Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Удивительнее всего, пожалуй, то, что, поняв законы природного метаболического масштабирования, мы могли бы разобраться и в принципах неприродного масштабирования, определяющих, например, жизнедеятельность городов. Полагаясь на фрактальную модель, Джеффри Уэст и другие ученые утверждают, что города, как и живые организмы, управляются свойствами сетей¹³. Это могут быть переплетения шоссе, улиц и переулков; системы трубопроводов и электросетей, по которым текут жидкости или электроны; паутины финансовых трансакций; социальные сети, связывающие друг с другом людей. Результаты исследований позволяют предположить, что неожиданные законы масштабирования лежат в основе зависимостей уровня доходов, развитости дорожной сети, количества патентных заявок и многого другого от размера города. Впрочем, эти данные довольно неоднородны, и вытекающие из них тенденции еще более противоречивы, чем в случае с метаболизмом животных¹⁴. Тем не менее возможность открыть глубинные законы, руководящие жизнью городов, весьма заманчива – особенно потому, что продолжающаяся по всей планете урбанизация диктует необходимость в оптимизации городского проектирования и управления.

Какие бы интересные перспективы ни открывало понимание метаболического масштабирования, вас, возможно, по-прежнему угнетает, что в этой сфере мало что установлено однозначно. Ничего страшного – это расстраивает и меня. Главная проблема заключается в дисбалансе между обилием теорий и дефицитом данных. Статей о законе Клайбера больше, чем точек, по которым строится его график! Но наука не сводится к теоретизированию. По сути, науку делает наукой именно проверка идей на способность достоверно предсказывать реальный мир. Мы не испытываем недостатка в теориях, которые математически стройны, красивы – и ошибочны. Я руковожу исследовательской лабораторией, ориентированной на эксперименты, а не только на работу с уравнениями и программами, главным образом потому, что хочу наблюдать, как природа ведет себя на самом деле, и удивляться этому.

Концепции метаболического масштабирования сложно проверить опытным путем. Хоть мы здесь уже не раз представляли, как животные увеличиваются или уменьшаются в размерах, у настоящих слонов и мышей нет кнопок, позволяющих произвольно наращивать и снижать массу тела. Но у нас есть несколько хитроумных косвенных подходов. Например, Франк Юлихер, Йохен Ринк и их коллеги из Дрездена (Германия) недавно исследовали плоских червей, способных сильно – более чем в тысячу раз – увеличивать или уменьшать свою массу в зависимости от доступности пищи¹⁵. Примечательно, что зарегистрированная у них интенсивность обмена растет пропорционально массе тела в степени 3/4 , как и предсказывает закон Клайбера, и это не соответствует упомянутому выше показателю 2/3 , характеризующему животных внутри вида. Ученые приписали эту форму масштабирования зависящим от массы изменениям в способах хранения жиров и сахаров внутри клеток червей. Нам только предстоит узнать, специфичен ли такой расклад для плоских червей или все животные приходят к закону Клайбера этим путем. Наша загадка остается загадочной. Чтобы разгадать ее, нам нужны новые данные, а может, новые животные.

Зависимости масштабирования, которые мы рассматривали в последних главах, отражают связи между клеточными механизмами, закодированными в геномах, и ограничениями действия физических законов на уровне больших масштабов. В третьей части книги мы увидим, как и зачем нам читать и переписывать геномы, перекраивая организмы так, чтобы это затрагивало их функции на разных масштабах. Можно предполагать, что изучение биофизических закономерностей масштабирования улучшает качество наших генетических предсказаний или что плоды генной инженерии позволяют нам лучше разбираться в законах масштабирования. Оба варианта могут быть справедливы.

Часть III. Конструирование организмов

Глава 13. Как мы читаем ДНК

Из предыдущих глав мы узнали, что жизнь предполагает тесное взаимодействие физических объектов и физических законов: молекулы, клетки и органы подчиняются принципам самосборки, регулирования, случайности и масштабирования. Категории объектов и законов не могут быть изолированы друг от друга. Например, белок такой, какой он есть, благодаря самосборке его аминокислот: подталкиваемые беспрестанным броуновским танцем, они исследуют возможности разных трехмерных форм. Геном организма связывает осязаемую материю с силами, которые придают ей форму, кодируя последовательности аминокислот и регуляторные мотивы, объединяющиеся физическими взаимодействиями. Следовательно, если изменить геном, изменится и создаваемый на его основе организм.