Испокон веков человечество пытается открыть законы, которые объясняли бы жизнь во всей ее сложности. Например, в средневековой Европе и исламском мире бытовало мнение, что у каждого вида на суше есть аналог в море, поскольку Творец создал «коня и морского конька, собаку и морскую собачку, змею и угря», как отметил Т. Х. Уайт в предисловии к бестиарию, составленному в XII веке¹. Это представление не выдержало проверки временем – не было у него ни описательной точности, ни предсказательной силы, – но нам вполне понятна заключенная в нем надежда на то, что живым миром правит простая симметрия. Биология часто кажется какофонией – красивой, но непостижимой в своем головокружительном многообразии. Эволюция, конечно, дает нам объединяющую основу, но скорее проливает свет на процессы формообразования, сильно превышающие по длительности нашу индивидуальную жизнь, чем объясняет связи между формой и функцией.

За последние десятилетия, однако, мы сильно продвинулись в понимании глубинных принципов биологической организации, включая самосборку, случайность, регуляторные сети и масштабирование. Это физические основы жизнедеятельности всех живых существ. Их концептуальные схемы объединяют микроскопический и макроскопический миры, связывая структуру и динамику молекул с работой клеток, тканей и организмов в целом. Мы можем и дальше увеличивать масштаб: сообщества видов и целые экосистемы тоже подчиняются подобным законам². Так, математика роста популяций и превратности поиска пищи, как правило, демонстрируют хаотическую динамику с беспорядочными на вид показателями, отражающими случайность в микроскопическом мире. Конкуренция и кооперация приводят к появлению самоорганизующихся сетей взаимодействий, которые определяют размер популяций. Площадь и достаток, как мы вскользь отметили в главе 12, могут подчиняться общим закономерностям масштабирования. Мы прежде фокусировались в основном на масштабах от молекулярного до организменного – что, впрочем, вполне оправдано несметным количеством загадок, которые они в себе таят.

Знание биофизических принципов позволяет нам не только глубже понимать жизнь, но и перестраивать ее. Мы рассмотрели несколько примеров того, как постижение работы физических механизмов пересекается с вопросами здоровья и болезни – от поведения патогенных микробов до механики органов и прогнозирования рисков на основе секвенирования ДНК. В следующих разделах мы бросим взгляд на недавние примеры наших модификаций самих себя и окружающей нас среды, порождающие еще более пронзительные этико-социальные дискуссии. Хоть это и не центральная тема в нашем описании устройства жизни, было бы обидным упущением оставить столь проблемные вопросы за кадром. Кроме того, я полагаю, что выработанное биофизическое видение вещей поможет нам разобраться в сложных вопросах на стыке науки и этики, выявляя возможное и невозможное в мире технологий, которые популярные источники склонны описывать либо расплывчато, либо в сенсационном тоне.

У нас появляется все больше биотехнологических инструментов и примеров их применения. Хочется завершить разговор о них обзором того, что может ждать нас в будущем: воскрешение мастодонтов и мамонтов, прекращение потребления мяса животного происхождения, разработка лекарств от каждой болезни, рукотворные эпидемии, утопия или антиутопия создания «дизайнерских детей». Этот список, впрочем, бесконечен, а предсказывать будущее ой как нелегко. Затронем лучше более широкие темы, которые, надеюсь, будут полезны, куда бы ни привело нас будущее. В заключение копнем поглубже, как биофизическое понимание может раскрывать нам чудеса жизни, и выясним заодно, что означает это «понимание».

Что значит отредактировать эмбрион?

Самые эффектные из новых инструментов – те, что позволяют редактировать геном. В прошлой главе мы упоминали основанные на CRISRP/Cas9 и родственных технологиях методы лечения, которые обещают нам избавление от тяжелых болезней, не поддающихся традиционной терапии. Из главы 14 мы узнали, что чтение ДНК эмбрионов позволяет нам прогнозировать будущие характеристики человека. Не требуется богатого воображения, чтобы скомбинировать оба подхода в редактирование эмбрионального генома. Доставка CRISPR/Cas9 в единственную оплодотворенную яйцеклетку преобразует ген-мишень, и это изменение исправно копируется при каждом клеточном делении. В итоге оно обосновывается не только во всех клетках взрослого организма, но и передается его потомкам, затем их потомкам и так далее. Редактирование эмбрионов успешно продемонстрировали на примере мышей и данио-рерио в 2013 году и обезьян в 2014-м³. Последний вариант преподнесли как способ воссоздания человеческих болезней в подобном животном, помогающий разработке методов их лечения. Прочитав предыдущие главы, вы не удивитесь, что та же техника подходит и для человеческих эмбрионов: базовые механизмы жизнеобеспечения у людей и прочих животных почти идентичны – похожи настолько, насколько наши средневековые предки и помыслить не могли.

