мурчисоном в Англии и Уэльсе, встречались также и в других частях Европы, в результате чего начала получать распространение система классификации, основанная на рядах сходных ископаемых останков. Зачастую внешний вид ископаемых животных напоминал знакомых нам жителей океана – моллюсков, ракообразных или рыб; наружность других, однако, была невероятно причудливой – они не были похожи ни на каких обитателей современных океанов. Относительно значения этих ископаемых кипели бурные дискуссии, но в любом случае эти открытия недвусмысленно предполагали серию последовательных изменений внешнего вида животных в толщах, сформированных этими древними морскими отложениями, – от нижних слоев к слоям, залегающим выше. В то время уже в основном сформировалось представление о том, что горные породы, залегающие в разрезе более глубоко, образованы раньше, нежели вышележащие.
Обнаружение в толще горных пород ископаемых животных едва ли можно было назвать новостью. Вероятно, самое знаменитое из первых описаний ископаемых останков было сделано датским ученым Нильсом Стенсеном (Николасом Стено) в 1669 году. Он обнаружил среди горных пород в Италии объекты, весьма напоминавшие зубы акул, и задался вопросом, каким образом окаменелые останки, принадлежавшие некогда жившим организмам, могли так хорошо сохраниться. Стенсен, однако, принял во внимание то, каким образом ископаемые были расположены в толще горных пород. Отложения залегали слоями, и ученому пришла в голову мысль о том, что более древние слои должны залегать ниже более молодых. Это представление, названное впоследствии принципом
На мой взгляд, логический вывод о том, что сохранившиеся в горных породах останки расположены в некоем соответствии с временной шкалой, был удивительным прозрением, однако его было не так легко обосновать, поскольку в то время еще не были доступны базовые геологические данные. В значительной мере задача выявления закономерностей в окаменелых останках дожидалась великого ума Чарльза Лайеля, одного из интеллектуальных наставников и близкого друга Дарвина. Лайель, шотландский адвокат, ставший натуралистом, часто именуется первооткрывателем нового научного направления, которое он назвал
Двадцать седьмого декабря 1831 года началось знаменитое путешествие Дарвина на экспедиционном судне королевского флота «Бигль» – десятипушечном бриге длиной в девяносто футов и с командой в семьдесят четыре человека на борту. В качестве спальни Дарвину отвели чрезвычайно тесную кают-компанию, где ему было позволено держать лишь очень немного книг. Он спал в гамаке в комнатке размером 9 на 11 футов с потолком на высоте 5 футов – там было темно и неуютно, к тому же ему приходилось делить помещение с другими. Среди прочих вещей, которые Дарвин взял с собой, был и первый том первого издания новой книги Лайеля «Принципы геологии», опубликованной в 1830 году, а также его личный экземпляр Библии короля Иакова. На судах, где мне приходится работать, я имею возможность ежедневно принимать горячий душ, и, хотя иногда я вынужден жить в тесной каюте вместе с другими людьми, на большинстве исследовательских судов имеется библиотека. Учитывая условия на «Бигле», возможно, не стоит особо удивляться тому, что Дарвин, ссылаясь на морскую болезнь, стремился при любой возможности сойти на берег и пешком покрывал значительные расстояния, чтобы встретить «Бигль» в следующем порту назначения.
Лайель взял на себя нелегкую задачу объяснить заинтересованной публике, как останки одинаковых живых организмов могли оказаться и в Альпах в Центральной Европе, и в холмах Шотландии, а также повсюду на Британских островах. Прежде всего надо было объяснить, как и когда эти останки образовались.
