Возраст солнечной системы и гипотеза Геи

Большинству людей известны уникальные характеристики Земли, которые делают возможной жизнь на нашей планете. К числу таких характеристик относятся химический состав планеты и ее атмосферы, наклон земной оси, связь с Луной, траектория орбиты Земли и расстояние до Солнца.

Известно, что Солнцем управляет термоядерная реакция - источник энергии, достаточный для того, чтобы Солнце могло светить очень и очень долго. Расчеты показывают, что его хватит для поддержания нынешней яркости
Солнца в течение примерно десяти миллиардов лет. Считается, что большинством звезд также управляют аналогичные ядерные реакции. Такое положение дел носит название главной последовательности - периода стабильности, который соответствует большей части долгой жизни звезды.

Предположим, что Солнце стало звездой главной последовательности с момента образования, то есть около 4,6 миллиардов лет назад. Этот период являет собой почти половину предполагаемого срока жизни Солнца; таким образом, Солнце на данный момент израсходовало около половины своего запаса энергии. А это означает, что примерно половина водорода в его ядре сменилась гелием. Смена химического состава приводит к изменению структуры ядра. Общая структура Солнца тоже должна была измениться, так что на сегодняшний день Солнце должно светить приблизительно на 40% ярче, чем 4,6 миллиарда лет назад.

Это неизбежно повлияло бы на температуру планет. Принято считать, что даже самые малые отклонения в яркости Солнца повлекут за собой трагические последствия для земного климата. 40% изменение яркости Солнца, таким образом, привело бы к перемене климата, сравнимой по масштабу с нынешними отличиями между Венерой, Марсом и Землей. Согласно теории эволюции, около четырех миллиардов лет назад, когда, как считается, жизнь на Земле только что зародилась, температура планеты была близка к нынешней. Но, в таком случае, последующее увеличение яркости Солнца должно было привести к такой жаре, при которой жизнь на Земле стала бы невозможна. Можно наивно предположить, что изначально на Земле было гораздо прохладней, а со временем потеплело. Но это невозможно. Геологи отмечают, что, по данным изучения горных пород, средняя температура Земли за последние четыре миллиарда лет не слишком изменилась; а биологи утверждают, что для развития и эволюции жизни необходима примерно постоянная средняя температура. Эту проблему и называют парадоксом "молодого слабого Солнца".

Неправдоподобность такого процесса побудила Лавлока выдвинуть гипотезу
Геи. Согласно ей, биосфера (состоящая из земных океанов, атмосферы, коры и всех живых существ) представляет собой некий сверхорганизм, получившийся в ходе эволюции. Атмосфера изменилась, чтобы защитить развивающуюся жизнь от угрозы нарастающей яркости Солнца. Гипотеза Лавлока не завоевала всеобщего признания, преимущественно из-за того, что в ее основе лежит духовное начало. На самом же деле она вовсе не ведет к мистическому взгляду на мир.

Физические принципы, на которых основан парадокс молодого слабого
Солнца, тверды и незыблемы, поэтому астрономы уверены в реальности этого эффекта. Следовательно, эволюционисты стоят перед выбором одного из двух возможных объяснений того, каким образом на Земле установилась почти постоянная температура вместо неуклонно нарастающего притока энергии. Одно из этих объяснений предлагает нам поверить, что путем случайных изменений атмосфера эволюционировала так, чтобы противостоять нагреванию. В лучшем случае это означает, что атмосфера прошла через целый ряд состояний неустойчивого равновесия или даже неравновесия. Нечто подобное происходит с живыми организмами под воздействием сложных систем регуляции, закодированных в ДНК. Смерть - процесс, при котором прекращаются сложные биохимические реакции, и клетки быстро достигают химического равновесия.
Для атмосферы же подобный процесс немыслим - если исключить участие разумного замысла. Любой вид симбиоза или обратной связи с Солнцем совершенно исключен. Второе же объяснение предполагает, что некие жизненные силы провели атмосферу эволюционным путем через это испытание. Большинство ученых не могут и помыслить о том, чтобы высказать вслух телеологические или духовные выводы, которые могут отсюда последовать; однако же в физике существует соответствующее направление.

Конечно, есть и третий путь. Возможно, системе Земля-Солнце вовсе не миллиарды лет, и не было никакого 40% увеличения солнечной яркости. Если
Земля была сотворена недавно, если разумный замысел создал ее атмосферу такой, какая она сейчас, если яркость Солнца существенно не менялась, то парадокс молодого слабого Солнца можно считать разрешенным. Хотя этот парадокс не свидетельствует о том, что Солнечной системе всего несколько тысяч лет, из него ясно следует, что ей гораздо меньше, чем десятки миллионов веков.

Чудеса симбиоза

В одном из своих «Очерков биолога-наблюдателя» профессор Льюис Томас, крупнейший американский биолог и популяризатор науки, рассказывает о поразительном микроскопическом существе, которое является опорой большого и сложного организованного мира.

