Мы, и наш мир, таким образом, не только произошли из звезд, но из взрывающихся звезд. Мы произошли из сверхновых!

ГЛАВА 8

ЗВЕЗДЫ И ПЛАНЕТЫ

ЗВЕЗДЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Вселенная началась Большим взрывом приблизительно 15 млрд. лет назад. В этот момент она имела ничтожно малый размер и непостижимо высокую температуру.

Очень быстро она расширилась и остыла. Первоначальный ее состав — фотоны (радиация) и кварки плюс электроны и нейтрино, но очень скоро последовали тяжелые субатомные частицы — протоны и нейтроны. По мере дальнейшего расширения и остывания Вселенной из протонов и нейтронов возникли такие ядра, как водород-2, гелий-3 и гелий-4, но ничего больше. Через несколько минут этот процесс был закончен, и за это время во Вселенной был создан огромный запас ядер водорода и гелия.

Дальнейшее расширение и охлаждение в течение, может быть, 700 000 лет привело к падению температуры до точки, когда отрицательно заряженные электроны могли расположиться вблизи положительно заряженных протонов и более сложных ядер, удерживаясь на месте электромагнитными силами.

Так образовались атомы водорода и гелия. Атомы гелия остаются одиночками при любых обстоятельствах; если при достаточно высокой температуре сталкиваются два атома водорода, они остаются вместе, образуя двухатомное соединение, называемое молекулой водорода.

Одновременно с продолжавшимся расширением и охлаждением Вселенной расширялись во всех направлениях и водород с гелием. Поэтому мы можем предположить, что Вселенная состояла из однородного облака этих смешанных газов, которые становились все более разреженными, заполняя собой все увеличивающийся объем пространства по мере расширения Вселенной.

Однако по какой-то причине это облако не сохранило одинаковой плотности и не осталось однородным. Может быть, в результате беспорядочных флюктуаций и вызванных ими завихрений атомы двигались так, что возникли медленно кружащиеся зоны с большей плотностью, перемежающиеся зонами с меньшей плотностью. Если бы атомы продолжали двигаться произвольно, то с течением времени общая картина бы выровнялась. Области высокой плотности потеряли бы часть атомов для областей низкой плотности, т. е. имелась бы постоянная тенденция к восстановлению однородности. Конечно, хаотическое движение, или турбулентность, продолжало бы создавать области высокой плотности, но эти очаги бесконечно перемещались бы в пространстве (подобно областям высокого и низкого давления в нашей собственной атмосфере).

Но, однажды образовавшись, область высокого давления может оказаться и постоянной. Интенсивность гравитационного поля в такой области растет по мере увеличения ее плотности. Гравитационное поле, становясь все сильнее, преодолевает стремление беспорядочно движущихся атомов к разбеганию. Область высокой плотности могла, по-видимому, иметь настолько мощное гравитационное поле, что захватывала атомы из областей менее плотных, поэтому области высокой плотности становились еще плотнее, а области низкой плотности еще разреженнее.

Итак, однородная первоначально смесь водорода и гелия с течением времени сгустилась в огромные облака газа, отделенные друг от друга почти полным вакуумом. Эти огромные по массе и объему газовые облака, которые связываются в нашем представлении с целыми галактиками или со скоплением галактик, мы могли бы назвать протогалактиками. Внутри протогалактик развивалась дальнейшая неуравновешенность массы, связанная с хаотическим движением атомов. В конце концов протогалактики разбились на миллиарды меньших облаков, между которыми пролегло практически пустое пространство. Подобно тому как протогалактики вращаются относительно друг друга, входящие в них мелкие облака тоже вращаются относительно друг друга. (Примечательно, что вращение происходит в разных направлениях и если все эти вращения сложить, то общее вращение для всей Вселенной оказалось бы равным нулю.)

Каждое газовое облако имеет собственное гравитационное поле. Очень плотное газовое облако должно иметь гравитационное поле достаточно сильное, чтобы заставить облако начать сжиматься. Если газовое облако начинает сжиматься, то его плотность увеличится; вместе с тем увеличится и интенсивность собственного гравитационного поля. Соответственно увеличится и сила воздействия, оказываемая этим усиливающимся полем на сжатие. Другими словами, начав сжиматься, газовое облако продолжает сжиматься все быстрее и быстрее.

По мере сжатия растут давление и температура в его центре. Наступает момент, когда температура и давление, неуклонно повышаясь, достигают точки, при которой возникает ядерный синтез. Температура стремительно идет вверх, и раскаленное облако начинает светиться. Теперь это уже не газовое облако. Перед нами звезда.

Звезды возникали во всех протогалактиках, и, когда Вселенной было около миллиарда лет, протогалактики газовых облаков стали галактиками сияющих звезд. Одна из них — наша Галактика.

Сложившиеся галактики состояли исключительно из водорода и гелия (в основном из водорода). Образовавшиеся в них звезды, также имеющие водородно-гелиевое строение, назвали «звездами первого поколения».

Если бы все газовые облака конденсировались в звезды первого поколения, то это бы означало, что процесс эволюции кончился раз и навсегда. Ведь звезды первого поколения относительно малы и спокойны и могут оставаться в главной последовательности 14 млрд. лет (т. е. они существуют еще и поныне). Их возможный коллапс пройдет довольно спокойно, и они перейдут в разряд белых карликов.

Есть галактики, которые содержат очень мало газопылевых облаков и в которых практически все звезды — звезды первого поколения. В этих галактиках распределение газовых облаков в протогалактический период было, по-видимому, весьма равномерным, а сами облака были относительно равновелики.

ЗВЕЗДЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

В отдельных галактиках, включая и нашу собственную, газовые облака по какой-то причине могли быть неодинаковы в размерах. Крупные сгущались быстрее, так как они обладали более сильным гравитационным полем. Из этих более крупных облаков и выходили массивные звезды, недолговечные и взрывающиеся как сверхновые.

Сверхновые в астрономическом масштабе времени возникали почти мгновенно и извергали материю в космос уже тогда, когда многие газовые облака еще оставались облаками и только собирались сгуститься в звезды.

Материя раскаленной сверхновой, смешиваясь с газовыми облаками, подогревала их. Чем горячее становилось облако, тем быстрее было хаотическое движение атомов и, следовательно, тем сильнее их стремление вырваться и рассеяться. Остывающее облако, только-только начавшее сгущаться под влиянием собственного тяготения, нагреваемое таким образом, начинало вновь расширяться. Его гравитационное поле росло менее интенсивно и время, когда могло начаться сгущение, могло отсрочиться надолго, даже навсегда.

Эти ранние сверхновые выполняли две функции. Во-первых, они поддерживали существование газовых облаков и предохраняли их от конденсации, так что даже теперь во многих галактиках встречаются такие облака. Во-вторых, они рассеивали в газовых облаках тяжелые ядра, т. е. ядра тяжелее, чем гелий. Эти тяжелые ядра могли соединяться с водородом и друг с другом, образуя пылевые частицы, так что газовые облака теперь уже состояли из газа и пыли.

Так, в некоторых галактиках, в теперешнем их виде, в форме облаков газа пребывает не более 2 % общей массы; в других, где «поработали» сверхновые, на долю газопылевых облаков приходится до 25 %.

В галактиках, богатых межзвездными облаками, сами облака распределены неравномерно. К таким галактикам обычно относятся спиральные, в ветвях которых и сосредоточены облака, в основном газопылевые. Наше Солнце, к слову сказать, находится в одной из спиральных ветвей Галактики; по некоторым оценкам, около половины массы этих спиральных ветвей пребывает в виде межзвездных газопылевых облаков.

Окраина Галактики, где мы живем, настолько «запылена», что мы испытываем серьезные трудности, желая осмотреть строение Галактики. В плоскости Млечного Пути, где в основном сосредоточились облака, кроме ближайших звезд, мы ничего не видим —# все остальное закрыто облаками! Мы не можем видеть центр Галактики посредством обычного света и должны довольствоваться любой ее частью, но только не ядром!

Только благодаря тому, что мы научились владеть радиоволнами, легко минующими эти облака, да еще потому, что центр Галактики — область высокой активности, излучающая радиоволны, мы хоть что-то знаем об этом районе.

Межзвездные облака, существующие ныне в Галактике, в течение 14 млрд. лет подвергались воздействию взрывов миллионов сверхновых, поэтому они изрядно перемешаны и обогащены привнесенным в них материалом. Около 1 % содержащихся в этих облаках атомов (или 3 % массы) составляют тяжелые атомы, кроме гелия, существующие только как часть тяжелых атомных выбросов, запущенных в межзвездное пространство чудовищной силой извержения сверхновой.

Время от времени одно из этих обогащенных тяжелыми атомами газопылевых облаков — пусть в нашей или в другой галактике — начинает претерпевать сжатие и образует новую звезду, или несколько звезд, или даже целое скопление. Звезды, образующиеся из межзвездных облаков с ощутимым содержанием тяжелых атомов, — это «звезды второго поколения»; их структуры в небольшой, но измеримой степени построены из материала, который возник внутри более ранних звезд, ныне мертвых и исчезнувших или по крайней мере не существующих больше в главной последовательности.

Наше Солнце — звезда второго поколения, образовавшаяся 4,6 млрд. лет назад; к тому времени Галактика существовала уже около 10 млрд. лет. Солнце образовалось из облака, которое на протяжении всех этих миллиардов лет подвергалось насыщению осколками взрывов сверхновых и поэтому включало значительное количество тяжелых ядер уже с самого рождения, хотя по своей структуре оно было тогда почти полностью водородно-гелиевым.

Если звезда, подобная Солнцу, могла образоваться спустя 10 млрд. лет после Большого взрыва, значит, есть звезды, которые могли образоваться и позднее. (И это несомненно, сегодня, сейчас на главной последовательности есть звезды, которые по массе могут там оставаться лишь несколько миллионов лет; отсюда вывод: они должны были возникнуть не ранее нескольких миллионов лет назад). Короче говоря, должны существовать звезды, которые образуются и в настоящий момент в нашей Галактике, и даже на окраине нашей Галактики. Мы, пожалуй, можем когда-нибудь увидеть свидетельства их образования.

К примеру, туманность Ориона: это газопылевое облако общей массой, вероятно, в 300 раз больше массы Солнца имеет звезды, иначе бы облако не светилось. Звезды спрятаны в облаках окружающих их пыли и газа точно так же, как нить накаливания скрыта стеклом матовой лампы: нить заставляет светиться матовое стекло, но она сама в деталях остается невидимой.

Есть свидетельства тому, что звезды эти очень массивны и потому должны быть совсем молодыми. Несомненно, они произошли из этого облака и должны быть еще другие, образующиеся из него сейчас.

