Глава 9
Робот-репликатор

Итак, мы поняли, что цветы и слоны являются носителями как своих собственных, так и вирусных ДНК фактически в равной степени. Однако этот справедливый вывод не дает ответа на некоторые непростые вопросы. Мы еще не обсудили один важный этап. Компьютерным вирусам все дается легко, поскольку к их услугам полно мощных, готовых исполнить любую команду машин. Но машины сделали люди. Компьютеры предоставлены в распоряжение вредоносным программам. ДНК-содержащим вирусам тоже предоставлен в полное распоряжение сложнейший клеточный механизм, способный воспринимать и исполнять команды. Но откуда берутся в природе живые механизмы?

Предположим, есть компьютерный вирус без готового к работе компьютера, так что приходится все начинать с нуля. Отдать команду “скопируй меня” программа не может, потому что компьютера нет и исполнить ее некому. Что остается делать самокопирующейся программе, если ей надо себя размножить, а готовых копирующих устройств ей не предлагают? Надо бы скомандовать: “Создай устройство для копирования меня”. Но прежде надо дать другую инструкцию: “Создай детали, из которых можно собрать устройство, копирующее меня”. А еще раньше: “Найди сырье, из которого можно создать детали”. Такая умная программа достойна собственного названия. Назовем ее “Тотальная репликация командных программ”, или ТРКП.

ТРКП должна управлять не только компьютером с клавиатурой и монитором. У нее в арсенале должен быть заменитель квалифицированного мастера – захватывающее устройство-манипулятор в сочетании с датчиками, которое могло бы конструировать и соединять детали. Чтобы найти исходные материалы для деталей, правильно подобрать и скомпоновать их, требуется устройство, действующее, как руки. Компьютер может воспроизвести предметы на экране, но без посторонней помощи он не соберет другой компьютер по своему образу и подобию. Для этого необходимо переместиться в реальный мир и поработать с настоящими металлом, кремнием и прочими материалами.

Давайте подробнее рассмотрим связанные с этим технические проблемы. Современный стационарный компьютер умеет манипулировать цветными объектами на электронно-лучевом мониторе, рисовать цветными чернилами на бумаге в принтере и еще кое‐что – например, управлять звуком в стереодинамиках. Благодаря этим его умениям можно создать иллюзию объемного тела – но всего лишь иллюзию, которая полностью зависит от того, насколько у нас богатая фантазия. На экране рисуют кубик в перспективе. При адекватном визуальном отображении поверхностей он выглядит как настоящий, однако его не возьмешь в руки и не потрогаешь, не ощутишь его вес и фактуру. Если позволяет программное обеспечение, можно “разрезать” кубик на экране и показать его сечение. Но это по‐прежнему не будет осязаемое твердое тело. Вероятно, в будущем компьютеры научатся имитировать и другие чувства. Возможно, если вы попытаетесь мышкой сдвинуть объект с места на экране, через рифленую поверхность мышки вашим пальцам передастся физическое ощущение его “массы”. И все‐таки объект не будет иметь массы, не превратится в твердое, осязаемое тело.

Наш компьютер с установленной на него программой ТРКП должен воздействовать не только на воображение человека. Он должен уметь управлять реальными твердыми телами. Каким образом? Задача, очевидно, очень непростая. Это станет понятнее, если мы попытаемся сконструировать принтер нового типа – 3D-принтер. Обычный принтер наносит чернила на плоский лист бумаги. Чтобы получить более или менее достоверное объемное изображение, скажем, кошки, можно было бы напечатать серию изображений на прозрачной пленке. Допустим, компьютер тщательно отсканирует сечения тела кошки, сделанные последовательно от носа до хвоста, и напечатает на ацетатной пленке сколько‐то сотен изображений. Если потом сложить все полученные картинки в стопку, внутри вы увидите объемное изображение кошки.

Но нарисованная таким способом кошка будет заключена в прозрачную форму, поэтому такое устройство нельзя считать полноценным 3D-принтером. Можно исправить недочет – заменить чернила самоотверждающейся смолой. Сложить листы в стопку и отсечь (растворить или протравить) все лишнее, что не затвердело. Если бы нам удалось преодолеть технические трудности и сконструировать такое устройство, у нас в руках оказался бы инструмент для создания объемных тел – самый настоящий принтер для объемной печати.

