Имало едно време…


Колко си уникален всъщност? Защо смешките на Фънки са ти забавни (защото си занижил стандарта, за това), къде да търсиш проблема на всичко и вярно ли е, че дори ей сега да се върнем няколко милиона години назад в еволюцията, когато обгрижваме любимата с банани и й пощим въшките на някое дърво и тръгнем в друга посока за изграждане на цивилизация, отново ще стигнем до момента, в който – 80% от българите са дебили?…

Научи, докато гледаш цици.

Случилото се тук на Земята може да е повече или по-малко типично за еволюцията на живота на много други светове; и все пак може да се окаже, че в такива детайли, каквито са например химията на протеините и неврологията на мозъка, историята на живота на Земята е уникална за целия Млечен път. Нашата планета се е образувала чрез кондензирането на междузвезден газ и прах преди около 4,6 милиарда години. От фосилните находки знаем, че началата на живота трябва да се търсят съвсем скоро след това — може би преди около 4 милиарда години — в езерата и океаните на примитивната Земя. Първите живи същества далеч не са толкова сложни, колкото са едноклетъчните организми — една много по-развита форма на живот. Първите проблясъци са значително по-скромни. В тази ранна епоха мълниите и ултравиолетовите лъчи на Слънцето разграждат простите и богати на водород молекули на примитивната атмосфера, като след това техните фрагменти се свързват спонтанно в много по-сложни молекули. Продуктите на тази примитивна химия се разтварят в океаните, като по този начин образуват нещо като органична супа с непрекъснато увеличаваща се сложност, докато един ден — съвсем случайно — не се появява молекула, която е в състояние да изработва свои груби копия, използвайки като строителни материали другите молекули в супата.

Въпросната молекула е най-ранният предшественик на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) — основната молекула на живота на Земята. Тя има форма на усукана въжена стълба, чиито стъпала могат да бъдат направени от четири различни молекулярни части — четирите букви на генетичния код. Тези стъпала, наречени нуклеотиди, образуват наследствените инструкции за създаването на един организъм. Всяка форма на живот на Земята има свой различен набор инструкции, които обаче са написани на един и същ език. Причината за това, че организмите са различни, се крие в разликите между техните нуклеиново-киселинни инструкции. Мутацията е промяна в един нуклеотид, която се копира в следващото поколение и се възпроизвежда. И тъй като мутациите са произволни нуклеотидни промени, повечето от тях са вредоносни и дори гибелни, тъй като закодират нефункционални ензими. И все пак именно тези почти невероятни явления — малките благоприятни мутации в нуклеотидите, които са с дължина една десетомилионна част от сантиметъра — стоят в основата на еволюцията.

Преди четири милиарда години Земята представлява нещо като молекулярна райска градина. Все още не съществуват хищници. Някои молекули се възпроизвеждат твърде неефективно, като се конкурират за строителните блокове и оставят свои груби копия. Посредством възпроизводството, мутациите и избирателното елиминиране на най-нежизнеспособните варианти еволюцията вече е в пълен ход, дори и на молекулярно ниво. С течение на времето молекулите се научават да се възпроизвеждат все по-добре. В крайна сметка молекули с различни функции започват да се свързват, образувайки нещо като молекулярни колективи — първите клетки. В клетките на съвременните растения има малки фабрики, които се наричат хлоропласти и са натоварени с фотосинтезата — преобразуването на слънчевата светлина, въглеродния двуокис и водата във въглехидрати и кислород. Клетките в една капка кръв съдържат друг вид молекулярни фабрики — митохондриите — които комбинират храната и кислорода и извличат полезната енергия. Днес тези фабрики съществуват като части от клетките на растенията и животните, но вероятно някога самите те са били самостоятелни клетки.

Преди около три милиарда години известен брой едноклетъчни растения вече са се обединили, може би защото някаква мутация е възпрепятствала разделянето на получените при делението на майчината клетка нови клетки. Появяват се първите многоклетъчни организми. Всяка клетка от вашето тяло е един вид комуна, в която по-рано самостоятелните части са се обединили в името на общото благо. Вие сте изградени от сто билиона клетки. Всеки един от нас е множество.