Когда происходит образование такой звезды, части облака сгущаются, уплотняются и мутнеют. Свет от звезд внутри облака через такие уплотненные зоны проходит с трудом. Очевидно, между нами и внутренними звездами туманности Ориона имеются части туманности в виде маленьких, темных, более или менее округлых зон. На такие округлые темные места в туманности Ориона в 1947 г. указал голландско-американский астроном Барт Бок (1907–1983). Они стали известны как «глобулы Бока», и вполне возможно (хотя и не наверное), они представляют собой звезды в процессе образования.

Можно спросить: что заставляет межзвездные облака сгущаться в звезды, если они просуществовали как облака миллиарды лет, не имея ни малейшей склонности к сгущению? Вероятно, к более плотному состоянию частиц пыли внутри облаков приводят их хаотические движения, которые усиливают гравитационное поле, что и дает начало процессу; откровенно говоря, это очень маловероятно, а если и вероятно, то несколько миллиардов лет назад.

В сущности, хаотическое движение могло бы постепенно рассеять облако и разредить его до почти вакуумного состояния межзвездного пространства. Ведь межзвездное пространство в конечном счете очень разреженная система газа и мельчайшей пыли. Она может представлять собой отчасти материал, никогда не использованный при образовании звезд и межзвездных облаков, отчасти материал, который из самих этих облаков был рассеян.

Существование такого межзвездного вещества впервые было доказано немецким астрономом Иоганном Хартманом (1865–1936) в 1904 г. Изучая спектр отдельной звезды, он обнаружил, что линии ее спектра имели смещение (этого и следовало ожидать, поскольку звезда удалялась). Хартмана поразило то, что некоторые линии, именно линии, представлявшие элемент кальций, не смещались. По крайней мере, кальций оставался в покое и поэтому никак не мог принадлежать звезде. Так как между нами и звездой не было ничего, кроме «пустого» пространства, кальций следовало отнести именно к этому пространству, которое в общем и целом оказывалось не таким уж пустым.

Кальций присутствовал в пространстве в чрезвычайно разреженном состоянии, но по мере того, как свет проделывал свой миллиарднолетний [4] путь от звезды к нам, он время от времени сталкивался с одним из атомов кальция, при этом всякий раз поглощался фотон света. В итоге исчезновение множества фотонов отмечается теперь заметной темной линией.

В 1930 г. швейцарско-американский астроном Роберт Трамплер (1866–1956) показал, что в космосе присутствует достаточно межзвездной пыли (какой бы редкой она ни была!), чтобы затуманить отдаленные объекты.

Итак, мы можем заключить, что ныне существующие и миллиарды лет сохраняющие свою природу межзвездные газовые облака (например, облако, давшее начало нашему Солнцу, или облака, существующие сегодня) пребывают в состоянии хрупкого равновесия. Они недостаточно плотны или холодны, чтобы начать процесс сгущения, и недостаточно разреженны или горячи, чтобы раствориться в межзвездном газе. Чтобы из такого газового облака зародилась звезда, должно произойти, хоть ненадолго, нарушение упомянутого равновесия. Что же может послужить толчком?

Астрономы выдвинули несколько возможностей. В туманности Ориона, например, живущие там ныне крупные молодые горячие звезды посылают мощный звездный ветер, в сравнении с которым наш солнечный ветер — легкий ветерок. Устремляясь сквозь окрестную туманность, они гонят перед собой пыль и газ, сжимая их до плотности гораздо большей чем существует вокруг. Это, в свою очередь, усиливает гравитационное поле в этой части облака и вызывает процесс конденсации, который еще больше сжимает пыль и газ, опять же усиливая гравитацию, и т. д. Образуется глобула Бока и в конце концов звезда.

Но как же возникли те горячие молодые звезды? В частности, как возникла первая звезда в туманности Ориона, до того как там возникли звездные ветры, проходящие сквозь туманность и вызывающие процесс сжатия?

Тут может быть несколько возможностей.

Межзвездные облака, как и сами звезды, пребывают в постоянном движении вокруг центральных районов галактики, содержащих основную ее массу. Межзвездное облако может когда-нибудь оказаться рядом с горячим огромным солнцем, и солнечный ветер даст первую волну сжатия — толчок к образованию звезды.

Или, например, два межзвездных облака могут столкнуться и слегка надавить друг на друга. Они могут даже частично слиться, образовав в том месте, где произошло их наложение, зону повышенной плотности. Гравитационное поле, где облака легли «внахлест», будет усилено, и начнется сгущение.

Может статься, что межзвездное облако будет проходить очень далеко от ближайших звезд и его температура несколько упадет. Атомы и частицы, составляющие его, замедлят свое движение и потянутся друг к другу; облако станет плотнее, и начнется процесс сгущения.

Однако эти возможности являются настолько слабыми «возбудителями», что при таких условиях вообще маловероятно образование звезды. Нет ли тут другого, более мощного «запала»?

Есть! Если сверхновая взорвется в относительной близости от нашего облака, то волна вещества, вырвавшегося в результате взрыва, врежется в облако наподобие ударной волны.

Это будет грандиозным событием, превосходящим все, что может произойти вблизи обычной звезды или при столкновении двух облаков. Следствием такого взрыва будет мощнейшее сжатие облака и начало процесса звездообразования.

Конечно, как было уже сказано в этой главе, взрыв сверхновой может вызвать нагрев межзвездного облака и сделать невозможным его сгущение, но многое зависит от того, насколько близка была сверхновая, насколько плотным было облако с самого начала и т. д. В одних условиях преобладает эффект нагревания, в других — сжатия; в последнем случае может образоваться звезда.

Итак, можем ли мы полагать (очевидных доказательств у нас нет, есть только возможность полагать), что примерно 4,6 млрд. лет назад на расстоянии всего нескольких световых лет от межзвездного облака, остававшегося в равновесии 10 млрд. лет, взорвалась сверхновая?

И вызвал ли этот взрыв достаточное сжатие, чтобы начался процесс, который привел в конце концов к возникновению нашего Солнца?

Если это так, мы должны испытывать к сверхновым чувство тройной благодарности.

Во-первых, сверхновые посредством ионов заполнили космос тяжелыми элементами, которым иначе никак бы не возникнуть, — элементами, необходимейшими для нашего мира и для нас самих, без которых не было бы и нас (как не было бы, вероятно, и никакой жизни во Вселенной!).

Во-вторых, энергия взрыва сверхновой удержала многие межзвездные облака (включая и то, что дало жизнь нашему Солнцу) от преждевременного сгущения (до того, как они стали достаточно насыщены тяжелыми элементами).

В-третьих, взрыв близлежащей сверхновой явился тем самым толчком, который заставил облако, обладавшее теперь изрядной долей тяжелых элементов, сгуститься в Солнце.

ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ

Мы видели, как звезда (или две звезды, или скопление звезд) может развиться благодаря простому сжатию первоначально рассеянного межзвездного облака.

Но как отдельная звезда, подобная нашему Солнцу, оказывается окруженной планетами— телами слишком миниатюрными, чтобы превратиться в звезду?

В объяснение выдвигалось два рода теорий: 1) катастрофа и 2) эволюция. В теориях катастрофы звезды образуются как таковые в единственном числе или со звездой-компаньоном без какого-либо планетного окружения. Каждая звезда может прожить (как правило, так и бывает) всю жизнь в главной последовательности, потом она раздуется в красный гигант и наконец коллапсирует. И все это время она существует без планет. Однако может произойти чрезвычайное событие: другая звезда может приблизиться и пройти рядом. Огромная сила тяготения, возникшая между ними, вырвет у обеих часть вещества, которое и разовьется в семейство планет, возможно, вокруг каждой из них. Может случиться, что одна из звезд парной системы взорвется как сверхновая с такой силой, что от нее останутся лишь обломки, которые будут захвачены звездой-компаньоном и станут планетами. В обоих случаях (как и в других возможных) планеты моложе, много моложе звезд, вокруг которых они кружат.

Подобные катастрофы, должно быть, чрезвычайно редки, и если теории катастроф верны, то планеты в самом деле представляют собой феномен необыкновенный. Таких планетных систем, как наша Солнечная, может быть, горстка на всю Галактику.

Согласно эволюционным теориям, звезды и планеты образовались в результате одного и того же процесса и, следовательно, их возраст одинаков. Например, все члены нашей Солнечной системы — от Солнца в ее центре до самых отдаленных комет — возникли одновременно, т. е. они ровесники. Кроме того, из этих теорий вытекает, что большинство звезд, если не все, имеет планетные системы.

Какой же из этих двух групп теорий отдать предпочтение?

Трудно сказать. В данном случае невозможно сделать вывод на основе реальных наблюдений. До сих пор нам не удавалось изучать образование звезд с достаточно близкого расстояния, чтобы судить, образуются ли при этом планеты, и если да, то каким образом. Не можем мы и достаточно четко установить, часто ли встречаются планетные системы (свидетельство об эволюционном происхождении) или очень редко (свидетельство о катастрофе).

Об этом можно только спорить.

Что касается самих теорий, то оказалось, что и теории катастроф, и эволюционные теории (в том виде, как они существовали до 40-х годов) имели крупные недостатки.

И недостатки эти были столь серьезны, что здравомыслящие астрономы были вынуждены отвергнуть и ту и другую группу теорий. И то сказать, все выдвигавшиеся теории имели такие изъяны, что единственный вывод, к которому, веря им, можно было прийти относительно Солнечной системы, это то, что ее не существует.

Но в 40-х годах новые версии эволюционной теории как-то подправили худшие ее стороны и удовлетворительный сценарий возникновения Солнечной системы был составлен.

Итак, сосредоточимся на эволюционном варианте, первые версии которого, как мы помним, были выдвинуты Кантом и Лапласом во второй половине 1700-х годов в виде гипотезы туманности.

Гипотеза туманности включает одно свойство, называемое «угловым моментом». Межзвездное облако, сгустившееся в Солнце, первоначально вращалось очень медленно, и угловой момент был мерой количества этого вращения. Это количество зависит как от скорости вращения, так и от среднего удаления всех частей объекта от оси вращения.

Согласно известному закону физики, общее количество углового момента в замкнутой системе (системе, ни с чем вне себя не взаимодействующей) должно оставаться постоянным.

По мере сгущения межзвездного облака среднее удаление всех его частей от оси вращения все время сокращалось.

Чтобы компенсировать это сокращение и поддерживать общий угловой момент на одном уровне, скорость вращения должна постоянно увеличиваться.

