Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Рагувир Партасарати

Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Памяти моих родителей

Калиани и Сампата Партасарати

© 2022 by Princeton University Press

© З. Мамедьяров, перевод на русский язык, 2024

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2024

© ООО “Издательство Аст”, 2024

Издательство CORPUS ®

Введение

Как устроена жизнь? Этот вопрос может показаться обескураживающим и даже абсурдным. Как один и тот же ответ может быть справедливым по отношению и к стремительному гепарду, и к неподвижному дереву, и к вашей уникальности, и к триллионам бактерий, которые живут внутри вас? Опыт даже одного-единственного организма головокружительно разнообразен: представьте, например, как маленькая курочка вылупляется из яйца, как затем она впервые взмахивает крыльями, как стучит ее сердце при виде лисы и как пища и вода внутри нее превращаются в ее собственные яйца. Можно ли уместить все это в какой-то одной интеллектуальной рамке?

Поиск ответа на этот вопрос – поиск какого-то единства в разнообразии жизни – отражается в нашем исконном стремлении к категоризации живых существ на основе сходств в их внешнем виде и поведении. Аристотель делил животных на группы по таким признакам, как яйце- и живорождение. В древнеиндийских текстах применялся целый ряд критериев, включая и способ появления на свет: «те, что из яйца; те, что из зародыша; те, что из влаги; те, что из ростка»1. Современная таксономия выросла из трудов Карла Линнея, ученого XVIII века, который систематизировал названия живых существ и разработал применяемую по сей день иерархическую систему классификации на основе общих характеристик организмов. И все же одной классификации недостаточно. Мы хотим понимать, почему появляются общие черты, объединяющие организмы, а не только знать, каковы они.

В этой книге мы будем рассматривать то самое «почему» сквозь призму физики и прольем свет на удивительную изящность и упорядоченность биологии. Разумеется, это не единственный ракурс, позволяющий заглянуть в глубины жизни. С позиции биохимии, например, можно увидеть, как из атомов формируются молекулярные компоненты органического вещества, как энергия запасается в химических связях и извлекается из них и как из постоянного преобразования вещества и энергии в ходе химических реакций выстраивается метаболизм живых организмов. Но с помощью одной лишь химии сложно переключаться с масштаба молекул на масштаб окружающих нас животных, растений и даже отдельных клеток, а также постигать концепцию формы.

Столь же всеобъемлющую картину рисует и теория эволюции. С середины XIX века, когда на Чарльза Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса снизошло озарение, мы видим в тех или иных чертах живых существ проявления более глубоких исторических процессов. Сходства – что в видимых анатомических характеристиках, что в скрытой от глаз структуре ДНК – могут говорить о происхождении от общих предков, и это позволяет нам строить дерево взаимосвязей, объединяющее все живое на планете. Различия возникают по воле случая и закрепляются под давлением неодинаковых факторов среды – опять же в современных формах жизни отражается история. Теория эволюции дает нам прекрасную систему координат для изучения жизни, однако не займет в этой книге центральное место. Отчасти потому, что ей посвящено немало популярной литературы. Но важнее другое: сама по себе теория эволюции больше отвечает на вопрос как, чем почему.

Поясню, что я имею в виду под «почему», на примере плавательного пузыря – чаще всего двух заполненных газом камер, которыми обладают многие виды рыб. Сравнение современных и вымерших организмов позволяет нам связать эволюционную историю этого органа с появлением легких у дышащих воздухом животных, что отмечал еще сам Дарвин. Но чтобы понять, как работает плавательный пузырь, нам нужно обратиться к физике: низкая плотность заполняющего его газа компенсирует высокую плотность костей у костных рыб, благодаря чему средняя плотность их тела сравнивается с плотностью окружающей воды, и рыбам без труда удается плавать на любой желаемой глубине. Плавательный пузырь – лишь одно из решений проблемы разницы плотностей. В других случаях в организме рыбы может содержаться большое количество низкоплотностного жира или ее скелет может состоять из хрящей, а не из костей – обе эти стратегии используют акулы, у которых нет плавательного пузыря. Последний общий предок хрящевых и костных рыб жил более 400 миллионов лет назад. С тех пор эволюция этих групп шла разными путями, наделив их разными способами преодоления одних и тех же физических трудностей маневрирования в воде. Можно утверждать, что, поняв, почему возникли анатомические характеристики, имеющие отношение к контролю над плотностью, мы обнаружим неявное единство всех рыб за пределами плоскости их эволюционного расхождения. (Подобным углом зрения мы воспользуемся в этой книге еще не раз.) Не стоит, однако, забывать, что формы, которые мы наблюдаем сейчас, ковались с помощью таких инструментов, как изменчивость и естественный отбор: они обеспечивали растущие из поколения в поколение шансы выжить особям, лучше приспособленным к передвижению по своему водному миру.

