Жизнь как информация

Жизнь как информация

Что заставило ту желтую бабочку решиться залететь в сад моего детства в то давно минувшее лето? Голод, поиск места для кладки яиц или бегство от охотящейся птицы? Или просто отклик на врожденную потребность исследовать мир? Естественно, мне неизвестно, почему бабочка так себя вела, но могу сказать, что она вступала в общение с окружающим миром и потом начинала действовать. И для этого ей нужно было обрабатывать информацию.
 
Информация занимает центральное положение в существовании бабочки да и всей жизни в целом. Чтобы живые организмы могли эффективно действовать как сложные, организованные системы, им нужно постоянно собирать и использовать информацию о внешнем мире, в котором они живут, и о своем внутреннем состоянии. Когда эти миры – внешний или внутренний – изменяются, организмам нужны способы, чтобы обнаружить изменения и отреагировать на них. Если они этого не сделают, их будущее может оказаться весьма недолгим.
 
Как сказанное относится к бабочке? Пока она тут летала, ее восприятие выстраивало детальную картину сада. Ее глаза улавливали свет; ее антенны брали пробы молекул разных химических веществ рядом с ней, а ее волоски следили за колебаниями воздуха. В сумме она собирала массу информации о саде, где я находился. Затем она обобщила все эти различные сведения, преобразуя их в полезные знания для последующих действий. К этим знаниям могли относиться обнаружение птичьей тени или назойливо любопытного ребенка или узнавание запаха цветочного нектара. Следствием была упорядоченная последовательность взмахов крыльев, чтобы скрыться от птицы или сесть на цветок для кормления. Бабочка комбинировала сведения из множественных и различных источников информации и пользовалась ими для принятия решений со взвешенными последствиями, решающими для ее будущего.
 
Зависимость живых существ от информации тесно связана с целеустремленностью. Информация, которую собирала бабочка, имела некий смысл. Она использовалась бабочкой, чтобы помочь ей решить, что нужно сделать далее, чтобы достичь определенной цели. Это значит, бабочка действовала целенаправленно.
 
Биология – область науки, где часто есть смысл говорить о цели. В противоположность этому в физических науках странно спрашивать о цели реки, кометы или гравитационной волны. Но есть смысл спрашивать о цели гена cdc2 в дрожжах или полета бабочки. Все живые организмы поддерживают и организуют свое существование, растут и воспроизводят себя. Такое целевое поведение развилось, потому что оно повышает шансы живых существ достичь своей главнейшей цели, а именно продления существования себя и своего потомства.
 
Целенаправленное поведение – один из отличительных признаков жизни, но оно возможно, только если живые системы действуют как единое целое. Одним из первых людей, осознавших в начале XIX в. эту отличительную черту живых существ, был философ Иммануил Кант. В своей книге «Критика способности суждения» Кант утверждал, что части живого тела существуют ради целого, а целое – ради своих частей. Он предположил, что живые организмы представляют собой упорядоченные, целостные и саморегулирующиеся сущности, управляющие своей судьбой.
 
Рассмотрим этот тезис на уровне клетки. Каждая клетка вмещает в себя огромное количество различных химических реакций и форм физической деятельности. Все быстро развалится, если все эти процессы будут вестись хаотично или в непосредственной борьбе друг с другом. Только посредством управления информацией клетка может наводить порядок в чрезвычайно сложной системе происходящих в ней процессов и тем самым достигать своей конечной цели – сохранять жизнь и размножаться.
 
Чтобы понять, как это работает, вспомним, что клетка – физическая и химическая машина, ведущая себя как единое целое. Можно многое понять о клетке, изучая ее отдельные компоненты, но для правильного функционирования различные химические реакции, происходящие в живой клетке, должны иметь связь друг с другом и действовать согласованно. Таким образом, при изменении окружения или внутреннего состояния – например, в клетке заканчивается сахар или ей попадается ядовитое вещество – она может ощущать это изменение и регулировать свои действия, тем самым поддерживая, насколько возможно, функционирование всей системы. Подобно тому как бабочка собирает информацию о мире и использует это знание для изменения собственного поведения, клетки ведут постоянный анализ химических и физических обстоятельств, как внутри, так и снаружи, и используют эту информацию для регулирования своего состояния.
 
Для того чтобы четче понимать, что означает для клеток использование информации для саморегулирования, стоит сначала посмотреть на то, как это достигается в менее замысловатых машинах, сконструированных человеком. Возьмем центробежный регулятор скорости, разработанный для жерновых мельниц голландским энциклопедистом Христианом Гюйгенсом и затем успешно доработанный шотландским инженером и ученым Джеймсом Уаттом в 1788 г.
 
Это устройство можно было устанавливать на паровую машину, чтобы та сохраняла постоянную скорость, не ускорялась и не ломалась. Оно состоит из двух металлических шаров, вращающихся вокруг центральной оси, приводимой в действие самой машиной. Если двигатель работает быстрее, центробежные силы толкают шары наружу и вверх. В результате открывается клапан, пар выходит из поршня, и машина замедляется. Если же двигатель работает медленнее, под силой тяжести металлические шары регулятора опускаются, клапан закрывается, и двигатель опять может развивать скорость до требуемой величины.
 
