НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Живое и неживое. В поисках определения жизни

Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу Карла Циммера «Живое и неживое. В поисках определения жизни» (перевод Марии Елифёровой).

Как отличить живое от неживого? Где пролегает граница между ними? На первый взгляд, детские вопросы. И тем не менее уже много столетий ученые и философы не могут прийти к удовлетворяющему всех ответу. Этой теме — что такое жизнь — и посвящена новая книга Карла Циммера. Автор полагает, что нет другого объекта научного познания, которому было бы дано столь много определений. И существует ли единственное и безусловно верное? Ведь проявлений жизни великое множество. Вирус COVID-19 изменил наш мир, но можно ли его считать живым? А эритроцит или сорванное с дерева яблоко? Оплодотворенная яйцеклетка — живая? Можно ли констатировать смерть человека, мозг которого умер, но тело функционирует? Как зародилась жизнь на Земле и поймем ли мы, что инопланетяне живые, когда наконец встретимся с неземными формами существования? Темные вопросы! Блестящий популяризатор науки, уже полюбившийся русскоязычной аудитории, приглашает читателя на поиски ответов. Удастся ли их найти, достигнет ли автор своей цели? Нас ждет поистине интригующее повествование!

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

 

На следующее утро мой маршрут пролегал по верху, по горам. Шоссе Норд-Торри-Пайнс-роуд рассекало район Ла-Хойя калифорнийского города Сан-Диего, уходя на север вдоль чащ нависших башенных кранов. На дороге, забитой в час пик машинами, едва ли кто думал о полоске дикого пляжа, притулившегося совсем рядом внизу. Я перешел обсаженную эвкалиптами автостоянку и подошел к Сэнфордскому[1] консорциуму по восстановительной медицине — целому комплексу лабораторий и офисов. Войдя в богато остекленное здание, я поднялся в лабораторию на третьем этаже, где меня ждал ученый с аккуратной бородкой, по имени Клебер Трухильо, уроженец Бразилии. Мы облачились в халаты и натянули синие перчатки.

Трухильо отвел меня в комнатку без окон, набитую холодильниками, инкубаторами и микроскопами . Он широко раскинул руки в синих перчатках и почти дотянулся до стен. «Тут мы проводим половину рабочего времени», — сказал он.

В этом помещении он в сотрудничестве с аспирантами выращивал особый тип жизни. Трухильо открыл инкубатор и вынул прозрачную пластиковую коробку. Подняв руки повыше, он показал мне ее снизу, со стороны дна. В коробке было шесть круглых ячеек диаметром с печенье, наполненных чем-то вроде разбавленного виноградного сока. В каждой ячейке плавало несколько десятков белесых шариков размером не более мушиной головки.

Каждый шарик состоял из сотен тысяч человеческих нейронов. Каждый развился из единственной клетки-предшественницы. Теперь эти шарики могли делать многое из того, на что способен наш собственный мозг. Они обеспечивали себя энергией, поглощая из той похожей на сок среды питательные вещества. Они поддерживали свои биомолекулы в рабочем состоянии. Они испускали электрические сигналы в волнообразном ритме, синхронизируя их с помощью нейромедиаторов. Каждый такой шарик, по-научному органоид, был самостоятельным живым существом, его клетки сплелись в единый коллектив.

«Они тянутся друг к другу», — сказал Трухильо, разглядывая донышки ячеек. Он явно любил свои творения.

Лабораторией, где работал Трухильо, заведовал другой ученый бразильского происхождения — Алиссон Муотри. Переехав в США и став профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего, он научился выращивать нейроны. Муотри брал у людей частицы кожи и обрабатывал их химическими составами, превращавшими эти клетки в эмбриональные. Воздействовав потом на клетки другим набором реактивов, он заставлял их развиваться в нейроны. На дне чашки Петри из них могли образовываться бляшки, способные потрескивать электрическими разрядами и обмениваться нейромедиаторами.

