Потенциальные существа

Казалось, учение Дарвина покончило с понятием биологических сущностей — однако эволюция не состоялась бы без природной библиотеки платоновских идей. Когда панцирная веретеница скользит в траве, эту ящерицу невозможно отличить от змеи. Но потревожьте ее, и она покажет вам не свойственное змее искусство: оставит свой еще извивающийся хвост позади — и уползет. Это далеко не единственный сюрприз, который способна преподнести панцирная веретеница. Внимательный взгляд также различит негибкие челюсти, подвижные веки и ушные отверстия. Все эти черты свойственны ящерицам и отсутствуют у змей. Так или иначе, это своеобразное существо ускользает в расщелину между известными нам категориями.

Чтобы систематизировать беспорядочное разнообразие миллиона с лишним различных форм жизни, нам необходимо сортировать их по ячейкам, которые мы называем видами. И, кажется, что может быть естественнее, чем использовать для этого зримые черты, такие как ноги, челюсти или уши? Именно так и поступил еще за столетие до Чарльза Дарвина систематик Карл Линней, создав нашу современную классификацию разнообразных форм жизни. Тем же путем пошел отец палеонтологии Жорж Кювье (Jean Cuvier), классифицируя организмы, сохранившиеся в виде ископаемых останков.

Классификация требует сравнения. В процессе мы обнаруживаем, насколько между собой похожи лапы птиц и львов или бутоны роз и бархатцев. Подобные сходства явились основой великого прозрения Дарвина о том, что все формы жизни принадлежат одной грандиозной семье. Тем не менее некоторые ученые, как, например, Кювье, отклонили идею великой эволюции живых существ, ссылаясь на значительные пробелы, существовавшие в то время в палеонтологической летописи. «Если виды изменялись постепенно, — писал он в 1827 году, — то мы должны найти следы этих последовательных изменений». Если бы ему были известны промежуточные шаги, пример одного из которых мы только что видели, возможно, он бы изменил свое мнение.

Хотя, пожалуй, нет. Причины отвержения эволюции надо искать глубже, не только в неполноте знаний. На самом деле они возвращают нас к Платону, чье влияние на развитие мысли оказалось настолько всеобъемлющим, что вся полнота европейской философии, по словам мыслителя XX века Альфреда Норт Уайтхеда (Alfred North Whitehead), может быть сведена к «серии примечаний» к его трудам.

Для Платона видимый материальный мир есть лишь слабая тень высшей реальности. Что действительно важно, так это царство абстрактных понятий. Для последователя идей Платона суть футбольного мяча, мяча для гольфа и теннисного мяча заключается в их шарообразной форме. Именно в этом их чистая, абстрактная и неизменная сущность, именно она является реальной, а не сами физические мячи, чье существование так же мимолетно и непостоянно, как тень.

Задача систематика может показаться пугающе сложной, но она становится вполне разрешимой, если предположить, что каждый вид отличается своей платонической сущностью. Например, тело без конечностей и гибкие челюсти могут быть частью сущности змеи, которые отличают ее от других рептилий. Задача состоит в том, чтобы обнаружить сущность вида. И правда, в мире Платона сущность действительно является видом. Быть змеей есть не что иное, как быть конкретным образчиком идеи змеи.

Единственная проблема: панцирная веретеница. И сотни других существ, которые не поддаются простой классификации, такие как Eupodophis — относимая к концу мелового периода змея с рудиментарными задними лапами. В постоянно меняющемся дарвиновской мире из одних видов непрерывно происходят новые виды, чьи особенности, как оттенки, переходят из одной в другую.

Биолог XX века Эрнст Майр (Ernst Mayr) назвал Платона «великим антигероем эволюционизма». Именно Майр предложил современную биологическую концепцию вида, заменив ею эссенциалистскую концепцию. В основе предложенной им биологической концепции лежит понимание вида как репродуктивно связанной совокупности популяций.

Но, как уже не раз бывало прежде, последнее слово может остаться за Платоном. Нам просто нужно заглянуть глубже эфемерной оболочки живых существ.

