Kitabı oku: «Краткая естественная история цивилизации», sayfa 2

В этой книге рассматриваются три основные взаимосвязанные темы. Во-первых, самая старая битва на Земле между конкуренцией и сотрудничеством. Сотрудничество стимулирует инновации, от формирования культурных групп до промышленных и информационных революций. Более того, сотрудничество является единственным выходом из нынешнего глобального экологического кризиса. Историки, экологи и эволюционные биологи традиционно сосредотачивались на отрицательных конкурентных и хищнических взаимодействиях, обычно упуская из виду ту важную роль, которую в эволюции человека и развитии цивилизации сыграло сотрудничество.

Во-вторых, коэволюция организмов, например травоядных и хищников в их эволюционной гонке вооружений, является распространенной силой, прямо и косвенно регулирующей и контекстуализирующей всю жизнь на Земле, включая человечество. Граница между прямыми и косвенными взаимодействиями размыта, но упрощенно, прямые коэволюционные взаимодействия – это отношения между нами и обитающими вместе с нами организмами, в то время как косвенные взаимодействия – это то, как на нас влияют коэволюционные взаимодействия между другими организмами. Например, наши сложные мутуалистические взаимоотношения с микроорганизмами поддерживают нас здоровыми и живыми, в то время как наши взаимоотношения с растениями и животными приводили к их одомашниванию, сельскохозяйственным революциям и нашей утренней прогулкой со своей собакой. Между тем продукты химической защиты эволюционной гонки вооружений между растениями и их потребителями косвенно дали нам фармацевтические препараты и духовность.

В-третьих, самоорганизация и иерархический контроль дополняют симбиогенез и коэволюцию, придавая больше детерминизма экологическим и эволюционным процессам, моделям и системам. Этот пространственный и временной детерминизм предоставил дорожную карту или шаблон естественной истории для эволюции людей и возникновения цивилизации.

Результат этих эволюционных процессов не ограничивается цивилизацией, которую мы можем оперативно определить как организацию людей, ведущую ко все более развитым культуре, науке, промышленности и управлению. Мы можем также определить цивилизацию проще, как противоположность варварству, анархии или хаосу – терминам, определяющим отсутствие общественной организации. Если люди, как и всякая другая жизнь на Земле, являются продуктом естественной самоорганизации, отбора эгоистичных генов и сотрудничества, то и саму цивилизацию можно рассматривать сквозь призму естественной истории.

Выводя развитие цивилизации от предшествовавших ей расширенных семейных групп охотников-собирателей к крупномасштабной организации человеческих усилий, ставших возможными благодаря сельскохозяйственным и технологическим революциям, мы обнаружим, что ныне наш биологический вид перекрывает значительную часть природного контроля – во многих областях теперь мы контролируем природу, а не наоборот. Таким образом, органическая связь между естественной и человеческой историей привела не только к эволюции цивилизации, но и к деградации создавших нас природных систем. В определенной мере недавнее глобальное распространение эпохи антропоцена, геологической эры воздействий человечества на планетарные закономерности, перевернуло условия естественной истории, и люди стали самым влиятельным внутренним агентом нарушений, которые когда-либо видела Земля. Как когда-то природа определяла развитие человечества, так люди сейчас определяют будущность природы и жизни на нашей планете.

Часть I
Жизнь: откуда мы пришли

Космос внутри нас. Мы созданы из звездной материи. Мы – способ Вселенной познать саму себя.

Карл Саган

Глава 1
Кооперативная жизнь

То, как мы определяем человечество, оказывает глубокое и долговременное влияние на то, как мы определяем жизнь, цивилизацию, мир, Вселенную и саму науку. Например, если человечество определяется как особо привилегированный вид, то продолжительность жизни человека становится мерой, по которой определяется возраст даже Вселенной, а человеческое тело делается эталоном ее размера. Такой стандарт привел к возникновению разнообразных путаных человеческих идей: Земля, созданная за шесть дней; Земля, Вселенная и все в ней, существующее всего 6000 лет; Земля, как плоский диск в центре Вселенной, простирающийся лишь до пределов нашего взгляда; и человеческая цивилизация как вершина особого творческого, волевого гения, не похожего ни на что-либо сущее.