Муотри однажды понял, что эти нейроны можно использовать для изучения заболеваний мозга, вызванных мутациями. Вместо того чтобы вырезать кусочки серого вещества из человеческих голов, можно брать образцы кожи тех же людей и перепрограммировать их в нейроны. Для первого исследования он взял клетки пациентов с наследственной формой аутизма — синдромом Ретта. Среди симптомов этого заболевания — умственная отсталость и утрата моторного контроля. И вот нейроны выросли, раскинули свои водорослевые ветви в чашках Петри и вступили в контакт друг с другом. Муотри сравнил их с нейронами, полученными из образцов кожи здоровых людей. Выявились некоторые различия. Самым заметным оказалось то, что нейроны, полученные из клеток пациентов, страдающих синдромом Ретта, образовывали меньше веточек. Возможно, разгадка заболевания — в разреженности нейронной сети, из-за которой обмен сигналами в мозгу идет не так, как надо.

Однако Муотри прекрасно понимал, что бляшка нейронов космически далека от мозга. Почти полтора кило мыслящей материи в наших головах можно было бы назвать живым кафедральным собором, если бы тот строил сам себя из своих же камней. Мозг развивается из немногочисленных клеток-предшественниц, которые мигрируют туда, где у зародыша будет голова. Они объединяются в нечто вроде кармашка и затем размножаются. Разрастаясь, эта масса выпускает длинные отростки-канатики во все стороны к формирующимся стенкам черепной коробки. Из массы клеток-предшественниц выделяются другие клетки и двигаются вдоль этих канатиков. В разных точках пути разные клетки будто замирают и начинают разрастаться наружу. Они образуют стопку слоев, известную под названием коры головного мозга.

В этой внешней кожуре человеческого мозга протекает львиная доля того особого мышления, которое и делает нас людьми: благодаря ей мы понимаем речь, читаем эмоции на человеческих лицах, вспоминаем прошлое и планируем отдаленное будущее. И все эти мысли, омытые океаном сложных сигналов, порождаются клетками, сформированными в особом пространстве внутри головы.

К счастью для Муотри, ученые придумали новые способы убедить перепрограммированные клетки вырасти в миниатюрные органы. Уже были созданы органоиды легких, органоиды сердца, а в 2013 г. — органоиды мозга. И вот исследователи «уговорили» эти перепрограммированные клетки стать мозговыми клетками-предшественницами. Получив нужные сигналы, эти клетки затем размножались и порождали тысячи новых нейронов. Муотри осознал, что органоиды мозга совершат переворот в его исследованиях. Болезнь типа синдрома Ретта начинает изменять кору мозга уже на самых ранних этапах его развития. Но эти изменения даже специалистам уровня Муотри представлялись черным ящиком. Теперь же исследователь мог выращивать органоиды мозга и наблюдать напрямую за этими трансформациями.

Муотри и Трухильо совместно воспользовались методами, уже созданными другими учеными для выращивания органоидов. Затем бразильцы принялись разрабатывать собственные методы, позволяющие вырастить кору мозга. Было непросто подобрать химический состав, который направил бы клетки-предшественницы на нужный путь развития. Те часто гибли на полдороге, лопаясь и разбрасывая свои молекулярные внутренности. В итоге ученые нашли нужное соотношение реагентов. К своему удивлению, они увидели, что клетки, стоило им двинуться по верному пути, продолжали развитие уже самостоятельно.

Исследователям больше не нужно было терпеливо добиваться, чтобы органоиды росли. Комочки клеток самопроизвольно раздвинулись и образовали полую трубку. Они выпустили отростки, ответвившиеся от этой трубки, и вдоль этих отростков стали мигрировать другие клетки. На внешней поверхности органоидов даже возникли складки, напоминающие извилины нашего мозга. Теперь Муотри и Трухильо умели делать органоиды мозговой коры, разрастающиеся до сотен тысяч клеток. Их творения жили неделями, потом месяцами, а затем и годами.

«И что самое невероятное — они строят себя сами», — сказал Муотри.

В тот день, когда я приехал в лабораторию, ее заведующий обследовал органоиды, отправленные в космос. Муотри сидел у себя в кабинете, откуда через стеклянную дверь можно было выйти на балкон. Исследователь вел себя добродушно и непринужденно — казалось, он вот-вот устроит себе короткий день, возьмет исцарапанную доску для серфинга, прислоненную к стене у его стола, и направится к морю. И тем не менее он был занят самым невероятным из своих многочисленных экспериментов.

Вдали за окном летали парапланы. Но завлабу не было до них дела. Ведь в 400 км у него над головой, на МКС, в металлическом ящике летали сотни выращенных им органоидов мозга. Он хотел знать, как они поживают.

