Умный и сознающий. 4 миллиарда лет эволюции мозга

Глава 10
Переосмысливая поведение

Ученые и интересующиеся этой сферой обыватели часто считают поведение, в особенности человеческое, особым видом реакции, связанной не только с телом, но и с сознанием. Это широко распространенное понимание отношений, существующих между поведением и сознанием, называется «фолк-психология» и используется в профессиональном жаргоне. Но, как подчеркивает историк психологии Курт Данцигер, повседневная речь и возникшие вследствие ежедневного употребления ментальные представления на самом деле появились давно, причем произвольно, из соображений удобства, а потому не подходят в качестве основы для оценки научных понятий. Действительно, продолжает Данцигер, произошло бы чудо, сумей древние люди сразу найти способ говорить о том, что происходит в нашем мозге и сознании.

Повседневная речь возникла и существует только потому, что позволяет людям рассказывать о своей внутренней жизни в процессе общения друг с другом. Такая способность является огромным преимуществом нашего вида перед другими. Без нее у людей не было бы культуры в том виде, в котором мы ее знаем. Однако это не значит, что эффективность языка в повседневной жизни распространяется на сферу научного общения. Значит, ключевой вопрос в том, когда в обиходной речи появляется вокабуляр, подходящий для ведения научных дискуссий о сознании, поведении и мозге, и возможно ли это в принципе.

Хотя мы, люди, легко убеждаем себя в наличии связи между душевным состоянием и поведением, мне кажется, это в лучшем случае удобная иллюзия, а в худшем – нередко возникающее заблуждение. Как уже отмечалось выше, различные нейронные контуры отвечают за такие осознанные чувства, как страх, и типы поведения, возникающие, когда человеку грозит опасность. Это не значит, что страх не способен повлиять на наше поведение, однако нельзя считать предрешенным выводом и то, что поведение, на первый взгляд продиктованное страхом, на самом деле имеет в своей основе чувство страха, которое человек испытывает. Если даже у людей связь между поведением и психическим состоянием считают надуманной, что уж говорить о других организмах, ведь у нас нет способа с достаточной долей достоверности выяснить, как протекает психическая жизнь других существ.

Иногда для объяснения научных понятий ученые используют термины, заимствованные из повседневной речи. Так, физики называют частицы ВИМПами^[14], частицами бога^[15] и кварками^[16], а биологи называют определенные гены и молекулы тупицами^[17] и ежами^[18], но никто не воспринимает эти названия буквально. Однако когда психологи-нейробиологи называют нейронный контур, контролирующий реакцию на опасность, «контуром страха», некоторые из них, а также большинство обывателей считают, что этот контур является источником страха, переживаемого человеком. Иначе говоря, когда для описания контролирующих поведение контуров ученые используют слова, называющие психические состояния, они приписывают называемую этими словами функцию психического состояния самому контуру, даже если изначально они хотели всего лишь упростить использование определенного слова (скажем, использовать слово «страх» как удобное наименование соответствующего контура). В результате со временем тонкие различия стираются, их перестают осознавать даже в научной среде. Попытки определить контур, порождающий субъективный опыт страха, не приводят к желаемому результату, поскольку считается, что за определенное чувство отвечает контур поведенческого контроля.

В начале XX века в психологии возникло движение, приверженцы которого намеренно избегали любых обсуждений рассудка и сознания. Предполагалось, что этот протест бихевиористов станет антидотом обиходному способу, которым пользовались ученые, чтобы приписать человекоподобные мысли и эмоции животным в попытках объяснить, как реализуются определенные типы поведения. Несмотря на то что бихевиористы разработали замечательные экспериментальные методики (такие, как метод Павлова и инструментальная выработка условного рефлекса), используемые до сих пор, их радикальные идеи относительно «бездумной» психологии просуществовали недолго.