На протяжении столетий было выдвинуто несколько гипотез на этот счет. Одна из них, появившаяся еще в Средние века, гласила, что Бог создал камни похожими на знакомых нам животных, чтобы испытать веру своей паствы. Как бы абсурдно это ни звучало, такое представление до сих пор имеет множество приверженцев, особенно в некоторых областях Соединенных Штатов. Вторая идея заключалась в том, что в древности произошло извержение вулканов, вынесшее животных из океанов на сушу, где они погибли, в результате чего их скелеты оказались запечатлены в камне. Третья гипотеза гласила, что эти животные умерли после Великого потопа, когда уровень океана понизился. И действительно, идея о дилювиальном (то есть потопном) происхождении органических останков приходила в голову и самому Седжвику. Существовало и несколько других гипотез, которые Лайель перечисляет обстоятельно и с подробностями, как адвокат, представляющий дело в суде.
Лайель выдвинул революционную идею: останки морских животных оказались в скальных породах на суше потому, что много лет назад сами эти скалы находились под водой. С течением времени произошел их подъем, и они оказались на суше. Это предположение, проверенное множеством различных способов, оказалось действительно верным, хотя процессы, в результате которых стало возможным такое перемещение, были открыты лишь более чем через сто лет после смерти Лайеля. Одной из главных проблем, вставших перед Лайелем, было определение возраста Земли. Насколько давно было это «много лет назад»?
Возраст Земли был скрупулезно высчитан Джеймсом Ашером, архиепископом Армагским, в его книге
Будучи юристом, Лайель поднаторел в ведении дискуссий, поэтому его забавляло то, как некоторые нелогичные, а порой и иррациональные идеи использовались, чтобы объяснить существование ископаемых животных и изменение их внешнего вида. Понимая могущество аргументированного спора, он писал: «…система схоластических диспутов, поощряемая в средневековых университетах, к несчастью, породила в людях привычку к неограниченным дебатам, так что они зачастую предпочитали защищать абсурдные и сумасбродные положения, поскольку это требовало большего мастерства; результатом и целью подобных интеллектуальных сражений была лишь победа, но не истина». Однако даже самый одаренный адвокат не может выиграть спор против записанного слова Божия.
Лайель понятия не имел, каковы могут быть законы эволюции и тем более как можно измерять геологическое время. Он решил, что теория Жана-Батиста Ламарка о том, что характерные черты приобретаются животными на протяжении жизни и затем каким-то образом передаются будущим поколениям, не хуже любой другой и в любом случае более разумна, чем большинство других. Фактически исследования Ламарка, посвященные видам животных (он был ведущим мировым авторитетом по животным, не имеющим хребта, то есть беспозвоночным), привели его к предположению о том, что организмы могут быть выстроены вдоль временной оси – от простейших к наиболее сложно устроенным. Это Ламарк выдвинул идею о том, что организмы каким-то образом изменяются с течением времени, то есть эволюционируют. Хотя сейчас его работы чаще всего подвергаются незаслуженным насмешкам или игнорируются в учебниках и на уроках биологии, в действительности именно Ламарк был интеллектуальным отцом науки, которую он назвал
Мысль о том, что ископаемые останки животных распределены в слоях горных пород вдоль временной оси, привела Дарвина к размышлениям о жизни на Земле в таких временных масштабах, какие он едва мог помыслить и практически не мог оценить. Если древнейшие останки находятся на глубине многих метров под другими, сколько времени могло уйти, чтобы сверху отложились такие толщи?
Дарвина приводили в чрезвычайное недоумение самые ранние отложения, обнаруженные Мурчисоном и Седжвиком. Он знал, что ниже слоев горных пород, содержащих останки животных, находятся слои, в которых останков нет, но не мог понять почему. Казалось, будто летопись органической жизни появляется из ниоткуда; эволюция организмов выглядела относительно быстрой. Однако насколько быстрой? И почему ни с того ни с сего в отложениях вдруг появляются останки рыб, в то время как в нижних слоях можно найти лишь организмы, похожие на беспозвоночных? А если посмотреть еще глубже: почему там вообще нет останков живых организмов? Все это походило на геологический эквивалент разворачивающегося турецкого ковра с изображением истории ковчега, однако здесь на половине или большей части ковра не было никаких животных. Дарвин должен был разъяснить эти вопросы сначала для самого себя, а затем для своих коллег. Чтобы найти на них ответы, ему было необходимо датировать горные породы, а для этого ему нужны были часы.
