Системы отсчета

Димитар А. Сасселов

Профессор астрономии Гарвардского университета, руководитель гарвардского проекта «Происхождение жизни»; автор книги The Life of SuperEarth: How the Hunt for Alien Worlds and Artificial Cells Will Revolutionize Life on Our Planet («Жизнь на Супер-Земле. Как охота на внеземные миры и искусственные клетки революционным образом изменит жизнь на нашей планете»)

Во многих глубоких и изящных объяснениях природных или социальных явлений зачастую не учитывается наблюдатель. А я еще во времена студенческой молодости стремился понять, как работают различные системы отсчета: иными словами, узнать, что это значит – быть наблюдателем.

Понятие системы отсчета является ключевым в физике и астрономии. Например, исследование потоков чаще всего основывается на двух основных допущениях. В рамках одного допущения поток считается просто движущимся через пространство (эйлерова система отсчета), а в рамках другого сама система отсчета движется с потоком, растягиваясь и изгибаясь вместе с ним (лагранжева система отсчета). Уравнения движения в эйлеровой системе координат показались мне интуитивно-очевидными, но я ощутил настоящий восторг, когда осознал: тот же поток можно описать и уравнениями в лагранжевой системе координат.

Вообразим себе поток воды в реке, со всеми ее излучинами и изгибами. Вы расположились на берегу, где-нибудь на живописном холме, и спокойно наблюдаете, как течет вода. В этом вам помогает множество плывущих листьев. Берега реки, детали окружающего ландшафта создают естественную координатную систему, как на географической карте. Вы почти видите мысленным взором сетку фиксированных перекрещивающихся линий – вашу систему координат. Река течет по этой фиксированной карте; вы видите ее изгибы и повороты. Меняющуюся скорость ее течений можно описать благодаря этой фиксированной системе координат, названной в честь Леонарда Эйлера (1707–1783).

Как выясняется, с таким же успехом можно описать наш поток, если вместо того, чтобы в полной безопасности стоять на холме, вы броситесь в воду и устремитесь вниз по течению, наблюдая завихрения упавших в воду листьев вокруг вас. Ваша система координат, названная в честь Жозефа Луи Лагранжа (1736–1813), уже не является фиксированной: теперь вы описываете все движения тел относительно себя (наблюдателя) и относительно друг друга. При этом ваше описание потока в точности совпадет с тем описанием, которое вы делали, находясь на холме, хотя соответствующие математические уравнения и кажутся до неузнаваемости иными.

В юности такой переход из одной системы координат к другой казался мне каким-то чудом. Может быть, в нем нет особенной глубины мысли, но он элегантен и чрезвычайно полезен. Однако это оказалось лишь началом пути, который словно бы вытянул из-под меня все мои прежние системы отсчета. Все началось с наивной картины неподвижной Земли, аристотелевой абсолютной системы отсчета. Вскоре мне пришлось отвергнуть ее, заменив галилеевой, где движение не является абсолютным. Мне очень нравилось плыть с Лагранжем вниз по эйлеровой реке, но тут меня поджидала новая причина для смятения – специальная теория относительности Эйнштейна и попытки понять, как происходит утрата одновременности. А ведь она еще как происходит!

Фундаментальные изменения нашей системы отсчета, особенно той, что определяет наше место в мире, глубиннейшим образом влияют на каждого из нас лично. Мы живем и в процессе жизни обучаемся. А следующее поколение рождается в новом мире, по сути, ничем не связанном со старым.

В науке с этим нетрудно справиться. Но человеческие системы отсчета выходят за рамки математики, физики и астрономии. Знаем ли мы, как успешно переключаться между различными человеческими системами отсчета? Правда ли, что чаще они относительны, «нелагранжевы»? Возможно, нам следует обратиться к научным методам и поискать изящное решение. Или, по крайней мере, изящное объяснение.

Эпигенетика – недостающее звено

Элен Фишер

Биолог-антрополог (Ратгерский университет); автор книги Why Him? Why Her? How to Find and Keep Lasting Love («Почему он? Почему она? Как найти и сохранить любовь»)

Для меня эпигенетика предоставляет наиболее впечатляющее объяснение из всех, что появились в общественных и биологических науках с тех пор, как Дарвин предложил свою теорию естественного отбора. Более 2500 статей, множество научных встреч, Эпигеномный центр в Сан-Диего и другие организации, пятилетняя программа «Эпигеномика», запущенная в 2008 году американскими Национальными институтами здоровья, а также многие иные учреждения, академические форумы и, главное, множество людей – все вращается в этой новой сфере. Эпигенетике дают определения в рамках нескольких различных подходов, но в основе всех этих дефиниций – идея о том, что силы, действующие в окружающей среде, способны влиять на поведение генов, «включая» либо «выключая» их. Я антрополог и не разбираюсь в серьезной генетике, поэтому не стану даже пытаться описать процессы, которые при этом идут, но два основных механизма широко известны. В рамках одного из них метильные группы сцепляются с ДНК, чтобы подавить и заглушить экспрессию генов; в рамках другого ацетильные группы ее активируют и усиливают.

Последствия воздействия эпигенетических механизмов, судя по всему, весьма значительны. Ученые предполагают, что эпигенетические факторы вносят вклад в этиологию многих человеческих недугов и отклонений, от онкологических заболеваний до клинической депрессии и психических расстройств. Влияют они и на поведенческие и культурно-цивилизационные особенности личности.

