Kitabı oku: «Краткая естественная история цивилизации», sayfa 3

Гипотеза Геи и аутопоэзис

Упомянутая ранее влиятельная геологическая работа шотландского естествоиспытателя XVIII века Джеймса Хаттона была частью его более широкой теории «униформизма», описывающей Землю как сформированную и регулируемую естественными процессами. Хаттон считал, что физические и биологические характеристики Земли сами по себе являются саморегулирующимися компонентами большего интерактивного целого. Два столетия спустя эта идея была расширена и получила название «гипотезы Геи» в честь греческого олицетворения Земли и матери всех остальных богов. Впервые сформулированная Линн Маргулис и британским специалистом в области химии атмосферы Джеймсом Лавлоком (известным своим изобретением электронно-захватного детектора для газовой хроматографии), гипотеза Геи предполагает, что живые организмы взаимодействуют с неорганическим окружением, амортизируя экстремальные условия и перерабатывая химические побочные продукты с образованием саморегулируемых, самоорганизованных и самостоятельных сложных систем на Земле. Согласно этой теории, даже существенные параметры биосферы, как то глобальная температура и кислородосодержащая атмосфера, были произведены, сохраняются и до сих пор регулируются организмами, делающими Землю пригодной для жизни, что спорно. Это означает, что эволюция самовоспроизводящихся организмов также привела к созданию гомеостатических механизмов, формирующих и воспроизводящих условия жизни на Земле, создавая петли положительной обратной связи.

К примеру, 3,4 миллиарда лет назад от первых самовоспроизводящихся протоорганизмов произошли цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Цианобактерии «изобрели» фотосинтез, позволивший им преобразовывать энергию солнечного света в химическую энергию, неорганический углерод и азот с образованием кислорода как побочного продукта. Это позволило цианобактериям избежать конкуренции с другими микроорганизмами за молекулы среды обитания, поглощаемые такими микроорганизмами в качестве пищи. Через 2 миллиарда лет колоссальные массы цианобактерий сгенерировали достаточно кислорода, чтобы насытить им всю атмосферу и океаны. Это, в свою очередь, создало среду для бактерий, развивших окислительный метаболизм – форму преобразования энергии, гораздо более эффективную, чем у их анаэробных предков. Этот процесс, известный как «Великое кислородное событие» (и как «Великая кислородная революция»), является примером того, как взаимосвязь органических и неорганических компонентов мира приводит к новым условиям для жизни. В этой основной петле положительной обратной связи фотосинтез создает кислород как побочный продукт, обеспечивая энергетически эффективный окислительный метаболизм, в свою очередь создающий побочный продукт в виде углекислого газа, питающего фотосинтез. Рециркуляция побочных продуктов – это краеугольный камень гипотезы Геи, вероятно, лучше всего иллюстрируемый гомеостатическим балансом нашей атмосферы. Этот баланс побочного продукта растений, производящих кислород, и животных, потребляющих кислород, контролирует наш глобальный климат.

Этот пример иллюстрирует также ключевой аспект гипотезы Геи и других теорий, связанных с самоорганизацией: «аутопоэзис», процесс «самопроизводства» посредством собственной обратной связи, впервые объясненный в 1971 г. чилийскими биологами Умберто Матурано и Франсиско Варела (Рисунок 1.3). Однако аутопоэзис – не просто самопроизводство, он заостряет внимание также на взаимных эффектах того, что было создано. Другими словами (упрощенно), система «цианобактерии + атмосфера» двигалась по гомеостатическому пути, где цианобактерии процветали в бескислородном мире, но система также выделяла кислород в качестве побочного продукта. Затем присутствие этого побочного продукта стало частью системы, и с ростом количества кислорода система изменилась, превратившись в нечто вроде «цианобактерии + насыщенная кислородом атмосфера + аэробные молекулы». Затем постепенно, поскольку кислород ядовит для цианобактерий, в «аэробные молекулы + атмосфера + почти вымершие, но все еще существующие ныне цианобактерии». Таким образом, аутопоэтическая система движется по петлям обратной связи, с течением времени изменяющих состояние системы. Она самовоспроизводится, но не в точности одинаково.