Астронавты, работающие на космической станции, уже много лет проводили опыты по выращиванию клеток на околоземной орбите. Обращаясь вокруг родной планеты в состоянии невесомости, клетки уже не испытывали воздействия гравитации, довлеющей над всей земной жизнью последние 4 млрд лет. Но и микрогравитация, как оказалось, творит странные вещи. В некоторых космических экспериментах клетки росли быстрее, чем на Земле. Порой они становились крупнее. Муотри было любопытно, не разрастутся ли его органоиды на орбите в более крупные кластеры и не станут ли они еще больше похожи на человеческий мозг.

Получив одобрение от NASA, Муотри, Трухильо и их коллеги начали совместно с инженерами проектировать космический домик для органоидов. Они сконструировали инкубатор, способный питать органоиды и поддерживать нужную среду для их развития. За несколько недель до моего визита Муотри влил свежую партию мини-мозгов во флакон и сунул его в рюкзак. Стоя в очереди на досмотр в аэропорту Сан-Диего, он понятия не имел, как ответить, если его спросят, а что это там в пузырьке. «Тысяча миниатюрных мозгов, выращенных мною в лаборатории, и я собираюсь отправить их в космос»?

Судя по всему, органоиды не привлекли внимания досмотрщиков. Муотри удалось сесть в самолет без проблем. Добравшись до Флориды, он вручил инженерам флакон для отправки его на борту транспортного корабля. Несколько дней спустя исследователь следил за тем, как ракета-носитель SpaceX Falcon 9 взлетает в небо.

Когда груз прибыл на космическую станцию, астронавты забрали инкубатор с органоидами и поместили его в один из отсеков. Там он пробыл месяц. По завершении эксперимента астронавтам следовало залить органоиды спиртом. От этого они погибнут, но зато будет зафиксировано их состояние на момент смерти. Как только, возвращаясь на Землю, органоиды упадут в Тихий океан, их выловят, доставят в лабораторию Муотри, и тогда он сможет изучить клетки и узнать, какие гены включались у них в космосе.

Исход затеи зависел от того, доживут ли органоиды до назначенного срока, а Муотри не знал, удастся ли им это. Чтобы наблюдать за подопытными на протяжении всего их месячного космического полета, он снабдил инкубатор миниатюрными камерами слежения, делавшими снимки через каждые полчаса. МКС передавала снимки на Землю, а Муотри скачивал их через удаленный сервер.

Когда он загрузил первую серию изображений, отснятых в самом начале миссии, оказалось, что они никуда не годятся. Из-за пузырьков воздуха ничего было не разобрать. Три недели исследователь не имел ни малейшего представления, что там с его органоидами. Я смотрел, как Муотри очередной раз подключается к серверу. Он обнаружил новый снимок с МКС и скачал его. Тяжелый файл разархивировался , и на экране, полоска за полоской, проявилось изображение.

— Ого! — воскликнул Муотри и издал недоверчивый смешок. — Я их вижу!

Он приблизил лицо к экрану, вглядываясь в изображение. С полдюжины серых шариков парили на бежевом фоне.

— Ага, все они выглядят вполне нормально, — отметил исследователь. — Круглые, более-менее одинакового размера. Не видно, чтобы они сливались или слипались в кучку.

Он откатился в кресле от компьютера.

— Так что новости хорошие. Я счастлив. Просто фантастика.

Муотри сумел определить, что его органоиды живы, даже когда те находились в космосе.

В конце 2015 г. совместно с Трухильо они впервые получили возможность использовать органоиды, чтобы узнать еще кое-что о мозге. В Бразилии врачи бились над вопросом, почему тысячи младенцев рождаются с тяжелыми нарушениями развития мозга, при которых практически отсутствует его кора. Оказалось, что матери этих детей подхватили вирус Зика, который разносят комары; прежде этот вирус не встречался в Новом Свете. Муотри и Трухильо раздобыли образцы вируса Зика и принялись заражать мозги-органоиды. Их интересовало, появятся ли наблюдаемые изменения.

«Появились, да еще какие!» — сказал мне Муотри.