Лучше рассматривать регулятор Уатта в терминах информации. Положение шаров действует как считывание информации о скорости двигателя. Если скорость превышает заданный уровень, включается переключатель – паровой клапан, – который снижает скорость. Этим создается процессор информации, который может использоваться машиной для саморегулировки, не требующей присутствия человека. Уатт построил простое механическое устройство, действующее целенаправленным образом. Цель заключалась в поддержании постоянной скорости работы паровой машины, что и достигалось замечательным образом.
 
Системы, функционирующие концептуально сходным образом, хотя часто посредством гораздо более сложных и регулируемых механизмов, широко применяются в живых клетках. Такие механизмы обеспечивают эффективное достижение гомеостаза, то есть активного процесса поддержания условий, способствующих выживанию. Благодаря гомеостазу ваше тело поддерживает, к примеру, постоянную температуру, объем жидкости и уровень сахара в крови.
 
Процесс обработки информации пронизывает все стороны жизни. Для иллюстрации возьмем два примера сложных клеточных компонентов и процессов, в которых лучше всего разобраться в контексте информации.
 
Первый – ДНК и то, как ее молекулярная структура объясняет наследственность. Самым существенным фактом в отношении ДНК можно назвать то, что каждый ген представляет линейную последовательность информации, записанной четырехбуквенным алфавитом ДНК. Линейные последовательности – знакомая и высокоэффективная стратегия хранения и передачи информации; именно так записываются слова и предложения, которые вы сейчас читаете, и именно эту стратегию используют программисты, пишущие код для компьютера на вашем столе и для телефона у вас в кармане.
 
Эти разные коды хранят информацию в цифровом виде. «Цифровой» здесь означает, что информация хранится в разных комбинациях небольшого числа цифр или – в данном контексте – символов. В английском языке 26 базовых символов, букв алфавита; в компьютерах и смартфонах используется комбинация единиц и нулей; а символами ДНК становятся четыре нуклеотида. Великое достоинство цифровых кодов в том, что они без труда переводятся с одной кодирующей системы на другую. Это и выполняют клетки, когда «переводят» код ДНК в РНК и далее – в белок. Осуществляя это, они преобразуют генетическую информацию в физическое действие таким безупречным и гибким путем, который пока неподвластен системе, разработанной человеком. В то время как компьютерные системы должны «записать» для хранения информацию на другую физическую среду, молекула ДНК и есть та самая информация, поэтому хранение данных очень компактно. Технологи это понимают и разрабатывают способы кодирования информации на молекулах ДНК, чтобы архивировать ее максимально стабильным и экономичным образом.
 
Другая критически важная функция ДНК – способность очень точного самокопирования, что также представляет собой прямое следствие ее молекулярной структуры. В информационном контексте молекулярное сцепление пар оснований (A-T и G-C) предоставляет собой способ получения очень точных копий информации, хранящейся молекулой ДНК. Такая врожденная реплицируемость (способность создавать копии) в конечном счете и объясняет стабильность информации в ДНК. Некоторые последовательности генов сохранились в ненарушенных чередованиях делений клеток в течение немыслимо долгого времени. Бульшие части генетического кода, необходимые для построения различных клеточных компонентов, таких как, например, рибосомы, явно одинаковы во всех организмах, будь то бактерии, археи, грибы, растения или животные. Отсюда следует, что наиболее существенная информация в данных генах сохраняется уже, возможно, три миллиарда лет.
 
В этом причина важного значения структуры двойной спирали. Открыв ее, Крик и Уотсон нашли ту нить, которая увязала концептуальное понимание генетиками по принципу «сверху вниз» того, как необходимая для жизни информация передается через поколения, с механистическим пониманием по принципу «снизу вверх» того, как построена и управляется клетка на уровне молекул. Этим особо подчеркивается тот факт, что химия жизни становится понятной только при рассмотрении ее в терминах информации.
 
Вторым примером сферы, где информация играет ключевую роль в понимании жизни, служит регуляция работы генов – набор химических реакций, используемых клеткой для «включения» и «выключения» генов. Исходя из нее, клетки используют лишь определенные части общего массива генетической информации, в которых они фактически нуждаются в какой-либо определенный момент времени. Огромное значение этой способности иллюстрируется развитием бесформенного эмбриона в полностью сформированное человеческое существо. Клетки в ваших почках, коже и мозге содержат примерно один и тот же набор из 22 000 генов, но управление генами означает, что гены для создания почки «включаются» в эмбриональных почечных клетках, а гены, чья функция заключается в создании кожи или мозга, «отключаются» и vice versa. В конечном счете клетки в каждом вашем органе различаются тем, что они используют очень отличающиеся друг от друга комбинации генов. На деле представляется, что только около 4000, или одна пятая, вашего набора генов включается и используется всеми различными видами клеток в вашем теле, поддерживая основные операции по их выживанию. Остальные используются лишь спорадически, потому что или они выполняют специальные функции, требуемые определенным видом клетки, или они нужны только в определенные периоды времени.
 
Регуляция работы генов означает также, что идентичный набор генов может применяться для создания резко отличных друг от друга объектов на разных этапах их жизни. Каждая бабочка-лимонница, обладающая искусным и сложным строением, начинает свой путь с весьма непрезентабельной зеленой гусеницы; разительная метаморфоза одной формы в другую осуществляется путем использования разных частей все того же общего массива информации, хранящегося в том же геноме и по-разному применяемого. Регуляция работы генов не только важна в процессе роста и развития организмов, она – один из основных путей настройки всеми клетками своих механизмов и структур ради выживания и адаптации при изменении окружающих условий. Например, если бактерия встречает новый источник сахара, регуляция быстро введет в действие гены, нужные для усваивания этого сахара. Говоря иначе, в бактерии имеется саморегулирующаяся система, автоматически выбирающая конкретную генетическую информацию, которая необходима, чтобы повысить шансы на выживание и воспроизводство.
 
