Текст книги "Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии"

Рамберг указывает, что если считать достижение Вёлера знаковым экспериментом, то удивительно, как мало свидетельств современников о реакции на него. Хотя Берцелиус был явно взволнован работой Вёлера, это было связано не столько с витализмом, сколько с тем, что синтез мочевины означал трансформацию солеподобного соединения в такое, у которого совсем не было свойств соли. Показав, что цианат аммония может стать мочевиной через внутреннюю перестановку атомов, ничего не набирая и не теряя, Вёлер предоставил один из первых и лучших примеров того, что химики называют изомерией. Сделав это, он способствовал преодолению прежних взглядов, согласно которым два вещества с разными физическими и химическими свойствами не могут иметь одинаковый состав{24}24
  http://www.fullbooks.com/Scientific-American-Sup-plement-No-3621.html


[Закрыть].

По единодушному мнению современных историков, область органической химии не могла быть открыта единственным экспериментом. Вёлеров синтез мочевины на самом деле почти не повлиял на витализм. Сам Берцелиус думал, что мочевина, по сути, отходы организма, не столько органическое соединение, сколько «промежуточное» вещество между органикой и неорганикой{25}25
  Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.


[Закрыть]. Более того, исходные материалы Вёлера скорее были органическими, чем неорганическими ингредиентами. Да и достижение его не было уникальным: четырьмя годами раньше он сам искусственно получил другое органическое соединение, щавелевую кислоту, из воды и циана{26}26
  Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.


[Закрыть]. Историк науки Джон Брук назвал Вёлеров синтез мочевины в конечном счете «не более чем маленьким камешком, слегка мешающим убедительному потоку виталистического мышления».

Витализм, подобно религии, не исчез просто в ответ на новые научные открытия. Чтобы сдвинуть систему убеждений, нужно накопить весомые доказательства путем многих экспериментов. Непрерывный прогресс науки все сильнее душил витализм, но на это ушли века, и даже сегодня программа по искоренению этого мистического поверья еще не выполнена до конца.

Ряд ключевых открытий, которые должны были бы подорвать древнюю идею витализма, начинается с 1665 года, когда Роберт Гук (1635–1703) под созданным им новым микроскопом впервые обнаружил клетки. Со времени опытов его и других первопроходцев, таких как голландец Антони ван Левенгук (1632–1723), мы накопили доказательства, что клетки являются базовой биологической структурой для всего, что мы знаем как жизнь. По мере становления современной науки в течение XVI и XVII веков витализм сталкивался со все более серьезными вызовами. В 1839 году, через десять с небольшим лет после синтеза мочевины Вёлером, Матиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882) написали: «Все живые существа состоят из живых клеток». В 1855 году Рудольф Вирхов (1821–1902), основатель современной клеточной патологии, выдвинул так называемый «биогенный закон»: Omnis cellula e cellula, то есть «все живые клетки происходят от ранее существующих клеток». Это явно противоречило представлению о «самозарождении», известному еще с античности и, как подсказывает название, предполагающему, что жизнь может сама собой возникать из неживой материи – например, опарыши из гниющего мяса или плодовые мушки из бананов.

В своем знаменитом исследовании 1859 года Луи Пастер (1822–1895) опроверг теорию самозарождения посредством простого опыта. Он прокипятил бульон в двух разных колбах, одна не закрывалась, и в нее попадал внешний воздух; вторая имела S-образный изгиб горлышка и была заткнута ватой. После остывания открытой колбы в ней выросли бактерии, но во второй колбе ничего не выросло. Считается, что Пастер доказал, что микроорганизмы есть везде, включая воздух. Как и в случае с Вёлером, результаты его экспериментов, если рассмотреть их во всех деталях, не были столь убедительными, как это часто изображается, и окончательные доказательства были получены только в последующих работах немецких ученых{27}27
  Waller, John. Fabulous Science: Fact and Fiction in the History of Scientific Discovery (Oxford University Press, 2010), стр. 18.