Мир этот — австралийский термитник, обиталище того особого отряда насекомых, что строят в тропических лесах огромные, до пятнадцати метров высотой, конусообразные гнезда. Строят они их из древесины, которую жадно пожирают, разрушая окрестный лес. Точнее говоря, древесина является лишь исходным материалом для строительства; где-то в пищеварительном тракте маленького термита съеденная целлюлоза превращается в углеводороды, необходимые для жизнедеятельности термита, а отходы превращаются в крохотные, геометрически правильные и поразительно твердые лепешечки лигнина, из которых, собственно, и воздвигаются бесконечные стены, арки и своды запутанного лабиринта термитника.

Эта строительная деятельность термитов кажется удивительной уже сама по себе и не может не вызывать восхищения. Глядя на огромный конус термитника, почти невозможно убедить себя, что весь он воздвигнут из крохотных лепешечек, исторгнутых из миллионов микроскопических желудочков, которые непрерывно, день за днем, не зная устали, перерабатывают целлюлозу в лигнин. Так же трудно, пожалуй, глядя на какой-нибудь нью-йоркский небоскреб, убедить себя, что он построен из отдельных модулей, настолько цельным и огромным кажется этот гигант, слово отлитый весь целиком и сразу.
Но попробуем заглянуть еще дальше в этот стройно организованный мир маленьких существ. Представим себе отдельного термита — насекомое величиной в несколько миллиметров; затем мысленно увеличим его так, чтобы нам стал видимым его микроскопический пищеварительный тракт; увеличим в воображении и его, а затем обшарим взглядом.

Мы увидим десятки и сотни еще более крохотных существ, обитающих в этих недрах и чем-то там энергично и хлопотливо занятых. Приблизим мысленно одно из них и тоже увеличим, чтобы разглядеть во всех подробностях.

В биологии существо это называется миксотриха. Оно настолько хорошо изучено, что о нем можно рассказать довольно многое. На первый взгляд, оно представляется обычным простейшим (одноклеточным) организмом, отличающимся разве что очень быстрыми и целеустремленными перемещениями с места на место. Скорость этого зигзагообразного перемещения миксотрихи в глубинах пищеварительного тракта термита делает ее подобной водяному паучку, стремительно скользящему по поверхности воды. Присмотревшись, можно, однако, увидеть, что миксотриха устремляется не куда угодно, а лишь в те места, где плавают кусочки проглоченной термитом древесины. Тут и выясняется, чем, собственно, занято это деятельное существо.

Оказывается, что глотает эти древесные кусочки, уже перетертые и тщательно пережеванные челюстями термита. И биологам сегодня уже известно, что оно глотает их затем, чтобы где-то в СВОИХ глубинах добавить к ним те ферменты, которые фактически и разлагают древесную целлюлозу на поддающиеся усвоению углеводороды и исторгаемый термитом лигнин. Иными словами, не сам термит, а десятки и сотни этих микроскопических существ, живущих в его пищеварительном тракте, осуществляют тот сложнейший биохимический процесс, что лежит в основе всей термитной жизни и всего термитного сообщества. Без этих крохотных миксотрих не было бы ни огромного термитника с его стенами, арками и сводами, ни тех «грибных ферм», которые культивируют в лесу термиты, ни переработки гнилой древесины этого леса в плодородный перегной, которой заняты растущие на «фермах» грибы, ни в конечном счете самих термитов.

Поэтому первоначальное утверждение нашего рассказа было в высшей степени обосновано: миксотрихи действительно являются опорой всего этого большого и сложно организованного термитного мира.

Однако самое поразительное еще впереди. Мысленно приблизив к своим глазам одну из микроскопических миксотрих и достаточно увеличив ее, мы обнаружим (в действительности это можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа), что те изящные реснички, которые выступают из ее боков, как весла на какой-нибудь галере, и так удивительно согласованно, в такт, поднимаются и опускаются, придавая миксотрихе ее стремительное движение в пищеварительном тракте термита, на самом деле, являются совсем не ее ресничками, а совершенно отдельными существами еще меньших размеров; существа эти — точнее, клетки — принадлежат к семейству так называемых спирохет, то есть микроорганизмов, имеющих форму извилистых подвижных жгутиков.

Патогенные виды спирохет вызывают сифилис, возвратный тиф и некоторые другие болезни, но в данном случае перед нами вполне безвредные представители этого семейства, и вся их жизненная цель состоит лишь в том, чтобы присоединиться к огромной (для них) миксотрихе и воспользоваться крохотной порцией тех питательных углеводородов, которые она производит с помощью своих ферментов. В свою очередь, эти спирохеты, на идеально равных интервалах покрывающие всю поверхность миксотрихи, как мы видели, помогают ей перемещаться в поисках еще непереваренной древесины.