Рисунок 1.3. «Рисующие руки» М. К. Эшера, мощная метафорическая иллюстрация аутопоэзиса – способности системы воспроизводить и поддерживать саму себя. (© Escher in het Paleis, Den Haag/Fine Art Images/age fotostock.)

Согласно гипотезе Геи аутопоэтические, саморегулирующиеся процессы действовали одновременно, сделав Землю пригодной для жизни и породив разнообразие живых организмов, присутствующих сегодня. Предполагается также, что эволюция живых организмов оказала влияние на глобальную окружающую среду, от стабилизации температуры до солености океанов и кислородной атмосферы, осуществляя переработку побочных продуктов и способствуя стабильности и гомеостазу, что позволило развиться биоразнообразию. Гипотеза Геи не подразумевает, что организмы развивают характеристики на благо биосферы – мы должны помнить, что эти эволюционные процессы не являются телеологическими. Скорее всего живые организмы развивают взаимные сети взаимозависимостей, сопрягающиеся затем с глобальной стабильностью. В более общем смысле это предполагает, что процессы самоорганизации и взаимного сотрудничества определяют каждый уровень возникновения жизни, так как отдельные индивиды и биологические виды «уже всегда» связаны с другими индивидами и биологическими видами, и с формированием и управлением своих экосистем¹⁸.

Гипотеза Геи не идеальна, и против нее продолжают выдвигаться веские критические замечания. Самое огорчительное, что эту гипотезу возможно проверить лишь коррелятивно, поскольку ученые могут экспериментально изучать положительные обратные связи только внутри и среди экосистем меньшего масштаба. Чтобы по-настоящему проверить гипотезу Геи и ее глобальные последствия, потребуется сравнительное изучение жизни и экосистем на планетах в целом, а на сегодняшний момент Земля является единственным источником данных для утверждений, высказываемых приверженцами теории Геи. Многим это может показаться надуманным, но ученые надеются достичь этого в течение одного или двух поколений. Без такого сравнительного исследования гипотеза может быть подвергнута критике как почти телеологическая попытка описать природные процессы с точки зрения их предполагаемой функции или цели. Таким образом, согласно гипотезе Геи, вещи являются такими, какие они есть, благодаря положительным обратным связям, существовавшим на протяжении их истории. Согласно же более классическому объяснению естественного отбора, неорганические вещества просто существуют, и органическая жизнь сформировалась и распространилась на основе способности к выживанию.

На сегодняшний день все, что могут делать ученые, так это методично изучать механизмы, которые могли создать жизнь на Земле, и продолжить изучение аутопоэтических систем меньшего масштаба, таких как коралловые рифы и прибрежные засоленные болота. Эти органические системы демонстрируют зависимость от положительных обратных связей, создавших и поддерживающих их предсказуемую структуру, организацию и продуктивность. Это те же обратные связи, которые в более широком масштабе в конечном итоге привели к эволюции «человеческой ситуации». Это наиболее подходящие модельные системы, доступные для проверки гипотезы Геи и, в конечном счете, предсказуемости эволюции разумных организмов; во всяком случае, до тех пор, пока саму гипотезу не станет возможным проверить в условиях жизни на других планетах.

Прибрежные засоленные болота: пример исследования мутуализма и самоорганизации

Большая часть моей карьеры была посвящена изучению конкретных экосистем и оценке мощных, но нераспознанных сил взаимовыгодного симбиоза и баланса между процессами конкуренции и кооперации, действующими в их пределах. В начале 1980-х гг. я изучал реципрокные положительные взаимодействия двустворчатых моллюсков прибрежных засоленных болот Новой Англии и крабов-скрипачей, которые, как мне кажется, являются оптимальным, ясным примером действия петель положительной обратной связи.