Скорость вращения сгущавшегося облака увеличивалась, нараставшая центробежная сила наибольшей была на экваторе; облако, бывшее изначально шаровидным, все более и более уплощалось, становясь похожим на блин. Наконец экваториальный выступ стал выдаваться настолько, что от него оторвалось кольцо вещества. Это кольцо вещества сгустилось в планету. Облако стало меньше, но продолжало вращаться еще быстрее, пока от него не отделилось новое кольцо вещества. И так до тех пор, пока не образовались все планеты. Кольца вещества, сгущаясь, тоже вращались с возрастающей скоростью и отбрасывали свои более мелкие кольца, которые становились спутниками.

Гипотеза туманности, выглядевшая весьма разумно, была популярной в течение почти всего XIX в. Хотя, честно говоря, трудно понять, почему кольцо вещества должно было сгуститься именно в планету, а не в пояс астероидов или просто рассеяться в космосе? Более того, планеты Солнечной системы заключают в себе 98 % всего углового момента системы, тогда как само Солнце только 2 %. Астрономы не могли убедительно объяснить то, как всю эту уйму углового момента втиснуть в маленькие кольца вещества, отделившегося от сгущающегося облака.

В результате гипотеза туманности была сильно скомпрометирована и в последующие 50 лет наибольшее признание получили теории катастроф (с их собственными нерешенными проблемами).

В 1944 г. немецкий астроном Карл Вейцзеккер (р. 1912) создал модификацию гипотезы туманности. Он предположил, что облако вращается не плавно, как цельное тело, а турбулентно, образуя ряд завихрений. По мере того как облако уплотнялось, все более и более напоминая хлебную булку, эти вихри становились все крупнее, и, чем были крупнее, тем дальше они располагались от центра. Когда соседние вихри входили в соприкосновение, материя одного сталкивалась с материей другого и отдельные сгустки вещества стремились соединиться. Постепенно накапливаясь в местах соединений, эти сгустки становились все крупнее, и в конце концов из них сформировались планеты, при этом каждая последующая оказалась от Солнца в два раза дальше, чем предыдущая. Теория Вейцзеккера легко объясняла формирование планет, устранив главную трудность — превращение планет из газовых колец. А как обстояло дело со столь прихотливым распределением углового момента в Солнечной системе?

Здесь теорию Вейцзеккера быстро подправили, призвав на помощь электромагнитное поле Солнца и те изменения, которые испытывало это поле в связи с уплотнением.

Теперь можно понять переход углового момента от массивного Солнца в центре системы к маленьким планетам на периферии. Астрономы уверены, что заполучили теперь массу ценнейших деталей, связанных с формированием планетных систем.

Но отчего все-таки планеты такие разные по размеру и своим свойствам?

Будь Солнце звездой первого поколения, состоящей целиком из водорода и гелия, планеты выглядели бы почти близнецами. Облако-прародитель имело бы исключительно водородно-гелиевый состав, а значит, и планеты должны иметь такой же состав, как и Солнце.

(Гелий и водород — первый в виде отдельных атомов, второй — двухатомных молекул — в дальнейшем не соединяются и остаются газами вплоть до очень низких температур.

Единственное, что могло бы удержать их вместе, — это силы гравитации).

Вообразим себе сгущающееся водородно-гелиевое облако. Это — постоянное противоборство (сродни перетягиванию каната) между силами гравитации, которые стремятся удержать массу, и свободным хаотическим движением атомов и молекул, стремящихся высвободить эту массу и рассеять ее в пространстве. Чем больше масса сгущающегося вещества и чем она плотнее, тем сильнее гравитация и тем туже в ее обручах стягивается тело. Чем холоднее масса, тем медленнее произвольное движение атомов и молекул и меньше их тенденция к рассеиванию, тем туже опять-таки будет стягиваться небесное тело.

Образовавшемуся Солнцу не представляло никакого труда сохранять свою целостность, поскольку оно заключает в себе 99 % всей массы Солнечной системы. И хотя это газовый шар, готовый развеяться, будь для того благоприятный момент, даже после того, как в нем зажглась ядерная реакция и он стал очень горячим, страшно усилив энергию рассеивания, чрезвычайно мощное гравитационное поле Солнца без труда удерживало его структуру.

Планеты, построенные из гораздо меньших водородно-гелиевых масс, испытывали при образовании гораздо большие трудности.

Представим себе планеты, складывающиеся на различных расстояниях от развивающегося Солнца, одни очень близко, другие далеко. Все они растут очень медленно, их гравитационного поля едва хватает для перекрытия силы рассеивания. Но когда планеты укрупнились, их постоянно растущая гравитация начинает легко подавлять тенденцию к рассеиванию, планета начинает расти все быстрее и быстрее (как снежный ком).

Наконец планеты становятся вполне осязаемым телом из водорода и гелия, приобретающим по мере сгущения довольно высокую температуру в центре. Конечно же, температура и давление в центрах планет никак не соизмеримы с тем, что испытывает в своем центре громадное Солнце. Поэтому ни в одной из планет не может начаться ядерная реакция и ни одна из них не станет маленькой звездой.

Тем не менее планеты стали достаточно крупными телами, чтобы удержать свою структуру, несмотря на то что высокие температуры в их глубинах способствуют увеличению сил рассеивания. К счастью для планет, их вещество плохо проводит тепло, поэтому, хотя они довольно горячи в центре, поверхность их остается холодной, а ведь именно на поверхности беспрепятственное рассеивание могло бы обернуться наибольшим ущербом.

Вероятно, планеты в основном уже завершили свое формирование, когда сгущающееся Солнце достигло температуры ядерной реакции и вспыхнуло.

Когда это произошло, началось воздействие двух новых факторов:

1) Солнце начало излучать радиацию, которая нагревала поверхность вновь образованных планет;

2) Солнце во всех направлениях посылало солнечный ветер.

Нагревание поверхности планет усиливало стремление к рассеиванию, проявлявшемуся на поверхности наиболее сильно; облака водорода и гелия поднялись над планетами. Солнечный ветер уносил их прочь.

Естественно, эти два эффекта были особенно ощутимы вблизи Солнца, менее ощутимы с увеличением расстояния.

Планеты, возникшие рядом с Солнцем, испытывали наибольшую тенденцию к испарению и подвергались сильнейшему «выдуву» массы солнечным ветром. Поэтому соседствующие с Солнцем планеты сильно потеряли в своей массе. По мере того как они «худели», их гравитационные поля теряли свою интенсивность, зато набирали силу и ускорялись испарение и выдувание. В конце концов ближайшие к Солнцу планеты полностью растаяли.

На большем удалении от светила нагрев и выдув слабели, и планеты, обладавшие относительно крупной массой, выжили. Спутники этих планет, если они были, могли не выжить из-за чрезмерной слабости их гравитационного поля.

Итак, если Солнце было бы звездой первого поколения, оно имело бы несколько планет, по удаленности и общему химическому составу аналогичных таким газовым гигантам, как Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и ничего более.

Не было бы планет, на которых могли бы существовать люди, как не было бы и материи, из которой образовались бы живые ткани. Планеты, кружащие вокруг звезды первого поколения, были бы, как мы знаем, абсолютно мертвы.

ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ

Солнце — звезда второго поколения благодаря существованию сверхновых. Это значит, что межзвездное облако, из которого оно вышло, состояло из четырех групп веществ.

Во-первых, это водород с гелием, составлявшие 97 % массы первоначального облака (хотя это облако второго поколения).

Во-вторых, это те тяжелые элементы, которые лишь ненамного тяжелее водорода и гелия, — углерод, азот и кислород (последний из них самый распространенный). Они соединились с водородом, образовав соответственно метан, аммиак и воду. Из этой триады первой замерзает вода, образуя лед.

При дальнейшем понижении температуры замерзает аммиак, потом метан, также по виду напоминающие лед. При той низкой температуре, при которой планеты приобретали первоначальный облик, все эти три соединения (вместе с другими им подобными, но более редкими) существовали, по-видимому, в замерзшем состоянии, и их обычно называют льдами.

В-третьих, это еще более тяжелые элементы: алюминий, магний, кремний, железо и никель. Первые три из них (вместе с другими, менее распространенными элементами), соединяясь с кислородом, образуют силикаты. Силикатами «вымощены» каменистые части Земли.

В-четвертых, это атомы железа и никеля, которые также могут участвовать в образовании силикатов, но часто они достаточно обильны, чтобы соединяться в относительно чистом виде с меньшими количествами других веществ. Это — металлы.

На первый взгляд может показаться, что из первоначального облака, состоящего на 97 % из водорода и гелия и незначительного количества тяжелых элементов, вряд ли можно «вылепить» такую планету, как Земля.

Напрасно мы связались со звездой второго поколения, лучше иметь дело со звездой первого поколения. Однако общая масса Солнечной системы в 343 600 раз больше массы Земли, и если даже 3 % этой общей массы — тяжелые элементы, то их хватит на 10 000 таких планет, как Земля, и еще останется.

Конечно, свыше 99 % тяжелых элементов заключено в Солнце, но вся, вместе взятая, материя планет, обращающаяся вокруг Солнца, — это 448 масс Земли. И если хотя бы 3 % из этой общей массы — тяжелые элементы, то все-таки имеющихся тяжелых элементов достаточно, чтобы построить более тринадцати планет размером с Землю.

Другими словами, в строительном материале нет дефицита, и планета типа нашей Земли вполне может образоваться возле звезды второго поколения, подобной Солнцу.

При образовании планет (при звезде второго поколения) камень и металл сращиваются первыми. Молекулы силикатов и атомы металла плотно соединяются друг с другом благодаря электромагнитным силам, существующим между их электронами. Удерживаясь вместе, они не зависят от гравитации. В небольших массах они нерасторжимы даже при очень высоких температурах (порядка двух-трех тысяч градусов).

По этой причине каждая планета имеет, по-видимому, каменно-металлическое ядро. Сначала металл и камень находятся в перемешанном состоянии, но по мере роста планеты и нагревания ее сердцевины им становится легче отделиться друг от друга, особенно металлу: с повышением температуры наступает плавление. Естественно, каменные породы имеют более высокую точку плавления, чем металлы; хотя камень может и не плавиться, но в раскаленном состоянии он становится относительно мягким.

Металл, — как более тяжелый, медленно перетекает вниз и, следовательно, собирается в центре планеты, а скальные вещества служат металлу своего рода футляром.

Таким образом, в Земле существует металлическое ядро в оболочке из камня. То же самое — на Меркурии и Венере. На Марсе и Луне по причине, которую мы еще не можем объяснить, металла относительно мало. Присутствующий там металл перемешан с силикатами, так что эти две планеты насквозь каменистые.