Помимо биохимии и теории эволюции есть и другие ракурсы для изучения многообразия жизни. Впрочем, вместо того чтобы перечислять все подходы, к которым мы не станем прибегать, давайте обратимся к тому, что нас интересует.

Я уже намекал, что в этой книге буду рассматривать природу с ракурса, который называю биофизическим. Это понятие объединяет в себе биологию и физику и подразумевает, что вещества, формы и действия, из которых складывается жизнь, управляются и сдерживаются универсальными законами физики и что, проливая свет на связи между физическими законами и биологическими проявлениями, мы обнажаем каркас поразительного многообразия жизни. Утилитарность и популярность физики объясняются именно ее универсальностью. Один и тот же закон гравитации применим как к яблоку, падающему с дерева, так и к планетам, которые вращаются вокруг Солнца, и сейчас ведется работа по расширению сферы его действия даже на странное поведение квантового мира. Биофизика привносит в живой мир стремление к единству, лежащее в основе физики.

Утверждение, что живые организмы подчиняются законам физики, может показаться банальностью. В конце концов, организмы состоят из тех же элементарных частиц, что и все остальное, и, следовательно, подчиняются тем же правилам. Но можно было бы подумать, что после того, как под действием физических сил образуются атомы и молекулы, явная роль физики заканчивается, дальнейшие же молекулярные перестроения определяются сложной химией, а более заметные особенности – характерной предрасположенностью клеток и организмов. Это, однако, не так. Подобно тому как физические силы руководят замысловатым ветвлением морозных узоров на окне и определяют ритмику изгибов огромных песчаных дюн, не вынуждая нас обращаться к субатомным частицам для объяснения механики этих процессов, физические механизмы придают жизни форму на любых уровнях. Одним из величайших триумфов физики, особенно за последние полвека, стало выяснение того, как общие правила задействованы во всевозможных природных явлениях, этакая расчистка дебрей сложности ради обнажения глубинных принципов. Магниты, например, теряют магнетизм при нагревании до определенной «критической» температуры[1], и хотя их можно изготавливать из множества разных элементов и сплавов с уникальным атомным строением, паттерн[2] ослабления их магнитного поля при приближении к критической температурной отметке будет неизменным. Оказывается, трехмерного расположения взаимодействующих атомов достаточно для определения последствий их взаимодействия, каким бы ни было атомное строение вещества. Вот другой пример: представьте, что вы многократно встряхиваете банку с разными видами орехов. Как правило, более крупные орехи оказываются наверху, почему этот феномен и назвали эффектом бразильского ореха. Разумеется, он наблюдается при встряхивании не только орехов, но и зерен, гальки и любых других смесей неоднородных объектов. Чтобы объяснить его, нужно прибегнуть к общему понятию «потоки в зернистых средах» и показать, как сталкивающиеся частицы в любой смеси создают и заполняют пустоты, благодаря которым и могут перемещаться.

Биофизика ищет способы применять универсальные физические законы к миру живых организмов. Работа в этом направлении не завершена, но уже оказалась куда более успешной, чем мы могли мечтать всего несколько десятилетий назад. С помощью физики мы можем понять, как ДНК выходит из вирусов, каковы неоспоримые пределы скорости мысли и почему именно так устроен наш позвоночник. Мы применяем новые знания, чтобы выращивать органы на полимерных подложках и читать геномы с помощью световых квантов. Мы обнажаем скрытую доселе простоту и элегантность живого мира. Простота возникает потому, что многое вполне возможно объяснить горсткой принципов, а не бездной деталей, элегантность же рождается из единства живой и неживой природы. Это необычная точка зрения, и мне остается надеяться, что благодаря последующим страницам книги она покажется вам убедительной.

Не стоит, однако, забывать, что в стремлении найти единство в сложности всегда есть риск впасть в излишнюю самонадеянность. Возникает соблазн закрывать глаза на уроки, которые дает нам разнообразие, или загонять разнородные данные в необоснованно упрощенные рамки. Рассматривая вопросы с позиции физики, мы особенно часто совершаем такие ошибки – вероятно, в силу изящества физических теорий и их прошлых успехов. Хоть и сам я физик, но готов признать, что не так уж далеко от реальности карикатурное изображение физиков, которые, подобно слонам, беспечно топают по смежным областям науки, не оценивая по достоинству сокровища у себя под ногами. В своей книге я буду славить биофизику, но опишу и несколько ее неудач: в частности, в главе 12 речь пойдет о спорных вопросах метаболизма, которые, похоже, оказались биофизике не по зубам.