Растение спартина является «ключевым видом» в прибрежных засоленных болотах Западной Атлантики, что означает, что она создает и поддерживает пространственную структуру и неоднородность сообществ этой экосистемы¹⁹. Ключевые виды ответственны за физическую структуру, предоставляющую местообитание, убежище и поддержку организмов экосистемы. Они создают природную биологическую инфраструктуру.

Спартина периодически страдает от льда и штормов, но даже и в лучшие периоды от недостатка азота. Но к растению прикрепляются болотные мидии. Они добывают себе пропитание, отфильтровывая из морской воды мельчайшие частицы, и откладывают на корнях растений богатые азотом отходы жизнедеятельности. Мидии образуют плотные скопления и прикреплены к корням трав с помощью похожих на проволоку биссусных нитей. Травы реагируют на отложения азота, направляя корни в скопления мидий, превращая мидии в живые питательные насосы и своего рода волноотбойники, в то время как сами мидии под пологом трав получают защиту от хищников и от сильной летней жары. Такой симбиогенетический сад приводит к образованию жестких, густых зарослей подпитываемых мидиями болотных трав и береговых линий, защищенных от эрозии и повреждения льдом. В богатых отложениями низкоширотных прибрежных засоленных болотах штата Джорджия мидии играют еще более важную самоорганизующую роль, контролируя осаждение отложений и рост болот посредством фильтрации. В этих системах мидии отфильтровывают осадки из воды для получения пищи и откладывают на поверхность болота покрытый слизью осадочный материал, строящий и связывающий воедино экосистемы засоленных болот²⁰.

Но на возвышенностях рост спартины задерживается из-за слабого движения воды через плотный болотный торф и накопления мертвого растительного материала. Здесь на сцену выходят крабы-скрипачи. Крабы-скрипачи засоленных прибрежных болот находятся в зависимости от корней спартины, где они устраивают свои норы, и от наземной части травы, защищающей их от хищников. Подобно армиям мини-тракторов, крабы-скрипачи пробиваются сквозь болотные отложения и перерабатывают их в пищу, тем самым увеличивая поступление приливной воды через возвышенные места в болоте и облегчая циркуляцию питательных веществ.

В дополнение к демонстрации активных механизмов мутуализма, изменяющих экосистему, создаваемую организмами и одновременно обитающими в ней, пример североамериканских прибрежных засоленных болот способен объяснить еще один компонент всемирной аутопоэтической самоорганизации: иерархическую организацию (Рисунок 1.4 на вклейке). Впервые рассмотренная Лео Буссом 13 лет назад в отношении развития организма, иерархическая организация начинается с простой зависимости первоначальной колонизации любого организма от вторичных структур или процессов. По мере роста и развития колония усложняется, но это усложнение зависит от сравнительной простоты предшественника²¹.

Ключевой вид – в нашем случае спартина – является пионером жизни в данной экосистеме. Так, при укоренении на новой береговой линии спартина увеличивает отложение осадков, замедляя ток воды, и со временем это приводит к образованию стабильной, хорошо дренированной среды обитания, в которую могут перебраться другие болотные растения. От моллюсков на каменистом пляже к крабам-скрипачам и большим голубым цаплям – все возрастающее разнообразие растений ведет к росту разнообразия и усложнению всей экосистемы. Иерархическая самоорганизация вырабатывает предсказуемое пространственное структурирование этих элементов в порядке следования от прежнего беспорядка.

Ученый-компьютерщик Герберт Саймон представил известную объяснительную притчу относительно такой организации, встречающейся в различных областях, от экономики до искусственного интеллекта, под названием «Притча о часовщиках». Герои этой притчи, два часовщика, Хора и Темпус, изготавливают прекрасные замысловатые часы из тысяч деталей. Хора может закончить свои часы быстрее и, следовательно, продать их больше вследствие простого изменения способа их сборки. Темпус добавляет каждую деталь по отдельности, что рискованно, так как при любой ошибке сборка частично собранных часов начинается сначала. Хора, вместо этого, создает модули по десять деталей в каждом. Сборки, которые создал Хора, позволяют увеличивать сложность в форме «модульной конструкции», осуществлявшейся в мире природы с самого начала, когда самовоспроизводящиеся молекулы, коэволюционировавшие в симбиотических ассоциациях в первичном микробном бульоне, эволюционировали в сложные клетки, растения, животных, экосистемы и цивилизации²².