Тем не менее некоторые философы и ученые продолжают утверждать, что наука со временем вытеснит понятия эксцентричной фолк-психологии. Думаю, в отношении поведенческих терминов фолк-психологии они в принципе правы, но в том, что касается понимания фолк-психологией психических состояний, заблуждаются. Независимо друг от друга Гарольд Келли и Гарт Флетчер высказали мысль о том, что у повседневной фолк-психологии есть цель, которая всегда будет частью психологических попыток понять наш внутренний субъективный опыт. Фолк-психология часто служит отправной точкой научного изучения сознания и поведения, а поскольку она тесно переплетена с тем, как наша обиходная речь описывает сознание, слова, которыми мы называем психические состояния, становятся терминами, обозначающими полнозначные категории опыта. Отдельные названия категорий мы можем изменять или вовсе исключать, но это не значит, что будет исключен подразумеваемый психологический опыт.

Поскольку субъективный опыт реален и играет важную роль в человеческой жизни, для научных описаний требуются термины, обозначающие психические состояния, но для принципиальной реализации этой задачи важно, чтобы их использование ограничивалось описанием одних лишь только психических состояний. Нужно стараться тщательно отделять те аспекты поведенческого контроля, которые предполагают такой осознанный опыт, от тех, которые его не предполагают.

Поведение возникло не для того, чтобы служить субъективному сознанию. Оно возникло и существует с целью повышать приспособляемость – сохранять жизнь и благополучие организмов, чтобы те могли размножаться. Такая перспектива ставит поведение людей, бактерий и всех существующих между ними организмов в равные условия, где сознание (в том значении, в котором этот термин люди используют в своей повседневной жизни) играет второстепенную роль в большей части истории жизни. Если принять разумное предположение о том, что на всем протяжении эволюции поведение по большей части являлось производным бессознательных систем и что даже у людей оно контролируется бессознательным, если не доказано иное, развитие науки о поведении представится гораздо более ровным процессом, равно как и науки о сознании. Именно этого направления я собираюсь придерживаться, сопровождая вас в восхождении по древу жизни на всем протяжении этой книги.

Часть III
Микробная жизнь

Глава 11
В начале^[19]

Наша Вселенная появилась примерно 13,7 миллиарда лет назад, а где-то 10 миллиардов лет назад в результате ее расширения возникли галактики и звезды. Солнце, Земля и все остальные объекты нашей Солнечной системы сформировались 4,6 миллиарда лет назад. Около 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь (рисунок 11.1). Но как же это произошло?

Рисунок 11.1. Большой взрыв

Теории происхождения жизни (а таковых известно множество) предлагают различные объяснения тому, как древняя физическая химия Земли трансформировалась в химию жизни и как из неживой материи появились живые организмы. Все начинается с Большого взрыва, который подарил Земле ее изначальный химический состав. Известные нам химические элементы Земли – то есть элементы периодической таблицы – по сути являются следами звездной пыли, попавшей на Землю в результате Большого взрыва и последовавших за ним вспышек сверхновых. Можно уверенно утверждать, что все существующее на Земле, живое и неживое, состоит из химических элементов космического происхождения: воздух, которым мы дышим, земля, по которой мы ходим, вода, которую пьем и в которой плаваем, растения и животные, которых мы потребляем в пищу или держим дома, даже ваше собственное тело, мозг и сознание, которые вы используете, чтобы делать все вышеперечисленное.

Сначала Земля существовала в виде горячей расплавленной массы, но 4,2 миллиарда лет назад ее поверхность остыла до той температуры, при которой сформировалась твердая кора, окруженная примитивной атмосферой, состоявшей преимущественно из углекислого газа, водяного пара и азота. Из пара, поднявшегося из вулканов, и воды с падавших на Землю метеоритов появились океаны. Жизни в тот момент еще не существовало, но то, что для нее было необходимо (в том числе вода, углерод и высокая температура, которая нужна для протекания химических реакций), имелось.

Вода стала средой, в которой одни химические соединения растворялись, а другие образовывались. Например, если насыпать столовую соль в стакан с водой, она сразу растворится: молекулы кислорода и водорода из воды притягивают натрий и хлор, соответственно, молекулы соли распадаются.

