Метазоа. Зарождение разума в животном мире

Но среди всех умений, которые обрели клетки, чтобы поддерживать процесс жизнедеятельности – преобразовывать материю, наводить порядок и методично подчинять себе хаос, ключевым достижением стало укрощение заряда.

Укрощение заряда[28 - Заголовок этой части перекликается с названием классического труда Яна Хакинга «Taming of Chance» (Укрощение случая), посвященного истории теории вероятности (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1990). В каком-то смысле клетке тоже пришлось укрощать случай (эту тему затрагивает и Хоффман в книге «Life's Ratchet»).]

Укрощение электрического заряда стало поворотным событием в новейшей истории человечества. В XIX веке электричество перестало быть загадочной, опасной силой, непосредственно проявляющейся в ударах молний, превратившись в технологию, которая вскоре сделала современный мир таким, каким мы его знаем. Если вы читаете эту книгу при электрическом свете или с экрана компьютера, сам акт чтения осуществляется при помощи электричества. Однако этот прорыв в сфере электричества стал не первым в истории. Впервые электрический заряд был укрощен за миллиарды лет до этого, на ранних стадиях эволюции жизни. В клетках и организмах электричество служит средством, с помощью которого осуществляется большая часть внутренних процессов. Это основа активности мозга – ведь наш мозг электрическая система, – да и любой другой активности.

Что же такое электричество? Даже многие физики считают этот вопрос трудным. Электрический заряд – базовое свойство материи. Заряд может быть положительным или отрицательным. Объекты с одинаковыми зарядами (положительным и положительным, например) отталкиваются, а с разными (положительным и отрицательным) притягиваются. Вещество обычных объектов содержит как положительные, так и отрицательные заряды. Любой атом – это набор элементарных частиц, причем одни из них заряжены положительно (протоны), другие отрицательно (электроны), а все остальные (нейтроны) не имеют заряда. Обычно атом содержит равное количество электронов и протонов, поэтому сам по себе он заряда не имеет, поскольку положительные и отрицательные заряды внутри него уравновешивают друг друга.

Способность электричества притягивать и отталкивать чрезвычайно сильна. Вот как об этом в своих лекциях по физике говорит неподражаемый Ричард Фейнман:

…все вещество является смесью положительных протонов и отрицательных электронов, притягивающихся и отталкивающихся с неимоверной силой. Однако баланс между ними столь совершенен, что, когда вы стоите возле кого-нибудь, вы не ощущаете никакого действия этой силы. А если бы баланс нарушился хоть немножко, вы бы это сразу почувствовали. Если бы в вашем теле и в теле вашего соседа (стоящего на расстоянии вытянутой руки от вас) электронов оказалось бы всего на 1 % больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы невообразимо большой. Насколько большой? Достаточной, чтобы поднять небоскреб? Больше! Достаточной, чтобы поднять гору Эверест? Больше! Силы отталкивания хватило бы, чтобы поднять «вес», равный весу нашей Земли![5 - Перевод с английского Г. И. Копылова и Ю. А. Симонова.][29 - Lectures on Physics, vol. 2, chap. 1, "Electromagnetism," feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html (https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html). Фейнмановские лекции по физике полностью, легально и бесплатно доступны по ссылке feynman lectures.caltech.edu/index.html (https://www.feynmanlectures.caltech.edu/index.html).]

В смеси заряженных частиц, из которых состоит обычное вещество, электроны – отрицательно заряженные частицы – находятся снаружи атомов, а протоны (вместе с нейтронами) внутри. Атом может приобретать или терять электроны, и тогда он становится ионом. Ион – это атом (а иногда молекула, состоящая из нескольких атомов), заряд которого не сбалансирован из-за такого приобретенного или потерянного электрона, а следовательно, у него есть собственный заряд. Многие химические вещества, растворяясь в воде, испускают ионы, которые отправляются в самостоятельное плавание. Соленая вода – это вода с растворенными в ней ионами. Каждая капелька морской воды содержит бесчисленное множество ионов, взаимодействующих друг с другом и с молекулами воды, притягиваясь и отталкиваясь.