Естественная история свергает человечество с этого привилегированного трона над всей жизнью и материей. Что происходит с нашим пониманием Вселенной и жизни, если человечество это не избранный вид или золотая середина между ангелами и животными, а скорее обладающий большим мозгом продукт физических и биологических процессов, протекающих миллиарды лет? Что значит сказать, что люди, в буквальном смысле слова, просто сосуды, построенные из и содержащие множество сотрудничающих и конкурирующих между собой микроорганизмов? Что такое естественная история цивилизации, если цивилизация просто результат процесса, посредством которого человеческое общество достигает продвинутой стадии социального развития и организации, свойств, общих для всех биологических видов на нашей планете?

Чтобы ответить на эти вопросы, сначала нужно рассказать другую историю – историю нашего возникновения, объясняющую также и то, как возникли наши домашние питомцы и живущие на них насекомые, и деревья вокруг нас, и бактерии повсюду кругом, и даже химические вещества, составляющие асфальт, по которому мы ездим. История жизни на Земле – это всего лишь одна глава из истории, начавшейся миллиарды лет назад и которая будет продолжаться и после нас, поскольку это история процессов самоорганизации, лежащих в основе бытия, физики и химии, описывающих все сущее.

Это грандиозные и тревожащие некоторых из нас суждения. Потребуется время, чтобы они повлияли на нашу философию. Однако перед этим мы проследим историю с самого начала, чтобы увидеть, как развитие Вселенной привело к развитию жизни, человечества и даже цивилизации.

Начало Вселенной

Четырнадцать миллиардов лет назад наша Вселенная возникла в результате космического события невообразимого масштаба. Это событие породило атомы, которые самоорганизуются с тех пор посредством физических и биологических процессов, образуя галактики и высших приматов, планеты и растения, звезды в космосе и морские звезды. Мы тоже являемся продуктами этого непрерывного, постоянно развивающегося процесса.

Вплоть до XVIII столетия богословы на основании генеалогии Ветхого Завета считали, что Сотворение мира произошло приблизительно 6000 лет назад. Затем такие передовые мыслители, как Джеймс Хаттон, Чарльз Лайель и лорд Кельвин, начали изучать скалы, опираясь преимущественно на заключения геологии, а не на Библию. Отец современной геологии и концепции глубокого геологического времени Хаттон проанализировал шотландские скальные образования и оценил возраст Земли в миллионы лет. Из своих наблюдений Хаттон также вывел теорию униформизма, согласно которой процессы, формирующие облик Земли сегодня, формировали Землю и в прошлом. Затем Лайель популяризировал взгляды Хаттона в своей фундаментальной монографии «Основные начала геологии», где он оценил возраст Земли в пределах от 300 до 400 миллионов лет, а лорд Кельвин, анализируя скорость охлаждения расплавленной горной породы, принял возраст Земли в диапазоне от 20 до 40 миллионов лет. Радиоактивное датирование Артура Холмса 1913 г. вновь спутало карты. Изучая естественные радиоактивные изотопы и скорости их распада, Холмс и другие исследователи сумели использовать радиоактивный распад вещества как молекулярные часы. Радиоактивный распад по сей день остается самым точным и адекватным инструментом для расчета глубокого геологического времени. С помощью этой методики Холмс подсчитал, что Земле 1,6 миллиарда лет, и по мере улучшения методов наблюдения и анализа эта цифра увеличивалась. В настоящее время научное сообщество сходится в том, что Земле около 4,5 миллиарда лет, а возраст самой Вселенной, оцениваемый по возрасту попадающих на Землю внеземных пород и на основе анализа расстояний от Земли до различных галактик и скоростей их движения, составляет 14 миллиардов лет⁸.

