Дэвид Кристиан
Истории будущего

Полная версия

На самом деле степени предсказуемости варьируются по шкале с бесконечными градациями, поэтому оценки вероятного будущего могут быть гораздо более изощренными, нежели следует из четырехчастной шкалы выше. Американский статистик Нейт Сильвер, создатель систем прогнозирования для политики и спорта, отмечает, что специалисты по выборам в США различают предсказуемость различных типов выборов: «Опросы на выборах в Палату представителей менее точны, чем опросы на выборах в Сенат, которые, в свою очередь, менее точны, чем опросы на президентских выборах. Опросы в ходе праймериз также значительно менее точны, чем опросы на всеобщих выборах»⁶⁶. Наши четыре отдельные области предсказуемости предлагают полезный способ осмысления различий в регулярности и предсказуемости различных типов процессов, но нисколько не притязают на точность или учет нюансов.

Рис 2.6. Какое воображаемое будущее вызывает больше всего тревог и надежд?

Наконец этот конус будущего связывает вероятности с предпочтениями. Будучи мозговитым видом млекопитающих, мы, люди, обладаем сильными желаниями, страхами и прочими эмоциями, которые определяют большую часть нашего мышления о будущем, причем иногда отвергают подсказки сознания. Вот почему мы часто путаем предпочтительное и вероятное будущее. Экономист Кеннет Эрроу однажды сказал военному офицеру, что прогнозы погоды, которые тот использовал, статистически случайны и, следовательно, бесполезны. Ему ответили так: «Командир вполне понимает ущербность прогнозов, однако они нужны ему для целей планирования»⁶⁷.

Большая часть нашего мышления о будущем проистекает из сильных эмоций. Мы вкладываем мало эмоциональной или интеллектуальной энергии в размышления о будущем, которое не можем предсказать – о том, что находится на «абсурдных» внешних границах конуса 2. Мы также не слишком беспокоимся о будущем, которое вполне предсказуемо, поскольку оно находится в области «вероятности». Эти области характеризуются, если угодно, стоицизмом, свойственным отдельным людям, приговоренным к смертной казни. Сильные эмоции отчетливо задействуются в «возможных» и «правдоподобных» областях, где есть шансы на относительно точные предсказания и становление интересующего нас будущего. Это «красная» зона. Она вызывает сильные эмоции и настойчивые попытки не только предсказать возможное будущее, но и управлять этим будущим. Здесь кроется все то, из-за чего люди идут к астрологам и предсказателям, из-за чего руководители современных компаний платят огромные гонорары экономическим консультантам. Уверенные советы опытных синоптиков могут уменьшить болезненную неопределенность незнания, но такие синоптики рискуют стать козлами отпущения, когда их прогнозы оказываются категорически ошибочными⁶⁸.

«Красная» зона, где встречаются насущность и предсказуемость, еще определяет отношение других организмов к будущему. Такова тема следующей главы.

Часть вторая
Управление будущим
Как справляются бактерии, растения и животные

Глава 3
Как клетки управляют будущим

«Самый удивительный урок, который мы извлекли из моделирования сложных физических систем на компьютерах, заключается в том, что сложное поведение не обязательно должно иметь сложные корни. В самом деле, чрезвычайно интересное и заманчиво сложное поведение может опираться на набор предельно простых элементов».

Кристофер Лэнгтон, Институт Санта-Фе, 1989 г.⁶⁹

По сравнению с бактерией кишечной палочки (E. coli) вы и венерина мухоловка на ближайшем болоте – то же, что дубайский небоскреб Бурдж-Халифа рядом с муравьем на крыльце здания. Клетки – крошечные, совсем крошечные штучки, если можно так сказать, и большинство из них настолько мало, что невооруженным глазом тут не обойтись. Но и они, похоже, суетятся, как люди, в поисках лучшего будущего, им тоже приходится искать неуловимую точку равновесия между точностью и универсальностью в вероятном будущем. Несмотря на размеры клеток, их мышление о будущем должно быть довольно искусным, ведь иначе жизнь не продлилась бы так долго. Как же это обилие мыслей о будущем умещается в столь крохотном пространстве?