Электрический ток – это движение положительно либо отрицательно заряженных частиц. Когда по металлическим проводам пропускают ток, движутся только электроны, а все остальные частицы, из которых состоят атомы проводов, остаются на месте. Электрический ток, на котором основаны современные технологии (освещение, двигатели, компьютеры), по большей части работает именно так. Но ток может выглядеть и как движение целых ионов. Если положительно или отрицательно заряженные ионы, растворенные в воде, подтолкнуть к движению в определенном направлении, мы получим электрический ток. Движение ионов не запускает ток, оно само и есть ток. Любая емкость с соленой водой может проводить ток, если вам каким-то образом удастся заставить ионы нужного вида двигаться в заданном направлении. В живых системах, в отличие от человеческих изобретений, электрический ток выглядит именно так.

Электрический заряд – это еще не жизнь и не разум, но он порождает множество событий как в неживой, так и в живой природе. Все живое работает на электричестве, улавливая, всасывая, группируя и высвобождая ионы.

Клеточная мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от внешней, не давая им смешиваться, но в мембране имеются каналы, избирательно пропускающие некоторые вещества. В основном это ионные каналы. Иногда канал просто позволяет ионам пересекать границу (возможно, при соблюдении определенных условий), но иногда клетка активно всасывает ионы через мембрану.

Та или иная разновидность ионных каналов – общая черта всех клеточных форм жизни, включая бактерии. Зачем бактериям понадобилось создавать особые проходы для ионов, не совсем понятно. Первоначально каналы могли появиться, чтобы позволить клетке регулировать уровень своего электрического заряда относительно внешней среды – настраивать его, а не только укрощать. Но коль скоро трафик сквозь границу живой системы налажен, он начинает исполнять и другие функции. Поток ионов, например, способен служить простейшей формой восприятия: предположим, контакт с неким химическим веществом снаружи клетки открывает канал, сквозь который проникают ионы; попав внутрь, эти заряженные частицы запускают в клетке определенную цепь событий.

Кроме того, ионные каналы, осуществляющие транспортировку веществ в обе стороны сквозь клеточную мембрану, одарили клетку новой, причем очень важной способностью. Она называется раздражимостью. Каналы контролируют поток заряженных частиц, но ими самими тоже можно управлять – открывать их и закрывать. Клетка контролирует активность каналов с помощью химического либо физического воздействия, но также и посредством самого электрического заряда. Потенциал-зависимые ионные каналы открываются в ответ на электрические явления, к которым они чувствительны. В результате запускается цепная реакция – поток заряженных частиц усиливается и выходит за пределы клеточной мембраны.

Новая способность не кажется какой-то особенно значимой, сфера ее применения не так очевидна, как у описанного выше механизма, в рамках которого поток ионов реагирует на химические вещества, встречающиеся на ее пути. Но потенциал-зависимые ионные каналы помогают клетке сделать следующий шаг в развитии, обеспечивая ее потенциалом действия. Потенциал действия представляет собой непрерывную цепную реакцию изменений в мембране клеток, в частности клеток человеческого мозга. Проникая в клетку, положительно заряженные ионы воздействуют на ионные каналы по соседству, те открываются, внутрь клетки проникает еще больше ионов – и так далее. По мембране распространяется волна электрической пульсации. Потенциал действия – явление сродни электрическому разряду, и клетки мозга, задетые им, как говорят нейробиологи, «вспыхивают». Это становится возможным благодаря потенциал-зависимым ионным каналам.

В потенциал-зависимых ионных каналах на внутренний контроллер клетки воздействуют электрические заряды – электрический ток контролируется электрически. Это принцип работы транзистора. В начале раздела я упоминал технологические прорывы XIX века, которые поставили электричество на службу человеку. Еще один такой прорыв случился в XX веке благодаря изобретению транзистора. Кремниевые микросхемы в компьютерах и смартфонах – это как раз набор транзисторов, крошечных переключателей. Транзистор был изобретен около 1947 года в лабораториях Белла в США, хотя их первенство и оспаривается. Первый транзистор лаборатории Белла был размером около 2,5 см, но с тех пор его постоянно дорабатывали и уменьшали. И точно такой же девайс был изобретен миллиарды лет тому назад в процессе эволюции бактерий.

