Крейг Вентер.

Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии



скачать книгу бесплатно

Наука не только хочет понять природу – она хочет и поставить ее на службу человеку. Рене Декарт (1596–1650), первопроходец в оптике, которого мы все ассоциируем с фразой «Я мыслю, следовательно, существую», в «Рассуждении о методе» 1637 года также заглянул вперед – в тот день, когда человечество сможет стать «хозяином и господином природы». Декарт и его последователи распространили механистические объяснения природных явлений на биологические системы, а затем исследовали их приложения. С самого рождения этого великого дела, однако, критики выражали опасения, что в погоне за эффективным господством над природой будут забыты более важные моральные и философские проблемы. Вместе с фаустовым духом современной науки пришел спор о приемлемости для человечества «игры в Бога».

Для некоторых не было вопроса, что превосходным примером принятия роли божества было бы создание чего-нибудь живого в лаборатории. В своей книге «Природа и происхождение жизни: в свете новых знаний» 1906 года французский биолог и философ Феликс ле Дантек (1869–1917) обсуждает эволюцию – или «трансформизм», как ее называли в додарвиновских дискуссиях о том, как меняются виды, – современных видов от более ранних и простых организмов, «живой протоплазмы, сведенной к минимальной сумме наследственных признаков». Он писал: «Архимед высказал символическое утверждение, которое, если принять его буквально, абсурдно: „Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю“. Примерно так же трансформист наших дней имеет право сказать: „Дайте мне живую протоплазму, и я воссоздам целиком животное и растительное царства“». Ле Дантек очень хорошо понимал, что теми примитивными методами, которые были у него в распоряжении, эту работу было бы трудно выполнить: «Наше знакомство с коллоидами [макромолекулами] еще столь недавнее и рудиментарное, что нам не стоит рассчитывать на скорый успех в попытках изготовить живую клетку». Ле Дантек был так уверен, что будущее принесет синтетические клетки, что говорил: «С новыми знаниями, полученными наукой, просвещенному разуму больше не нужно видеть изготовление протоплазмы для того, чтобы убедиться в отсутствии всякой существенной разницы и абсолютного разрыва между живой и неживой материей»{16}16
  With the new knowledge acquired by science, the enlightened mind no longer needs to see the fabrication of protoplasm in order to be convinced of the absence of all essential difference and all absolute discontinuity between living and not-living matter.


[Закрыть]
.

В предыдущем веке границу между одушевленным и неодушевленным провели химики, в том числе Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), шведский ученый, который считается одним из пионеров современной химии. Берцелиус впервые применил атомную теорию к «живой» органической химии{17}17
  Некоторые описывают Берцелиуса как виталиста, но, как указывает Джон Брук, с этим утверждением надо быть поосторожнее.

John H. Brooke: “W?hler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968), 84.114.


[Закрыть], опираясь на работу французского отца химии Антуана Лавуазье (1743–1794) и других ученых. Он определил две крупных ветви химии как «органическую» и «неорганическую»; органические соединения – это те, которые отличаются от всех прочих тем, что включают в себя атомы углерода. В первый век применения термина «органический» он означал «происходящий от живого». Но примерно в то время, когда Берцелиус выдвинул эти определения, которые мы используем до сих пор, в своем влиятельном учебнике химии начала XIX века, виталисты и неовиталисты рассматривали органический мир еще более однозначно: «Органические вещества имеют по крайней мере три составляющие… они не могут быть приготовлены искусственно… но лишь через сродства, связанные с жизненной силой. Из этого ясно, что одни и те же правила неприменимы к органической и неорганической химии, так как здесь существенно влияние жизненной силы»{18}18
  Цитата из The Life and Work of Friedrich W?hler (1800–1882). Edited by Johannes Buttner. Edition Lewicki-Buttner, vol. 2. Verlag T. Bautz GmbH. E-book.


[Закрыть]
.

Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), некоторое время работавший с Берцелиусом, совершил открытие, которое долго считалось «опровержением» витализма: химический синтез мочевины. В современных учебниках, в лекциях и статьях вы все еще найдете ссылки на его experimentum crucis. Это достижение стало знаковым моментом в научных анналах, отметив начало конца влиятельной идеи, восходящей к античности, – а именно, что есть некая «жизненная сила», которая отделяет одушевленное от неодушевленного, характерный «дух», который пропитывает все тела, чтобы дать им жизнь. Из заурядных химикатов Вёлер вроде бы создал кое-что от самой жизни – уникальный момент, полный возможностей. В единственном эксперименте он преобразовал химию – до тех пор разделенную на два раздельных царства молекул жизни и неживых химикатов – и увел иголку еще на один стежок прочь от предрассудков к науке. Его открытие пришло всего через десять лет после публикации готического романа Мэри Шелли «Франкенштейн», а тот появился всего через несколько лет после попытки Джованни Альдини (1762–1834) оживить казненного преступника электрическим шоком.

Вёлер объяснил свой успех в письме к Берцелиусу, датированном 12 января 1828 года{19}19
  “…denn ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und mus Ihnen sagen, das ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder uberhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nothig zu haben.” Otto Wallach, editor, Briefwechsel zwischen J. Berzelius und F. W?hler (Leipzig: Engelmann, 1901), vol. 1, стр. 206.


[Закрыть]
, описав случай, когда в Политехнической школе в Берлине он нечаянно создал мочевину, основной азотсодержащий компонент в моче млекопитающих. Вёлер пытался синтезировать щавелевую кислоту, содержащуюся в ревене, из циана и водного раствора аммиака и в итоге получил белую кристаллическую субстанцию. Аккуратно экспериментируя, он сделал точный анализ натуральной мочевины и показал, что это то же самое вещество, что и его кристаллы. До тех пор мочевину получали только из животных источников.

Тревожась, что не получает ответа от Берцелиуса, Вёлер снова написал ему в письме от 12 февраля 1828 года: «Я надеюсь, что мое письмо от 12 января дошло до вас, и хотя я жил в ежедневном и ежечасном ожидании ответа, я не стану ждать дольше, но напишу вам сейчас, потому что не могу дольше, так сказать, придерживать свою химическую мочевину, и надеюсь опубликовать то, что я могу получить мочевину без участия почки, будь то человеческой или собачьей; аммиачная соль циановой кислоты[4]4
  Циановая (цианатная) кислота НОСN (не путать с синильной кислотой НСN) при соединении с аммиаком дает цианат аммония NН4СN, который при нагревании превращается в мочевину (NН2)2СО.


[Закрыть]
и есть мочевина». Вёлер продолжал: «Предполагаемый цианат аммония был легко получен путем взаимодействия цианата свинца с раствором аммония. Цианат серебра и раствор хлорида аммония тоже годятся. Были получены четырехгранные прямоугольные призмы, красиво кристаллизующиеся; если их обработать кислотами, то не выделяется циановая кислота, а если щелочами – ни следа аммиака. Но с азотной кислотой образуются блестящие хлопья легко кристаллизующегося соединения, причем сильно кислотного; я был склонен принять это вещество за новую кислоту, так как при нагревании не образовывалась ни азотная, ни азотистая кислота, зато выделялось много аммиака. Потом я обнаружил, что если раствор насытить щелочью, то снова появляется так называемый цианат аммония, и его можно экстрагировать спиртом. И вот, совершенно внезапно, я получил ее! Все, что было нужно, – это сравнить мочевину из мочи с мочевиной из цианата»{20}20
  The Life and Work of Friedrich W?hler (1800–1882). Edited by Johannes Buttner. Edition Lewicki-Buttner, vol. 2. (Kindle Locations 1927–1933.) Verlag T. Bautz GmbH. Kindle Edition.


[Закрыть]
.

Когда Берцелиус наконец ответил, его реакция была шутливой и полной энтузиазма: «Тот, кто положил начало своему бессмертию в моче, имеет все основания завершить свой путь вознесения на небеса при помощи того же предмета… и поистине, герр доктор на самом деле придумал трюк, который ведет по истинному пути к бессмертному имени… Это, безусловно, будет очень полезным для будущих теорий».