Изглежда сексът е бил изобретен преди около два милиарда години. Преди това нови форми на живот са можели да се появят само чрез натрупването на произволни мутации — подбор на промените, буква по буква, в генетичните инструкции. Еволюцията трябва да е била агонизиращо бавна. С изобретяването на секса, два организма вече могат да си разменят цели параграфи, страници и томове от своя ДНК код, като по този начин се създават нови варианти, готови за ситото на естествения подбор. Освен това организмите били селектирани по отношение на предразположеността си към секса — тези, които го намират за безинтересен, бързо изчезват от световната сцена. И това е вярно не само за микроорганизмите отпреди два милиарда години. Днес ние, хората, също имаме осезаема склонност към това да си разменяме сегменти от своята ДНК.

Преди около един милиард години растенията – посредством задружния си труд – вече са предизвикали смайващи промени в околната среда на планетата.

Зелените растения генерират молекули кислород. И тъй като по това време океаните вече са пълни с малки зелени растения, кислородът постепенно се превръща в една от важните съставки на земната атмосфера, изменяйки безвъзвратно нейния първоначален водороден характер и слагайки край на епохата, през която материята на живота е създавана чрез небиологични процеси. Кислородът обаче има свойството да предизвиква разпадането на органичните молекули. Въпреки нашата привързаност към него, по своята същност той се явява отрова за незащитената органична материя. Преходът към кислородната атмосфера е предизвикал една от най-страшните кризи в историята на живота, в която са загинали огромен брой организми, неспособни да се справят с новия газ. Някои примитивни живи форми, като например бацилите на ботулизма и тетануса, дори и в наши дни могат да оцелеят само в безкислородна среда. Азотът в земната атмосфера е много по-инертен от химична гледна точка и следователно много по-безвреден от кислорода. Оказва се, че 99% от атмосферата на Земята е с биологичен произход. Небето е направено от живот.

През по-голямата част от над четирите милиарда години от появата на живота до наши дни доминиращите живи същества са били микроскопичните синьо-зелени водорасли, които покривали и изпълвали Световния океан. Внезапно — преди около 600 милиона години — техният монопол е премахнат и на бял свят се появяват огромен брой нови форми на живот. Това събитие е наречено Камбрийският взрив. Животът се е зародил почти непосредствено след създаването на Земята, което предполага, че той би трябвало да е неизбежен химичен процес на всяка, подобна на нашата, планета. Но в продължение на три милиарда години той не е напреднал много отвъд синьо-зелените водорасли, което пък показва, че големите организми със специализирани органи са нещо, което се развива трудно — по-трудно дори и от зараждането на живота. Може би има много други планети, на които съществуват изобилие от микроби, но не и големи животни и растения.

Изглежда преди Камбрийския взрив новите видове са се развивали много бавно.

Може би това впечатление се дължи отчасти на факта, че колкото по-назад във времето се взираме, толкова повече намалява количеството налична информация. През ранните епохи малко организми са имали твърди части, а меките същества не оставят фосилни находки. И все пак болезнено бавните темпове на поява на коренно нови форми преди Камбрийския взрив изглеждат донякъде реални. Постепенната еволюция на клетъчните структури и биохимия не намира незабавно отражение във външните форми, които ни разкриват фосилните находки. След Камбрийския взрив изящните нови адаптации следват една след друга с относително огромна скорост. За съвсем кратко време се появяват първите риби и първите гръбначни; растенията, чието разпространение до този момент е ограничено само в океаните, започват да колонизират сушата; появяват се първите насекоми и техните наследници стават пионери на заселването на континентите от животните; първите крилати насекоми се развиват заедно със земноводните — същества, подобни на риби с бели дробове, способни да оцеляват както във водата, така и на сушата; появяват се първите дървета и първите влечуги; развиват се динозаврите; появяват се бозайниците, а след това и птиците; появяват се първите цветя; динозаврите изчезват; развиват се първите китообразни — предшествениците на днешните делфини и китове — а заедно с тях и първите примати — прадеди на маймуните, човекоподобните маймуни и хората. Преди по-малко от десет милиона години се появяват първите живи организми, които приличат повече или по-малко на човешки същества. При тях се наблюдава забележително увеличение на мозъчния обем. И едва тогава — само преди два или три милиона години — се зараждат и първите истински хора.

