Чтение онлайн

Ранее мы рассматривали различные химические и биохимические требования для жизни, но мы забыли упомянуть еще один фактор, жизненно важный для жизни: энергию. Все живые организмы нуждаются в поступлении энергии для выполнения различных процессов, поддерживающих жизнь организма. Организмы используют различные методы получения энергии, но прежде чем они смогут использовать энергию, ее необходимо преобразовать в форму, с которой они могут справиться. Вся жизнь на Земле использует одно и то же топливо: молекулу аденозинтрифосфата (АТФ). Жизнь требует огромного количества энергии. Среднее человеческое тело содержит около 250 г АТФ, но наша ненасытная потребность в энергии означает, что мы постоянно перерабатываем эту молекулу; каждый из нас ежедневно перерабатывает эквивалент своего веса в АТФ. Но как клетки могут производить это топливо? Что ж, в 1961 году британский биохимик Питер Митчелл[371] предложил, что клетки питаются разностью электрических потенциалов, которая может существовать между двумя сторонами мембраны; разность потенциалов возникает из-за того, что определенные белки действуют как «протонные насосы», создающие разные концентрации протонов по обе стороны мембраны. Предложение Митчелла в конечном итоге оказалось верным: клетка подобна крошечной батарейке. Разница в концентрации протонов может создавать разность потенциалов 150 мВ через мембрану, и, поскольку это происходит на расстоянии всего 5 нм, напряженность поля составляет около 30 миллионов вольт на метр. Как будто в живых клетках работают молнии. Этот электрический потенциал используется клетками для производства топлива АТФ.

Универсальность этого механизма концентрации протонов в живых клетках предполагает, что он возник рано; детали того, как он возник, остаются неясными, но пока нет оснований полагать, что это было связано с каким-то чудесным событием. Однако мы знаем, что не было постепенного перехода от простой к сложной жизни: как обсуждалось выше, прошло много времени, прежде чем возникла эукариотическая клетка — событие, которое, по-видимому, произошло только один раз в истории нашей планеты (хотя возможно, что первое возникновение исключает последующие). Кроме того, нет никаких доказательств существования промежуточных клеток, которые существовали бы, если бы простые прокариотические клетки постепенно эволюционировали в сложные эукариотические клетки. Вместо этого мы видим великое разделение в жизни на Земле. С одной стороны разделения находятся прокариоты: малые по объему клетки и малые по размеру генома. С другой стороны разделения находятся эукариоты: в тысячи раз больше как по размеру, так и по геному.

Так почему же прокариоты остались маленькими и простыми? Биохимики Ник Лейн и Уильям Мартин исследовали этот вопрос с точки зрения энергетических потребностей клеток разного размера.[372] Они обнаружили, что если клетки питаются градиентом через свои мембраны, то с точки зрения энергии клетке чрезвычайно выгодно оставаться маленькой. Предположим, вы могли бы взять типичного прокариота и раздуть его до размера типичного эукариота: каждый ген в теперь уже гигантском прокариоте имел бы в десятки тысяч раз меньше доступной энергии, чем каждый ген в эукариоте. Гигантский прокариот не мог бы функционировать, потому что гены нуждаются в энергии — большом количестве энергии — для производства белков (а именно белки выполняют различные функции жизни). Тот факт, что некоторые действительно гигантские бактерии существуют, только подтверждает эту точку зрения: все эти гигантские бактерии имеют тысячи копий своих полных геномов, поэтому каждая копия гена имеет примерно столько же доступной энергии, сколько и у бактерий нормального размера. Почему это так? Что ж, проблема для клеток заключается в огромной разности потенциалов, существующей через их мембраны. Потенциал позволяет клетке выполнять полезную работу, но если потенциал выйдет из-под контроля, он может убить клетку — как будто клетку ударила молния. Похоже, что геномы управляют мембранным потенциалом, направляя производство белков; геномы, расположенные вблизи мембраны, реагируют соответствующим образом, если потенциал выглядит так, будто выходит из-под контроля. В этом, таким образом, и заключается затруднительное положение простых клеток, питающихся мембранным потенциалом. Чтобы стать больше и приобрести больше генов и, следовательно, большую сложность, требуется генерация большего количества энергии; больше энергии может поступать только за счет увеличения площади мембраны; но для контроля большей мембраны требуются дополнительные копии генома. Энергия, доступная каждой копии гена, остается примерно одинаковой. Ничего не выигрывается. Бактерии прекрасно работают при небольшом размере, но существует энергетический барьер, который мешает им стать больше. Если мы когда-нибудь обнаружим внеземную жизнь и обнаружим, что она питается простым мембранным потенциалом, то шансы кажутся высокими, что жизнь будет состоять из малых, простых форм: эти клетки не смогут развить сложность, которая позволяет существовать животным и, в конечном итоге, разуму.

