Жизнь и смерть на дорогах науки

( Ноябрь 2023, idb@kiwiarxiv )

В понимании тайны жизни на молекулярно-биологическом уровне происходят очень большие перемены. По некоторым причинам инсайдеры науки о переменах этих говорят приглушенно, неохотно и невнятно. А когда сведущий человек делает книгу о реальной ситуации в биологии, он тут же оказывается в экстремальной ситуации между жизнью и смертью…

В городе Лондоне живёт и работает весьма особенный писатель по имени Филип Болл. Среди великого множества других авторов, занимающихся популяризацией науки, Болл выделяется не только солидным мультидисциплинарным образованием (университетские дипломы по биологии и химии, докторская степень по физике). И не только большим количеством работ, отмеченных критикой и престижными премиями (с начала 1990-х Боллом опубликовано в общей сложности около трёх десятков книг самой разнообразной тематики).

Самая же, наверное, примечательная особенность этого писателя и журналиста в том, что он постоянно находит и разрабатывает в своих книгах/статьях такие важные темы, которые в большой науке либо почему-то забыли, либо просто не желают публично обсуждать. Однако именно такие открытия, факты и идеи позволяют существенно иначе смотреть на то, что происходит ныне в научной жизни.

Не стала здесь исключением и самая свежая книга Филиппа Болла [1], вышедшая из печати буквально только что и носящая примерно такое название: «Как устроена жизнь: Руководство пользователя по новой биологии».

На сайте издательства тема его новой работы представлена так:

Наука биология в настоящее время переживает тихое, но глубокое преображение. Несколько важных аспектов в стандартной картине того, как работает жизнь, уже наукой переосмыслены — и отображены в книге — как существенно неполные, вводящие в заблуждения или же вообще неверные.

Здесь, однако, рассказ будет не об этом (точнее, не совсем об этом), а о том весьма драматичном повороте в жизни Филипа Болла, который произошёл по сути одновременно с окончанием работы над данной книгой.

Текст, представленный далее, это почти полный перевод статьи [2], опубликованной Боллом на сайте онлайнового журнала Nautil.us.

#

Как устроена жизнь на самом деле

Филип Болл, 6 ноября 2023 года

Как только я приоткрыл новый научный взгляд на понимание жизни, я получил новость о жизни собственной.

Ирония произошедшего, честно говоря, показалась мне несколько жестковатой. Именно тогда, когда я собрался опубликовать книгу под названием «Как устроена жизнь», моя собственная жизнь перестала работать так, как положено.

После ряда проблем с урологией биопсия подтвердила, что у меня рак простаты. Иногда такого рода рак просто сидит в организме и почти ничего не делает, отчего регулярного присмотра за уровнем ПСА в крови в таких случаях обычно достаточно для выявления любой опасности. Но мой рак не такой. Он довольно агрессивен и классифицируется как высокий уровень риска, а это означает, что для сохранения мне жизни необходимо радикальное вмешательство. В моем случае – хирургическое удаление предстательной железы.

Насколько это сработает, покажет только время, хотя прогноз обнадёживающий. После того, как был постановлен диагноз, но ещё до результатов ПЭТ-сканирования, когда стало известно, что рак, скорее всего, пока не распространился, я особенно остро осознал конечность нашей жизни.

Эмоциональное напряжение в те дни неопределённости было очень сильным. Утешение же, к собственному удивлению, я нашёл в тех выводах о самой природе жизни, к которым пришёл при написании своей книги. Я и сейчас поражён жизнью больше, чем когда-либо.

Как и у моего покойного друга Оливера Сакса, моим преобладающим чувством была благодарность. Как и Оливер, я понял, что «быть разумным существом на этой прекрасной планете», — сколько бы там времени ни оставалось, — «всё это было огромной привилегией и приключением».