Углерод – это маленький атом, который легко взаимодействует (то есть химически связывается) с соединениями других маленьких атомов. Соединения на основе углерода являются основой живой материи; они относительно стабильны и с трудом растворяются в воде (мы же не разваливаемся, когда плаваем). Их распаду способствует повышение температуры окружающей среды. В ранний период существования нашей планеты источников высокой температуры было в избытке – солнечный свет, вулканы, подземная магма в мантии Земли и бьющие в воду молнии. Атомы молекул углерода, высвободившиеся в результате растворения его соединений под действием высоких температур, начали образовывать новые комбинации.

Используя информацию о древних углеродсодержащих молекулах, Дарвин предположил, что жизнь зародилась в некоем первобытном пруду, в который ударила молния. Неживые соединения углерода распались и соединились заново в структуру, претерпевшую характерные для живого сложные преобразования. Биолог Д. Б. С. Холдейн расширил и популяризовал эту идею, которая стала известна под названием «теория первичного бульона происхождения жизни». Однако первобытной физической химии Земли даже при участии химии на основе углерода вряд ли было бы достаточно для того, чтобы согласно дарвиновскому сценарию появилась жизнь. Израильский химик А. Просс считает, что для возникновения жизни требовалось бы переписать законы химии. Химию добиологического мира (то есть мира до появления биологии, или жизни) он называет обычной, а ту, что заложила основу жизни, – репликативной.

Посредством обычной химии атомы могут соединяться и образовывать молекулы на основе углерода. В формировании клеток – основных единиц живого – ключевую роль сыграли молекулы на основе углерода, которые состоят всего из шести элементов периодической таблицы (собственно углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы), включающей 118 элементов. Каждый из этих шести элементов присутствовал в добиологическом мире и вошел в состав белков, жиров и углеводов (таблица 11.1). Белки – основа функционирования клетки: они работают как рецепторы, распознают полезные вещества, отвечают за привлечение веществ внутрь клетки и выведение их из нее, а еще как ферменты, регулирующие химические реакции, ответственные, например, за метаболизм (способность клеток производить энергию). Еще белки вносят свой вклад в формирование внутренней матрицы, придающей форму. Хотя углеводы тоже влияют на структуру клеток, их основная роль – производство и хранение энергии. Жиры формируют вокруг клетки оболочку, или мембрану, которая отделяет ее от внешнего мира; кроме того, в жирах хранится энергия, и они обеспечивают клетку теплом (вспомните, как работает жировая прослойка).

Таблица 11.1. Элементы, составляющие биологические молекулы

Репликативная химия также включает в себя взаимодействие соединений на основе углерода – в данном случае нуклеотидов, которые состоят из тех же элементарных атомов, что и упомянутые выше органические соединения, но соединения, получающиеся с участием нуклеотидов, необычны: они называются нуклеиновыми кислотами, известными вам как ДНК и РНК. Эти химические вещества способны самовоспроизводиться, и эта их способность позволяет понять, как благодаря репликативной химии возникла жизнь.

Глава 12
Сама жизнь

Клетки, способные поддерживать жизнь и размножаться, появились не на пустом месте. Конечно, до того, как появилась такая клетка, в череде биологических экспериментов было много неудачных попыток и тупиковых линий^[20].

Один из способов, используемых учеными, чтобы понять, как на нашей планете появились жизнеспособные клетки, – симуляция древней химии первобытного пруда (или океана). Самый известный эксперимент такого рода в 1950-х годах провел Стэнли Миллер в лаборатории Гарольда Юри. Он поместил в воду химические элементы, которые, как он считал, присутствовали в первобытной атмосфере (водород, аммиак и метановые газы), и пропустил через этот раствор электричество (имитирующее молнию). Миллер надеялся, что ему удастся запустить цепочку превращения соединений на основе углерода в биологические соединения (рисунок 12.1). Спустя несколько дней Миллер обнаружил, что образовались аминокислоты, которые являются строительным материалом белков и ключевыми элементами жизни. Таким образом он доказал, что неорганические элементы в присутствии высокой температуры могут образовывать органические соединения. Дальнейшие исследования показали, что в древности атмосфера Земли, возможно, включала в себя не те газы, которые использовал Миллер, однако ученый продемонстрировал, что понимания того, как произошел переход от добиологической химии к биохимии можно достичь с помощью научных методов.

Рисунок 12.1. Эксперимент Миллера и Юри по воссозданию жизни в лабораторных условиях

В последние годы основной темой обсуждения стала первичность одного из элементов по отношению к другому. Эти два элемента – метаболизм (создающий энергию, необходимую биологическому организму на протяжении всего времени его существования) и репродукция (благодаря которой организм дуплицируется – воспроизводится – и таким образом выходит за пределы отдельной жизни). Согласно теориям, в которых во главу угла ставится воспроизведение, самовоспроизведение стало основой и в итоге привело к биологическому воспроизведению, а за этим последовал метаболизм. Все, что добиологической молекуле нужно было делать, чтобы поддерживать воспроизведение, – это выдавать новые копии самой себя быстрее, чем разрушались старые. Существует предположение, согласно которому на это были способны углеводные полимеры (сложные сахара). И хотя в то время химические условия на Земле, возможно, не могли поддержать протекание таких реакций, они могли совершаться в межзвездном пространстве. Может быть, «звездные сахара» в форме нуклеиновых кислот внесли свой вклад в появление биологического воспроизведения.

Как нам известно сегодня, биологическое воспроизведение зависит от кодирования генома ДНК, однако некоторые биологи, такие как Джералд Джойс, считают, что воспроизведение зависело от РНК еще до появления ДНК (рисунок 12.2). Для запуска биологической эволюции РНК было достаточно, а вот для продолжения жизни в дальнейшем – нет, поскольку ее стабильность ограничена и не способна поддержать большой геном; средством избавления от этих ограничений стала ДНК.

Рисунок 12.2. Теория возникновения жизни, согласно которой РНК первична

Считается, что ДНК возникла в результате изменений РНК, возможно, под влиянием вируса, превратившего ген РНК в ген ДНК. Приемлемость этой теории подтвердили исследования, продемонстрировавшие переход генов между вирусами на основе РНК и вирусами на основе ДНК в кислой воде – среде, которая, как полагают, близка по составу к жидкости в первых океанах, где зародилась жизнь.

Согласно теории, сторонники которой считают первичным воспроизведение, самовоспроизводящиеся молекулы РНК и ДНК изначально плавали свободно, но позже превратились в изолированные виды. В результате этого шага у белковых продуктов РНК и ДНК появилось преимущество – теперь они могли содержаться только внутри вмещавших их структур и использоваться исключительно этими структурами.

Возможно, изначально переход к изолированности выполнялся небиологическим переходным организмом – протоклеткой, сформированной, вероятно, внутри пор камней (об этом я подробно расскажу ниже). Но протоклетка в поре камня, даже содержащая ДНК, не смогла бы поддерживать сложную жизнь. Эволюция настоящих клеток зависела от определенной формы компартментализации за пределами таких ограниченных мест. Решением проблемы в итоге стала липидная оболочка (мембрана), установившая границы между РНК, ДНК и производимыми ими белками. В мембранах эти организмы могли продолжать свое свободное плавание в океанах, самовоспроизводиться, в том числе в различных формах (то есть эволюционировать), и в конечном итоге дать начало всем когда-либо существовавшим организмам.

Согласно другой теории, воспроизведение на основе нуклеиновых кислот (РНК и (или) ДНК) возникло после появления у биологических организмов способности к метаболизму. Согласно теории Гюнтера Вехтершойзера, который считал метаболизм первичным, горячая вода с вулканов попала на богатые минералами камни, выступив в роли катализатора и запустив химические реакции, в результате которых простые углеродные соединения сплавились в более крупные. Хотя каталитических ферментов – белков – на тот момент еще не существовало, содержавшиеся в камнях минералы могли играть роль добиологических катализаторов химических реакций. Согласно этой теории, посредством серии таких добиологических реакций произошло восстановление исходного соединения, и круг замкнулся. В результате этого процесса могли образоваться сложные биологические молекулы (белки, нуклеотиды, жиры и углеводы), которые и сформировали основу для простых протоклеток, способных образовывать энергию и воспроизводиться.

