Личинки плодовой мушки
Личинки плодовых мушек напоминают крошечных червяков длиной около десяти миллиметров. Их цилиндрические тела состоят из одиннадцати сегментов, каждый чуть менее миллиметра длиной.
В конце 1980-х и начале 1990-х годов исследователи изучали, каким образом такие морфогены, как bicoid, определяют величину сегментов личинки плодовой мушки. Они обнаружили убедительные доказательства, что размер сегментов зависит от концентрации морфогенов, как и предсказывала теория позиционной информации. Другие открытия последнего десятилетия XX века, казалось бы, подкрепили эту теорию морфогенеза и опровергли теорию Тьюринга.
Однако в первые годы XXI века появились свидетельства, что самопроизвольное формирование структур под действием диффузии, описанное в статье Тьюринга о морфогенезе, действительно имеет место в живом мире. Сначала ученые обнаружили свидетельства в структурах, которые наблюдаются у всего вида, но проявляются по-разному у каждого отдельного представителя этого вида. Возьмем, к примеру, распределение волосяных луковиц у млекопитающих, включая человека. Все мы обладаем двухмерным массивом волосяных луковиц на голове, но расположение луковиц от человека к человеку различается. Такие структуры сложно объяснить с помощью теории позиционной информации, поскольку она гласит, что каждый эмбрион начинает развитие, имея уникальную структуру концентраций морфогена, которая затем обусловливает уникальную структуру расположения волосяных луковиц. Возникает вопрос, чем изначально обусловлена структура концентраций морфогена. Теория Тьюринга, напротив, легко объясняет формирование схожих, но при этом не идентичных структур у отдельных представителей вида.
Как мы помним из примера с формированием песчаных дюн, для начала формирования структуры необходимо крошечное изначальное отличие. Оно может быть вызвано случайным дрожанием молекул, которое происходит постоянно, или неслучайным триггером, закодированным в генах. В соответствии с уравнениями Тьюринга, создаваемые таким образом структуры будут удивительно схожи между собой, но никогда не будут идентичны. Это объясняется тем, что крошечные “вибрации”, запускающие процесс, тоже никогда не бывают идентичными. Представьте, что вы фотографируете один и тот же пляж в одно и то же время год за годом. Рисунок песчаных дюн на снимках будет схожим, однако двух идентичных фотографий вы сделать не сможете, поскольку несовершенство, запускающее процесс, год от года будет разным.
Изучая мышей, группа исследователей из Германии обнаружила убедительные доказательства того, что за распределение волосяных луковиц отвечают два морфогена, белки WNT и DKK, причем WNT выступает в роли “людоеда” с положительной обратной связью, a DKK — в роли “миссионера” с отрицательной обратной связью. Исследователи из Японии также убедительно доказали, что полосатая раскраска рыбы-ангела и крошечной рыбы-зебры формируется по механизму, описанному Тьюрингом.
В 2012 году, в год столетия со дня рождения Тьюринга, вышла целая лавина статей, подтверждающих его теорию. В одной из них, написанной профессором Джереми Грином и командой специалистов по биологии развития из Королевского колледжа Лондона, были представлены самые убедительные на сегодня доказательства.
Изначально ученых заинтересовало, каким образом в утробе формируется лицо, причем особенное внимание они уделили возникновению расщелин неба и других аномалий. Для этого они изучили формирование складок на верхнем небе в период созревания плода. Если вы проведете языком по верхнему небу, то почувствуете эти складки: у человека их четыре, у мышей — восемь.
Ученые выявили два морфогена — людоеда и миссионера, — создающих эту структуру. Это два белка: фактор роста фибробластов, или FGF, и Sonic Hedgehog, или SHH. Ученые обнаружили, что, изменяя количество морфогенов в мышиных эмбрионах, они могут менять количество складок, формирующихся у них во рту, прямо как предсказывали уравнения Тьюринга.
Через два года после выхода статьи о складках появилось глубокое исследование, проведенное командой под руководством профессора Джеймса Шарпа из Е[,ентра регуляции генома в Барселоне. Ученые объяснили, каким образом морфогены формируют кисти наших рук в соответствии с гипотезой Тьюринга. Руки и лапы всех позвоночных можно считать примером полосатого узора. В конце концов, кисти наших рук состоят из пяти примерно параллельных пальцев, или повторяющихся элементов. Комбинируя компьютерное моделирование с наблюдениями за мышиными эмбрионами, ученые выяснили, какие морфогены участвуют в создании этой структуры элементов. В этом процессе задействовано три белка: SOX9, BMP и WNT. Хотя такая система несколько сложнее двухморфогенной модели “людоед-миссионер”, описанной Тьюрингом, она работает схожим образом. Изменяя соотношение трех белков в мышиных эмбрионах, ученые доказали, что у мышей “пальцы” формируются по схеме Тьюринга. Созданные учеными компьютерные модели предсказывали, что при определенном соотношении белков вместо пяти “пальцев” у мыши будут формироваться три толстых “пальца”, и именно такая картина наблюдалась на практике.
