Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Моей лаборатории часто приходилось сражаться с избыточностью и хитросплетениями, привнесенными естественным отбором, поскольку они могут «затенять» ключевые принципы биологических процессов. Чтобы справиться с этим, мы генетически сконструировали дрожжевые клетки для выработки очень упрощенной схемы управления клеточным циклом. Это как если бы вы разобрали автомобиль, убрав кузов, фары и сиденья и оставив только узлы для выполнения важнейших функций – мотор, трансмиссию и колеса. Вышло лучше, чем я рассчитывал. Наши упрощенные клетки все еще могли выполнять главные задачи контроля клеточного цикла. Разборка сложного механизма до базовых элементов облегчила нам анализ потока информации и, таким образом, позволила по-новому вникнуть в суть системы управления клеточным циклом.

Среди выбранной группы незаменимых регуляторов клеточного цикла, выявленных в эксперименте, был ген cdc2. По мере продвижения дрожжевой клетки через клеточный цикл сама клетка стабильно растет, как и количество cdc2, а также содержащего циклин белкового комплекса CDK. Говоря на языке информации: клетка использует количество активного комплекса CDK и как входной параметр, отражающий информацию о размерах клетки, и как решающий сигнал, запускающий главные события клеточного цикла. В первую очередь комплексом CDK фосфорилируются белки, требуемые на ранней стадии цикла, что ведет к копированию ДНК в фазе синтеза, а те, что требуются позднее, фосфорилируются позже, что ведет к митозу и делению клетки в конце клеточного цикла. «Ранние» белки более чувствительны к ферментативной активности CDK, чем «поздние», поэтому они будут фосфорилироваться при снижении активности CDK в клетке.

Данная простая модель управления клеточным циклом идентифицировала активность CDK как критически важный координирующий узел в сети белок-белковых взаимодействий в центре управления клеточным циклом. До того момента отгадка ускользала от нас из-за внешней сложности сети, избыточных функций различных компонентов, наличия менее важных механизмов контроля и, возможно, также из-за склонности человеческого ума очаровываться сложностью вместо того, чтобы искать простоту.

В большей части этой главы основное внимание уделялось клеткам, поскольку они служат основным элементом жизни, но, когда рассматриваешь жизнь как информацию, следует заглянуть дальше. Велика вероятность, что мы сможем гораздо глубже проникнуть во все области биологии, если найдем возможности понимания того, каким путем молекулярные взаимодействия, активность ферментов и физические механизмы производят, передают, получают, хранят и обрабатывают информацию. По мере того как данный подход завоевывает все больше сторонников, появляется шанс, что биология выйдет за пределы общепринятого и знакомого мира, где она в основном пребывала в прошлом, в сторону мира более абстрактного. В этом смысле можно провести параллели с великими сдвигами в физике от отвечающего в принципе здравому смыслу мира Исаака Ньютона до вселенной Альберта Эйнштейна, где правит относительность, и еще дальше к «странному миру» квантов, открытому Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером в первой половине XX в.

Возможно, многосложность биологии приведет к странным и непонятным интуитивно объяснениям, для чего биологам потребуется еще больше помощи математиков, программистов и физиков, привыкших мыслить более абстрактно и менее сосредоточенных на повседневном опыте мира, в котором мы живем.

Воззрение, согласно которому в центре жизни лежит информация, поможет нам также в понимании более высоких уровней биологической организации. Оно может пролить свет на то, как клетки взаимодействуют для создания тканей, как ткани создают органы и как органы, действуя совместно, создают полностью готовый к работе живой организм, в частности человека. Это справедливо и в большем масштабе, если мы посмотрим на внутривидовое и межвидовое взаимодействие живых организмов, на действие экосистем и биосферы. Тот факт, что управление информацией имеет место на всех уровнях, от молекулярного до биосферного в масштабе планеты, имеет важные последствия для биологов, пытающихся понять жизненные процессы. Чаще лучше искать объяснения поближе к изучаемому явлению. Объяснения не утратят адекватности, если мы не станем во что бы то ни стало доводить их до молекулярного уровня генов и белков.

Тем не менее характер управления информацией на каком-то уровне может дать представление о том, как действует система иной величины, большей или меньшей. Например, базовые логические модули обратной связи, контролирующие ферменты-метаболиты, управляющие генами или поддерживающие телесный гомеостаз, будут иметь сходные черты с модулями обратной связи, которые позволяют экологам лучше предсказывать, как изменится природная среда, если произойдет исчезновение или миграция каких-то видов из традиционных ареалов обитания в результате изменения климата или разрушения естественной среды.