Понять, как мыслят о будущем клетки, очень важно, ибо все живое состоит из клеток. Мы с вами суть огромные скопления триллионов крошечных клеток, каждая из которых должна довольно хорошо справляться со своим собственным будущим, чтобы мы выживали. Следовательно, клеточное мышление о будущем – основа для всякого мышления о будущем. Конечно, этот уровень мышления не является сознательным, определяется биохимическими и неврологическими механизмами, которые, судя по всему, нисколько не требуют усложненного сознания. Строго говоря, разговоры о «мышлении» клеток метафоричны. Но я все же воспользуюсь этой метафорой, поскольку тот способ, каким клетки справляются с будущим, кажется и целеустремленным, и целенаправленным, и, сказать откровенно, разумным.

Все живые организмы приступают к решению задачи управления будущим после того, как (метафорически) задают три вопроса: какого будущего я хочу? какое будущее выглядит наиболее вероятным? как приблизить желаемое будущее?

Рисунок 3.1. Базовый пакет управления будущим: три универсальных шага

На первом этапе организмы выбирают, к чему стремиться. Так какова же их цель, или утопия? Я заимствую слово «утопия» для характеристики целей и надежд, руководящих мышлением о будущем. Это слово впервые использовал сэр Томас Мор в своей книге, опубликованной в 1516 году; там описывалось вымышленное островное общество у берегов Южной Америки. Утопия Мора задумывалась как модель хорошего общества, и постепенно это слово стало использоваться для обозначения всех воображаемых идеальных миров. Образно говоря, все живые организмы имеют свою утопию. Это предпочтительные области конуса будущего 1. В таком будущем организмы живут в безопасности, сытости и уюте, они избавлены от чрезмерного стресса и способны выживать и размножаться. Даже простейшие организмы способны различать хорошее и плохое будущее. Утопии и их противоположности, антиутопии, задают направление и придают актуальность мышлению о будущем у всех живых организмов.

На втором этапе организмы отправляются на охоту за закономерностями. Они ищут сведения о тенденциях, которые позволят предсказать более вероятное будущее. В частности, изучают более регулярные тенденции из «вероятных» или «правдоподобных» областей конуса будущего 2, потому что те очевиднее в наставлениях. Выявив важные закономерности и оценив их привлекательность, организмы (опять-таки, метафорически) прибегают к индуктивной логике, чтобы проецировать эти тенденции в воображаемое будущее⁷⁰.

Простые организмы – скажем, бактерии – используют для оценки тенденций общие алгоритмы, встроенные в их геномы. Например, у кишечной палочки есть алгоритмы, сообщающие, что производство ферментов для переработки лактозы расточительно, когда лактозы не так много. Эти правила устанавливались в геноме организма на протяжении миллионов поколений в результате естественного отбора и сохранились потому, что особи, унаследовавшие этот алгоритм, с большей вероятностью выживали и могли размножаться. Но чтобы знать, когда применять подобные правила, бактериям нужно выяснить, что происходит вокруг прямо сейчас. Уровень лактозы растет или падает? То есть для выявления тенденций требуются некие датчики, а еще необходима какая-то форма памяти, чтобы сравнивать текущую ситуацию с ситуацией минуту назад. В самом деле, не исключено, что память появилась в первую очередь для того, чтобы дать возможность мыслить о будущем. Недавние неврологические исследования показали, что у организмов с нервной системой память и мышление о будущем управляются одними и теми же частями мозга; это может объяснить, почему люди, утратившие способность запоминать живо и ярко, также теряют способность воображать альтернативные варианты будущего. Джозеф Леду с надлежащей скрупулезностью нейробиолога выражается так: «Память – это прежде всего клеточная функция, которая способствует выживанию, позволяя прошлому информировать настоящую или будущую клеточную функцию»⁷¹. Кант догадывался об этой глубочайшей истине уже более двух столетий назад: «Мысленно обращаются к прошлому (вспоминают) только с той целью, чтобы таким образом можно было предвидеть будущее» ^[41].

Третий шаг делается, когда организмы совершают ставки, причем нередко под влиянием насущных страхов и тревог «красной» зоны в конусе будущего 3. Начинается действие, организмы вмешиваются в мир, окунают, так сказать, весла в окружающие воды и пытаются править к своим утопиям. Бактерия может просто уплыть в новом направлении, не видя перед собой пищи. Как отмечает Брайан Артур, управление будущим чем-то схоже с боевыми искусствами: «Все дело в том, чтобы наблюдать, действовать смело и очень точно выбирать время»⁷². На третьем этапе нужна смелость, готовность действовать решительно, даже без какой-либо уверенности в исходе затеи, но с осознанием того, что ставка может проиграть. «Поэтому встань… и решись на сраженье!» – говорит Кришна Арджуне.