После образования ядра из металла и камня развивающимся планетам благодаря гравитационному полю уже гораздо легче собрать вокруг себя пояс льдов, а поверх льдов — пояс водорода с гелием. Судя по всему, планеты развиваются быстрее при звездах второго, а не первого поколения.

Что происходит, когда в последующем загорается Солнце? Поверхность планет, расположенных ближе к Солнцу, нагревается и противостоит обдуванию солнечным ветром. Весь водород с гелием, накопленный близкими к Солнцу планетами, вместе со всеми льдами (или подавляющей их частью) испаряется и уносится в пространство. Металлокаменные ядра планет, напротив, уплотняются еще сильнее, несмотря на воздействие жары и солнечного ветра.

Меркурий становится таким горячим, а Луна такой маленькой, что с их поверхности все уносится подчистую. То же самое происходит и с астероидами (они к моменту зажигания Солнца были, наверное, меньше числом и гораздо крупнее). Венера и Земля будучи достаточно большими, а Марс достаточно удаленным от Солнца, удержали некоторую часть льдов, находящихся вероятно, в свободном соединении с силикатами. Они также сохранили вещества, которые теперь составляют их атмосферу.

Земле выпало быть крупнее Марса и прохладнее Венеры, поэтому она сохранила достаточно воды, чтобы превратить ее в свои океаны.

За поясом астероидов планеты не подверглись ощутимому влиянию солнечного ветра и излучения, они сохранили большую часть накопленных ими льдов и водородно-гелиевой оболочки. Так получились Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Если не считать в них ничтожных количеств тяжелых элементов, эти планеты точно такие, какими они могли быть, если бы возникли и обращались вокруг звезды первого поколения.

В безопасности и прохладе далекой окраины Солнечной системы смогли образоваться более мелкие тела. Некоторые из них сплошь каменисты, как Ио, самый близкий спутник Юпитера. Другие — сплошь ледяные, как Ганимед и Каллисто, два других его спутника. Далее Титан, спутник Сатурна, и очень отдаленные тела — Плутон и кометы. Некоторые из них состоят одновременно из камня и льда, как, например, Европа, четвертый спутник Юпитера.

Во всяком случае, Земля образовалась в том месте и с таким химическим составом, что стало возможным зарождение жизни, — жизни, которая была бы попросту невозможна, если бы не существование сверхновых,

ГЛАВА 9

ЖИЗНЬ И ЭВОЛЮЦИЯ

ИСКОПАЕМЫЕ

Наш глубочайший долг перед сверхновыми не начинается и не кончается образованием Земли. Мы должны учесть и ту роль, которую сверхновые играют в образовании и развитии самой жизни. Чтобы понять это, спустимся на минутку на Землю и обратимся к геологии и биологии. Давайте начнем с рассмотрения прошлого нашей планеты.

В течение последних двух столетий делались попытки определить возраст Земли, но только с открытием радиоактивности в 1896 г. геологи получили возможность делать нечто более дельное, чем строить бесконечные, более или менее удачные догадки.

В 1907 г. американский химик Бертрам Болтвуд (1870–1927) высказал предположение, что поскольку уран, распадаясь, превращается в свинец с постоянной хотя и очень медленной, но поддающейся расчету скоростью, то легко вычислить время, в течение которого данная порода оставалась в твердом нетронутом состоянии; достаточно определить в ней количество урана и свинца.



Для определения возраста были использованы методы, основанные на распаде урана и других медленных радиоактивных изменениях. Проведенными измерениями было наконец установлено, что возраст Солнечной системы, и в частности возраст Земли, равен 4,6 млрд. лет. Вот как давно первоначальное газопылевое облако сгустилось в измеримые твердые объекты, продолжающие существовать и поныне!

Поскольку Земля за свою жизнь претерпела столько всякого рода геологических изменений, очень маловероятно или даже почти невозможно выделить теперь породы, оставшиеся неизменными с самого начала существования планеты. Самые древние из всех найденных до сих пор пород имеют возраст 3,4 млрд. лет, и мы поэтому не имеем никаких прямых свидетельств первого миллиарда лет жизни Земли. Луна, которая меньше Земли по размерам и, геологически говоря, менее «живая», сохранила породы, имеющие возраст 4,4 млрд. лет. Однако даже Луна не осталась нетронутой со времен своего рождения. В первые несколько сот миллионов лет существования, когда процесс формирования обоих миров завершился, Земля и Луна испытывали жесточайшую бомбардировку со стороны меньших космических тел — метеоритов. Следов этой бомбардировки на Земле уже нет благодаря воздействию воды, ветра и жизни, но на Луне она оставила по себе живое напоминание в виде многочисленных кратеров, обозначивших место ударов.

К счастью, метеориты — это маленькие космические тела, оставшиеся такими, какими они были почти с самого начала, и их анализ — результат, являющийся лучшим подтверждением возраста Солнечной системы, — 4,6 млрд. лет.

Жизнь — не очень новое явление на Земле. Жизнь была на Земле на протяжении большего отрезка ее долгой истории. Прямым свидетельством тому служат обнаруживаемые в земле ископаемые. Эти ископаемые — окаменевшие остатки древних форм жизни, и, чем глубже слой, в котором их находят, тем они старше.

Эти ископаемые находили и в древности, однако почти на всем протяжении истории Земли им не придавали значения или же объясняли самым фантастическим образом. Ведь долгое время людям казалась незыблемой мысль, что Земле, а с ней и всей Вселенной всего несколько тысяч лет. Даже ученые не желали отступиться от этой догмы или противоречить ей.

Однако в течение 1800-х годов ученые были вынуждены признать, что Земля очень стара. Тогда еще невозможно было определить абсолютный возраст ископаемых, а только относительный, т. е. уверенно можно было сказать, какая, например, из пород более старая, судя по тому, как глубоко под поверхностью лежит слой (или стратум), в котором оказалась данная порода. Казалось естественным, что осадочные отложения постепенно, очень медленно с течением веков покрывали земную поверхность, поэтому чем глубже в земле пролег слой определенной породы, тем старше и сама эта порода. И если был найден относительный возраст слоя, то относительный возраст ископаемых остатков можно было определить, просто отметив слой, в котором было найдено данное ископаемое.

Древнейшие породы, хранящие в себе ископаемые остатки, получили название кембрийских. Дал им такое название английский геолог Адам Седжвик (1785–1873) в честь Кембрии, старинного римского названия области Англии, которая ныне зовется Уэльсом. (Седжвик впервые столкнулся с породами этого типа в Уэльсе.)

Кембрийские ископаемые, по всей очевидности, были остатками морских организмов: в ископаемых остатках того периода нет ни единого признака земной жизни. Преобладающей формой жизни были различные разновидности моллюсков, получившие название трилобитов. Из живущих ныне животных наиболее близко напоминает нам трилобита мечехвост.

Все породы более древние, чем кембрийские, назвали общим словом «докембрий».

С появлением техники измерения возраста методом радиоактивного распада выяснилось, что древнейшим кембрийским породам, а значит, и древнейшим ископаемым — 600 млн. лет. Возраст неслыханный, но все-таки эти древнейшие ископаемые относительно молоды в сравнении с возрастом Земли.

В породах, сложившихся в течение первых 4 млрд. лет истории Земли (семь восьмых всей ее жизни), ископаемых остатков найти не удается. Означает ли это, что жизнь существует на Земле только в последней, наиболее близкой к нам одной восьмой ее возраста?

Биологи этому не верят. Образование ископаемого, рассуждают они, — это слишком случайная, деликатная вещь, возможная лишь в необычных, неординарных обстоятельствах. Несчетные миллиарды организмов жили и, умерев, не оставили после себя ничего, что могло бы окаменеть и сохраниться в виде ископаемого. Весьма вероятно, целые классы организмов ничего не оставили после себя, что могло бы, хотя бы в виде окаменелости, пролежать до наших дней и быть случайно обнаруженным. С другой стороны, другие, менее распространенные немногочисленные организмы могли случайно оставить после себя целые россыпи ископаемых остатков.

Надо заметить, не все части организмов становятся ископаемым. Зубы, кости, раковины — все твердые части более вероятно станут ископаемым остатком, чем мягкие ткани. Так 50 000 — 4 000 000 лет назад в пространствах Африки и Евразии бродили стаи человекоподобных существ, но мы располагаем лишь очень немногими их ископаемыми остатками (они были слишком смышлеными, чтобы умереть в условиях, подходящих для превращения в окаменелость, а те остатки, которые есть, — это в большинстве своем окаменелые твердые части организма: черепа, зубы).

Трилобиты — самые ранние ископаемые, уже облаченные в раковины, — имели довольно сложное строение.

Вообще, чем старше ископаемый организм, тем он менее развит и более прост в строении. Есть предположение, что в докембрии должны были существовать еще более древние формы жизни, менее развитые, чем трилобиты, настолько менее развитые, что не имели твердых покровов, были насквозь мягкими, как теперешние слизни или земные черви. Они наверняка не оставили после себя никаких следов, поэтому отсутствие докембрийских ископаемых не означает «не было», но скорее «не было твердых частей».

В 1950 г. американский биолог Элсо Баргхурн (1915–1984) обнаружил следы окаменевших колоний синезеленых водорослей близ озера Лэйк Супериор. Сине-зеленые водоросли относятся к простейшим ныне существующим формам клеточной жизни. Они очень близки к бактериям, за исключением одного: в синезеленых водорослях присутствует хлорофилл, в бактериях его нет.

И бактерии, и синезеленые водоросли состоят из одной чрезвычайно мелкой клетки, не имеющей четко выраженного отдельного ядра: вещество ядра рассеяно в них по всей клетке. Биологи называют их прокариоты, дословно с греческого «вместо ядра». Все остальные клетки (от одноклеточных растений и животных до составляющих многоклеточные организмы, включая нас самих) — это эукариоты, дословно с греческого «полностью ядерный».

Ископаемые синезеленые водоросли не так-то просто было обнаружить. Они настолько крохотны, что рассмотреть их можно через микроскоп, а признать в этих миниатюрных клеточках биологическое живое начало в отличие от минерального можно лишь по едва уловимым следам их структуры. Это было нелегким делом, но Баргхурн справился с ним, приведя самые скрупулезные, в высшей степени убедительные свидетельства. Первые открытые и изученные им микроископаемые были обнаружены в породах возрастом 2 млрд. лет. Хорошо определив цели и задачи, Баргхурн открывал теперь признаки простейшей микроскопической жизни во все более старых пластах. Так, в 1977 г. он обнаружил микроископаемые в Южной Африке, в породах, чей возраст оценивается в 3,4 млрд. лет.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Земля, как теперь известно, образовалась 4,6 млрд. лет назад, но в течении первых нескольких сот миллионов лет ее поверхность пребывала в постоянном хаосе из-за непрерывной бомбардировки обломками вещества, которые все еще кружились вокруг Солнца по земной орбите, периодически сталкиваясь с Землей и Луной.