Но другой вопрос, сто́ит ли редактировать человеческий эмбрион. Сейчас господствует мнение, что делать этого не следует, по крайней мере с эмбрионами, подлежащими имплантации для обеспечения полноценной беременности. В десятках стран, включая США, такие процедуры незаконны. Настороженность в их отношении объясняется этическими соображениями, упомянутыми в главе 14, и усугубляется тем, что, в отличие от «жонглирования» уже существующими, природными вариациями, CRISPR/Cas9 способна вносить в геном поистине новые, оригинальные изменения. Кроме того, еще не отработаны способы борьбы с возможными осложнениями – например, с нецелевой модификацией. Хотя технология эта и многообещающая, мало кто назвал бы ее окончательно прирученной. Именно поэтому большинство ученых, специалистов по этике и политиков полагает, что время для редактирования генома человеческих эмбрионов еще не пришло. Не все, однако, с этим согласны.

В ноябре 2018 года китайский ученый Хэ Цзянькуй шокировал мир, объявив, что его команда применила CRISPR/Cas9 для создания первых в истории детей, девочек-близнецов, с отредактированным геномом⁴. Со всех концов света на Хэ полилось осуждение. Китайские власти поспешили закрыть его лабораторию и объявили проделанную в ней работу «исключительно чудовищной по своей природе»⁵. Можно было бы представить готовность отредактировать человеческий эмбрион в случае неотвратимой опасности – например, гарантированного развития смертельного генетического заболевания, – но в эксперименте Хэ дело обстояло иначе. Изменения выводили из строя уже знакомый нам ген CCR5, отключение которого снижает вероятность заразиться ВИЧ. Выбор такой мишени озадачивает. Отец девочек ВИЧ-положителен, но передача вируса от отца ребенку крайне маловероятна. Заявленная цель состояла в том, чтобы снизить риск ВИЧ-инфекции в течение всей жизни детей, но на то есть множество эффективных стандартных способов профилактики. Более того, CCR5 не бесполезен. Есть веские свидетельства, что он помогает людям противостоять другим вирусам, таким как вирусы гриппа и лихорадки Западного Нила. Значит, его повреждение может быть не таким уж и безобидным. Но даже если бы цель была более обоснованной, а потенциальные выгоды перевешивали риски, не следовало проводить процедуру, должным образом не проинформировав заинтересованных лиц – в частности, родителей – о ее сути и возможных последствиях. Это условие составляет важный этический принцип информированного согласия, который был нарушен в эксперименте Хэ. Родителям девочек сообщили минимум информации, которая к тому же вводила в заблуждение, а документы по этической экспертизе оказались подделкой. В 2019 году Хэ приговорили к трем годам тюрьмы[71].

Можно представить и альтернативный сценарий, в котором первое прямое изменение генома человеческого эмбриона произошло бы после прозрачной процедуры принятия решения, а мишенью стала бы очевидно вредоносная мутация вроде вызывающих мышечную дистрофию или муковисцидоз. Но в реальности все случилось иначе, и, несмотря на технический успех, эпизод с CCR5, скорее всего, омрачит репутацию биотехнологий на базе CRISPR. На стыке науки и человеческой драмы часто царит беспорядок.