Я думаю, что найдётся не так уж много биологов, кто после глубокого погружения в молекулярные и клеточные процессы, поддерживающие жизнь, не был бы поражён тем, что жизнь вообще возможна. В книге «Как устроена жизнь» я открываю тот чёрный ящик, что расположен между генами и людьми, разбираясь в византийских хитросплетениях факторов транскрипции и регуляции генов, клеточных коммуникаций и формирования структуры тканей. Это такие места, куда в научно-популярных книжках заходят крайне редко. И для того есть веские причины.

Ибо как только мы позволяем себе, — а современная биология, как я полагаю, показывает, что сделать это мы обязаны, — отойти от утешительной выдумки, будто бы вся эта сложность управляется неким генеральным планом в генетической последовательности наших хромосом, подобно простому считыванию рецепта, то тогда нам неизбежно придётся задаться вопросом, откуда же берётся вся эта организованность.

Для таких сложных организмов, как мы, управление децентрализовано и распределено по множеству уровней, каждый из которых в значительной степени изолирован от более мелких деталей того, что происходит на уровнях нижерасположенных.

Это же просто ошеломительно, что бесчувственная материя — атомы и молекулы, тот же самый материал, из которого сделаны и камни, и воздух, и звезды, — может делать ещё и такое. Нам невероятно повезло обитать в столь творческой, порождающей сложность вселенной. Которая способна на какое-то время раскручивать маленькие центры организованности, пробуждающиеся к своему собственному существованию.

Цена непредсказуемости

Идея о том, что наша ДНК – это своего рода «схема» или «руководство по эксплуатации», до сих пор популярна среди таких учреждений, как Национальный исследовательский институт генома человека. Но это такая попытка объяснить устройство жизни, которая идёт вразрез с современными биологическими исследованиями. И более того, угрожает затуманить и даже свести на нет чудо подлинного ответа.

Жизнь – это не про cчитывание план-схемы, это про создание таких гибких правил и ресурсов, из которых могут возникать разнообразные формы. Мы все начинались как единственная оплодотворённая яйцеклетка, зигота. Эта клетка сделала нас тем, что мы есть, не просто благодаря репликации в примерно 28-36 триллионов клеток. Но благодаря тому, что эти клетки специализировались в различные типы тканей, каждая с тем же самым геномом, но с разными наборами активированных или подавленных генов. Это богатое сообщество клеток становится организмом в процессе постоянных переговоров и сотрудничества.

Разнообразие клеток, а также способности каждой отдельной клетки реагировать на сигналы извне (поступающие от других клеток и окружающей среды), всё это возникает благодаря процессу, именуемому генной регуляцией. Процессу управления тем, какие гены активны, а какие нет.

Когда ген активен, информация, закодированная в последовательностях образующих его строительных блоков ДНК, может быть считана ферментами и транскрибирована в молекулу-посланника РНК, которая, в свою очередь, действует как образец для создания белка.

Ныне уже принято считать, что сложность человеческого организма обусловлена не обилием генов – их у нас стало гораздо меньше, нежели предполагалось в начале 1990-х, когда начинался проект «Геном человека». Сейчас их примерно 19 000 – а это чуть ли не вдвое меньше, чем, скажем, у банана. Считается, что сложность наша, скорее всего, проистекает из тех хитросплетений, с помощью которых наши гены регулируются.

Ну а то, как именно происходит регуляция генов, и является одной из самых трудных и запутанных проблем вокруг устройства жизни (человека). Ныне мы уже знаем, что дело тут не просто в наличии неких переключателей в наших генах, которые могут включаться или выключаться другими биомолекулами, подобно переключению транзисторов в цифровой схеме кремниевого чипа. Логика регуляции генов скорее нечёткая и коллективная, объединяющая в себе целые комитеты молекул, которые не особо и заботит, кто именно присутствует или кто с кем разговаривает.

Некоторыми из ключевых участников в таких комитетах являются молекулы РНК — но не матричной РНК, используемой для производства белков, а так называемой некодирующей (нк) РНК. В настоящее время известны всевозможные типы нкРНК, какие-то из них длинные, а другие странно короткие и, следовательно, кодирующие довольно мало информации. С изрядной долей неохоты биологам пришлось признать, что некоторые гены существуют вовсе не для производства белков, а для кодирования этих функциональных молекул РНК.