Около 4 млрд. лет назад Земля наконец осталась в покое, приобретя более или менее современный свой вид, и была готова стать обитаемым миром. Через полмиллиарда лет здесь зародилась первая примитивная жизнь. В течение последующих 3,5 млрд. лет (три четверти всего существования) Земля постоянно заселена разнообразными формами живых организмов.

Каким образом впервые образовалась жизнь?

Единственно возможный научный ответ (не связанный со сверхъестественным бездоказательным актом) состоит в том, что беспорядочные комбинации простых молекул, существовавших в земной атмосфере и океане, постепенно создавали все более сложные молекулы, и эти молекулы, с течением времени став чрезвычайно сложными, в процессе эволюции сформировали в себе такие свойства, которые мы ассоциируем с жизнью.

Разумеется, процесс эволюции мы не можем наблюдать непосредственно ни здесь, на Земле (от этого события мы отделены миллиардами лет), ни в других мирах (ближайший возможно обитаемый мир удален от нас на расстояние многих световых лет пространства). И все же мы можем получить косвенные свидетельства.

Прежде всего нужно установить, какие именно простые молекулы могли существовать на первозданной Земле. Это были молекулы, из которых формировался лед, и среди ученых в этом есть полное согласие. (Хотя имеется спорный пункт относительно их точного строения.) Вода присутствовала безусловно, так же как и молекулы, содержащие азот, углерод и другие элементы.

На Юпитере и других внешних планетах Солнечной системы углерод и азот присутствуют в соединении с водородом. Это соответственно метан и аммиак. На Венере и Марсе углерод находится в соединении с кислородом (углекислый газ), а азот существует в виде молекул в парах атмосферы.

Одни ученые считают, что первичная атмосфера Земли состояла из аммиака, метана и водяных паров, причем аммиак в большом количестве был растворен в океане. Другие полагают, что нашей первозданной атмосферой были углекислый газ, азот и водяной пар, причем в океане была растворена значительная доля углекислого газа. Возможно, что эта атмосфера, изначально состоявшая из аммиака, метана и водяного пара (атмосфера-1), затем в ходе естественных процессов, не связанных с жизнью, обратилась в углекислый газ, азот и водяной пар (атмосфера-2).

Выбор между этими двумя атмосферами не является категорическим. В каждой из них имеются атомы водорода, углерода, азота и кислорода (которые составляют 99 %. атомов, входящих в мягкие ткани любого организма). Атомы, из которых состоят ископаемые остатки этих тканей, включая атомы, делающие ткани твердыми, должны присутствовать в виде раствора в первозданном океане.

Какие процессы при наличии данных простых молекул (какими бы они ни были) должны были произойти, чтобы из них сформировались молекулы более сложного порядка? Простые столкновения и хаотический взаимообмен для этого были бы уже недостаточны. Превращение простых молекул в более сложные — это изменение, требующее затраты энергии. Иначе говоря, чтобы сделать такое превращение возможным, к системе должна поступать энергия.

Сотворенная Земля имела многочисленные источники энергии — тепло от вулканической деятельности, электрическую энергию молний, поскольку вполне вероятно, что первоначально Земля была более бурным местом, чем теперь (извержения вулканов и грозы следовали, видимо, непрерывно).

Кроме того, конечно, была энергия радиоактивности, и в начале, надо помнить, интенсивность ее была гораздо значительнее, чем теперь, так как за те миллиарды лет, что прошли с момента образования Земли, значительная часть первоначального запаса радиоактивных атомов распалась.

Наконец, был ультрафиолетовый свет Солнца. В наши дни лишь немногие ультрафиолетовые лучи, летящие от Солнца, достигают земной поверхности, потому что кислород атмосферы (его молекулы состоят из двух атомов) высоко над Землей превращается в озон (состоящий из молекул, имеющих по три атома кислорода). Озоновый слой, висящий на высоте около 25 км над Землей, непрозрачен для большинства ультрафиолетовых лучей, поэтому лишь небольшая их часть достигает земной поверхности.

Кислород, однако, не является одной из естественных, данных от века составляющих атмосферы. Он чересчур активен и легко соединяется со многими другими веществами. Поэтому кислород очень быстро должен исчезнуть из атмосферы. Единственная причина, по которой он не исчезает, — это зеленые растения, которые постоянно вырабатывают кислород, компенсируя его убыль. Растения, используя энергию солнечного света, соединяют в себе углекислый газ и воду, идущие на образование листвы и побегов, а кислород возникает и выливается в атмосферу как побочный продукт этого процесса.

На только что сотворенной, первозданной Земле, до того как появилась жизнь, зеленых растений не было, как и не было кислородообразующих процессов. Поэтому кислорода в атмосфере не было, а в ее верхних слоях не было озона. Это означало, что ультрафиолетовое излучение Солнца могло свободно проникать до самой поверхности Земли.

В 1952 г. американский химик Стэнли Миллер (р. 1930 г.) сделал следующий опыт. Он тщательно очистил и стерилизовал воду и добавил в нее «атмосферу» из водорода, аммиака и метана, копируя таким образом состав атмосферы-1. Смесь, которую Миллер пропускал через свою аппаратуру, подвергалась воздействию электрических разрядов, которые должны были имитировать эффект грозовых разрядов. Так продолжалось в течение недели. Когда затем он разделил компоненты своего водного раствора, он обнаружил вновь образованные простые органические соединения, в том числе несколько аминокислот, являющихся кирпичиками, из которых состоят белки — важнейшие компоненты живой ткани.

Другие повторили этот же эксперимент, но с ультрафиолетовыми лучами в качестве источника энергии, и получили во многом сходный результат. Брали и варианты атмосферы-2 и тоже получали органические сложные молекулы.

Американский биохимик шриланкийского происхождения Сирил Поннамперума (р. 1923 г.) был наиболее настойчив в проведении этих опытов. Он добился образования нуклеотидов из простых соединений (эти нуклеотиды служат строительным материалом для нуклеиновых кислот — другого важнейшего компонента живой ткани). Он получил также аденозинтрифосфат (АТФ), который в энергетическом отношении является ключевым веществом живой ткани.

Все соединения получены абиогенетически (т. е. без вмешательства жизни, за исключением, конечно, самого экспериментатора) из образцов тех материалов, которые могли составлять первичную атмосферу; эти соединения и были, очевидно, началом пути, приведшего к образованию живой ткани и жизни.

Американский химик Сидней Фокс (р. 1912 г.) шел в другом направлении: составляя смеси аминокислот и подвергая их нагреву, получал протеиноподобные вещества. Последние, будучи растворены в воде, образовывали крошечные шарики, обнаруживающие свойства, присущие живым клеткам.

Конечно, эксперименты эти никоим образом не приблизили нас к системе, которую можно было бы рассматривать как живую, пусть даже в самой простейшей форме. С другой стороны, в условиях лаборатории, когда работа велась на малых количествах веществ в ограниченных промежутках времени, эти результаты можно назвать поразительными; во всяком случае, это уже заметный, большой шаг в направлении к жизни.

Давайте вообразим себе целый океан простых соединений, которые подвергаются воздействию различных видов энергии в течение сотен миллионов лет! Тогда мы легко представим себе и поймем период химической эволюции, который кончился с появлением первых живых клеток 3,5 млрд. лет назад.

РАЗВИТИЕ ВИДОВ

Сколько же раз в течение времени возникала жизнь? Вышли ли синезеленые водоросли из одной тропы химической эволюции, а бактерии из другой? Вышел ли каждый вид синезеленой водоросли и бактерии из своей отдельной эволюционной тропы? Существовал ли еще какой-то, более сложный набор путей химической эволюции, каждый из которых кончался отдельным видом трилобита? Отдельным видом динозавра? Человеческим существом?

Это звучит крайне неправдоподобно. Если бы существовали миллионы разных, отдельно взятых троп химической эволюции, по одной для каждого типа животного, растения или микроорганизма, даже для тех, что возникли совсем недавно, то тогда существовали бы соединения, которые проходили свою химическую эволюцию прямо теперь, у нас на глазах. Однако ничего похожего не происходит.

И если еще можно понять химическую эволюцию, происходящую на планете с первозданной атмосферой при полнейшем отсутствии жизни, то предполагать ее развитие в атмосфере кислорода и в мире, изобилующем жизнью, было бы просто нелепо. Активный кислород вступил бы в немедленную реакцию со сложными соединениями, «беременными жизнью», и разрушил их. (Сегодня такие сложные соединения в живых организмах защищены от кислорода множеством хитроумных способов.) К тому же, если уж жизнь в самом деле возникла, любое соединение, развившееся до формы преджизни, стало бы пригодным в пищу для «более живых» существ и было бы тут же съедено.

Следовательно, есть все основания полагать, что жизнь зародилась единожды в первозданные времена или, возможно, зарождалась несколько раз, но такие попытки не увенчались успехом. Как только отдельная форма жизни зародилась, выжила и размножилась, это означало конец химической эволюции.

Если это так, то почему с момента зарождения и доныне на Земле существует не одна-единственная форма жизни? Как получилось, что было так много различных форм жизни в прошлом (судя по ископаемым) и так много в настоящем?

При изучении ископаемых можно заметить, что между различными формами жизни в большей или меньшей степени есть заметная связь. Древние формы организмов в отдельных своих признаках напоминают некоторые современные, и часто между этими двумя формами имеется ряд других, претерпевших изменения (наподобие моста они вели от древних форм организмов к современным). Тому существует и множество других доказательств, и биохимических и тех, что можно наблюдать непосредственно.

По мере того как родители, давая жизнь молодым, воспроизводят себе подобных, дети, став взрослыми, воспроизводят новое поколение. Постепенно виды изменяются. Одни из них вымирают. Другие постепенно превращаются в биоформы, настолько отличные от предыдущих, что становятся другими видами. Иные дают начало двум (а иногда и более) разным потомственным видам. В результате более двух миллионов живущих сегодня видов (включая человека — гомо сапиенс) являются потомками более ранних видов, которые, в свою очередь, были потомками еще более ранних видов, и так далее назад до простейших форм жизни, существовавших 3,5 млрд. лет назад, и через них к начальной форме упрочившейся жизни, вышедшей в итоге из еще более раннего периода химической эволюции. Это медленное развитие жизни от простейших первоначальных форм к огромному множеству видов, живых и вымерших, получило название биологической эволюции.