Если бактерии изобрели транзисторы, что они с ними делали?[30 - См.: Peter A. V. Anderson, Robert M. Greenberg, "Phylogeny of Ion Channels: Clues to and Function," Comparative Biochemistry and Physiology Part B 129, no. 1 (2001): 17–28; а также Kalypso Charalambous, B. A. Wallace, "NaChBac: Th e Long Lost Sodium Channel Ancestor," Biochemistry 50, no. 32 (2011): 6742–52. Сравнение с транзистором позаимствовано из работы Фреда Сигворта "Life's Transistors," Nature 423 (2003): 21–22; о передаче сигналов внутри биопленок см.: Arthur Prindle et al., "Ion Channels Enable Electrical Communication Within Bacterial Communities," Nature 527 (2015): 59–63.] Зачем им-то нужно было контролировать электричество с помощью электричества? Насколько я знаю, научное сообщество не пришло к общему мнению по этому вопросу. Бактерии могли использовать свои биотранзисторы для поддержания электрохимического баланса в клетке – или для контроля передвижения в водной среде. Каналы, чувствительные к химическому составу внешней среды, могли оказаться чувствительными и к электрическому заряду, и бактерии, формирующие колонии в виде «биопленок», научились передавать сигналы от клетки к клетке с помощью ионов. Но у бактерий нет потенциала действия, подобного цепной реакции в мозге человека, и ситуация кажется мне довольно странной. Несколько миллиардов лет тому назад природа изобрела электронное устройство, без которого невозможны современные компьютерные технологии, – сложное и требующее ресурсов устройство – и оснастила им бактерии, но бактерии, похоже, не так чтобы часто используют его для вычислений.

Как бы там ни было, появление потенциал-зависимого ионного канала – поворотный момент в укрощении заряда. Как я уже говорил, у этих каналов нет какого-то одного очевидного применения. В каком-то смысле то же самое касается и транзистора; как раз в этом и заключается одно из основных преимуществ того и другого. Транзистор – простой инструмент контроля, устройство, с помощью которого можно сделать так, чтобы событие в одном месте гарантированно и быстро вызывало событие в другом. О каких событиях идет речь, не так уж важно, – сгодится все. Благодаря потенциал-зависимым ионным каналам, обеспечивающим потенциал действия, активность клетки приобретает «цифровое» качество; нейрон либо вспыхивает, либо не вспыхивает: да или нет, единица или ноль. Не у всех животных есть нейроны, способные так вспыхивать; существуют и другие типы нервных систем, которые работают на низком уровне раздражимости, но эта цифровая характеристика определенно полезна. Примечательно, что это регулировочное устройство было изобретено так давно, когда сфера его современного применения эволюции даже не мерещилась.

В дни вездесущих компьютеров и искусственного интеллекта отношения между живыми системами и электронными устройствами неизбежно вызывают интерес. Неужели живые существа и компьютеры различаются только материалом, из которого сделаны? Сходство между ними есть, и оно бывает довольно неожиданным, но не менее важно признавать и отличия. И одно из них заключается в том, что компьютеру никогда не придется заботиться о том, чем прежде всего занята живая клетка. Основная задача клетки – поддерживать свое существование, заботиться о непрерывном поступлении энергии, осуществлять привычную жизнедеятельность в условиях распада и изменения веществ. В живых системах активность, которой заняты и компьютеры, – переключение электрических цепей и «обработка данных» – только малая часть множества взаимосвязанных химических процессов. Все, что происходит в клетках, происходит в жидкой среде и подвержено превратностям молекулярного шторма; клетка вынуждена отвлекаться на химические процессы, которыми заняты все живые системы. А когда мы собираем компьютер, мы хотим, чтобы он выполнял операции унифицированные и однообразные, – мы собираем систему, которая в идеале вообще не должна отвлекаться на непродуктивные химические процессы.