По мере изменения наших оценок возраста Вселенной менялись и наши теории относительно ее происхождения. В 1927 г. бельгийский священник и профессор физики Жорж Леметр опубликовал статью, где утверждал, что Вселенная является результатом первоначального взрыва, после которого она продолжает расширяться. Эта теория, первоначально названная Леметром «космическим яйцом», не привлекла внимания, пока не была переиздана на английском языке в 1931 г. – через два года после того, как как американский астроном Эдвин Хаббл опубликовал аналогичную статью, где обсуждалось расширение Вселенной. Хотя название этой теории как «Большой взрыв» появилось позже, первенство относительно этой идеи отдают Хабблу, несмотря на опубликованную раньше работу Леметра⁹.

То, что Вселенная и все сущее в ней началось в чрезвычайно плотной точке, от которой она продолжает расширяться, может быть дополнительно подтверждено общей теорией относительности Эйнштейна 1915 г., хотя эта теория не может объяснить действительную физику Большого взрыва. В новых теориях, где осуществляются попытки скорректировать уравнения Эйнштейна и решить эту проблему, предполагается, что Вселенная может быть бесконечной, без начала и конца, но эти чрезвычайно интересные исследования менее важны для наших целей, чем организующие механизмы, приведенные в движение Большим взрывом¹⁰.

Астрофизики считают, что после Большого взрыва Вселенная была заполнена простейшими атомами и субатомными частицами. Эти частицы и простые атомы гелия и водорода сталкивались и со временем соединялись и сливались во все более сложные элементы, такие как углерод и кислород. Те, в свою очередь, взаимно притягивались и отталкивались в силу своих атомных зарядов с образованием молекул, таких как вода. Подобные трансформации происходили в течение сотен миллионов и даже миллиардов лет.

Наша планета сформировалась в содержащей миллиарды звезд галактике, когда одна из звезд закончила свою жизнь в результате мощного взрыва, послав ударные волны в межзвездное пространство. Ударные волны воздействовали на пылевое облако, уплотнив его, что ускорило его гравитационный коллапс. Первоначальное облако было асимметричным, поэтому пыль стала вращаться. Это вращение заставило пылевое облако сжаться в диск. В его центре гравитационный коллапс образовал протозвезду, где по достижении достаточной массы запустились термоядерные реакции, сделавшие звезду сияющей. Остающиеся во вращающемся диске частицы сталкивались, образуя камешки, превращавшиеся в камни, которые затем сливались, образуя планетозимали. Самые крупные из них вобрали оставшиеся газ и пыль и превратились в планеты, гравитационно взаимодействовавшие друг с другом и новой звездой, смещая свои орбиты, пока в конечном итоге не была достигнута квазистабильная конфигурация. Таково было происхождение Земли и Солнца. Позже я поставлю необходимый вопрос: Разумно ли предполагать, что жизнь явилась единичным событием, ввиду огромного числа звездных систем и планет, созданных теми же механическими процессами?

Компоненты жизни

После того, как Земля стабилизировалась в форме планеты, началось ее охлаждение, по мере которого сформировалась каменная кора и сконденсировались водяные пары, выделяющиеся при извержении вулканов и при ударах метеоритов. Вулканическая активность также производила газы с основными ингредиентами жизни – углеродом, водородом, кислородом и азотом – наряду с токсичными газами, такими как аммиак и метан. Ранняя земная атмосфера состояла полностью из этих газов без свободного кислорода. В этом «первичном бульоне» органические молекулы вовлекались в те же процессы, что и после Большого взрыва: столкновение, концентрация и самоорганизация с образованием более сложных молекул.

Земля теперь была полна разнообразных элементов, необходимых для жизни, но что бы могло инициировать скачок от органических и неживых комбинаций в живые сообщества? До середины XIX века этот сдвиг объясняли самопроизвольным зарождением: жизнь порождалась независимо. Люди указывали на классический случай личинок и плесени, появляющихся, как кажется, самопроизвольно в гниющем хлебе. Демонстрация Луи Пастером предотвращения такого «самозарождения» просто кипящей водой пролила свет на существование микроорганизмов и микромира. Было положено начало изучению «абиогенеза» – процесса превращения неживой материи в живую. Абиогенез являлся областью активных исследований более полувека и породил две основные школы научной мысли. Первая поддерживает гипотезу панспермии: жизнь, определяемая как самовоспроизводящиеся сложные молекулы, прибыла на Землю из космоса с астероидами или кометами. По убеждению сторонников второй, микроскопическая жизнь впервые возникла на Земле на основе собственных изначальных физических и химических условий.

