Текст книги "Живое и неживое. В поисках определения жизни"

Решительная материя

Субаш Рэй выдвинул ящик стола и достал оттуда грязную бумажку. Она выглядела как клейкий листочек для заметок, который забрызгали кофе, оставили так на несколько дней, а затем бросили в стол вместо мусорной корзины. Но Рэй собирался показать с ней кое-какой фокус.

«Сейчас мы пробудим там жизнь», – сказал он.

На круглом лице Рэя сидели квадратные очки. Он был одет в джинсы и рубашку-поло с вышитым на ней малюсеньким темным орлом. Говорил Субаш тихо – настолько тихо, что порой мне приходилось переспрашивать, когда он объяснял мне, что делает. Я приехал к Рэю и его коллегам в Ньюарк, точнее, в Технологический институт штата Нью-Джерси, где Рэй писал диссертацию, изучая эти пятна «кофе» и то, во что они превращаются.

Рэй вытянул руку и уцепил с одной из верхних полок банку агара – сухого экстракта из водорослей. Он поставил ее на сиденье лабораторного кресла, словно в тележку супермаркета. Туда же отправилась бумажка с пятнами, которую ради сохранности поместили в коробочку из особого стекла. Субаш также прихватил пару лабораторных стаканов и венчик для сбивания.

Нагрузив стул всем необходимым, Рэй покатил его в другое помещение лаборатории. Я проследовал за ним вместе с его научным руководителем – биологом Симоном Гарнье, рыжебородым французом, который носил толстовку с капюшоном и играл в европейский гандбол («это вроде водного поло, только на суше», как он безуспешно пытался объяснить одному озадаченному американцу).

Рэй подошел к раковине, налил воды в электрический чайник и включил его. Когда тот нагрелся, исследователь поставил на стол стакан и наполнил его горячей водой. Позвякивая венчиком, он размешал в стакане агар, а затем перелил раствор в пустую чашку Петри.

Как только агар застыл в виде ровного желе, Рэй взял пинцет, вытащил грязный листочек из коробочки и перенес его в чашку Петри. Затем он вдавил бумажку в агар и опрыскал водой.

Потом Рэй перекатил кресло от раковины в помещение без окон, где было жарко и парко, – в таких условиях любят расти многие живые организмы. Вдоль стен стояли столы, а на них – большие белые ящики. Рэй повернул ручку на передней стенке одного из таких ящиков и откинул ее, как дверцу. Внутри я разглядел пару металлических рельсов, на которые были установлены три направленные вниз камеры со вспышками. Рэй сунул чашку Петри с листочком в желе под одну из камер.

Гарнье сел за ноутбук и начал вводить команды. Вскоре ящик озарился белым светом, а затем сработала камера. После того как свет в ящике погаснет, а мы уйдем из лаборатории, камера будет фотографировать чашку каждые пять минут.

В тот вечер Гарнье пригласил меня поужинать вместе со своими коллегами-биологами. Мы шли по бульвару Рэймонд – улице, бурлящей человеческой жизнью и заполненной человеческими постройками: маленькими маникюрными салонами и огромными складами, пустыми зданиями в стиле ар-деко с табличками «Сдается» и автобусными остановками, на которых толпились пассажиры. Мы дошли до дорогого ресторана и расселись вокруг деревянного стола; там, перекрикивая шум, мы обсуждали живых существ, служивших темой исследования сидящих с нами биологов. Они говорили о нервной системе червя размером с запятую, о прозрачном теле рыбки данио рерио. А тем временем камеры в лаборатории Гарнье сверкали вспышками всю ночь напролет.

На следующее утро я вернулся в лабораторию в корпусе Сентрал Кинг, и мы снова пошли в помещение с фотокамерами. И заглянули в чашку. Грязные пятна исчезли, а на их месте оказалась лепешка лимонного цвета. Лепешка вышла за края бумажки и немножко распространилась по чашке. Гарнье с улыбкой созерцал эту перемену.

