Автор нейронного дарвинизма, ч.1

Mar 25, 2009 11:20

Джеральд Эдельман (Gerald М. Edelman)
Нобелевская премия по физиологии и медицине (1972)

Об уровнях организации, вырожденности в биологии, о редукционизме. Фрагмент интервью.

Я уже был убежден, что теория Полинга неверна. К тому времени, когда я закончил работу с белком Бенс-Джонса и начал секвестрование, я провел кое-какую работу с очищенными антителами. Картина разделения на этот раз не выглядела как размазанный пик. Продукт был гетерогенным, но наблюдалась некоторая последовательность в расположении полос легких цепочек, и это наводило на мысль о том, что разные антитела содержат разные цепи. Я еще не получил модели молекулы, но я знал, что в ней имеется по крайней мере два типа цепей и что разные молекулы имеют разный аминокислотный состав.
Примерно в это время меня пригласили прочитать лекцию на симпозиуме Фонда Кайзера. Когда я прибыл в Сан-Франциско, то оказалось, что передо мной выступает Лайнус Полинг. Он должен был рассказывать об антителах, а я - о том, как плоха его теория!
Я позвонил приятелю, который был знаком с Полингом, и попросил его устроить для меня ужин с ним в день перед выступлением. За ужином были Полинг с женой и мой приятель. Полинг говорил только о ядерном разоружении. Незадолго до этого он получил Нобелевскую премию мира. И вот он говорил и говорил, жена им восхищалась, а я не мог вставить ни единого слова. В конце концов, я сказал: «Сэр, я просто хотел сказать Вам одну вещь, раз уж мне досталась привилегия выступать после Вас на симпозиуме. Я сделал очень интересные открытия. Во-первых, мы считаем, что молекулы антител состоят из нескольких различных пептидных цепочек. Во-вторых, цепочки разных антител имеют различный аминокислотный состав».
Когда я закончил, он продолжил говорить о ядерном разоружении, и я сдался. На следующий день он прочел великолепную лекцию. Дойдя до слайда, иллюстрировавшего его теорию в «Журнале Американского химического общества» (JACS) в 1941 г., он указал на изображение сворачивающейся спутанной цепочки и сказал: «Это одна из полипептидных цепочек молекулы антитела». И я подумал: «Боже, он все понял». Когда после своего представления я вернулся на место, там лежала записка: «Эдельман, пришлите репринты. Полинг».

Вторая история - о Макфарлейне Бернете, который как-то пришел ко мне. Мы с моим аспирантом встретили его, и я сказал: «Я так счастлив, что Вы пришли, потому что мы с Джо селекционисты, как и Вы». Он спросил, над чем мы работаем. Я ответил, что мы изучаем структуру молекулы антитела. На что он сказал: «Не утруждайтесь этим. Химия все только усложняет». На это я ответил: «Извините, сэр, но, не зная строения, нельзя оценить число молекул в селекционном наборе».
«Ну, - сказал он, - математика еще хуже, чем химия. Послушайте, мой мальчик, не беспокойтесь об этом. Моя теория верна. В биологии нет резких границ. Мы даже не называем их антителами, мы говорим просто „распознаватели"». И ушел.
Моей первой мыслью было: «Да он глуп». Конечно, я был не прав, он вовсе не был глуп, он был очень проницательным. У него было мало знаний и много предрассудков по отношению к химии. Но он был прав, его теория оказалась верной. Это был очень важный урок для меня - эти два ученых, химик и биолог. Ошибка Полинга заключалась в том, что он не рассматривал проблему сразу на двух уровнях, он зациклился на химической стороне и игнорировал клеточные явления. Именно они опровергли теорию Полинга, так как сэр Питер Медавар, разделивший Нобелевскую премию с Макфарлейном Бернетом, показал на примере реакций организма на трансплантационные антигены, что может развиваться иммунологическая толерантность. Невосприимчивость - это отрицательное, обратное явление; человек не реагирует на определенные воздействия. Если реакции нет, как можно говорить об инструктивной теории?

В своих работах Вы упоминаете различные уровни организации и подчеркиваете, что не верите в «глупый редукционизм».

