C тех пор как люди наивно полагали, что дельфин — это рыба, а люди вырастают из крошечных прототипов внутри половых клеток, биология проделала долгий путь. Мы узнали о метаболизме, эволюции и наследовании, но многие вопросы все еще требуют ответа. Давайте зададим некоторые из них.

Где началась жизнь?

Палеонтологическая летопись говорит нам, что первые живые существа — создания, похожие на бактерии, — появились около 3,4 млрд лет назад. Эти древние создания имели клетки и, как предполагают, ДНК или РНК с генетическим материалом, который помогал им воспроизводить себя — и выживать. Такой сложный организм не мог возникнуть из ниоткуда и вероятно, сформировался в результате некоего более раннего процесса, когда живое еще не имело клеток. Но можно ли тогда назвать это живым? Возможно.

Нуклеиновые кислоты — или их предшественницы — появились в ходе естественных химических процессов, протекавших в энергетической среде: они «сварились» в первородном бульоне из химических веществ. Но существует пробел между этими простыми химическими веществами и сложными молекулярными цепочками, поддерживающими клеточную жизнь.

На нашей планете на заре времен действительно кипели разнообразные события. Обстановка здесь была также крайне изменчивой — извержения вулканов и падения метеоритов были куда более заурядными, чем сегодня. Звучит необычно, но горячие источники, шипящие камни и фонтанирующие вулканические кратеры отличались выдающейся стабильностью, хотя условия там и могут показаться нам экстремальными. Неужели здесь и появилась РНК, а за ней и ДНК? Ведь именно в этих местах мы находим самые примитивные организмы.

Что такое старение?

Продолжительность жизней разных организмов кардинально отличается. Остистые сосны живут более 4000 лет, двустворчатым моллюскам вида Arctica islandica отмерено 500 с лишним лет. Ничто не умирает только потому, что ему много лет. Умирают тогда, когда изнашивается тело. Судя по всему, старение — это не просто критическая масса травм и других поломок, скопившаяся на протяжение лет, а активный процесс.

На концах хромосом имеются особые структуры — теломеры, — которые действуют как счетчики и ограничивают количество копирований хромосомы. Это часть процесса роста: старые клетки умирают, чтобы освободить место новым. Точно не известно, но в теории теломеры также могут влиять на процесс старения и ликвидировать объем много раз использованных и скопированных ДНК, когда организм минует репродуктивный возраст. В таком случае старение и смерть могут и не являться неизбежным следствием жизни.

Возможна ли жизнь без углерода?

Органическая химия — это химия соединений углерода. Эпитет «органическая» эта наука получила по той причине, что первые изыскания в этой области были связаны с продуктами жизнедеятельности живых существ, например с как нефтью. Это обширная область. Углерод входит в состав 90 % соединений, природных и синтетических. Это происходит потому, что атомы углерода формируют до четырех связей с другими атомами, а следовательно, возникают длинные химические цепочки, кольца и извилистые и разветвленные структуры — молекулы, которые участвуют в метаболизме.

Могло ли что-то подобное случиться с другим элементом? Кремний и германий также формируют четыре связи, но они куда слабее углеродных. Если они пытаются удержать одновременно несколько десятков атомов, молекулы разрушаются, тогда как углеродные цепочки содержат миллионы атомов. Сведущие читатели заметят, что эти два элемента являются сырьем для полупроводников. Станет ли микроэлектроника основой жизни в будущем?

Почему животные спят?

Может быть, и не все организмы похожи на нас, но у всех наблюдается чередование циклов покоя и активности, даже у бактерий. Насколько мы знаем, все животные спят — уж точно все позвоночные, включая рыб, лягушек и рептилий. Наш опыт подсказывает, что мы спим, когда телу нужен отдых. Это период оздоровления. Да, но зачем нужно погружаться в бессознательное состояние? Не исключено, что это следствие эволюции: возможно, наш далекий предок спал по какой-то причине, которая уже не имеет значения, а мы продолжаем его дело.