Наш 3D-принтер все‐таки недалеко ушел от своих традиционных предшественников. Он печатает объемные изображения, используя принцип последовательных сечений. Устройство вывода данных, работа которого основана на принципе последовательных сечений, для нашей программы ТРКП не годится. Таким методом нельзя изготовить какую‐нибудь полезную машину – например, двигатель внутреннего сгорания. Для этого надо иметь еще массу деталей – цилиндры, поршни, маховики, ремни и многое другое. Все это делается из разных материалов, и все это надо перевозить по отдельности. Нельзя слепить двигатель из пачки срезов – его надо именно собрать из отдельных, заранее изготовленных деталей. Заготовки тоже надо предварительно собрать – из других, еще более мелких деталей. Устройство вывода данных, пригодное для ТРКП, не имеет ничего общего с 3D-принтером. Это промышленный робот. Он может поднимать предметы клешнями, как руками. Чтобы его “руки” двигались во всех трех перпендикулярных плоскостях, на концах рычагов, заменяющих руки, должна располагаться “кисть” с “пальцами”, соединенными универсальными шарнирами или комбинацией шарниров. Чтобы находить путь от одного искомого предмета к другому, доставлять комплектующие на место и монтировать их в правильном порядке подходящими способами, робот должен иметь аналоги органов чувств.

Такие роботы применяются на современных предприятиях (рис. 9.1). Они неплохо работают – при условии, что перед каждым стоит конкретная задача, которая выполняется в определенном месте на конвейере. Но для нашей программы ТРКП промышленный робот тоже не годится. Если ему подать детали в фиксированном положении и в нужном порядке на конвейере, он их соберет. Однако смысл нашего эксперимента как раз в том, чтобы не связываться с фиксированными положениями, не подавать ничего машине на блюдечке. Наш робот, прежде чем приступить к сборке, должен еще найти материалы для изготовления деталей. Для этого ему придется облазить весь мир в поисках сырья, добыть и запасти материалы. У него должны быть органы, с помощью которых он будет двигаться – какие‐нибудь гусеницы или ноги. Бывают ходячие роботы, которые умеют так или иначе передвигаться, можно сказать, целенаправленно. Робот на рис. 9.2 напоминает насекомое, только у него не шесть ног, а четыре. Он ловко ползает по стенкам – для этого ему даны присоски на ногах, как у мухи. Создатели этого робота обожают поддразнивать его – подставляют руку на пути его следования. Почувствовав под ногами неровности, робот, совсем как человек, пытается нашарить более надежную опору, и это выглядит довольно забавно. Еще раньше У. Грей Уолтер, работавший в Бристольском университете, построил свою знаменитую “черепаху” – Machina speculatrix, как он ее называл, – которая сама подключалась к сети для подзарядки. Когда ее аккумуляторы садились, “черепаха” проявляла все признаки волчьего голода и принималась активно искать розетку. Обнаружив источник тока, она подползала к нему задом, подключалась и не отсоединялась до тех пор, пока не “насытится”. Но это не базовые свойства. Мы говорим о роботе, способном перемещаться на собственных конечностях и неустанно искать что‐либо, руководствуясь собственными органами чувств и данными своего внутреннего компьютера.

Рис. 9.1. Промышленный робот на автозаводе Nissan, Йокогама.

Рис. 9.2. Шагающий робот с присосками на ногах из Портсмутского университета, Англия.

Теперь перед нами стоит задача объединить роботов этих двух типов. Представьте себе способного ходить робота с присосками на ногах, которого оседлал другой робот, вроде того промышленного, с “руками”. Управляет комбинированной машиной встроенный компьютер. Он снабжен множеством программ, контролирующих работу ног, рук, присосок и клешней. Но всей системой в целом командует программа “Скопируй меня”, и говорит она примерно так: “Иди по свету и собирай материалы, необходимые для того, чтобы изготовить полную копию робота. Сделай нового робота, поставь на его встроенный компьютер ту же самую программу ТРКП и отправь его гулять, чтобы он делал то же самое”. Назовем воображаемого робота, которого мы хотим создать, ТРКП-роботом.

ТРКП-робот вроде того, какого мы только что обрисовали, – сложнейшая машина, требующая незаурядной изобретательности. Об этом размышлял прославленный американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман, один из двух претендентов на почетное звание отца современного компьютера. Вторым был британский математик Алан Тьюринг, который, будучи еще молодым, но феноменально талантливым ученым, внес, возможно, самый большой личный вклад в победу союзников во Второй мировой войне и которого после войны затравили в судах за гомосексуализм – в частности, принудительно вводили ему гормоны – и в конце концов довели до самоубийства. Но ни машина фон Неймана, ни самокопирующийся ТРКП-робот так и не появились на свет. Наверное, и не появятся никогда. Наверное, это просто нецелесообразно.