Идею Вехтершойзера критиковали на том основании, что температура теплых вулканических потоков, о которых речь шла выше, была слишком высокой и жизнь в них не могла просуществовать дольше нескольких секунд. Другой вариант теории, ставящей метаболизм на первое место, предложили Майк Рассел и Билл Мартин, а развил Ник Лейн. Она получила название «теория щелочного гидротермального выхода» и решала проблему своей предшественницы (рисунок 12.3)^[21].

Рисунок 12.3. Теория происхождения жизни в результате щелочного гидротермального выхода

Эта удивительная, но сложная идея объясняется кратко и упрощенно означает следующее: отправная точка – это общепринятое предположение, согласно которому из-за избытка положительно заряженных химических веществ вода первых океанов была холодной и кислой (с низким уровнем pH). Через трещины в ложе океана холодная кислая вода просочилась к мантии Земли, где нагрелась, и поднялась обратно в океан через минерализованные выходы из карбоната и пирита. Проходя через эти выходы, нагретая жидкость стала щелочной, в результате чего вырос уровень pH и, следовательно, появился отрицательный заряд. Подобным образом карбонатное соединение «Алка-Зельтцера» повышает pH и гасит изжогу, которую вызывает кислый желудочный сок. Эта щелочная жидкость задерживалась в порах выходов; от положительно заряженной океанской воды ее отделяла пена, состоявшая из сульфида железа.

Для того чтобы сформировать протоклетки, нужно было всего несколько элементов. Водород (Н) вступал в добиологические химические реакции с диоксидом углерода (CO₂), в результате чего появлялись простые углеродные молекулы – такие, как формальдегид (CH₂O) или ацетат (CH₃O₂). Однако в такие реакции водород вступает только в присутствии какого-нибудь катализатора, и хотя белковых каталитических ферментов тогда еще не было, существовали другие соединения. В частности, отличным добиологическим катализатором является сульфид железа, ставший основой предполагаемого пенного барьера протоклеток. Он и сейчас используется в метаболизме клеток. Значит, метаболические циклы находящихся в порах протоклеток, о которых говорил Вехтершойзер, могли хранить энергию, необходимую для создания сложных биологических соединений, включая белки, жиры и реплицирующие нуклеотиды. Когда протоклетка наконец обзавелась липидной мембраной, она смогла покинуть поры, начать вести метаболически самодостаточную жизнь в океане и воспроизводиться.

Нам только предстоит определить, что было первично – метаболизм или воспроизведение, или же они действовали в тандеме. Тем не менее все эти теории предоставляют вразумительное объяснение тому, почему каждая клетка – и LUCA, и все организмы, существовавшие после нее, – окружена липидной мембраной, имеет внутренний отрицательный заряд (этот факт приобрел исключительную важность, когда спустя примерно три миллиарда лет у первых животных появились нейроны), использует метаболические циклы, чтобы вырабатывать и хранить энергию, и воспроизводится, создавая белки под руководством ДНК.

Альтернативную точку зрения на вопрос о происхождении жизни недавно высказали Лерой Кронин и Сара Имари Уокер. Сторонники теорий о первичности воспроизведения над метаболизмом и наоборот оспаривают порядок возникновения этих процессов, но сходятся во мнении о том, что воспроизведение при помощи нуклеиновых кислот предшествовало жизни. Кронин и Уокер считают, что для этого потребовалась бы череда сложных событий, которая вряд ли имела место. А теперь представьте, что вместо образования РНК и ДНК из добиологических элементов информация в несложных сетях просто самокопировалась и жизнь зародилась как внезапная смена того, как обычная физическая химия обрабатывает и использует информацию. Вероятно, РНК и ДНК не были отправными точками, а появились позже в качестве усовершенствований процесса обработки такой информации. Интересная догадка, но все же теория о раннем возникновении РНК и ДНК остается доминирующей и, очевидно, верной, что станет понятно по мере того, как мы будем подниматься по ветвям древа жизни и изучать их.