«Ну вот, они живые, – сказал он. – Не очень подвижные, но живые».

Приглядевшись к лепешке, я увидел, что она представляет собой гущу щупалец-ниточек, которые разветвились, расползшись из центра чашки. На самом деле они не прекращали ползти и в то время, что я на них смотрел, – просто слишком медленно, чтобы мой мозг с его краткосрочным вниманием мог это воспринять.

Пробужденным к жизни существом оказался Physarum polycephalum, известный также как слизевик многоголовый[134]134
  О слизевиках и интеллекте см.: Brewer et al. 1964; Ohl and Stockem 1995; Dussutour et al. 2010; Reid et al. 2012; Reid et al. 2015; Adamatzky 2016; Reid et al. 2016; Oettmeier, Brix, and Döbereiner 2017; Boussard et al. 2019; Gao et al. 2019; Ray et al. 2019.


[Закрыть]. На улицах Ньюарка слизевика не встретишь, но стоит отъехать за город на несколько миль в природоохранную зону – в заповедники Игл-Рок или Грейт-Свомп, и в теплый и влажный летний день легко увидеть его золотистую сеточку на гниющем бревне или шляпке гриба. Да практически везде на планете, где растет лес, можно найти физарум или один из сотен других видов слизевиков. Их странный внешний вид порождает причудливые народные названия, к примеру «волчье молоко» или «собачья рвота».

Летом физарум растет, а к зиме дает споры. Они переживают холода, в то время как остальное тело слизевика отмирает и превращается в черную корочку. Весной споры снова прорастут. Но если этот цикл нарушает катастрофа – засуха или падение дерева, защищавшего лесную подстилку от слишком яркого света, слизевик принимает экстренные меры. Его тело полностью высыхает, превращаясь в серое ломкое образование – склероций. Склероций рассыпается на кусочки, и его сдувает ветром. Если такой кусочек упадет на влажный участок земли, он оживет. Исследователи слизевиков могут получить склероций, просто положив кусочек живого физарума на промокашку и высушив его. Его можно хранить неделями или месяцами. Если потом поместить склероций в чашку с агаром, то можно пробудить его к жизни.

Щелкая и вспыхивая всю ночь, камера покадрово отсняла движения такого слизевика. В ускоренном темпе, пригодном для человеческого восприятия, запись показывала, как пятно меняет цвет на золотистый, а затем распространяется за пределы бумажки и расползается по агару. Ближе к утру щупальца с противоположной стороны листочка тоже стали расползаться. Теперь слизевик превратился в расширяющийся диск.

Причиной его движения было не воздействие гравитации на пассивную материю. Слизевик расползался не так, как растекается капля воды. Он проявлял признаки жизни, используя собственные запасы энергии, собственные белки, логику, закодированную в собственных генах, – то же сочетание, которое встречается у всех живых существ, – чтобы принимать решения, как поступать дальше. Он обладал стремлением. Он охотился.

Аспиранты и молодые ученые, работавшие с Гарнье, составляли пеструю компанию. Некоторые уехали в Намибию надевать ошейники на павианов, чтобы отслеживать их передвижения и записывать их крики. Они исследовали, как павианы сохраняют компанию, обмениваясь информацией о своем местоположении. Еще один студент изучал в Панаме, как миллионы бродячих муравьев составляют из своих тел живое гнездо, а в нем и камеры, в которых может поселиться их царица. Говоря о принятии решений, мы представляем себе человеческий мозг – объемистый, весь в извилинах, подбирающий словесную форму для размышлений о будущем. Мозг муравья меньше нашего в десятки тысяч раз, и тем не менее муравьи способны строить жилище из собственных тел. Слизевики, у которых вовсе нет мозга, свели данное свойство живого – принимать решения – к еще более базовым действиям. «Мне очень нравится вся эта тема – ведь речь идет о самых истоках интеллекта», – сказал мне Гарнье.

