* * *

Зная, как устроена жизнь, мы можем влиять на нее. Это, конечно, не новость. Изучив среди прочего иммунную систему и поведение микроорганизмов, мы одолели множество болезней, в прошлом терзавших человечество. Так, за один лишь XX век оспа унесла больше 300 миллионов жизней, но теперь исчезла благодаря вакцинации5. Накопленные знания в сферах генетики, биохимии и множестве других позволяют нам добиваться от растений и животных производства продовольствия для семи с лишним миллиардов человек, хотя всего веком ранее людей на планете было в четыре раза меньше. В последние годы мы научились вносить фундаментальные изменения в организмы, напрямую считывая их геномную информацию и переписывая ее с целью коррекции форм и функций. Как мы увидим, эти прорывы не случились бы, не подойди мы всерьез к изучению жизни через призму биофизики. Признав осязаемую, физическую природу ДНК и других молекул, мы сумели разработать инструменты, которые в буквальном смысле проталкивают, вытягивают, разрезают и сшивают фрагменты жизни.

Биофизический ракурс также помогает нам осмыслить последствия применения новых биотехнологий и трудные решения, которые они вынуждают нас принимать. При появлении у нас в руках, например, биоинженерных методов уничтожения комаров, которые разносят малярию, лихорадку денге и другие болезни, мы вспомним одновременно и печальный опыт спровоцированного человеком вымирания биологических видов, и вдохновляющие истории прошлых побед над болезнями. Чтобы решить, применять ли эти методы, нужно понимать, как они работают и чем отличаются от инструментов, использованных в прошлом. На уровне частной жизни способность читать собственный геном позволяет нам прогнозировать вероятность развития тех или иных заболеваний у нас и у наших детей, а развивающиеся сейчас технологии геномного редактирования дарят нам возможность менять эту вероятность. К чему приведет корректировка зародышевого генома в попытке избавить будущего ребенка от муковисцидоза, рака или депрессии? Решение, делать ли это, глубоко личное, но вместе с тем оно влечет за собой серьезные этические и социальные последствия. Такие решения могут — и должны — подкрепляться достаточными знаниями о генах, геномах, клетках, организмах и процессах, которые определяют их взаимодействие. Ниже мы увидим, что физическая природа компонентов жизни и основополагающие вопросы, связанные со случайностью и неопределенностью, влияют на то, что мы можем и не можем делать с нашими новыми технологиями.

* * *

В ходе освоения биофизических тем мы столкнемся со множеством примеров из разных сфер жизни. Мы рассмотрим принципы нормальной работы организмов, включая наш собственный, а также сбои, связанные с болезнью, и точки пересечения биологии с технологиями. В первой части («Ингредиенты жизни») наше путешествие начнется внутри клеток. Мы опишем, в частности, ДНК и белки — вещества в определенном смысле универсальные, поскольку на их основе организованы все известные нам живые существа. Молекулярных персонажей первой части этой истории вы наверняка встречали в школьном курсе биологии, но мы сосредоточимся на физических характеристиках, которые определяют их функции. Мы познакомимся с жесткими нитями ДНК, двумерными жидкостями, определяющими границы клеток, и трехмерными скульптурами из одной молекулы. Во второй части («Жизнь во всей полноте») мы расширим горизонты и рассмотрим сообщества клеток, включая эмбрионы, органы и популяции бактерий, живущих внутри каждого из нас. А еще, усвоив закономерности масштабирования, которые определяют форму животных и растений, мы выясним, почему слону никогда не стать таким же атлетичным, как антилопа. В третьей части («Конструирование организмов») мы вернемся к микромиру ДНК, но теперь, лучше разобравшись во взаимосвязи молекул и организмов, обратим внимание на геном в целом. Мы выясним, что значит читать, писать и редактировать ДНК, а также узнаем, как сама природа указала нам на подходящие для этого инструменты и какие возможности и проблемы сами эти технологии сулят.

Сколь бы интересными ни были эти темы и примеры, общий эффект от знакомства с ними оказывается куда сильнее: единое больше, чем сумма частей. Биофизика преображает наш взгляд на мир. В концовке «Происхождения видов» Дарвин пишет:

...

Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм [Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора // Собр. соч. в 9 т. М.: Изд-во АН СССР, 1939. — Прим. перев.].

Я надеюсь убедить вас, что Природа еще величественнее и мудрее, чем полагал Дарвин. Неизменные и точные законы физики вовсе не контрастируют с появлением бесконечного числа прекрасных форм, а неразрывно связаны с ним. Мы можем сказать, что важнейшим «простым началом» стало не зарождение жизни и не формирование нашей планеты, а возникновение физических законов, характеризующих нашу Вселенную. Эти законы не перестали влиять на жизнь миллиарды лет назад, а вылепили и продолжают лепить все «изумительные формы» вокруг и внутри нас. Отыскав простоту в сложности и прочертив связи между разнообразными явлениями жизни и универсальными принципами физики, мы лучше поймем себя, других существ и в целом мир, в котором обитаем. Надеюсь, вы согласитесь с этим.