Но что я такое говорю? Самокопирующийся робот не появился на свет – что за чушь! А сам‐то я кто? А вы? А пчела, цветок или кенгуру? Кто мы все, если не ТРКП-роботы? Нас не собирала команда инженеров, мы собирались в процессе эмбрионального развития, четко регулируемого генами, прошедшими естественный отбор. Но фактически мы ведем себя именно так, как предположительно должен вести себя ТРКП-робот. Бродим по миру, выискивая сырье для изготовления деталей себя, и в конечном итоге собираем другого робота, способного на такие же фокусы. Сырьем нам служат молекулы, которые мы добываем из качественной еды.

Кому‐то сравнение с роботом покажется обидным. Есть на что обидеться, ведь робот в общепринятом понимании – это безмозглый зомби с резкими движениями, он не умеет ни думать, ни совершать точные действия, ни приспосабливаться к обстановке. Но эти качества не являются ни обязательными, ни характерными для роботов. Просто на сегодня, при существующих технологиях, иногда роботы получаются именно такими. Когда я утверждаю, что хамелеон, палочник или человек – это роботы, в которых заложены их собственные инструкции по программированию, я ничего не сообщаю вам об их мыслительных способностях. Можно быть очень умным и при этом быть роботом. Я также не сообщаю никакой информации о том, насколько данное существо гибкое, поскольку бывают очень гибкие роботы. В XXI веке люди обижаются, когда их называют роботами, из‐за поверхностных и неверных ассоциаций, связанных с этим словом; точно так же в XVIII веке не все соглашались с тем, что паровая машина относится к транспортным средствам – а куда же лошадь впрягать? Робот – это любой механизм любого уровня сложности и интеллекта, сконструированный так, чтобы он стремился выполнить определенную задачу. Задача ТРКП-робота – наводнить всю округу копиями своей программы в комплекте с устройствами, необходимыми для ее исполнения.

Давайте вспомним, с чего началась наша беседа о самокопирующихся роботах. Мы сошлись на том, что простая программа “Скопируй меня”, наподобие компьютерного или живого вируса, работает удовлетворительно, но в зависимости от того, насколько легко ей выполнять свою работу, то есть от наличия устройства для считывания и выполнения инструкций. Впрочем, кто‐то или что‐то в нашем мире уже позаботился о создании подобного устройства, поэтому сложностей не возникает. Теперь же мы придумали очень продвинутого робота, еще одно гигантское отклонение от программы “Скопируй меня”. Эта программа требует уже не простого копирования, а дает другую команду: “Скомпонуй детали и создай новую версию устройства для копирования меня, затем загрузи мою копию во встроенный компьютер нового устройства”.

Мы вернулись к выводу, сделанному в предыдущей главе. Слон – это большущий крюк в программе, написанной на языке ДНК. Страус – это другой вариант отклонения, дуб – третий. Конечно же, человек – тоже отклонение, еще одно. Все мы ТРКП-роботы, все – машины фон Неймана. Но как начинался этот процесс? Чтобы ответить на этот вопрос, надо отправиться в прошлое, больше чем на три, а может, и на все четыре миллиарда лет. Мир тогда был совсем другим. Не было жизни и биологии, только физика и химия, причем химические свойства земли тоже были совсем другие. Не все, но почти все обоснованные теории о зарождении жизни вытекают из так называемого первичного бульона – слабого раствора простых органических веществ в морской воде. Что там происходило, никто не знает, но так случилось, что, не нарушая законов физики и химии, образовалась самокопирующаяся молекула – ген-репликатор.

По-видимому, нам невероятно повезло. Хотелось бы это прокомментировать. Прежде всего, такое случается только раз. Примерно такой же единственный шанс счастливо реализовался, когда обживались острова. На большинстве островов, даже на острове Вознесения, затерявшемся далеко на просторах океана, водятся животные. Мы легко можем себе представить, как туда попали, например, птицы и летучие мыши – тут от фортуны не требовалось ничего особенного. Но вот ящерицы летать не умеют. Мы чешем затылок: как же они там оказались? Теоретически можно допустить, что ящерица пересекла океан, уцепившись за обломок мангрового дерева, хотя такой поворот судьбы не кажется возможным. Был ли это зигзаг удачи или еще что‐то, факт остается фактом – на островах встречаются ящерицы. Подобные события происходят нечасто, и мы не имели удовольствия наблюдать за ними, поэтому не знаем всего наверняка. Важно, что однажды это случилось. И точно так же случайно могла зародиться жизнь на планете.