Для достижения целей этой книги, однако, важнее то, как произошедшее подчеркивает значимость образования в наши времена. Что значит «информированное согласие» в эпоху секвенирования генома и редактирования генов? Чтобы осознанно участвовать в любой передовой биотехнологической процедуре, необходимо иметь хоть какое-то представление о природе и регуляции генов, о вероятностях и вариациях, а также о том, как все это вносит вклад в здоровье и болезнь. Несложно вообразить, как без должного понимания до фантастических высот взлетают ожидания, или любые генетические технологии автоматически отвергаются, или же пациенты просто подчиняются воле врачей либо государства. Просвещать людей ничуть не проще, чем решать технические задачи по выращиванию органов на чипе или переписыванию геномов иммуноцитов. Но примеры достижения цели уже есть. В частности, микробная теория болезней проникла в глубины нашего сознания, и сегодня почти все человечество на базовом механистическом уровне понимает, что микробы существуют, размножаются, могут заражать других существ и вызывать болезни. Как я отмечал в главе 14, теперь мало кого ужасает мысль об искусственном оплодотворении: понимание механики зачатия тоже стало общим местом. Такая же осведомленность может – и должна – сопровождать более свежие прорывы на пути проникновения в суть жизни.

Неестественный мир

Модификация растений – вопрос спорный. Ведь это же неестественно. Мы уже познакомились с рисом и томатами, теперь давайте посмотрим на морковь, а точнее на «мини-морковь», которую вы наверняка встречали в магазине. Это маленькая, гладкая, пожалуй, даже очаровательная морковка, на долю которой приходится около 70 % продаж моркови в США. Можно подумать, что это просто молодая морковь, или, как следует из названия, миниатюрная разновидность обычной моркови, примерно как пони – миниатюрная разновидность лошади. Но ни то ни другое не верно. На самом деле это кривая и морщинистая морковь обычного размера, из которой на специальных аппаратах вытачивают маленькие конусы. Оставшуюся стружку при этом выбрасывают⁶. Здесь мы могли бы вооружиться провокационным термином и назвать мини-морковь неестественной. Если бы кто-то решил с помощью биоинженерии создать реально миниатюрную морковь, закладывая в ее геном нужные размеры, форму и очарование, она тоже была бы неестественной. А мы могли бы ломать головы над вопросом, какой из типов неестественности более приемлем и почему.

Существование мини-моркови приводит нас к более широкому утверждению: наш мир пребывает далеко не в таком первозданном состоянии, как считают многие. Взять, к примеру, азот, обязательный компонент многих ключевых молекул жизни, в том числе белков и ДНК. Азота в природе много: в виде газа он составляет около 78 % атмосферы. Однако в такой форме он недоступен растениям и животным – ни один из этих организмов не способен усваивать азот из воздуха. Зато с этим справляются некоторые бактерии – особенно в симбиозе с растениями из специфических семейств: микробы создают азот-содержащие химические вещества – предшественники молекул, которые служат растению строительными материалами, а после его смерти удобряют почву, снабжая азотом другие растения и, следовательно, растительноядных животных. Процесс этот медленный, и недостаток азота часто становится причиной низкой продуктивности сельскохозяйственных угодий. В начале XX века немецкие химики Фриц Габер[72] и Карл Бош разработали искусственный процесс извлечения азота из воздуха и заложили фундамент для производства азотных удобрений. Это открытие оказало колоссальное влияние на производство продуктов питания и нашу цивилизацию в целом⁷. Процесс Габера – Боша стал главным независимым фактором взрывного роста численности населения Земли, и без него, по оценкам ученых, половины людей на планете просто не было бы. (Сейчас нас чуть меньше 8 миллиардов; в 1900 году землян было в районе 1,6 миллиарда.) Как ни удивительно, целых 50 % атомов азота в составе нитей ДНК, аминокислотных цепочек и других компонентов вашего тела получены благодаря процессу Габера – Боша, а не естественной бактериальной активности.

Неестественные процессы оставляют следы не только в виде набора атомов в наших телах. Около 40 % суши на нашей планете используется для ведения сельского хозяйства, и эта доля будет еще выше, если исключить из знаменателя, то есть из общей площади, бесплодные пространства вроде Сахары и Антарктики⁸. Атмосфера тоже изменяется: в последние 10 тысяч лет концентрация углекислого газа в ней колебалась в диапазоне от 250 до 280 частей на миллион. Теперь, благодаря интенсивному сжиганию ископаемого топлива, она превышает 400 частей на миллион. В соответствии с хорошо изученными законами теплового излучения, повышение содержания углекислого газа ведет к общему повышению температуры на Земле.

Следовательно, мы живем на планете, где человеческая деятельность не просто вносит незначительные возмущения в установленный порядок вещей, а выступает главным фактором динамики глобальных систем. Многие из нас уверены, что природу нужно сохранять и что восхитительное разнообразие видов и ландшафтов не только полезно, но и ценно само по себе. На мой взгляд, сдерживая свою «неестественную» деятельность, мы, как ни странно, служим плохую службу делу сохранения природы. Говоря откровенно, этот поезд ушел. Например, отказ от химических удобрений и пестицидов без замены их новыми технологиями приведет к тому, что для ведения сельского хозяйства нам потребуется почти в четыре раза больше земельных площадей. А их просто не существует. Численность населения Земли продолжает расти, и вместе с ней растет нагрузка на неосвоенные территории и дикую природу. Биоинженерия культур, направленная на повышение их продуктивности, могла бы сократить наш аграрный след, что вряд ли достижимо любыми другими средствами.

Инженерия экосистем

Если наращивание оборотов в манипулировании живым миром кажется вам рискованным, вы правы, так оно и есть. История снабжает нас наглядными примерами провальных вмешательств в экосистемы. Взять хотя бы знаменитых тростниковых жаб (жаб-ага). Сотню лет назад посадки сахарного тростника в Австралии атаковали жуки. В других частях света жуков и прочих вредителей поедали тростниковые жабы. Так почему бы не завезти этих прожорливых амфибий из Центральной и Южной Америки в Австралию? И вот в 1930-х жаб интродуцировали в Австралию для защиты плантаций сахарного тростника. План обернулся катастрофой. Жабы-переселенцы на радостях бросились размножаться, и теперь примерно 200 миллионов особей занимают территорию площадью почти 500 тысяч квадратных километров. К тростниковым жукам они проявили обидное равнодушие, зато по вкусу им пришлись другие местные насекомые, лягушки, яйца птиц и многое другое. Своим ядом жабы убивали многих хищников, которые могли бы контролировать их численность, а также домашних животных. В итоге тростниковые жабы, не принеся ни капли пользы, превратились в злостных вредителей, разоряющих традиционные среды обитания на континенте⁹. И по-прежнему неясно, что с ними делать.

Не все планы реализуются успешно, но есть надежда, что мы будем учиться на ошибках прошлого, разрабатывать более удачные тесты и эксперименты и искать разнообразные инструменты. В предыдущей главе мы рассматривали применение CRISPR/Cas9 для модификации клеток и отдельных организмов. Здесь в качестве последней биотехнологической иллюстрации поговорим о том, как CRISPR/Cas9 может изменять и даже уничтожать целые виды с помощью технологии генного драйва¹⁰. Применять ли ее – вопрос сложный, в чем мы скоро убедимся.

Представьте признак, задаваемый единственным геном: пусть, например, его самый распространенный вариант придает насекомым серый цвет, а особая мутация – черный. (Или, предвосхищая сценарий применения, описанный ниже, пусть мутация приводит к стерильности комаров, если затрагивает обе копии гена в их геноме.) Допустим, мутация есть лишь у одного представителя вида. Когда он спарится с обычной, немутантной по этому гену, особью, случайная рекомбинация генов приведет к тому, что мутация в составе сперматозоида или яйцеклетки передастся следующему поколению с вероятностью 50 %. Поэтому, если черный цвет не дает никаких преимуществ, эта мутация вряд ли распространится в популяции. (Я проиллюстрировал эту ситуацию для пар, которые всегда дают двух потомков, на схеме, не учитывающей случайность наследования.)

Теперь представьте, что в геном черной особи рядом с мутантным участком встроили и детерминанты системы CRISPR/Cas9, мишенью которой служит «нормальная» (серая) форма гена. Если модифицированная ДНК встречается с немодифицированным геномом – при спаривании с неотредактированным партнером, – Cas9 разрезает ген серого пигмента. Как мы знаем, клетки ремонтируют разрывы ДНК и часто используют в качестве шаблона эквивалентные участки парной хромосомы. Так участок с черной мутацией и кассетой CRISPR/Cas9 оказывается в обеих хромосомах. Все потомство в итоге будет черным и будет содержать механизм CRISPR/Cas9, который обеспечит изменение геномов у всех будущих потомков от спариваний с немодифицированными особями[73]. В итоге черные насекомые распространятся и постепенно вытеснят серых из популяции.