Хотя гипотеза панспермии имеет своих сторонников, трудно представить, как изначальная жизнь смогла проникнуть в агрессивную атмосферу и перенести экстремальные физические условия ранней Земли¹¹. Более того, если бы панспермия случалась более одного раза, то в генетической сигнатуре жизни на Земле присутствовали бы множественные генетические предки. Вместо этого данные секвенирования ДНК показывают, что вся жизнь на Земле имеет общего генетического предка, то есть мы все следуем одной и той же генетической инструкции. И, наконец, разочаровывает, что теория панспермии просто отодвигает в сторону цель в вопросе о том, как возникли самовоспроизводящиеся сложные молекулы. Доказательства гипотезы о внеземном происхождении жизни в значительной мере теоретические, не имеющие эмпирической или экспериментальной поддержки.

И напротив, вторая гипотеза о зарождении жизни на Земле благодаря химической самоорганизации получает все более сильную экспериментальную поддержку. В 1950-х гг. Стэнли Миллер, еще будучи аспирантом, стремился воспроизвести условия ранней Земли в лаборатории (Рисунок 1.1). Работая под началом своего научного руководителя, лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри, Миллер собрал стеклянную установку, содержавшую воду, аммиак, метан и водород – смесь, считавшуюся в то время приближенной к ранней земной атмосфере. Жидкость нагревалась пламенем для имитации условий вулканически активной планеты, а электрические разряды моделировали молнии. Через несколько дней вода стала темно-красной: Миллер создал бульон, названный «первичным бульоном», из аминокислот, необходимых для зарождения жизни. За последние два десятилетия проводились разные другие эксперименты, моделирующие ранние земные условия, особенно подобные тем, что существуют в окружении глубоководных гидротермальных источников.

Рисунок 1.1. Стэнли Миллер, отец химической гипотезы происхождения жизни. Простые эксперименты Миллера показали, что ключевые органические соединения могут быть синтезированы из неорганических веществ путем простой химической самоорганизации.(Документы Стэнли Миллера, Специальные коллекции архивы Университета Калифорнии в Сан-Диего).

По мере остывания Земли ее облик стал намного больше походить на сегодняшний, с твердой корой и мантией вокруг горячего, жидкого, термоядерного ядра. Сходное по температуре с Солнцем, это ядро остается горячим вследствие радиоактивного распада, подобно массивному термоядерному реактору. Взаимодействия между этим ядром и более холодной поверхностью коры и водой приводят в движение континентальные плиты. Когда они сталкиваются, могут образовываться горные хребты, а когда расходятся, компоненты мантии и ядра могут попадать на поверхность Земли. Эти воздействия и перемещения мантийного материала на поверхность могут приводить к появлению наземных образований, подобных Гавайским островам, или гидротермальных источников, наподобие используемых для получения энергии в Исландии, где сталкиваются Европейская и Североамериканская литосферные плиты.

Гидротермальные источники привлекают внимание ученых с момента их открытия в 1949 г., и им обязаны некоторые из наиболее важных научных открытий прошлого века. Если все другие экосистемы на Земле питаются солнечной энергией, экосистемы, развившиеся в гидротермальных источниках и вокруг них, питаются тепловой и химической энергией, выделяющейся в ходе ядерных реакций в ядре Земли – являющихся, в свою очередь, остатками породившего Вселенную Большого взрыва. В гидротермальных источниках при высоких давлениях и температурах могут образовываться более сложные органические соединения, такие, как сахара и аминокислоты¹². Существующие в настоящее время сообщества уникальных организмов, зависимых от гидротермальных источников и обитающих вблизи них, базируются на хемосинтезирующих, а не на фотосинтезирующих бактериях. Бактерии в экосистемах гидротермальных источников превращают газообразные водород, диоксид углерода или метан в органическое вещество, используя их же в качестве источника энергии. Такие «аноксигенные» или бескислородные условия поразительно похожи на условия ранней Земли. Так что как гидротермальные источники, так и эксперименты, подобные миллеровской склянке, могут временами выступать в роли «телескопов времени» для изучения происхождения жизни.