Човешките същества се развиват в горите. Имаме естествен афинитет към тях. Колко красиво е едно дърво, протегнало клони към небето. Листата му събират необходимата за фотосинтезата слънчева светлина, така че дърветата си съперничат, като засенчват своите съседи. Ако се вгледате по-внимателно, често можете да видите как две дървета се избутват едно друго с мудна грациозност. Дърветата са огромни и красиви машини, които извличат енергия от слънчевите лъчи, вземат вода от почвата и въглероден двуокис от въздуха и превръщат тези сурови материали в храна — както за себе си, така и за нас. Растенията използват въглехидратите, които създават, като енергиен ресурс, за да се занимават със собствените си растителни дела. Ние, животните, които в крайна сметка се явяваме паразити по растенията, крадем същите тези въглехидрати, за да можем да си решаваме нашите собствени проблеми. Като ядем растенията, ние комбинираме въглехидратите с разтворения в кръвта ни кислород (който е следствие от склонността ни да дишаме въздух), като по този начин извличаме необходимата ни енергия. Този процес е свързан с отделяне на въглероден двуокис, който растенията отново преработват, за да произведат още въглехидрати. Това е един чудесен кооперативен механизъм — растенията и животните, които дишат отпадъчните си газове — нещо като общопланетно дишане уста в уста, като целият този елегантен цикъл получава енергията си от една звезда, която е на 150 милиона километра.

Известни са десетки милиарди видове органични молекули. Въпреки това едва около петдесет от тях се използват в съществените дейности на живота. Едни и същи модели се прилагат отново и отново — консервативно, но и изобретателно в разнообразните функции. А в самото сърце на живота на Земята — протеините, които контролират клетъчната химия, и нуклеиновите киселини, които носят наследствените инструкции — откриваме, че тези молекули са по своята същност идентични във всички растения и животни. Една и съща материя изгражда както мен, така и един дъб. Ако се върнем достатъчно назад, ще открием нашия общ предшественик.

Живата клетка е толкова сложна и красива конструкция, колкото е и царството на галактиките и звездите. Изящните механизми на клетката се развиват малко по малко в продължение на четири милиарда години. Парченцата храна се превъплъщават в клетъчните машини. Това, което днес са бели кръвни телца, вчера е било спаначено пюре. Как го постига клетката? Вътре в нея се крие лабиринт, чиято изкусна архитектура поддържа собствената й структура, преобразува молекули, складира енергия и се приготвя за самовъзпроизвеждане. Ако бихме могли да проникнем във вътрешността на една клетка, много от молекулните зрънца, които ще видим там, ще бъдат протеинови молекули — някои, въвлечени в трескава дейност, а други — изчакващи отстрани. Най-важните протеини са ензимите — молекулите, които контролират химическите реакции на клетката. Ензимите са подобни на работниците край поточна линия — всеки е специалист в една-единствена дейност: стъпка 4 от производството на нуклеотида гуанозин-фосфат, например, или стъпка 11 от разграждането на захарните молекули с цел извличането на енергия — паричната единица, с която се заплаща извършването на други клетъчни задачи. Но не ензимите ръководят целия процес. Те получават своите инструкции — а всъщност и самите те са конструирани — само по заповед на отговорниците. Молекулите шефове са нуклеиновите киселини. Те живеят отделени зад стените на един забранен град дълбоко навътре в клетката — в нейното ядро.

И ако бихме могли да проникнем през някоя пора в клетъчното ядро, ще открием нещо, което прилича на експлозия във фабрика за спагети — безредно множество от гънки и нишки, които всъщност са двата вида нуклеинови киселини: ДНК, която знае какво трябва да бъде направено, и РНК, която съобщава дадените от ДНК инструкции на останалите части от клетката. Те са най-доброто, което четири милиарда години еволюция са успели да създадат, и съдържат пълния набор от инструкции за създаването на една клетка, дърво или човек. Ако бъде написана на някакъв нормален език, количеството информация в човешката ДНК ще заеме стотина дебели книжни тома. Нещо повече — ДНК молекулите знаят как да направят, с някои извънредно редки изключения, идентични копия на самите себе си. Те знаят необикновено много.