Биохимики идентифицировали много базовых механизмов, используемых в решении разных задач регуляции работы генов. Это белки, действующие как так называемые «репрессоры», которые отключают гены, и «активаторы», которые гены включают. Они это выполняют, находя и прикрепляясь к определенным последовательностям ДНК рядом с регулируемым геном, что более-менее напоминает информационную РНК, которая производится и направляется к рибосоме для синтеза белка.
 
Нам нужно знать, как все это действует на молекулярном уровне, но, помимо вопроса о том, как гены регулируются, хочется понять, какие гены регулируются, включаются они или выключаются и почему. Ответы на эти вопросы могут углубить наше понимание. Мы сможем узнать, как информация в геноме довольно однородной яйцеклетки используется для выдачи инструкций по образованию всех сотен разных видов клеток, присутствующих во всем организме младенца; как новый сердечный препарат может включать и выключать гены для коррекции поведения клеток сердечной мышцы; как мы можем перестроить гены бактерии, чтобы создать новый антибиотик, и много всего прочего. Если рассматривать регуляцию работы генов с этой стороны, становится очевидным, что концепции на основе обработки информации насущно важны для понимания того, как устроена жизнь.
 
Данная убедительная теория явилась плодом исследований Жака Моно и его коллеги Франсуа Жакоба, что принесло им Нобелевскую премию в 1965 г. Они изучали бактерии E. coli и знали, что те могут жить на одном или другом из двух сахаров. Для расщепления каждого из сахаров требовались ферменты, произведенные разными генами. Вопрос состоял в том, как бактерии решают, какой сахар выбрать.
 
Ученые провели блестящую серию генетических экспериментов, вскрывшую логику, лежащую в основе данного конкретного образца генного регулирования. Они показали, что, когда бактерии питались одним сахаром, ген, регулирующий белок-репрессор, выключает главный ген, необходимый для питания другим сахаром. Когда же имеется другой сахар, бактерии быстро переключаются на репрессированный ген, чтобы переваривать этот сахар. Ключом к переключателю служит сам альтернативный сахар: он цепляется к белку-репрессору, останавливая его действие и тем самым давая возможность заново включиться репрессированному гену. Это представляет собой точный и экономичный способ достижения целенаправленного поведения. Эволюция придумала для бактерии способ ощутить наличие альтернативного источника энергии и использовать эту информацию для соответствующей настройки внутренней химии.
 
Больше всего впечатляет то, что Жакоб и Моно преуспели в этом в те времена, когда никто не мог напрямую выделить конкретные гены, занятые в этом процессе. Они решали задачу, рассматривая свои бактерии через призму информации, другими словами, им не нужно было знать досконально конкретные «гайки и болтики» химических веществ и компонентов в основе исследуемого процесса. Вместо этого они использовали метод на базе генетики, изменяя задействованные в процессе гены и рассматривая последние как абстрактные информационные составляющие, которые управляют экспрессией гена.
 
Жакоб написал книгу «Логика жизни», а Моно – «Случайность и необходимость». С Моно я не был знаком, а с Жакобом встречался несколько раз. Последний раз, когда я с ним виделся в Париже, он пригласил меня на обед. Он хотел поговорить о своей жизни и обсудить следующие идеи: определение жизни как таковой, последствия эволюции с философской точки зрения и контрастирующие вклады французских и англосаксонских ученых в историю биологии. Все время нервно перебирая что-то руками из-за ранений, полученных в войну, он выглядел классическим французским интеллектуалом, невероятно начитанным, прекрасно разбиравшимся в философии, литературе и политике, – та встреча стала для меня большим и достопамятным событием.
 
Жакоб и Моно работали в то время, когда зарождалось понимание о передаче информации от генной последовательности к белку и к клеточной функции и об управлении этим процессом. В своих размышлениях я тоже руководствовался данным информационно-центрированным подходом. В начале научной карьеры мне хотелось узнать, как клетка интерпретирует собственное состояние и организует внутреннюю химию для контроля клеточного цикла. Я не желал просто описывать происходящее в ходе клеточного цикла, я хотел понять, что контролирует клеточный цикл. Поэтому вновь и вновь задумывался о клеточном цикле в терминах информации и полагал, что клетка – это не просто химическая машина, но и логическая и вычислительная машина, какой рассматривали ее Жакоб и Моно, обязанная существованием и будущим своей способности обрабатывать и управлять информацией.
 
В последние десятилетия биологи разработали высокоэффективные инструменты и потратили много усилий на идентификацию и подсчет различных компонентов живых клеток. Например, моя лаборатория активно трудилась над секвенированием всего генома делящихся дрожжей. Это делалось вместе с Бартом Барреллом, работавшим до того с Фредом Сенгером, человеком, который изобрел первый практичный и надежный способ секвенирования ДНК еще в 1970-х гг. В ходе проекта я несколько раз встречался с Фредом, хотя официально он уже был на пенсии. Это был весьма спокойный, вежливый человек, он любил разводить розы и, подобно многим из самых успешных ученых, кого мне довелось встретить за долгие годы, никогда не жалел своего времени, беседуя с более молодыми учеными и вдохновляя их. Когда он пришел в лабораторию к Барту, у него был вид заблудившегося садовника, но садовника, между прочим, получившего две Нобелевские премии!
 