Если так, то почему ни одно животное не зашло в своем развитии так далеко, чтобы обходиться без сна? Просто представьте преимущества. Сон использует 95 % энергии, необходимой для спокойного бодрствования, поэтому мы не сильно экономим. Сомнологи, или исследователи сна, показали, что пока мы спим, мозг сохраняет активность. Возможно, он выключает сознание, чтобы обработать воспоминания за день? По другой теории, во время сна он избавляется от физиологического мусора. Теорий множество. Какая милее вам? Почему бы не поспать с этой мыслью?

Была ли эдиакарская биота неудачной формой жизни?

Представьте животное — любое животное. Или растение, если уж на то пошло. Кого бы вы ни вообразили, его родословную можно проследить до кембрийского периода (около 500 млн лет назад), когда в мелких океанах появилось невероятное разнообразие жизни. Но ископаемые более отдаленного периода, жившие на 100 млн лет раньше и найденные в Эдиакарских горах в Австралии, доказывают, что сложная жизнь ведет куда более длинную историю. Эти организмы, эдиакарская биота, озадачили палеонтологов, или специалистов по окаменелостям. Они представлены в основном плоскими и мешкообразными организмами.

Являются ли они листьями и стеблями какого-то древнего морского растения? Были ли то загадочные студенистые животные? Возможно, это были сгустки бактерий? И более важный вопрос — были ли они предками организмов, наводнявших кембрийские моря, или это первая попытка создания сложной жизни, которая оказалась обречена на неудачу?

Используют ли живые существа квантовую механику?

Квантовая механика пытается постигнуть природу элементарных частиц. Это сгустки массы и энергии, способные вести себя и как волна, и как частица, и как обе они одновременно. Невозможно поймать электрон или другую субатомную частицу. Их описывают при помощи разнообразных приближений — они могут вести себя так или эдак, вращаться в одну сторону или в другую, находиться здесь или там. Это называется квантовой суперпозицией. Термином обозначается набор альтернативных состояний, которые с классической точки зрения не могут быть реализованы одновременно.

Все это интересно и даже немного озадачивает, но имеет ли к этому отношение биология? Один из разделов биохимии, на помощь которому пришла квантовая механика, — фотохимия. Наши глаза видят благодаря тому, что фотоны света встречаются с химическим веществом в клетках сетчатки, выбрасывая поток электронов. На подобном феномене основан и фотосинтез: посредством него энергия света передается клетке. Ферменты используют в работе совсем немного энергии, и не исключено, что они прибегают к туннельному эффекту, позволяющему электронам пробиться сквозь энергетическую преграду. Возможно, жизнь стоит именно на квантовых эффектах, и без них не было бы нас.

Как правильно уложить белки?

Белки — это сложные полимеры из аминокислот, соединенных в определенном порядке. Порядок их следования очень важен (и закодирован в генах), так как построенный белок свертывается, принимая уникальную форму, которая определяет его участие в метаболизме. Это мы знаем, но предсказывать форму белка по порядку аминокислот мы все еще не научились.

Белки укладываются сами или с помощью ионов и других химических веществ. Между различными частями молекулы белка формируется ряд слабых связей, и сила каждой зависит от типа соседних связей. Прогнозы о форме свернутого белка в настоящее время неточны, даже если ученые прибегают к компьютерному моделированию. А в биологии если что-то и должно быть точным, так это форма белков.

Что такое ум?

Люди, без сомнения, умны. То, что вы читаете это предложение, уже является тому доказательством. Наш мозг — мозг приматов — имеет крупные лобные доли для прогнозирования событий и планирования. Но являются ли мечты и планирование — результат многолетнего обучения и опыта — единственной формой интеллекта? Осьминоги никогда не учатся у родителей и умирают, не передав знания потомству. Но при этом осьминоги прекрасно справляются с решением проблем. Они мыслят так же, как и мы? Или осьминоги знают особый способ разобраться в сложившейся ситуации?

У животных есть культура?