Используя данные этих телескопов, мы можем предположить, что жизнь началась в химически богатой, высокотемпературной, бескислородной среде, подобной имеющейся в гидротермальных источниках, где обычно образуются сложные молекулы. Вероятно даже, что эти гидротермальные источники и были тем местом, где посредством самоорганизации впервые возникла жизнь. Но на сегодняшний день сложные молекулы – это все, что ученые смогли синтезировать в лабораторных условиях – им так и не удается воссоздать с нуля самовоспроизводящиеся органические молекулы, знаменующие первый момент жизни и являющиеся краеугольным камнем эволюции.

Но как же организовались сложные молекулы, чтобы из них сформировались самовоспроизводящиеся протоорганизмы, сырье для естественного отбора? Или, проще говоря, когда молекулы самоорганизовались, чтобы инициировать жизнь? Помимо всего прочего, определяющим маркером «жизни» является способность самовоспроизводиться и размножаться. Были предложены две теории. Согласно первой, самореплицирующиеся молекулы или нуклеиновые кислоты формировались из тех же аминокислот, образовывавшихся в естественных условиях, сходных с созданными в экспериментах Миллера и Юри и подобных им, и что эти молекулы затем подвергались естественному отбору. Но в рамках этой гипотезы требуется, чтобы сложные самовоспроизводящиеся молекулы, такие как РНК (контролирующая развитие и метаболизм), сформировались прежде, чем будет задействован организующий и контролирующий жизнь метаболизм или источник подпитки ее энергией.

Во второй теории сценарий переворачивается. Предполагается, что первоначально самоорганизуется энергетический метаболизм, а затем запускается производство самореплицирующихся молекул. Таким образом, самореплицирующиеся молекулы эволюционировали для управления этой энергией и сделали метаболизм подверженным естественному отбору, в то время как энергией они подпитывались за счет тепла гидротермальных источников. Идея «сначала метаболизм», элегантно изложенная Ником Лейном из Университетского колледжа Лондона в книге «Лестница жизни»¹³, в настоящее время является предпочтительной гипотезой¹⁴.

Но выяснение предположительного ответа о происхождении жизни не решает загадку ее удивительного разнообразия. Каким образом общее генетическое происхождение столь различающихся видов, как морские ежи, кондоры и люди, привело к такому разнообразию? Как различие произошло от сходства?

Конкуренция… и сотрудничество

Впервые сформулированный Чарльзом Дарвином принцип естественного отбора является основой эволюционного процесса, посредством которого любая наследуемая характеристика индивида, позволяющая ему производить более успешное потомство, будет распространена на его потомков и, в конечном счете, на всех особей вида. Традиционно естественный отбор связывают с понятием конкуренции, поскольку конкуренция – это та арена, где наследственные характеристики испытываются и проверяются, достойны ли они дальнейшей передачи или отсеивания. По сути, если угодно, теория эволюции – это свободный рынок.

Эта традиционная концепция привлекательна своей объяснительной силой и простотой. Например, следуя нашей ранней истории жизни, первоначальные самореплицирующиеся протоорганизмы размножались в больших популяциях, создававших в конечном итоге нагрузку на химические ресурсы в своих экосистемах, своих местах обитания. По мере сокращения ресурсов самовоспроизведение могло продолжаться только в том случае, если некоторые представители этого вида адаптировались, получая преимущество против своих конкурентов. Изменения среды обитания могут приводить к формированию разных видов, основным катализатором здесь служит конкуренция.