Затем цикл повторяется. Но теперь у организма есть новая информация, и при необходимости можно изменить план действий – даже скорректировать цель, если выяснится, что первоначальная цель недостижима или обойдется слишком дорого (или просто неудачна). Постоянная переоценка вероятности различных вариантов будущего известна статистикам как «байесовский» анализ – тема, к которой мы кратко вернемся в главе 7. Жаргон может напугать, но бояться не стоит: основная идея заключается в простоте. Все начинается с первоначальной грубой (или даже случайной) оценки вероятности того, что что-то произойдет; байесовская статистика называет такую оценку приором. Далее, по мере поступления новых сведений, в приор вносятся поправки, ставки корректируются, и так далее. Все живые организмы, от амеб до венериных мухоловок, суть довольно умелые байесовские статистики⁷³.

В реальном мире эти три шага перекрывают друг друга. Но размышление о них по отдельности поможет установить, что конкретно происходит, когда живые организмы пытаются выжить в очень нестабильном мире.

Набор инструментов управления будущим для всех организмов составляет значительную часть более широкого набора навыков, который мы называем когнитивными способностями. «Биологическое познание, – пишет когнитивный биолог Памела Лайон, – представляет собой комплекс сенсорных и прочих механизмов обработки информации, применяемых организмом для ознакомления, оценки и [взаимодействия] с окружающей средой во имя достижения экзистенциальных целей, основными среди которых выступают выживание [рост или процветание] и воспроизводство»⁷⁴. Набор когнитивных инструментов даже у самых простых организмов включает в себя способность предвидеть вероятные будущие события, ощущать и оценивать то, что происходит в локальной среде, запоминать и учиться, а также способность частично делиться информацией с другими членами того же вида.

Постепенно биологи начинают понимать, что все живые организмы осуществляют познание⁷⁵. Оно охватывает навыки обучения, которые позволяют живым организмам творчески реагировать на постоянно меняющиеся угрозы их выживанию и умело готовиться к вероятному будущему. Слова Дэниела Деннета о разуме справедливы для всех живых организмов: «Разум в своей основе является предвосхищающим, генератором ожиданий»⁷⁶.

В самом простом виде мы находим управление будущим у вирусов и одноклеточных организмов. Чтобы дать некоторое представление о том, как оно работает, в оставшейся части настоящей главы будет описано, как одноклеточные организмы управляют своим будущим, используя биохимические методы и устройства, подобные тем, что трудятся в каждой клетке нашего собственного тела.

Микробный мир

Сама мысль о том, что существуют живые существа, слишком крохотные для того, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, еще несколько столетий назад казалась фантастикой. Но сегодня отдельные клетки считаются мельчайшими живыми организмами – и основными строительными блоками жизни как таковой. Клетки для биологов важны ничуть не меньше, чем атомы для химиков.

Первым «натурфилософом», узревшим клетки в микроскоп, был английский ученый Роберт Гук. В 1665 году он разглядел отдельные клетки в древесине пробкового дерева и назвал их cella – это латинское слово обозначает ячейку, наподобие пчелиной соты, – ибо у каждой клетки имелась стенка, или мембрана, отделявшая ее от остальных. Первым, кто понял, что отдельные клетки – это живые организмы, был голландский шлифовщик линз по имени Антони ван Левенгук; он открыл целый мир организмов, состоящих всего из одной клетки, мир, о котором ранее не подозревали, мир организмов настолько маленьких, что миллион клеток вполне уживался в капле воды. Ван Левенгук назвал эти организмы анимакулами – «зверьками»⁷⁷.

Осознание того, что крупные организмы – люди и животные – делят планету Земля с целым миром миниатюрных существ, ранее никому не ведомых, имело, несомненно, такое же значение, какое сегодня может иметь обнаружение жизни на других планетах (это открытие может произойти в ближайшие несколько десятилетий). Но лишь в 1839 году было признано, что клетки являются строительными блоками всех форм жизни. Именно тогда Матиас Шлейден и Теодор Шванн заявили, что «все организмы состоят из одинаковых частей, а именно из клеток». В 1858 году Рудольф Вирхов ^[42] внес последний штрих в клеточную теорию жизни, указав, что каждую клетку можно рассматривать как отдельное живое существо. Клеточная мембрана толщиной всего в две молекулы создает границу между внутренним, живым миром и миром внешним. Также она обеспечивает контакт с внешним миром и обмен энергией, питательными веществами, информацией и отходами⁷⁸.