Когда история, которую я Вам только что рассказал, закончилась, я не потерял интереса к иммунологии, а решил продвигаться дальше и изучить некоторые клеточные процессы химическими методами. Это открыло для меня два явления. Во-первых, межклеточное взаимодействие, очень важное явление для иммунной системы; оно интересовало меня с точки зрения формы тканей: как Вы наследуете нос Вашей бабушки? Это также очень важная проблема эмбриологии. Клетки должны объединяться в определенном порядке. Во-вторых, меня очень интересовал мозг в свете моего интереса к биологическому распознаванию. Мне вдруг пришло в голову, что иммунная система представляет собой химическую и клеточную систему, которая без помощи мозга распознает различные структуры. Но я отложил вопросы, связанные с мозгом, и углубился в биологию развития.
Существует пять основных процессов, контролирующих клетки: деление клеток, их перемещение, смерть, адгезия и подача сигналов, вызывающих дифференциацию клеток. С точки зрения химика самый простой процесс - это адгезия клеток. Я предположил, что в этом процессе участвуют молекулы-посредники. Я снова оказался в теоретическом тупике, потому что никто из специалистов в этой области не соглашался со мной. Все считали, что клетки соединяются благодаря электростатическому взаимодействию. Но мой опыт говорил мне, что это не так. Судя по тому, как протекают биологические процессы, должны быть специальные молекулы, заставляющие клетки объединяться. Я потратил полтора года, иммунизируя животных в рамках очень необычного опыта. Требовалось найти такое антитело, которое не даст двум клеткам объединиться. Если бы я сумел выделить молекулу, с которой связано такое антитело, это и была бы та молекула, которая связывает клетки, молекула клеточной адгезии, МКА. Впервые мы выделили МКА из сетчатки глаза, которая является частью мозга. Когда мы расшифровали ее строение, это оказался иммуноглобулин!
Я был в растерянности, ведь это вещество имеется в организмах плодовых мушек, но у них нет антител. Стало очевидно, что гены, предшественники этих молекул, были также и предшественниками всей иммунной системы. Нет ничего лучше эксперимента. Это привело ко второму из наиболее примечательных в эстетическом отношении результатов, которые мне довелось получить; первый дали эксперименты с белком Бенс-Джонса, о которых я уже рассказывал.

А теперь вернемся к вопросу о разных уровнях организации. Как происходит переход от молекул к клеткам? Здесь мне хотелось бы сказать несколько слов о сложности. Вопрос об уровнях организации очень глубок. Еще 10 лет назад думали, что биологические взаимодействия можно визуализировать, как например, цикл Кребса, гликолитический распад углеводов или строение белков, и все станет понятно. В действительности в биологии все гораздо сложнее.
К примеру, я работал над молекулами клеточной адгезии в мозге. Проблема состояла в следующем: все считали, что способ и порядок объединения нервных клеток, вне зависимости от сложности, влияет на то, как человек воспринимает сигналы из окружающей среды, как он думает, дышит, чувствует запахи и выполняет какие-то действия. Но как объединяются эти клетки? Роджер Сперри, ученик Пола Вейсса, получивший Нобелевскую премию 1981 г. за изучение функциональной специализа¬ции полушарий головного мозга, предположил, что клетки объединяются в мозг благодаря коду, действующему чуть ли не на уровне отдельных клеток. Это была так называемая «гипотеза химического сродства».
Позже я думал о том, как работает мозг в целом, как мозгу удается распознавать так много совершенно разных предметов. Возьмем, к примеру, эту комнату. Полную информацию о ней невозможно занести в компьютер - для создания подходящего компьютера не хватило бы материи всей Вселенной. Как же это удается мозгу? Мне стало ясно, что это происходит совершенно не так, как в компьютере. Мозг - не компьютер, и мир - не магнитная лента с однозначным набором сигналов. Я еще раз обращаю Ваше внимание на то, что мы имеем дело с химической системой. Однояйцевые близнецы с одинаковыми иммунными системами реагируют на один и тот же антиген различными антителами, несмотря на то, что их реакции на антиген более схожи, чем реакции разнояйцевых близнецов. Эта проблема мучила меня. Мне казалось, что это главный вопрос: как мы распознаем, как с помощью чувственного восприятия мы можем классифицировать предметы окружающего мира способом, соответствующим особенностям нашего биологического вида?
Вот любопытный пример влияния размышлений о теории на практику. Как-то я сказал себе: «Если Сперри прав, твоя теория о том, что мозг - не компьютер, обречена, найдется код. Так что разберись, как работают молекулы клеточной адгезии. Если ты прав, то ты не докажешь свою теорию, но и не опровергнешь ее. Если теория верна, то молекулы клеточной адгезии будут изменяться в зависимости от их окружения и не будут определяться кодом. В конце концов, их многообразие ограничится несколькими разновидностями, причем на этот отбор должно влиять прошлое данной клетки, а раз так, то даже у однояйцевых близнецов мозг организуется по-разному». Мы с коллегами доказали это. Мы показали, что именно так действуют молекулы клеточной адгезии - динамично и комбинаторно.

