Закон «джунглей». В поисках формулы жизни. Введение. Чудеса и диковины (Ш. Б. Кэрролл, 2016)

Разбитая грунтовая дорога, официально именуемая Танзанийское шоссе B144, – ухабистый зубодробительный тракт для путешественников с хорошим мочевым пузырем, пролегающий между двумя великими чудесами Африки. Восточная оконечность шоссе упирается в величественные зеленые склоны кратера Нгоронгоро. Это гигантская кальдера шириной более 17 км, образовавшаяся в результате обрушения одного, а возможно, нескольких вулканов Великого Африканского рифта (или Восточно-Африканской рифтовой долины). В ней обитают более 25 000 крупных млекопитающих. Западнее простираются бескрайние равнины Серенгети, куда мы и направлялись в этот безоблачный день, просившийся на открытку.

Наш маршрут резко отличался от роскошных возвышенностей Нгоронгоро. Никаких источников воды не видать. Мы проезжали мимо мужчин и мальчишек из племени масаи в ярко-красных накидках-шуках; они пасли свой скот на любой ботве, какую только можно отыскать, даже самой выгоревшей. Но стоило нам миновать первые безыскусные ворота парка Серенгети, как пейзаж изменился. Масаев не видно, вместо бесплодных пустошей вокруг расстилаются желтовато-зеленые саванны, а вместо коров и коз пасутся газели Томпсона, поглядывающие, кто это поднимает тучи пыли, нарушая их трапезу.

В нашем «лэндкрузере» все оживляются. Где есть газели, там в высокой траве могли притаиться и другие звери. Мы открываем люк на крыше, выпрямляемся. У меня в голове звучат африканские ритмы из альбома Graceland Пола Саймона. Я начинаю осматриваться. Это мой первый визит в Серенгети, что в переводе с языка масаи означает «бесконечные равнины». В этом паломничестве в легендарное святилище дикой природы меня сопровождает семья, точно как в песне Саймона.

Поначалу я озадачен: где же вся живность? Да, стоит засушливый сезон, но тут слишком сухо. Не обманет ли это место наших ожиданий?

Куда ни глянь, повсюду высокотравная степь, в которой кое-где виднеются невысокие скалистые сопки. Взобравшись на их гранитные склоны, животные (или туристы) могут осмотреться на несколько километров вокруг. Есть здесь серые и красноватые термитники, возвышающиеся над травой на несколько метров. Взгляд непроизвольно цепляется за их контуры.

«Что там?» – спрашивает кто-то в салоне.

Мы берем бинокли и присматриваемся к одинокому холмику в паре сотен метров.

«Лев!»

Действительно, на холмике стоит золотистая львица и осматривает окрестности, возвышаясь над травой.

«Допустим, они тут есть, – бормочу я себе под нос. – Но это что, и есть тот самый знаменитый Серенгети?»

В самом деле, будет нелегко разглядеть что-либо в такой высокой траве. Я – единственный биолог из всей компании, не могу же я надеяться, что кому-то захочется заниматься этим «разглядыванием» дни напролет.

Мы едем дальше, кое-где попадаются островки зеленой травы и рощицы знаменитых акаций с плоскими кронами. Между зелеными полянками петляет русло ручья, воды в нем много. Мы поднимаемся на небольшую возвышенность, минуем излучину и тормозим: дальше не проехать, куда ни глянь – одни зебры и гну. Самое настоящее полосатое море. У большого водопоя собрались порядка 2000 животных, а то и больше: шум и гвалт. Крик зебры напоминает тявканье и смех: «куа-ха, куа-ха». А гну просто ворчат: «хух». Эти стада – отголосок величайшей миграции животных на планете, когда миллион гну, 200 000 зебр и десятки тысяч других животных устремляются вслед за дождями на север, к зеленым пастбищам.

Из-за возвышенности слева от нас к водопою пожаловало стадо взрослых слонов, за которыми пристроился молодняк. Стада других животных расступаются перед ними.

Отсюда Серенгети выглядит как бесконечное полотно со множеством зверей всевозможных размеров, форм и мастей. Тут и мелкие серые бородавочники, их задранные хвосты напоминают радиоантенны; не два-три, а как минимум девять видов антилоп: крошечный дик-дик, массивная канна, импала, топи, водяной козел, конгони, газель Томпсона и более крупная газель Гранта, а также вездесущие гну. Здесь и чепрачный шакал, и высоченный масайский жираф, и, конечно же, в этот день нам повстречались целых три вида больших кошек: несколько львов, разлегшийся на дереве леопард и гепард, стоявший в паре метров от дороги… Хотя я и видел много картинок и фильмов, но оказался совершенно не готов к таким завораживающим сценам, поэтому испытал подлинный трепет.