Постепенно заселяясь обитателями, прибрежные засоленные болота являются одними из самых продуктивных естественных экосистем на Земле. Это те самые экосистемы, сотни миллионов лет назад превратившие солнечную энергию в ископаемую растительную биомассу, ставшую топливом Великой промышленной революции XVIII века: углем. Эти экосистемы также породили первые цивилизации на часто затопляемых землях между Евфратом и Тигром, известных как Плодородный полумесяц, и на болотах Желтой реки в Китае. В моей ранней работе я предполагал, что положительные обратные связи, или мутуализмы, можно считать во многом ответственными за успех болотных экосистем, давших толчок возникновению этих первых цивилизаций. В более широком масштабе работа, подобная этой, является экспериментальным полигоном для взаимного улучшения среды обитания и межвидовых мутуализмов, наслоенных на неявные процессы иерархической организации. Последние, в свою очередь, являются способами проверки основных компонентов симбиогенеза и гипотезы Геи.

В 1980-х гг. исследования положительных взаимодействий считались просто милыми историями о жизни Природы, но не проблесками знания относительно движущих сил планетарной самоорганизации. Читая сообщения о термитах, нуждающихся в микробах для переваривания древесной целлюлозы, которую сами термиты усваивать не в состоянии, или о тропических муравьях Дэниэла Ханта Дженсена, защищающих деревья акации в обмен на сладкий нектар, либо о коэволюции бабочек и растений, изученной Полом Эрлихом и Питером Рэйвеном, мало кто усматривал в этих сообщениях общие правила, способные изменить экологическую теорию. Это были исключения из правил конкуренции и хищничества, известных лучше всего прочего экологам и эволюционистам, выросшим в условиях холодной войны²³.

В то время как теория Геи остается коррелятивной вследствие невозможности экспериментальной проверки из-за наличия в доступности лишь одной планеты, базирующиеся на ключевых биологических видах экосистемы воспроизводятся по всему миру. Это дало ученым возможность проверить, к примеру, изменяют ли деревья в тропических и умеренных лесах местный климат в сторону большей продуктивности и стабильности экосистемы, или как мутуализм кораллов и водорослей способен создавать и поддерживать разнообразные, самодостаточные системы коралловых рифов. Такая работа может помочь нам понять, как базовые предположения гипотезы Геи – наша глубокая, богатая история коэволюционной зависимости – способны проявляться сегодня²⁴.

Микробы и человечество

Все, от эукариотических клеток и прибрежных засоленных болот Новой Англии, как мы теоретически предполагаем, построено из взаимодействующих между собой отдельных разнородных элементов. Мы можем принять этот взгляд на жизнь и эволюцию без особой борьбы, поскольку все полнее понимаем опасности вымирания видов для экосистемы, например, из-за чрезмерного промысла. Но все же, чтобы должным образом изучить естественную историю цивилизации, мы должны пойти еще дальше и признать, что человеческий род сам по себе является симбиогенетической агрегацией. Мы, подобно экосистемам и дождевым червям, существуем благодаря кооперации видов, не являющихся нами самими, и что самое главное – мы существуем благодаря нашим симбиотическим отношениям с миром микробов.