Тут он попал в точку. В сентябре 1837 года в научное общество в Ливерпуле, известное как Британская ассоциация по развитию науки, обратился Юстус фон Либих (1803–1873), влиятельный ученый, совершивший ключевые открытия в химии, например, он установил важность азота как питательного вещества для растений{21}21
  http://www.biodiversitylibrary.org/item/46624#page/20/mode/1up


[Закрыть]
. Фон Либих обсуждал продемонстрированное Вёлером «удивительное и в какой-то степени необъяснимое получение мочевины без помощи жизненных функций», добавляя, что «началась новая эра в науке»{22}22
  Ramberg, Peter J. “The Death of Vitalism and the Birth of Organic Chemistry: W?hler’s Urea Synthesis and the Disciplinary Identity of Organic Chemistry.” Ambix, Vol. 47, Part 3, ноябрь 2000, стр. 174.


[Закрыть]
.

Достижение Вёлера вскоре попало в учебники, а именно в «Историю химии» Германа Франца Морица Коппа (1843), в которой было написано, что оно «разрушило ранее принятое разделение между органическими и неорганическими телами». К 1854 году значение Вёлерова синтеза мочевины было подчеркнуто, когда другой немецкий химик, Герман Кольбе, написал{23}23
  Lehrbuch der organischen Chemie (Учебник по органической химии).


[Закрыть]
: всегда считалось, что соединения в животных и растительных телах «обязаны своим образованием весьма загадочной силе, присущей исключительно живой природе, так называемой жизненной силе». Но теперь, в результате Вёлерова «эпохального и важного» открытия, разделение между органическими и неорганическими соединениями рассыпалось.

Однако, как бывает при непредвзятом рассмотрении многих исторических событий, «пересмотренная история» работы Вёлера может дать новое понимание, которое удивит всякого, придерживающегося традиционной точки зрения из учебников – той, что историк науки Питер Рамберг называет «вёлеровским мифом». Этот миф достигает апофеоза в 1937 году, в книге Бернарда Яффе «Тигли: Жизни и достижения великих химиков», популярной истории химии, где Вёлер описан как молодой ученый, тяжко трудившийся в «священном храме» своей лаборатории, чтобы развенчать загадочную жизненную силу.

Рамберг указывает, что если считать достижение Вёлера знаковым экспериментом, то удивительно, как мало свидетельств современников о реакции на него. Хотя Берцелиус был явно взволнован работой Вёлера, это было связано не столько с витализмом, сколько с тем, что синтез мочевины означал трансформацию солеподобного соединения в такое, у которого совсем не было свойств соли. Показав, что цианат аммония может стать мочевиной через внутреннюю перестановку атомов, ничего не набирая и не теряя, Вёлер предоставил один из первых и лучших примеров того, что химики называют изомерией. Сделав это, он способствовал преодолению прежних взглядов, согласно которым два вещества с разными физическими и химическими свойствами не могут иметь одинаковый состав{24}24
  http://www.fullbooks.com/Scientific-American-Sup-plement-No-3621.html


[Закрыть]
.

По единодушному мнению современных историков, область органической химии не могла быть открыта единственным экспериментом. Вёлеров синтез мочевины на самом деле почти не повлиял на витализм. Сам Берцелиус думал, что мочевина, по сути, отходы организма, не столько органическое соединение, сколько «промежуточное» вещество между органикой и неорганикой{25}25
  Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.


[Закрыть]
. Более того, исходные материалы Вёлера скорее были органическими, чем неорганическими ингредиентами. Да и достижение его не было уникальным: четырьмя годами раньше он сам искусственно получил другое органическое соединение, щавелевую кислоту, из воды и циана{26}26
  Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.


[Закрыть]
. Историк науки Джон Брук назвал Вёлеров синтез мочевины в конечном счете «не более чем маленьким камешком, слегка мешающим убедительному потоку виталистического мышления».