Эукариоты не имеют такого же ограничения. Почему нет? Что ж, у них есть митохондрии — маленькие структуры, функция которых теперь заключается в том, чтобы действовать как генераторы энергии; митохондрии содержат мембрану, производящую АТФ, и геном для контроля потенциала через мембрану. Поскольку их энергетические потребности удовлетворяются митохондриями, остальная часть эукариотической клетки свободна для роста сложности. Так обстоят дела сейчас, но так было не всегда на протяжении большей части истории Земли. Клетки были маленькими. Однако в один роковой день в далеком прошлом одна простая клетка поглотила другую простую клетку (или одна клетка заразила другую). Однако вместо того, чтобы одна из клеток умерла, им каким-то образом удалось сосуществовать и иметь потомство. Меньшая клетка становилась все меньше и стала митохондриями, которые мы видим сегодня; это позволило клетке-хозяину накапливать все больше ДНК. Родилась эукариотическая клетка. Но рождение эукариотической клетки, похоже, было случайностью, причудливым событием, которое произошло здесь, на Земле, один раз. Нет никакой гарантии, что это произойдет где-либо еще.

Может ли быть так, что только Земля пережила правильную последовательность биологических и экологических событий, которые делают возможной эволюцию животной жизни? Кажется, по крайней мере, правдоподобным разрешением парадокса Ферми то, что жизнь в других местах Галактики застряла на одноклеточной стадии. Возможно, однажды мы посетим далекие планеты и повсюду обнаружим океаны, кишащие странными микроскопическими организмами — много жизни, но не той жизни, с которой мы можем общаться.

Решение 68: Виды, создающие инструменты, редки

Человек — животное, изготавливающее орудия труда. Бенджамин Франклин (приписывается Джеймсом Босуэллом, «Жизнь Джонсона»)

Предположим, что как только эукариотическая клетка развилась, сложная животная жизнь в конечном итоге появится. Следует ли из этого, что разовьется вид животных, способный построить радиотелескоп?

Люди давно стремились определить одну определяющую характеристику человечества — один атрибут, отличающий Homo sapiens от других видов. Черта, часто предлагаемая на эту роль, — использование и изготовление орудий труда. «Человек-умелец» — мощный образ. Если изготовление орудий труда уникально для людей, если среди миллиардов видов, когда-либо живших на Земле, только H. sapiens овладел тонкостями орудий труда, то у нас может быть разрешение парадокса Ферми: возможно, использование и изготовление орудий труда редки где-либо в Галактике. Без инструментов для строительства космических кораблей или маяков, предположительно, биологическому виду невозможно заявить о своем присутствии в глубинах космоса.

С этим предположением связана серьезная трудность: многие виды используют орудия труда, а некоторые виды их изготавливают.[373]

Например, несколько видов птиц используют веточки, чтобы выковыривать личинок из коры деревьев. Морские выдры кладут на грудь камни-наковальни и используют их, чтобы разбивать панцири крабов. Осы используют маленькие камешки, чтобы замаскировать входы в норы, где они отложили яйца. Египетские стервятники подбирают камни когтями и бросают их на страусиные гнезда, чтобы разбить яйца. Список использования орудий труда животными длинный.