Вышесказанное актуально и в том случае, если посмотреть на ситуацию шире. В первых главах книги я стараюсь описать всю сложность строения клеток и простых организмов, а также процессов, происходящих внутри них. В этой связи меня нередко посещал объяснимый соблазн использовать слово «механизм» – ведь мы изучаем механизмы восприятия, механизмы раздражимости. Я пишу и каждый раз сомневаюсь: не стереть ли его? Несомненно, в широком смысле слова потенциал-зависимые ионные каналы – это детали механизма; то же самое можно сказать как о нервах, так и о мозге. Отрицая этот постулат, мы уклоняемся в сторону дуалистических (душа плюс тело) или виталистических (жизненная сила) взглядов. Поэтому я разрешил себе его использовать. Однако нельзя упускать из виду и отличия машин от живых систем. Жизненные процессы клетки подразумевают укрощение молекулярного шторма и хаотичного движения ионов. Это совершенно не похоже на то, что происходит в любой спроектированной человеком машине. Собирая машины, мы стремимся сделать их предсказуемыми, хотим, чтобы они выполняли строго определенные функции, пусть даже потом мы используем их для симуляции хаотических событий. Ссылаться на хитроумное устройство клетки как на «механизм» в каких-то случаях уместно, а в каких-то нет.

В арсенале свойств тех форм жизни, что существовали до появления животных, есть одно, которое мне хотелось бы выделить особо. Я его уже касался, но теперь хочу поместить в центр внимания. Это свойство – двустороннее сообщение между живыми системами и средой. Здесь имеется в виду и уже упоминавшийся поток ионов, и поглощение органических веществ, и удаление отходов. Клетки обособлены, но не изолированы от мира. Клеточные формы жизни сообщаются с внешней средой, и это крайне важно.

У этого двустороннего обмена есть как метаболическая сторона – клетка получает энергию и использует ее для поддержания жизни, – так и информационная. Какие-то поступления извне важны сами по себе (прежде всего пища), зато другие могут предостеречь, подсказать или сообщить некую важную информацию. Метаболическая сторона этого двустороннего обмена – непременное условие продолжения жизни. Жизнедеятельность организма невозможна в отрыве от энергетического потока, который начинается и заканчивается вовне[31 - На мое мнение по этому вопросу повлияло выступление Джона Аллена на коллоквиуме имени Артура Сэклера, организованном Национальной академией наук США в 2014 г. Природа живых систем – способ их существования в условиях бесконечного электрохимического движения – неизбежно одаривает их чувствительностью к внешним событиям.]. Моя коллега Маурин О'Мэлли великолепно сформулировала эту мысль; соединив химический термин с образом из совершенно другой области, она сказала: чтобы жить, нужно научиться существовать «на окислительно-восстановительных американских горках, постоянно отдавая и получая»[32 - В электронном письме в 2017 году.]. (В процессе окислительно-восстановительной реакции молекулы обмениваются электронами.) О'Мэлли хотела подчеркнуть, что чувствительность к событиям и изменениям во внешней среде – неотъемлемая характеристика живых организмов. У них нет возможности задраить все люки, они открыты миру в силу своей потребности в энергии. Открывшись миру, живые системы неизбежно будут испытывать на себе его влияние. А так как происходящее снаружи влияет на живую систему, эволюция обязательно попытается как-то эту чувствительность использовать: организмам часто удается отыскать способ реагировать на происходящее так, чтобы поставить его на службу своим целям, какими бы примитивными они ни были. Все известные клеточные формы жизни, не исключая и крошечных бактерий, обладают способностью ощущать мир и реагировать на него. Ощущение, как минимум в самых его базовых формах, старо как мир и встречается повсеместно[33 - Памела Лайон в своей работе детально и с неожиданной стороны рассматривает вопрос о базовых формах ощущения. Самый нижний уровень – это однофакторные системы преобразования сигнала у бактерий; внутренний контроллер клетки отвечает на стимулы, поступившие из внешнего мира в отсутствие рецептора или сенсора на ее поверхности. См. статью Памелы Лайон "The Cognitive Cell: Bacterial Behavior Reconsidered," в журнале Frontiers in Microbiology 6 (2015): 264.].

Многоклеточные

Перечисленные идеи составляют одну из двух основных тем второй главы. Живые клетки – физические объекты, но они не похожи ни на один другой знакомый нам объект. Они окружают себя мембраной, чтобы сдержать шторм активности и придать ему форму. Они заключены внутри своих границ, но вся их жизнь зависит от того, что проникает сквозь эти границы. Самоопределяющаяся и самоподдерживающаяся клетка – это самость