Седьмого сентября 1859 года впервые прозвонил колокол Биг Бен на часовой башне здания парламента. Эти куранты, отличающиеся тщательностью отделки и необычайной точностью, стали символом английского технического гения и мастерства на заре промышленной революции. Спустя два месяца после этого исторического события – 24 ноября, если быть точным, – Джон Мюррей III, почтенный лондонский издатель с Албемарл-стрит, выпустил в свет новую книгу Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь».
В девятой главе «Происхождения видов» (более позднее сокращенное название книги) Дарвин делает попытку подсчитать время, требовавшееся вымершим животным для того, чтобы измениться, или эволюционировать, до состояния современных форм. Эта задача не была прямолинейной. Лайель и его предшественник шотландский врач Джеймс Хаттон предполагали, что возраст Земли бесконечно велик. Дарвин не мог знать, верна ли эта гипотеза, но он, несомненно, считал, что Земля старше 6000 лет. Чтобы получить более реалистичную датировку, он разработал довольно интересный, можно даже сказать совершенно новаторский подход к измерению геологического времени.
Часы Дарвина основывались на геологическом феномене – скорости выветривания осадочных пород, а именно того их вида, в котором содержались органические останки. Для наблюдений Дарвин избрал Вельд – хорошо изученный берег Кента, обрывающийся в море утесом, состоящим из меловых и песчаниковых отложений. Дарвин подсчитал, что это образование выветривается со скоростью приблизительно один дюйм за столетие, и, принимая во внимание размеры утеса в то время, определил, что «на денудацию Вельда должно было потребоваться 306 662 400 лет, или круглым счетом триста миллионов лет».
Дарвин не принял во внимание время, потребовавшееся на формирование самого утеса, но это была незначительная деталь. Более того, он не стал рассматривать и породы, залегавшие ниже Вельда, наличие которых лишь делало утес еще более древним, а возможно, и бесконечно древним, по Лайелю. Дарвиновская оценка возраста утеса, конечно же, была смелым умозаключением и в отсутствие других ограничений, несомненно, основывалась на рациональной, физически проверяемой концепции. Вывод был очевиден: Земля невероятно стара – гораздо, гораздо старше, чем по расчетам Ашера, и гораздо старше, чем большинство людей в то время могли себе представить. И если время возникновения жизни на Земле оставалось не определенным (оно не определено и по сей день), тот факт, что под вышележащими слоями существовали породы, не содержащие органических останков, свидетельствовал о том, что оценка Дарвином возраста Земли была еще довольно скромной.
Тем не менее миллионы лет – не тот возраст, который указан в Библии, и он, разумеется, не соответствовал тому, чему тогда учили в школах. Конечно, Дарвин понимал, что его оценка будет встречена скептически, но он и предполагать не мог, во что это выльется. Помимо того что Дарвин вступил в противоречие с освященными библейским авторитетом вычислениями, сделанными в XVII веке архиепископом Армагским, предложенный им возраст Земли подвергся нападкам его собрата-ученого, «Эйнштейна» тех дней, физика Уильяма Томсона, позднее ставшего лордом Кельвином. Томсон задался целью исправить датировку, базируясь на основных принципах физики.
