Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Давайте назовем эти параметры электромом.

Идентификация генома и микробиома позволила возвести важнейшие ступени на пути к пониманию всей сложности биологии, и некоторые ученые полагают, что теперь пришло время дать определение электрома – электрических параметров и свойств клеток и образованных ими тканей, а также электрических сил, с которыми, как выясняется, связаны все аспекты жизнедеятельности. Подобно тому, как расшифровка генома позволила установить принципы кодирования в нашей ДНК такой информации, как цвет глаз, так, по мнению специалистов по биоэлектричеству, расшифровка электрома поможет выявить многоуровневые системы коммуникации в нашем теле и позволит нам их контролировать.

Эксперименты последних десяти или пятнадцати лет показали, что мы можем не только расшифровать этот код, но и научиться его переписывать. Исследователи ищут способы направленного воздействия на внутриклеточные электрические цепи, ответственные за все процессы жизнедеятельности – от заживления ран до регенерации и памяти. Например, когда здоровые клетки превращаются в раковые, их электрические сигналы очень сильно изменяются. А восстановление нормального электрического профиля заставляет их возвращаться к исходному состоянию и вновь становиться здоровыми клетками. Другие эксперименты показывают, что некоторые картины электрической активности мозга создают специфический сенсорный опыт, который может быть записан и переписан. Использование этой функции позволило бы создавать более продвинутые протезы, которые человек мог бы ощущать, как собственную кожу. Если клетки действительно передают какие-то сообщения с помощью электричества, расшифровка этого биоэлектрического кода может разрешить некоторые проблемы, которые не удается побороть с помощью уже испробованных генетических и химических методов. Мы как будто вскроем электрическую схему нашего тела и перепрограммируем ее по собственному желанию.

Подобные манипуляции с биоэлектричеством на самом фундаментальном уровне могут привести к невероятным результатам. Сможем ли мы достаточно хорошо интерпретировать эти коды, чтобы исправить нашу биологию в случае поломки? Некоторые специалисты в области биоэлектричества заявляют даже, что понимание логики этого “ПО”[9] позволит программировать наше тело и разум, как компьютер. Они рассматривают целый спектр возможностей: редактирование электрического кода человека для усиления интеллекта, перепрограммирование беспокойных личностей, восстановление ампутированных конечностей или полная перестройка шаблона тела. Если мы действительно электрические, должна существовать возможность программировать нас на клеточном уровне.

Но что произойдет, если мы будем использовать знания об электроме для усовершенствования наших способностей вместо того, чтобы избавляться от рака? Разработка технологии редактирования генома CRISPR вызвала волну беспокойства по поводу “дизайна детей”, и возможность редактировать электрический код приведет к аналогичным последствиям. В одном исследовании за счет манипуляций с электромом на коже лягушки были созданы функциональные глаза, в другом был выращен двухголовый червь[10]. Есть очевидная корреляция между электромом и формой тела – от червя до лягушки и человека, – так что нам нужно провести еще очень много исследований, прежде чем кто-то сможет вырастить себе третий глаз, чтобы поразить социальные сети.

Кроме того, в исследованиях биоэлектричества очень часто возникает опасность соскользнуть в сторону смутного, но ощутимого соблазна представить человека в качестве обладателя несовершенной телесной плоти, улучшить которую можно только с помощью добавления и замены “железа” и “программного обеспечения”. Как будто в один прекрасный день мы вверим наше сознание безупречным небесам кремниевых облачных сервисов. Где границы усовершенствования или изменения человека? Кто будет контролировать правила перестройки электрической схемы тела? А что, если военные министерства всех стран начнут тренировать своих солдат так же, как я тренировалась в Калифорнии?

Эта книга поможет понять суть биоэлектричества – в мозге и в нервной системе, где его роль известна уже давно, но также и в более неожиданном контексте, о котором мы узнаем только сейчас. Я расскажу, как искусственное электричество помогает понять работу биологического. Вы встретитесь с учеными, которые преодолевают рамки искусственной электростимуляции и переходят к созданию новых имплантируемых устройств, способных “разговаривать” с нашим телом на его родном языке, – от роботов на основе лягушачьих клеток до новых электронных имплантатов из хитина креветки. Если мы собираемся манипулировать человеческим телом, мы должны делать это как минимум на его собственных условиях, установившихся за миллионы лет эволюции, а не с помощью изобретенных нами шлемов. Мы вышли на новую ступень в исследованиях биоэлектричества. “В области биоэлектричества мы сейчас находимся на таком этапе, на котором была астрономия, когда Галилей изобрел телескоп”, – говорит Джамгоз, который занимается исследованиями рака и пытается заглянуть в область неизведанного. Если XIX век называли веком электричества, XXI век может войти в историю как век биоэлектричества.

Часть 1

Начала биоэлектричества

Помни: гибель героя – предлог для его бытия.

Гибель героя последним рождением станет.

Райнер Мария Рильке, “Элегия первая”[11]

Обычно трудно целиком воссоздать историю возникновения какой-то современной ситуации, исходя из сложной смеси культурных и хронологических фактов. Но противоречивое отношение к биоэлектричеству совершенно очевидно вызвано цепью причинно-следственных связей: это и жестокая битва, способствовавшая разграничению науки на составляющие ее современные дисциплины, и противостояние биологов и физиков в смертельной схватке, в конечном итоге определившей победителя за право приватизации электричества. Биологи проиграли, физики выиграли, и последствия сказывались на развитии науки на протяжении двух сотен лет. Этот раскол на глубочайшем уровне определил отношение следующих поколений ученых к роли электричества в биологии.

Глава 1

Искусственное и животное: Гальвани, Вольта и борьба за электричество

Алессандро Вольта был чрезвычайно удивлен. Он держал в руках только что напечатанную работу, автор которой утверждал, что разгадал древнейшую тайну: какое вещество протекает через тела всех живых существ и определяет любое их движение и намерение?

Ответ – электричество.

Вольта – сухощавый подвижный человек, любивший роскошные высокие воротники, с непослушной густой черной шевелюрой, беспрестанно атаковавшей лоб, – был готов проверить заявление автора. Чуть больше десяти лет назад, в 1779 году, он получил должность руководителя отдела экспериментальной физики в Университете Павии, после того как создал новый инструмент, являвшийся готовым источником статического электричества. Это изобретение было взято на вооружение многими учеными (и предвосхитило появление устройства, сохранившего имя Вольты для истории), но их негромких разрозненных аплодисментов Вольте было недостаточно. Он жаждал новых похвал. Он этого заслуживал. Он двигался вверх, посещал самые важные научные центры и создал влиятельную сеть протекции, состоявшую не только из ученых, но и из политиков и других представителей высших слоев итальянского общества. Он готов был провозгласить себя одним из мировых авторитетов в изучении противоречивого, нового, модного и загадочного явления электричества.

Электричество было (и остается) природной силой, загадки которой тогда только начинали интересовать научный мир. Никто толком не понимал суть этих невидимых токов. Небесное электричество било и иногда убивало людей; и все еще не был решен вопрос, не та же ли это сила, которая позволяет некоторым рыбам оглушать своих жертв. В то время электричество только-только выходило из разряда забавных фокусов и смехотворных измышлений (например, считалось, что мужчины с большим зарядом электричества производят искры при сексуальном контакте). Лишь незадолго до этого появились первые простейшие инструменты, позволившие перейти от диких предположений к серьезному научному исследованию и эксперименту. Изобретателей этих устройств в XVIII веке можно сравнить с современными рок-звездами. Среди них был и Вольта, снискавший репутацию восходящей звезды среди ученых, превращавших тайны электричества в эмпирические истины. Некоторые коллеги-физики называли его “Ньютоном электричества”[12]. И вот теперь автор статьи анатом Луиджи Гальвани заявлял, что обнаружил биологический вариант электричества.