Может показаться, что организмы, состоящие всего из одной клетки, должны быть простыми. Но мы знаем сегодня, что каждый такой организм может состоять из миллиардов атомов и тысяч молекул различных типов. Все эти элементы тщательно упорядочены и взаимодействуют с исключительной точностью в химических танцах, точную хореографию которых мы не до конца понимаем. Каждый элемент по отдельности выглядит простым, но, как показала новая область исследований сложности, необычайная сложность может возникнуть из взаимодействия простых элементов, связанных посредством многочисленных петель обратной связи⁷⁹.

Установлено, что одноклеточные организмы способны делать искусные и изощренные ставки на свое будущее. Они могут учиться на своих ошибках, могут припомнить, что произошло минуту назад, и рассчитать шансы (практически по байесовскому методу). Они даже могут создавать внутренние молекулярные модели внешних условий, будь то температура или насыщенность кислородом, и использовать эти модели для принятия решений о соответствующих действиях⁸⁰. Конечно, если у тебя всего одна клетка, ты не думаешь по-настоящему. Мозг, отвечающий за человеческое мышление, имеет миллиарды отдельных клеток, большинство из которых крупнее одной бактерии, так что бактериям мозг не полагается. Вместо этого они управляют собственным будущим, используя сети биохимических реакций, которые, по сути, вычисляют вероятный ход событий и необходимые действия.

Минимальные версии бактериального набора инструментов для управления будущим, вероятно, существуют с тех самых пор, как жизнь впервые появилась на Земле почти четыре миллиарда лет назад. Сравнение генома множества различных микробных видов показало наличие наборов инструментов управления будущим, настолько широко распространенных, что они, вероятно, существовали уже у LUCA ^[43], последнего универсального общего предка, гипотетического предка всех ныне живущих организмов⁸¹. LUCA обитал в мире почти четыре миллиарда лет назад, он располагал органами чувств и мог защищать себя. Еще у него имелась вычислительная сеть молекулярных «реле», которые позволяли делать целенаправленный выбор – например, «если еда обнаружена (А), то двигаться к ней (Б), но только если еды много… если еды почти нет (—А), то не нужно тратить силы на перемещение (—Б)». Подобном всем сложным системам, LUCA почти наверняка обладал петлями положительной обратной связи для управления активными, динамичными процессами; петлями отрицательной обратной связи для ослабления этих процессов и поддержания стабильности; и связями между теми и другими для более утонченных откликов на обратную связь от других частей системы. Иными словами, LUCA располагал основными логическими схемами, необходимыми для выполнения вычислений, к которым прибегают все живые организмы, сталкиваясь с неопределенным будущим.

Звездой этой главы является бактерия кишечной палочки: мириады этих бактерий живут сегодня и несколько миллионов обитают в кишечнике каждого человека (им по нраву человеческое нутро).

За последние десятилетия биологи многое узнали о кишечной палочке, и к настоящему времени расшифрованы геномы множества различных ее вариантов. Пожалуй, кишечная палочка изучалась столь же тщательно, как любой другой живой организм, не считая нас самих⁸². Отчасти причина в том, что мы научились использовать модифицированные клетки кишечной палочки в качестве биологических фабрик по производству таких веществ, как инсулин. А еще дело в том, что кишечная палочка, если взбунтуется, способна немало нам навредить.

Правильное биологическое название бактерии E. coli – Escherichia coli, в честь Теодора Эшериха, австрийского биохимика, который первым ее выявил. Название относится не к одному виду бактерий, а сразу к нескольким родственным видам, которые развивались по-разному на протяжении последних ста миллионов лет или около того⁸³. Эти бактерии образуют три надцарства, как выражаются биологи: собственно бактерии, архебактерии (археи) и эукариоты. Бактерии и археи – одноклеточные и относятся к прокариотам. Имея всего одну клетку на организм, прокариоты должны быть универсальными организмами, то есть их клетки должны делать все необходимое для выживания, в том числе готовиться к будущему.

Каждая палочковидная клетка кишечной палочки в длину всего несколько миллионных долей метра – несколько микрон. Тридцать или сорок бактерий, расположенных встык, составляют приблизительную ширину человеческого волоса (около восьмидесяти микрон)⁸⁴. Тем не менее каждая клетка содержит до ста тысяч миллиардов атомов и много интересного биологического материала.