Сама панцирная веретеница состоит из миллиардов клеток. Каждая клетка содержит тысячи различных видов белков — длинных цепочек молекул, состоящих из 20 различных видов аминокислот. И каждый из этих белков обладает уникальной способностью. Он может катализировать химическую реакцию или предотвращать клетки от разрушения, или распознавать питательные вещества, или принимать сигналы от других клеток и так далее. Каждая из этих способностей, возникнув миллионы лет назад, была новшеством — качественно новой и полезной функцией, играющей решающую роль в выборе между жизнью и смертью.

Как случайные изменения ДНК приводят к эволюционным новообразованиям? Концепция естественного отбора, предложенная Дарвиным, хотя и важна для понимания эволюции, не слишком помогает в этом случае. Дело в том, что отбор может распространять лишь те новообразования, которые уже существуют. Ботаник Хуго де Фриз (Hugo de Vries) в 1905 году лучше всех выразил эту мысль: «Естественный отбор может объяснить выживание сильнейших, но он не способен объяснить их появления» (за полвека до того Дарвин уже признавал, что, называя изменчивость организмов случайной, мы просто изобретаем еще один способ выразить то, что ничего в сущности не знаем об их происхождении).

Чтобы немного прояснить эту проблему, прибегнем к метафоре. Представим себе гигантскую библиотеку, в которой хранятся книги, содержащие в себе все возможные последовательности букв в алфавите. Такая библиотека, пожалуй, оказалась бы за гранями нашего воображения, а большинство ее текстов, конечно, были бы чистым бредом. Но в некоторых попадались бы островки вразумительности — тут слово, там хокку — в море случайных букв. Тогда как другие рассказывали бы нам истории, реальные и воображаемые: не только диккенсовского «Оливера Твиста» или гетевского «Фауста», но все возможные романы и драмы, биографии каждого отдельного человека, истинные и ложные истории нашего мира, других, еще не виданных нами миров и так далее. Некоторые тексты включали бы в себя описания бесчисленных технологических новшеств, от колеса до парового двигателя и транзистора — в том числе и бессчетных инновационных идей, которые потенциально могут зародиться в нашем воображении. Однако шансы наугад выбрать столь ценный фолиант оказываются ничтожно малы.

Белок как раз и есть один из томов в библиотеке такого рода, написанный на 20-буквенном алфавите аминокислот. И хотя белковые тексты не настолько длинны, как «Война и мир» Толстого, их общее число все же не может не удивлять. Так, библиотека всех возможных цепочек аминокислот, в 500 знаков длиной, содержала бы более 10 в шестисотой степени текстов — цифра, равная единице с 600 конечными нулями. Это число значительно превосходит количество атомов в видимой Вселенной.

Библиотека — это огромное пространство для бесчисленных возможностей, где зашифрованы все белки, которые могут быть полезны для жизни. Но вот в чем вопрос: эволюция не может просто отыскать необходимые ей химические вещества в гигантском каталоге. Нет, она должна медленно и кропотливо прокладывать себе путь среди книгохранилища. Представьте себе толпу посетителей — каждый из которых представляет целое семейство — которым требуется шаг за шагом наугад исследовать библиотеку. Это напоминает настольную игру, только вот дело может принять очень неприятный оборот. Мутация, которая ставит под угрозу жизненно важный белок, такой как гемоглобин, карается смертью. На этом злополучном томе родословная может мгновенно оборваться.

Задача, следовательно, заключается в том, чтобы попадать на тексты, которые работают. Природа уже обнаружила миллионы из них. Сами люди обнаружили еще больше, и темпы этих открытий не демонстрируют никаких признаков замедления. Чтобы оценить чудеса новообразований, скрытые в этих библиотеках, вам не надо далеко идти, достаточно взглянуть на обескураживающее разнообразие живых организмов вокруг нас. В то время как популяции прочесывают эти библиотеки, вокруг разворачивается грандиозная эпопея эволюции.

Если бы вам надо было найти текст по конкретному вопросу в такой библиотеке — без каталога — вы бы безнадежно потерялись. Хуже того, раз любая ошибка может оказаться фатальной, вы бы долго не выжили. Тем не менее жизнь не только продолжается, ей также удалось найти в этих библиотеках бесчисленные значимые тексты. Чтобы понять, как у нее это получается, нам необходимо составить каталог, которого не хватает эволюции. Для этого требуется узнать, как эти библиотеки организованы, чтобы затем прийти к пониманию того, каким образом оказывается возможным новообразование путем слепого поиска.