Вирус Зика тут же разрушал клетки-предшественницы у незрелых органоидов. Без этих клеток органоид оказывался неспособен выпустить канатики и начать формирование коры. Опыты позволили установить, что вирус Зика не убивает кору мозга, а просто изначально не дает ей сформироваться. Как только ученые определили, в чем состоит разрушительное воздействие вируса, они смогли создать лекарства, блокирующие его. Затем последовали испытания этих лекарств на животных, чтобы проверить, смогут ли они защитить мозг от повреждений.

Пошла молва, что Муотри тысячами выращивает суррогаты мозгов. К нему запросились аспиранты и молодые специалисты. Когда они поступали в лабораторию, им приходилось несколько месяцев обучаться у Трухильо сложному искусству создания органоидов. Я попросил аспиранта Седрика Снетледжа рассказать, как проходила его подготовка. Чтобы получить органоид мозга, недостаточно установить предписанные протоколом нужные температуры и уровни pH, объяснил он. Снетледжу пришлось на каждом этапе учиться применять интуицию, например определять, на сколько нужно наклонить емкости, чтобы органоиды не прилипли ко дну. Я сказал Снетледжу, что он как будто рассказывает о кулинарных курсах.

«Если сравнивать с кулинарией, то это скорее похоже на то, как делают суфле, чем на то, как варят гуляш», — ответил он.

Снетледж хотел заниматься неврологическими заболеваниями, для этого-то он и учился выращивать органоиды. Другие аспиранты попали в лабораторию Муотри с целью разобраться, как сделать органоиды более похожими на мозг. Чтобы клетки мозга оставались здоровыми, нужны питательные вещества и много кислорода, а значит, тем, которые находятся в глубине органоида, может угрожать истощение. Поэтому одни студенты Муотри добавляли к органоидам новые клетки, способные развиться в трубочки наподобие артерий, другие же подсаживали иммунные клетки, чтобы посмотреть, не придадут ли те более естественные формы ответвлениям нейронов.

Тем временем Присцилла Негрес, жена Клебера Трухильо, прислушивалась к «разговорам», которые вели между собой клетки органоидов. Когда органоид мозга достигает возраста в несколько недель, его нейроны созревают, начиная порождать электрические импульсы. Эти импульсы могут проходить по аксону и вызывать такое же возбуждение в соседних нейронах. Негрес и ее коллеги сконструировали подслушивающее устройство, которое улавливало треск. На дне миниатюрных ячеек они разместили решетки электродов 8×8. Затем заполнили ячейки питательной средой и поместили поверх каждой матрицы по органоиду.

На компьютере у Негрес расшифровка данных с электродов имела вид сетки из 64 кружочков. Когда какой-нибудь электрод регистрировал возбуждение нейрона, соответствующий кружочек увеличивался и становился из желтого красным. Шли недели, кружочки росли и краснели всё чаще, но Негрес никак не могла уловить в этих вспышках закономерности. Время от времени клетки органоидов возбуждались самопроизвольно, создавая неврологический шум.

Но, когда органоиды подросли, Негрес заметила, что в сигналах появилась некая упорядоченность. Порой несколько кружочков загорались красным одновременно. Потом все 64 электрода стали фиксировать сигналы в один и тот же момент. А затем Негрес удалось отследить, как они вспыхивают и гаснут волнообразно.

Неужели исследовательница и впрямь наблюдала развитие настоящих ритмов мозговой активности у органоидов? Очень хотелось бы, конечно, сравнить то, что она видела в своих ячейках, с развитием мозга человеческого эмбриона! Но наука еще не научилась отслеживать электрическую активность мозга внутриутробно. Максимум, что было доступно, — это изучать недоношенных младенцев, надевая на их головки величиной с апельсин миниатюрные шапочки с датчиками для ЭЭГ.

Для сравнительного изучения органоидов и мозга недоношенных детей Негрес и ее коллеги привлекли нейрофизиолога Брэдли Войтека из Калифорнийского университета в Сан-Диего и его аспиранта Ричарда Гао. У детей, рожденных на относительно ранних сроках беременности, с наименее развитым мозгом, фиксировались редкие вспышки волновых ритмов, разделенные длинными промежутками беспорядочной активности. У тех, кто родился ближе к положенному сроку, паузы были короче, а периоды волновой активности — дольше и более упорядочены. Органоиды в ходе созревания демонстрировали отчасти сходные тенденции. Когда у молодого органоида впервые проявлялись волновые ритмы, они возникали редкими всплесками. Но с течением времени, по мере его развития, ритмы становились более долгими и упорядоченными, а паузы укорачивались.