Часть I. Ингредиенты жизни

Глава 1. ДНК: код и спираль

В Национальной портретной галерее в Лондоне висит бежевая пластинка агаризованной питательной среды, поросшей бактериальными колониями1. В этих бактериях содержатся копии ДНК нобелевского лауреата Джона Салстона [Британский биолог Джон Эдвард Салстон (1942–2018) известен прежде всего как исследователь эмбрионального развития модельного червя Caenorhabditis elegans и как одна из центральных фигур в проектах прочтения геномов C. elegans и человека. Нобелевскую премию в 2002 году он получил совместно с Сиднеем Бреннером и Робертом Хорвицем «за открытия, связанные с генетической регуляцией развития органов и программируемой клеточной гибели». Салстон выступал за свободный доступ к научным данным и против патентования генетической информации, считая такой способ извлечения прибыли аморальным.]. И хотя друзья Салстона, вероятно, не уловили бы здесь портретного сходства с моделью, художник Марк Куинн отмечает, что именно эта работа — «самый реалистичный портрет в портретной галерее», поскольку «содержит подлинные инструкции, которые привели к созданию Джона»2.

Сегодня даже малым детям объясняют, что ДНК каким-то образом делает вас вами, определяя цвет глаз, форму носа, вашу любовь к кориандру и многое другое. Мы привыкли к мысли, что в ДНК закодированы инструкции, которые управляют нами. Но что же означает это слово — «закодированы»?

Наше биофизическое исследование структур и механизмов жизни начинается с ДНК — молекулы знакомой, даже культовой, но абстрактной во многих встречаемых нами описаниях. На протяжении нескольких глав мы будем изучать, как инструкции прописываются в ДНК, рассматривая белки, гены и сети взаимосвязей между ними. За последние десятилетия представления ученых о том, как из этих компонентов составляются и сами сообщения, и инструменты для чтения сообщений, сильно расширились, и мы продолжаем, образно говоря, распутывать хитросплетения ДНК. Сравнительно недавно удалось разработать головокружительные способы вмешательства в закодированную в ней информацию, правда, исходы таких вмешательств мы в полной мере еще не представляем (см. часть III). В этой главе мы сосредоточимся на самой ДНК, что сразу же позволит прочертить связи между биологией и физикой, а также между наукой и технологиями.

Четыре образа ДНК

ДНК — это не просто сборник абстрактных инструкций, а оформленное и структурированное вещество, физические свойства которого тесно связаны с его функциями. Что же представляет собой это вещество? Твердое оно или жидкое, жесткое или гибкое, плотно уложенное или рыхло? ДНК многогранна, и можно фокусироваться на разных ее аспектах в зависимости от того, что именно нас интересует. Давайте посмотрим на ДНК с четырех ракурсов.

1. ДНК — это бесцветная слизь. Мы можем подержать ДНК в руках и рассмотреть невооруженным глазом. Это несложно: с помощью блендера и простейших бытовых химикатов мы можем извлечь ДНК, скажем, из клубники или зеленого горошка. Рецепт примерно таков: измельчите фрукты или овощи блендером — так вы оторвете их клетки друг от друга. Добавьте в полученную массу моющее средство, чтобы растворить клеточные мембраны. Капните немного приправы для размягчения мяса или ананасового сока — там содержатся ферменты, расщепляющие белки. Теперь ДНК — единственный клеточный компонент, оставшийся невредимым. Добавьте медицинский спирт, который растворит фрагменты белка, но ДНК не тронет. ДНК соберется в длинные нити, которые можно вытянуть зубочисткой, — так мы получим мутно-белый волокнистый сгусток. Это и есть ДНК. Выглядит она так себе. Однажды извлечение ДНК на практикуме даже довело меня до слез. Дело, однако, было в том, что я совершил ужасную ошибку, выбрав в качестве исходного сырья для опыта лук — субстанцию удобно бесцветную, но страшно режущую глаз.

2. ДНК — это закодированное сообщение. На другом полюсе осязаемости находится ДНК в образе абстрактного, закодированного четырьмя символами сообщения. Эти символы принято обозначать буквами — A, T, Ц, Г, — но с нашей задачей справятся и четыре разноцветных квадратика. Та или иная последовательность символов кодирует информацию о том, как вашим клеткам строить то, что им необходимо строить, и делать то, что им необходимо делать. Сколько же информации способна вместить ДНК? Давайте сравним этот объем с объемом цифровой информации, хранящейся в переносном музыкальном плеере. Сегодня мы привыкли к «битам» и «байтам» — единицам информации. Бит (от англ. binary digit, двоичная цифра) — это любой сигнал, который может принимать лишь два значения: да или нет, 0 или 1, север или юг у магнита. Флешка емкостью 1 гигабайт содержит около 8 миллиардов бит информации: «гига» значит «миллиард», а байт состоит из восьми бит. Ее содержимое можно записать как определенную последовательность нулей и единиц (…01110100110010100011011101000011011100011010011…). А сколько же бит в последовательности ДНК каждого человека? Наша ДНК состоит из 3 миллиардов символов, то есть из 3 миллиардов A, T, Ц и Г. Чтобы перевести каждый символ в двоичный код, мы могли бы составить словарь, такой например: