Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир
Шрифт:
Важнейший лейтмотив этой книги – то, что лейтмотивы существуют. Живой мир – это не просто набор анатомических структур и биохимических реакций. Существуют законы, мотивы и механизмы, которые объединяют все компоненты этого мира и их деятельность. Теперь, когда вы прочитали предыдущие 15 глав, это не должно вас удивлять. До сих пор, однако, я избегал вопроса, имеет ли такое единство практическое или скорее эстетическое значение. Этот вопрос повинен в своеобразной напряженности, характерной для множества отраслей современной науки. Сперва я проиллюстрирую этот феномен небиологическим примером, а затем мы вернемся к миру живому.
Нельзя сказать, что к изучению физики меня подтолкнуло одно-единственное переживание, но я до сих пор живо помню, как на уроке физики мы отпускали шарик, который скатывался с горки на стол, а затем падал с края стола в пластиковый стаканчик, стоящий на полу. Нам нужно было предугадать,
Но делать свои предсказания мы могли бы и другим способом – составляя огромную таблицу с результатами экспериментов. Проводя раз за разом один и тот же опыт, мы изменяли бы отдельные параметры: высоту и угол наклона горки, массу и материал шарика, высоту стола, температуру воздуха и прочие потенциально значимые переменные – и записывали бы, куда приземляется шарик. Тогда, зная условия очередного перемещения, мы находили бы его результат в нашей огромной базе данных. На современном научном жаргоне этот прием называется Big Data, «большие данные». Ничего плохого в таком подходе нет, и часто он отлично срабатывает. Мы уже наблюдали это, анализируя корреляции между особенностями генома и, например, ростом человека (см. главу 14). Эти корреляции позволяют нам делать прогнозы, но мы не понимаем, откуда берутся они сами.
Контраст между пониманием базовых принципов и каталогизацией информации все чаще проявляется в большинстве научных сфер, и связано это с повышением эффективности наших инструментов для формирования и обработки массивов данных. В одних случаях, как в стратегиях с использованием броуновского движения, например (см. главу 6), основополагающие закономерности так глубоки и хорошо изучены, что было бы нелепо не принимать их в расчет. В других, как в приведенном выше примере с геномикой, нам пока что остается лишь искать корреляции. А иногда нам вообще непонятно, что делать. В главе 4 мы рассматривали схемы генетической регуляции, состоящие из репрессоров и промоторов, которые управляют активностью генов. Для одних ученых путь вперед означает выявление основных компонентов таких схем – петель обратной связи, осцилляторов, часов и так далее. Для других это не имеет значения: им полезнее учитывать детали всех взаимодействий между всеми компонентами регуляторной сети, даже если их сотни или тысячи. Нельзя сказать определенно, какой из подходов лучше – первый, больше биофизический, или второй, больше феноменологический, описательный. Они не исключают друг друга, и, возможно, в идеале стоило бы применять их параллельно, особенно когда построение подробных моделей помогает нам выявить пока еще неизвестные принципы. И все же напряженность между этими философиями существует и специфически окрашивает дебаты о финансировании и направлениях исследований.
Лично я склоняюсь к тому, чтобы подсвечивать минимальный, базовый набор принципов. В конце концов, гигантская база данных по траекториям падения шарика позволит нам прогнозировать результаты всех будущих экспериментов такого рода, но лишь глубокое понимание законов Ньютона позволило нам вычислить траектории, чтобы отправить людей на Луну. Следовательно, практичность метода может зависеть от временных рамок: будем ли мы его применять в решении какой-то из насущных задач или же одной из задач будущего, которые пока непредставимы. Понимание не только практично, но и глубоко притягательно для человека. Пониманию сложно дать определение. И все же человечество испокон веков извлекает из сложности простые, но действенные объяснения, подпитывающие и мифы, и науку.