Но и это не все. Тщательно оглядев все поле этой кипучей, неутомимой деятельности, идущей в пищеварительном тракте термита, мы увидим других ее участников. Поблизости от спирохет на поверхности миксотрихи располагаются какие-то овальные тельца, а между жгутиками самих спирохет суетится множество той же формы микросуществ тех же крохотных — в сравнении даже с миксотрихой — размеров. Все это — бактерии, тоже живущие в симбиозе, то есть во взаимном сотрудничестве с миксотрихой и спирохетами и поставляющие в «общий котел» часть тех ферментов, которые нужны для переработки целлюлозы в углеводороды и лигнин.

Льюис Томас завершает свой рассказ словами: «Вся эта симбиотическая экосистема, застрявшая в тупике эволюционного пути, представляет собой наглядную модель того, каким образом произошли наши клетки». Дальше он упоминает имя Линн Маргулис, и с этого места я могу уже сам подхватить нить рассказа и продолжить его в задуманном направлении.

Некоторые коллеги считают Линн Маргулис одним из крупнейших биологов нашего века. Другие с этим категорически не согласны и считают ее фанатиком сомнительных идей, провозглашаемых с раздражающим высокомерием и презрением к оппонентам. Сама Линн Маргулис, ныне профессор биологии Амхерстского университета, рассказывает о себе и своих идеях так: «Я занимаюсь эволюционной биологией, но объектом моих исследований являются одноклеточные и микроорганизмы. Такие биологи, как Ричард Доукинс, Джон
Мэйнард Смит, Джордж Уильямс, Стивен Джей Гулд и многие другие, принадлежат к зоологам, исследователям животных, что, на мой взгляд, означает, что они изучают проблему, которая утратила свою актуальность примерно три миллиарда лет назад. Они занимаются организмами, которые возникли на Земле каких- нибудь 500 миллионов лет назад. Это примерно то же самое, что изучать историю человечества начиная только с 1800 года. Ведь жизнь на нашей планете существует уже почти четыре миллиарда лет! Вплоть до шестидесятых годов нашего века все исследователи систематически игнорировали этот фундаментальный факт эволюции по той простой причине, что в силу своего невежества не могли его объяснить.

На основании бесчисленных наблюдений и экспериментов известно, что эволюция основана на естественном отборе, выбирающем из всех разновидностей данного организма те, которые в результате мутаций приобрели некоторые способствующие выживанию свойства. Неизвестно только, откуда берутся эти полезные свойства. Этот вопрос до сих пор не имел достаточно ясного ответа.
Я утверждаю, что важнейшими такими свойствами мы обязаны связям между организмами, тому явлению, которое русский исследователь Константин
Мережковский когда-то назвал «симбиогенезом». Под симбиогенезом я понимаю включение генетического материала микроорганизмов в наследственные клетки растений или животных. Возникающие в результате новые генетические системы
— гибриды бактериальной и растительной, или бактериальной и животной клеток
— являются чем-то подлинно новым, принципиально отличающимся от исходных клеток, не содержавших материалы симбионта. Из таких «химер» постепенно складываются все более и более сложные биологические системы. Я не верю, что такие новые системы, новые биологические виды могут возникать на основе одних лишь случайных мутаций».

Симбиоз, говорит далее Линн Маргулис, — это физическое объединение различных организмов, их совместное проживание в одном и том же пространстве и времени. Но истинный симбиоз не имеет ничего общего с банальным его пониманием как «сотрудничества», основанного на одном лишь балансе выгод и затрат. Нельзя уподоблять биологический симбиоз простому взаимовыгодному сотрудничеству людей или компаний. Такой «экономический» подход пригоден только для объяснения и понимания современных симбиотических систем, которые, как правило, представляют собой систему нескольких механически cосуществующих организмов, застрявшую на полпути эволюции и уже не развивающуюся далее.

Истинный симбиоз, говорит Линн Маргулис, состоит в том, что в результате длительного сосуществования он всегда приводил к органическому
«слиянию» разнородных организмов в некое новое целое и в этом смысле всегда являлся, по утверждению Маргулис, главным фактором эволюционного обновления.

Этот взгляд на симбиоз может показаться — и многим биологам действительно кажется — крайним. Сама Маргулис пришла к нему на основании нескольких биологических фактов. Маргулис обратила внимание на то, что у простейшего организма Парамеция аурелия существует так называемый ген-
«убийца», передача которого по наследству происходит по иным правилам, нежели передача по наследству хромосомных генов. Оказалось, что этот ген содержится не в клеточном ядре Парамеции, а в ее цитоплазме, окружающей это ядро. У простейших уже обнаружено довольно много таких цитоплазменных генов. Не так давно два американских исследователя, Давид Лак и Джон Холл, заявили, что нашли их даже в клетках довольно сложных водорослей. Все эти факты побудили некоторых ученых выдвинуть осторожные догадки, согласно которым эти внеядерные гены являются остаточным генетическим материалом каких-то вирусов или бактерий, случайно попавших в клетку и «застрявших» в ней. Маргулис отбросила всякую осторожность и выдвинула радикально смелую гипотезу, утверждающую, что все такие «гены» являются в действительности частью отдельных (и весьма древних) живых организмов, по сей день живущих внутри клеток более высокой сложности в симбиотическом сосуществовании с ними.