[Закрыть].

Эксперименты Пастера привели некоторых ученых того времени к исключению возможности того, что жизнь исходно развилась (или может быть развита) из неорганических веществ. В 1906 году французский биолог и философ Феликс ле Дантек писал: «Часто говорится, что Пастер показал бесполезность попыток… людей науки воспроизвести жизнь в своих лабораториях. Пастер показал лишь вот что: приняв определенные меры предосторожности, мы можем исключить любое попадание уже существующих живых организмов в конкретные субстанции, которые могут служить им пищей. И всё. Проблема синтеза протоплазмы осталась там же, где была{28}28
  Le Dantec, Felix Alexandre. The Nature and Origin of Life. Trans. Stoddard Dewey. New York: A. S. Barnes, 1906.


[Закрыть]».

Хотя Пастер и показал, как исключить жизнь из стерильной среды, он не помог нам понять, как миллиарды лет назад на юной Земле воцарилась жизнь. В 1880 году немецкий эволюционный биолог Август Вейсман (1834–1914) сформулировал важный вывод из биогенного закона, обращенный назад, к первоисточнику: «Ныне живущие клетки могут проследить свою родословную до древнейших времен». Другими словами, должна быть общая предковая клетка. И это, конечно, приводит нас к революционной работе Чарльза Дарвина «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин (1809–1882), а также британский натуралист и исследователь Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) утверждали, что у всех созданий случаются вариации или изменения видовых признаков, которые передаются последующим поколениям. Некоторые вариации оказываются выгодными формами, которые процветают в каждом последующем поколении, и так они – и их гены – становятся более распространенными. Это естественный отбор. Со временем, когда новые версии признаков накопятся, линия может измениться настолько, что больше не сможет обмениваться генами с другими линиями, которые когда-то были ее родичами. Так рождается новый вид.

Несмотря на эти продвижения в науке, у витализма даже в ХХ веке были пламенные защитники. Среди них был Ханс Дриш (1867–1941), выдающийся немецкий эмбриолог, обратившийся к идее энтелехии (от греческого слова entelécheia), которая предполагает необходимость «души», «организующего поля» или «жизненной функции» для одушевления материальных составляющих жизни. Иного пути разрешения проблемы формирования тела из неструктурированной отдельной клетки он не видел. В 1952 году великий британский математик Алан Тьюринг показал, как у эмбриона может появиться структура de novo{29}29
  Turing, A. M. Phil., Trans. R. Soc. Lond., B237, стр. 37–72 (1952).


[Закрыть]. Подобным же образом французский философ Анри-Луи Бергсон (1859–1941) постулировал élan vital (жизненный порыв) для преодоления сопротивления инертной материи при формировании живых тел. Даже в наше время, хотя самые серьезные ученые считают витализм давно опровергнутой идеей, некоторые не отказались от представления, что жизнь основана на какой-то мистической силе. Вероятно, это не должно удивлять: слово «витализм» всегда имело столько же значений, сколько и сторонников, а общепринятое определение жизни отсутствует до сих пор.

В наше время появилась новая разновидность витализма. В этой более изощренной форме упор делается не столько на присутствие искры жизни, сколько на то, что современные редукционистские, материалистические объяснения неспособны объяснить загадку жизни. Это направление мышления отражает убеждение, что сложность живой клетки возникает в ходе множества взаимодействующих химических процессов, образующих взаимосвязанные циклы с обратной связью, и все это не может быть описано лишь в понятиях тех процессов и реакций, из которых оно состоит. В результате витализм сегодня проявляется в облике смещения акцента с ДНК на «эмерджентные» свойства клетки, которые оказываются чем-то бóльшим, чем сумма ее молекулярных частей и того, как они работают в конкретной среде.