Возможно, у вас были вполне определенные ожидания относительно концовки этой книги. Мы начали с ингредиентов жизни, молекул и механизмов, создающих внутреннюю динамику клеток. Затем мы рассмотрели сообщества клеток, такие как органы и эмбрионы, а дальше – некоторые принципы, руководящие формообразованием в больших масштабах. Наконец, мы вернулись к субклеточному миру и узнали, как читать и писать на языке генома. Вам могло показаться, что круг замкнулся и мы можем завершить рассказ описанием конструирования организмов – скажем, устойчивых к засухе растений с высокой пищевой ценностью или давным-давно истребленных животных – путем создания и реализации той наследственной информации, которая даст организмам тела и поведение на наш вкус. Можно было бы набросать, например, план трансформации крошечного дикдика в массивного гну. Нам пришлось бы внимательно изучить подсказки в его ДНК, подтолкнуть нуклеотидные последовательности соответствующих генов к формированию
Мы, однако, не знаем, как спроектировать такую трансформацию, поэтому концовка у книги будет другой. Наше незнание вовсе не признак провала, оно говорит нам лишь то, что история, которую мы разбираем здесь, еще далека от завершения. Мы уже знаем основные компоненты и принципы построения жизни. Наше представление о контекстах, в которых они проявляются, пока еще туманно, но постепенно проясняется. Такое впечатление, что мы только-только научились читать и планируем теперь осилить целую библиотеку. Нет гарантии, что мы сумеем во всем этом разобраться. Хотя лейтмотивы и ясны, возможно, будет сложно в полной мере, до мельчайших деталей, понять генетические взаимодействия, химические реакции и микроскопические силы, которые выращивают в одних случаях бук, а в других – бамбук, отличают лошадь от гиппопотама и задают верное соотношение диаметра и длины бедренной кости. Возможно, мы даже признаем это нецелесообразным. Время покажет. Но даже такой исход не уменьшит ценности того, что мы узнали об архитектуре жизни, и не охладит наш энтузиазм к продолжению исследований.
Фундаментальная тяга человека к знанию, поиску связей между феноменами и радости от их установления служит главной мотивацией к исследованию природы. В последних главах мы особенно много говорили о технологических выражениях наших новых представлений об устройстве жизни. Значимость технологий и их пересечений со здоровьем, болезнями и обществом сложно переоценить, и многие люди считают их самой важной из граней науки. Но я все равно решил бы заниматься биофизикой и все равно написал бы эту книгу, даже если бы не было у науки тех самых выражений. Живой мир потрясает разнообразием форм и активностей. В наших дворах и городских парках белки прыгают с ветки на ветку, солнечный свет бликует на прозрачных крыльях стрекоз, а деревья качают углерод из воздуха, чтобы возводить стволы высотой в десятки метров. А есть ведь еще и более экзотические места. Там львы охотятся в саваннах, дельфины резвятся в волнах и рыбы во тьме океанских глубин вырабатывают свет. Мы можем наблюдать за этим и восхищаться красотой.
Теперь мы можем восхищаться еще и тем, что в организме льва скрываются километры ДНК, и тем, как его нейромедиаторы пускаются в пляс всякий раз, когда лев решает атаковать, и уж точно тем, как моторные белки маршируют по скелетам его клеток, – целыми пластами феноменов, столь же примечательных, как и лежащие на поверхности. Кроме того, перед нами теперь со всей очевидностью предстало единство всех организмов, включая наш, – единство, о котором наши предки и мечтать не могли. Сухопутные и морские, новорожденные и взрослые, микроскопические и гигантские – все организмы состоят из одинаковых молекулярных кирпичиков, из немногих типов молекул, которые кодируют информацию и самостоятельно принимают трехмерные формы. Каждый организм становится таким, какой он есть, под влиянием физических сил вселенной: кости львицы и антилопы, которую она выслеживает, формируются с учетом силы притяжения, а дельфин может быть дельфином лишь в просторном жидком доме. Каждый организм не только мирится с микроскопическим хаосом беспокойных молекул, но и преобразует этот хаос в расчет, регулируя активность генов, белков, клеток и органов в ответ на внутренние и внешние стимулы. За внешними проявлениями, какими бы изумительными они ни были, скрывается изящная глубинная основа, которая определяет устройство жизни и которую мы теперь начинаем ценить по достоинству.
Благодарности
Идея написать эту книгу родилась 10 лет назад. Примерно в то же время я разработал курс лекций «Физика жизни», рассчитывая познакомить с чудесами физики студентов, изучавших другие науки, и использовать биофизику в качестве инструмента для повышения научной грамотности. Эта книга гораздо полнее курса и совершенно иначе структурирована, но я все равно хочу поблагодарить студентов, прошедших мой курс, и за энтузиазм, который они частенько проявляли, и за моменты, когда они слушали меня вежливо, но с каменными от безразличия лицами. Ученого обычно восхищает все, имеющее хоть призрачную связь с его сферой интересов, и выяснение факта, что большинство людей находит некоторые вещи довольно скучными, может сильно его потрясти. Студенты подталкивали меня оживлять с помощью все новых и новых тактик определенные темы или не затрагивать их вовсе, и это бесценно. Я также хочу отметить ценность Программы научной грамотности Орегонского университета и особо поблагодарить Элли Вандегрифт, Майкла Реймера и Джудит Эйзен, которые создали программу, дающую стимул к глубоким размышлениям о научной коммуникации.