* * *

Каким же физическим законам подчиняются живые организмы? Мы могли бы обратиться здесь к законам, которые связаны с фундаментальными взаимодействиями, термодинамикой, теорией вероятности и так далее и поддаются точной математической формулировке. Это было бы абсолютно справедливо, но сухо и к тому же напускало бы тумана на глобальные уроки, извлеченные биофизиками из природы. Лучше я направлю наше внимание на четыре принципа, или мотива, которые снова и снова появляются в биофизических изысканиях.

Первый из них – самосборка. Этот принцип подразумевает, что инструкции по созданию объектов из биологических компонентов (будь то молекулы, клетки или ткани) закодированы в физических характеристиках самих этих компонентов. Может показаться очевидным, что организм содержит инструкции по собственной сборке. Ведь никто же не вырезает дерево в форме дерева и не приклеивает пять лучиков к морской звезде – живые существа формируются вполне самостоятельно. Но при этом их внутренние инструкции совершенно не обязаны храниться в виде перечня задач, записанного в одном наборе компонентов и выполняемого другим. Часто инструкциями служат сами физические характеристики биологических структур. Определять взаиморасположение фрагментов целого могут такие свойства, как размер и форма, наряду с менее заметными атрибутами вроде электрического заряда, эксплуатирующими законы физики.

Приведу пример. Если вы когда-нибудь пускали мыльные пузыри и наблюдали за образующимися конфигурациями, то, возможно, замечали, что в одной точке никогда не соприкасается больше трех пузырей. Четыре пузыря могут контактировать только так, как показано на рисунке слева, образуя линию соприкосновения в виде искаженной буквы H, но не X, как это показано справа.

Под действием физических сил площадь поверхности мыльных пленок стремится к минимуму, что и порождает непреложные законы стыковки мыльных пузырей. Эти правила, экспериментально установленные еще в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато, не допускают объединение четырех пузырей, поскольку оно не позволяет свести площадь поверхности к минимуму. Пузыри располагаются не в случайном порядке. Однако никакая невидимая рука не расставляет их согласно стереотипной схеме: законы их организации заложены в их же физической природе. Больше века ученые замечали, что расположение смежных клеток в разных тканях напоминает расположение мыльных пузырей, и пытались понять, совпадение ли это или результат работы сходных механизмов2. Так, в 2004 году Такаси Хаяси из Токийского университета и Ричард Картью из Северо-Западного университета США обратили внимание на скопление фоторецепторных клеток в фасеточных глазах плодовой мушки3. Обычно их четыре, и они расположены ровно так, как четыре мыльных пузыря (см. рисунок выше). Изучая мушек-мутантов с одной, двумя, тремя, пятью и шестью фоторецепторными клетками в группе, ученые увидели, что клетки располагаются так же, как мыльные пузыри в группах той же численности. Судя по всему, для организации важнейших клеток сетчатки мушка прибегает к общим физическим механизмам минимизации площади поверхности. Вместо того чтобы тщательно выверять положение каждой клетки, мушка создает их и позволяет самим сортировать варианты соприкосновения и, минимизировав площадь поверхности, выстроиться в правильном порядке. Клетки, как и мыльные пузыри, компонуются сами. Да и в бесчисленном множестве других контекстов мы обнаруживаем, что структура детально не прописана в проекте организма: природа скорее помещает в нужное место строительные материалы и рассчитывает на то, что законы физики соединят их должным образом. К счастью, на законы физики можно положиться.

Второй повторяющийся мотив – регуляторные цепи. Благодаря повсеместному распространению компьютеров мы имеем представление о том, что машины способны с помощью законов логики трансформировать входные данные в выходные, принимая решения на основе сигналов от датчиков и контроллеров. Не нова для нас и мысль, что живые существа, включая человека, выбирают стратегию поведения в зависимости от стимулов окружающей среды, однако детали аналитического процесса пока не вполне ясны. Мы увидим, что сетевые механизмы принятия решений свойственны не только крупномасштабному миру: они появляются уже на уровне микроскопической активности – как неотъемлемые части структуры и форм взаимодействия молекул. Сырые, мягкие кирпичики жизни собираются в машины, которые ощущают окружающую среду, производят вычисления и принимают логические решения.