Как E. coli справляется с неопределенным будущим?

Чтобы понять, как клетки кишечной палочки управляют собственным будущим, уместно заручиться проводником, который уменьшит нас до размеров молекулы белка и поведет за собой в диковинный и хлюпкий мирок бактериальной цитоплазмы. Опыт наверняка покажется нервирующим, однако не стоит отставать от проводника, ибо нам предстоит увидеть основной механизм всякого управления будущим, механизм, очень похожий на те, какие найдутся в каждой клетке ваших с вами тел. Мы попадем в странный мир, в желеподобную и грязную среду, что вибрирует от случайных, беспорядочных выбросов тепловой энергии, а на незваных гостей продолжают давить более упорядоченные электромагнитные силовые поля. Всюду вокруг будут молекулы, которые как будто собрались на масштабный турнир по борьбе в грязи. Это сложный, порой жестокий мир, но в нем при этом процветает замечательное сотрудничество и царит дух сплоченности.

Вообразим, что мы сумели успокоиться, а наш проводник готов нас вести. Сначала мы направимся к геному клетки – к месту, где хранится информация, необходимая для создания четырех тысяч (или около того) молекул различных типов, составляющих клетку кишечной палочки и позволяющих ей управлять своим будущим. Чтобы добраться до генома, придется преодолеть липкую цитоплазму клетки и оставить позади потную и напористую, так сказать, толпу рабочих молекул, преимущественно белков. Затем мы достигнем огромного узловатого кольца ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которое свободно плавает внутри клетки. Поневоле мы ощутим себя астронавтами, что совершили посадку на обшарпанной космической станции в виде спирали.

Вблизи кольцо ДНК выглядит как ветхая и дряблая винтовая лестница, которая как бы упирается сама в себя. По обеим сторонам молекулярной лестницы, через каждые несколько ступенек, расположены поперечины, каждая из двух половинок оснований, свободно связанных водородными связями. Каждое основание состоит всего из нескольких атомов. Существует лишь четыре типа оснований, поэтому, если раскрасить их, соответственно, в красный, белый, синий и черный цвета, можно мысленно нарисовать, как эти цвета – по два разных цвета для каждой поперечины – повторяются более четырех миллионов раз (судя по всему, случайным образом) и расплываются в бесконечности. Впрочем, предполагать произвол случая будет ошибкой. Генетики в 1960-х годах установили, что «узор» оснований на самом деле образует четырехбуквенный код, содержащий все потребные сведения для создания различных рабочих молекул, которые обеспечивают функционал каждой здоровой клетки кишечной палочки.

Чтобы прочитать этот код, нужно поделить каждое звено молекулы ДНК пополам; это довольно просто, потому что водородные связи между двумя половинками каждого звена слабы. Далее изучаются основания, прикрепленные к обеим сторонам молекулярной лестницы. Каждые три основания обозначают определенную аминокислоту. Например, если читать как бы вниз по одной стороне лесенки ДНК, забыв на время о другой стороне, взгляду предстанет последовательность оснований GAT (гуанин, аденин и тимин), или код ДНК для аминокислоты, известной как аспартат ^[44]. Следующие три основания, по-видимому, характеризуют другую аминокислоту, и так далее, пусть даже некоторые основания читаются как инструкции «прекратить чтение». Точный порядок оснований действительно имеет значение, поскольку большая часть кода сообщает, как строить – строить белки, строить молекулы, выполняющие большую часть работы по управлению будущим клетки, и белки, к слову, состоят из длинных и строго упорядоченных цепочек аминокислот.

Миллиарды оснований, образующих этот код, состоят из отдельных цепочек – сотен или тысяч оснований, что перечисляют (в тройных связках) последовательности аминокислот, необходимые для построения конкретных молекул, насущных для каждого организма. Эти цепочки оснований суть клеточные гены, а совокупность всех генов известна как геном клетки. Клетки кишечной палочки имеют около трех тысяч генов. (Мы, люди, не сильно превосходим E. coli в этом отношении – у нас от двадцати одной до двадцати пяти тысяч генов.) Большинство генов кодирует белковые молекулы, но некоторые кодируют молекулы РНК, похожие на ДНК, вот только выглядящие как единичные цепочки. Молекулы РНК чрезвычайно важны: они содержат информацию, подобно молекулам ДНК, а еще ведут серьезную молекулярную деятельность, подобно белкам. Список генов варьируется от вида к виду, ибо выживание каждого вида зависит от уникального сочетания рабочих молекул.

