На стику фізики та біології однією з галузей дослідження, яка динамічно розвивається, є активна матерія. Ілля Пригожин, один із найвидатніших вчених XX століття, понад 50 років тому заклав теоретичні основи «дисипативних систем», описавши, як матерія, що поглинає енергію, може підтримувати стан нерівноваги в «самоорганізовуваних системах». Редукціоністська наука стверджує, що саме життя – це саме таке явище: самоорганізація. За останні десять років прогрес в застосуванні праць Пригожина до біології стрімко зріс. Нині ведеться робота над розгадкою таємниці «самоорганізовуваних систем» не лише на прикладі торнадо та вирів, а й в контексті вивчення живих організмів.

Запитання без відповіді

Понад пів століття фізична наука про організми майже повністю перебувала у сфері молекулярної біології, згідно з якою життя мало бути зведене до хімічних реакцій. Дива реплікації ДНК, синтезу білка та клітинного дихання – аж до долі субатомних частинок в ланцюзі перенесення електронів – були детально описані завдяки суворим біохімічним дослідженням. Здавалося, редукцію було завершено, за винятком одного найважливішого запитання: «Як усе це було організовано?»

В медичній школі мене вчили заучувати численні етапи циклу трикарбонових кислот (циклу Кребса), вивчаючи шляхи реакцій за аркушем паперу. Але як усі ці ферменти та проміжні хімічні продукти знаходять правильний шлях входу й виходу з циклів і каскадів, не зіштовхуючись один з одним і не гублячись? Чи існує структура, що підтримує функцію?

Дебати про структуру й функцію

Раніше я описував, як матеріалістична наука зводить складність життя до співвідношення структури й функції, щоб обґрунтувати неодарвінську гіпотезу випадковості та добору. Я стверджував, що структура й функція є взаємодоповнювальними й що будь-яке розрізнення між ними – лише мовна фікція. Ця фікція є одним з ключових стовпів наукового атеїзму. Руйнування цього стовпа суттєво підриває атеїстичний аргумент щодо природи життя.

Чи може фізика активної матерії врятувати науковий атеїзм, знову стверджуючи необхідність дуальності структури й функції для підтримки неодарвінізму? Схоже, саме до цього прагнуть багато дослідників. Зрештою, якщо матерія може активно самоорганізовуватися в структури, що забезпечують функцію в живих системах, то колись панівна парадигма натуралізму може отримати нове дихання.

Як завжди, підхід натуралізму полягає у зведенні складності природних явищ до базових фізичних законів. Таким чином відпадає потреба в будь-якій містичній чи Божественній першопричині для пояснення складності життя. Чи можуть властивості активної матерії взяти на себе роль пояснення такої приголомшливої складності внутрішньоклітинної динаміки?

Клітина – не машина

Під час дослідження нової галузі найпомітніші орієнтири стають першими об'єктами уваги. Саме тому основні хімічні реакції, що підтримують життя, включно з транскрипцією ДНК та іншими процесами, були першими, які вилучили з клітини й детально вивчили ex vivo. Потім настала черга внутрішньоклітинних структур, обмежених мембранами, що ізолюють деякі з цих складних реакцій, таких як ядро, ендоплазматичний ретикулум, лізосоми, мітохондрії, апарат Гольджі та інші. Поки що все виглядає логічно.

Однак із подальшим заглибленням у «внутрішньоклітинний ландшафт» стало зрозуміло, що значна частина внутрішньоклітинної хімії відбувається в ділянках цитоплазми, не обмежених мембранами. І це знову порушує те саме запитання: «Як координуються всі ці надзвичайно складні й точні хімічні реакції клітини?»

Ми розуміємо, як працюють складні механізми в машинах, і тому часто помилково переносимо цю модель на вивчення клітинної біології. Але клітина – не машина. У ній немає жорстких каркасів, шестерень, блоків, мікросхем чи ізольованих електричних кіл, які б відокремлювали один механізм від іншого в цитоплазмі. Всередині клітини сотні різних хімічних реакцій відбуваються одночасно, ніби в одному спільному «казані». Очевидно, що потреба в «самоорганізації» тут надзвичайно велика!

Біомолекулярні конденсати

Щоб відповісти на ці запитання, увага дослідників переключилася на динаміку самої цитоплазми. І, не поступаючись за значущістю генетичному коду чи ланцюгу перенесення електронів, нещодавно було встановлено, що цитоплазма справді є «самоорганізованою» особливим і доволі новим способом.

