Книга Вселенная внутри нас. Что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Галилей предположил, что силы гравитации, определяющие положение орбит небесных тел, влияют и на органы растений и животных. Тела притягиваются к Земле с силой, пропорциональной их массе. Более крупные создания притягиваются сильнее и поэтому вынуждены менять форму, чтобы поддерживать самих себя. Эта закономерность объясняет, кроме прочего, эксперимент Дарлингтона с лягушками. Легкие животные меньше ускоряются при падении, чем тяжелые. Сила земного притяжения играет в жизни таких крупных существ, как мы, чрезвычайно важную роль.

Но для существ, которых Левенгук разглядел под микроскопом, гравитация не так важна. Взгляните на муху или муравья на стене. Сила притяжения Земли, действующая на муху, ничтожна. Для мухи гораздо важнее силы взаимодействия между молекулами. Она удерживается на стене по той причине, что для легкого существа эти силы взаимодействия пропорционально гораздо более значительны, чем земное притяжение. А теперь представьте бегемота на стене: притяжение Земли намного превосходит силу взаимодействия поверхности его ног с поверхностью стены. Никакие молекулярные «липучки» не способны удержать на стене бегемота.

Мы сравнительно крупные существа и в будничной жизни редко задумываемся о межмолекулярном взаимодействии. Мы можем держаться на воде и чувствуем, что вода плотнее воздуха. Но если бы мы были маленькими существами, например, жуками длиной в четверть дюйма, то именно эти силы играли бы определяющую роль в нашей жизни: плавание в воде превратилось бы в плавание в желе. Поверхность воды приобрела бы совсем иное значение. При нашем нынешнем весе мы можем донырнуть до дна бассейна. А жук может буквально ходить по поверхности воды.

В 1968 году Фритс У. Вент опубликовал в журнале «Сайентифик американ» ставшую классической статью о значении размера человеческого тела. Он задался, казалось бы, абсурдным вопросом: может ли муравей начать рабочий день как человек? Заметьте, Вент не был чудаком. Он открыл важнейший растительный гормон, был членом Национальной академии наук США, работал в Калифорнийском технологическом институте, а позднее возглавлял ботанический сад в Миссури, да и вообще был одним из образованнейших людей своего времени. Очевидный ответ на вопрос Вента основан на множестве глубоких биологических принципов. Например, муравей не мог бы принять душ, поскольку капли воды для него сравнимы с пушечными ядрами. Он не мог бы выкурить утреннюю сигарету (статья была напечатана до сообщения Главного врача США о негативном влиянии курения на здоровье). Мельчайшая контролируемая частичка огня сопоставима с размером самого муравья. Прощание с женой и детками тоже выглядело бы по-другому. Способность слышать низкие тона — медленные вибрации воздуха — доступна лишь более крупным существам. Возможность выполнять работу тоже зависит от размера тела. Чтобы иметь мозг, пригодный для сложной умственной деятельности, планирования и памяти, существо должно обладать определенными размерами. Таким образом, из примера с муравьем становится ясно: многие из наших способностей — речь, использование орудий труда, конструирование машин, овладение огнем и так далее — возможны только благодаря тому, что наше тело имеет совершенно определенный размер. Наши возможности в значительной степени связаны с размером нашего тела.

Свыше миллиарда лет назад, когда наши предки перешли из микроскопического мира Левенгука в мир Галилея, они приобрели новые возможности. Они покинули мир, в котором правит межмолекулярное взаимодействие, и вошли в мир, в котором доминируют законы гравитации. Этот важнейший момент в нашем прошлом отразился в наших клетках, в камнях — и в том, как многие из нас умирают.

Воздух!

Отпечатки дисков, полос и ветвей на 600-миллионнолетних камнях кажутся малопримечательной группой окаменелостей, но это впечатление обманчиво. Это следы, оставленные настоящими революционерами: организмами совершенно нового типа, прежде невиданными. Это первые организмы, тело которых состояло не из одной, а из многих клеток.

«Изобретение» тел изменило нашу планету. Максимальный размер одноклеточного организма зависит от расстояния, на которое могут диффундировать молекулы, а оно определяется законами физики. Эти ограничения определяют способ питания, дыхания и воспроизводства организма. У маленьких животных транспорт кислорода может осуществляться просто за счет диффузии. При увеличении размера появляется необходимость в новых механизмах доставки питательных веществ и удаления отходов метаболизма. Как это делается? Более крупные животные имеют специализированные системы циркуляции крови, выведения отработанных веществ и снабжения тканей кислородом. Сердца, жабры и легкие нужны только крупным животным. Появление этих специализированных органов меняет правила игры. Все это сложное оборудование позволяет животным становиться еще больше и реализовывать многие новые возможности, недоступные муравью.

Окаменелые остатки многоклеточных животных появляются в ископаемой летописи довольно внезапно, но, судя по тем данным, которые можно получить из анализа генома современных организмов, переход от одноклеточных организмов к многоклеточным готовился длительное время. В первые два с половиной миллиарда лет существования наша планета была лишена крупных существ. Около миллиарда лет назад в морях начали появляться отдельные виды многоклеточных организмов, в том числе растения, грибы и животные. Появление тел произошло не по волшебству. Набор молекулярных инструментов — белков, жиров и других крупных молекул, позволяющих клеткам «склеиваться» и взаимодействовать — имеется не только у многоклеточных организмов. Варианты таких молекул встречаются и у маленьких одноклеточных существ, которые используют их для питания, перемещения и даже для передачи сигналов. Биологические механизмы, необходимые для «постройки» крупных существ, сформировались за миллиарды лет до того, как на планете появились сами эти существа.

Что же стимулировало этот процесс и позволило крупным существам воплотиться в реальной жизни? Ответ на этот вопрос опять-таки можно найти в горных породах, содержащих железо.

Невысокий, поджарый Престон Эрсель Клауд-младший (1912–1991) был одной из главных фигур в послевоенной палеонтологии. Окончив среднюю школу и имея тягу к путешествиям, он поступил на три года в ВМФ и стал чемпионом по боксу в легчайшем весе на Тихоокеанском флоте. Во время Великой депрессии он продолжил учебу и в итоге стал главным палеонтологом Геологической службы США. Он был чрезвычайно дотошным полевым исследователем и снискал уважение подчиненных. Проводя геологическое картирование, он нередко ползал по слоям горных пород, вглядываясь в них с расстояния в несколько сантиметров. Во время одного из таких походов в Техасе он в кустах можжевельника столкнулся буквально нос к носу с крупной гремучей змеей. Один из его коллег вспоминал: «Прес не из тех, кого легко напугать. После нескольких минут взаимного изучения змея уползла».

Престон Клауд

У Клауда был особый талант: на основании детального рассмотрения слоев породы он мог восстановить общую картину событий. В его глазах планета представляла собой одну большую систему, в которой история жизни и изменение климата, океанов и континентов складывались в единое целое.