В лесу слизевик питается бактериями и грибными спорами. Он тянет свои нити по бревнам и поверхности почвы, пока не найдет добычу. Заползая на жертву, физарум выделяет ферменты, разрушающие клетки, и поглощает продукты распада. По словам Гарнье, «это ползучий желудок».

Когда Рэй оживил для меня своего слизевика, тот начал искать пищу, но искать было нечего – еды не дали. Чтобы показать мне, как слизевик находит себе очередной обед, Субаш приступил к новому эксперименту. Он поместил на агар три бледных комочка овсянки, расположив их треугольником.

«Умеете варить кашу – сумеете и слизевиков выращивать», – сказал Рэй. Я огляделся и увидел на лабораторных полках ряды банок с овсяными хлопьями Quaker Oats. Квакеры смотрели на ученых свысока, сияя жизнерадостными улыбками колониального периода.

«Они предпочитают старые марки», – сказал Гарнье. «Они» подразумевало слизевиков. Точнее, они предпочитают бактерий, растущих на старых марках хлопьев[135]135
  Компания, выпускающая эти хлопья, была основана в Чикаго в 1877 г. Такое название было выбрано одним из ее основателей, который прочел в энциклопедии статью о квакерах и решил, что их ценности – честность, порядочность, простота – прекрасно отразят миссию будущей компании. – Прим. ред.


[Закрыть]. Еда стерильной не бывает.

Рэй перенес каплю живого физарума в середину чашки Петри. Слизевик не видел комочков каши. Но он ощущал сахара и другие молекулы, распространявшиеся от пищи по агару. Как только нити слизевика потянулись в стороны, белки на их поверхности уловили сигналы от еды. Затем слизевик воспользовался набором простых правил поиска пищи.

Перемещаясь, каждая нить сравнивала концентрацию молекул в различных точках своей траектории. Если концентрация падала, слизевик больше не вытягивал нити-щупальца в этом направлении. Если она росла, он целеустремленно продолжал поиски. Через несколько часов после того, как Рэй оставил слизевика посреди чашки, его нити добрались до всех трех комочков. Они оплели овсянку, которая из серой стала золотистой.

Слизевики не обладают мозгом, посылающим команды, поэтому, изучая их, нам удалось узнать, что способность живого принимать решения может возникнуть просто вследствие законов биохимии. Ученые открыли целый свод изящных правил, обеспечивающих слизевикам успех. Чтобы показать мне даже более удивительную способность физарума, Рэй воспроизвел эксперимент, который в 2012 г. поставил один из бывших учеников Гарнье. Он загнал слизевика в тупик.

Соорудить засаду было достаточно просто. Ножницами Рэй вырезал из ацетатной пленки кусочек вот такой формы с четкими углами: |_|. И поместил его в чашку. Слизевики умеют расползаться только по влажным поверхностям, а значит, сухая ацетатная пленка так же непреодолима для них, как высокая кирпичная стена.

Затем Рэй поместил физарума у открытого конца ловушки. На противоположную сторону чашки он капнул раствором сахара. Приманку отделяла от слизевика преграда из ацетатной пленки, но сироп протекал под ней, разливаясь по всему агару, дразня слизевика своим ароматом, заманивая его в ловушку.

На следующий день, когда мы пришли навестить физарума, он уже выбрался из тупика. Просматривая отснятое за ночь видео, я чувствовал себя надзирателем, расследующим побег заключенного из тюрьмы. Слизевик заполз по сахарному следу в ловушку и наткнулся на ацетатную преграду. Но отнюдь не бросил поиски. Он выпустил нити в обе стороны. Ответвления слева в конце концов добрались до края преграды и обогнули его, покинув ловушку, – после чего потянулись вдоль внешней стороны ацетатной пленки, устремившись к сахару.