Когда я оглядываю широкую зеленую долину, полную разнообразных животных, и куда ни глянь – повсюду акации, солнце постепенно садится, и от окружающих холмов падают длинные тени, меня охватывает странное, но приятное чувство: я впервые в Танзании, но я почувствовал себя дома.

Действительно, это дом. Вдоль всего Восточно-Африканского рифта разбросаны кости наших пращуров и прапращуров. Между кратером Нгоронгоро и Серенгети вклинилось Олдувайское ущелье – извилистый лабиринт бесплодных земель, протянувшийся на 40 км. Именно на выветренных склонах Олдувая (всего примерно в 4 км от нынешней трассы B144) Мэри и Луис Лики (и их сыновья) после многолетних поисков открыли не один, не два, а три вида ископаемых гоминид, обитавших в Восточной Африке 1,5–1,8 млн лет назад. В 40 милях к югу, в Летоли, Мэри и ее группа открыли отпечатки ног, оставленные 3,6 млн лет назад нашим предком – австралопитеком афарским. Мозг австралопитеков еще был мал, но они уже стали прямоходящими.

Эти добытые тяжким трудом кости гоминид были драгоценными иголками в целом стоге окаменелостей других животных. Поэтому мы знаем, что, хотя действующие лица и изменились, развернувшаяся тогда драма продолжается и сегодня, на наших глазах. Резвые травоядные стремятся уберечься от разнообразных коварных хищников. Эта борьба продолжается тысячелетиями. Вокруг Олдувая обнаружены кучки древних каменных орудий, а на разбросанных здесь костях остались рубцы от разделки. Таким образом, наши предки были не просто зрителями, а активными участниками этого действа.

Человеческая жизнь за минувшие тысячелетия невероятно изменилась, но наиболее стремительные перемены пришлись на последнее столетие. На протяжении почти всей двухсоттысячелетней истории нашего вида Homo sapiens мы оставались во власти биологии: собирали плоды, орехи и растения; охотились и рыбачили; подобно гну и зебрам, откочевывали на новое место, когда на прежнем ресурсы начинали иссякать. Даже с возникновением земледелия и цивилизации, с развитием городов мы по-прежнему оставались очень уязвимы для капризов погоды, страдали от голода и эпидемий.

Но всего за пару сотен лет мы переломили ход событий и одолели биологию. Вирус оспы, погубивший в первой половине XX в. не менее 300 млн человек (гораздо больше, чем погибло во всех войнах вместе взятых), был не только укрощен, но и практически стерт с лица земли. Туберкулез – бактериальное заболевание, которым в XIX в. инфицировались 70–90 % всех горожан. Туберкулез убивал по меньшей мере каждого седьмого американца, а сегодня в развитых странах он почти искоренен. В настоящее время существует более двух десятков вакцин от заболеваний, которые когда-то поражали, калечили и убивали людей миллионами, в том числе вакцины от полиомиелита, кори и коклюша. Смертельные заболевания, которые в XIX в. еще не существовали, – например, ВИЧ/СПИД – уже сегодня отступают перед инновациоными препаратами.

Заготовка пищи преобразилась не менее радикально, чем медицина. Древнеримский крестьянин вполне узнал бы крестьянский инвентарь, использовавшийся в 1900 г., – плуг, мотыгу, борону, грабли, – но и помыслить не мог о той революции, которая впоследствии произошла. Всего за 100 лет средний урожай кукурузы увеличился более чем вчетверо – с 22 до 97 центнеров с гектара. Аналогичный прирост был достигнут для пшеницы, риса, арахиса, картофеля и других культур. Благодаря развитию биологии с появлением новых сортов зерновых, пород скота, инсектицидов, гербицидов, антибиотиков, гормонов, удобрений, а также благодаря механизации прежние сельскохозяйственные угодья позволяют прокормить увеличившееся вчетверо население. Однако при этом в сельском хозяйстве занято менее 2 % трудоспособного населения, тогда как 100 лет назад более 40 % людей трудились на земле.

Медицинские и агротехнические достижения прошлого века оказали колоссальный суммарный эффект на биологию человека. Население планеты стремительно увеличилось с 2 млрд человек в начале прошлого века до сегодняшних более чем 7 млрд. Человечеству понадобилось 200 000 лет, чтобы превысить численность в 1 млрд (это произошло в 1804 г.), а теперь каждые 12–14 лет число людей увеличивается на 1 млрд. Ожидаемая продолжительность жизни американцев, родившихся в 1900 г., составляла 46 лет для мужчин и 48 – для женщин. Для тех, кто родился в 2000 г., эти показатели равны соответственно 74 и 80 годам. По сравнению с темпами изменений в дикой природе такой двукратный прирост за столь краткий период ошеломителен.