Это жутковатое открытие не означало, что Негрес и ее коллегам удалось создать детский мозг. Во-первых, мозг человеческого младенца в 100 000 раз больше самого крупного органоида. Во-вторых, ученые смоделировали только одну часть мозга — кору. Функциональный человеческий мозг включает в себя много других элементов: мозжечок, таламус, черную субстанцию и т. д. Одни области воспринимают запахи. Другие обрабатывают зрительную информацию. Третьи сводят воедино разные типы данных. Четвертые кодируют память. Пятые отвечают за реакции страха или радости.

И все-таки открытие смутило ученых. У них были все основания подозревать, что в ходе дальнейших исследований органоиды мозга будут всё больше походить на настоящий мозг. Если обеспечить им бесперебойное кровоснабжение, они вырастут более крупными. Исследователи смогут подсоединить органоид мозговой коры к органоиду сетчатки, умеющему воспринимать свет. Можно подключить его к моторным нейронам, способным посылать сигналы в мышечные клетки. Муотри даже увлекся идеей подсоединить органоид к роботу.

Чем это может кончиться? Когда Муотри начинал выращивать органоиды, он полагал, что они никогда не обретут самосознание.

«Теперь я в этом не так уверен», — признался он.

Уверенность покинула и биоэтиков с философами. Они приступили к обсуждению органоидов мозга, а также к тому, что о них думать. Я обратился к одной из участниц дискуссии, гарвардской исследовательнице Жантин Лунсхоф, чтобы узнать ее мнение.

Лунсхоф не особенно опасалась, что Муотри случайно создаст в пробирке существ, обладающих сознанием. Органоиды мозга настолько малы и примитивны, что им еще очень далеко до этого порога. Занимал ее простой вопрос: что это вообще такое?

«Для ответа на вопрос, что с этим делать, нужно вначале понять, что это вообще, в принципе, — сказала Лунсхоф. — Мы создаем объекты, о которых еще десять лет назад никто и слыхом не слыхивал. Их не было в списках философских проблем».

Вопрос Лунсхоф всплыл в моей памяти, когда Трухильо показывал мне в Ла-Хойя свою подоспевшую партию органоидов.

— Это просто клеточная масса, — сказал он, указав на одну из ячеек. — Рядом с человеческим мозгом это и близко не лежало. Но у нас есть способы изготовить более сложный мини-мозг.

— То есть вас это не смущает, — я подбирал подходящие слова, — поскольку это явно не человеческий мозг…

— Клетки человеческие! — уточнил Трухильо.

— То есть они живые, — заметил я полуутвердительно-полувопросительно.

— Да, — подтвердил исследователь. — И человеческие.

— Но это не человек?

— Не человек, — ответил он.

Трухильо предложил мне представить себе органоид, подключенный к электроду.

— Можно подать на него электрические разряды в определенном ритме, — сказал он.

Во время нашего разговора Трухильо сидел перед микроскопом. Он вытянул два пальца и начал постукивать по столу в ритме галопа.

Та-дам, та-дам, та-дам.

Трухильо оторвал руку от стола.

— А затем — стоп.

Через несколько секунд исследователь снова начал выбивать ритм.

Та-дам, та-дам, та-дам.

— А теперь эта штука отвечает, — сказал он. В ответ на входящий сигнал органоид с помощью своих нейронов выдал собственный сигнал в таком же ритме.

— Вот это беспокоит больше. Она чему-то обучается.

Мы плохо подготовлены к осмыслению этих потрескивающих шариков. Проблема не только в том, что органоиды мозга — нечто новое. Когда вам на день рождения дарят смартфон новой модели, иногда бывает нужно время, чтобы разобраться, как его разблокировать, но из-за смартфона не случится философского кризиса. Органоиды мозга вселяют беспокойство, поскольку нутром мы чуем: жизнь должна быть понятной. А эти комочки нейронов доказывают, что не должна, что чутье нас обманывает.



[1] Назван в честь Томаса Дэнни Сэнфорда (род. 1935), бизнесмена и филантропа из Южной Дакоты. — Прим. ред.

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2022.