Теперь мы знаем, что эта модель неполна и недостаточна. Безусловно, конкуренция является важной движущей силой для дифференциации и эволюции биологических видов, но она не единственный фактор. За последние полвека ученые разрабатывали все более подробные теории, подкрепляемые все более убедительными доказательствами исключительно важной роли сотрудничества в эволюции жизни. Как мы увидим снова и снова, сотрудничество присутствовало во всех критических точках истории жизни на нашей планете, оно также часто являлось ответом на конкурентное противостояние, подталкивалось им. И действительно, имеется много примеров сотрудничества, перевешивающего преимущества конкуренции в этих основных поворотных моментах – в самом происхождении эукариотических клеток и многоклеточной организации; эволюции группового поведения в косяках рыб, стадах пасущихся млекопитающих или колониях мидий, направленного на борьбу с хищниками и преодоление конкурентов. Это древние обязательные ассоциации микроорганизмов с растениями и животными (включая человека), а также сотрудничество людей для получения групповых выгод, максимизирующих воспроизводство и рост населения. Эти взаимные механизмы создали мир таким, каким мы его знаем.

Продолжая изучение этого столь необходимого пересмотра теории эволюции Дарвина, мы не можем не познакомиться с иконоборческим мыслителем Линн Маргулис, одним из самых креативных и противоречивых микробиологов XX века¹⁵. В 1970 г. Маргулис предоставила убедительные доказательства симбиотического происхождения клеток растений и животных («эукариотических» клеток, содержащих органеллы) от описанных ранее древних бактерий. Эта общая идея существовала уже почти столетие, но не была подтверждена данными. Маргулис предположила, что клетки одноклеточных организмов и клетки многоклеточных растений и животных являются эволюционным продуктом симбиотической, взаимной ассоциации между древними циано- и аэробными бактериями. Сначала она отметила, что все эукариотические клетки имеют митохондрии (органеллы, ответственные за преобразование энергетических веществ во внутриклеточную энергию), и что митохондрии регулируются не спиральной ДНК, воспроизводящей и регулирующей саму клетку, а скорее кольцевой ДНК, напоминающей ДНК бактерий. Исходя из этого она предположила, что эукариотические клетки являются продуктом двух разных предков, каждый из которых внес свою собственную ДНК (Рисунок 1.2). Иными словами, эти разные протоорганизмы «работали сообща» и в конечном итоге стали клетками всей растительной и животной жизни¹⁶.

Рисунок 1.2. Согласно теории эндосимбиоза, эукариотические (имеющие ядро) клетки произошли от прокариотических (безъядерных) организмов: два разных предка внесли свою ДНК в клетки, со временем сформировавшие все растения и животных на Земле. Эту теорию продвигала и обосновывала американский микробиолог Линн Маргулис. Оригинальный рисунок на основе общедоступных источников.

В то время реакция на «еретическую» гипотезу Маргулис относительно того, что все клетки эволюционировали от микробного мутуализма или «эндосимбиоза», была быстрой и резкой. Ее ныне классическая статья, где излагается эта гипотеза, была написана в 1967 г., когда Маргулис была еще аспиранткой. Статью отклоняли 15 раз, прежде чем она, наконец, была опубликована, а некоторые все еще отвергают ее как чушь. Тем не менее, вопреки первоначальным насмешкам, ее идеи в настоящее время признаются и включаются в программы преподавания средней школы и колледжей.

Ее работа разрушила общую экстраполяцию теории Дарвина о том, что эволюционный процесс мотивировался исключительно хищничеством и конкуренцией за ограниченные ресурсы. Напротив, эволюция жизни в значительной мере была обусловлена также «симбиогенезом». Этот термин относится не только к эволюции эукариотических клеток от их предков, но может применяться и в более широких масштабах, следуя его этимологии «жить вместе». Наблюдаемые нами сегодня организмы являются симбиогенетическими: их происхождение проистекает от процессов сотрудничества так же, как и от конкуренции, и они живут в равновесии этих форм совместной и раздельной жизни¹⁷.