Томсон доказывал, что возраст Земли может быть вычислен с достаточной точностью, если предположить, что планета вначале представляла собой расплавленную массу и впоследствии остывала. Взяв в расчет данные изменения температуры по мере углубления в земную кору, а также результаты собственных экспериментов по определению теплопроводности горных пород, он вывел уравнение, показывающее, насколько быстро Земля могла остыть до ее современного состояния. В 1862 году Томсон объявил, что Земле около ста миллионов лет, хотя признал, что эта цифра весьма неопределенна и что возраст может составлять от двадцати до четырехсот миллионов лет. Со временем он становился все более бескомпромиссным, утверждая, что возраст Земли должен быть ближе к двадцати миллионам лет. Этот вычисленный им промежуток времени казался слишком коротким, чтобы вместить в себя эволюцию жизни, как видел ее Дарвин. Томсон стал одним из жесточайших критиков новаторских идей Дарвина касательно эволюции – не потому, что не верил в эволюцию как таковую, но, скорее, потому, что, будучи физиком, не доверял вычислениям возраста Земли, основанным на таких ненадежных геологических показателях, как скорость выветривания. В конечном счете возражения Томсона заставили геологов разработать более совершенные модели для определения возраста Земли, но на это потребовалось еще почти столетие.
Если Дарвин был хотя бы отдаленно прав, то развитие жизни на Земле заняло очень, очень долгое время – гораздо больше, чем кто-либо предполагал. Однако как происходило это развитие? В наброске на тридцать шестой странице своей записной книжки «B» от 1837 года Дарвин изобразил генеалогическое древо жизни, в котором выразил радикальную идею о том, что организмы связаны между собой общими предками и что это родство может прослеживаться благодаря сходным чертам в их внешнем виде. Эта основополагающая концепция была идентична взглядам Ламарка, которые тот развивал более чем за пятьдесят лет до этого; однако у Дарвина было иное представление о том, как происходил этот процесс.
Изменения форм живых организмов были почти незаметными, а также, если судить по толщине слоев, разделяющих органические останки в геологическом разрезе, по-видимому, происходили очень медленно. Кроме того, чтобы это предположение было допустимым, некоторые организмы, появляющиеся на более ранних участках разреза, должны были вымереть, чтобы быть замененными новыми видами, иначе Земля оказалась бы переполненной все возрастающим числом видов животных и растительных организмов. Другими словами, после того как организм вымирал, он уже не мог появиться в более поздних слоях геологического разреза.
Дарвин понимал, что эта выдающаяся, революционная идея вызовет критику – так оно и случилось. Ископаемые останки явно принадлежали некогда существовавшим животным и растениям, но в горных породах нигде не встречались кости человека. Дарвин ясно осознавал значение «недостающего» человеческого звена – подобно встречающимся в геологической летописи животным, мы также должны были возникнуть в результате некоего процесса, позволяющего одним организмам развиваться в другие на протяжении некоторого неопределенного, но достаточно долгого времени.
Концепция генов и основные положения физического наследования признаков в то время были абсолютно не известны ни Дарвину, ни кому-либо другому. (Грегор Мендель опубликует свою работу по наследованию признаков лишь более чем через шесть лет после выхода в свет первого издания «Происхождения видов» – в 1866 году.) На самом деле, несмотря на путаницу в большинстве трудов по биологии, Дарвин, скорее всего, без особых затруднений принял основную концепцию Ламарка, которая заключалась в том, что организмы могут наследовать признаки благодаря окружающей среде. Главным вкладом самого Дарвина была идея о том, что во всех видах имеются естественные отклонения, которые могут наследоваться. Этим правилом постоянно пользовались заводчики собак и голубей; однако Дарвин предположил, что в природе отбор признаков происходит под влиянием среды, в которой обитают виды.
Рис. 2. Репродукция наброска Дарвина в записной книжке «B» (между 1837 и 1838 годами). Основная идея заключается в том, что ныне живущие виды произошли от вымерших, но также связаны с другими сохранившимися видами, образуя генеалогическое древо жизни. Этот набросок стал ядром теории происхождения видов с последовательными изменениями, ведущими к естественному отбору – основному эволюционному процессу по Дарвину. (Публикуется с разрешения издательства Кембриджского университета, с благодарностью в адрес Питера и Розмари Грант. © 2008, Комитет по изданию записных книжек Чарльза Дарвина.)