Барт и я на пару организовали совместное исследование с участием примерно дюжины европейских лабораторий для расшифровки последовательности всего генома делящихся дрожжей, состоящего примерно из 14 миллионов «букв» ДНК. Для завершения проекта потребовалось около 100 человек и 3 года, и, если я не ошибаюсь, то был третий эукариот, чей геном был точно и в полном объеме секвенирован. Это случилось около 2000 г. Сегодня с такой задачей могут справиться пара человек за день! Поражает, насколько был усовершенствован метод секвенирования ДНК за минувшие два десятилетия.
 
Такого рода сбор данных важен, но лишь как первый шаг на пути к более сложной и ответственной цели – пониманию, как все это вместе работает. Учитывая сказанное, полагаю, наибольшие успехи в дальнейшем исследовании будут связаны с подходом к клетке как к состоящей из ряда отдельных модулей, совместно действующих для ее жизнеобеспечения. Слово «модуль» здесь употреблено для описания набора компонентов, функционирующих как единое целое для выполнения определенной задачи по обработке информации.
 
Согласно такому определению, регулятор Уотта можно назвать «модулем» с четко определенной целью контроля скорости двигателя. Другим примером служит открытая Жакобом и Моно система регуляции работы генов для контроля потребления сахара бактериями. В терминах информации эти механизмы аналогичны: они относятся к модулям обработки информации, называемым «замкнутая система управления с отрицательной обратной связью». Модуль такого рода может применяться для поддержания стабильного состояния. Данные модули широко используются в биологии. Они направлены на то, чтобы уровень сахара у вас в крови был относительно постоянным, даже когда вы едите сладкое вроде пончика в сахарной пудре. Клетки в поджелудочной железе могут обнаруживать избыток сахара в крови и реагировать введением в кровоток гормона инсулина. В свою очередь, инсулин приводит в действие клетки вашей печени, мышц и жировых тканей, чтобы они поглощали сахар, снижая его уровень в крови и превращая его в нерастворимый гликоген или жир, который будет храниться для применения в будущем.
 
Другой вид модуля – контур с положительной обратной связью, который может образовывать необратимые переключатели, те, что после включения не выключаются. Подобным образом контур с положительной обратной связью контролирует созревание яблок. Клетки созревающего яблока вырабатывают газ этилен, который и ускоряет созревание и повышает выработку этилена. В результате яблоки не могут стать менее зрелыми, а соседствующие плоды помогают друг другу созревать быстрее.
 
При объединении разных модулей результаты могут быть более сложными. Например, существуют механизмы, способные
производить переключатели, реверсивно переходящие из активного состояния в неактивное, или осцилляторы, которые постоянно и ритмично пульсируют таким же образом. Биологи обнаружили осцилляторы, действующие на уровне активности гена и уровня белка,  – они служат различным целям, например проведению различий между днем и ночью. У растений в листьях есть клетки с осциллирующей сетью генов и белков, которые измеряют течение времени и тем самым позволяют растению предвидеть начало нового дня, активируя необходимые для фотосинтеза гены незадолго до рассвета. Другие осцилляторы импульсно включаются и выключаются в результате коммуникации между клетками. Один из примеров – сердце, прямо сейчас бьющееся у вас в груди. Другой пример – осциллирующая цепь нейронов, «тикающая» в спинном мозге, которая запускает специальную систему сокращений и сжатий мускулов ног, позволяющую вам ходить с постоянной скоростью. Все эти процессы не требуют от вас сознательных действий.
 
Соединение различных модулей в живых организмах генерирует более сложные модели поведения. В качестве метафоры возьмем различные функции смартфона. Каждую функцию – способность звонить, выходить в интернет, снимать фото, проигрывать музыку, посылать письма и так далее – можно уподобить модулям, действующим в клетках. Производителю смартфона необходимо удостовериться в слаженной совместной работе всех различных модулей, ведь только тогда предписанные функции будут выполняться. Для этого инженеры создают логические карты, отображающие поток информации между разными модулями. Огромное преимущество того, что специалисты приступают к разработке нового телефона на уровне модулей, состоит в возможности проверки функциональности проекта, не путаясь в деталях отдельных частей. Следовательно, им нет нужды с самого начала тратить силы на огромное число отдельных транзисторов, конденсаторов, резисторов и других бесчисленных электронных компонентов, входящих в каждый модуль.
 
Применение такого же подхода значительно повышает шансы понять работу клетки. Если мы понимаем функции различных модулей клетки и то, как клетка их объединяет для управления информацией, не обязательно досконально знать молекулярные подробности действия каждого модуля. Приоритетом должно быть улавливание смысла, а не составление описи множества составляющих. Я мог бы, к примеру, представить вам список и частоту встречаемости всех слов в этом абзаце. Наличие такого каталога было бы подобно списку запчастей без руководства по эксплуатации. Вы получили бы представление о сложной структуре текста, но почти весь смысл был бы утрачен. Чтобы ухватить смысл, надо читать слова в строгом порядке и научиться понимать, как они передают информацию на более высоком уровне, в виде предложений, абзацев и глав, которые, взятые вместе, позволяют рассказывать истории, делать отчеты, связывать идеи и давать пояснения. То же самое имеет место, когда биолог каталогизирует все гены, белки или липиды в клетке. Это важная исходная точка, но на самом-то деле требуется понимание того, как все эти составляющие, работая вместе, формируют модули, благодаря которым клетка сохраняет жизнеспособность и может воспроизводиться.
 
