Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - Партасарати Рагувир
Наш последний биофизический мотив – масштабирование, или идея о том, что физические силы в зависимости от размеров и форм определяют, какой вид могут принимать растущие и эволюционирующие организмы. Когда речь идет об искусственных структурах, связь между размером, формой и физикой очевидна. Например, строить высокие здания очень трудно. До появления стальных каркасов и других современных технологий попытка замахнуться на большую высоту или огромный внутренний простор грозила риском обрушения здания, поскольку его масса могла превысить несущую способность стен. Нельзя просто увеличить масштабы маленького здания, сохранив его пропорции. Говоря современным языком, гравитация и другие силы по-разному масштабируются в зависимости от размера (см. главу 10), и нам необходимо учитывать это при проектировании зданий. Подобным же образом принцип масштабирования проявляется в размерах и формах животных, не ограничиваясь, однако, рамками механической проблематики. Масштабирование проливает свет на самые разные особенности живых организмов, от возникновения легких до, вероятно, скорости нашего обмена веществ.
В последующих главах мы выясним, что эти четыре концепции не изолированы, а взаимодополняемы и в чем-то даже взаимозависимы. Точность биологических регуляторных цепей часто зависит от статистики случайного движения. Случайное движение меняет положение биологических компонентов, способствуя их самосборке. Самосборка в крупные структуры подчиняется законам масштабирования. Все вместе эти процессы и принципы формируют объяснительный аппарат биофизики.
Зная, как устроена жизнь, мы можем влиять на нее. Это, конечно, не новость. Изучив среди прочего иммунную систему и поведение микроорганизмов, мы одолели множество болезней, в прошлом терзавших человечество. Так, за один лишь XX век оспа унесла больше 300 миллионов жизней, но теперь исчезла благодаря вакцинации5. Накопленные знания в сферах генетики, биохимии и множестве других позволяют нам добиваться от растений и животных производства продовольствия для семи с лишним миллиардов человек, хотя всего веком ранее людей на планете было в четыре раза меньше. В последние годы мы научились вносить фундаментальные изменения в организмы, напрямую считывая их геномную информацию и переписывая ее с целью коррекции форм и функций. Как мы увидим, эти прорывы не случились бы, не подойди мы всерьез к изучению жизни через призму биофизики. Признав осязаемую, физическую природу ДНК и других молекул, мы сумели разработать инструменты, которые в буквальном смысле проталкивают, вытягивают, разрезают и сшивают фрагменты жизни.
Биофизический ракурс также помогает нам осмыслить последствия применения новых биотехнологий и трудные решения, которые они вынуждают нас принимать. При появлении у нас в руках, например, биоинженерных методов уничтожения комаров, которые разносят малярию, лихорадку денге и другие болезни, мы вспомним одновременно и печальный опыт спровоцированного человеком вымирания биологических видов, и вдохновляющие истории прошлых побед над болезнями. Чтобы решить, применять ли эти методы, нужно понимать, как они работают и чем отличаются от инструментов, использованных в прошлом. На уровне частной жизни способность читать собственный геном позволяет нам прогнозировать вероятность развития тех или иных заболеваний у нас и у наших детей, а развивающиеся сейчас технологии геномного редактирования дарят нам возможность менять эту вероятность. К чему приведет корректировка зародышевого генома в попытке избавить будущего ребенка от муковисцидоза, рака или депрессии? Решение, делать ли это, глубоко личное, но вместе с тем оно влечет за собой серьезные этические и социальные последствия. Такие решения могут – и должны – подкрепляться достаточными знаниями о генах, геномах, клетках, организмах и процессах, которые определяют их взаимодействие. Ниже мы увидим, что физическая природа компонентов жизни и основополагающие вопросы, связанные со случайностью и неопределенностью, влияют на то, что мы можем и не можем делать с нашими новыми технологиями.
В ходе освоения биофизических тем мы столкнемся со множеством примеров из разных сфер жизни. Мы рассмотрим принципы нормальной работы организмов, включая наш собственный, а также сбои, связанные с болезнью, и точки пересечения биологии с технологиями. В первой части («Ингредиенты жизни») наше путешествие начнется внутри клеток. Мы опишем, в частности, ДНК и белки – вещества в определенном смысле универсальные, поскольку на их основе организованы все известные нам живые существа. Молекулярных персонажей первой части этой истории вы наверняка встречали в школьном курсе биологии, но мы сосредоточимся на физических характеристиках, которые определяют их функции. Мы познакомимся с жесткими нитями ДНК, двумерными жидкостями, определяющими границы клеток, и трехмерными скульптурами из одной молекулы. Во второй части («Жизнь во всей полноте») мы расширим горизонты и рассмотрим сообщества клеток, включая эмбрионы, органы и популяции бактерий, живущих внутри каждого из нас. А еще, усвоив закономерности масштабирования, которые определяют форму животных и растений, мы выясним, почему слону никогда не стать таким же атлетичным, как антилопа. В третьей части («Конструирование организмов») мы вернемся к микромиру ДНК, но теперь, лучше разобравшись во взаимосвязи молекул и организмов, обратим внимание на геном в целом. Мы выясним, что значит читать, писать и редактировать ДНК, а также узнаем, как сама природа указала нам на подходящие для этого инструменты и какие возможности и проблемы сами эти технологии сулят.
Сколь бы интересными ни были эти темы и примеры, общий эффект от знакомства с ними оказывается куда сильнее: единое больше, чем сумма частей. Биофизика преображает наш взгляд на мир. В концовке «Происхождения видов» Дарвин пишет:
Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм [4].
Я надеюсь убедить вас, что Природа еще величественнее и мудрее, чем полагал Дарвин. Неизменные и точные законы физики вовсе не контрастируют с появлением бесконечного числа прекрасных форм, а неразрывно связаны с ним. Мы можем сказать, что важнейшим «простым началом» стало не зарождение жизни и не формирование нашей планеты, а возникновение физических законов, характеризующих нашу Вселенную. Эти законы не перестали влиять на жизнь миллиарды лет назад, а вылепили и продолжают лепить все «изумительные формы» вокруг и внутри нас. Отыскав простоту в сложности и прочертив связи между разнообразными явлениями жизни и универсальными принципами физики, мы лучше поймем себя, других существ и в целом мир, в котором обитаем. Надеюсь, вы согласитесь с этим.
Часть I. Ингредиенты жизни
Глава 1. ДНК: код и спираль
В Национальной портретной галерее в Лондоне висит бежевая пластинка агаризованной питательной среды, поросшей бактериальными колониями1. В этих бактериях содержатся копии ДНК нобелевского лауреата Джона Салстона [5]. И хотя друзья Салстона, вероятно, не уловили бы здесь портретного сходства с моделью, художник Марк Куинн отмечает, что именно эта работа – «самый реалистичный портрет в портретной галерее», поскольку «содержит подлинные инструкции, которые привели к созданию Джона»2.
Сегодня даже малым детям объясняют, что ДНК каким-то образом делает вас вами, определяя цвет глаз, форму носа, вашу любовь к кориандру и многое другое. Мы привыкли к мысли, что в ДНК закодированы инструкции, которые управляют нами. Но что же означает это слово – «закодированы»?