На протяжении более чем десяти лет этот вопрос находился в центре внимания моего исследования, проводимого в Цюрихском университете и в институте Санта-Фе в США. Мы подвергаем изменениям молекулы в лаборатории и записываем путь, которым они следуют через эти библиотеки, равно как и любые новые и полезные тексты, которые они находят. Мы также составляем карту местоположения миллионов молекул, которые были обнаружены естественными популяциями на протяжении миллиардов лет совершаемого ими путешествия. Мы используем мощные средства компьютерного моделирования для изучения той части библиотеки, которую природа еще не освоила. Благодаря этим усилиям нам удалось выявить систему организации этих библиотек, которая настолько же необычна, насколько идеальна для ее свободного исследования.

Одна из особенностей легко объяснима, как только мы понимаем, что соседние тексты в библиотеке природы имеют схожие последовательности букв, а ближайшие тексты — непосредственные соседи — отличаются только одной буквой.

Представьте себе, что вы могли бы переходить от одного осмысленного текста к соседнему, а от того к следующему и так далее, пока не пройдете большую часть библиотеки, изменяя большинство букв, но оставляя неизменным смысл текста (то есть функцию белка). Представьте также, что вы могли бы проследовать от первого текста в другом направлении, изменить другую букву, и еще одну, и так далее через почти всю библиотеку, не меняя смысла текста. А представьте, что вы могли бы начать это путешествие не в одном, а в 100 различных направлениях, каждое из которых соответствует одному из мириад альтернативных путей в библиотеке, охватывая только синонимичные тексты, которые отличаются в большинстве букв. Библиотеки природы устроены именно так, они пронизаны разветвленными сетями синонимичных текстов — я называю их сетями генотипов (genotype networks), каждый из которых кодирует молекулы и ее биохимическую функцию.

Если бы вы выложили человеческую библиотеку в таком виде, вас бы объявили сумасшедшим. Это не значит просто раскидать все книги, посвященные, скажем, устройству транзисторов, по разным библиотечным полкам. Что еще более странно: бесчисленные тексты на разные лады объясняли бы, как построить один и тот же транзистор. В нормальных человеческих библиотеках нам нравится иметь технические руководства в одном разделе, труды Дарвина — в другом, а романы Толстого — в третьем, так чтобы прямиком направиться к тому, что нас интересует. Но когда прямой путь проложить невозможно, поскольку каждый шаг наугад ведет вас в предписанном мутацией ДНК направлении, получается, что разветвленные сети генотипов это как раз то, что вам нужно, чтобы выжить.

Случайные изменения ДНК, происходящие у некоторых членов популяции, могли бы вывести из строя важный белок, такой как гемоглобин, и привести к смерти, но поскольку существуют сети генотипов, другие мутации могут создать синонимичный текст, который сохраняет функцию белка и сохраняет организм. Этот цикл мутаций и естественного отбора повторяется у потомков выжившего. Некоторые из них умирают, но другие живут и получают возможность продвинуться на один шаг вперед. Шаг за шагом, популяция выживших прокладывает свой путь по библиотеке, и процесс этот разворачивается на протяжении многих поколений.

Родственники белка, отвечающего за перенос кислорода у ящерицы, показывают, как далеко может завести подобное исследование библиотеки. Все они потомки одного давно забытого анцестрального белка, который существовал более миллиарда лет назад. В настоящее время они встречаются не только во всем животном царстве, но даже у растений. Они путешествовали вдоль и поперек по всей библиотеке. И все-таки эти белки несут ту же химическую функцию. Все они связывают кислород.

Их текст из аминокислот, однако, изменился до неузнаваемости. Сегодняшние белки гемоглобина обладают всего лишь четырьмя процентами букв среди своих примерно 100 аминокислот. Это как если бы вы могли написать поэму, передающую тот же смысл и те же эмоции бесчисленными способами. И есть еще много других молекулярных стихов вроде этого: белки, которые помогают извлекать энергию из питательных веществ, налаживать общение между нашими клетками, чувствовать мир вокруг нас и так далее.