Аналогии, взятые из электроники и вычислительной техники вроде приведенного примера со смартфоном, полезны для понимания клеток и организмов, однако следует прибегать к ним с осторожностью. Модули обработки информации в живых существах и в сделанных человеком электронных схемах во многих отношениях очень отличаются друг от друга. Цифровое аппаратное обеспечение в целом статично и жестко, потому и зовется «железом». Напротив, «проводка» клеток и организмов более пластична и динамична, будучи основана на биохимических веществах, способных распространяться сквозь воду в клетках, перемещаясь между клеточными зонами, а также между самими клетками. В клетке компоненты могут гораздо свободнее восстанавливать прежние связи, менять положение и функции, эффективно перенастраивая всю систему. Тут наши призванные на помощь метафоры программного и аппаратного обеспечения утрачивают пригодность, в связи с чем системный биолог Деннис Брэй ввел в обращение удачный и остроумный термин «жидкие технологии» для описания более гибкого вычислительного материала жизни. Клетки создают связи между своими различными компонентами посредством жидкостной химии.
 
Это же справедливо и в отношении мозга, архетипического и очень сложного биологического компьютера. В течение вашей жизни нервные клетки растут, уменьшаются, создают и разрушают связи с другими нервными клетками.
 
Для того чтобы всякая сложная система вела себя как целенаправленное целое, необходима эффективная коммуникация как между различными компонентами системы, так и с окружающей средой. В биологии мы называем задействованную в коммуникации группу модулей сигнальными путями. Выбрасываемые в кровь гормоны типа инсулина, регулирующего уровень сахара в крови, служат одним примером сигнального пути, но имеется и множество других. Сигнальные пути передают информацию внутри клеток, между клетками, между органами, между целыми организмами, между популяциями организмов и даже между разными видами в целых экосистемах.
 
Способ передачи информации по сигнальным путям может регулироваться для достижения самых разных результатов. Можно посылать сигналы, просто включающие или выключающие передачу выходных сигналов подобно электрическому выключателю, но есть и более хитроумные варианты. В некоторых ситуациях, например, слабый сигнал включает один выход, а более сильный – другой выход. Для сравнения: шепот услышит ваш ближайший сосед, но для аварийной эвакуации собравшихся в зале потребуется кричать.
 
Клетки также могут воспользоваться динамическим поведением сигнальных путей для передачи намного более насыщенного потока информации. Даже если сигнал сам по себе может быть «включен» и «выключен», можно передать намного больше информации, варьируя длительность нахождения в двух этих состояниях. Хорошей аналогией служит азбука Морзе. С помощью простого изменения длительности и порядка сигнальных импульсов точки и тире азбуки Морзе могут передавать переполненные значением потоки информации, будь то сигнал SОS или «Происхождение видов» Дарвина. Ведущие себя подобным образом биологические сигнальные пути могут генерировать насыщенные информацией параметры, несущие больше смысла, чем последовательности сигналов, передающие простое сообщение «да/нет» или «вкл./ выкл.».
 
Помимо сигнализации в пространстве, клеткам нужны средства сигнализации во времени. Для этой цели биологическая система должна уметь хранить информацию. Это значит, что клетки могут нести в себе химические отпечатки прошлого опыта, что, как можно предположить, отчасти похоже на воспоминания, формируемые у нас в мозгу. Диапазон клеточной памяти велик: от быстротечных впечатлений о том, что случилось мгновение назад, до чрезвычайно долговечной и устойчивой памяти, сохраняемой в ДНК. Клетка использует краткосрочную историческую информацию в ходе клеточного цикла, когда положение вещей в начале цикла «запоминается» и передается во время последующих этапов. Например, если процесс копирования ДНК не закончился или пошел неверно, этот факт должен регистрироваться и передаваться механизмам, осуществляющим деление клеток. В противном случае клетка могла бы попытаться разделиться до надлежащего копирования всего генома, что могло бы привести к потере генетической информации и гибели клетки.
 
Участвующие в регуляции работы генов процессы позволяют клетке хранить информацию за длительные периоды времени. Это особо интересовало британского биолога Конрада Уоддингтона в середине XX  в. Я встретился с Уоддингтоном в Эдинбургском университете, когда начал заниматься там исследованиями после защиты диссертации в 1974 г. Уоддингтон был весьма импозантен, активно интересовался искусством, поэзией и политикой левого толка, но более известен он стал авторством слова эпигенетика для описания того, как клетки постепенно приобретают специфические функции в ходе развития эмбриона. Как только растущий эмбрион дает клеткам указание выполнять эти функции, они помнят эту информацию и редко меняют направление. Таким образом, как только клетка стала отвечать за формирование части почки, она становится и остается частью этого органа.
 