Но зачем так изощряться? Пожалуй, самая весомая цель – избавление от малярии. Каждый год от этой болезни умирают более 400 тысяч человек и более 200 миллионов хоть и выживают, но длительно страдают от жара, дрожи, слабости и головных болей¹¹. Малярию вызывает эукариотический паразит, который переносится самками комаров из рода Anopheles (так называемых «малярийных комаров») и передается человеку, когда они пьют его кровь. Сами насекомые получают возбудителя из крови инфицированных людей. Комары переносят и другие тяжелые заболевания – в частности, лихорадки денге, Зика и Западного Нила. Целый ряд государственных ведомств, некоммерческих организаций и органов здравоохранения активно обсуждает возможность применить генный драйв к малярийным комарам. Таким способом их можно сделать устойчивыми к паразитам либо вообще истребить. Для реализации второго сценария можно, например, распространить мутацию, определяющую маскулинность, из-за чего популяция переполнится самцами и не сможет воспроизводиться; а можно повредить гены, связанные с откладкой яиц, и таким образом распространить стерильность.

Хотя лабораторные исследования генных драйвов у комаров дают ожидаемый результат, модифицированных насекомых пока не выпускают в дикую природу. На волю, однако, выпускают других комаров, геном которых корректируют инструментами, не распространяющимися по популяции. Начиная с 2009 года в Бразилии, Малайзии и на Каймановых островах выпустили больше миллиарда комаров мужского пола с генетической вариацией, смертельной для их потомства¹². Биотехнологическая компания Oxitec, создавшая этих комаров, заявила об успехе эксперимента: в пределах опытного участка на Большом Каймане популяция комаров сократилась на 80 %, а в бразильском городе Жакобина – на 90 %¹³. В 2021 году насекомых выпустили на архипелаге Флорида-Кис, где резко выросла заболеваемость лихорадками денге и Зика¹⁴. Разработанный для этого района план в августе 2020-го после ожесточенных споров о новой методике одобрили четырьмя голосами против одного на голосовании в местном Совете по контролю популяции комаров. Традиционно численность этих насекомых здесь контролировали распылением пестицидов, убивающих 30–50 % популяции.

Любопытно, что модифицированные комары Oxitec наглядно демонстрируют работу биофизического механизма, с которым мы уже встречались: летальная мутация находится у них в гене, кодирующем не белок с какой-то узкой биохимической активностью, а фактор транскрипции (см. главу 4), что изменяет регуляторные схемы организма¹⁵. Очевидно, мутантные комары производят активатор, который подстегивает собственное перепроизводство; из-за этой положительной обратной связи непрерывно нарастает производство бесполезного белка, который блокирует клеточные механизмы насекомого. В лаборатории самкам, самцам и их потомкам не дает умереть специальный препарат, подавляющий активность этой регуляторной схемы, но в дикой природе доступа к нему нет. Быстро растущие молодые комары гибнут из-за чрезвычайно высокой чувствительности к регуляторному дисбалансу. Между этим методом и генным драйвом есть как сходства, так и различия. Например, оба метода предполагают изменение генома: первый требует постоянного пополнения популяции модифицированными особями, а второй автоматически обеспечивает передачу изменений в поколениях. Понимать разницу очень важно для принятия информированных решений о том, как работать с насущными проблемами общественного здоровья – например, бороться с инфекциями, распространяемыми насекомыми.

Но вернемся к генным драйвам. Их потенциальное внедрение в дикую природу вызывает беспокойство. Истребление вида, помимо сокращения животного разнообразия планеты, может повредить хищникам или гораздо масштабнее нарушить пищевые цепочки, куда этот вид входит. В случае с малярийными комарами аргументы в пользу генного драйва сильнее, чем во многих других ситуациях, поскольку эти насекомые не составляют основу чьего-то рациона, и даже если бы мы устранили несколько видов комаров, то на планете их осталось бы еще свыше 3 тысяч. К тому же нельзя забывать, что на другой чаше этических весов у нас масса человеческих страданий. И все же вопросов еще много. Например, кто должен решать, применять ли генный драйв? Когда речь идет о комарах и малярии, большинство сходится во мнении, что решения о мерах в Африке, на которую приходится больше 90 % заболеваемости, должны принимать африканцы. Но какие именно? Комары не признают государственных границ, а генный драйв работает везде, где есть его мишени.