Лишь за последнее десятилетие мы стали понимать ту фундаментально важную роль, которую микробы играли и продолжают играть в обеспечении устойчивости жизни на Земле. Из-за своего малого времени воспроизводства (микробы быстро размножаются, создавая частые возможности для действия давления эволюции) микробы точно подстраиваются под свою среду обитания и быстро формируют эволюционные системы защиты от угроз со стороны всех многоклеточных растений и животных, включая людей. Помимо этого, позвоночные животные связаны с триллионами микроорганизмов, большинство из которых обитают в их пищеварительном тракте, что играет неоценимую роль в развитии и функционировании их хозяев, особенно в их пищеварении и защите. Все многоклеточные организмы имеют симбиотические ассоциации со своими популяциями микробов, в совокупности называемые их микробиомами. Микробиомы влияют на общее состояние здоровья, устойчивость к болезням и метаболическую эффективность их хозяев и эволюционно подстроены к биологическим видам и популяциям видов. Таким образом, все многоклеточные организмы могут и должны рассматриваться как суперорганизмы, имеющие эволюционно-симбиотические ассоциации со своими микробиомами²⁵. Микроорганизмы являются одновременно как колыбелью и опорой жизни, так и величайшей угрозой жизни, и человеческая жизнь не является здесь исключением²⁶.

С самого начала, когда микробы дали начало первым сложным клеткам, их связывали с разнообразием жизни различные симбиотические и антагонистические отношения. У людей микробы составляют 90 % клеток в толстой кишке, а микробиом кишечника контролирует многие, критически важные пути метаболизма. Недавно полученные данные свидетельствуют даже о том, что аппендикс человека, долгое время считавшийся бесполезным рудиментарным органом, в действительности служит убежищем или резервуаром для важных кишечных бактерий. После заболевания желудочно-кишечного тракта, например, дизентерией, популяция обитающих там необходимых нам микробов истощается, и тогда аппендикс помогает заселить нашу пищеварительную систему этими микробами. Тяжелая дизентерия должна была быть широко распространена среди наших предков, поскольку по мере расширения географического диапазона своего расселения и рациона питания они должны были сталкиваться со многими новыми угрозами своим микробиомам²⁷.

Нам потребовалось немало времени, чтобы обнаружить положительную роль наших микробных партнеров. Исследование этого мутуализма началось около ста лет назад, когда Илья Ильич Мечников и Пол Эрлих получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии 1908 г. за открытие взаимозависимости между человеком и микробами. До работ этих авторов открытие Пастером микробной жизни легко укладывалось в рамки микробной теории болезней прошлого века, где микробы единодушно демонизировались как угроза и опасность для здоровья человека. Эта ассоциация, все еще являющаяся влиятельной и распространенной, на протяжении веков тормозила любое движение в сторону выяснения важности микроорганизмов для здоровья человека. До сравнительно недавнего времени парикмахеры были более осведомленными сторонниками пользы микробов, чем семейные врачи. Сегодня исследования в этой области застопорились успехами современной медицины, успехами, являющимися одновременно и угрозами, так как вездесущность антибиотиков отравила наш баланс между хорошими и плохими микробами.

И все же в современной медицине возрождается использование характерных для человека микробов в качестве инструмента лечения. Исследования последних лет показывают, например, что кишечные бактерии синтезируют витамины B₇, B₁₂ и K, помогающие нашему организму защищаться от болезней, начиная от диабета и заканчивая раком и болезнью Альцгеймера²⁸. Большая часть жизненной силы микробов проистекает из их способности размножаться посредством «вертикального переноса генов», являющегося формой размножения, на несколько порядков более быстрой, чем способ размножения клеток растений и животных. Это дает им возможность быстро эволюционировать соотносительно изменениям экосистем. Более того, микробы могут передавать гены напрямую, без полового размножения просто путем слияния. Такой «горизонтальный» или «латеральный» перенос генов позволяет микробам функционировать в качестве сетей иммунитета и устойчивости, что делает их нашим самым важным союзником и первой линией защиты в борьбе с болезнями.

Именно этот живущий внутри нас невидимый мир требует от нас переопределения людей не как отдельных организмов, а как симбиогенетических суперорганизмов, метаболизм которых тесно зависим от микробных процессов. Мы являемся слаженным оркестром клеток, которые сами являются продуктом биогенетических симбиотических отношений, и обитаем мы на планете, биологически сконструированной средами обитания и организмами внутри нее. Мы не автономные существа: мы являемся результатом бесчисленных взаимоотношений и коопераций. Как красноречиво высказался Уолт Уитмен: «Я огромен, я вмещаю множества»²⁹.