Результатом этого нового утонченного витализма становится стремление некоторых ученых принизить или даже игнорировать центральную роль ДНК. По иронии судьбы редукционизм не помог. Сложность клеток, вместе с продолжающимся подразделением биологии на учебные дисциплины в большинстве университетов, привела многих на путь „белкоцентричности“, противостоящей ДНК-центричному взгляду на биологию. В последние годы ДНК-центричная точка зрения все сильнее склоняется к эпигенетике, системе «переключателей», которые включают и выключают гены в ответ на такие факторы окружающей среды, как стресс или питание. Многие сейчас ведут себя так, как будто область эпигенетики на самом деле отделена и независима от биологии, основанной на ДНК. Когда кто-то начинает приписывать цитоплазме неизмеримые свойства, он тем самым невольно попадает в ловушку витализма. То же самое относится к подчеркиванию загадочных эмерджентных свойств клетки помимо ДНК, что равносильно возрождению принципа Omnis cellula e cellula и идеи, что все живые клетки происходят от ранее существовавших клеток.

Это, конечно, верно, что клетки оказались первичной биологической основой для всего, что мы знаем как жизнь. Понимание их структуры и содержимого стало в результате основой для важных фундаментальных дисциплин – клеточной биологии и биохимии. Однако, как я надеюсь показать, без своей генетической информационной системы клетки проживут от нескольких минут до нескольких дней. Без генетической информации у них нет средств для создания белковых компонентов или их оболочки из липидных молекул, которые образуют мембрану, удерживающую их водянистое содержимое. Они не будут эволюционировать, они не будут воспроизводиться, и они не будут жить.

Хотя мы осознаем, что миф, сложившийся вокруг Вёлерова синтеза мочевины, неточно отражает исторические факты, связанные с этим сюжетом, фундаментальная логика его эксперимента по-прежнему оказывает мощное и обоснованное влияние на научные методы. Сегодня стандартный способ доказать, что предполагаемая химическая структура исследуемого вещества верна, состоит в том, чтобы синтезировать такую структуру и показать, что результат синтеза имеет все свойства природного продукта. Десятки тысяч научных статей начинаются с такой предпосылки или содержат фразу «доказано синтезом». Мое собственное исследование руководствовалось принципами письма Вёлера от 1828 года. Когда в мае 2010 года моя группа в Институте Крейга Вентера (JCVI) синтезировала целую бактериальную хромосому посредством компьютерной программы и четырех бутылей химикатов, а потом вставила хромосому в клетку, создав первый синтетический организм, то мы действовали по аналогии с работой Вёлера{30}30
  Moreno, Jonathan D., Editor-in-Chief of Science Progress: http://scienceprogress.org/2010/05/synbio-ethics/.


[Закрыть] и его «синтезом как доказательством».

Материалистический взгляд на жизнь как машину приводил некоторых ученых к попытке сотворения искусственной жизни вне биологии, на основе механических систем и математических моделей. К 1950-м, когда ДНК окончательно признали материальным носителем генов, механистический подход уже маячил в научной литературе. В этой версии жизнь должна появляться из сложных механизмов, а не из сложной химии. В 1929 году молодой ирландский кристаллограф Джон Десмонд Бернал (1901–1971) представил возможность существования машин с жизнеподобной способностью к воспроизведению себя в «постбиологическом будущем», которое он описал в книге «Мир, плоть и дьявол»: «Создать саму жизнь будет лишь предварительным этапом. Изготовление жизни как таковой будет важно лишь тогда, если мы собираемся позволить ей заново развиваться самой».

Логичный рецепт по сотворению этих сложных механизмов был разработан в следующем десятилетии. В 1936 году Алан Тьюринг, криптограф и пионер искусственного интеллекта, описал то, что обрело известность как машина Тьюринга, а именно набор инструкций, написанных на ленте. Тьюринг также определил универсальную машину Тьюринга, которая может выполнять любые вычисления, для которых можно написать инструкции. Это стало теоретической основой цифрового компьютера.

