В природе живые организмы вырастают такими большими по сравнению со своими генами потому, что процесс их роста принципиально отличается от процесса создания механизма человеком, и если бы механический конь действительно был построен, то по другой схеме. Процесс роста живого организма имеет одну особенность – экспоненциальный характер. Иначе говоря, живые организмы растут путем локального удвоения.
Наше развитие начинается с одной клетки, которая очень мала. Точнее, она ровно такого размера, который нужен содержащимся в этой клетке генам. Дело в том, что биохимические реакции, в которых участвуют продукты этих генов, эффективны только при таком размере. Ни одна область этой клетки не останется без их влияния, и в результате клетка приобретет все нужные свойства. Главное свойство клетки – это способность к делению на две дочерние клетки, более или менее похожие на нее саму. Каждая дочерняя клетка, став матерью, породит еще две такие же – и у первой будет уже четыре внучки. Каждая из четырех внучек произведет по две клетки – и вот их уже восемь, и так далее. Это и есть экспоненциальный рост, или локальное удвоение.
На тех, кто видит это впервые, экспоненциальный рост производит сильное впечатление. Как я и обещал, расскажу об этом важном явлении поподробнее. Можно привести массу наглядных примеров. Сложив лист бумаги пополам, вы получите два слоя. Снова сложите тот же лист пополам – будет четыре слоя. Еще раз сложите пополам – получите восемь слоев. Вам удастся повторить эту процедуру еще три раза – пачка в шестьдесят четыре слоя будет уже слишком плотной. Но допустим, жесткость заготовки вам не мешает, и вы продолжаете ее складывать – и сложите, скажем, пятьдесят раз. Насколько толстая получится пачка? Такая, что выйдет за границы земной атмосферы и даже за орбиту Марса.
Точно так же число клеток растущего организма, удваиваясь в каждой его точке, быстро достигает астрономических значений. Голубой кит состоит примерно из ста тысяч миллиардов (1017) клеток. Но при идеальных условиях благодаря высоким темпам экспоненциального роста этот великан вырастает всего за 57 клеточных генераций. Под клеточной генерацией я подразумеваю одно удвоение. Вспомним, что клеток может быть 1, 2, 4, 8, 16, 32 и так далее. Поэтому после шести клеточных делений образуется 32 клетки. И если умножать их на два и дальше, через каких‐нибудь 57 клеточных поколений получится уже сто тысяч миллиардов клеток – вот вам и голубой кит.
На самом деле такой способ подсчета поколений клеток в клеточных линиях дает лишь приблизительную картину, не отвечающую действительности. Ясно только, что с каждым делением количество клеток удваивается. В реальности многие клетки заканчивают формирование какого‐нибудь органа – например, печени – и выходят из игры еще на ранних стадиях. Другие клетки продолжают удваиваться. Поэтому у голубого кита клеточные родословные имеют разную протяженность в зависимости от того, в постройке какой части его организма они участвуют. Некоторые из них насчитывают и больше пятидесяти семи поколений. Другие останавливаются на предыдущих делениях. Особая разновидность клеток – стволовые клетки: они остаются в запасе, с тем чтобы штамповать себе подобных.
Можно примерно оценить минимальное число клеточных делений, которые потребуются, чтобы вырастить животное известного веса при идеальных условиях. Договоримся, что у крупных животных нет сильно отличающихся по величине клеток, в основном у них такие же клетки, как и у мелких животных. Простой расчет показывает, что взрослого человека можно вырастить самое малое за 47 удвоений числа клеток, то есть всего лишь на 10 меньше, чем нужно, чтобы вырастить голубого кита. Как я уже говорил, это довольно приблизительные оценки. Верно тем не менее то, что интенсивность экспоненциального роста чрезвычайно высока, и незначительное изменение числа делений в клеточной линии приводит к резкому изменению масштаба образовавшегося множества клеток. Иногда в подобных изменениях повинны мутации.
Строительство таких колоссальных организмов – колоссальных по меркам их строителей, ДНК, и пассажиров, – это, можно сказать, гигатехнологии. Продукт гигатехнологии в миллиарды раз крупнее нас самих. Наши инженеры пока не имеют опыта в этой области технологического искусства. Даже океанские лайнеры – самые большие транспортные средства, построенные людьми, – не такие уж большие по сравнению с человеком, и мы легко обойдем все судно за считанные минуты. При строительстве кораблей мы не используем преимущества экспоненциального роста. Все очень просто – рабочие лазают по конструкциям и свинчивают или сваривают сотни заранее изготовленных стальных деталей.
ДНК, которая строит своего робота, чтобы в нем путешествовать, использует принцип экспоненциального роста. Экспоненциальный рост – мощный инструмент, которым пользуются гены, прошедшие естественный отбор. Малейший сбой в контроле на одной стадии эмбрионального развития может разительно изменить конечный результат. Если мутация вызывает одно дополнительное деление в одной из клеточных линий – допустим, делений будет не двадцать четыре, а двадцать пять, – это равносильно увеличению размеров какой‐то части тела вдвое. Тот же фокус – изменение числа клеточных делений или скорости деления клеток в процессе развития эмбриона – может привести к изменению формы той или иной части организма. Подбородок современного человека выдается вперед по сравнению с подбородком Homo erectus, человека прямоходящего, нашего не такого уж древнего предка. Чтобы придать подбородку новую форму, понадобилось всего‐то слегка поменять количество клеточных делений в отдельных зонах черепа эмбриона.