Цитоплазма являє собою суміш хімічних компонентів найрізноманітніших розмірів – від електролітів до макромолекул і всього проміжного. Біофізика активної матерії нещодавно продемонструвала здатність цитоплазми самодовільно розділятися на рідкі краплі без мембран з різною в'язкістю, які обмежують, ізолюють, регулюють і «супроводжують» безліч хімічних компонентів. Складна внутрішньоклітинна молекулярна активність цитоплазми координується саме цим процесом. Ці явища рідина–рідинного фазового розділення (LLPS) називаються біомолекулярними конденсатами.

Ось як це описується в науковій літературі. Riccardo Babic et al. в статті журналу Trends in Biochemical Sciences «Регуляція аутофагії через фазове розділення, авідність і змочування» (Autophagy regulation by phase separation, avidity, and wetting) пишуть:

«Специфічні "вантажі" повинні бути розпізнані в переповненому цитозольному середовищі, і точний механізм має зібратися de novo... Як дифузний, активний цитозоль перетворюється на добре скоординовану систему? ...Фазове розділення описує процес, в якому мережі слабких, мультивалентних взаємодій між макромолекулами призводять до утворення гелеподібних конденсатів, що мають в'язкопружні властивості та можуть збиратися, перебудовуватися й розбиратися...»

Біомолекулярні конденсати мають властивості, тонко пристосовані до потреб клітини, і деякі з цих властивостей справді можна звести до таких параметрів, як валентність, в'язкість тощо. Однак неможливо не помітити, що під час їх опису використовується «обов'язкова» пояснювальна мова: розпізнавання «вантажу», сигнальні каскади, «молекулярна граматика», тривимірна просторова організація й навіть «молекулярна липучка» (molecular Velcro). З погляду біофізики матерія, активована енергією, може досягати такого нерівноважного стану. Але чи пояснює це, як матерія здатна виконувати усі ці нормативні завдання необхідні для життя?

Віз, кінь та неспроможність дуалізму

Коли близько 70 років тому біохіміки почали пояснювати життя на молекулярному рівні, надзвичайно спрощене розуміння того часу сприяло виникненню хибного дуалізму «структура/функція».

Транскрипція й трансляція нуклеотидів, принцип «ключ - замок» в роботі ферментів та інші приклади, здавалося, вказували на просту ідею: щойно молекули набувають певної структури, з цього автоматично випливає функція. Однак глибше вивчення показує, що складність життя не піддається такому спрощеному зведенню. Навіть наведений вище короткий опис демонструє систему, яка зовсім не вкладається в лінійне розуміння хімічних реакцій, характерне для 1970-х років. Автори далі пишуть:

«Визнання фазового розділення фундаментальним принципом організації переосмислило наше розуміння аутофагії – не як лінійної послідовності молекулярних подій, а як просторово й часово регульованого процесу, керованого біомолекулярними конденсатами...»

В міру глибшого вивчення життя ми більше не бачимо лінійних шляхів.(!) Натомість виявляється мережа складних функцій, необхідних для життя, що виникають у незменшуваній формі, описаній Майклом Біхі в книзі «Чорна скринька Дарвіна» (1996). Властивості активної матерії, що проявляються в таких явищах, як біомолекулярні конденсати, показують, що не існує простих лінійних співвідношень «структура - функція», здатних пояснити глибоку складність функціонування цитоплазми. Натомість ми бачимо некодовані, багаторівневі, аморфні «в'язкопружні краплі», що виникають завдяки фізиці фазового розділення.

На перший погляд такий «хаотичний» процес можна було б сприйняти як випадковий. Але потім стає зрозуміло, що ці «краплі» виконують точні й надзвичайно складні нормативні функції, «керовані молекулярними конденсатами». Керування не є випадковим. Воно може бути пояснене лише на основі біологічної цілеспрямованості.

Без спрямовувального початку ймовірність того, що складні функції, які виконуються цими неструктурованими краплями, могли б спонтанно виникнути внаслідок «самоорганізації», настільки мала, що її важко навіть уявити. Тут ми спостерігаємо ретельно скоординовану функцію, що виникає за відсутності жорсткої структурної «опори». Поведінка активної матерії в умовах молекулярної координації цитоплазми є яскравим прикладом того, що життя породжується функцією, а структура є вторинною.

Усвідомлення цього глибокого висновку виводить нас за межі суто механістичного підходу. І це закономірно, оскільки клітина й життя загалом виходять за межі механіки. Цілеспрямованість, що приводить до функції (те, що Арістотель називав telos), є спрямовувальним принципом життя.

Інакше кажучи, «усе суще, – як стверджував Фома Аквінський, – спрямоване до своєї мети».