Отбор либо улучшает способность организма к воспроизведению, либо нет. Если улучшает, то в таком случае признаки, наиболее подходящие для конкретной среды обитания, передаются последующим поколениям. Концепция происхождения видов с отклонениями, сопровождающимися последующим отбором, занимает шесть глав «Происхождения видов». Это была одна из наиболее выдающихся научных идей, когда-либо выдвигавшихся; до сегодняшнего дня она остается ядром, объединяющим принципом биологии.
Книга «Происхождение видов» была снабжена единственной иллюстрацией, размещенной в конце, на которой было изображено гипотетическое происхождение таксонов. Этот рисунок представлял собой вольную переработку наброска из записной книжки «B». Как ни странно, на иллюстрации был показан не единый источник для всех таксонов, но множество источников, дающих начало новым видам. Концепция происхождения – в смысле начала всего живого – была у Дарвина на уме, но не обсуждалась в книге открыто.
Более десяти лет спустя после выхода в свет «Происхождения видов» в письме Джозефу Хукеру, датированном 1871 годом, Дарвин размышлял о том, как могла зародиться жизнь: «…если… предположить, что в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и так далее возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям, то в наши дни оно было бы немедленно поглощено или уничтожено. Однако до того, как появились живые существа, этого произойти не могло».
Через восемьдесят лет после того, как было высказано это замечание, молодой химик Стенли Миллер и его научный руководитель нобелевский лауреат Гарольд Юри действительно сумели создать аминокислоты (строительные «кирпичики» белков) в лаборатории Чикагского университета. Они использовали газообразный аммиак, метан, водород, а также воду и электрический разряд, имитировавший удар молнии. Этот эксперимент, результаты которого были опубликованы в 1953 году, дал повод надеяться, что понимание того, как зародилась жизнь на Земле, уже не за горами. Тем не менее между созданием химических компонентов живых организмов и созданием самих этих организмов лежит целая пропасть. Даже в самых простых организмах химические составляющие представляют собой подобие микроскопических механизмов, запускающих метаболические процессы и позволяющих клеткам делиться. До сих пор еще никому не удалось воспроизвести живой организм с нуля, хотя это и не означает, что такое невозможно.
Самыми простыми живыми организмами являются бактерии – организмы, о существовании которых Дарвин, несомненно, знал; однако он не был уверен в том, каким образом включить их в свою теорию. В самом деле, у Дарвина на «Бигле» был микроскоп (помимо Библии и книг по естественной истории, он взял с собой также два пистолета, дюжину сорочек, две книжки, по которым собирался учить испанский, и кошелек с деньгами). Однако из-за того что микроорганизмы не оставили в геологической летописи следов, ясно видимых невооруженным глазом, Дарвин не мог знать, что толщи, залегающие ниже слоев с различимыми органическими останками, относятся не к периоду в истории Земли, предшествовавшему зарождению жизни, но попросту ко времени, когда еще не было животных и растений. Даже если бы он сумел обнаружить ископаемые бактерии, ему почти наверняка не удалось бы уловить их связь с растениями или животными. Дарвин, как и практически любой ученый XIX столетия, был бы до глубины души удивлен, если бы узнал, что все растения и животные произошли от бактерий и это случилось на протяжении периода, длительность которого в XIX столетии представить было абсолютно невозможно – гораздо более трехсот миллионов лет. В самом деле, о микроорганизмах в Библии прямо ничего не говорится – разве что косвенно, при упоминании о таких заболеваниях, как чума. Нет никаких сомнений в том, что Ной не имел намерения брать их с собой в ковчег, и их изображений не встретишь на тканых турецких коврах с историей Великого потопа.
Несмотря на то что мы весьма продвинулись вперед за те 150 лет, что прошли со времени публикации «Происхождения видов», ученые до сих пор не могут определить, зародилась ли жизнь в маленьком теплом водоеме, глубоководном гидротермальном источнике или где-либо еще. Что могло положить ей начало? Как она развивалась? Как бактерии эволюционировали до растений и животных? Как получилось, что эти организмы так долго оставались незамеченными в нашем поиске истоков и развития жизни на Земле?