Слизевики умудряются выбираться из подобных тупиков, используя память, для которой не нужен мозг. Они постоянно выпускают пытливые нити-щупальца, и те, которые не чувствуют усиления пищевых сигналов, втягиваются обратно. Отступая, щупальца оставляют за собой слизистую пленку. Слизевик улавливает собственные следы и направляет новые ответвления подальше от них. Эта внешняя память позволяет физаруму искать обходные пути в своем стремлении к сахару. Вместо того чтобы биться своим многоголовым телом об ацетатную стену, он выбирается из тупика и исследует новые пути к пище. Нам для запоминания нужен мозг, но у слизевика нет этого органа. Он хранит запись своего опыта во внешнем мире.

Решают физарумы и гораздо более сложные задачи. В частности, исследователь Тошиюки Накагаки с коллегами обнаружил, что слизевики умеют отыскивать кратчайшую дорогу к выходу из лабиринта. Он создал подобную конструкцию, вырезав проходы в листе пластика, и положил ее на агаровую подложку. У одного из входов в лабиринт экспериментаторы поместили слизевика, снабдив его овсяными хлопьями, а у другого входа – еще немного хлопьев. Слизевик выпустил новые щупальца в коварную конструкцию, исследуя все возможные пути. Как только он обнаружил хлопья у другого входа, он стал кормиться обеими порциями одновременно, параллельно убирая ответвления из тупиков лабиринта. В конце концов слизевик обратился в единственное линейное щупальце, прочертившее путь через «головоломку». Накагаки сделал проходы в лабиринте так, чтобы у слизевика было четыре возможных маршрута к пище. В итоге, как он обнаружил, слизевик всегда следовал кратчайшим путем.

Некоторые ученые дают слизевикам задания, имеющие более непосредственное отношение к их естественной среде обитания в лесной подстилке. В природе слизевикам не встречается пища у двух концов лабиринта. Зато там им могут встретиться источники пищи, разбросанные по стволу дерева. Кормясь из всех одновременно, слизевик сможет быстрее расти. Но, чтобы дотянуться до всей пищи сразу, ему придется заплатить метаболическую цену, вытягивая нити. Если перестараться, энергии на это уйдет больше, чем даст пища.

Оказывается, слизевики отлично умеют справляться с подобными проблемами: они определяют кратчайший путь к нескольким порциям пищи одновременно. Накагаки и другие специалисты с помощью экспериментов пытались понять, как слизевики осуществляют столь сложный выбор. Они разбросали в разных местах чашки Петри овсяные хлопья и наблюдали, как физарум решает задачу. Он не стал вытягиваться в единую ломаную линию, а образовал сеть прямых отрезков, связавших между собой овсяные хлопья кратчайшими возможными расстояниями. В одном из опытов ученые воспроизвели карту США, разместив хлопья на местах крупнейших городов. Сеть, построенная слизевиком, удивительно напоминала систему федеральных автотрасс. Слизевики воспроизвели и структуру токийского метрополитена, и транспортную сеть Канады. Математиков должно обескураживать, что физарум умеет решать задачи подобного типа за несколько дней. Люди-то бьются над ними столетиями.

Еще одна задача, занимающая умы вот уже нескольких поколений математиков, – так называемая проблема рюкзака. Представьте себе, что вы собираетесь в поход и решаете, что положить в рюкзак. Вы можете выбирать из множества разнообразных предметов, более или менее полезных в походе. Но нужно также учесть вес вещей: из-за него нельзя нагружать рюкзак бесконечно. Уместно сунуть в рюкзак колоду карт, чтобы скоротать дождливое утро в горах за игрой в покер. Но вы вряд ли положите туда пудовый набор резных шахмат из стеатита только потому, что вам может стать скучно. Математики выражают этот выбор в чисто абстрактной форме: у вас есть набор предметов, каждый из которых обладает ценностью и массой. Необходимо подобрать комбинацию предметов с максимальной ценностью, не превышающую определенной массы.