Например, мигрирующая клетка в развивающемся эмбрионе должна остановиться, достигнув нужной точки, и ее решение об остановке отчасти основывается на оценке механической жесткости соседних тканей[3],4. Клетки сцепляются друг с другом и с внеклеточным веществом посредством белков, выступающих у них на поверхности, и с помощью этих белков, как бы прощупывая субстрат и подтягиваясь, протаскивают себя по своему окружению. Некоторые белки сцепления, или адгезии, служат как сенсорами, так и якорями, и эти роли неразрывно связаны: в жестких средах молекулы белков растягиваются, как ваша рука, когда вы тянете за толстую ветку дерева на приличном расстоянии от вас; в мягких средах белки сокращаются, примерно как сгибается ваша рука, когда вы без особых усилий сдергиваете полотенце с веревки. Некоторые вещества способны прикрепляться к специальным участкам адгезивных белков, но только если эти участки открыты, что случается, лишь когда молекула белка растянута (представьте, как обнажится внутренняя поверхность локтевого сгиба, если вы потянете за дерево, а не за полотенце). Такое прикрепление запускает череду событий, приводящую клетку к решению прекратить движение. Следовательно, на физической структуре белка может базироваться работа целой клеточной машины, которая воспринимает стимулы, производит расчеты и принимает решения.

Наш третий принцип – предсказуемая случайность. Физические процессы, лежащие в основе механизмов жизни, по сути своей случайны, но, как ни парадоксально, их средние результаты в высокой степени предсказуемы. В неживой природе случайность играет важнейшую роль в таких разных процессах, как тасование карт и столкновения молекул газа. Физика давно бьется над вопросом, как совершенно надежные, стабильные свойства появляются из базового хаоса. Так, мы уже знаем, почему звезды излучают постоянный, одинаково окрашенный свет, несмотря на бурление внутри них, и как извлекать энергию из воспламенения бензина. Микроскопический мир обречен на непрерывное, интенсивное, случайное движение, с которым ДНК и другие клеточные компоненты должны справляться и даже использовать в своих целях. Мы умеем вычислять вероятные исходы случайных процессов, и именно такие процессы часто дают простое объяснение с виду сложным явлениям. Например, вирусу, стремящемуся к клетке, которую он сможет заразить, не нужно думать (даже если бы он был на это способен), как найти особые поверхностные белки для прикрепления: на вирус действуют случайные силы, которые таскают его повсюду, обеспечивая так гарантированное пересечение его хаотичной траектории с целью. Ваша иммунная система тоже делает ставку на случайность, производя огромное разнообразие рецепторных белков, которые смогли бы при необходимости распознать даже незнакомый организму патоген. Мы посвятим всю шестую главу случайности микроскопического движения: она так или иначе перекликается со случайностью, заложенной в работе генов и иных принципах устройства жизни, которые мы будем обсуждать.

Наш последний биофизический мотив – масштабирование, или идея о том, что физические силы в зависимости от размеров и форм определяют, какой вид могут принимать растущие и эволюционирующие организмы. Когда речь идет об искусственных структурах, связь между размером, формой и физикой очевидна. Например, строить высокие здания очень трудно. До появления стальных каркасов и других современных технологий попытка замахнуться на большую высоту или огромный внутренний простор грозила риском обрушения здания, поскольку его масса могла превысить несущую способность стен. Нельзя просто увеличить масштабы маленького здания, сохранив его пропорции. Говоря современным языком, гравитация и другие силы по-разному масштабируются в зависимости от размера (см. главу 10), и нам необходимо учитывать это при проектировании зданий. Подобным же образом принцип масштабирования проявляется в размерах и формах животных, не ограничиваясь, однако, рамками механической проблематики. Масштабирование проливает свет на самые разные особенности живых организмов, от возникновения легких до, вероятно, скорости нашего обмена веществ.

В последующих главах мы выясним, что эти четыре концепции не изолированы, а взаимодополняемы и в чем-то даже взаимозависимы. Точность биологических регуляторных цепей часто зависит от статистики случайного движения. Случайное движение меняет положение биологических компонентов, способствуя их самосборке. Самосборка в крупные структуры подчиняется законам масштабирования. Все вместе эти процессы и принципы формируют объяснительный аппарат биофизики.

