Развитие разума, о котором мы поговорим в последней главе, и развитие иммунной системы, которое мы только что обсудили, – важнейшие события, связанные с развитием, которые происходят после рождения. Так и должно быть, ведь они связаны со взаимодействием новорожденного с непредсказуемой средой. Продолжительность их развития еще раз говорит о том, что развитие человека ни в коем случае не заканчивается рождением. И разум, и иммунная система продолжают развиваться всю жизнь, откликаясь на жизненный опыт. По мере развития организм также должен оберегать себя от повреждений и ежедневного износа. Об этом «техобслуживании» и его связи с эмбриональным развитием мы сейчас и поговорим.
Глава 18Текущий ремонт
– Есть два типа женщин: с малыми запросами и с большими.
– К какому же типу принадлежу я?
– К самому худшему. Запросы у тебя большие, а ты думаешь, что маленькие.
Учителя биологии любят играть со своими учениками в одну игру: они просят их дать определение жизни, придумать простой критерий того, является ли тот или иной объект живым или нет. В нее можно играть на всех ступенях обучения от начальной школы до аспирантуры и далее, и каждый раз этот вопрос порождает очень похожие споры (основная разница заключается в том, что аспиранты используют много умных слов, считая, что они придают их доводам убедительности).
Даже ученики начальной школы быстро отбрасывают такие ложные критерии, как способность двигаться, указывая на неподвижные живые организмы, например кораллы, и подвижные неживые объекты, например капли дождя. Нетрудно понять и ложность такого критерия, как реакция на стимулы: живые грибы не реагируют на прикосновение, а неживые мышеловки очень даже реагируют. Нередко определяющей характеристикой жизни называют способность к размножению. Об этом можно прочитать даже в учебниках биологии, хотя, казалось бы, их авторы должны были бы разобраться, что к чему. Несостоятельность этой идеи очевидна: если довести ее до логического завершения, то придется отнести к неживой природе красные кровяные клетки, мулов, рабочих муравьев и женщин после менопаузы. Более продвинутые студенты предлагают в качестве критерия способность к самоорганизации, но и это не панацея: некоторые неживые объекты, такие как кристаллы, ячейки конвекции, а также волновые структуры некоторых химических реакций (например, реакции Белоусова – Жаботинского[331]), проявляют по крайней мере некоторые признаки самоорганизации.
Тем не менее одна универсальная особенность живого мира все-таки есть. Это способность живых организмов использовать полученную извне энергию для поддержания и обновления организма. В такой форме этот критерий предложил Пьер Луиджи Луизи,[332] который основывался на более ранних формулировках Александра Опарина и Жака Моно (все эти ученые внесли огромный вклад в наше понимание феномена возникновения жизни). Необходимость в обновлении отчасти связана со случайными внешними повреждениями, которым подвержены все организмы, а отчасти – с непрочностью, по природе свойственной материалам нашего тела. Эта непрочность выражается в том, что, даже когда тело не подвергается ударам, укусам, ссадинам или ожогам, его молекулы лишь недолго выживают в химическом «котле» клетки и должны часто заменяться. Такая непрочность свойственна и рукотворным объектам, отдельные части которых приходится многократно заменять в течение срока службы. Разница в том, что такие объекты не способны сами создавать и встраивать в себя новые компоненты. Если в машине надо заменить тормозные колодки, мне нужно заказать их у поставщика и установить вручную. К сожалению, если я просто занесу необходимые материалы или новые колодки в гараж, моя машина не сможет сама заменить изношенные части, пока я буду заниматься своим делом. Эта способность к самоподдержанию и обновлению и представляет собой абсолютную разницу между живыми существами и неживыми машинами, как мы понимаем ее сегодня. Возможно, это различие будет валидно, даже если в один прекрасный день нам удастся построить самонастраивающуюся и самоподдерживающуюся машину, так как такую машину будет вполне резонно считать живым организмом.
Таким образом, конструирование тела, о котором шла речь в этой книге, – лишь прелюдия к его долгому самоподдержанию. Поскольку в ходе самоподдержания приходится опять делать те же самые вещи, которые были сделаны в ходе развития, естественно задать вопрос: повторяют ли механизмы «ремонта» механизмы развития или же в корне отличаются от них? Этот вопрос имеет далеко не только теоретический интерес. Четкий ответ на него важен, если мы хотим улучшить нашу способность восстанавливать наши тела или даже попробовать полностью победить старение.