Возьмем марокканских амазигов (берберов), людей с весьма сходным генетическим профилем, обитающих ныне в трех различных средах: одни кочуют по пустыням, другие возделывают горные склоны, а третьи осели в малых и больших городах вдоль марокканского побережья. В зависимости от места обитания до одной трети их генов экспрессирует особым образом, сообщает исследователь Юсеф Идахдур.

Так, у городских жителей «включаются» некоторые гены, отвечающие за дыхательную систему: возможно, предполагает Идахдур, чтобы компенсировать повышенную уязвимость по отношению к астме и бронхиту в этой среде, полной смога. По мнению Идахдура и ряда его коллег, эпигенетические механизмы изменили экспрессию многих генов в этих трех берберских сообществах, тем самым создавая популяционные различия между ними.

Психиатры, психологи, врачи-терапевты с давних пор озабочены проблемой детских переживаний, особенно тем, как этот опыт формирует наши взрослые привычки, воззрения и модели поведения. Однако главное внимание они до последнего времени обращали на то, как мозг интегрирует и вспоминает эти случаи. Эпигенетические исследования выдвигают свое объяснение. Так, крысы-матери, которые проводят больше времени за вылизыванием и прихорашиванием детеныша в течение первой недели после его рождения, могут похвастаться потомством, которое во взрослую пору жизни оказывается лучше приспособленным к окружающей среде. Исследователь Моше Жиф полагает: такая поведенческая адаптация происходит благодаря тому, что в этот критический период запускаются определенные эпигенетические механизмы, включающие более активный вариант гена, который кодирует определенный белок. А затем этот белок, посредством сложных биологических процессов, создает своего рода петлю обратной связи в гиппокампе (находящемся в мозгу), позволяя таким крысам эффективнее справляться со стрессом.

Эти поведенческие модификации сохраняют стабильность в течение всей взрослой жизни. Однако, как отмечает Жиф, когда в мозг взрослой крысы вводят некоторые химические вещества, призванные изменить эпигенетические процессы и подавить экспрессию соответствующего гена, наши «хорошо приспособленные» крысы начинают пугаться и впадать в тревожное состояние. Когда же вводят вещества, запускающие эпигенетические процессы, которые, напротив, усиливают экспрессию данного гена, опасливые взрослые крысы (те, что в детстве получали мало материнской заботы и ласки) успокаиваются и расслабляются.

Гены несут в себе инструкции. Эпигенетические факторы управляют тем, как эти инструкции выполняются. Как утверждают ученые, по мере нашего взросления и старения подобные эпигенетические процессы продолжают вносить модификации в наше тело, тем самым влияя на то, кем мы являемся. Так, пятидесятилетние близнецы проявляют втрое больше эпигенетических модификаций, нежели близнецы трехлетние, а двойняшки, воспитываемые порознь, показывают больше эпигенетических изменений, чем те, что растут вместе. Эпигенетические исследования доказывают: ни гены, ни среда не предопределяют судьбу заранее – даже у нас с вами.

Это показала, в частности, Шелли Тейлор. Изучая аллель (генетическую вариацию) системы выработки серотонина, она совместно с коллегами продемонстрировала, что симптомы депрессии проявляются лишь тогда, когда экспрессия этого аллеля происходит на фоне определенных условий окружающей среды. Более того, Тейлор утверждает, что люди, выросшие в нестабильных семьях, на протяжении всей жизни более подвержены депрессии, тревожности, онкологическим и сердечно-сосудистым заболеваниям, диабету, ожирению. Что это – эпигенетика в действии? Возможно.

Еще сильнее впечатляет то, что некоторые эпигенетические инструкции передаются от одного поколения к другому – следующему. В наши дни документально подтверждены случаи межпоколенческих эпигенетических модификаций у растений и грибов. Есть предположения, что возможны они и у мышей. Гены подобны фортепианным клавишам; эпигенетические процессы управляют тем, как на этих клавишах будут играть, изменяя мелодию и даже передавая эти изменения грядущим поколениям. А в 2010 году журнал Science опубликовал статью, авторы которой утверждали, что генетические системы теперь следует считать наследуемыми, самоподдерживающимися и обратимыми.

Если эпигенетические механизмы способны не только влиять на наши интеллектуальные и физические возможности, но и передавать эти изменения нашим потомкам, эпигенетика будет иметь широчайшую сферу применения, включающую в себя происхождение, эволюцию и будущее жизни на Земле. Возможно, в ближайшие десятилетия ученые, занимающиеся эпигенетикой, поймут, каким именно образом бесчисленные силы, действующие в окружающей среде, влияют на наше здоровье и продолжительность нашей жизни, а потом отыщут лекарства для многих человеческих заболеваний и расстройств, объяснят тончайшие вариации личностных особенностей человека.

Джон Локк, философ XVII века, был убежден, что человеческий ум – чистый лист, на котором окружение пишет то, из чего сложится личность. С такой же самоуверенностью другие заявляли, что за наше развитие, болезни, образ жизни отвечают в первую очередь гены. Однако специалисты по общественным наукам многие десятилетия никак не могли объяснить механизмы, регулирующие поведенческие вариации между близнецами, среди членов родной семьи, в рамках одной культурно-цивилизационной группы. А биологам никак не удавалось точно определить гене тические причины многих психических расстройств и комплексных заболеваний. Теперь же выявлен принципиальный механизм объяснения подобных сложных явлений.

Эта новая область биологии сулит поистине революционные изменения. Мы обнаружили основополагающий процесс взаимодействия природы и воспитания. И для меня как для антрополога, долгое время пытающегося отыскать гармоничный срединный путь в научной области, безнадежно погрязшей в битве «природа или воспитание?», эпигенетика служит своего рода недостающим звеном.