Поначалу предполагалось, что такого рода гены нкРНК являются просто редкими диковинами. Но по мере того, как за последние три десятилетия количество генов, кодирующих белок, в геноме человека неуклонно уменьшалось, количество генов нкРНК, напротив, стабильно возрастало. Причём до такой степени, что в настоящее время их число уже превышает число генов, кодирующих белок.

Иными словами, похоже на то, что геном человека – это, оказывается, в основном даже и не о кодировании белков вовсе. И это действительно примечательная перемена в молекулярной основе биологии человека. Для кого-то масштаб этих перемен можно сравнивать с нашим осознанием того, что количество тёмной материи во Вселенной сильно превышает количество материи обычной.

Нечёткость механизмов регуляции генов отражается в непредсказуемой случайности того, как многие из участвующих в этом молекул взаимодействуют друг с другом. На протяжении многих лет общепринятым мнением в молекулярной биологии было то, что молекулы жизни – в особенности белки – чрезвычайно разборчивы в своих соединениях друг с другом и с другими молекулами. Дабы соответствие их друг другу было полным – как у ключа и замка. Именно в этом, казалось всем, был единственный способ поддерживать порядок среди дикой сумятицы происходящего в клетке.

Но теперь, однако, стало понятно, что многие белки, особенно белки у крупных и сложных животных вроде нас, не имеют чётко определённой формы, необходимой для такого рода точного «молекулярного распознавания». Молекулярные цепочки, из которых они состоят, не обязательно сворачиваются в компактные, чётко очерченные формы, и при этом имеют множество сегментов, которые остаются свободными и подвижными – то есть «неупорядоченными». Из-за чего белки прилипают друг к другу довольно беспорядочно. Причём особенно верно это в отношении тех белков, которые находятся в узлах сетей клеточных взаимодействий — таких молекул, которые соединяют одну цепочку контактов с цепочкой другой.

Любое из перечисленных новшеств, изменяющих общепринятых прежде взгляды, — и важность регуляции генов, и значение некодирующей РНК, и структурные нарушения в белках, и неразборчивость молекулярных взаимодействий — уже само по себе может вызывать удивление, даже недоумение. Но при этом, когда они взяты все вместе, порождается, как можно видеть, существенно новый тип «клеточной логики». Такой логики, которая обеспечивает нашим клеткам великую гибкость и приспособляемость, способность реагировать друг на друга и отыскивать коллективные решения для проблем типа зашумлённости и непредсказуемости жизни на молекулярном и клеточном уровнях. Это то, что и делает нас сильными. И это именно то, в действительности, что делает наше существование вообще возможными.

Рецепт, записанный в геноме, был бы слишком хрупкой основой для конструкции сложных многоклеточных существ, обитающих в столь непредсказуемой и разнообразной среде обитания. Мы можем видеть, как гены «позволяют уход» от предписаний по мере усложнения жизни. У эвкариот, и особенно у многоклеточных сложных животных, имеется больше, чем у бактерий и других прокариот, разного рода нечётких объединений в стиле комитетов, больше белкового беспорядка, больше регуляторной РНК. Чтобы рискнуть для выхода на антропоморфизм, эволюция выбрала действовать таким вот образом.

Но открытая природа взаимодействий между нашими молекулами и клетками имеет и свою оборотную сторону. Это означает, что жизнь может развиваться в направлениях, которые не так уж хорошо служат всему организму. Цена поддержания контактов открытыми заключается в том, что не все из них желательны.

Одним из примеров является то, как гибкие белки склонны сворачиваться и слипаться в такие агрегаты, которые могут оказываться токсичными для клеток. Это особенно часто встречается в нейронах и может приводить к нейродегенеративным заболеваниям, таким как болезни Альцгеймера и Хантингтона.

Ещё одним последствием нечётких правил жизни является рак. Нерегулируемое состояние раковых клеток – это не столько неисправность, сколько альтернативный способ существования клеток, подобно тому, как плохая погода – это то, что создаёт сама погодная система.