Заменить изношенные компоненты машин можно практически в любом размерном масштабе. Иногда мелкие компоненты можно заменить по отдельности, а в других случаях приходится менять большую часть, содержащую сотни мелких компонентов. В моем стареньком «лендровере» мне приходилось менять как мелкие детали, например стопорные шайбы, так и многокомпонентные модули, такие как генератор и мотор вентилятора. Если у него по-прежнему будет в самый неподходящий момент вылетать третья передача, мне, вероятно, придется заменить всю коробку передач, состоящую из многих сотен деталей, потому что это гораздо проще, чем разбирать ее и чинить один испорченный вал. При этом новая коробка передач будет абсолютно такой же, как та, что была поставлена на автомобиль при сборке.
В организме млекопитающих замены многокомпонентных модулей не происходит. Поврежденные белки в клетках и поврежденные клетки в тканях замещаются белками и клетками, но это аналогично замене отдельных деталей машины. Ткани и органы никогда не заменяются целиком (разве что в дело вмешается хирург-трансплантолог). Вместо этого в них постоянно идет текущий ремонт. Это объясняется тремя основными причинами. Во-первых, многие органы возникают на эмбриональной стадии развития из тканей, которых в организме взрослого человека уже нет. Примерами структур, существующих лишь краткое время в жизни эмбриона, являются энтодермальная выстилка желточного мешка, из которого формируется кишечник, и сомиты, из которых развиваются позвонки, мышцы и внутренняя часть кожи. Создать новые версии таких органов и тканей невозможно просто потому, что структур, из которых они образовались, у взрослых организмов нет. Во-вторых, многие активно изнашивающиеся части тела, например верхние слои кожи и выстилка кишечника, существуют около недели, а затем заменяются. На этапе эмбрионального развития на их создание уходит гораздо больше времени, и взрослый организм просто не успел бы заменить старый орган новым. В-третьих, полная замена органов в сложившемся организме, с его многочисленными плотно упакованными частями, представляла бы непреодолимую геометрическую и логистическую трудность. Поэтому «ремонт» должен опираться на механизмы, в корне отличные от механизмов эмбрионального развития.
В принципе можно представить себе простой способ замены изношенных клеток – это пролиферации идентичных им соседних клеток. Назовем это «заменой равных равными». Такая замена может быть связана с определенными трудностями, например, клеткам, чтобы делиться, придется «впасть в детство», то есть отказаться от сложной формы и особого метаболизма, характерных для зрелого состояния. Тем не менее эти трудности, вероятно, преодолимы. В конце концов, клетке нужно всего лишь заменить себе подобную, и сложные механизмы дифференцировки, характерные для эмбрионального развития, ей не понадобятся. Все, что нужно, – это механизм, с помощью которого клетки могли бы понять, что соседние клетки нуждаются в замене.
При всей внешней простоте поддержание организма только за счет «замены равных равными» привело бы к серьезными проблемам у долгоживущих животных. Многие клетки находятся в агрессивной среде, где постоянно подвергаются воздействию повреждающих агентов. Слизистая кишечника, например, контактирует с желудочным соком, созданным специально для переваривания клеточных компонентов, а наружные слои кожи подвержены воздействию сухого воздуха, ультрафиолетового излучения, ветра и бактерий. Все клетки в органах, по сути, находятся «в одной лодке», и если вредное воздействие достигает такого уровня, что клетка умирает, то велика вероятность того, что и соседняя клетка сильно повреждена. После смены нескольких поколений отмерших клеток за счет пролиферации поврежденных «соседей» здоровой ткани останется немного.
Есть два способа, с помощью которых животное может справиться с этой проблемой, не отказываясь от идеи «замены равных равными». Один способ – это жить недолго и избегать вредных воздействий. Не исключено, что многие мелкие животные взяли на вооружение именно эту стратегию (хотя, насколько мне известно, вопрос о том, используют ли они только метод «замены равных равными», остается открытым). Второй способ – вложить много затрат в контроль за повреждениями и ремонтные механизмы в клетках. Такие механизмы, безусловно, существуют. Есть набор ферментов и других белков, которые могут обнаружить повреждения ДНК и восстановить ее; есть мембранные насосы, которые могут выводить небольшие количества токсинов из клеток; есть разрушающие белки ферменты, которые быстро разрушают клеточные белки, чтобы их можно было тут же заменить новыми. Если клетка вложит много энергии и ресурсов в эти системы, она останется здоровой в агрессивной среде, и «замена равными равных» будет более реальна. Проблема в том, что такие вложения потребуют слишком значительных (пищевых) ресурсов и могут оказаться не по средствам организму. И даже если ресурсов хватит, такие затраты на клеточную защиту, скорее всего, приведут к непозволительному снижению ресурсов, которые животное сможет направить на рост и развитие.