ДНК е двойна спирала, като двете усукани нишки приличат на спирална стълбица. Именно последователността на подредбата на нуклеотидите по всяка една от двете съставящи молекулите нишки се явява езикът на живота. По време на възпроизвеждането двете спирали се разделят — с помощта на специален разплитащ протеин — и всяка една от тях създава точно копие на другата, като използва свободните нуклеотиди, които се носят наоколо в гъстата течност на клетъчното ядро. Щом започне разплитането, един забележителен ензим, наречен ДНК-полимераза, помага работите по копирането да се извършват с почти съвършена точност. И ако случайно бъде направена някаква грешка, специални ензими я отстраняват и поставят на нейно място правилния нуклеотид. Тези ензими са молекулярни механизми с впечатляваща сила.

Освен че може да създава свои точни копия (в това се състои идеята на наследствеността), ядрената ДНК ръководи и дейностите на клетката (в това се състои метаболизмът). С тази цел тя синтезира други нуклеинови киселини, наречени куриерни РНК, всяка една от които преминава в извънядрените провинции на клетката и там контролира изграждането — на правилното място и в правилното време — на един-единствен ензим. Когато всичко това бъде направено, резултатът е едничка ензимна молекула, която трябва да организира някой от аспектите на клетъчната химия.

Човешката ДНК е стълбица с дължина един милиард нуклеотида. Повечето от възможните комбинации от нуклеотиди не носят никакъв смисъл — те биха предизвикали производството на ензими без полезни функции. Само крайно ограничен брой молекули на нуклеиновите киселини носят някаква полза за такива сложни форми на живот, каквито сме ние. Но дори при това положение броят на полезните начини, по които биха могли да бъдат свързани нуклеиновите киселини, е зашеметяващо голям — може би много по-голям от този на всички протони и електрони във Вселената. Съответно и броят на възможните човешки същества е много по-голям от този на вече живелите — ако бъде освободен, нашият потенциал е огромен. Трябва да има начини нуклеиновите киселини да бъдат подредени така, че да функционират много по-добре — според какъвто и критерий да изберем — от което и да било човешко същество, живяло някога на този свят. За щастие все още не знаем как да съставяме алтернативни последователности от нуклеотиди, които да създадат алтернативни видове човешки същества. Възможно е някъде напред в бъдещето да развием способността да подреждаме нуклеотидите в желани от нас комбинации и съответно да създаваме характеристики, които смятаме за необходими — това е мрачна и тревожна перспектива.

Еволюцията се осъществява посредством мутации и подбор.

Възможно е мутациите да се получат при възпроизвеждането, ако ензимът ДНК-полимераза допусне грешка. Той обаче рядко греши. Мутациите също така могат да бъдат предизвикани от радиацията или ултравиолетовите лъчи на Слънцето, от космическите лъчи или от някакви химикали в околната среда — всички те могат да променят някой нуклеотид или да завържат нуклеиновите киселини на възел. И ако темповете на мутиране са твърде високи, рискуваме да загубим наследеното от четири милиарда години непрекъсната еволюция. Ако пък бъдат твърде ниски, тогава няма да се появят новите вариации, които ще могат да се адаптират към бъдещите промени в околната среда. Еволюцията на живота изисква повече или по-малко прецизно равновесие между мутиране и подбор. И когато този баланс бъде постигнат, в резултат се появяват забележителни адаптации.

Промяната в един-единствен нуклеотид предизвиква изменения в една-единствена аминокиселина в протеина, чието производство е закодирано в този участък на ДНК молекулата. Червените кръвни телца на хората с европейски произход изглеждат приблизително сферични. Същите клетки при някои африкански народи са подобни на сърпове или полумесеци. Сърповидните кръвни телца пренасят по-малко кислород и съответно причиняват един вид анемия. Освен това обаче те предоставят на организма и голяма резистентност към маларията. Едва ли може да има някакво съмнение, че да си болен от анемия е по-добре от това, да си мъртъв. Тази основна промяна във функциите на кръвта — толкова забележителна, че дори може да бъде видяна на снимки на червените кръвни телца — е резултат от промяната на един-единствен от десетте милиарда нуклеотида в ДНК молекулата на една типична човешка клетка. Все още не познаваме последствията от промените в повечето от останалите нуклеотиди.