К тому времени, когда мы достигаем взрослого возраста, у многих из нас какие-то из клеток с высокой долей вероятности уже находятся в таком состоянии. Скажем, у многих – если не у большинства – мужчин ко времени смерти имеется рак предстательной железы, но только они об этом не знают. Наличие раковых клеток в стареющем организме – если это не клинический рак – так же нормально, как морщинистая кожа или седеющие волосы. Не подвергаясь такому риску, вы просто не можете быть организмом, сделанным из множества постоянно размножающихся и саморегулирующихся клеток.

Однако раковое состояние клеток – это вовсе не абсолютная анархия, как когда-то считалось, но состояние со своим собственным планом и логикой. Нечёткие правила по-прежнему применяются и здесь, но только теперь они приводят к другому результату.

Раковые клетки не являются эгоистичными индивидуалистами; скорее, типичные опухоли имеют сложные структуры, похожие на то, что бывает и при нормальном развитии. Они содержат различные типы клеток, которые могут сотрудничать и с нормальными здоровыми клетками – уместнее сказать их эксплуатировать – для увеличения, к примеру, своего кровоснабжения. Рост опухоли – это не безликая вакханалия размножения, а своего рода ненормальное развитие. Такое отклонение от нормы, конечно, может нас и убить.

Но как только мы признаём, что рак – это ещё один способ существования клеток, мы можем представить себе и такие стратегии лечения, которые идут дальше отчаянных попыток прежде всего убить его, вырезая из организма, отравляя химиотерапией или сжигая радиацией. Один из таких подходов, называемый дифференцированной терапией, нацелен на то, чтобы переводить раковые клетки в незлокачественное состояние, точно так же, как ныне мы умеем перепрограммировать наши собственные здоровые клетки. Другой метод, называемый иммунотерапией, направлен на повышение способности нашей иммунной системы справляться с неконтролируемыми клетками.

Иммунотерапия уже доказывает свою ценность при лечении некоторых видов рака, но конкретно мой требуется остановить старомодным способом – теперь, правда, с помощью роботехники – вырезав его из организма. Однако, у меня нет ощущения, что мой рак – это какое-то ужасное невезение или некая вредоносная форма жизни, пустившая корни внутри меня.

По моим ощущениям, это часть того, как нужно играть в игру жизни. С одной стороны, рак – это не то, на что мы влиять бессильны, а со стороны другой – это цена, которую мы платим за то, что являемся сложным многоклеточным живым существом.

Мы – это водовороты смысла

Тщательное изучение молекулярной работы наших клеток и тел открывает нам новый способ мыслить о жизни. Но сама витиеватость тех барочных схем, с помощью которых жизнь поддерживается, указывает нам и на нечто большее.

Как только мы отказываемся от идеи о том, будто мы есть ничего более, нежели машины, созданные генами для увековечения их существования, на замену этой бесплодной картине возникает нечто совершенно иное и экстраординарное, одновременно тревожащее и утешающее. Гены должны передавать управление более высоким уровням организации, где клетки и организм в целом обеспечиваются способностью к адаптации. Конкретная функциональность клетки задаётся сотрудничеством: ткани и органы создаются через взаимные переговоры. Как сформулировал это биолог Альфонсо Мартинес Ариас, «клетки управляют генами, а не наоборот».

Я бы изменил это утверждение. В биологии, в принципе, всё может управлять всем остальным, в зависимости от контекста. Я называю это причинным распространением. По мере эволюции организмов с увеличением сложности то, что вызывает их рост, поведение и жизнестойкость (а также то, что вызывает и сбои в работе), стало распространяться по различным уровням иерархии – от генов до сетей генов, от других молекул до клеток и тканей. Ни один из уровней не имеет общего контроля. Мы должны быть способны к реагированию на всех уровнях, дабы факторы, влияющие на целые ткани или органы, могли передаваться обратно в геном и определять, какие гены активны, а какие нет.