Конечно, можно усомниться, являются ли эти примеры истинным использованием орудий труда. Все эти виды поведения животных крайне стереотипны; это специфические, повторяющиеся реакции на определенные проблемы. Измените характер проблемы, и эти существа растеряются. Нигде эти животные не проявляют проницательности. Эти сложные проявления — разумный результат безмозглой эволюции.

Если нам нужны более изощренные примеры использования орудий труда, то мы вынуждены обратиться к приматам. На этом этапе H. sapiens начинает казаться несколько особенным, поскольку даже среди приматов относительно немного «настоящих» примеров использования орудий труда. Помимо человекообразных обезьян, к которым мы вернемся чуть позже, единственным приматом, который спонтанно использует орудия труда в дикой природе, является капуцин (тип обезьян, которых использовали шарманщики). Полевые исследователи наблюдали, как капуцины используют камни и палки для различных целей; среди прочего, обезьяны используют их для добычи пищи и отпугивания хищников. В лабораторных условиях капуцины учатся использовать палки для добычи орехов из различных экспериментальных установок. Однако кажется, что у капуцинов нет реального понимания принципов использования орудий труда, ни понимания того, почему та или иная техника может сработать или потерпеть неудачу. Наблюдая за ними, становится ясно, что они занимаются методом проб и ошибок, тыкая и ковыряя.

Рис. 5.25 Это зазубренное каменное лезвие, изготовленное неизвестным человеком много тысячелетий назад, имеет длину около 9 см. Это простой инструмент, но изготовление такого лезвия или скребка совершенно недоступно животным. (Автор: Совет графства Дерби)

Из всех животных, похоже, шимпанзе наиболее творчески используют орудия труда в дикой природе. Шимпанзе Западной Африки, например, используют камень-молот и камень-наковальню, чтобы раскалывать орехи (и они справляются с раскалыванием орехов лучше, чем я на Рождество). Подходящие камни могут быть в дефиците, и шимпанзе часто приходится носить их на большие расстояния к источнику орехов. Эти шимпанзе планируют заранее. Шимпанзе Танзании используют различные веточки для различных целей, и веточки модифицируются заранее, если это необходимо. Эти шимпанзе изготавливают орудия труда. Они также используют различные предметы листвы для различных функций — банановые листья используются как зонтики, меньшие листья используются для вытирания грязи, а пережеванные листья используются как губки. Еще более впечатляющими являются достижения Канзи, бонобо.[374] (Бонобо, наряду со своим родственным видом, шимпанзе, является нашим ближайшим родственником в животном царстве.) Среди многих других достижений, Канзи, похоже, овладел основами производства каменных орудий труда.

Канзи: Эдисон животного царства? В начале 1990-х годов археологи Ник Тот и Кэти Шик начали исследовать способности к изготовлению орудий труда у содержащихся в неволе бонобо. Они показали Канзи, как использовать остроконечные каменные отщепы для доступа к пище, хранящейся в различных контейнерах. Канзи освоил этот навык в кратчайшие сроки. Затем они показали ему основы скалывания: они показали ему, как сделать остроконечный отщеп, ударив по блоку камнем-молотом. Канзи потребовался месяц, чтобы изготовить свой первый инструмент; в течение года он спонтанно внес несколько улучшений и усовершенствований в свою первоначальную технику изготовления отщепов.

Однако мастерство Канзи как каменотеса не следует переоценивать. Во-первых, бонобо не изготавливают таких орудий в дикой природе; Канзи, с другой стороны, воспользовался интенсивным обучением. Во-вторых, каменные отщепы Канзи были небольшими предметами, и, похоже, у него не было понимания того, как лучше всего раскалывать камень для получения больших, полезных отщепов. Наконец, хотя Канзи является лучшим в мире бонобо-скалывателем, его усилия грубы при сравнении с орудиями, изготовленными гомининами около 2,5 миллионов лет назад.