В повседневной жизни примеры проблемы рюкзака часто встают перед бизнесом. Авиакомпаниям необходимо рассчитать, как нагрузить самолет так, чтобы максимизировать ценность груза при минимальных затратах на топливо. Финансовые компании ищут оптимальные способы распределения капиталов по инвестициям с разной потенциальной окупаемостью. Но простой формулы для решения проблемы рюкзака не существует. Специалисты посвятили стратегиям, позволяющим приблизиться к оптимальному решению, немало книг.

Пусть слизевики и не умеют писать такие книги, зато им дано решить проблему рюкзака. Одри Дюссютур, французская исследовательница из Университета Поля Сабатье в Тулузе, совместно со своими коллегами изучала способности слизевиков, переведя задачу на понятный им язык – пищевой. Для максимальной скорости роста физаруму нужны одновременно белки и углеводы. Выяснилось, что оптимальный состав – две части белков на одну часть углеводов.

Дюссютур предложила физаруму выбор между двумя кусочками пищи, каждый из которых был далек от идеала. Один содержал девять частей белка на одну часть углеводов, другой – одну часть белка на три части углеводов. Дотянувшись до первого кусочка и питаясь только им, слизевик не получил бы достаточно углеводов. Второй не дал бы ему необходимого количества белка.

Слизевик сумел обратить два плохих варианта Дюссютур в один хороший. Он вырастил нити-щупальца и отыскал оба кусочка. В результате его сеть стянулась в узенькую дорожку между двумя порциями пищи. Простое смешение их не дало бы физаруму идеального для него сочетания. Поэтому слизевик поедал больше пищи, обогащенной белками, нежели углеводами, сбалансировав свое питание так, чтобы приблизить его к идеальному соотношению 2:1. В других экспериментах Дюссютур проверяла на слизевиках иные комбинации, и испытуемые всегда определяли, как их сбалансировать. Иными словами, они обучались набивать свой рюкзак нужным комплектом припасов.

Проводя все больше и больше новых опытов со слизевиками, ученые начинают все лучше понимать, как сеть физарума ориентируется в лесу. Она собирает информацию обо всем, к чему прикасается, а найдя место, изобилующее бактериями, перебирается туда и приступает к пиршеству. Если слизевик случайно выползет на солнечный свет, то сумеет отступить обратно в тень. Он способен день ото дня с математической точностью перестраивать свою сеть, чтобы оприходовать побольше еды с наименьшими затратами. Это удивительно эффективная стратегия. При благоприятных условиях слизевик может стать размером с половик.

Когда я спросил Гарнье, как именно физарумы решают все эти задачи, он очень по-французски пожал плечами. «Добро пожаловать в дивный мир слизевиков, где толком ничего не понятно», – ответил он.

Но один из его аспирантов, Абид Хак, охотно показал мне, где, согласно их с Гарнье подозрениям, может скрываться ответ: внутри золотых нитей.

До приезда в Ньюарк Хак изучал машиностроение в Индийском институте технологий в Гувахати. После одной летней школы он увлекся царством слизевиков и теперь готовился к защите диссертации в лаборатории Гарнье. В день нашего знакомства на Абиде была черная футболка с принтом – викторианскими гравюрами с изображениями слизевиков: филигранных споротек, похожих на головастиков половых клеток, а также сетей физарума, напоминающих резиновые деревья.

Хак осторожно отрезал кусочек слизевика длиной в пару сантиметров и отнес его в тускло освещенное помещение, где стояли микроскопы. Несколько секунд он плавно поворачивал ручки микроскопа. «О, шикарно», – сказал он.

Когда я взглянул на предметное стекло, мне понадобилось некоторое время, чтобы глаза приспособились, а мозг приготовился к тому, что я должен увидеть. А затем передо мной вдруг оказалась зеленая река. По ней проплывали зерна, то темные, то светлые. На моих глазах течение замедлилось. Зерна остановились. Через мгновение неподвижности река развернула свой ход и понесла зерна в противоположную сторону.