Теперь мне хотелось бы поговорить о понятии вырожденности, которое, по моему мнению, так же важно в биологии, как понятие симметрии в физике и химии. Подумайте о проблеме избыточности: вы посылаете в космос ракету, но боитесь, что не найдете там мастерских, и поэтому загружаете в нее пять одинаковых компьютеров. Вы пользуетесь только одним, а когда он выходит из строя, берете другой, любой из оставшихся, у вас их полно. Причем все имеющиеся компьютеры изоморфны.
Вырождение - это другое. Вырожденной я называю систему, в которой неизоморфные структуры выполняют одинаковые функции. Не важно, находятся ли эти структуры на разных уровнях организации, являются ли они молекулами-партнерами с различным строением или представляют собой сеть. Самое потрясающее в биологических системах это то, что различные структуры на разных уровнях организации могут выполнять одну и ту же задачу. Им не предназначено выполнять одну и ту же задачу, ведь эволюция никому ничего не предназначает. Учитывая сложность биологических систем, вырождение неизбежно. Около 30 % мутаций у мух приводят к смерти, но остальные - нет, таких почти 70%. Если бы вырождения не было, все мутации были бы смертельными. Таким образом, вырождение - это очень важный принцип биологии, в особенности для мозга, устройство которого мы пока понимаем отнюдь не полностью.
Любая попытка понять, как устроена сеть сложных биологических реакций, даже если определить каждую из них в терминах единой причинной цепи, в общем случае обречена на неудачу. Биологические системы по своей природе являются вырожденными системами, ведь эволюция не может вернуться к своему началу. Если приспособление затруднено, его нужно облегчить на любом уровне - к структуре что-то должно добавиться. Очень редко, может быть в случае вирусов, встречается упрощение структуры, но обычно нельзя перемотать пленку назад и начать все заново. Так система постепенно усложняется. Большинство мутаций вредны. По своей природе они случайны или почти случайны, а поэтому как можно не дать им вывести организм из строя? Ответ таков: на каждом уровне организации биологических систем встречается вырождение как результат сложного устройства этих систем. Это чрезвычайно интересно, поскольку это означает, что нужно измерять величину сложности так же, как мы измеряем термодинамические величины в цикле Карно. Возможно, разработка теории сложности займет много времени, но нам нужны меры сложности и величина, связывающая сложность и вырожденность. Как раз этим я сейчас и занимаюсь.

И, наконец, поговорим о редукционизме. Любая наука методологически должна быть редукционистской. Однако, размышляя о вырожденных системах, нужно помнить, что каждый человек уникален и не может быть описан набором молекул и их взаимодействий. Мне рассказывали, что когда Эйнштейна спросили: «Как Вы думаете, наука всемогуща?», старый лис улыбнулся и ответил: «Возможно, но какой в этом прок? Все равно, что сводить симфонию Бетховена к изменению атмосферного давления».
Однажды я поспорил с физиком Стивом Вайнбергом, который утверждал, что, в конечном счете, все должно сводиться к некоему исходному суперсимметричному уравнению, объединяющему все четыре фундаментальных взаимодействия. Мне это кажется просто глупостью. Мой контраргумент состоит в том, что законы физики, может быть, не менялись еще со времен Большого взрыва, но первоначальные условия были далеки от равновесных. Поскольку все мы согласны, что Большой взрыв скорее всего имел место, и мы далеки от равновесия, история не вполне однозначна из-за изменяющихся граничных условий.
Вайнберг очень критично отнесся к моему очерку о «Глупом редукционизме». Он сказал: «Эдельман не понимает, что все кроме исторических случайностей нужно связывать с теорией четырех взаимодействий». На что я отвечал: «Вайнберг, Вы историческая случайность, как и я, и вся эволюция». Проблема в этом. Биология крутится вокруг исторических случайностей, но парадокс состоит в том, что они представляют собой сложные химические системы. Эти химические и биологические системы благодаря сложности и вырождению устроены таким образом, что могут отображаться на непредвиденные обстоятельства. Поэтому убеждение в том, что можно получить нестатистическую редукцию, неверно. То есть биология неопределенна настолько, что для получения полного представления об этих химических системах высокого порядка требуются статистические методы. И это неизбежно.
Ее нельзя свести к идеальной простой схеме, как, например, электронную цепь. Здесь нет ничего мистического, но это, конечно же, интригует.

* * *
продолжение

наука, biology, scientists, эпистемология

Previous post Next post
Up