Идеи Тьюринга были развиты далее в 1940-х знаменитым американским математиком и энциклопедистом Джоном фон Нейманом, который задумал самовоспроизводящуюся машину. Подобно тому, как Тьюринг предвидел универсальную машину, фон Нейман предвидел универсальный конструктор. Родившийся в Венгрии гений очертил свои идеи в лекции «Общая и логическая теория автоматов» на симпозиуме Хиксона 1948 года в Пасадене, Калифорния. Он указал, что «живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы». Тем не менее он утверждал, что некоторые из закономерностей, которые мы наблюдаем у первых, могут быть поучительными для размышлений о последних и их проектирования.

Машина фон Неймана включает в себя «ленту» из ячеек, которая кодирует последовательность выполняемых машиной действий. Используя записывающую головку (обозначенную как «сборочный манипулятор»), машина может построить новую систему ячеек – в частности, может сделать полную копию и себя, и ленты. Репликатор фон Неймана был неуклюжей на вид структурой, состоящей из основной области в восемьдесят на четыреста квадратов, сборочного манипулятора и «хвоста Тьюринга» – полосы закодированных инструкций, состоящей из еще 150 000 квадратов. («Автоматы [Тьюринга] – это чисто вычислительные машины, – пояснял фон Нейман. – Что на самом деле нужно – так это автомат, производящий другие автоматы»{31}31
  Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 284.


[Закрыть].) Все это творение состояло примерно из двухсот тысяч таких «клеток». Чтобы воспроизводиться, машина использовала «нейроны», обеспечивающие логическое управление, передающие клетки для передачи сообщений от центров управления, и «мышцы», чтобы изменять окружающие клетки. По инструкциям хвоста Тьюринга машина выдвигала манипулятор, а затем водила им вперед-назад, создавая копию себя при помощи ряда логических манипуляций. Копия затем могла сделать новую копию и так далее.

Природа этих инструкций стала с тех пор яснее по мере параллельного развития цифрового мира и биологических миров науки. Эрвин Шрёдингер писал тогда то, что вроде бы стало первым упоминанием его «кодированной записи»: «Именно эти хромосомы или, возможно, только осевая или скелетная нить того, что мы видим под микроскопом как хромосому, содержат в виде своего рода [кодированной записи[5]5
  В русском переводе А. А. Малиновского, откуда взята основная цитата, значится «шифровальный код».


[Закрыть] ] весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии».

Шрёдингер продолжал утверждать, что «кодированная запись» может быть простой, как бинарный код: «Действительно, число атомов в такой структуре не обязано быть очень велико, чтобы получить практически неограниченное число возможных сочетаний. Для примера вспомним азбуку Морзе. Два разных знака – точка и тире – в хорошо упорядоченных группах не более чем по четыре символа дают тридцать разных спецификаций{32}32
  Schrodinger, Erwin. What is Life? (1944), стр. 20–21.


[Закрыть]».

Хотя фон Нейман придумал свой самовоспроизводящийся автомат за несколько лет до того, как в двойной спирали ДНК был открыт реальный наследственный код, он отметил, что у автомата должна быть способность эволюционировать. В своей Хиксоновской лекции он поведал аудитории, что каждая инструкция в такой машине «грубо говоря, выполняет функции гена», и продолжил описанием того, как ошибки автомата «могут проявлять некоторые характерные черты мутации – как правило, летальной, но иногда способной продолжать воспроизводиться вместе с соответствующим изменением признака». Как заметил генетик Сидней Бреннер, можно сказать, что биология дает наилучшие реальные образцы машин Тьюринга и фон Неймана: «Понятие гена как символического – в виде кодированной записи – представления организма – это фундаментальная черта живого мира»{33}33
  Brenner, Sydney, Nature, 482, 461 (2012).


[Закрыть].

Фон Нейман, упорно следуя своему исходному понятию репликатора, придумал чисто логический автомат, не требующий физического носителя и целого моря деталей, а основанный на изменяющемся состоянии ячеек в решетке. Его коллега по Лос-Аламосу (где они работали в проекте «Манхэттен») Станислав Улам предложил фон Нейману использовать для разработки его устройства математическую абстракцию вроде той, которую сам Улам применял для изучения роста кристаллов. Фон Нейман представил получившийся «самовоспроизводящийся автомат» – первый клеточный автомат – на Ванаксемских лекциях о «Машинах и организмах» в Принстонском университете между 2 и 5 марта 1953 года.