Как верно отметил Пол Саймон, «настали времена чудес».

Законы и правила

Нашим господством, нашей властью над растениями, животными и человеческим телом мы обязаны тому, что научились контролировать биологию на молекулярном уровне, и число этих знаний и сегодня растет лавинообразно. Однако самый важный усвоенный нами урок о человеческой жизни на молекулярном уровне таков: все подчинено правилам. Вот что имеется в виду под данным общим тезисом.

• Все молекулы в организме – от ферментов и гормонов до липидов, солей и других соединений – присутствуют в определенной концентрации. Так, некоторые молекулы встречаются в крови в 10 млн раз чаще молекул других веществ.

• Все виды клеток в организме – эритроциты, лейкоциты, клетки кожи, слизистая оболочка кишечника, а также клетки еще более чем 200 других тканей – порождаются и существуют в организме в определенном количестве.

• Все процессы в организме – от деления клеток до расщепления сахара, овуляции и сна – регулируются определенным веществом или набором веществ.

Оказывается, что большинство болезней возникают в результате сбоя этих процессов, когда возникает недостаток или избыток тех или иных веществ. Например, когда поджелудочная железа синтезирует слишком мало инсулина, возникает диабет. А когда в крови накапливается слишком много «вредного» холестерина, может начаться атеросклероз и случиться сердечный приступ. Когда выходит из строя механизм, регулирующий нормальное деление клеток, может развиться рак.

Чтобы бороться с болезнью, мы должны знать, каким законам она подчиняется. Задача молекулярного биолога (этим термином я именую любых ученых, изучающих жизнь на молекулярном уровне) – выяснить, какие «игроки» (молекулы), если выражаться спортивным языком, вовлечены в тот или иной процесс и по каким правилам они «играют». В течение последних пятидесяти с лишним лет мы изучали законы, от которых зависит уровень различных веществ в организме – разнообразных гормонов, сахара в крови, холестерина, нейровеществ, желудочной кислоты, гистаминов, – а также кровяное давление, иммунитет к патогенам, деление клеток в различных тканях и многое другое. Множество Нобелевских премий по физиологии и медицине было вручено за открытие таких «игроков» и «правил», которым они подчиняются.

Сегодня аптечные полки заставлены плодами полученных знаний. Вооружившись информацией о молекулярной природе биологической регуляции, мы разработали массу лекарств, нормализующих уровни критически важных молекул или типов клеток, возвращающих их концентрацию в нормальный, «здоровый» диапазон. Действительно, большинство из 50 важнейших фармацевтических препаратов (суммарная выручка от продажи которых в 2013 г. составила 187 млрд долл.) непосредственно связаны с революцией в молекулярной биологии.

Когорта молекулярных биологов, к которой принадлежу и я, по праву гордится своим общим вкладом в человеческое долголетие и качество жизни. Драматические достижения в расшифровке информации генома человека предвосхищают новую волну прорывных открытий в медицине, поскольку позволяют разрабатывать более избирательные и мощные препараты. Революция в понимании тех правил, которым подчиняется наша биология, будет продолжаться. Одна из целей данной книги – рассмотреть эту революцию в ретроспективе и подумать, куда она нас ведет.

Но жизнь подчиняется законам не только на молекулярном уровне, а молекулярная биология – не единственная биологическая дисциплина, преобразившаяся за последние полвека. Биология стремится понять законы, управляющие жизнью на всех уровнях. Наряду с вышеупомянутой революцией в биологии совершается еще одна революция, правда, менее заметная. За ней стоят биологи, открывающие законы природы в гораздо более крупных масштабах. Эти законы не менее важны для нашего благополучия в будущем, чем любые механизмы молекулярной биологии, которые мы когда-либо можем открыть.

Закон джунглей

Вторая революция началась, когда некоторые биологи задались простыми, казалось бы, даже наивными вопросами: «Почему наша планета зеленая?», «Почему животные едят не всякую пищу?», «Что происходит, когда некоторые животные покидают места обитания?» Поиск ответов на эти вопросы позволил понять, что существуют не только молекулярные законы, регулирующие содержание различных молекул и клеток в организме, но и законы экологические, регулирующие количество и биоразнообразие животных и растений в любом месте.