Прежним ученым было трудно принять идею биологической эволюции по двум мотивам.

Во-первых, религия Запада держалась буквально слов Библии, где говорилось, что не только Земля создана была всего несколько тысяч лет назад, но и что каждый вид был специально создан божественным промыслом, поэтому все виды существовали и отличались друг от друга с самого начала. Проповедовать биологическую эволюцию, считали ученые, означало бы подрывать устои веры, а ведь большинство ученых было искренне верующими и не хотело колебать эти устои. Тогдашние ученые, будь они даже безбожниками, предпочтя разумные рассуждения слепой вере, могли натолкнуться на гневную отповедь общества.

Во-вторых, даже если ученые были твердо уверены в эволюции, то они не могли объяснить, как она совершалась. Кошки приносят котят, у собак появляются щенки, у людей рождаются дети, но между поколениями, как ни смотри, не видно никаких признаков изменения, которые указывали бы на непрерывную эволюцию.

Первым ученым, подсказавшим механизм эволюции, был французский натуралист Жан Батист Ламарк (1744–1829). В 1809 г. он высказал идею, что всякий организм в процессе жизни больше использует одни части тела и недогружает другие. Те части тела, которые активно используются, развиваются, а недогруженные — сокращаются, атрофируются. И развитие, и атрофия передаются потомкам, которые могут продвинуть этот процесс, передавая результат новым потомкам, и т. д.

Так, например, антилопа должна постоянно тянуться вверх, чтобы достать листья повыше. В течение многих лет из-за постоянного вытягивания ее шея стала немного длиннее, удлинились и ее ноги. Эти более длинные ноги и шею наследовали ее дети, которые тоже все тянулись да тянулись… со временем, через много поколений, антилопа превратилась в жирафа. Разумеется, такое превращение проследить невозможно в течение одной человеческой жизни, может быть, для этого не хватило бы всей истории человека.

Однако идея эволюции путем наследования приобретенных характеристик была ошибкой.

Во-первых, приобретенные характеристики не наследовались, и это было подтверждено следующим экспериментом. В 80-х годах прошлого века немецкий биолог Август Вейсман (1834–1914) в серии опытов обрезал хвосты у 1592 новорожденных мышей на протяжении 22 поколений. Оказалось, что все они продолжали производить на свет мышей с нормальными хвостами.

Во-вторых, многие характеристики менялись, если они относились к частям тела животного, которым оно не находило сознательного применения. Например, эволюция подарила животным окраску тела, которая помогала им слиться с окружающим фоном и тем самым уберечься от врагов. (Непостижима, однако, способность хамелеона «сознательно» менять свой цвет и, следовательно, передавать потомкам более эффективный механизм.)

В 1859 г. английский натуралист Чарлз Роберт Дарвин (1809–1882), потратив четырнадцать лет на собирание доказательств, выдвинул свою теорию. Он высказал мысль, что в каждом поколении данный вид включает особи, несколько отличающиеся друг от друга по разным признакам (быстрее — медленнее, выше — ниже, сильнее-слабее, краснее — голубее и т. д.). Многие незначительные изменения происходят случайно, и индивидуумы, обладающие тем или иным измененным признаком, могут (в среднем) успешнее бороться за выживание.

Те, кто выживет, передадут свои особенности потомкам, среди которых опять будут особи (в среднем) более сильные или слабые, быстрые или медленные, высокие или низкие, более красные или более голубые и т. д. Лучшие из приспособившихся выживут и оставят потомство. Таким образом, данный вид со временем становился гораздо медленнее или быстрее, выше или ниже, слабее или сильнее, краснее или голубее. В разных местах и обстоятельствах получают преобладание разные особи, так что вид обнаруживает два (или более) устойчивых отклонения, которые в конце концов превращаются в два (или более) разных самостоятельных вида.

В некоторых случаях не преобладает ни одна из особей, так как ни одна из них не приспособлена к жизни так хорошо, как приспособлен какой-то другой вид в целом, и тогда первый вид вымирает.

Природа, в некотором смысле, выбирает отклонения, которые получаются случайно; это и есть биологическая эволюция путем естественного отбора. Возобладала именно эта точка зрения на эволюцию. За столетие с четвертью, что прошли после смерти Дарвина, в его теорию внесено много новшеств и улучшений, но до сих пор продолжаются споры вокруг той или иной ее детали. Хотя биологи и спорят о деталях механизма эволюции, тем не менее среди них нет никого, кто бы оспаривал сам факт эволюции. (Например, группа людей может рассуждать о том, как работают часы, но никому не придет в голову оспаривать тот факт, что они показывают время.)

ГЕНЕТИКА

Одним из пунктов, оставшимся у Дарвина неясным, был вопрос о том, как естественные изменения особей одного вида могут быть связаны с эволюционным развитием. Положим, что некоторые особи вида в самом деле чуть быстрее, чем другие, и эта скорость является ценным качеством, способствующим лучшему выживанию. Но разве не могли эти более быстрые особи спариться с медлительными (организм не всегда проверяет свою пару на соответствие) и вывести малышей, унаследовавших какую-то промежуточную скорость? Вообще, скрещивание между собой организмов (оно, кажется, происходит достаточно бессистемно) не сглаживает ли, не выравнивает ли все крайности качеств и не порождает ли широкую серую середину, не оставляя ничего, за что мог бы ухватиться естественный отбор?

Оказывается, это не так. В 1865 г. австрийский ботаник Грегор Иоганн Мендель (1822–1884) провел скрещивание гороха и наблюдал, как в этой связи изменились характеристики растений. В частности, он скрестил горох с длинными стеблями с горохом, имеющим короткие стебли, и обнаружил, что все растения, полученные в результате, имеют длинные стебли. Стеблей средней длины между ними не было.

Когда он скрестил между собой эти гибриды, оказалось, что в новом поколении одни растения имеют длинные стебли, другие — короткие, в отношении 3: 1.

Мендель предположил, что каждое растение имеет два фактора, управляющие длиной стеблей. Растения с длинными стеблями имеют два фактора, способствующие удлинению стебля, и такие растения могут быть отнесены к группе LL. Растения с короткими стеблями имеют похожие, но не идентичные факторы, вызывающие укорочение стебля, и мы отметим их маленькими буквами ll.

При скрещивании длинностеблевых с короткостеблевыми каждое растение вносит один фактор в каждый отпрыск, причем этот фактор выбирается наугад. Какой бы фактор растение LL ни вносило, этим фактором обязательно должен быть L. Фактор, вносимый растением ll, должен быть l. Вся молодая поросль должна иметь один из этих факторов и стать Ll или lL. В этом случае фактор L является «доминантой» и признак, который она контролирует, обнаруживается. Все растения и имеют поэтому длинные стебли, как если бы все они принадлежали к одной группе.

Однако фактор не исчез, и его влияние продолжает проявляться. Если растения Ll и lL скрещивают между собой, то каждое наугад передает L одной половине молодых, а l — другой половине. Появляются поэтому четыре типа отпрысков: LL, Ll, lL и ll. Из них первые три имеют длинные стебли, последний — короткие, и вот опять наша пропорция 3: 1.

Мендель показал, что и другие наборы признаков работают таким же образом. Он аккуратно вывел это в своих схемах, которые мы знаем теперь как законы наследственности Менделя. Они говорят о том, что крайние признаки (экстремумы) не пропадают при беспорядочном скрещивании, но стремятся выжить и проявляются вновь и вновь в дальнейших поколениях.

К несчастью, Мендель как ботаник был малоизвестен, к тому же его работы опередили время. Несмотря на опубликованные им эксперименты и выводы, их игнорировали до 1900 г., когда три других ботаника независимо друг от друга вывели те же законы. Они-то и обнаружили, что Мендель опередил их на целое поколение, и каждый из них, тоже независимо, отдал ему должное.

Итак, наиболее уязвимое место в теории Дарвина — предполагаемая тенденция к сглаживанию крайних признаков — было защищено.

И все же, в чем заключается биологическая и химическая природа факторов с точки зрения законов Менделя?

В 1882 г. немецкий анатом Вальтер Флемминг (1843–1905) сообщил о своих исследованиях в области клетки. Он разработал технику воздействия на клетку некоторыми из новых искусственных красителей, недавно полученных химиками. Отдельные краски легко смешивались с одними элементами клетки, но совершенно не реагировали с другими. Одна из красок активнее других окрашивала часть материала внутри ядра. Флемминг назвал этот материал хроматином (от греч. chroma — цвет).

Было известно, что при делении клетки существенным элементом является ее ядро; клетка, из которой удалено ядро, не делится. Флемминг окрасил срез ткани с активно делящимися в ней клетками, и хроматин в каждой из них приобрел окраску. Это окрашивание убило клетки, однако каждая клетка застыла на определенной стадии деления, и в результате получилась как бы серия фотографических стоп-кадров хроматина на разных стадиях процесса. Когда они были поставлены в определенную последовательность, Флемминг получил представление о последовательности событий в этом процессе.

Судя по всему, в ходе деления клетки хроматин собирался в группу маленьких усеченных палочек, соединенных в пары, так что имелось по две от каждого сорта палочек. Эти палочки Флемминг назвал хромосомами (от хромо и греч. soma — окрашенное тело). Хромосомы располагались вдоль центральной оси клетки и раздваивались, и каждая хромосома порождала другую — точную свою копию. И теперь на месте одной хромосомы было уже две пары, т. е. целых четыре.

Затем хромосомы делились так: две из четырех хромосом каждой группы двигались в один конец клетки, а две другие — в другой конец. После этого клетка вытягивалась, делилась на две новые, и каждая из них имела полный набор хромосом, собранных в пары.

В 1887 г. бельгийский биолог Эдуард Джозеф ван Бенеден (1846–1910) сделал еще один шаг в изучении хромосом. Он показал, что отдельные виды имеют определенное число хромосом в клетке. Например, в каждой целой человеческой клетке, как мы теперь знаем, имеется сорок шесть хромосом, собранных в двадцать три пары. В яйцеклетке или сперматозоиде имеется лишь половина набора хромосом, по одной от каждой пары, т. е. яйцеклетка и сперматозоид человека имеют по двадцать три хромосомы.

Когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, оплодотворенная яйцеклетка во второй раз получает полный комплект хромосом — по одной от каждой пары отцовских и от каждой пары материнских, т. е. оплодотворенная яйцеклетка человека имеет двадцать три пары хромосом.