На эти вопросы так просто не ответишь, и многие аспекты до сих пор далеки от полного понимания, однако благодаря инструментам, разработанным на протяжении последнего столетия, нам удалось многое узнать. Если бы Дарвину в XIX веке довелось побывать на океанографическом исследовательском судне в Черном море, он, вероятно, заметил бы, что в толще воды ниже верхнего стометрового слоя животные не обитают, и заключил бы, что в глубинных слоях жизни нет. Однако, если бы он был микробиологом, наше представление о происхождении видов могло бы быть совершенно иным. Хотя бактерии в XIX веке были уже хорошо известны, потребовалось еще одно столетие, прежде чем они заняли свое место в наших представлениях об эволюции жизни на Земле. Мы упускали их из виду из-за предвзятости в наших наблюдениях. А ведь бактерии существовали на этой планете за миллиарды лет до того, как на ней появилось первое животное.
Так давайте же познакомимся с этими незаметными микроорганизмами и посмотрим, какую огромную роль они сыграли в том, чтобы эта планета могла функционировать. Без бактерий нас бы здесь не было.
Глава 2. Знакомьтесь: бактерии
Вероятно, один из величайших парадоксов в истории биологии заключается в том, что бактерии, являющиеся древнейшими самовоспроизводящимися организмами на Земле, были обнаружены едва ли не в последнюю очередь и по большей части игнорировались. Их открытие, как часто случается в науке, было связано с развитием новых технологий – в данном случае с изобретением микроскопа и затем генного секвенсора. Недостаток внимания к этим организмам происходит главным образом от нашей собственной предвзятости в наблюдениях: мы склонны не замечать того, чего не можем увидеть. Из-за этого мы смогли добиться величайших успехов в астрономии, наблюдая видимые объекты, удаленные от нас на расстояние сотен миллиардов миль, задолго до того, как сумели осознать роль микроорганизмов, живущих на нашей собственной планете. Давайте коротко рассмотрим историю открытия бактерий.
В XIV столетии в Европе изготавливались примитивные линзы (названные так по форме чечевичного зерна –
К концу XVI века голландцы начали работать с итальянским стеклом, изготовленным в Венеции. В то время венецианское стекло стоило очень дорого, поскольку оно было наиболее прозрачным и высококачественным из всех возможных вариантов. С его помощью голландцы начали изготавливать линзы относительно высокого качества. В начале XVII столетия двое голландских мастеров, вставив вогнутую и выпуклую линзы внутрь трубы, сконструировали телескоп. Хотя этот инструмент представлял собой не более чем примитивную подзорную трубу с увеличением приблизительно в семь или восемь раз, это был огромный прорыв в технологии того времени. До сегодняшнего дня изготовители приборов используют те же самые основные формулы, разработанные пионерами в этой новой области знаний – оптике – благодаря прослеживанию траектории лучей света в темном ящике.
В 1609 году Галилео Галилей при помощи телескопа, сделанного в Италии по проекту голландского мастера, обнаружил, что спутники Юпитера обращаются вокруг этой планеты, а не вокруг Земли. Хотя инструмент Галилея имел всего лишь приблизительно двадцатикратное увеличение, этого было достаточно, чтобы позволить ученому разглядеть вблизи то, что люди уже могли наблюдать невооруженным взглядом: планеты, звезды и Луну. Его наблюдения поколебали доминирующую в то время птолемеевскую, или геоцентрическую, систему, ставившую Землю в центр Вселенной и утверждавшую, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли, а не наоборот. Однако Галилей открыл для нас нечто более фундаментальное, нежели просто наблюдение за звездами: он показал нам наше место, о котором мы не знали и которое делало нас менее значительными. Земля стала всего лишь одной из планет среди нескольких других, входящих в нашу Солнечную систему. Галилей прекрасно понимал, насколько важным является открытие им спутников, вращающихся вокруг Юпитера. Он изменил представление людей о нашей планете, нас самих и особых отношениях, связывающих нас со Вселенной (а отсюда и о том, что мы занимаем особое место в глазах Бога).