Ние, хората, изглеждаме доста по-различно от дърветата. Без съмнение възприемаме света по много по-различен начин, отколкото това прави едно дърво. Някъде дълбоко обаче — в молекулярното сърце на живота — дърветата и човешките същества са идентични по своята същност. И те, и ние използваме протеини като ензими, които да контролират химичните процеси в нашите клетки. И нещо повече — използваме един и същи код, чрез който превеждаме информацията на нуклеиновите киселини в протеинова информация; това е валидно за абсолютно всички останали живи същества на планетата. Обичайното обяснение за това молекулярно единство гласи, че всички ние — хората, дърветата, морските дяволи, слузестите плесени и чехълчетата — сме произлезли от един-единствен, общ за всички нас акт на зараждане на живота някъде в ранната история на планетата. Как тогава са се появили тези съдбовни първи молекули?

Накратко за живота…

Взимаме един съд и в него смесваме газовете на примитивната Земя и пускаме електрически искри през тях. В сместа има водород, вода, амоняк, метан и водороден сулфид — по една случайност те всички присъстват в атмосферата на планетата Юпитер, както и в целия Космос. Искрите съответстват на мълниите, които също така е имало на древната Земя, има ги и на днешния Юпитер. В началото стените на съда, в който се осъществяват реакциите, са напълно прозрачни — първичните газове са изцяло невидими. Само след десет минути обаче вече можем да видим странен кафеникав пигмент, който се стича по тях. Вътрешността постепенно става матова, тъй като стените се покриват с плътен кафяв катран. Ако бяхме използвали ултравиолетова светлина — като симулация на ранните слънчеви лъчи — резултатите биха били повече или по-малко същите. Всъщност този катран представлява изключително богата колекция от сложни органични молекули, сред които са и съставните части на протеините и нуклеиновите киселини. Оказва се, че материята на живота може да бъде произведена много лесно.

Подобни експерименти са проведени за първи път в началото на 50-те години на XX в. от Стенли Милър, по това време докторант на химика Харолд Ури. Последният убедително показва, че ранната земна атмосфера е била богата на водород, какъвто е и целият Космос; че след това водородът се е откъснал от атмосферата на Земята (и е изчезнал в пространството), но не и от тази на масивния Юпитер; и че животът на планетата се е появил преди загубата на водорода. След като Ури предлага подобни газове да бъдат подложени на въздействието на електрически искри, веднага му поставят въпроса какъв очаква да е резултатът от такъв експеримент. „Байлщайн“, отговаря Ури. „Байлщайн“ е един огромен германски сборник в 28 тома, където са изброени всички органични молекули, известни на химиците.

Можем да създадем основните градивни единици на живота, като използваме само най-изобилно присъстващите в ранната земна атмосфера газове и почти произволен енергиен източник, който е в състояние да разрушава химични връзки. Но в нашия съд са само нотите на музиката на живота — не и самата музика. Молекулярните градивни единици трябва да бъдат събрани и подредени в правилната последователност. Животът със сигурност е нещо повече от набор аминокиселини, които изграждат протеините и влизащите в нуклеиновите киселини нуклеотиди. Но дори и при подреждането на тези строителни блокове в дълги верижни молекули вече е постигнат значителен лабораторен прогрес. В условия, близки до тези на примитивната Земя, аминокиселини са били свързани в подобни на протеини молекули. Някои от тях могат донякъде да контролират химични реакции — това, което правят ензимите. Нуклеотидите са били подредени в нишки от нуклеинови киселини с дължина от няколко десетки единици. При наличието на правилните условия в опитния съд, тези къси нуклеинови киселини могат да синтезират свои точни копия.