Эти решения тесно переплетены с вопросами сохранения окружающей среды. Многим хрупким экосистемам угрожают инвазивные виды. Например, крысы на Галапагосских островах изводят местную фауну, пожирая птичьи и черепашьи яйца. Может, генный драйв в случае крыс стал бы более удачным способом защиты аборигенных видов, чем крысиные яды, которые используют сейчас? Подобные вопросы можно перенести и на другие регионы и виды, включая вредителей сельхозкультур.

Размышления о применении генных драйвов и сходных технологий заставляют нас с тревогой вспоминать все прежние неудачи в инженерии экосистем. И это оправданно. Не увидим ли мы в итоге просто новые версии жабьей эпопеи? Впрочем, мы можем учиться на своих ошибках и утешаться тем, что новые технологии точнее старых. Уже разрабатывают дополнительные меры безопасности вроде закодированных в ДНК механизмов, позволяющих блокировать и даже обращать генные драйвы в популяции¹⁶. В прошлом хирургические операции не отличались изяществом и часто приводили к смерти пациента от инфекции, но сегодня хирургия точна и, как правило, успешна благодаря углублению наших знаний и внедрению новых методов. Я считаю вполне резонным стремление разработать столь же эффективные инструменты для более масштабных вмешательств. Да, это может звучать чересчур оптимистично, но, как я отметил выше, альтернативы современным методам могут быть еще менее приемлемыми.

О взаимоотношениях биотехнологий и общества можно писать еще очень-очень долго. Новые методы и сценарии их применения – воодушевляющие, но рискованные – будут появляться не только в силу углубления наших знаний о природе, но и благодаря дешевизне и удобству создаваемых инструментов. Сегодня я вижу рекламу, в которой мне предлагают полностью прочитать мой геном всего за 300 долларов, тогда как 10 лет назад это стоило 10 тысяч, а 30 лет назад и вовсе 3 миллиарда. Приборы для проведения ПЦР, очистки белков и выращивания клеток сейчас доступны как никогда. Энтузиасты в любительских сообществах делятся биохимическими рецептами и чертежами оборудования, которое печатается на 3D-принтере и помогает осваивать биотехнологическое ремесло прямо в гараже¹⁷. Так, участники проекта «Открытый инсулин» задались целью разработать «доступные каждому организмы для производства инсулина», которые должны подарить диабетикам независимость от коммерческих поставщиков инсулина¹⁸.

Одних подобная доступность биотехнологического инвентаря ужасает, а других, напротив, радует как проявление демократизации науки. Но вне зависимости от нашего отношения факт остается фактом: эти инструменты сегодня повсюду. Технологии, лежащие в основе футуристических сценариев, уже существуют и применяются во множестве не вызывающих беспокойства сфер – например, в диагностике заболеваний или мониторинге микробных загрязнений. Сложно даже представить, чтобы мы отказались от них или перестали искать новые точки их приложения. Я часто использовал здесь местоимение «мы», не уточняя, кого под ним подразумеваю. В контексте биотехнологий «нами», хорошо это или плохо, может быть кто угодно. Любая относительно развитая страна или даже организация способна использовать инструменты, с которыми мы познакомились на этих страницах. Время покажет, как их будут применять. И снова подчеркну, как важно просвещение для того, чтобы мы принимали наилучшие решения, основанные на понимании сути доступных нам технологий, их возможностей и ограничений. Разумеется, ценность просвещенности не сводится к практическим выгодам. В завершение мы вернемся к более глубоким и вдохновляющим урокам, которые преподносит нам изучение механизмов жизни.

Как понимать понимание?

Важнейший лейтмотив этой книги – то, что лейтмотивы существуют. Живой мир – это не просто набор анатомических структур и биохимических реакций. Существуют законы, мотивы и механизмы, которые объединяют все компоненты этого мира и их деятельность. Теперь, когда вы прочитали предыдущие 15 глав, это не должно вас удивлять. До сих пор, однако, я избегал вопроса, имеет ли такое единство практическое или скорее эстетическое значение. Этот вопрос повинен в своеобразной напряженности, характерной для множества отраслей современной науки. Сперва я проиллюстрирую этот феномен небиологическим примером, а затем мы вернемся к миру живому.