Хотя рассказов о Галилее и его телескопе существует предостаточно, менее известен тот факт, что он являлся также изобретателем микроскопа. К тому времени люди уже несколько лет знали, что, если просто повернуть телескоп с двумя линзами другим концом, можно увеличить объекты, находящиеся вблизи. Вы можете проделать это у себя дома, поглядев с обратной стороны в один из окуляров бинокля и держа какой-либо предмет, скажем кончик вашего пальца, близко к линзе с другой стороны. (Такое использование бинокля может стать великолепным подспорьем в экспедиции.)
Микроскоп Галилея, сконструированный приблизительно в 1619 году, был всего-навсего непреднамеренным дополнением к изобретению телескопа: Галилей перевернул оптическую схему телескопа и поместил ее в новый корпус. По размерам этот микроскоп был меньше своего предшественника телескопа; две линзы располагались в цилиндрическом футляре из дерева и кожи. Впрочем, у Галилея не возникло большого интереса к тому, что он увидел в своем перевернутом телескопе. По-видимому, он почти не делал попыток понять, а тем более интерпретировать представшие перед ним мельчайшие объекты. Фактически это имело для него настолько небольшое значение, что лишь в 1625 году он дал своему изобретению название
Различие между телескопом и микроскопом заключается не просто в конфигурации линз – оно состоит также в человеческом восприятии и ожидании того, что предполагается увидеть. Хотя недостаток восприятия может быть частично отнесен на счет нашего самомнения, мне кажется, что чаще всего причина заключается в том, что мы не ищем природные закономерности в местах, обычно недоступных для наших ограниченных чувств. Мы можем наблюдать удаленные объекты невооруженным глазом. Кометы, метеориты, планеты, спутники, звезды и даже сверхновые можно увидеть без телескопа, и поэтому, когда мы приближаем их для более внимательного рассмотрения при помощи такого инструмента, как телескоп, эти отдаленные объекты не кажутся нам такими уж загадочными – лишь в некоторой степени. А вот объекты, размеры которых значительно меньше толщины волоса (около десятой доли миллиметра), наши глаза не способны различить без увеличительного приспособления. В масштабах микроскопических структур нас можно считать практически слепыми. Мы видим невооруженным глазом Луну, но не клетки собственного тела. Мы видим звезды, но не видим молекулы. Мы видим далекие галактики, но не видим атомы. Если мы даже не осознаем, что мир микроорганизмов существует, с какой стати нам его искать?
Открытие микроскопического царства, подобно многим другим научным открытиям, было случайностью, которая изменила мир не менее кардинально, чем обнаруженные Галилеем спутники Юпитера. Для этого потребовалась не только настройка инструментов, но также и соответствующая настройка ума. Завеса была приподнята в 1665 году, когда Королевское научное общество опубликовало первый общедоступный научный труд под названием «Микрография» (с подзаголовком: «…или Некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные при помощи увеличительных стекол, с последующими наблюдениями и изысканиями»). Автором книги был Роберт Гук – тридцатилетний горбун, вздорный, невротичный ипохондрик, являвшийся в то же время блестящим ученым-естествоиспытателем, энциклопедистом и одним из основателей Королевского общества.
Рис. 3. Рисунок Роберта Гука, изображающий тонкий срез пробкового материала. Гук дал мельчайшим пустотам, разделенным перегородками, название «клетки». Рисунок воспроизводится по книге Гука «Микрография», впервые опубликованной в сентябре 1665 года (© Королевское научное общество)
Поделиться книгой: