Эмерджентность: Связанная жизнь муравьев, мозга, городов и компьютерных программ - Стивен Джонсон

Человеческое тело состоит из нескольких сотен различных типов клеток — мышечных, кровяных, нервных и так далее. В любой момент времени в вашем организме трудятся около 75 триллионов этих клеток. В самом буквальном смысле вы являетесь суммой их действий; без них нет вас. И тем не менее эти клетки постоянно умирают! Тысячи из них, вероятно, погибли за то время, пока вы читали предыдущее предложение, а к следующей неделе вы будете состоять из миллиардов новых клеток, которых не было здесь, чтобы насладиться чтением этого предложения, не говоря уже о том, чтобы радоваться вашему первому шагу или школьному выпускному балу. Клетки в вашем теле умирают постоянно — и большинство из них заменяются с огромной скоростью. (Оказывается, даже клетки мозга регенерируют в зрелом возрасте.) И все же каким-то образом, несмотря на это колоссальное обновление клеток, вы по-прежнему чувствуете себя самим собой от недели к неделе и из года в год. Как такое возможно?

Некоторые читатели могут возразить, что люди на самом деле ближе к тому бесконечно перестраиваемому тюдоровскому дому, чем к муравьиной колонии, поскольку в случае развития человека у нас действительно есть главный планировщик и чертеж, которому мы можем следовать: эти спирали ДНК, аккуратно свернутые в каждой клетке нашего тела. Наши клетки знают, как строить наши тела, потому что естественный отбор наделил их скрупулезно детализированным планом и позаботился о том, чтобы 75 триллионов копий были распределены по всему нашему организму в любой момент времени. Казалось бы, тирания ДНК противоречит принципам эмерджентности: если все клетки читают одно и то же руководство к действию, то это вовсе не система, работающая снизу вверх; это абсолютная централизация. Это было бы похоже на муравьиную колонию, где каждый муравей начинал день с тщательно спланированного графика: сбор пищи с шести до десяти; дежурство на мусорной куче до полудня; обед; а во второй половине дня — уборка. Это командная экономика, а не система, работающая снизу вверх.

Значит ли это, что наши гены — это тайные Сталины, раздающие фиксированный план роста стахановцам наших клеток? Неужели мы больше похожи на социалистический жилой комплекс, чем на муравьиную колонию? Никто не спорит, что ДНК оказывает колоссальное влияние на развитие наших клеток и что каждая клетка в нашем теле содержит один и тот же генетический чертеж. Если бы каждая клетка просто считывала инструкции из хромосомного руководства и вела себя соответствующим образом, действительно можно было бы утверждать, что наши тела функционируют не так, как муравьиные колонии. Но клетки делают больше, чем просто следуют диктату ДНК. Они также учатся у своих соседей. И без этого локального взаимодействия генеральный план нашего генетического кода был бы абсолютно бесполезен.

Клетки избирательно используют чертеж ДНК: ядро каждой клетки содержит весь геном организма, но каждая отдельная клетка считывает лишь крошечный сегмент этих данных: мышечные клетки читают строки кода, относящиеся к мышечным клеткам, в то время как клетки крови обращаются к фрагментам, связанным с клетками крови. Это кажется довольно простым, пока вы не зададитесь вопросом: а как мышечная клетка вообще стала мышечной? И этот вопрос лежит в основе одной из самых глубоких тайн эмерджентности: как сложные организмы с огромным разнообразием строительных блоков могут развиваться из столь простых зачатков. Все мы начинаем жизнь как одноклеточные организмы, и все же к концу цикла развития мы каким-то образом состоим из двухсот разновидностей клеток, тесно связанных друг с другом и выполняющих потрясающе сложные задачи. Как яйцо ухитряется знать, как построить курицу?

Ответ не так уж отличается от решения, на которое полагаются муравьиные колонии. Клетки самоорганизуются в более сложные структуры, учась у своих соседей. Каждая клетка вашего тела содержит сложный набор инструментов для определения состояния окружающих клеток и для общения с ними с помощью различных химических посредников. Там, где муравьи использовали феромоны, чтобы сообщать друг другу о своих действиях, клетки общаются посредством солей, сахаров, аминокислот — и даже более крупных молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Сигналы частично передаются через клеточные «контакты» — узкие проходы, которые пропускают молекулы из цитоплазмы одной клетки в другую. Это общение играет важнейшую роль во всей клеточной активности, но оно особенно критично для эмбрионального развития, во время которого одноклеточный организм самоорганизуется в мышь, круглого червя или человека.

Все мы начинаем жизнь как одноклеточный эмбрион, но спустя считаные секунды после зачатия эмбрион делится на две части: «голову» и «хвост». В этот момент организм пополняет ряды многоклеточной жизни, состоя теперь из двух отдельных клеток. И у этих двух клеток — головной и хвостовой — в ДНК закодированы разные инструкции по росту: одна клетка открывает главу «головная клетка», другая — главу «хвостовая клетка». На этой ранней стадии развития инструкции следуют предсказуемому шаблону: разделиться на еще одну «голову» и «хвост». Таким образом, на втором этапе эмбрионального развития образуются четыре клетки: голова головы, хвост головы, голова хвоста и хвост хвоста. Эти четыре единицы могут показаться незначительными, но цикл деления клеток продолжается со стремительной скоростью. Эмбрион лягушки делится почти на десять тысяч клеток всего за несколько часов. Неудержимая сила геометрической прогрессии — это не просто математическая причуда, это также основа самого зарождения жизни.

Как только эмбрион достигает определенного размера, начинают формироваться клеточные «коллективы», и здесь все становится сложнее. Одна группа клеток может положить начало руке, в то время как другая группа может оказаться первыми зачатками серого вещества мозга. Каждая клетка должна каким-то образом понять, где она находится в общей схеме вещей — и все же, подобно муравьям, у клеток нет возможности видеть картину целиком, и у них нет фиксированного адреса, начертанного на них при появлении на свет, нет заводского серийного номера. Но хотя у клеток нет возможности взглянуть на содержащий их организм с высоты птичьего полета, они могут оценивать ситуацию на «уличном» уровне с помощью молекулярных сигналов, передаваемых через клеточные контакты. В этом и заключается секрет самосборки: клеточные коллективы возникают потому, что каждая клетка ищет у своих соседей подсказки о том, как себя вести. Эти подсказки напрямую контролируют то, что биологи называют «экспрессией генов»; они служат шпаргалкой, позволяющей каждой клетке сообразить, к какому сегменту ДНК обратиться за инструкциями. Это своего рода микроскопическое стадное чувство: клетка оглядывается на своих соседей и видит, что все они дружно трудятся над созданием барабанной