Первым шагом всякого размышления о будущем является четкое определение цели. Фактически все цели хранятся в ДНК клетки (в переносном значении, конечно: там нет плакатов «Выживай и размножайся! Еда поможет!», но геном содержит инструкции по производству белков и прочих молекул, которые нужны клетке для выживания в обычной среде обитания). По сути, геном хранит сведения о краткосрочных целях, которых нужно достигнуть ради реализации долгосрочных устремлений к выживанию и размножению. Например, в какой-то миг клетке кишечной палочки придется расщепить молекулы лактозы, и – вуаля! – в геноме найдется инструкция по созданию белка, призванного выполнить именно это действие.

До сих пор мы исходили из предположения, что происходящее внутри клетки зависит от ДНК, словно ДНК – это мостик космического корабля «Энтерпрайз». Но за последние десятилетия было осознано, что на самом деле все не так просто. ДНК содержит информацию, как поваренная книга, и самостоятельно ничего не делает. Поведением клетки в любой момент времени заведует смесь генов, которые используются в конкретных условиях. А указанная смесь определяется активностью так называемых факторов транскрипции, или рабочих молекул, которые улавливают происходящее внутри и снаружи клетки и применяют полученные сведения для «решения» о том, какие новые молекулы нужно произвести или утилизировать. Факторы транскрипции как бы ныряют в ДНК, открывают инструкции по созданию соответствующих молекул и запускают процесс их производства (или останавливают производство белков, нужда в которых отпала). В любой данный момент времени лишь отдельные гены в геноме организма получают «выражение». Остальная часть генома словно отключена и ждет (иногда – целую вечность), когда ее прочитают и используют. Сегодня биологи называют процессы, определяющие, какие гены используются в конкретное мгновение, эпигенетическими; эти процессы не изменяют геном, но воздействуют на способы и сроки выражения тех или иных генов. Эпигенетика – изучение негенетических факторов, устанавливающих, как и когда используются гены. Эпигенетические процессы важны для мышления о будущем клетки, потому что они сообщают клетке, что происходит прямо сейчас и к чему следует готовиться.

Если «воспарить» прямо над кольцом ДНК, мы увидим изрядную эпигенетическую активность: белки и молекулы РНК, вооруженные свежей информацией о надвигающихся угрозах или возможностях, используют свои молекулярные ключи и рычаги, чтобы разрывать определенные звенья ДНК, и либо считывают генетический код этого участка, либо блокируют его выражение. Если необходим новый белок, специальный молекулярный фактор транскрипции путешествует по кольцу ДНК в поисках нужного гена. При обнаружении он отделяет этот участок винтовой молекулярной лестницы, вычленяя некоторые пары оснований, а затем вызывает группу молекул матричной РНК (мРНК). Молекулы РНК считывают и сохраняют последовательность пары оснований в экспонированном гене. Далее выявленный участок может снова быть заблокирован, а молекулы матричной РНК, уже несущие упорядоченный список оснований – рецепт нового белка, – отправляются в слой цитоплазмы для соединения с рибосомой, огромным пятном белков и РНК, этаким молекулярным 3D-принтером. Рибосома захватывает РНК с информацией, считывает упорядоченный список аминокислот, скопированных из ДНК, «шарит» в окружающем слое, выискивая необходимые аминокислоты и фиксирует их в длинной цепочке – в строгом порядке построения определенного белка. Рибосомы работают споро: достаточно всего минуты, чтобы собрать воедино белок с тремя сотнями различных аминокислот, а в клетке одновременно могут трудиться несколько миллионов рибосом, поэтому клетка способна одномоментно производить множество разных белков⁸⁵. Эта сложная производственная деятельность продолжается непрерывно во всех клетках всех живых организмов и создает постоянно меняющуюся смесь молекул, необходимым клеткам для преодоления надвигающихся кризисов и подготовки к вероятному будущему.

Откуда клетка знает, какие белки производить или производство каких останавливать? Этот вопрос подводит нас ко второму шагу в управлении будущим – к выявлению прошлых закономерностей и оценке содержащихся в них намеков на вероятное будущее. Клетки отправляются на охоту за закономерностями.