Светлые зерна содержали ферменты, которые слизевик использует для расщепления пищи. Темные были ядрами, микроскопическими мешочками, в которых хранились его гены. В наших клетках тоже есть ядра, но обычно их в каждой клетке лишь по одному. Когда клетка делится пополам, она создает новое ядро, так что каждая дочерняя клетка получает собственный набор генов. Слизевики тоже умеют образовывать новые ядра, но они не утруждают себя делением клеток. Каждый физарум, расползающийся по чашке Петри или лесной подстилке, представляет собой одну-единственную гигантскую клетку.

«Тот факт, что она всего одна, выносит мозг», – сказал Гарнье.

Слово «физарум» пришло из греческого языка, оно означает «маленькие кузнечные мехи». Вероятно, такая ассоциация была навеяна пульсациями на золотистых сплетениях слизевика, которые натуралисты могли наблюдать невооруженным глазом. У первых исследователей физарумов не было возможности определить, отчего они подрагивают. Только в XX в. биологи стали приближаться к пониманию строения слизевиков.

В каждое щупальце встроен микроскопический «проволочный» скелет. Но это не жесткая арматура, как у Эйфелевой башни. Слизевик постоянно надстраивает новые части своего скелета и разбирает старые. Он может стянуть гибкие подвижные проволочки в тугую сеть, которая сожмет щупальце и вытолкнет из него жидкость. Если проволочки расступаются, стенки щупальца расширяются и жидкость втекает назад.

Сжимаясь и расширяясь, слизевик пульсирует, словно паутинное сердце. Пульсации волнами подталкивают зерна, а эти волны способны разбегаться по всей сети, сталкиваясь друг с другом и образуя, таким образом, еще более сложные ритмы.

Хак и Гарнье задумались, не служат ли эти волны для одноклеточного слизевика своего рода информационным ретранслятором, позволяющим ему узнавать о том, что его окружает, и объединять данные путем быстрых вычислений. А по итогам слизевик, возможно, принимает решения о том, что делать дальше.

Чтобы расшифровать этот волновой язык, Хак начал с простого опыта. Он поместил небольшие кусочки нитей слизевика в чашки Петри. Внутри каждой нити волны шли то назад, то вперед. У обоих концов нитей, но все же в некотором от них отдалении Хак положил по порции корма. В одной содержалось много овсянки, в другой мало, поэтому вторая была менее соблазнительна. Слизевик чуял пищу и вытягивался в обе стороны. И как только он попробовал каждое «блюдо», Хак увидел, что характер волн изменился.

Молодой исследователь и его коллеги обнаружили, что волны пульсаций чаще шли в направлении более привлекательной пищи. А с изменением характера пульсаций менялся и сам слизевик. «Проволочки» скелета с того конца, который обильно пировал на овсянке, постепенно разреживались, и объем слизевика увеличивался. В то же время, предполагают некоторые исследователи, стенки того конца, что кормился скудным кусочком, уплотнялись. В результате слизевик отползал от непривлекательной пищи и поглощал привлекательную.

«Это как если бы у вас растворялись мышцы, стоит вам оказаться в благоприятном месте, – сказал мне Гарнье. – А вам по барабану, ведь вы попали туда, где вам хорошо».

Растворять свои мышцы, оказавшись в приятном месте, – это своего рода интеллект, считает Гарнье. Для него интеллект – не количество баллов в тестах на IQ или способность освоить иностранный язык. Это признак живого: способность реагировать на изменения среды таким образом, чтобы обеспечивать выживание организма.

«Возьмите любой организм – его успех в этом деле выше случайного», – говорит Гарнье. Нам для выживания с вероятностью выше случайной нужен разросшийся мозг, но кому-то сгодятся и клеточные волны, перекатывающиеся по сети щупалец.

По словам Гарнье, «слизевики – предельное воплощение этого принципа».