Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Игра воды
Батибиус почил, но протоплазма продолжала жить. На закате XIX в. ее внутренняя механика стала понемногу проясняться. И некоторые из первых подсказок нашлись не на морском дне, а на пивоварне.
На протяжении всей истории пивоварение слыло чем-то вроде алхимии[227]. Люди начали заниматься им как минимум 13 000 лет назад, когда территория нынешнего Нью-Йорка была покрыта ледниками, а по Сибири бродили мамонты. Пионеры пивоварения, обитавшие на Ближнем Востоке, собирали колосья пшеницы и ячменя и варили из них концентрат сахаров – сусло. Затем они дожидались, пока сусло забродит и превратится в пенную жидкость, от которой можно захмелеть. Что происходит во время брожения, никто не знал.
В XIX в. один ответ предложили химики, другой – микробиологи. Химики, идя по стопам Фридриха Вёлера, взглянули на брожение как на превращение одних молекул в другие. С их точки зрения, растительные сахара подвергались химическим реакциям, в результате которых получались этиловый спирт и другие молекулы, а также пузырьки углекислого газа.
Одновременно с этим микробиологи рассматривали брожение как часть жизни. Оказалось, что муть в сусле – давно известная под названием дрожжей – состоит из живых одноклеточных организмов. Без них ферментация не идет. Тысячелетиями пивовары, сами того не ведая, засевали ими пиво, когда оставляли сусло на воздухе. Летучие споры дрожжей попадали туда естественным путем и запускали процесс ферментации. Ключевую роль в нем играла жизнь. Стерилизованное сусло никогда не становилось пивом. К концу XIX в. микробиологи превратили пивоварение в промышленную биологию. Пивовары научились выбирать, какой сорт дрожжей следует применить, чтобы пиво получило нужный вкус. Каждая кружка пива, поднятая в каждом пабе, доказывала присутствие жизненного начала. Соприкасаясь с живой материей, сахар обращался в спирт путем реакции, не осуществимой иными способами.
Химиков это не впечатляло. Идея, будто малюсенькие клетки дрожжей трескают пшеницу и по волшебству писают спиртом, до нелепости походила на витализм.
Молодой немецкий химик Эдуард Бухнер попытался замирить обе стороны великой пивной дискуссии и получил в итоге Нобелевскую премию. На излете XIX в. ученые уже знали, что живые существа вырабатывают определенный класс белков – ферменты, обладающие поразительной способностью расщеплять некоторые другие молекулы. Ряд исследователей полагал, что в дрожжах содержится фермент, расщепляющий сахар. Да, в этом случае дрожжи играют основную роль в брожении, но нет, никаких жизненных сил они в своем составе не имеют.
В 1890-х гг. Бухнер решил отыскать эти гипотетические ферменты. Он смешал сухие дрожжи с тонкозернистым песком и растер смесь в ступке, получив темную влажную массу. Это мембраны дрожжевых клеток прорвались, выпустив наружу протоплазму.
Полученное зелье Бухнер поместил на плоскую поверхность и отжал гидравлическим прессом. Выступил пахучий дрожжевой сок. Чтобы уничтожить клетки, которые могли в нем оставаться, Бухнер добавил туда мышьяк и другие яды. Теперь сок был абсолютно лишен живого.
Однако стоило исследователю добавить в эту безжизненную жидкость сахар, как она стала испускать шипящие пузырьки углекислого газа и обратилась в спирт. Опыт Бухнера показал, что брожение не зависит от живых клеток. Для него даже не требуются частицы живой протоплазмы. Процесс вызывается заурядным ферментом[228].
Поначалу как биологам, так и пивоварам показалось, что это уже чересчур. Они не могли поверить, будто протоплазма является мешаниной специализированных молекул, каждая из которых осуществляет предписанную ей реакцию. Один специалист по брожению предсказывал, что гипотеза Бухнера «не будет долго радоваться жизни»[229].
Но вскоре другие ученые воспроизвели эксперимент немецкого исследователя и продвинули эксперименты дальше, выделив Бухнеров фермент и дав ему название «зимаза». Французский микробиолог Эмиль Дюкло провозгласил, что Бухнер «открывает дверь в новый мир». Это был мир биохимии, в котором внутри живых существ толпился целый зоопарк активных белков.
Когда в 1907 г. Бухнер прибыл в Стокгольм за своей Нобелевской премией, он попробовал, как уже говорилось, сыграть роль миротворца. Механистам и виталистам не стоило воевать из-за брожения. Виталисты были правы насчет его основы – дрожжей; ферменты не могли возникнуть без этих живых существ. Но для ферментации пива дрожжи не пользовались таинственными жизненными силами. Они производили зимазы – обычные молекулы, подчиняющиеся обычным законам химии. Выделенный из клетки фермент был неживым, но тем не менее он оказывался способным осуществлять те же самые химические реакции.
«Разногласия между виталистическими воззрениями и ферментной теорией сняты, – писал Бухнер. – Ни одна сторона в конечном итоге не проиграла»[230].
Если он думал, что сможет окончить миром войну, длившуюся к тому времени уже больше двух веков, ему было суждено глубоко разочароваться. После того как он получил свою премию, споры о природе жизни лишь зазвучали еще громче. Биохимическая картина жизни – как и прежняя механистическая – не удовлетворяла многих ученых. Это прекрасно, конечно, – найти один фермент, расщепляющий сахар, и другой, расщепляющий крахмал. Но из нескольких подобных реакций никак не складывались великие преобразования, определяющие жизнь, – каким образом, скажем, растение превращает солнечный свет в свои корни и соцветия или как единственная клетка становится человеческим существом? По мере того как микроскопия развивалась, биологи обнаруживали, что протоплазма в действительности насыщена объектами подобно городу – она набита отсеками (компартментами), нитями (филаментами) и гранулами. Но до сих пор никто так и не смог рассказать, что же происходило в этих потайных помещениях или сколько их вообще существовало на самом деле. Некоторые на какой-то период времени появлялись под микроскопом, а затем их снова уже не было видно.
«Которые из них живые? Которые из них составляют физическую основу жизни, да и составляют ли они ее? – спрашивал в 1923 г. американский специалист по клеточной биологии Эдмунд Уилсон. – Вот ведь неудобные вопросы»[231].
Некоторые ученые утверждали, что эти вопросы навсегда останутся неудобными. Элементарные химические реакции, осуществляемые ферментами, не могли направить развитие яйцеклетки в эмбрион. Полипам Трамбле требовалось нечто большее, чем просто молекулы, чтобы достроить до целого свои разрезанные тела. Но теперь те ученые, что отвергали чисто механистические воззрения на жизнь, отринули и концепцию таинственной жизненной силы. Специфика живого состояла в том, что оно функционировало не на единственном уровне[232].
Низшие уровни самопроизвольно порождали высшие. Пусть один фермент способен выполнять лишь одну задачу (например, объединять две молекулы), но соберите вместе миллиарды ферментов, выполняющих миллиарды различных задач, и вот, пожалуйста, – у вас клетка. Поднимитесь уровнем выше, и группа клеток становится организмом. Организмы объединяются в популяции, популяции – в экосистемы.
Перескочив на очередной уровень, следует на нем задержаться, чтобы понять его суть. Если вы попытаетесь изучить клетку, разобрав ее на ферменты, то клетка потеряется. Клетки в организмах зайцев-беляков не способны объяснить взлеты и падения численности их популяций в Канаде каждые несколько
