Автор: Дмитрий Шабанов
Несмотря на летнее затишье в потоке научных новостей, за последнее время пришло несколько сообщений, которые могут изрядно расширить наши представления о пластичности собственных организмов.
В 1984 году девятнадцатилетний американец Терри Уоллис (Terry Wallis) попал в автокатастрофу и получил множественные поражения головного мозга. Единственное, что удалось сделать медикам, - сохранить его живым в состоянии комы. И вдруг, в 2003 году Терри заговорил, начал вставать с постели и общаться со своей дочерью, которая незаметно для него стала взрослой! Томография показала, что разрушенные участки мозга не восстановились: вместо них образовались другие. Более того, за прошедшее с момента «воскрешения» больного время его мозг оказался еще раз перестроен: видимо, некоторые из сформировавшихся за время пребывания в коме нейронных сетей неважно справлялись со своими задачами. Они прекратили активность, а их функции взяли на себя другие, вновь образованные структуры. В результате врачи стали свидетелями появления человека с существенно иной, чем у здоровых людей, организацией центров мозговой активности.
Перестройка мозга может происходить не только в случае его травматического повреждения. Напомним зарегистрированный факт увеличения отделов мозга, отвечающих за ориентацию в пространстве, у лондонских таксистов. Еще интереснее доказанная в нескольких случаях способность к эхолокации, которая может развиваться у слепых людей. Овладевшие этим даром издают негромкие щелчки языком, а затем на основании полученного эха реконструируют расположение окружающих предметов. Прославившийся на всю страну незрячий американский подросток Бен Андервуд (Ben Underwood) благодаря эхолокации может даже кататься на скейтборде. Значит, наши с вами органы чувств пригодны и для решения столь нехарактерных для человека задач. Проблема лишь в том, чтобы развить структуры в мозгу, которые позволят управлять такими способностями.
К удивительным перестройкам оказывается способна не только мозговая ткань. После знакомства с историей Терри Уоллиса легче поверить и в случай с электриком из Калькутты Самбу Роем (Sambhu Roy). Тот получил сильный электрический ожог головы. Медики могли лишь наблюдать, как отторгалась пораженная часть черепа 25-летнего мужчины. К счастью, под ней образовались новые мозговые оболочки и новая кость. Так что сейчас удачливый электрик фотографируется для прессы, держа в руке кусок черепа, отделившийся от его головы.
Вообще, в последнее время появились основания для серьезной переоценки способности человека и его ближайших родственников к регенерации. Австрийские биологи повторили и развили эксперименты, выполненные полтора века назад немецким физиологом Эмилем Дюбуа-Реймондом. Эксперименты на мышах подтвердили старые наблюдения, что электрический ток, текущий через поверхность раны, может существенно усиливать восстановительные процессы. При правильно подобранных параметрах электрического поля, как оказалось, заметно усиливается способность клеток к миграции. Речь идет о вполне естественном механизме восстановления повреждения, но внешнее воздействие отключает какой-то механизм торможения в ходе его реализации.
Канадские ученые из университета Альберты с характерными для современной американской науки именами Цзе Чэнь (Jie Chen) и Ин Цуй (Ying Tsui) выступили с еще более необычным сообщением. Они разработали ультразвуковой генератор, который крепится на челюсти, как зубная скоба, и вызывает восстановление сломанных зубов. Важное условие - чтобы, как часто бывает при ударах, в толще челюсти остались живые корни зуба. Эти два инженера опирались на результаты Тарека эль-Биали (Tarek El-Bialy), медика из того же университета, который смог при помощи более крупного устройства вызвать восстановление утраченных зубов у кроликов.
Наконец, добавьте к вышеупомянутым фактам широкий круг феноменов, связанных с действием стволовых клеток (это настолько обширная тема, что она заслуживает отдельного обсуждения), и вы поймете, что речь идет о многочисленных возможностях для восстановления структур, потеря которых ранее казалась необратимой. Конечно, главные следствия из этих и аналогичных историй носят практический характер. Тем не менее рискнем затронуть и некоторые теоретические аспекты.
Изложенные здесь факты плохо согласуются с представлением об организме как о пошаговой реализации генотипа. Если бы наши свойства были результатом развертывания жесткой программы, не существовало бы никакого механизма для корректировки аномалий в случае серьезных отклонений от нормы.
Предположим, мы смогли разбить нормальный онтогенез на множество запрограммированных шагов: включений тех или иных генов и вызванных ими преобразований развивающейся системы. За шагом 1 следует шаг 2, за шагом 27 - шаг 28 и так до конца. В зависимости от исходной наследственной программы у нас должен получиться то ли читатель «Компьютерры», то ли ее автор, то ли редактор. Кажется, все понятно; примерно так же инсталлируется компьютерная программа. Однако жестко запрограммированными могут быть только те шаги, которые неоднократно проходились в ходе эволюции системы управления. Как быть с нештатными ситуациями - вариантами 28a, 28b, 28c, 28d и так далее, одни из которых являются достаточно вероятными отклонениями от нормальной траектории, а другие - серьезными повреждениями?