Гальвани был нелюдимым мужланом из той части Италии, где лишь недавно появились инструменты, позволившие включиться в быстро развивавшиеся научные исследования. Рукопись этого набожного акушера была написана очень простым языком. И этот человек утверждал, что обладает высшими знаниями о предмете, в котором еще не разобрались величайшие умы в мире философии и науки!

Из рукописи было ясно, что Гальвани понимал размах своего заявления. “Мы не могли предположить, что судьба будет настолько благосклонна, что позволит нам быть первыми, кто коснулся электричества, спрятанного в нервах”, – писал он в предисловии с волнением и предчувствием[13]. На самом деле эти слова Гальвани стали впоследствии причиной многих его несчастий.

Почему же заявление Гальвани о том, что тело оживляется каким-то видом электричества, вызвало такое возмущение? Чтобы понять причину негодования Вольты, нужно знать, что в конце 1700-х годов биология чрезвычайно сильно отставала от физики.

Научная революция в Европе перевернула представление ученых о физическом мире, сбросив оковы признанных догм и заменив их проверяемыми законами и предиктивными уравнениями. Коперник и Галилей сместили нашу планету из центра мироздания в непримечательный уголок космоса. Кеплер открыл законы движения планет вокруг Солнца, занявшего теперь центральное положение. Благодаря этому Ньютон вывел закон гравитации и объяснил падение тел на Земле.

Но в биологии открытий такого масштаба[14] было очень мало. В науке о живых существах многообещающий век закончился тупиком. Физиологи с помощью микроскопов могли разглядывать миниатюрный мир бактерий, клеток крови и дрожжей. Анатомы составляли подробные карты нервов, протянутых до всех окончаний тела. Стало понятно, что эти нервы тесно связаны с нашей способностью двигать конечностями. Но каким образом? В конце 1700-х годов ученые по-прежнему почти ничего не знали о механизмах, позволяющих человеку ходить, говорить, сгибать пальцы рук и ног, чувствовать и расчесывать раздраженные участки кожи. Как нематериальная душа управляет движениями живой машины? Ни у кого не было и намека на ответ.

Сказать, что понимание этих явлений в XVII оставалось на уровне темных веков, значит не сказать ничего. Такое понимание сложилось гораздо раньше, еще во времена Клавдия Галена – блестящего и авторитетного римского врача и философа II века[15]. Теории Галена на следующие полторы тысячи лет определили суть философских рассуждений о том, что протекает по нашему телу и позволяет нам двигаться и мыслить.

Идеи Галена сформировались на основании столетних рассуждений в аристотелевском духе, которые он уточнял по мере вскрытия многочисленных трупов. Гален заключил, что нервы представляют собой полые трубки, переносящие волю человека с помощью нематериального вещества, названного pneuma psychikon (animal spirits, животный дух), заставляющего действовать мышцы и конечности. Слово “животный” в данном случае употреблено не в зоологическом смысле: anima – латинский перевод греческого слова psyche, означающего жизнеспособность. По мнению Галена, этот дух образуется в результате сложных серий превращений внутри тела: он начинается в печени, очищается в сердце, вступает в реакцию с воздухом при дыхании и, наконец, отправляется в соответствующий центр в мозге[16]. При необходимости совершить движение мозг выступает в роли гидравлического насоса, накачивая животный дух в полые нервы для распределения по всем движущимся и чувствующим частям тела. При продвижении от мозга к мышцам этот дух вызывает мышечное сокращение, а обратно переносит ощущения.

За исключением некоторых дополнительных барочных украшений эта догма в целом оставалась неизменной как минимум на протяжении последующих 1300 лет. Любой теоретический прогресс в данной области достигался за счет не экспериментальных наблюдений, а философских рассуждений. Например, в середине 1600-х годов автор идеи о дуализме души и тела Рене Декарт предположил, что животный дух по составу ближе не к “огненному воздуху”, а к жидкости, подобной воде, движущей механическое устройство. Врачи продвинулись ненамного дальше. Сицилийский физиолог и врач Альфонсо Борелли предположил, что животный дух – не жидкость, а скорее очень активный щелочной “сок” – он назвал его нервным соком (Succus nerveus) – и этот сок просачивается из нервов при малейших пертурбациях. При взаимодействии сока с кровью в мышцах происходит возбуждение окружающих тканей.