В 1902 г., вскоре после того, как были открыты забытые работы Менделя, американский биолог Вальтер Стэнбероу Саттон (1877–1916) показал, что хромосомы ведут себя точно так же, как факторы Менделя, и, по существу, ими и являются. Наследственностью управляют хромосомы.

Конечно, если каждую хромосому рассматривать как несущую в себе только один какой-либо признак, то для объяснения всех унаследованных признаков хромосом просто не хватит.

Поэтому каждую хромосому следует рассматривать в виде цепочки, состоящей из множества молекул, каждая из которых управляет какой-то одной характеристикой. В 1909 г. датский биолог Вильгельм Людвиг Иохансен (1857–1927) предложил эти молекулы называть генами (от греч. genos — дающий рождение). Наука, изучающая гены, стала называться генетикой.

ГЛАВА 10

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И МУТАЦИИ

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Что такое гены? К какому роду молекул они относятся? Первая попытка ответить на этот вопрос была сделана в 1869 г., когда вряд ли кто-либо (возможно, кроме Менделя) знал о существовании генов. Швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер (1844–1895) обнаружил в клетках некое вещество, содержащее атомы азота и фосфора. Это вещество, позднее названное нуклеиновой кислотой, по-видимому, помещалось в ядре клетки.

В действительности оказалось, что существует две разновидности нуклеиновой кислоты. Одна из них — рибонуклеиновая кислота (РНК), другая — диоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК в основном заключалась в ядрах и фактически присутствовала в хромосомах. РНК обнаруживали обычно в части клетки, находящейся вне ее ядра.

Сначала на нуклеиновую кислоту не обратили серьезного внимания. Считалось, что это — очень простое соединение, настолько простое и незначительное, что может иметь лишь самые примитивные функции. Главенствующими для живых тканей молекулами, по убеждению ученых, были белки, существующие в бесчисленных вариантах, некоторые из них — гигантские молекулы, состоящие из тысяч атомов.

Белки (или протеины) строятся из аминокислот, и существует двадцать разновидностей аминокислот, которые могут сочетаться друг с другом самым прихотливым образом. Представьте себе сотни аминокислот, перемешанных друг с другом, и каждая из них имеет от одной до тридцати разновидностей! Каждый новый порядок, в котором выстроятся аминокислоты, будет отдельной белковой молекулой со своими особыми свойствами. Математическое число различных комбинаций, в которые могут соединяться аминокислоты, столь огромно, что число возможно существующих различных белковых молекул будет больше, чем атомов во Вселенной, даже если всю Вселенную набить ими до отказа. Если жизнь бесконечно изменчива и сложна, то этим мы обязаны, как оказалось, бесконечному разнообразию белковых молекул.

В противоположность белковым — молекула нуклеиновой кислоты строится из элементов, называемых нуклеотидами. В каждой молекуле нуклеиновой кислоты лишь четыре разновидности, и долгое время считали, что молекула нуклеиновой кислоты состоит всего из четырех нуклеотидов, по одному из каждой разновидности.

Вплотную, начиная с 1879 г., нуклеиновыми кислотами начал заниматься немецкий биохимик Альбрехт Коссел (1853–1927). Он сделал много открытий в области химического строения нуклеотидов, в частности обнаружил, что клетки спермы особенно богаты нуклеиновой кислотой (точнее, ДНК, как теперь известно), а присутствующий в них белок значительно проще большинства протеинов.

Поскольку клетки спермы несут в себе все характеристики, наследуемые от отца, т. е. не что иное, как туго стянутые узлы хромосом, их состав должен иметь особое значение. С другой стороны, поскольку они перегружены ДНК и довольно бедны белками, естественно предположить (оглядываясь теперь назад), что именно ДНК, а не протеин играет ключевую роль в наследственности. Однако укоренившаяся вера в значительность белков не позволила Косселу (да и любому ученому того времени) сделать такое заключение.

В 1937 г. английский ботаник Фредерик Боуден (р. 1908) обнаружил, что вирус, этот образчик мельчайшей формы жизни, наряду с белком содержит и нуклеиновую кислоту. Вирусы — это живые организмы, состоящие из единственной молекулы нуклеиновой кислоты, завернутой в белковую оболочку.

Все вирусные молекулы, по-видимому, содержат нуклеиновую кислоту: одни — ДНК, другие — РНК. (Есть еще очень маленькие вирусы, похожие на молекулы, называемые прионами, природа которых еще не известна.)

Молекулы вируса малы и просты (они гораздо меньше, чем клетки, почти как отдельные независимые хромосомы). Попавший внутрь клетки вирус способен размножаться. Присутствие в нем нуклеиновой кислоты должно бы насторожить. Но биологи, уверенные, что главное слово за белками, считали, что именно белковая часть вируса является главным рабочим элементом, а нуклеиновые кислоты несут лишь дополнительную функцию.

Поворотной точкой стал 1944 г. В тот год канадско-американский врач Освальд Эвери (1877–1955) исследовал две разновидности бактерий, вызывавших пневмонию. У одной вокруг клетки был гладкий покров, и она получила поэтому название S (от англ. smooth — гладкий. — Примеч. пер.). Другая, имевшая шершавую поверхность, получила название R (от англ. rough — грубый, шероховатый. — Примеч. пер.).

По-видимому, бактерии R не хватило одного гена, который позволил бы ей облачиться в гладкий покров. Если бактерию S убить и растереть, то из фрагментов мертвой клетки можно получить некий экстракт, который, будучи перенесенным в бактерию R, побудил бы ее клетки к образованию собственной гладкой оболочки. Иначе говоря, экстракт, взятый от бактерии S, должен был восполнить ген, отсутствующий в бактерии R.

Эвери с двумя сотрудниками тщательно произвели очистку экстракта и удалили все лишнее, кроме того, что вызывает у клетки способность образовать новую оболочку. По окончании работы они обнаружили, что экстракт совсем не имел белка, но зато содержал нуклеиновую кислоту. Значит, геном была нуклеиновая кислота, а не белок.

К этому времени уже стало ясно, что нуклеиновые кислоты, как и белки, это гигантские цепные молекулы, построенные из сотен или даже тысяч нуклеотидов, размещенных вдоль цепи самым прихотливым образом. Химики заблуждались относительно простоты этих молекул, поскольку их извлекали из клеток слишком неосторожно и они разрушались. Более осторожная процедура дала нетронутую, сохранную молекулу, и она оказалась гигантской.

После этого ученые наконец-то стали уважительно относиться к нуклеиновым кислотам, и в особенности к молекуле ДНК.

В 1953 г. двое ученых, англичанин Фрэнсис Крик (р. 1916) и американец Джеймс Уотсон (р. 1928), описали структуру ДНК. Они показали, что эти молекулы состоят из двух цепочек нуклеотидов, расположенных в виде двойного винта (т. е. каждая цепочка имеет вид спиральной лестницы; это две уходящие вверх спирали, параллельные друг другу).

Обе эти сплетенные цепочки удерживаются химическими связями между их атомами, и каждая является как бы обратным отражением другой. Там, где одна выступает наружу, другая прогибается вовнутрь, и наоборот, так что они плотно прилажены друг к другу.

В этом заключается ответ на вопрос, как молекула ДНК копирует, повторяет саму себя (репликация), когда хромосомы в процессе деления клетки собираются образовать новую комбинацию. Обе нуклеотидные цепочки расходятся в стороны наподобие открывающейся «молнии», и каждая служит своего рода основой (формой), вокруг которой образуется новая цепочка. Новая цепочка выступает там, где эта основа прогибается вовнутрь, и наоборот. Если обозначить эти цепочки буквами А и В, то А служит в качестве основы, на которой образуется новая В, а В служит основой, на которой разовьется новая А. Новые цепочки образуются по мере того, как раскрывается старая, так что, когда старая цепочка полностью разошлась, в результате являются две новые, и каждая из них так же аккуратно и плотно застегнута на «молнию», как и старая цепочка.

Начиная с 1953 г. ученые стремились понять, как молекула ДНК управляет клеткой. Хотя молекула состоит только из четырех различных нуклеотидов, они не единственные, являющиеся ключом к такому управлению. Молекула ДНК работает посредством последовательных групп из трех нуклеотидов (тринуклеотиды). Каждый тринуклеотид может иметь любую из четырех разновидностей нуклеотидов в первой позиции, любую из них во второй и любую из них в третьей. Таким образом, число различных тринуклеотидов равно 4X4X4, т. е. 64.

Каждый тринуклеотид соответствует отдельной аминокислоте. (Существует больше различных тринуклеотидов, чем аминокислот, поэтому одной и той же аминокислоте могут соответствовать два-три тринуклеотида.) Особый отрезок длинной цепочки ДНК в хромосоме (отрезок, являющийся собственно геном) может регулировать продукцию аминокислотной цепочки, соответствующей цепочке тринуклеотидов, строящей свою собственную структуру.

Белок, образующийся таким путем, — это фермент, обладающий способностью регулировать скорость протекания определенной химической реакции в клетке. Все гены в хромосомах регулируют образование всех ферментов в клетке. Природа ферментов и относительное количество каждого из них помогают клетке выполнять ее характерные функции, и, если все клетки собрать вместе, перед нами — человек (или другое существо, в зависимости от природы генов).

Поскольку гены передаются от родителей потомству, то последнее представляет собой тот же вид и имеет те же физические характеристики, что и родители. Поэтому собаки рождают собак, в том числе и от гончих рождаются гончие, и отдельная пара гончих будет иметь детей с отметинами и другими характерными чертами родителей.

ИЗМЕНЕНИЯ В ГЕНАХ

Теперь возникает один вопрос. Если молекулы ДНК в точности копируют себя и передаются от родителей детям, то почему каждый последующий организм не обязательно имеет тот же набор генов и, следовательно, точно те же физические характеристики?

Почему и как развиваются различные виды? Как получается, что у отдельных видов, скажем у гончих собак, имеются различия между особями и даже в пределах одной особи? Почему вы, например, выглядите не так, как ваш брат или ваша сестра?

Ответ один — репродукция ДНК отнюдь не совершенна. Когда длинная нуклеотидная цепочка воспроизводит себе подобную из отдельных нуклеотидов, растворенных в плазме клетки, время от времени в их комбинации попадает не тот нуклеотид, и пока ошибка сможет быть исправлена, цепочка растет на обе стороны и ошибочный нуклеотид успевает закрепиться. Таким образом, цепь А произвела слегка несоответствующую цепь B* (звездочка указывает на присутствие в цепи неверного нуклеотида), при следующей репликации цепь В * произведет новую, себе подобную цепь, цепь А*, и после этого ошибочная молекула ДНК станет принадлежностью отдельных членов данного вида.