Попытки моделирования жизни продолжались, но тут изменилось наше понимание биологии, лежащее в их основе: 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature{34}34
  Watson, J. D., and F. H. Crick (April 1953). “Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.” Nature, 171 (4356), стр. 737–738.


[Закрыть] ключевую статью «Молекулярное строение нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». Их работа, выполненная в Кембридже (Англия) и опиравшаяся на рентгенокристаллографические данные Розалинд Франклин и Рэймонда Гослинга из Королевского колледжа в Лондоне, предлагала двойную спиральную структуру ДНК. Уотсон и Крик описали элегантную функциональную молекулярную структуру двойной спирали и то, как ДНК воспроизводится, чтобы ее инструкции передавались из поколения в поколение. Это был природный самовоспроизводящийся автомат.

Начало попыток создания другого рода самовоспроизводящихся автоматов, как и начало исследований искусственной жизни, датируются примерно этим же периодом, когда стали использоваться первые современные компьютеры. Открытие кодированной природы генетической информационной системы жизни естественным образом привело к параллели с машинами Тьюринга. Сам Тьюринг в своей важнейшей статье 1950 года об искусственном интеллекте обсуждал, что выживание наиболее приспособленных – это «медленный метод», который можно было бы подтолкнуть, и не в последнюю очередь потому, что экспериментатор не ограничен случайными мутациями{35}35
  Turing, A. M. “Computing Machinery and Intelligence.” Mind, New Series, Vol. 59, № 236, октябрь 1950, стр. 433–460.


[Закрыть]. Многие поверили, что искусственная жизнь появится из сложных логических взаимодействий в компьютере.

В этой точке сошлись разные течения мысли: теории фон Неймана с его работами по ранним компьютерам и самовоспроизводящимся автоматам; Тьюринга, поставившего основные вопросы о машинном разуме{36}36
  http://www.loebner.net/Prizef/TuringArticle.html


[Закрыть]; и американского математика Норберта Винера, который применил идеи из теории информации и саморегулирующихся процессов к живым существам в области кибернетики{37}37
  Bedau, Mark A. “Artificial life: organization, adaptation and complexity from the bottom uстр.” Trends in Cognitive Sciences (November 2003). http://people.reed.edu/~mab/publications/papers/BedauTICS03.pdf


[Закрыть], описав это в своей книге «Кибернетика», выпущенной в 1948 году. Было много последовательных попыток возжечь в компьютере жизнь. Одна из самых ранних случилась в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1953 году, когда норвежско-итальянский генетик-вирусолог Нильс Аол Барричелли провел эксперименты «с целью проверить возможность эволюции, сходной с таковой у живых организмов, в искусственной вселенной»{38}38
  Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 3.


[Закрыть]. Он сообщил о различных «биофеноменах», например об успешном скрещивании родительских «организмов», роли пола в эволюционных изменениях и роли сотрудничества в эволюции{39}39
  http://www.edge.org/3rd_culture/dyson/dyson_p2.html


[Закрыть].

Возможно, наиболее убедительный эксперимент по созданию искусственной жизни был проведен несколько десятилетий спустя, в 1990 году, когда Томас Рэй из Делавэрского университета создал первое впечатляющее приближение к дарвиновской эволюции в компьютере. В его модели организмы – компьютерные подпрограммы – боролись за память (пространство) и вычислительные мощности (энергию) в специально выделенном «заповеднике» внутри машины. Для этого ему пришлось преодолеть ключевое препятствие: языки программирования «хрупкие», в них единичная мутация – строчка, буква или точка не в том месте – останавливает программу. Рэй предложил некоторые изменения, после которых мутации с меньшей вероятностью выключали его программу. Потом последовали другие варианты компьютерной эволюции, например Avida{40}40
  http://www.mitpressjournals.org/doi/abs/10.1162/106454604773563612


[Закрыть], программа, созданная группой из Калифорнийского технологического института (Калтеха) в начале 1990-х для изучения эволюционной биологии самовоспроизводящихся компьютерных программ. Исследователи считали, что с ростом мощности компьютера они смогут создать более сложные существа – чем богаче компьютерная среда, тем богаче искусственная жизнь, которая может развиваться и множиться.