Все подобные объяснения упирались в одну и ту же проблему: вскоре после изобретения микроскопа в XVII веке стало совершенно ясно, что нервы не могут быть полыми. И это означало, что за движение конечностей не мог отвечать ни животный дух, ни нервный сок. Но хотя первые микроскопы были достаточно мощными, чтобы вытеснить идею о нервных трубках, их разрешения все еще не хватало для более точного определения структуры нервов. И в результате главный вопрос оставался без ответа: как можно переносить что-то по телу без помощи трубок? Постепенно этот вакуум стал заполняться новыми теориями.

Отсутствие доказательств открыло дорогу самым разным идеям – от весьма правдоподобных до самых невероятных. Исаак Ньютон выдвинул гипотезу о том, что сигналы от мозга передаются по нервам с помощью вибраций, подобных вибрациям гитарной струны. На другом краю спектра находилась гипотеза врача из терм в Бате Дэвида Киннейра (в расцвет популярности лечения на водах в Англии при термах работали врачи, которые прописывали пациентам индивидуальный режим питья и купания – естественно, за солидную плату). В 1738 году он выпустил трактат, в котором предположил, что животный дух перемещается с кровью, а лечебная вода помогает разблокировать сосуды, которые ее переносят[17].

Следует заметить, что до начала XIX столетия наука гораздо слабее разграничивалась дисциплинарными рамками. Тогда от людей, занимавшихся изучением природы, не требовалось соблюдения жестких границ конкретных дисциплин – в значительной степени по той причине, что этих дисциплин еще просто не существовало. Они появились позже. Вообще говоря, ученых еще даже не называли учеными. Люди, занимавшиеся изучением мира природы, называли свою деятельность натурфилософией или иногда экспериментальной философией. Типичным представителем такого архетипа был Александр фон Гумбольдт, который путешествовал по миру и занимался всем, что ему нравилось. Такие люди, как он и Гальвани, могли изучать любой предмет, завладевший их интересом, и это могли быть (и были) столь разные предметы, как структура кости, сравнительная анатомия или электричество.

Наименее четко была определена граница между физикой и науками о жизни. Пересечение этой границы было нормой. Попробуйте классифицировать людей, занимавшихся биологией в XVIII веке, и вы обнаружите среди них абсолютно всех – от радикальных теологов до врачей. Но одно было ясно: врачи (которым отводилась роль предписания практических снадобий) не пользовались большим уважением, что объяснялось растущим осознанием пробела между их ученым видом и реальной способностью избавлять от болезней.

Новая надежда

В начале XIX века люди знали о своих телах ненамного больше, чем за тысячу лет до этого. Тем временем научная революция способствовала все более углубленному изучению электричества.

Подобно животному духу, на протяжении столетий электрические явления тоже подвергались изучению, но при этом оставались необъяснимыми. Например, древние греки обнаружили странные камни, которые с помощью какой-то невидимой силы притягивали к себе металлы. Они также знали, что молния способна убить человека при попадании. Было известно, что электрический угорь поражает добычу сильным ударом. А еще был обнаружен янтарь – смола, в которую попадались насекомые и которая тоже имела странное свойство притягивать пылинки и пух подобно тому, как камни притягивали металл. Если сильно потереть янтарь, можно услышать треск и увидеть искру. Однако до XVII столетия никаких общих теорий для объяснения этих наблюдений не существовало.

Слово “электричество” возникло задолго до того, как мы узнали о роли этого явления в перечисленных выше процессах. В 1600 году этот термин предложил Уильям Гилберт, которого (с учетом моего предыдущего замечания о разграничении дисциплин) можно назвать одновременно и врачом, и физиком, и натурфилософом. Слово “электричество” образовано от древнегреческого слова elektron, означающего “янтарь”, что связано с уникальной и таинственной способностью янтаря вызывать искру.