Я назову эти экологические правила «законом джунглей», поскольку именно в дикой природе их удалось хорошо документировать в ходе героических долгосрочных исследований, а также потому, что эти законы определяют, например, сколько львов или слонов может существовать в африканской саванне, и они же помогают нам понять, что произойдет, если львы покинут свои охотничьи угодья.

По этим законам живут не только в джунглях. Они действуют во всем мире: на суше, в океанах, озерах и т. д. Я с тем же успехом мог назвать их «законом озера Эри», но этот вариант звучит не так пафосно. Эти законы одновременно удивительны и глубоки: удивительны потому, что объясняют неочевидные взаимосвязи между живыми существами, а глубоки потому, что определяют способность природы порождать животных, растений, деревья, давать чистую воду и чистый воздух, которые нам жизненно необходимы.

Однако если молекулярные законы человеческой биологии мы активно используем в медицине, вкладываем в это огромные средства, то закон джунглей практически не учитывается и не применяется в человеческой деятельности. Прежде чем любой препарат будет одобрен для лечения человека, он должен пройти целый ряд строгих клинических испытаний, оценивающих его эффективность и безопасность. Эти исследования проверяют не только потенциал препарата в плане лечения того или иного состояния, но и возможные побочные эффекты, взаимодействие лекарства с иными веществами в организме, участие в других процессах. Критерии допустимости очень строгие: около 85 % тестируемых препаратов не выдерживают клинических испытаний. Такая значительная отбраковка объясняется, в частности, наличием побочных эффектов, часто присущих лекарствам, вызывающим резкую негативную реакцию врачей, пациентов, компаний и регулирующих органов.

Но на протяжении большей части XX века на большей части территории нашей планеты люди хищнически охотились и рыбачили, распахивали и выжигали ландшафты, а также селились, где хотели, почти или совершенно не учитывая побочных эффектов, связанных с изменением численности различных видов или с разрушением экосистем. Когда наша численность превысила 7 млрд человек, эти побочные эффекты стали упоминаться в тревожных заголовках.

Например, еще 50 лет назад в мире обитало 450 000 львов, а сегодня их численность сократилась до 30 000. Царь зверей, некогда рыскавший по всей Африке, а также в Индостане, исчез в 26 странах. Сегодня 40 % африканских львов обитают на территории Танзании, одним из последних убежищ для них стал парк Серенгети.

Аналогичная картина наблюдается и в океанах. Акулы господствовали в морях 400 млн лет, но лишь в последние 50 лет их популяция во всех регионах мира сократилась на 90–99 %. Сегодня 26 % акул, в том числе большая рыба-молот и китовая акула, находятся под угрозой исчезновения.

Кое-кто может сказать: «Ну и что? Мы побеждаем, они проигрывают. Такова природа». Но природа не такова. Человек заболевает, если уровень какого-либо критически важного вещества слишком снижается или повышается. Сегодня мы понимаем, что закон джунглей действует точно так же и целые экосистемы могут «заболеть», если популяции некоторых организмов чрезмерно сократятся или разрастутся.

Накапливаются факты, свидетельствующие, что глобальная экосистема нездорова или по меньшей мере очень истощена. Один из критериев, разработанных учеными, – это общий экологический след человеческой деятельности, складывающийся из выращивания продовольственных и технических культур, выпаса скота, заготовки леса, рыболовства, строительства инфраструктуры для жилья и получения энергии, сжигания топлива. Затем экологический след можно сравнить с общей продуктивностью планеты. В результате получается один из самых простых, но красноречивых графиков, попадавшихся мне в научной литературе (рис. 2).

Пятьдесят лет назад, когда на Земле жило около 3 млрд человек, мы ежегодно потребляли около 70 % ресурсов, ежегодно производимых Землей. Этот график преодолел отметку 100 % в 1980 г., а сегодня остается на уровне примерно 150 %. Это означает, что нам нужно полторы такие планеты, как Земля, для возобновления ресурсов, которые мы тратим ежегодно. Как отмечают авторы этого исследования, которое теперь также стало ежегодным, у нас в распоряжении всего одна Земля.

Мы обуздали биологию, но не самих себя.

Рис. 2

Тенденция изменения экологических потребностей человечества по сравнению с продуктивностью Земли. В настоящее время перерасход запасов, которые способна восстановить планета, составляет примерно 50%

Рисунок взят из работы Wackernagel, M., N. B. Schulz, D. Deumling, A. C. Linares et al. (2002) “Tracking the Ecological Overshoot of the Human Economy.” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 99: 9266–9271. © 2002 National Academy of Sciences

Законы для жизни

Как бы предвзято ни звучало это утверждение из уст биолога, то огромное влияние, которое биология оказала на нашу жизнь за прошлый век, доказывает, что именно эта естественная наука наиболее важна для человеческой деятельности. Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем биология будет играть ключевую роль в обеспечении растущего населения пищей, лекарствами, водой, энергией, жильем и средствами к существованию.