Даже сегодня есть такие, как Джордж Дайсон, который в своей книге «Собор Тьюринга» (2012) утверждает, что примитивные осколки реплицирующихся программ из вселенной Барричелли – это предки линий мультимегабайтных программ, плодящихся в современной цифровой вселенной, во Всемирной сети и за ее пределами{41}41
  Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 336.


[Закрыть]. Он утверждает, что теперь есть вселенная самовоспроизводящихся цифровых записей, которая прирастает на триллионы бит в секунду, «вселенная чисел с собственной жизнью»{42}42
  http://edge.org/conversation/a-universe-of-self-replicating-code/


[Закрыть]. Эти виртуальные ландшафты расширяются экспоненциально и, как наблюдал сам Дайсон, начинают становиться цифровым аналогом вселенной ДНК.

Но эти виртуальные пастбища на самом деле относительно скудны. В 1953 году, всего через полгода после попытки создать эволюцию в искусственной вселенной, Барричелли обнаружил серьезные барьеры, в которые упирается любая попытка породить искусственную жизнь в компьютере. Он сообщал, что «для того чтобы объяснить формирование таких сложных органов и способностей, как у живых организмов, чего-то не хватает… Сколько бы мы ни делали мутаций, цифры всегда останутся цифрами. Цифры сами по себе никогда не станут живыми организмами!{43}43
  Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 233.


[Закрыть]»

Искусственная жизнь в своем исходно задуманном виде обрела новое виртуальное существование в форме игр и кинофильмов: смертоносный Hal 9000 из «Одиссеи 2001 года», кровожадный Скайнет из фильмов о Терминаторе, злонамеренные машины в «Матрице». Однако реальность пока сильно отстает. В компьютерной искусственной жизни нет разницы между генетической последовательностью (генотипом) произведенного организма и ее физическим выражением – фенотипом. В случае с живой клеткой текст ДНК выражается в форме РНК, белков и клеток, образующих все физические субстанции жизни. Искусственные системы жизни быстро выдыхаются, потому что генетические возможности в компьютерной модели не имеют открытого финала, но предопределены. В отличие от биологического мира, исход компьютерной эволюции заложен еще при ее программировании.

В науке предметы химии, биологии и информатики счастливо сошлись в моей дисциплине – геномике. Цифровые компьютеры, созданные ДНК-машинами (людьми), теперь научились читать зашифрованные в ДНК инструкции, анализировать их и писать, чтобы создавать новые разновидности ДНК-машин (синтетическую жизнь). Когда мы объявили о создании первой синтетической клетки, некоторые спрашивали нас, не «играем ли мы в Бога». В ограниченном смысле я полагаю, что играем – поскольку мы показали этим экспериментом, что для создания новой жизни Бог необязателен. Я считал, что созданием синтетической жизни из химикатов мы наконец-то раз и навсегда отправили на покой последние остатки виталистических представлений. Но, кажется, я недооценил, до какой степени современное научное мышление все еще пронизано виталистическими установками. Установка – это враг научного прогресса. Установка, что генетический материал – это белки, задержала открытие ДНК как носителя информации примерно на полвека.

В течение второй половины ХХ века мы пришли к пониманию, что ДНК и есть шрёдингеровская «кодированная запись», расшифровали ее сложный смысл и начали представлять, как именно она направляет жизненные процессы. Это эпическое приключение в понимании отметило рождение новой эры в науке – той науке, что лежит на стыке биологии и технологии.