Научная революция в значительной степени способствовала усовершенствованию методов исследования электрических явлений. В 1672 году Отто фон Герике изобрел первое устройство, позволившее ученым самим производить электричество: этот “электростатический генератор” представлял собой стеклянный шар, который накапливал небольшой электрический заряд после того, как его натирали шелковой тканью. Если потом дотронуться до шара, вас ударит током (отсюда, вообще говоря, и происходит термин “статическое электричество”: шар удерживал электричество на поверхности, оно никуда не двигалось – оно находилось в “статическом” состоянии). Электростатические генераторы позволяли накапливать электричество и производить более сильные разряды, чем янтарь, и люди впервые смогли выбирать, как, когда и куда направить эти разряды. Следом появились другие инструменты, и некоторые из них позволяли заряжать генератор с помощью ручки, так что не нужно было утомлять руки, натирая шар шелком. Более крупные стеклянные трубки создавали более мощные разряды. Удар от такого разряда был несильным, но достаточным, чтобы положить начало столетию искусства новых игр – от “поцелуя Венеры”, когда наэлектризованная женщина при поцелуе била джентльмена по губам электрическим током, до развлечения маленьких мальчиков, которые, как по волшебству, притягивали к себе кусочки бумаги и другие мелкие предметы.

Но все подобные генераторы имели одно и то же ограничение: при прикосновении к ним запас накопленного статического электричества высвобождался полностью и единовременно (то же самое происходит, когда вы беретесь за ручку двери и испытываете резкую боль от электрического разряда). Возможности запасать электричество для последующего использования еще не было.

Примерно через сто лет после изобретения первых электростатических генераторов несколько ученых независимым образом пришли к мысли о создании специальных емкостей, которые могли бы “откачивать” из генератора загадочное невидимое вещество и запасать его. Чтобы избежать решения щекотливого вопроса об авторстве открытия, новое изобретение назвали лейденской банкой, что негласным образом отдавало пальму первенства Питеру ван Мушенбруку, который проделал значительную часть работы в одноименном голландском городе. Ученые соревновались в том, кто сможет накопить в таких банках больше электричества, и из-за этого, как нетрудно догадаться, случались беды. Однажды, когда ван Мушенбрук заряжал лейденскую банку, та взорвалась в его руках, как перегруженный чемодан. Удар был настолько сильным, что частично парализованный физик провел в постели два дня.

По мере того как люди учились заряжать все более и более емкие сосуды, демонстрация лейденских банок становилась все более захватывающей. Например, толпу из двухсот монахов, соединенных между собой металлической проволокой, ударило током от одной лейденской банки. А еще появилась популярная шутка, в рамках которой специально изготовленный бокал для вина заряжали электричеством к большому удовольствию гостей на пикнике (и к меньшему удовольствию несчастной жертвы)[18]. Хотя представителям высшего общества эти эксперименты нравились, они считали электричество лишь новой игрой, и никто даже не предполагал, что эти фокусы могут принести пользу, пока в середине 1740-х годов шотландский циркач Доктор Спенсер не послал свой аппарат в филадельфийскую резиденцию молодого Бенджамина Франклина[19].

В заслугу Франклину часто ставят то, что он единолично превратил электричество из забавы в науку. И хотя реальная история была несколько сложнее, знаменитый опыт Франклина с воздушным змеем действительно положил начало процессу унификации, доказавшему, что разные электрические предметы и явления, включая молнию, янтарь и электростатические генераторы, являются лишь разными проявлениями действия одной и той же невидимой субстанции.

Знаменитый эрудит и политик Франклин относился к числу первых исследователей, пытавшихся создать общую теорию электричества, которая связала бы “природное электричество” (молнию) с субстанцией, производимой генератором и запасаемой в лейденской банке (“искусственное электричество”). Однажды во время грозы он привязал ключ к длинной бечевке, свисающей с воздушного змея. Если бы ему удалось зарядить лейденскую банку с помощью молнии, он бы доказал свою гипотезу. Это был чрезвычайно опасный эксперимент, но он сработал так гладко, что о нем все еще заставляют читать детей в школе. Вывод был однозначен: молния – это электричество.

