На стыке физики и биологии одной из самых динамично развивающихся областей исследования является активная материя. Илья Пригожин, один из величайших учёных XX века, более 50 лет назад заложил теоретические основы «диссипативных систем», описав, как материя, поглощающая энергию, может поддерживать состояние неравновесия в «самоорганизующихся системах». Редукционистская наука утверждает, что сама жизнь – это именно такое явление: самоорганизация. За последние десять лет прогресс в применении работ Пригожина к биологии стремительно вырос. Сейчас ведётся работа по разгадке тайны «самоорганизующихся систем» не только на примере торнадо и водоворотов, но и в контексте изучения живых организмов.

Вопрос без ответа

Более полувека физическая наука об организмах почти полностью находилась в сфере молекулярной биологии, согласно которой жизнь должна была быть сведена к химическим реакциям. Чудеса репликации ДНК, синтеза белка и клеточного дыхания – вплоть до судьбы субатомных частиц в цепи переноса электронов – были детально описаны благодаря строгим биохимическим исследованиям. Казалось, редукция завершена, за исключением одного важнейшего вопроса: «Как всё это было организовано?»

В медицинской школе меня учили заучивать многочисленные этапы цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), изучая пути реакций по листу бумаги. Но как все эти ферменты и промежуточные химические продукты находят правильный путь входа и выхода из циклов и каскадов, не сталкиваясь друг с другом и не теряясь? Существует ли структура, поддерживающая функцию?

Дебаты о структуре и функции

Ранее я описывал, как материалистическая наука сводит сложность жизни к соотношению структуры и функции, чтобы обосновать неодарвинскую гипотезу случайности и отбора. Я утверждал, что структура и функция являются взаимодополняющими и что любое различие между ними – лишь языковая фикция. Эта фикция является одним из ключевых столпов научного атеизма. Разрушение этого столпа существенно подрывает атеистический аргумент о природе жизни.

Может ли физика активной материи спасти научный атеизм, вновь утверждая необходимость дуальности структуры и функции для поддержки неодарвинизма? Похоже, что именно к этому стремятся многие исследователи. В конце концов, если материя может активно самоорганизовываться в структуры, обеспечивающие функцию в живых системах, то некогда господствующая парадигма натурализма может получить новое дыхание.

Как всегда, подход натурализма заключается в сведении сложности природных явлений к базовым физическим законам. Таким образом отпадает необходимость в каком-либо мистическом или Божественном начале для объяснения сложности жизни. Могут ли свойства активной материи взять на себя роль объяснения такой ошеломляющей сложности внутриклеточной динамики?

Клетка – не машина

При исследовании новой области наиболее заметные ориентиры становятся первыми объектами внимания. Именно поэтому основные химические реакции, поддерживающие жизнь, включая транскрипцию ДНК и другие процессы, были первыми, которые извлекли из клетки и детально изучили ex vivo. Затем последовали ограниченные мембранами внутриклеточные структуры, изолирующие некоторые из этих сложных реакций, такие как ядро, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, митохондрии, аппарат Гольджи и другие. Пока всё выглядит логично.

Однако при дальнейшем углублении во «внутриклеточный ландшафт» стало ясно, что значительная часть внутриклеточной химии происходит в областях цитоплазмы, не ограниченных мембранами. И это вновь поднимает тот же вопрос: «Как координируются все эти чрезвычайно сложные и точные химические реакции клетки?»

Мы понимаем, как работают сложные механизмы в машинах, и поэтому часто ошибочно переносим эту модель на изучение клеточной биологии. Но клетка – не машина. В ней нет жёстких каркасов, шестерёнок, блоков, микросхем или изолированных электрических цепей, которые бы отделяли один механизм от другого в цитоплазме. Внутри клетки сотни различных химических реакций происходят одновременно, словно в одном общем «котле». Очевидно, что потребность в «самоорганизации» здесь чрезвычайно велика!

Биомолекулярные конденсаты

Чтобы ответить на эти вопросы, внимание исследователей переключилось на динамику самой цитоплазмы. И, не уступая по значимости генетическому коду или цепи переноса электронов, недавно было установлено, что цитоплазма действительно «самоорганизована» особым и довольно новым способом.

Цитоплазма представляет собой смесь химических компонентов самых разных размеров – от электролитов до макромолекул и всего промежуточного. Биофизика активной материи недавно продемонстрировала способность цитоплазмы самопроизвольно разделяться на жидкие капли без мембран с различной вязкостью, которые ограничивают, изолируют, регулируют и «сопровождают» множество химических компонентов. Сложная внутриклеточная молекулярная активность цитоплазмы координируется именно этим процессом. Эти явления жидкость-жидкостного фазового разделения (LLPS) называются биомолекулярными конденсатами.

Вот как это описывается в научной литературе. Riccardo Babic et al. в статье журнала Trends in Biochemical Sciences «Регуляция аутофагии через фазовое разделение, авидность и смачивание» (Autophagy regulation by phase separation, avidity, and wetting) пишут:

«Специфические "грузы" должны быть распознаны в переполненной цитозольной среде, и точный механизм должен собраться de novo... Как диффузный, активный цитозоль превращается в хорошо скоординированную систему? ...Фазовое разделение описывает процесс, при котором сети слабых, мультивалентных взаимодействий между макромолекулами приводят к образованию гелеобразных конденсатов, обладающих вязкоупругими свойствами, которые могут собираться, перестраиваться и разбираться...»

Биомолекулярные конденсаты обладают свойствами, тонко приспособленными к нуждам клетки, и некоторые из этих свойств действительно можно свести к таким параметрам, как валентность, вязкость и т.д. Однако невозможно не заметить, что при их описании используется «обязательный» объяснительный язык: распознавание «груза», сигнальные каскады, «молекулярная грамматика», трёхмерная пространственная организация и даже «молекулярная липучка» (molecular Velcro). С точки зрения биофизики, материя, активируемая энергией, может достигать такого неравновесного состояния. Но объясняет ли это, как материя способна выполнять все эти нормативные задачи необходимые для жизни?

Телега, лошадь и несостоятельность дуализма

Когда около 70 лет назад биохимики начали объяснять жизнь на молекулярном уровне, чрезвычайно упрощённое понимание того времени способствовало возникновению ошибочного дуализма «структура/функция».

Транскрипция и трансляция нуклеотидов, принцип «ключ-замок» в работе ферментов и другие примеры, казалось, указывали на простую идею: как только молекулы приобретают определённую структуру, из этого автоматически следует функция. Однако более глубокое изучение показывает, что сложность жизни не поддаётся такому упрощённому сведению. Даже приведённое выше краткое описание демонстрирует систему, которая вовсе не укладывается в линейное понимание химических реакций, характерное для 1970-х годов. Авторы пишут далее:

«Признание фазового разделения фундаментальным принципом организации переопределило наше понимание аутофагии – не как линейной последовательности молекулярных событий, а как пространственно и временно регулируемого процесса, управляемого биомолекулярными конденсатами...»

По мере более глубокого изучения жизни мы больше не видим линейных путей. (!) Вместо этого обнаруживается сеть сложных функций, необходимых для жизни, возникающих в неуменьшаемой форме, описанной Майклом Бихи в книге «Чёрный ящик Дарвина» (1996). Свойства активной материи, проявляющиеся в таких явлениях, как биомолекулярные конденсаты, показывают, что не существует простых линейных соотношений «структура-функция», способных объяснить глубокую сложность функционирования цитоплазмы. Вместо этого мы видим некодированные, многоуровневые, аморфные «вязкоупругие капли», возникающие благодаря физике фазового разделения.

На первый взгляд такой «хаотичный» процесс можно было бы принять за случайный. Но затем становится ясно, что эти «капли» выполняют точные и чрезвычайно сложные нормативные функции, «управляемые молекулярными конденсатами». Управление не является случайным. Оно может быть объяснено только на основе биологической целенаправленности.

Без направляющего начала вероятность того, что сложные функции, выполняемые этими неструктурированными каплями, могли бы спонтанно возникнуть в результате «самоорганизации», настолько мала, что её трудно даже представить. Здесь мы наблюдаем тщательно скоординированную функцию, возникающую при отсутствии жёсткой структурной «опоры». Поведение активной материи в условиях молекулярной координации цитоплазмы является ярким примером того, что жизнь порождается функцией, а структура вторична.

Осознание этого глубокого вывода выводит нас за пределы чисто механистического подхода. И это закономерно, поскольку клетка и жизнь в целом выходят за рамки механики. Целеустремлённость, приводящая к функции (то, что Аристотель называл telos), является направляющим принципом жизни.

Иначе говоря, «всё сущее, – как утверждал Фома Аквинский, – направлено к своей цели».