Но тогда что же, если не геномная программа, поддерживает это замечательное равновесие? Именно в этом и заключается подлинная загадка. Наши тела, пока они живы, представляют собой поразительные образцы организации. Наши атомы ничем не отличаются от атомов в камнях и в воздухе, и однако же вот – мы здесь есть. Небольшое скопление атомов, способное передвигаться по планете и думать – о себе и о других. Внутри меня, как атеиста, этот факт порождает чувство такого же благоговейного удивления, которое, как я подозреваю, испытывают и многие верующие.

Для многих биологов такое изображение картины жизни может выглядеть довольно эксцентричным (в лучшем случае). По той причине, что, сколь бы странно это ни звучало, для большинства биологов не интересно (или не требуется знать), что это такое – жизнь. Они и так достаточно заняты своими попытками выяснить, как же на самом деле работает та жизнь, которую мы уже знаем. Для них жизнь – это не какая-то абстрактная концепция, но скорее конкретные вещи, растущие в их чашках Петри, или движущееся под их микроскопом, или же пересекающее саванну. Но вот что, в конечном счёте, удерживает все эти шарики в воздухе? С каким феноменом мы имеем тут дело?

Потому что мы – это же не просто скопление атомов. Те атомы, из которых мы состоим, постоянно меняются местами с атомами окружающей среды, почти полностью сменяясь каждые несколько лет. В отличие от куска скалы, в котором многие из атомов те же самые, что были встроены в кристаллическую решётку и во времена динозавров, мы – это материя, постоянно находящаяся в движении. Что именно остаётся тут устойчивым (если уж не постоянным) на протяжении всей нашей жизни?

Самое лучшее, что мы можем в настоящее время об этом сказать, – это то, что мы – каждый из нас как индивидуумы – являемся самоподдерживающимися структурами, которые наложены на материю. В природе нет недостатка в неживых аналогах таких структур, которые в течение определённого времени сохраняются и организовываются, пока через них идут потоки материи и энергии. Упомянем, для примера, ураганы и вихри.

Мы тоже представляем собой вращающиеся структуры самоорганизации. Что же отличает живые существа, так это то, что мы можем изменять своё поведение и окружающую среду, дабы поддерживать свою структуру. Более того, мы способны порождать новые структуры и передавать в молекулярной форме память, которая их формирует. То есть геном, который видоизменяется и формируется в процессе эволюции и взаимодействий с окружающей средой. Но наша ДНК сама по себе не живая, и она не может каким-то образом «дать» жизнь целому. Она, скорее, предоставляет ресурсы и возможности. Не больше того и не меньше. Жизнь же – это само вращение, пока оно длится.

Наши структуры взаимодействуют и обмениваются: между ними существует информационный поток. Как только мы перестаём цепляться за свою материальность, более свойственную вещам, высеченным из камня, мы можем увидеть, как происходит подлинное распространение тех структур и принципов организации, которые нас создают.

Ибо что воистину отличает живые организмы как самоорганизующиеся узлы энергии и материи, вращающиеся во Вселенной, так это то, что они обретают смысл и предназначение. Для многих биологов эти слова часто могут звучать как нечто запретное, табу, потому что в них содержатся телеологические и даже теологические коннотации. Но это не просто ошибка науки. Это фундаментальное непонимание того, что это такое – жизнь; и почему мы вовсе не «ничего больше, кроме как атомы».

Смысл и цель существования не только могут быть научными понятиями, но и должны ими стать, если мы хотим проникнуть в суть того, что же это такое – жизнь.

Нет ничего необычного, или не должно быть, по крайней мере, в заявлениях о том, что у жизни существует цель. Но ныне, однако, в науке куда более общепринято утверждать, что цель – это просто видимость, порождаемая тенденцией генов отыскивать способы для своей репликации и размножения. Вот только факт того, что цель можно разложить на молекулы и нейроны, сам по себе ничего не значит. Таким же образом можно разложить и любовь, если достаточно постараться. И тем не менее, мы по-прежнему любим.