Для установления тенденций внешнего мира клетки используют специальные молекулы-сенсоры, этакие коктейльные трубочки, что пронзают мембраны, и часть каждой такой трубочки находится вовне, а часть – внутри клетки. Каждая клетка E. coli может содержать до десяти тысяч сенсорных молекул, пронзающих ее мембрану, в основном впереди – там, где эта клетка впервые воспринимает новые условия. Благодаря этим сенсорам клетка может улавливать до пятидесяти различных химических веществ. Комбинируя сведения от разных сенсоров, она почти безупречно точно оценивает закономерности в изменениях концентрации химических веществ. Как мы уже видели, эффективность этой охоты возрастает по мере появления новой информации о развивающихся тенденциях.

Что ж, давайте вообразим, что проводник далее ведет нас через слой цитоплазмы к клеточной мембране, где доступна наблюдению деятельность некоторых сенсорных молекул. Чтобы добраться до внешней части сенсорной молекулы, воспользуемся молекулярными туннелями в мембране, выводящими в менее замкнутый, менее клаустрофобный мир сразу за пределами клетки. Мы оказываемся среди разведчиков, шпионов, ищеек и пограничников. Сенсорные молекулы – это белки, как и большинство рабочих молекул клетки, а потому наблюдение за ними даст представление о том, как работают белки в целом.

Белки могут составлять почти половину объема клетки (если не считать молекулы воды, на которые приходится до 70 процентов клеточных молекул)⁸⁶. В любой момент времени отдельная клетка E. coli может содержать миллионы белковых молекул, каждая из которых состоит из нескольких тысяч атомов. Некоторые еще в процессе построения, другие усердно трудятся, а третьи, выполнив все положенное, разрушаются и будут переработаны для создания новых рабочих молекул.

Что и как делают белки? Каждый белок состоит из сотен аминокислот, которые в строгой последовательности соединяются рибосомой. Каждая из сотен аминокислот в белке обладает специфическими химическими и электрическими свойствами, поэтому после возникновения новой цепочки внутри клетки эта цепочка быстро принимает форму, похожую на растрепанный клубок стальной стружки; на самом же деле это четкая и правильная структура, располагающая своего рода биохимическими «карманами», вроде бейсбольных перчаток, посредством которых она улавливает нужные молекулы. Так, молекулы человеческого гемоглобина (один из первых расшифрованных белков) имеют «карманы» для захвата и транспортировки молекул кислорода. Еще белки способны перестраивать пойманные молекулы, расщеплять их, подгонять друг под друга, видоизменять и объединять. Вот почему белки работают как ферменты, делают возможными химические реакции, которые без них никогда бы не состоялись. Также они, захватывая молекулы, меняют форму – как носок, который натягивают на ногу. Это изменение формы (известное как аллостерия) создает своего рода кратковременную память о событиях и тенденциях, и такая память может передаваться: другие молекулы замечают изменения в положении сенсорной молекулы.

Но вернемся к одной из сенсорных молекул на поверхности нашей клетки E. coli. Вообразим, что у нее имеется «карман», предназначенный для захвата молекул аспарагиновой аминокислоты, которую клетки E. coli считают, если угодно, вкусным угощением. Если наш сенсорный белок обнаружит молекулу этой кислоты, то поймает ее, и следом изменится форма белка. Новое положение разошлет сообщение, подобно облику человека, несущего радостную весть, и это сообщение будет воспринято внутри клетки, на другом конце белка. Изменение формы белка создает своего рода память, ведь сообщение о захваченной молекуле аспарагиновой кислоты будет помниться до тех пор, пока сенсорный белок удерживает захваченную молекулу и сохраняет новое положение. Внутри клетки другие молекулы отреагируют изменением собственной формы и растекутся по цитоплазме, распространяя хорошие новости о захваченной молекуле. Они тоже будут помнить. Как и большинство молекул в прокариотических клетках, эти белки-посланцы будут перемещаться случайным образом через цитоплазматический слой под воздействием тепловой энергии (сразу приходят на ум пассажиры, которых несет к дверям людской поток в переполненном автобусе). Именно так миллионы белковых посланцев распространяют информацию о закономерностях и событиях во внешнем мире. «Уровень аспартата высок, возможен пир!» – кричат они другим или извещают, что уровень аспартата падает и возможен голод. Как пишет биолог Деннис Брей, «каждый организм как бы строит образ мира – описание, выраженное не словами или пикселями, а на языке химии»⁸⁷.