Досега никога не се е случвало някой да смеси газовете и водите на примитивната Земя и в края на експеримента нещо да изпълзи от опитния съд. Най-малките известни понастоящем организми — вироидите — са съставени от под 10 000 атома. Те причиняват няколко различни заболявания по култивираните растения и вероятно са се развили сравнително неотдавна от по-сложни, а не от по-прости същества. И наистина би било трудно да си представим един още по-прост организъм, който да бъде жив в какъвто и да било смисъл на думата. Вироидите се състоят почти изцяло от нуклеинови киселини, за разлика от вирусите, които имат още и протеинова обвивка. Те са просто една-единствена нишка РНК, която има или линейна, или затворена кръгова геометрия. Въпреки миниатюрните си размери, вироидите все пак процъфтяват, тъй като са безмилостни паразити, които не се спират пред нищо. Подобно на вирусите, те просто превземат молекулярните механизми на една много по-голяма от тях и безупречно функционираща клетка и я превръщат от фабрика за производство на още клетки във фабрика за производство на още вироиди.

Най-малките известни свободно живеещи организми са ПППО (подобни на плевропневмонии организми) и други подобни малки зверове. Те са изградени от около 50 милиона атома. Тъй като трябва да бъдат по-самодостатъчни, тези организми са и по-сложни от вирусите и вироидите. Но съвременните природни условия на Земята не са особено благоприятни за по-простите форми на живот. Трябва да се трудиш усърдно, за да оцелееш. Трябва да си непрекъснато нащрек за хищници. В ранните периоди от историята на планетата обаче, когато слънчевата светлина и богатата на водород атмосфера са произвеждали огромни количества органични молекули, изключително простите непаразитни организми са имали своя шанс. Първите живи същества може да са били подобни на свободно живеещи вироиди с дължина само неколкостотин нуклеотида. Експерименталната работа по създаването на подобни организми от първични материали може да започне към края на XX в. Все още има много неща, които трябва да разберем относно произхода на живота, включително и зараждането на генетичния код. Все пак сме провеждали подобни експерименти в продължение на едва трийсет години. Природата има преднина от четири милиарда години. Всъщност далеч не се справяме толкова зле.

Нищо в тези експерименти не е уникално само и единствено за Земята. Първоначалните газове и източниците на енергия са едни и същи за целия Космос. Химични реакции, подобни на тези в нашите лабораторни съдове, биха могли да са отговорни за присъствието на органична материя в междузвездното пространство и за откриваните в метеоритите аминокиселини. Подобни химични процеси би трябвало да са протекли на милиарди други светове в Млечния път. Молекулите на живота изпълват Космоса.

Но дори и животът на друга планета да има същата молекулна химия, каквато има и животът тук, няма никаква причина да очакваме да видим познати организми. Замислете се за огромното разнообразие на живите същества на Земята, и всички те споделят една и съща планета и една и съща молекулярна биология. Възможно е извънземните растения и животни да са много по-различни от всичко, което познаваме досега. Възможно е да има някаква конвергентна еволюция, тъй като е много вероятно някои проблеми на околната среда да имат само едно подходящо решение — например двете очи за бинокулярно зрение в оптичните честоти. Но като цяло, произволният характер на еволюционния процес би трябвало да създаде извънземни същества, които да са много различни от всичко, което познаваме.

Физиката и химията позволяват съществуването безброй форми на живот. Изкуството им придава известен чар. Въпреки това природата не е длъжна да се съобразява с нашите предположения.

Биологията прилича повече на историята, отколкото на физиката. Трябва да познаваш миналото, за да разбереш настоящето. И трябва да го познаваш до най-малкия детайл. Все още не разполагаме с теория, която да предскаже бъдещето на биологията, нито с такава, която да ни покаже бъдещето на историята. Причините са едни и същи — просто и двата предмета са ни до голяма степен непознати. И все пак можем да се опознаем по-добре, ако разберем други примери. Изучаването на един-единствен екземпляр на извънземен живот — независимо колко скромен би могъл да бъде той — ще извади биологията от дълбоката провинция, където се намира сега. За първи път биолозите ще разберат, че са възможни и други видове живот. Когато казваме, че издирването на извънземен живот е важно, това не означава, че ще бъде лесно да го намерим. Твърдим само, че изключително много си заслужава да го търсим.

Досега сме чули гласа на живота само на един малък свят. Но поне най-накрая започнахме да се ослушваме и за други гласове в космическата шир.

Вашият коментар