Примечательно, что деление в клеточных линиях прекращается на нужной стадии, благодаря чему мы сложены пропорционально. Бывают, конечно, печальные ситуации, когда клетки так и делятся, не останавливаясь у предполагаемого финиша. Тогда получается рак. Рэндольф Нессе и Джордж Уильямс в своей замечательной книге, которую сами они метко назвали “Дарвинистская медицина”, хотя позже издатели перегрузили ее обложку целым каскадом невнятных заголовков, высказали мудрое замечание касательно рака. Мы гадаем, почему вдруг возникают раковые опухоли, хотя следовало бы удивляться тому, что они возникают не у всех и не всегда.
Кто знает, попытаются ли люди когда‐нибудь воспользоваться гигатехнологиями? Впрочем, о нанотехнологиях уже заговорили. Гига – значит миллиард, а нано – одна миллиардная. Нанотехнология – это создание того, что в миллиард раз меньше создателя.
Уже сейчас кое‐кто – вовсе не апологеты философии Новой эры и не сектанты – убежден в том, что близятся времена, когда сюжет рисунка 9.5 станет реальностью. В таком случае практически все сферы нашей жизни подвергнутся кардинальным переменам. Взять хотя бы медицину. Нынешние хирурги – настоящие виртуозы, они безупречно выполняют филигранную работу. Они могут удалить помутневший из‐за катаракты хрусталик и вставить на его место искусственный – это высочайший уровень мастерства. Врачи вооружены самыми точными инструментами. Однако в масштабе нанотехнологии их инструменты чудовищно грубые. Вот что говорит о современных скальпелях и шовных материалах американский ученый Эрик Дрекслер, гуру нанотехнологии.
Рис. 9.5. Фантазия на тему нанотехнологий. Роботов командировали лечить поврежденные эритроциты.
Когда речь идет о капиллярах, клетках и молекулах, современные скальпели и шовные материалы – варварские орудия. Подумайте, как выглядит “тонкая” хирургическая операция в масштабе клетки: огромный нож рассекает плоть, круша все подряд, врубаясь в молекулярную структуру клеточной массы и оставляя за собой тысячи трупов. Потом, чтобы вновь собрать воедино разрозненную “толпу”, в нее внедряется гигантский шип, за которым тянется канат толщиной с цистерну товарного поезда. Самая деликатная хирургическая операция, мастерски проведенная с помощью самых совершенных инструментов, с точки зрения клетки – работа мясника. Заживление возможно лишь благодаря способности клеток отторгать мертвые клетки, перегруппировываться и приумножаться.
Как вы понимаете, “гигантский шип” – это тонкая хирургическая игла, а канат толщиной с цистерну – легчайшая хирургическая нить. Нанотехнологии дают нам надежду изготовить такие хирургические инструменты, которые будут сравнимы по размерам с клеткой. Руки хирурга не смогут удержать столь миниатюрные скальпели и иглы. Если на уровне клетки толщина нити примерно равна диаметру цистерны, то какие же должны быть пальцы хирурга! Тут придется задействовать автоматы, микроскопических роботов, примерно таких, о которых мы говорили ранее в этой главе.
Такой малютка может оказаться гениальным мастером по ремонту, например, пораженных болезнью эритроцитов. Однако ему придется “обследовать” несметное их множество, ведь у каждого из нас около 30 миллионов эритроцитов. Как же нанотехнологичный гномик с этим справится? Ответ должен быть у вас наготове: с помощью экспоненциального размножения. Есть мнение, что нанотехнологичный робот применит те же методы самоумножения, что и клетки крови. Он будет клонировать сам себя, воспроизводиться. Точно так же, как эритроциты приумножают свою армию до миллионов, благодаря преимуществам экспоненциального роста численность популяции роботов могла бы достигнуть того же порядка[30].
Нанотехнологии – дело будущего, и может, оно кончится ничем. Полагая, что игра стоит свеч, ученые руководствуются следующими соображениями. Им известно, что в наших клетках происходит нечто подобное, хотя для нас это странно и непостижимо. ДНК и молекулы белков действительно функционируют в мире, который, создай его мы, получил бы статус нанотехнологичного. Вводя вам иммуноглобулины, чтобы вы не заболели гепатитом, врач как бы внедряет в ваши кровяные сосуды натуральные нанотехнологичные инструменты. Каждая молекула иммуноглобулина – это сложно устроенная структура, как и все белки, выполняющая свою задачу благодаря свойственной ей форме (рис. 9.6). Эти маленькие медицинские инструменты делают свое дело только потому, что их миллионы. Они размножились – клонировались – методом экспоненциа