Нельзя сказать, что к изучению физики меня подтолкнуло одно-единственное переживание, но я до сих пор живо помню, как на уроке физики мы отпускали шарик, который скатывался с горки на стол, а затем падал с края стола в пластиковый стаканчик, стоящий на полу. Нам нужно было предугадать, куда поставить стаканчик, чтобы шарик попал прямо в него. На бумаге это может показаться скучным, но меня не переставало удивлять, что шарик падал точно туда, куда его отправляли универсальные законы движения. Получается, что не нужно запоминать никаких специфических фактов о шариках, горках и стаканчиках, поскольку есть общие лейтмотивы, которыми мы руководствуемся. Физика основана на поиске и применении общих принципов, и таков же фундамент биофизического подхода, который я пропагандирую на страницах этой книги.

Но делать свои предсказания мы могли бы и другим способом – составляя огромную таблицу с результатами экспериментов. Проводя раз за разом один и тот же опыт, мы изменяли бы отдельные параметры: высоту и угол наклона горки, массу и материал шарика, высоту стола, температуру воздуха и прочие потенциально значимые переменные – и записывали бы, куда приземляется шарик. Тогда, зная условия очередного перемещения, мы находили бы его результат в нашей огромной базе данных. На современном научном жаргоне этот прием называется Big Data, «большие данные». Ничего плохого в таком подходе нет, и часто он отлично срабатывает. Мы уже наблюдали это, анализируя корреляции между особенностями генома и, например, ростом человека (см. главу 14). Эти корреляции позволяют нам делать прогнозы, но мы не понимаем, откуда берутся они сами.

Контраст между пониманием базовых принципов и каталогизацией информации все чаще проявляется в большинстве научных сфер, и связано это с повышением эффективности наших инструментов для формирования и обработки массивов данных. В одних случаях, как в стратегиях с использованием броуновского движения, например (см. главу 6), основополагающие закономерности так глубоки и хорошо изучены, что было бы нелепо не принимать их в расчет. В других, как в приведенном выше примере с геномикой, нам пока что остается лишь искать корреляции. А иногда нам вообще непонятно, что делать. В главе 4 мы рассматривали схемы генетической регуляции, состоящие из репрессоров и промоторов, которые управляют активностью генов. Для одних ученых путь вперед означает выявление основных компонентов таких схем – петель обратной связи, осцилляторов, часов и так далее. Для других это не имеет значения: им полезнее учитывать детали всех взаимодействий между всеми компонентами регуляторной сети, даже если их сотни или тысячи. Нельзя сказать определенно, какой из подходов лучше – первый, больше биофизический, или второй, больше феноменологический, описательный. Они не исключают друг друга, и, возможно, в идеале стоило бы применять их параллельно, особенно когда построение подробных моделей помогает нам выявить пока еще неизвестные принципы. И все же напряженность между этими философиями существует и специфически окрашивает дебаты о финансировании и направлениях исследований.

Лично я склоняюсь к тому, чтобы подсвечивать минимальный, базовый набор принципов. В конце концов, гигантская база данных по траекториям падения шарика позволит нам прогнозировать результаты всех будущих экспериментов такого рода, но лишь глубокое понимание законов Ньютона позволило нам вычислить траектории, чтобы отправить людей на Луну. Следовательно, практичность метода может зависеть от временны́х рамок: будем ли мы его применять в решении какой-то из насущных задач или же одной из задач будущего, которые пока непредставимы. Понимание не только практично, но и глубоко притягательно для человека. Пониманию сложно дать определение. И все же человечество испокон веков извлекает из сложности простые, но действенные объяснения, подпитывающие и мифы, и науку.