Культура — это выученное поведение, присущее социальным животным. Например, добыча, на которую охотятся стаи касаток — киты, рыбы, тюлени и прочие, — зависит от культуры стаи, а птицы и даже скот, как было доказано, могут иметь акцент или «изъясняться» на диалекте той местности, где живут. Вопрос для биологов: как культура возникает и распространяется? Ярко выраженные культуры обычно принадлежат изолированным популяциям. Некоторые разновидности поведения сформировались под действием эволюции, другие придуманы отдельными особями, ищущими новые пути выживания. Если культурное поведение закрепилось, будет ли оно шлифоваться и распространяться посредством естественного отбора?

Что такое клиническая смерть?

Люди, которые стояли на пороге смерти, но выжили, иногда (хотя и редко) сообщают, что вернулись с того света. У подобных случаев есть схожие черты — люди видят свое тело сверху, встречают умерших родственников и находятся в непривычном пространстве. Сканирование мозга умирающих крыс зафиксировало так называемый «шип смерти» — всплеск активности в височно-теменном узле из-за роста уровня углекислого газа в крови. Этот участок мозга связан с восприятием себя. Предполагается, что умирающий мозг пытается осознать ситуацию, накладывая случайную сенсорную информацию на воспоминания из прошлого. По мере того как сенсорные данные тускнеют, сознание теряет связь с телом. Что происходит потом? На этот вопрос не может быть ответа.

Могут ли люди выжить в космосе?

Исследования космоса начинались как соревнование за контроль над околоземной орбитой и демонстрация ракетной мощи противоборствующих стран. Самым длительным космическим экспериментом стал эксперимент над самими космонавтами. Члены экипажа, управляющие космическим кораблем, являются подопытными кроликами для врачей на Земле: они желают понять, как тело человека реагирует на среду, где притяжение Земли не действует. Наше тело преодолевает силу тяготения: сердце толкает кровь вверх, к голове. Этот процесс в космосе не прекращается, и лица космонавтов, попавших в невесомость, становятся отечными, их ноги — тонкими. Все из-за того, что кровь приливает в верхнюю часть тела.

Похожим образом в качестве реакции на земное притяжение тело постоянно питает мышцы и кости. В космосе этот процесс прекращается — кости становятся тоньше, мышцы ослабевают, а космонавты вырастают на несколько сантиметров, так как позвоночник не испытывает давления. Если космонавт проводит в космосе около года, он поддерживает здоровье мышц и скелета при помощи упражнений. Но существуют ли временные ограничения для космических полетов? Есть ли рубеж, после которого тело слабеет настолько, что не сможет выжить по возвращении домой?

Можно ли приостановить жизнь?

Многие животные впадают зимой в спячку. Это не просто долгий глубокий сон. Процессы организма замедляются до уровня, достаточного, чтобы поддерживать жизнь, но не активность. Если людям придется отправиться за пределы Солнечной системы, полет займет много веков. Чтобы выжить, экипажу придется погрузиться в сон. Во время некоторых операций медики охлаждают пациентов, чтобы замедлились некоторые жизненные процессы.

После вмешательства пациента помещают в более теплую среду. Не исключено, что подобный прием может сработать и на борту космического корабля. Исследователи уже выяснили, как с помощью химических веществ замедлить метаболизм у мышей. Червей и рыб удалось погрузить в анабиоз — тогда все процессы, в том числе дыхание, останавливались. Через несколько часов их «оживляли», и процессы восстанавливались.

Нужно ли нам биоразнообразие?

Огромное многообразие — вот что привлекло наше внимание к живой природе. Защитники окружающей среды уговаривают нас защищать экосистемы и множество видов, которые являются их частью. Но зачем? Если биосфера — единая система, то для функционирования ей нужна биомасса, а не биоразнообразие.

Другими словами, при достаточном количестве деревьев, водорослей, бактерий и мелких животных, питательные вещества будут прекрасно циркулировать в системе. Чтобы этот процесс работал, не нужны тысячи видов деревьев, водорослей и бактерий. Тем не менее, на Земле имеются тысячи, даже миллионы видов, и мы не можем перекроить сообщества дикой природы света за одну ночь. Поэтому следует оберегать то, что было дано. Кроме того, разнообразие — это шанс разрешить целый ряд проблем в будущем. Например, найти лекарства от болезней или побороть изменения климата. Наконец, природа упоительна. Так почему бы не присмотреть за нею?