* * *

Зная, как устроена жизнь, мы можем влиять на нее. Это, конечно, не новость. Изучив среди прочего иммунную систему и поведение микроорганизмов, мы одолели множество болезней, в прошлом терзавших человечество. Так, за один лишь XX век оспа унесла больше 300 миллионов жизней, но теперь исчезла благодаря вакцинации5. Накопленные знания в сферах генетики, биохимии и множестве других позволяют нам добиваться от растений и животных производства продовольствия для семи с лишним миллиардов человек, хотя всего веком ранее людей на планете было в четыре раза меньше. В последние годы мы научились вносить фундаментальные изменения в организмы, напрямую считывая их геномную информацию и переписывая ее с целью коррекции форм и функций. Как мы увидим, эти прорывы не случились бы, не подойди мы всерьез к изучению жизни через призму биофизики. Признав осязаемую, физическую природу ДНК и других молекул, мы сумели разработать инструменты, которые в буквальном смысле проталкивают, вытягивают, разрезают и сшивают фрагменты жизни.

Биофизический ракурс также помогает нам осмыслить последствия применения новых биотехнологий и трудные решения, которые они вынуждают нас принимать. При появлении у нас в руках, например, биоинженерных методов уничтожения комаров, которые разносят малярию, лихорадку денге и другие болезни, мы вспомним одновременно и печальный опыт спровоцированного человеком вымирания биологических видов, и вдохновляющие истории прошлых побед над болезнями. Чтобы решить, применять ли эти методы, нужно понимать, как они работают и чем отличаются от инструментов, использованных в прошлом. На уровне частной жизни способность читать собственный геном позволяет нам прогнозировать вероятность развития тех или иных заболеваний у нас и у наших детей, а развивающиеся сейчас технологии геномного редактирования дарят нам возможность менять эту вероятность. К чему приведет корректировка зародышевого генома в попытке избавить будущего ребенка от муковисцидоза, рака или депрессии? Решение, делать ли это, глубоко личное, но вместе с тем оно влечет за собой серьезные этические и социальные последствия. Такие решения могут – и должны – подкрепляться достаточными знаниями о генах, геномах, клетках, организмах и процессах, которые определяют их взаимодействие. Ниже мы увидим, что физическая природа компонентов жизни и основополагающие вопросы, связанные со случайностью и неопределенностью, влияют на то, что мы можем и не можем делать с нашими новыми технологиями.

* * *

В ходе освоения биофизических тем мы столкнемся со множеством примеров из разных сфер жизни. Мы рассмотрим принципы нормальной работы организмов, включая наш собственный, а также сбои, связанные с болезнью, и точки пересечения биологии с технологиями. В первой части («Ингредиенты жизни») наше путешествие начнется внутри клеток. Мы опишем, в частности, ДНК и белки – вещества в определенном смысле универсальные, поскольку на их основе организованы все известные нам живые существа. Молекулярных персонажей первой части этой истории вы наверняка встречали в школьном курсе биологии, но мы сосредоточимся на физических характеристиках, которые определяют их функции. Мы познакомимся с жесткими нитями ДНК, двумерными жидкостями, определяющими границы клеток, и трехмерными скульптурами из одной молекулы. Во второй части («Жизнь во всей полноте») мы расширим горизонты и рассмотрим сообщества клеток, включая эмбрионы, органы и популяции бактерий, живущих внутри каждого из нас. А еще, усвоив закономерности масштабирования, которые определяют форму животных и растений, мы выясним, почему слону никогда не стать таким же атлетичным, как антилопа. В третьей части («Конструирование организмов») мы вернемся к микромиру ДНК, но теперь, лучше разобравшись во взаимосвязи молекул и организмов, обратим внимание на геном в целом. Мы выясним, что значит читать, писать и редактировать ДНК, а также узнаем, как сама природа указала нам на подходящие для этого инструменты и какие возможности и проблемы сами эти технологии сулят.

Сколь бы интересными ни были эти темы и примеры, общий эффект от знакомства с ними оказывается куда сильнее: единое больше, чем сумма частей. Биофизика преображает наш взгляд на мир. В концовке «Происхождения видов» Дарвин пишет:

Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм[4].

Я надеюсь убедить вас, что Природа еще величественнее и мудрее, чем полагал Дарвин. Неизменные и точные законы физики вовсе не контрастируют с появлением бесконечного числа прекрасных форм, а неразрывно связаны с ним. Мы можем сказать, что важнейшим «простым началом» стало не зарождение жизни и не формирование нашей планеты, а возникновение физических законов, характеризующих нашу Вселенную. Эти законы не перестали влиять на жизнь миллиарды лет назад, а вылепили и продолжают лепить все «изумительные формы» вокруг и внутри нас. Отыскав простоту в сложности и прочертив связи между разнообразными явлениями жизни и универсальными принципами физики, мы лучше поймем себя, других существ и в целом мир, в котором обитаем. Надеюсь, вы согласитесь с этим.

Часть I. Ингредиенты жизни