Сегодня слово «эпигенетика» большинством биологов применяется на основе идей Уоддингтона. Это понятие описывает набор химических реакций, которыми клетка довольно стабильно пользуется для того, чтобы «включать» или «выключать» гены. Сами эпигенетические процессы не изменяют последовательности ДНК-генов; вместо этого они ставят химические «метки» на ДНК или белки, присоединяемые к этой ДНК. Так формируются закономерности в активности генов, которые могут сохраняться в течение срока жизни клетки или даже дольше, в течение многих делений клетки. Иногда, правда намного реже, они могут переходить от одного поколения к следующему, непосредственно передавая информацию о жизни и опыте отдельного организма в химической форме от родителей к их потомству и далее к последующим поколениям. Высказывались возражения, что, дескать, межпоколенческая устойчивость таких моделей экспрессии гена бросает вызов концепции, по которой наследственность основана только на последовательности ДНК, закодированной в генах. Но современные данные свидетельствуют о том, что межпоколенческая эпигенетическая наследственность имеет место лишь в некоторых случаях и крайне редко встречается у людей и других млекопитающих.
 
Помимо регуляции работы генов, обработка информации важна для создания живыми существами упорядоченных структур в пространстве. Вспомним мою бабочку-лимонницу. Она устроена исключительно сложно: форма крыльев тщательно подобрана для полета, пятна и прожилки на этих крыльях расположены с большой точностью. Более того, каждая отдельная бабочка «построена» по единому плану: у каждой есть, например, голова, грудной отдел и желудок, шесть конечностей и две антенны. Все эти структуры формируются и развиваются в одинаковой предсказуемой пропорции к остальному телу. Как же образуется эта экстраординарная пространственная конструкция? Как все это возникает из одной-единственной единообразной яйцеклетки?
 
Даже клетки могут приобретать различные формы и структуры, сильно отличающиеся от обычных, ящикообразных клеток пробки, которые Роберт Хук описывал в XVII  в. и которые я наблюдал школьником в корешках лука: похожие на зубья расчески волоски в клетках легких, которые постоянно пульсируют, выталкивая прочь слизь и инфекции; кубообразные клетки, формирующие ваши кости и живущие в них; нейроны, чьи длинные разветвленные отростки достигают всех участков вашего тела, и множество других. Внутри их могут точно размещаться и расти органеллы, регулирующие свое местоположение в ответ на происходящие изменения клетки.
 
Одни из самых острых вопросов биологии связаны с объяснением такого пространственного упорядочивания. Удовлетворительные ответы будут зависеть от понимания того, как передается информация в пространстве и времени. В настоящий момент нам полностью понятна только структура биологических объектов, представляющих собой непосредственные сообщества молекул. Хорошим примером служит рибосома. Формы этих сравнительно малых объектов определяются химическими связями, образуемыми между их молекулярными компонентами. Можно представить, что эти конструкции создаются добавлением деталей в трехмерный пазл, немного похожий на конструктор Lego. Это означает, что информация, нужная для сборки конструкций, заключена в форму самих компонентов рибосомы – белков и РНК. В свою очередь, эта форма в конечном счете очень точно определяется информацией, содержащейся в генах.
 
Труднее понять, как формируются структуры в большем масштабе, в таких объектах, как органеллы, клетки, органы и целые организмы. Этого не объяснить непосредственными молекулярными взаимодействиями компонентов. Отчасти потому, что они больше, порой намного больше объектов типа рибосом. Но, кроме того, и потому, что они могут производить и сохранять идеальные структуры в диапазоне различных размеров, даже если клетки и тела растут или сокращаются в объеме. Это абсолютно невозможно в случае фиксированных молекулярных взаимодействий по типу Lego.
 
Возьмем для примера деление клетки. Клетка представляет собой в целом хорошо организованную конструкцию, и, когда она делится, образуются две клетки примерно половинного размера, но при этом каждая имеет ту же общую структуру, что и «материнская» клетка. Аналогичное явление наблюдается в случае развития эмбриона, скажем, морского ежа. Оплодотворенное яйцо морского ежа проходит через повторяющиеся деления и развивается в искусно сделанный и довольно симпатичный маленький организм. Если две сформированные клетки вслед за самым первым делением отделить друг от друга, каждая клетка образует два тщательно сформированных морских ежа, но, что поразительно, каждый из них будет размерами только в половину обычного ежа того же возраста. Эта удивительная самонастройка размера и формы более века
ставила биологов в тупик.
 
Но, приняв во внимание природу информации, биологи начинают понимать, как происходит такое формирование. Одним из средств генерирования развивающимися эмбрионами информации, которая требуется для преобразования однородной клетки или группы клеток в высокоорганизованную структуру, становится создание химических градиентов. Если ввести маленькую каплю чернил в сосуд с водой, она будет медленно диффундировать от места первоначальной капли. Интенсивность цвета чернил ослабевает при удалении от капли, создавая химический градиент. Такой градиент может использоваться как источник информации: например, если концентрация молекул чернил высока, мы знаем, что находимся близко от центра сосуда, куда были закапаны чернила.
 
