Истории будущего - Дэвид Кристиан

и назвал их cella – это латинское слово обозначает ячейку, наподобие пчелиной соты, – ибо у каждой клетки имелась стенка, или мембрана, отделявшая ее от остальных. Первым, кто понял, что отдельные клетки – это живые организмы, был голландский шлифовщик линз по имени Антони ван Левенгук; он открыл целый мир организмов, состоящих всего из одной клетки, мир, о котором ранее не подозревали, мир организмов настолько маленьких, что миллион клеток вполне уживался в капле воды. Ван Левенгук назвал эти организмы анимакулами – «зверьками»77.

Осознание того, что крупные организмы – люди и животные – делят планету Земля с целым миром миниатюрных существ, ранее никому не ведомых, имело, несомненно, такое же значение, какое сегодня может иметь обнаружение жизни на других планетах (это открытие может произойти в ближайшие несколько десятилетий). Но лишь в 1839 году было признано, что клетки являются строительными блоками всех форм жизни. Именно тогда Матиас Шлейден и Теодор Шванн заявили, что «все организмы состоят из одинаковых частей, а именно из клеток». В 1858 году Рудольф Вирхов [42] внес последний штрих в клеточную теорию жизни, указав, что каждую клетку можно рассматривать как отдельное живое существо. Клеточная мембрана толщиной всего в две молекулы создает границу между внутренним, живым миром и миром внешним. Также она обеспечивает контакт с внешним миром и обмен энергией, питательными веществами, информацией и отходами78.

Может показаться, что организмы, состоящие всего из одной клетки, должны быть простыми. Но мы знаем сегодня, что каждый такой организм может состоять из миллиардов атомов и тысяч молекул различных типов. Все эти элементы тщательно упорядочены и взаимодействуют с исключительной точностью в химических танцах, точную хореографию которых мы не до конца понимаем. Каждый элемент по отдельности выглядит простым, но, как показала новая область исследований сложности, необычайная сложность может возникнуть из взаимодействия простых элементов, связанных посредством многочисленных петель обратной связи79.

Установлено, что одноклеточные организмы способны делать искусные и изощренные ставки на свое будущее. Они могут учиться на своих ошибках, могут припомнить, что произошло минуту назад, и рассчитать шансы (практически по байесовскому методу). Они даже могут создавать внутренние молекулярные модели внешних условий, будь то температура или насыщенность кислородом, и использовать эти модели для принятия решений о соответствующих действиях80. Конечно, если у тебя всего одна клетка, ты не думаешь по-настоящему. Мозг, отвечающий за человеческое мышление, имеет миллиарды отдельных клеток, большинство из которых крупнее одной бактерии, так что бактериям мозг не полагается. Вместо этого они управляют собственным будущим, используя сети биохимических реакций, которые, по сути, вычисляют вероятный ход событий и необходимые действия.

Минимальные версии бактериального набора инструментов для управления будущим, вероятно, существуют с тех самых пор, как жизнь впервые появилась на Земле почти четыре миллиарда лет назад. Сравнение генома множества различных микробных видов показало наличие наборов инструментов управления будущим, настолько широко распространенных, что они, вероятно, существовали уже у LUCA [43], последнего универсального общего предка, гипотетического предка всех ныне живущих организмов81. LUCA обитал в мире почти четыре миллиарда лет назад, он располагал органами чувств и мог защищать себя. Еще у него имелась вычислительная сеть молекулярных «реле», которые позволяли делать целенаправленный выбор – например, «если еда обнаружена (А), то двигаться к ней (Б), но только если еды много… если еды почти нет (—А), то не нужно тратить силы на перемещение (—Б)». Подобном всем сложным системам, LUCA почти наверняка обладал петлями положительной обратной связи для управления активными, динамичными процессами; петлями отрицательной обратной связи для ослабления этих процессов и поддержания стабильности; и связями между теми и другими для более утонченных откликов на обратную связь от других частей системы. Иными словами, LUCA располагал основными логическими схемами, необходимыми для выполнения вычислений, к которым прибегают все живые организмы, сталкиваясь с неопределенным будущим.

Звездой этой главы является бактерия кишечной палочки: мириады этих бактерий живут сегодня и несколько миллионов обитают в кишечнике каждого человека (им по нраву человеческое нутро).

За последние десятилетия биологи многое узнали о кишечной палочке, и к настоящему времени расшифрованы геномы множества различных ее вариантов. Пожалуй, кишечная палочка изучалась столь же тщательно, как любой другой живой организм, не считая нас самих82. Отчасти причина в том, что мы научились использовать модифицированные клетки кишечной палочки в качестве биологических фабрик по производству таких веществ, как инсулин. А еще дело в том, что кишечная палочка, если взбунтуется, способна немало нам навредить.

Правильное биологическое название бактерии E. coli – Escherichia coli, в честь Теодора Эшериха, австрийского биохимика, который первым ее выявил. Название относится не к одному виду бактерий, а сразу к нескольким родственным видам, которые развивались по-разному на протяжении последних ста миллионов лет или около того83. Эти бактерии образуют три надцарства, как выражаются биологи: собственно бактерии, архебактерии (археи) и эукариоты. Бактерии и археи – одноклеточные и относятся к прокариотам. Имея всего одну клетку на организм, прокариоты должны быть универсальными организмами, то есть их клетки должны делать все необходимое для выживания, в том числе готовиться к будущему.

Каждая палочковидная клетка кишечной палочки в длину всего несколько миллионных долей метра – несколько микрон. Тридцать или сорок бактерий, расположенных встык, составляют приблизительную ширину человеческого волоса (около восьмидесяти микрон)84. Тем не менее каждая клетка содержит до ста тысяч миллиардов атомов и много интересного биологического материала.

Как E. coli справляется с неопределенным будущим?

Чтобы понять, как клетки кишечной палочки управляют собственным будущим, уместно заручиться проводником, который уменьшит нас до размеров молекулы белка и поведет за собой в диковинный и хлюпкий мирок бактериальной цитоплазмы. Опыт наверняка покажется нервирующим, однако не стоит отставать от проводника, ибо нам предстоит увидеть основной механизм всякого управления будущим, механизм, очень похожий на те, какие найдутся в каждой клетке ваших с вами тел. Мы попадем в странный мир, в желеподобную и грязную среду, что вибрирует от случайных, беспорядочных выбросов тепловой энергии, а на незваных гостей продолжают давить более упорядоченные электромагнитные силовые поля. Всюду вокруг будут молекулы, которые как будто собрались на масштабный турнир по борьбе в грязи. Это сложный, порой жестокий мир, но в нем при этом процветает замечательное сотрудничество и царит дух сплоченности.

Вообразим, что мы сумели успокоиться, а наш проводник готов нас вести. Сначала мы направимся к геному клетки – к месту, где хранится информация, необходимая для создания четырех тысяч (или около того) молекул различных типов, составляющих клетку кишечной палочки и позволяющих ей управлять своим будущим. Чтобы добраться до генома, придется преодолеть липкую цитоплазму клетки и оставить позади потную и напористую, так сказать, толпу