Витализм, подобно религии, не исчез просто в ответ на новые научные открытия. Чтобы сдвинуть систему убеждений, нужно накопить весомые доказательства путем многих экспериментов. Непрерывный прогресс науки все сильнее душил витализм, но на это ушли века, и даже сегодня программа по искоренению этого мистического поверья еще не выполнена до конца.

Ряд ключевых открытий, которые должны были бы подорвать древнюю идею витализма, начинается с 1665 года, когда Роберт Гук (1635–1703) под созданным им новым микроскопом впервые обнаружил клетки. Со времени опытов его и других первопроходцев, таких как голландец Антони ван Левенгук (1632–1723), мы накопили доказательства, что клетки являются базовой биологической структурой для всего, что мы знаем как жизнь. По мере становления современной науки в течение XVI и XVII веков витализм сталкивался со все более серьезными вызовами. В 1839 году, через десять с небольшим лет после синтеза мочевины Вёлером, Матиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882) написали: «Все живые существа состоят из живых клеток». В 1855 году Рудольф Вирхов (1821–1902), основатель современной клеточной патологии, выдвинул так называемый «биогенный закон»: Omnis cellula e cellula, то есть «все живые клетки происходят от ранее существующих клеток». Это явно противоречило представлению о «самозарождении», известному еще с античности и, как подсказывает название, предполагающему, что жизнь может сама собой возникать из неживой материи – например, опарыши из гниющего мяса или плодовые мушки из бананов.

В своем знаменитом исследовании 1859 года Луи Пастер (1822–1895) опроверг теорию самозарождения посредством простого опыта. Он прокипятил бульон в двух разных колбах, одна не закрывалась, и в нее попадал внешний воздух; вторая имела S-образный изгиб горлышка и была заткнута ватой. После остывания открытой колбы в ней выросли бактерии, но во второй колбе ничего не выросло. Считается, что Пастер доказал, что микроорганизмы есть везде, включая воздух. Как и в случае с Вёлером, результаты его экспериментов, если рассмотреть их во всех деталях, не были столь убедительными, как это часто изображается, и окончательные доказательства были получены только в последующих работах немецких ученых{27}27
  Waller, John. Fabulous Science: Fact and Fiction in the History of Scientific Discovery (Oxford University Press, 2010), стр. 18.


[Закрыть]
.

Эксперименты Пастера привели некоторых ученых того времени к исключению возможности того, что жизнь исходно развилась (или может быть развита) из неорганических веществ. В 1906 году французский биолог и философ Феликс ле Дантек писал: «Часто говорится, что Пастер показал бесполезность попыток… людей науки воспроизвести жизнь в своих лабораториях. Пастер показал лишь вот что: приняв определенные меры предосторожности, мы можем исключить любое попадание уже существующих живых организмов в конкретные субстанции, которые могут служить им пищей. И всё. Проблема синтеза протоплазмы осталась там же, где была{28}28
  Le Dantec, Felix Alexandre. The Nature and Origin of Life. Trans. Stoddard Dewey. New York: A. S. Barnes, 1906.


[Закрыть]
».

Хотя Пастер и показал, как исключить жизнь из стерильной среды, он не помог нам понять, как миллиарды лет назад на юной Земле воцарилась жизнь. В 1880 году немецкий эволюционный биолог Август Вейсман (1834–1914) сформулировал важный вывод из биогенного закона, обращенный назад, к первоисточнику: «Ныне живущие клетки могут проследить свою родословную до древнейших времен». Другими словами, должна быть общая предковая клетка. И это, конечно, приводит нас к революционной работе Чарльза Дарвина «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин (1809–1882), а также британский натуралист и исследователь Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) утверждали, что у всех созданий случаются вариации или изменения видовых признаков, которые передаются последующим поколениям. Некоторые вариации оказываются выгодными формами, которые процветают в каждом последующем поколении, и так они – и их гены – становятся более распространенными. Это естественный отбор. Со временем, когда новые версии признаков накопятся, линия может измениться настолько, что больше не сможет обмениваться генами с другими линиями, которые когда-то были ее родичами. Так рождается новый вид.

Несмотря на эти продвижения в науке, у витализма даже в ХХ веке были пламенные защитники. Среди них был Ханс Дриш (1867–1941), выдающийся немецкий эмбриолог, обратившийся к идее энтелехии (от греческого слова entel?cheia), которая предполагает необходимость «души», «организующего поля» или «жизненной функции» для одушевления материальных составляющих жизни. Иного пути разрешения проблемы формирования тела из неструктурированной отдельной клетки он не видел. В 1952 году великий британский математик Алан Тьюринг показал, как у эмбриона может появиться структура de novo{29}29
  Turing, A. M. Phil., Trans. R. Soc. Lond., B237, стр. 37–72 (1952).


[Закрыть]
. Подобным же образом французский философ Анри-Луи Бергсон (1859–1941) постулировал ?lan vital (жизненный порыв) для преодоления сопротивления инертной материи при формировании живых тел. Даже в наше время, хотя самые серьезные ученые считают витализм давно опровергнутой идеей, некоторые не отказались от представления, что жизнь основана на какой-то мистической силе. Вероятно, это не должно удивлять: слово «витализм» всегда имело столько же значений, сколько и сторонников, а общепринятое определение жизни отсутствует до сих пор.

В наше время появилась новая разновидность витализма. В этой более изощренной форме упор делается не столько на присутствие искры жизни, сколько на то, что современные редукционистские, материалистические объяснения неспособны объяснить загадку жизни. Это направление мышления отражает убеждение, что сложность живой клетки возникает в ходе множества взаимодействующих химических процессов, образующих взаимосвязанные циклы с обратной связью, и все это не может быть описано лишь в понятиях тех процессов и реакций, из которых оно состоит. В результате витализм сегодня проявляется в облике смещения акцента с ДНК на «эмерджентные» свойства клетки, которые оказываются чем-то б?льшим, чем сумма ее молекулярных частей и того, как они работают в конкретной среде.

Результатом этого нового утонченного витализма становится стремление некоторых ученых принизить или даже игнорировать центральную роль ДНК. По иронии судьбы редукционизм не помог. Сложность клеток, вместе с продолжающимся подразделением биологии на учебные дисциплины в большинстве университетов, привела многих на путь „белкоцентричности“, противостоящей ДНК-центричному взгляду на биологию. В последние годы ДНК-центричная точка зрения все сильнее склоняется к эпигенетике, системе «переключателей», которые включают и выключают гены в ответ на такие факторы окружающей среды, как стресс или питание. Многие сейчас ведут себя так, как будто область эпигенетики на самом деле отделена и независима от биологии, основанной на ДНК. Когда кто-то начинает приписывать цитоплазме неизмеримые свойства, он тем самым невольно попадает в ловушку витализма. То же самое относится к подчеркиванию загадочных эмерджентных свойств клетки помимо ДНК, что равносильно возрождению принципа Omnis cellula e cellula и идеи, что все живые клетки происходят от ранее существовавших клеток.

Это, конечно, верно, что клетки оказались первичной биологической основой для всего, что мы знаем как жизнь. Понимание их структуры и содержимого стало в результате основой для важных фундаментальных дисциплин – клеточной биологии и биохимии. Однако, как я надеюсь показать, без своей генетической информационной системы клетки проживут от нескольких минут до нескольких дней. Без генетической информации у них нет средств для создания белковых компонентов или их оболочки из липидных молекул, которые образуют мембрану, удерживающую их водянистое содержимое. Они не будут эволюционировать, они не будут воспроизводиться, и они не будут жить.