Эксперимент Франклина имел последствия огромной важности и помог проложить путь новым знаниям, сформировавшим область науки, последователи которой стали называть себя электриками (тогда это слово имело гораздо более возвышенный оттенок, “электрики” XVIII века были сродни современным ракетостроителям). Кроме того, электричество стали воспринимать как невидимую жидкость, которую можно собрать в банку и которая может преодолевать большие расстояния и перемещаться по проводам – неважно, полым или нет.

Где еще было электричество? Люди начали задавать себе вопрос, не родственна ли эта “нематериальная жидкость” занимавшему умы общественности животному духу. В 1776 году эта идея нашла первое подтверждение благодаря экспериментам Джона Уолша с электрическими угрями.

Уолш был классическим натурфилософом: полковник, член палаты общин, состоятельный во всех отношениях человек. Он вращался в тех же кругах, что и Франклин, который тоже начал интересоваться электрическими рыбами. Когда были описаны электрические органы рыб, Франклин счел, что удар, который наносят эти существа, является еще одним проявлением электричества, и поэтому убедил Уолша “направить свою научную энергию” (читай: выделить часть своего огромного состояния) на проведение экспериментов, доказывающих реальность “рыбьего электричества”[20].

Для этого требовалось поместить электрическую рыбу в темную комнату и заставить произвести удар – в надежде, что при этом появится видимая вспышка. Это было бы прямым доказательством, “дымящимся пистолетом”. Невероятно, но, по-видимому, Уолшу это удалось. В нескольких исторических документах приводятся свидетельства людей, присутствовавших на демонстрации в 1776 году, которые подтверждают, что электрические угри и впрямь электрические. В газете British Evening Post писали о “ярких вспышках”.

Хотя данный эксперимент не является прямым доказательством связи между “рыбьим электричеством” и какими-либо процессами в человеческом организме, идея уже зародилась: возможно, нервы и мышцы тоже приводятся в действие какой-то формой электричества. Если угорь может производить искры, может быть, и мы создаем наши внутренние искры?

Именно так электричество настигло Луиджи Гальвани.

Человек, желавший узнать тайну Бога

Историкам немногое известно о семье Луиджи Гальвани и о его юности. Мы знаем, что он родился в 1737 году в папской Болонье, в благополучном и прогрессивном городе Италии. Как сообщает историк Марко Брезадола, Гальвани происходил из купеческой семьи; его отец Доменико Гальвани был золотых дел мастером, и к моменту появления на свет Луиджи у него была уже четвертая жена, Барбара, и дети начали появляться по второму кругу[21]. В семье Гальвани было достаточно денег, чтобы позволить нескольким детям получить университетское образование, которое стоило дорого. Заполучить ученого в купеческую семью означало повысить ее социальный статус и престиж, так что Доменико отправил детей учиться.

Поначалу Луиджи противился этому решению. Он был мечтательным ребенком, предпочитавшим домашнюю жизнь болонскому студенческому кутежу. Больше всего ему нравилось беседовать с монахами в монастыре вблизи Болоньи, в задачу которых входило посещение умирающих в последние часы жизни[22]. Гальвани восхищали мысли монахов, навещавших людей на грани между жизнью и смертью. От них он впитал ценности и идеи прогрессивного католического Просвещения, в том числе теории правящего папы о “всеобщем счастье”. Прогрессивный папа Бенедикт XIV уделял церемониям и роскоши меньше внимания, чем многие его предшественники, и пытался усилить набожность своих сограждан путем реального улучшения их жизни, что выражалось в реализации гражданских инженерных проектов, таких как строительство канализационных стоков, но также и в улучшении системы образования, включая снабжение университетов современными инструментами, в том числе электрическими[23]. Вера для него была проявлением милосердия, а не соревнованием в набожности.