Примечательно, что наличие такого многообразия способов сказать одно и то же означает намного большую вероятность оговориться. И с каждой оговоркой появляется возможность сказать что-то другое. Так же, как слово «золото» от смены одной лишь буквы превращается в «долото», некоторые соседние тексты выражают новые смыслы. А поскольку в поисках оригинального текста просматривается каждый синонимичный, становятся доступными различные новообразования. Создавая безопасные дорожки через библиотеку, сети генотипов делают само новообразование возможным.

Позвольте мне объяснить этот пункт настолько ясно, насколько это в моих силах. Без этих путей, намеченных синонимическими текстами — наборами генов, которые несут в точности одну и ту же функцию в постоянно изменяющихся последовательностях букв — оказалось бы невозможным находить новообразования путем случайной мутации. Эволюция бы не работала.

Так, библиотеки природы и их разветвленные сети объясняют способность жизни изменяться. Но откуда они взялись? Вы не можете увидеть их в панцирной веретенице или в ее анатомии. Они кроятся не на видимой поверхности жизни, не под этой поверхностью и не в структуре ее тканей и клеток. И даже не в субмикроскопической структуре ДНК. Они существуют в мире идей, наподобие тех абстрактных понятий, которые исследуют математики.

Делает ли это их менее реальными?

Вопрос о том, создаем мы или открываем новые понятия — особенно математического рода — занимает человечество уже на протяжении более чем 2500 лет, по крайней мере со времен пифагорейцев, интеллектуальных предшественников Платона, объявивших, что «все есть число». Некоторые, следом за австрийским философом Людвигом Витгенштейном (Ludwig Wittgenstein), считают, что математические истины являются человеческими изобретениями. Но другие, как и Платон, полагают, что наш видимый мир есть слабая тень высших истин. Среди них много математиков и физиков, в том числе Чарльз Фефферман (Charles Fefferman), лауреат премии Филдса, эквивалента Нобелевской премии в области математики. Он выразил опыт открытия нового математического обоснования следующим образом: «Это повергает в трепет. Вы не создаете. Вы обнаруживаете то, что там было всегда, и это гораздо красивее, чем все, что способен создать сам человек».

В физике, лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер (Eugene Wigner) назвал это «необъяснимой эффективностью математики». И в самом деле, не ясно, почему закон всемирного тяготения Ньютона должен быть применен к стольким вещам, численно превосходящим вдохновившее его падающее яблоко, почему он должен описывать все, начиная с аккреции и кончая всей Солнечной системой и вращающимися галактиками. Ясно только, что так оно и выходит. По какой бы то ни было причине, действительность, похоже, и правда подчиняется определенным математическим формулам.

Библиотеки природы добавляют еще одно измерение к многовековой дискуссии о реальности царства Платона. До сих пор эта дискуссия в основном вращалась вокруг абстракций, вроде тех, что мы находим в математике. Сети генотипов вводят новый элемент: экспериментальную науку.

Закон тяготения не похож на план дома, который можно построить, но текст гемоглобина таковым является. Мы можем изготовить этот белок — или любой другой белок, который мы выбираем из протеиновой библиотеки — и изучить его химический смысл при помощи сложных инструментов. Среди найденных людьми новых текстов — те зашифрованные термостойкие ферменты в моющих средствах и инсулины, которые действуют быстрее или дольше в организме, чем их природные аналоги. Наряду с тысячами природных белков эти жители протеиновой библиотеки доказали свои удивительные свойства — в большей степени, чем мы могли себе представить.

Библиотеки природы фонтанируют биологическими новообразованиями, которые искал Дарвин. И в отличие от царства абстрактных идей, которое представлял себе Платон, они богаче, разнообразнее и сложнее, чем видимый мир. Они предоставляют материал для новообразований, достаточный для всех видов, которые дарвиновская эволюция создала — и может создать. Ни какой планеты не хватило бы, чтобы исследовать их в полном объеме. Безногая ящерица и остальная часть живого мира во всей своей красе суть только слабые тени этого платоновского царства возможного.