Похоже, живые организмы используют комбинацию самопроизвольного формирования структур, описанного Тьюрингом, и принципа позиционной информации Уолперта, чтобы создавать мириады форм, которые мы видим в живом мире. Что касается кистей наших рук, биологи полагают, что механизмы Тюринга создают лекало для пяти пальцев, а градиент морфогенов Уолперта придает каждому отдельному пальцу характерную форму. Иными словами, у нас на руках по пять пальцев благодаря системе Тьюринга, но наши большие, указательные, средние, безымянные пальцы и мизинцы выглядят по-разному благодаря принципу позиционной информации. Свидетельством триумфального возвращения идей Тьюринга о формировании эмбрионов на арену биологии развития можно считать тот факт, что вскоре после публикации статьи о формировании пальцев Льюис Уолперт, в прошлом раскритиковавший подход Тьюринга, дал интервью, в котором признал его состоятельность и назвал Тьюринга “гением”.
Наука о развитии зародышей сама по-прежнему находится в зародыше. Тем не менее мы приближаемся к тому, чтобы установить, как формируются сердечные клапаны, легкие и другие органы. В грядущие десятилетия открытия в этой области, возможно, помогут найти методики лечения болезней и врожденных пороков, об излечении которых сегодня нам приходится только мечтать.
Некоторые критики утверждают, что ученые в своем стремлении объяснить все на свете сводят чудеса Вселенной к уравнениям и химическим реакциям. На это я отвечу так: выйдите однажды на пляж и посмотрите сквозь пальцы на волны и песчаные дюны. Вспомните, что в основе всего этого лежат одни и те же фундаментальные законы природы. Вспомните, что все эти чудесные структуры появляются в результате затрат свободной энергии и начинаются с крошечных несовершенств.
Глава 19
Горизонт событий
Бекенштейн и Хокинг первыми отправились в далекую страну и нашли там золото.
Физик-теоретик Леонард Зюскинд
Ваша идея настолько безумна, что, возможно, верна.
Физик Джон Уилер своему студенту Джейкобу Бекенштейну
К 1970-м годам термодинамика проделала долгий путь. Ее начала легли в основу развития биологии, химии, инженерии и физики. Но одна область науки держалась до конца: считалось, что на дальних рубежах космоса наблюдаются феномены, которые единственные во Вселенной не подчиняются законам термодинамики. В частности, их поведение, казалось, противоречило второму началу, гласящему, что энтропия замкнутой системы, такой как наша Вселенная, всегда увеличивается. Такое поведение демонстрировали объекты, оправдывающие самые смелые предсказания общей теории относительности Эйнштейна, — черные дыры.
Черные дыры — это странные области пространства, куда может упасть что угодно, но откуда (почти) ничто не может выбраться.
Эти странные сущности представляют собой следствие главной работы Альберта Эйнштейна, общей теории относительности, опубликованной в ноябре 1915 года. Она должна была развить идеи специальной теории, которая показывала, что произойдет, если считать законы физики одинаковыми для всех наблюдателей, с какой бы скоростью они ни двигались. Однако специальная теория относительности не рассматривала следствия того же предположения при движении наблюдателей, если скорости их меняются. Как создать согласованные законы физики для всех наблюдателей, даже если их скорость растет или если, что особенно важно, они движутся под влиянием гравитации? Именно такой вопрос стоял перед общей теорией относительности.
Эйнштейн понимал, что необходимо заменить теорию тяготения Исаака Ньютона, опубликованную в 1687 году. Необходимо было также сделать еще более странным определение пространства и времени, предложенное в специальной теории. Чтобы интуитивно понять новое представление о реальности, нам стоит воссоздать в своем воображении один из самых знаменитых мысленных экспериментов Эйнштейна, пришедший ему в голову в 1907 году и ставший, как ученый отметил впоследствии, “счастливейшей мыслью в [его] жизни”.
Представьте физика Алису, которая находится в камере без окон в глубинах космоса, вдалеке от гравитационного воздействия звезд и планет. Она плавает по камере, не чувствуя притяжения ни в одну из сторон. Когда Алиса пытается взвеситься, привязав весы к подошвам своих ног, она не оказывает на эти весы давления. Следовательно, весы фиксируют нулевой вес: Алиса невесома.
Теперь представьте, что камера находится не в глубинах космоса, а всего в 50 км над землей, на нулевом меридиане прямо над лондонским районом Гринвич. Камера, как выясняется, летит вниз в свободном падении. Это значит, что сама камера и ее обитательница, Алиса, ускоряются, все быстрее приближаясь к земной поверхности. Важно, что и камера, и Алиса ускоряются в одном и том же темпе. Еще Галилей отметил, что тела падают с одной скоростью независимо от своей массы. Один из помощников Галилея Винченцо Вивиани вспоминал, как великий физик продемонстрировал это свойство, сбросив два тела разной массы с верхушки Пизанской башни и показав, что о землю они ударились одновременно. Историки не знают, насколько правдива эта история, но Галилей точно спускал шары разной массы по наклонной плоскости, чтобы показать, что все они проходят заданное расстояние за одинаковое время.