Теперь вместо сосуда возьмем шар из идентичных клеток, а вместо чернил введем в одну сторону шара дозу какого-нибудь белка, способного изменить свойства клеток. Мы таким путем получаем некий способ добавления клеткам пространственной информации для выстраивания модели. Белок проникнет сквозь клетки, создавая градиент высокой концентрации в одной стороне шара и низкой концентрации – в другой. Если клетки будут по-разному реагировать на высокую и низкую концентрацию, градиент белка может предоставить информацию для начала создания сложного эмбриона. Если, к примеру, высокая концентрация белка могла бы создать клетки головы, средняя концентрация – клетки груди, а низкая – клетки желудка, тогда градиент одного простого белка смог бы в принципе привести к рождению новой лимонницы. На практике дело обстоит не так просто, но имеются весомые свидетельства того, что градиенты сигнальных молекул в телах развивающихся организмов действительно вносят вклад в возникновение усложненных биологических форм.
 
К этой группе проблем обратился в начале 1950-х гг. Алан Тьюринг, один из основателей современной информатики, прославившийся взломом шифратора «Энигма». Он выступил с альтернативным и творческим решением вопроса о том, как эмбрионы получают пространственную информацию извне. Он разработал систему математических уравнений, предсказывавшую поведение химических веществ, взаимодействовавших друг с другом и в результате подвергавшихся определенным химическим реакциям по мере диффузии в структуре. Сверх чаяния его уравнения, которые он назвал реакционно-диффузными моделями, могли выстроить химические вещества в изощренные и часто весьма красивые пространственные структуры. Модифицируя параметры уравнения, два вещества могли организоваться, например, в равноудаленные точки, полоски и пятнышки. Модель Тьюринга привлекала тем, что системы возникали сами по себе согласно относительно простым химическим правилам взаимодействия двух веществ. Другими словами, налицо способ, каким развивающаяся клетка или организм получают необходимую для формирования информацию полностью извне: это самоорганизация. Тьюринг умер до того, как его теоретические идеи могли быть испытаны на реальных эмбрионах, но биологи, занимающиеся развитием, ныне полагают, что таким мог бы быть механизм создания пятен на боках гепардов и полос на многих рыбах, распределения волосяных луковиц на вашей голове и даже разделения ладони человеческого зародыша на пять отдельных пальцев.
 
Когда мы оцениваем жизнь в терминах информатики, важно отдавать отчет в том, что биологические системы постепенно эволюционировали в течение многих миллионов лет. Как мы уже видели, нововведения появлялись как результат случайных генетических мутаций и вариаций. Затем они проходили через фильтр естественного отбора, и те, что зарекомендовали себя хорошо, ассимилировались в оставшиеся в живых, более успешные организмы. Отсюда следует, что существующие системы неуклонно изменяются путем приращения «дополнительных элементов». В каком-то смысле это похоже на ваш телефон или компьютер, часто нуждающийся в загрузке и установке обновленного программного обеспечения. Устройства приобретают новые функции, но приводящее их в действие программное обеспечение тоже все более усложняется. В равной степени в контексте жизни все эти генетические «обновления» означают, что вся система клетки будет постепенно стремиться к усложнению с ходом времени. Это способно привести к избыточности: функции каких-то компонентов будут перекрываться, другие окажутся остатками вытесненных частей, а некоторые полностью потеряют значение для функционирования, но смогут пригодиться на случай выхода из строя базового компонента. Все это говорит о том, что живые системы нередко менее эффективны и менее разумно сконструированы, чем цепи управления, рационально спроектированные людьми, – еще одна причина, почему аналогии между биологией и информатикой могут завести слишком далеко.
 
Как сказал Сидни Бреннер: «Математика – искусство идеального. Физика – искусство оптимального. Биология по причине эволюции – искусство посредственного». Жизненные формы, выжившие при естественном отборе, устояли, потому что они работают, но не обязательно потому, что делают все максимально эффективно, просто и ясно. Вся эта сложность и избыточность делают анализ биологических систем сигнальных путей и информационных потоков трудным, но интересным. Очень часто оказывается, что невозможно применить понятие «бритва Оккама», которое призывает для понимания явления искать самое простое адекватное объяснение. Некоторых физиков, заинтересовавшихся биологией, это может смутить. Физики склонны к простым и изящным решениям и могут чувствовать себя неуютно, столкнувшись с неряшливой и далекой до совершенства реальностью живых систем.
 
Моей лаборатории часто приходилось сражаться с избыточностью и хитросплетениями, привнесенными естественным отбором, поскольку они могут «затенять» ключевые принципы биологических процессов. Чтобы справиться с этим, мы генетически сконструировали дрожжевые клетки для выработки очень упрощенной схемы управления клеточным циклом. Это как если бы вы разобрали автомобиль, убрав кузов, фары и сиденья и оставив только узлы для выполнения важнейших функций – мотор, трансмиссию и колеса. Вышло лучше, чем я рассчитывал. Наши упрощенные клетки все еще могли выполнять главные задачи контроля клеточного цикла. Разборка сложного механизма до базовых элементов облегчила нам анализ потока информации и, таким образом, позволила по-новому вникнуть в суть системы управления клеточным циклом.
 
Среди выбранной группы незаменимых регуляторов клеточного цикла, выявленных в эксперименте, был ген cdc2. По мере продвижения дрожжевой клетки через клеточный цикл сама клетка стабильно растет, как и количество cdc2, а также содержащего циклин белкового комплекса CDK. Говоря на языке информации: клетка использует количество активного комплекса CDK и как входной параметр, отражающий информацию о размерах клетки, и как решающий сигнал, запускающий главные события клеточного цикла. В первую очередь комплексом CDK фосфорилируются белки, требуемые на ранней стадии цикла, что ведет к копированию ДНК в фазе синтеза, а те, что требуются позднее, фосфорилируются позже, что ведет к митозу и делению клетки в конце клеточного цикла. «Ранние» белки более чувствительны к ферментативной активности CDK, чем «поздние», поэтому они будут фосфорилироваться при снижении активности CDK в клетке.
 