Даже небольшое отклонение в молекуле ДНК может изменить, часто весьма значительно, свойства организма. Поэтому дети не являются копией своих родителей. Иногда потомки приобретают черты, которых даже нет у родителей; эти черты могут быть прослежены только у более отдаленных предков. А порой потомки имеют такие характеристики, что доподлинно известно — никто из предков не имел их.

Фермеры, выращивающие домашний скот, знают, что иногда животные рождаются с совершенно непонятной окраской, или с необычно короткими ногами, или с двумя головами — словом, обнаруживают самые необычные, новые свойства. Такие экземпляры называют шуткой природы, и ученые мало обращали на них внимания.

Но вот в 1886 г. голландский ботаник Уго де Вриес (1848–1935), ставший позднее одним из трех ученых, вновь открывших законы Менделя, заметил пучок цветов одного вида, родившихся из семян одного цветка, которые сильно различались между собой. Он вырастил эти растения и обнаружил, что время от времени отпрыски в отдельных существенных деталях совсем не походили на родителей. Уго назвал эти внезапные изменения мутациями (от лат. mutatio — изменение).

Как только механизм репликации был осознан, сама собой пришла мысль, что мутации — это несовершенства процесса репликации.

Но отчего бы тут возникнуть несовершенствам?

Что ж, ничто не может работать идеально все время. Когда складывается новая нуклеотидная цепочка, всегда может случиться, что в результате хаотических столкновений молекул «не те» нуклеотиды окажутся в нужных местах цепи, служащей основой. «Ошибочные» нуклеотиды отнюдь не всегда прилипают, а потом отскакивают от цепи: время от времени, чисто случайно, «ошибочный» задерживается так долго, что оказывается завязанным в цепочке.

В качестве примера вообразите большую группу людей, собравшихся на встречу, и каждый вешает свое пальто в раздевалке сам, без служителя. По окончании встречи все толпятся в гардеробной, чтобы взять свое пальто. Каждый хочет найти свою одежду и примерно знает, где он ее оставил. Казалось бы, каждый гость должен вынырнуть со своим пальто, однако в итоге кто-то непременно появится с чужим, выхваченным совершенно случайно.

Мутация работает на том же принципе. Хотя мутации очень редки, но на фоне стольких тысяч генов и стольких миллиардов делений клеток происходит столько репликаций, что общее число мутаций весьма велико. Вероятно, каждый организм уже рождается с несколькими мутациями. Они вызывают отклонения в каждом поколении данного вида (впрочем, отклонения вызываются и изменениями в окружающей среде, количеством и качеством пищи в раннем возрасте, наличием или отсутствием болезни или физических повреждений и т. д.), и вот эти-то отклонения и являются тем полем деятельности, тем оперативным простором, где проявляет себя естественный отбор, закрепляя эволюционные изменения.

Большинство отклонений, случающихся, как правило, бессистемно, наугад, не идут на пользу организму. Так, если вы взяли в гардеробной не свое пальто, а чужое, вы очень быстро почувствуете, что оно вам не впору или вам не нравится его покрой. Такая «мутация» явно не в пользу, и вы сделаете все возможное, чтобы заполучить свое пальто.

Однако вполне возможно, что чужое пальто вам понравится больше. И хотя вы отдадите его законному владельцу, про себя вы решите сделать себе точно такое же. С этой минуты вы усвоили «мутацию», и она становится вашей органической частью.

Точно так же мутация, случающаяся при несовершенном репродуцировании молекулы ДНК, может стать в каком-то отношении благоприятной. Например, поможет организму лучше приспособиться к жизни и произвести больше потомков; почти все они могут унаследовать это родительское изменение.

Хотя на одно хорошее изменение приходится 10 000 плохих, все-таки выживает у большинства видов именно хорошее, а плохие изменения с течением времени отмирают. В результате эволюционные изменения всегда работают так, чтобы сделать виды более совершенными и приспособленными к жизни.

Мы не обращаем внимания на те изменения, которые не работают или от которых надо отделаться. Мы замечаем только очень немногие полезные изменения. Вот почему так трудно поверить, что эволюционные изменения происходят исключительно вслепую. Если бы мы могли видеть все изменения — и хорошие, и плохие, то стало бы совершенно очевидно, что все работает на произвольной, случайной, непредсказуемой основе и только сила естественного отбора, выбирающего одно изменение из многих и отбрасывающего остальные, создает иллюзию цели и направления.

Словом, именно процесс мутации — несовершенство воспроизводства ДНК — вел эволюцию вперед и сделал возможным появление человека. Если бы не мутация, если бы воспроизводство ДНК было абсолютно безупречным, то, однажды зародившись, первая простейшая частица жизни воспроизвела бы другую, точную свою копию, на этом бы все и кончилось. Все организмы, которые существуют сегодня, были бы повторением (копией) той самой первой простейшей формы.

Однако, по счастливой случайности, мутация происходит недостаточно часто, чтобы ею можно было объяснить скорость, с которой протекала эволюция. Наивно полагать, что эволюция — слишком быстрый процесс, нужен миллион лет и больше, чтобы из одного вида развился другой. Но все-таки эволюция идет быстрее, так как зависит не только от случайных мутаций.

Поскольку мутации происходят чаще, чем могла бы позволить простая случайность, на Земле должны иметь место какие-то факторы, которые способствуют повышению их частоты.

Это можно понять из нашей аналогии с пальто в гардеробной. Допустим, оттуда выходит слишком большое число людей с ошибочно взятыми пальто. Конечно, тут должны действовать какие-то факторы, повышающие число ошибок. Во-первых, в гардеробной могла погаснуть одна из ламп: в полутьме не так просто найти свою вещь среди множества подобных, поэтому ошибки будут чаще. Или, например, люди слишком часто прикладывались к рюмке: затуманенный взор, нетвердое суждение — число ошибок, понятно, возрастает. Третья возможность может быть в стрессовой ситуации. Люди столпились в раздевалке, но тут раздается крик: «Автобус уходит!» Каждый в спешке хватает что придется, и число ошибок опять-таки подскочит.

МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Обстоятельство, которое могло бы повысить частоту мутаций, можно назвать «мутагенным фактором» или, более коротко, мутагеном. Каковы же эти мутагенные факторы, способные увеличить число мутаций и тем самым произвести изменение с поддающейся наблюдению скоростью?

Один из таких факторов — это повышение температуры. Чем выше температура, тем быстрее снуют атомы и молекулы и тем меньше шансов, что из роя мечущихся частиц к нуклеотидной цепочке прибьется одна, единственно нужная. Количество мутаций, следовательно, возрастет с повышением температуры.

Но жизнь развилась в океане и оставалась в океане до момента, отделенного от нас четырьмя миллиардами лет. Другими словами, девять десятых своего существования на Земле жизнь находилась только в океане. Океаническая среда гораздо более стабильна, чем суша. Температура океана не испытывает больших сезонных колебаний или колебаний от года к году, которые бывают на суше. Поэтому на протяжении почти всей истории жизни влияние температуры на мутации было невелико и не может рассматриваться как что-то, обеспечившее возможность эволюции с наблюдаемой скоростью.

В роли мутагенов могут выступать и химические вещества. Они стремятся соединиться с ДНК и своим присутствием в момент репликации вызывают аномалии. Бывает, что они реагируют с ДНК так, что хотя и не соединяются с ней, но изменяют порядок атомов, составляющих эту молекулу. Молекула ДНК с неправильным расположением атомов явится неправильной основой при репликации, и в результате возникнет мутация.

Однако организмы, легко поддающиеся воздействию таких химических веществ, настолько бывают подавлены мутациями (в большинстве своем работающими в худшую сторону), что быстро вымирают. Силой естественного отбора остаются те из них, которые способны противостоять химическим мутагенам, поэтому роль последних как ускорителей эволюции нам не следует слишком преувеличивать.

В настоящее время мутагены стали, конечно, серьезной проблемой. Химики произвели на свет тысячи новых соединений, которых нет в природе и которые в больших дозах попали теперь в среду обитания. Некоторые из них — мутагены, но организмы не имели случая сталкиваться с ними прежде, поэтому они не развили в себе с помощью естественного отбора должной сопротивляемости. В результате многие организмы (в том числе человек) испытывают на себе их пагубное влияние.

При некоторых мутациях, например, нормальные клетки организма превращаются в клетки рака благодаря продуцированию так называемого онкогена (от греч. onkos — рост, именно рост, вызываемый раком). Мутагены, провоцирующие такое изменение, называются канцерогенами (от греческого слова «краб»), ввиду того что рак часто распространяется во все стороны, как клешни краба.

И все же на протяжении миллиардов лет жизни, протекших до нашего столетия — столетия химической революции, мутагены не представляли собой большой проблемы, и им нельзя было приписать ускорение эволюционных изменений.

Мутагенный фактор, гораздо более сильный, чем тепло и химические вещества, впервые был открыт американским биологом Германом Меллером (1890–1967). Он работал с дрозофилами (плодовыми мушками) для изучения наследования случайных мутаций. Ожидание случайных мутаций было слишком утомительно и, конечно же, требовало массы времени, поэтому Меллер искал способы, ускоряющие их.

Он повысил температуру, при которой обитали колонии его дрозофил, и скорость мутаций повысилась, но не так сильно, как ему хотелось бы.

Тогда он решил попытать счастья с рентгеновскими лучами. Они обладают более высокой энергией, чем простое тепло, к тому же пройдут муху насквозь. Если, проходя через тело дрозофилы, рассуждал Меллер, этот луч столкнется с хромосомой, в нем будет достаточно энергии, чтобы здесь и там выбить у нее отдельные атомы. Это неминуемо вызовет химическое изменение, другими словами — мутацию. Меллер не знал, какова химическая природа генов (об этом узнали 30 лет спустя), но, какой бы ни была эта природа, он был уверен, что рентген вызовет изменения.

Он оказался прав. Уже к 1926 г. он мог недвусмысленно доказать, что воздействие рентгеновских лучей повышает темп мутаций. Другие начали исследовать этот новый эффект, и обнаружилось, что темп мутаций повышается при любом излучении высокой энергии. Его повышают ультрафиолетовые лучи, излучение радиоактивных веществ.

И все же как высокоэнергетическая радиация может сказаться на темпе мутаций, заставляющем эволюцию двигаться с той скоростью, с которой она двигается?

Рентгеновские лучи явились продуктом человеческой технологии последнего столетия, до этого об их существовании почти не знали ничего. Правда, солнечная корона излучает рентгеновские лучи, как излучают их другие небесные объекты, но они поглощаются нашей атмосферой и до поверхности Земли почти не доходят.