Физик Стивен Вайнберг, как известно, в своё время изрёк, что чем больше мы понимаем Вселенную, «тем больше она представляется нам бессмысленной». Но ведь это означает неверное понимание того, что есть смысл – атрибут, порождаемый живыми существами, а не то, что прописано в законах физики.

В подобных изречениях пользы примерно столько же, сколько в заявлениях типа: Чем больше мы понимаем вселенную, тем больше убеждаемся в отсутствии у неё чувства юмора (хотя, по моим сведениям, кое у кого имеются подозрения, что тут справедливо прямо противоположное). Такого рода качества – это не то, что нам вообще следует искать в космосе.

Вместо того, чтобы пытаться рассеять цель и смысл жизни по всему космосу, мы можем и должны сделать из этого науку. Всё это начинается со значимости: ибо всегда имеются вещи, которые организмы замечают и на которые, как правило, реагируют. Потому что это полезно (или предполагается таковым). И есть другие вещи, которые они могут ощущать, но которые игнорируют. Они знают, что тут значимо – как благодаря опыту, так и жёстко прописанным инструкциям. Обращая внимание на то, что их окружает, и дифференцируя эти вещи, организмы создают смысл.

Смысл и цель предоставляют основу «агентства» – как способности живых существ действовать и изменять своё окружение для собственной выгоды. Быть может, это и есть то самое, что действительно отличает нечто живое (или сконструированное из живых вещей), от того, что живым не является.

Для биологии, конечно же, необходимо знать и о факторах транскрипции, и о сигнальных путях клетки, и о динамически устойчивых состояниях клеток. Но то, что делает это всё наукой о жизни, так это существование агентства. И пока биология не обретёт хорошего теоретического и концептуального понимания именно этого трудноуловимого свойства, она не будет по-настоящему подлинной наукой о жизни.

Так что мы – это водовороты смысла. И это одновременно как наша привилегия, так и наша судьба – что часть нашего собственного смысла проистекает из смысла существования других. Мы заботимся друг о друге, и именно поэтому нам так невыразимо грустно, когда вращение дорогого нам человека прекращается. Как это происходит и со всеми самоорганизующимися структурами. И подобно тому, как превращаются в Пыль персонажи трилогии Филипа Пулмана «Тёмные начала».

Готовясь к операции, я твердо намерен крутиться и дальше ещё много лет. Я не могу знать сколько — да и кто из нас это знает? Но по-любому, быть частью этой вселенной, получить на какое-то время возможность вращаться и создавать свой, уникальный очаг смысла – это действительно нечто такое, за что стоит быть благодарным жизни.

Филип Болл
Опубликовано 6 ноября 2023

#

Завершив цитирование автора, далее здесь было бы вполне естественным перейти к содержательным комментариям. Ибо далеко не все из идей Болла соответствуют той картине природы и жизни, которая реконструируется здесь.

Но никаких комментариев, однако, далее не будет. Во-первых, потому что об этом и так написано немало в текстах «Дополнительного чтения». Во-вторых, потому что весь этот рассказ и затеян-то был ради перевода статьи Болла. Ну а в-третьих, просто хочется пожелать человеку успешного преодоления и этого рубежа. И побольше здоровья на будущее.

# # #

Дополнительное чтение:

О новых взглядах науки на то, как устроена и работает жизнь:
Дешифрование кодов и смыслов биоэлектричества;
Гидра-динамика морфогенеза, или Модельный организм живой вселенной ;
Топология осьминога и анатомия космоса

О новой-старой физике, о жизни после смерти и о нашем будущем

О серьёзных опасностях для исследователей на непроторенных маршрутах науки: Вершины погибших альпинистов, или Риски и потери научного гностицизма

О живом минимальном агентстве, соединяющем в себе материю и сознание, а также служащем основой для «смысла и цели» существования вселенной: Четыре разума и одна большая память

# #

Основные источники:

[1] Philip Ball. How Life Works: A User’s Guide to the New Biology (2023)
UK edition ; US edition

[2] How Life Really Works. By Philip Ball. Nautil.us, November 6, 2023

#