Данная простая модель управления клеточным циклом идентифицировала активность CDK как критически важный координирующий узел в сети белок-белковых взаимодействий в центре управления клеточным циклом. До того момента отгадка ускользала от нас из-за внешней сложности сети, избыточных функций различных компонентов, наличия менее важных механизмов контроля и, возможно, также из-за склонности человеческого ума очаровываться сложностью вместо того, чтобы искать простоту.
 
Основное внимание уделялось клеткам, поскольку они служат основным элементом жизни, но, когда рассматриваешь жизнь как информацию, следует заглянуть дальше. Велика вероятность, что мы сможем гораздо глубже проникнуть во все области биологии, если найдем возможности понимания того, каким путем молекулярные взаимодействия, активность ферментов и физические механизмы производят, передают, получают, хранят и обрабатывают информацию. По мере того как данный подход завоевывает все больше сторонников, появляется шанс, что биология выйдет за пределы общепринятого и знакомого мира, где она в основном пребывала в прошлом, в сторону мира более абстрактного. В этом смысле можно провести параллели с великими сдвигами в физике от отвечающего в принципе здравому смыслу мира Исаака Ньютона до вселенной Альберта Эйнштейна, где правит относительность, и еще дальше к «странному миру» квантов, открытому Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером в первой половине XX в.
 
Возможно, многосложность биологии приведет к странным и непонятным интуитивно объяснениям, для чего биологам потребуется еще больше помощи математиков, программистов и физиков, привыкших мыслить более абстрактно и менее сосредоточенных на повседневном опыте мира, в котором мы живем.
 
Воззрение, согласно которому в центре жизни лежит информация, поможет нам также в понимании более высоких уровней биологической организации. Оно может пролить свет на то, как клетки взаимодействуют для создания тканей, как ткани создают органы и как органы, действуя совместно, создают полностью готовый к работе живой организм, в частности человека. Это справедливо и в большем масштабе, если мы посмотрим на внутривидовое и межвидовое взаимодействие живых организмов, на действие экосистем и биосферы. Тот факт, что управление информацией имеет место на всех уровнях, от молекулярного до биосферного в масштабе планеты, имеет важные последствия для биологов, пытающихся понять жизненные процессы. Чаще лучше искать объяснения поближе к изучаемому явлению. Объяснения не утратят адекватности, если мы не станем во что бы то ни стало доводить их до молекулярного уровня генов и белков.
 
Тем не менее характер управления информацией на каком-то уровне может дать представление о том, как действует система иной величины, большей или меньшей. Например, базовые логические модули обратной связи, контролирующие ферменты-метаболиты, управляющие генами или поддерживающие телесный гомеостаз, будут иметь сходные черты с модулями обратной связи, которые позволяют экологам лучше предсказывать, как изменится природная среда, если произойдет исчезновение или миграция каких-то видов из традиционных ареалов обитания в результате изменения климата или разрушения естественной среды.
 
Учитывая мой интерес к жукам, бабочкам и насекомым в целом, меня все больше и больше беспокоит сокращение численности и разнообразия насекомых, наблюдаемое во многих частях света. Что особенно волнует, так это то, что мы до сих пор не знаем причин. Разрушение естественной среды, изменение климата, монокультурное сельское хозяйство, световое загрязнение, чрезмерное употребление инсектицидов или что-то еще?
 
Предложена масса объяснений, некоторые люди более чем уверены в собственных теориях, но на самом деле мы не знаем. Если мы должны что-то делать, чтобы дать обратный ход сокращению популяций насекомых, нам нужно изучить их взаимодействие между собой и остальным миром. В решении этой проблемы велика будет роль ученых, работающих в разных направлениях, сотрудничающих друг с другом и размышляющих на эту тему в терминах информации.
 
Какой бы уровень биологической организации мы ни рассматривали, попытки проанализировать ситуацию будут напрямую зависеть от нашей способности понять, каково там управление информацией. Это путь перехода от описания сложной системы к ее пониманию. Как только нам удастся это совершить, мы сможем увидеть, как порхающие бабочки, питающиеся сахаром бактерии, развивающиеся зародыши и все прочие жизненные формы совершают качественный скачок, преобразуя информацию в продуктивное знание, которое могут использовать для достижения своих целей выживания, роста, воспроизводства и развития.
 
Благодаря поступательно возрастающему пониманию химических и информационных основ жизни набирает силу наша способность не только понимать жизнь, но и вмешиваться в деятельность живых существ. Поэтому, прежде чем воспользоваться уроками, которые мы извлекли из восхождения на наши пять ступенек, для определения, что такое жизнь, я бы хотел поразмышлять над тем, как мы можем использовать знание биологии для того, чтобы изменить мир.

«Наука есть вечное стремление человечества к истине, а истина достигается только долгим путем посреди неизбежных ошибок и заблуждений»

Петр Семенов-Тян-Шанский

Научный подход на Google Play

Файлы

Электрическая вселенная

Эволюционная психология. Секреты поведения Homo sapiens

Новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики

Радость познания