Более того, насколько нам известно, это произошло, скорее всего, на одной из миллиарда миллиардов планет во вселенной. Конечно, многие уверены в существовании жизни и на других планетах, но лишь для единственной планеты мы можем это доказать и датировать событие с точностью от полумиллиарда до миллиарда лет. Поэтому вероятность интересующего нас счастливого случая настолько невелика, что шансы на его реализацию в течение одного года где‐либо во вселенной можно было бы оценить как один к миллиарду миллиардов миллиардов. И если уж это случилось где‐либо, то этой планетой суждено было быть нашей планете, коль скоро мы с вами беседуем здесь и сейчас.

Мое мнение таково, что жизнь – не такая уж редкая штука и вполне могла где‐то возникнуть. Но есть и контраргументы. Возникает, в частности, интересный вопрос: где тогда? Предположим, посреди Тихого океана есть одинокий остров, жители которого никогда не слышали легенд о лодках, прибывших к ним откуда‐то из других обитаемых краев. Старейшины племени рассуждают о том, есть ли жизнь за пределами их родного острова. Никто никогда не добирался до них – они одни, и с этим трудно спорить. Пусть их племя умеет плавать только на каноэ, но разве другие племена не могли изобрести более мощные корабли? Почему же они не приплыли?

В наше время на земле не осталось неизведанных островов, люди отметились везде, и мало кто сейчас живет в такой глуши, что никогда не видел самолета. Наш островок во вселенной ни разу не посетили пришельцы – во всяком случае, согласно достоверным источникам. Еще более важно, что мы научились регистрировать удаленные радиосигналы. В том радиусе, на какой могут распространиться радиоволны за тысячу лет, находится около миллиона звезд. По меркам астрономии и геологии тысяча лет – короткий срок. Если развитых цивилизаций много, наверняка какие‐то из них посылают радиоволны на тысячи лет дольше, чем мы. Мы ведь должны были бы засечь хотя бы слабые сигналы, не так ли? Это не доказывает, что больше нигде во вселенной жизни нет. Но это аргумент против того, что островки разумной жизни с развитыми технологиями расположены достаточно плотно, чтобы попасть в диапазон досягаемости для радиоволн, исходящих с других островков. Если при зарождении жизни вероятность развития разумной жизни более или менее существует, то отсутствие таких сигналов доказывает, что жизнь как таковая – вообще большая редкость. Следуя той же логике, можно выдвинуть альтернативную, довольно хилую, гипотезу – что разумная жизнь периодически возникала, но вслед за изобретением радио почти мгновенно разражалась технократическая катастрофа с самоуничтожением.

Возможно, жизнь – обычная вещь во вселенной, но у нас есть все основания полагать, что это большая редкость. Отсюда следует, что, если говорить о происхождении жизни, вероятность событий такого рода очень и очень мала – это не те явления, которые можно попытаться воспроизвести в лаборатории, и не те, что химики сочли бы возможными. Этот любопытный парадокс подробно описан в книге “Слепой часовщик”, в главе “Истоки и чудеса”. Мы из кожи вон лезем, чтобы выстроить свою теорию – и, сделав это, объявляем ее абсолютно невероятной! С одной стороны, мы можем даже разволноваться, если химики вдруг предложат нам реальную с точки зрения классической теории вероятности концепцию происхождения жизни. С другой стороны, жизнь, по‐видимому, развилась за первые полмиллиарда из четырех с половиной миллиардов лет; мы просуществовали 8/9 всего возраста Земли, и интуиция подсказывает мне, что происхождение жизни на нашей планете не было таким уж незакономерным событием.