Две концовки нашей истории

Возможно, у вас были вполне определенные ожидания относительно концовки этой книги. Мы начали с ингредиентов жизни, молекул и механизмов, создающих внутреннюю динамику клеток. Затем мы рассмотрели сообщества клеток, такие как органы и эмбрионы, а дальше – некоторые принципы, руководящие формообразованием в больших масштабах. Наконец, мы вернулись к субклеточному миру и узнали, как читать и писать на языке генома. Вам могло показаться, что круг замкнулся и мы можем завершить рассказ описанием конструирования организмов – скажем, устойчивых к засухе растений с высокой пищевой ценностью или давным-давно истребленных животных – путем создания и реализации той наследственной информации, которая даст организмам тела и поведение на наш вкус. Можно было бы набросать, например, план трансформации крошечного дикдика в массивного гну. Нам пришлось бы внимательно изучить подсказки в его ДНК, подтолкнуть нуклеотидные последовательности соответствующих генов к формированию новых аминокислотных цепочек, которые укладываются в новые петли и листы, а также руководить экспрессией уймы прочих генов, чтобы формировать кости и мышцы, легкие и глаза с учетом силы притяжения, параметров вдыхаемого воздуха и невесть каких еще требований окружающей среды.

Мы, однако, не знаем, как спроектировать такую трансформацию, поэтому концовка у книги будет другой. Наше незнание вовсе не признак провала, оно говорит нам лишь то, что история, которую мы разбираем здесь, еще далека от завершения. Мы уже знаем основные компоненты и принципы построения жизни. Наше представление о контекстах, в которых они проявляются, пока еще туманно, но постепенно проясняется. Такое впечатление, что мы только-только научились читать и планируем теперь осилить целую библиотеку. Нет гарантии, что мы сумеем во всем этом разобраться. Хотя лейтмотивы и ясны, возможно, будет сложно в полной мере, до мельчайших деталей, понять генетические взаимодействия, химические реакции и микроскопические силы, которые выращивают в одних случаях бук, а в других – бамбук, отличают лошадь от гиппопотама и задают верное соотношение диаметра и длины бедренной кости. Возможно, мы даже признаем это нецелесообразным. Время покажет. Но даже такой исход не уменьшит ценности того, что мы узнали об архитектуре жизни, и не охладит наш энтузиазм к продолжению исследований.

Фундаментальная тяга человека к знанию, поиску связей между феноменами и радости от их установления служит главной мотивацией к исследованию природы. В последних главах мы особенно много говорили о технологических выражениях наших новых представлений об устройстве жизни. Значимость технологий и их пересечений со здоровьем, болезнями и обществом сложно переоценить, и многие люди считают их самой важной из граней науки. Но я все равно решил бы заниматься биофизикой и все равно написал бы эту книгу, даже если бы не было у науки тех самых выражений. Живой мир потрясает разнообразием форм и активностей. В наших дворах и городских парках белки прыгают с ветки на ветку, солнечный свет бликует на прозрачных крыльях стрекоз, а деревья качают углерод из воздуха, чтобы возводить стволы высотой в десятки метров. А есть ведь еще и более экзотические места. Там львы охотятся в саваннах, дельфины резвятся в волнах и рыбы во тьме океанских глубин вырабатывают свет. Мы можем наблюдать за этим и восхищаться красотой.

Теперь мы можем восхищаться еще и тем, что в организме льва скрываются километры ДНК, и тем, как его нейромедиаторы пускаются в пляс всякий раз, когда лев решает атаковать, и уж точно тем, как моторные белки маршируют по скелетам его клеток, – целыми пластами феноменов, столь же примечательных, как и лежащие на поверхности. Кроме того, перед нами теперь со всей очевидностью предстало единство всех организмов, включая наш, – единство, о котором наши предки и мечтать не могли. Сухопутные и морские, новорожденные и взрослые, микроскопические и гигантские – все организмы состоят из одинаковых молекулярных кирпичиков, из немногих типов молекул, которые кодируют информацию и самостоятельно принимают трехмерные формы. Каждый организм становится таким, какой он есть, под влиянием физических сил вселенной: кости львицы и антилопы, которую она выслеживает, формируются с учетом силы притяжения, а дельфин может быть дельфином лишь в просторном жидком доме. Каждый организм не только мирится с микроскопическим хаосом беспокойных молекул, но и преобразует этот хаос в расчет, регулируя активность генов, белков, клеток и органов в ответ на внутренние и внешние стимулы. За внешними проявлениями, какими бы изумительными они ни были, скрывается изящная глубинная основа, которая определяет устройство жизни и которую мы теперь начинаем ценить по достоинству.