Любой биолог, понимающий в экологии, глубоко обеспокоен растущим «нездоровьем» планеты, тем, как все сложнее ей становится обеспечивать необходимым нас, не говоря уже о других созданиях. Не будет ли трагической иронией судьбы то, что мы будем все быстрее открывать новые лекарства против всевозможных молекулярных и микроскопических смертельных опасностей, в то же время оставаясь в блаженном или осознанном неведении о том, как устроен наш общий дом в макроскопическом масштабе? Несомненно, большинство пассажиров «Титаника» больше интересовались обеденным меню, чем тем, на какой широте и с какой скоростью идет их судно.

Итак, ради нашего общего блага давайте разберемся во всех законах природы, а не только в тех, которые касаются нашего организма. Лишь при условии, что мы станем глубже понимать экологические законы и научимся руководствоваться ими, у нас появится шанс обратить побочные эффекты нашей деятельности, возникающие по всему земному шару.

Но я собирался обсудить на страницах этой книги не только определенные законы, сколь бы практичны и актуальны они ни были. Знания о них – результат упорных и до сих пор не оконченных исканий, цель которых – понять устройство жизни. В частности, я собираюсь рассказать об этих исканиях, а также о радости, связанной с совершением открытий. Я считаю, что наука предстанет перед нами гораздо более увлекательной, понятной и запоминающейся, если мы проследуем за учеными со всего мира в их лаборатории, понаблюдаем за их терзаниями и триумфами. Эта книга целиком состоит из историй о людях, которые, не боясь испытаний, брались за разгадку великих тайн и достигали выдающихся результатов.

В результате их открытий мы не просто получили более подробные руководства по эксплуатации человеческого организма либо тех или иных экосистем. Одно из всеобщих убеждений о биологии (несомненно, сложившееся по вине биологов и составителей экзаменов по биологии) заключается в том, что для понимания жизни необходимо оперировать огромными массивами фактов. Как выразился один биолог, жизнь являет, казалось бы, «практически бесконечное множество частностей, которые приходится сортировать в индивидуальном порядке». Здесь я также собираюсь показать, что это не так.

Когда мы размышляем об устройстве человеческого организма или о сцене, которую я наблюдал в Серенгети, нас просто ошеломляет количество деталей: элементы кажутся слишком многочисленными, а их взаимодействия – чересчур сложными. Сила небольшого набора общих правил, которые я опишу здесь, заключается в том, что они позволяют свести все сложные феномены к простой логике жизни.

В частности, эта логика поясняет, как наши клетки или организмы «узнают», что нужно уменьшить или нарастить синтез того или иного вещества. Та же логика объясняет, почему увеличивается или уменьшается популяция слонов в саванне. Итак, пусть даже конкретные молекулярные или экологические законы отличаются, общая логика едина для всех и вся. Я считаю, что, понимая эту логику, мы значительно лучше осознаем, как устроена жизнь на различных уровнях: уровне молекул, людей, слонов или экосистем.

Надеюсь, что каждый читатель этой книги почерпнет в ней вдохновение и свежий взгляд на жизнь: взгляд на чудеса жизни в различных ее масштабах, вдохновение от историй об удивительных людях, бравшихся за разгадку великих тайн и в результате совершавших открытия, а также о тех немногих, чьи значительные достижения помогли изменить мир к лучшему.

Проведя пять дней в Серенгети, мы повстречали все виды крупных млекопитающих, кроме одного… Когда мы ехали назад через желто-зеленые саванны, на горизонте, как по заказу, возник новый силуэт с хорошо заметным характерным рогом – черный носорог. Во всем парке Серенгети обитает всего 31 носорог, встречи с этим зверем редкие и захватывающие. Но учитывая, что некогда здесь обитали более 1000 этих животных, подобные встречи служат грустным напоминанием о стоящих перед нами проблемах. Хотя мы знаем, по каким законам работает человеческая эрекция, и ее могут обеспечить как минимум пять разных недорогих препаратов, носорога до сих пор истребляют за его рог, который считается в восточной медицине драгоценным афродизиаком.

Мы живем в чудесные и диковинные дни

Не плачь, малышка, не плачь

Не плачь.