смысла, а не составление описи множества составляющих. Я мог бы, к примеру, представить вам список и частоту встречаемости всех слов в этой книге. 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»[6] 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.