Как возникает приспособленность? Общий ответ - в результате предшествующего отбора. Например, способность заживлять раны можно рассматривать как результат соответствующего отбора - те, кто успешнее их заживляли, чаще оставляли потомков. Но отбора на способность восстановления мозга в результате двадцатилетнего пребывания в коме не было и не могло быть до конца XX века!
Инсталляторы программ или включают отдельные инструкции на случай всех предусмотренных вариантов, или игнорируют отклонения траекторий развития, или выдают сообщения об ошибках. У некоторых организмов (например, у круглых червей) управление индивидуальным развитием организовано сходным образом. Несомненно, что наша программа задана иначе. Впервые это отчетливо осознал немецкий эмбриолог Ганс Дриш, который изучал в начале XX века развитие морских ежей (без издевки: наших близких родственников, особенно с точки зрения эмбрионального развития). Из плавающей в толще воды личинки развивается морской еж. А что получится из половинки разрезанной экспериментатором личинки - пол-ежа? Нет, целый еж, только в два раза меньшего размера!
Что же управляет развитием личинки, которая из неестественного промежуточного положения «выруливает» к предусмотренному финалу? Чтобы ответить на этот вопрос, Дришу понадобилось слово «энтелехия», взятое из философии Аристотеля. По Дришу, энтелехия - это отрицание законов причинности в функционировании живой материи. Думается, Дриш был неправ - причинность действует и в этом случае, только она носит особый характер. Развитие саморегулирующейся системы может управляться заданным для нее конечным состоянием, что позволяет прийти в нужную точку из широкого диапазона возможных промежуточных состояний.
А как же программа управления развитием, которая реализуется через последовательное включение требуемых генов? Да никак. В одних случаях наш организм управляется таким образом, а в других - иным.
Рассмотрим условный пример, связанный с программированием двух роботов. Первый должен взять заготовку в одной точке, определенным образом повернуть и поместить в другую точку. Второй - автопилот, который должен привести автомобиль в нужное место. Программа первого вполне может быть жесткой последовательностью инструкций, охватывающих все пространство возможностей. Однако предусмотреть все состояния и положения автомобиля в строго детерминированной программе невозможно. Что делать? Задать автопилоту карту и обучить выстраивать по ней маршрут к нужной точке. Впрочем, некоторые фрагменты и такой программы вполне могут включать жесткие последовательности инструкций.
Распространенные сегодня банальные представления об организме как «автоматической» реализации генотипа не могут объяснить случаи «чудесных исцелений». Эту категорию фактов можно попытаться объяснить на основе эпигенетической теории эволюции и ее представлений о сущности онтогенеза.
С этой точки зрения на развитие влияет сложная совокупность факторов, в числе которых и наследственная программа, и результаты ее функционирования, и «предустановочные» особенности клеток, и воздействие среды. Эта система столь сложна, что ее поэлементное описание невозможно. Она может лишь быть охарактеризована распределением вероятностей того или иного хода развития при определенных внешних условиях. Это распределение вероятностей задает многомерное фазовое пространство (совокупность точек и траекторий развития) возможных состояний развивающейся системы. Трехмерную модель такого фазового пространства называют эпигенетическим ландшафтом. Нормальный результат развития задается, с этой точки зрения, не пошагово и жестко, а как потенциальная яма описанного фазового пространства (углубление в эпигенетическом ландшафте). На протяжении многих поколений отбор углубляет эту потенциальную яму, повышая вероятность благоприятного завершения развития.
Организм Терри Уоллиса в результате автокатастрофы попал в совершенно нетипичное для него «место» фазового пространства, которое к тому же было сильно искажено в результате «нештатных» внешних воздействий. Но потенциальная яма, соответствующая нормальной самоорганизации мозга, сохранилась, а на «пути» к ней не оказалось непреодолимых препятствий. Организм «съехал» в состояние, в чем-то напоминающее нормальный этап онтогенеза. И вот, преодолевая аномалии, мозг начинает достраивать недостающие структуры… Нужно вспомнить, что даже в нормальном развитии мозга есть этап «нейродарвинизма». Те мозговые клетки, которые успешно образуют контакты со своими соседями и входят в состав нормально работающих нейронных сетей, сохраняются, а прочие отмирают. Благодаря самоорганизации мозг «нащупывает» оптимальное для данных условий строение.
У эпигенетического объяснения есть одна важная особенность: оно не удовлетворит людей, ищущих однозначные объяснения. Вероятностный характер описываемых этой моделью процессов не позволяет указать жесткое соответствие между причиной и следствием. Казалось бы, все просто: почему данный организм таков, каким мы его видим? Потому что в нем есть гены, которые запрограммировали его именно так… Увы, этот подход терпит крах при попытке объяснить эксперименты Дриша или историю Терри Уоллиса: такое не запрограммируешь.
Каждое время дает свои метафоры для описания действительности. Например, средневековый человек был так восхищен часовым механизмом, что весь мир казался ему часами, а Бог - часовщиком. Сегодня мир - компьютер, а Бог (или эволюция) - программист. Но кто сказал, что развитие наших объяснений должно остановиться на нынешнем этапе?