Хотя мы осознаем, что миф, сложившийся вокруг Вёлерова синтеза мочевины, неточно отражает исторические факты, связанные с этим сюжетом, фундаментальная логика его эксперимента по-прежнему оказывает мощное и обоснованное влияние на научные методы. Сегодня стандартный способ доказать, что предполагаемая химическая структура исследуемого вещества верна, состоит в том, чтобы синтезировать такую структуру и показать, что результат синтеза имеет все свойства природного продукта. Десятки тысяч научных статей начинаются с такой предпосылки или содержат фразу «доказано синтезом». Мое собственное исследование руководствовалось принципами письма Вёлера от 1828 года. Когда в мае 2010 года моя группа в Институте Крейга Вентера (JCVI) синтезировала целую бактериальную хромосому посредством компьютерной программы и четырех бутылей химикатов, а потом вставила хромосому в клетку, создав первый синтетический организм, то мы действовали по аналогии с работой Вёлера{30}30
  Moreno, Jonathan D., Editor-in-Chief of Science Progress: http://scienceprogress.org/2010/05/synbio-ethics/.


[Закрыть]
и его «синтезом как доказательством».

Материалистический взгляд на жизнь как машину приводил некоторых ученых к попытке сотворения искусственной жизни вне биологии, на основе механических систем и математических моделей. К 1950-м, когда ДНК окончательно признали материальным носителем генов, механистический подход уже маячил в научной литературе. В этой версии жизнь должна появляться из сложных механизмов, а не из сложной химии. В 1929 году молодой ирландский кристаллограф Джон Десмонд Бернал (1901–1971) представил возможность существования машин с жизнеподобной способностью к воспроизведению себя в «постбиологическом будущем», которое он описал в книге «Мир, плоть и дьявол»: «Создать саму жизнь будет лишь предварительным этапом. Изготовление жизни как таковой будет важно лишь тогда, если мы собираемся позволить ей заново развиваться самой».

Логичный рецепт по сотворению этих сложных механизмов был разработан в следующем десятилетии. В 1936 году Алан Тьюринг, криптограф и пионер искусственного интеллекта, описал то, что обрело известность как машина Тьюринга, а именно набор инструкций, написанных на ленте. Тьюринг также определил универсальную машину Тьюринга, которая может выполнять любые вычисления, для которых можно написать инструкции. Это стало теоретической основой цифрового компьютера.

Идеи Тьюринга были развиты далее в 1940-х знаменитым американским математиком и энциклопедистом Джоном фон Нейманом, который задумал самовоспроизводящуюся машину. Подобно тому, как Тьюринг предвидел универсальную машину, фон Нейман предвидел универсальный конструктор. Родившийся в Венгрии гений очертил свои идеи в лекции «Общая и логическая теория автоматов» на симпозиуме Хиксона 1948 года в Пасадене, Калифорния. Он указал, что «живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы». Тем не менее он утверждал, что некоторые из закономерностей, которые мы наблюдаем у первых, могут быть поучительными для размышлений о последних и их проектирования.

Машина фон Неймана включает в себя «ленту» из ячеек, которая кодирует последовательность выполняемых машиной действий. Используя записывающую головку (обозначенную как «сборочный манипулятор»), машина может построить новую систему ячеек – в частности, может сделать полную копию и себя, и ленты. Репликатор фон Неймана был неуклюжей на вид структурой, состоящей из основной области в восемьдесят на четыреста квадратов, сборочного манипулятора и «хвоста Тьюринга» – полосы закодированных инструкций, состоящей из еще 150 000 квадратов. («Автоматы [Тьюринга] – это чисто вычислительные машины, – пояснял фон Нейман. – Что на самом деле нужно – так это автомат, производящий другие автоматы»{31}31
  Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 284.


[Закрыть]
.) Все это творение состояло примерно из двухсот тысяч таких «клеток». Чтобы воспроизводиться, машина использовала «нейроны», обеспечивающие логическое управление, передающие клетки для передачи сообщений от центров управления, и «мышцы», чтобы изменять окружающие клетки. По инструкциям хвоста Тьюринга машина выдвигала манипулятор, а затем водила им вперед-назад, создавая копию себя при помощи ряда логических манипуляций. Копия затем могла сделать новую копию и так далее.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6