Происхождение жизни, где бы это ни случилось, сводится к случайному появлению чего‐нибудь, что способно к самовоспроизводству. В наши дни главный репликатор на земле – это молекула ДНК, однако поначалу мог быть другой репликатор. Какой именно, мы не знаем. Первичным реплицирующимся молекулам, в отличие от ДНК, не помогал умный механизм дупликации. В каком‐то смысле они должны были быть эквивалентны инструкции “Скопируй меня”, но язык этих инструкций не был строгим, понятным только умной машине. Вряд ли первичный репликатор требовал такой же сложной расшифровки, как современные команды ДНК и компьютерные вирусы. Самовоспроизводство было таким же неотъемлемым свойством структуры организма, как твердость алмаза, тем, что не надо “декодировать” и чему нет нужды “подчиняться”. Первичным репликаторам, в отличие от их более поздних преемниц – молекул ДНК, – точно не сопутствовали мудреные механизмы расшифровки и исполнения команд, потому что мудреный механизм – это такая штука, которая появилась в результате эволюции многих поколений. А пока не было репликаторов, эволюция не началась. Из-за такой своего рода “уловки-22” в происхождении жизни первичные самовоспроизводящиеся организмы вынуждены были быть настолько простыми, чтобы суметь образоваться в спонтанных химических процессах.

Как только по воле случая образовался первый репликатор, незамедлительно началась эволюция. Природа репликатора такова, что он производит популяцию своих копий, то есть организмов, также подвергающихся копированию. Следовательно, пока нет конкуренции за источники питания и природное сырье, популяция будет расти по экспоненциальному закону. Сейчас я объясню, что значит экспоненциальный рост. Коротко говоря, популяция увеличивается не за счет простого прибавления некой константы через равные промежутки времени, а планомерно удваивается. То есть очень быстро численность популяции репликаторов резко возрастет, что приведет к конкуренции между отдельными репликаторами. Копирование никогда не бывает абсолютно точным, ошибки неизбежны. Поэтому в популяции репликаторов появлялись вариации. Одни из них теряли способность к самокопированию – их разновидность не сохранялась в популяции. У других почему‐либо вырабатывались такие свойства, благодаря которым они воспроизводились быстрее или более эффективно. В популяции становилось больше таких видов. Поскольку все члены популяции боролись за одни и те же ресурсы, средний типичный класс репликаторов со временем был вынужден уступить новым, более сильным в среднем соперникам. В каком смысле более сильным? Тем, кто лучше воспроизводился, конечно. Дальнейшее повышение качества выражалось во влиянии на другие химические реакции, что приводило к более легкому течению процесса самокопирования. В конце концов стали проявляться довольно сложные эффекты, и наблюдатель – которого, разумеется, не было, ибо на развитие нормального наблюдателя потребовались миллиарды лет – уже мог бы описать процесс как декодирование и исполнение команд. А если бы того же наблюдателя спросили, каково было содержание тех команд, он ответил бы: “Скопируй меня”.

В этой истории есть явные шероховатости. В частности, уже упомянутая мной “уловка-22” для происхождения жизни. Чем больше в репликаторе структурных единиц, тем больше вероятность ошибки при копировании какой‐нибудь из них – вплоть до полного разбалансирования всего ансамбля. Это наводит на мысль, что первые, самые древние репликаторы должны были иметь очень мало структурных единиц. Однако существует некоторый минимум структурных единиц молекулы, ниже которого нельзя опускаться, иначе ее структура станет настолько примитивной, что молекула не будет способна к самокопированию. Чтобы увязать эти взаимоисключающие условия, пришлось проявить изобретательность – и не без успеха, но это уже более сложная математика, которая не укладывается в рамки нашей книги.

Строение древних копирующих механизмов – первых роботов-мультипликаторов – должно было быть гораздо проще, чем строение бактерий, но бактерии – это самые простые среди известных нам ТРКП-роботов (рис. 9.3а). У бактерий могут быть самые разные источники жизнеобеспечения, с химической точки зрения их намного больше, чем у всех остальных живых существ вместе взятых. Некоторые бактерии ближе к нам, чем к другим, чужеродным для них бактериям. Одни бактерии живут в горячих источниках и питаются серой, для других кислород – смертельный яд, третьи расщепляют сахар до спирта в отсутствие кислорода, четвертые питаются только углекислым газом и водородом, выделяя метан; фотосинтезирующие бактерии подобно растениям черпают жизненные силы в солнечном свете, но среди них есть и такие, которые осуществляют фотосинтез по совершенно другому механизму, чем растения. Разные группы бактерий демонстрируют широкий спектр вариантов биохимии, настолько радикально отличающихся друг от друга, что на их фоне все остальные – животные, растения, грибы, кое‐какие другие бактерии – выглядят как безликая серая масса.

Более тысячи миллионов лет назад бактерии нескольких типов сообща сформировали эукариотическую клетку (рис. 9.3b). Это наша клетка с ядром и прочими внутриклеточными структурами, многие из которых – например, митохондрии (мы уже встречались с ними, см. рис. 5.2) – построены из складчатых внутриклеточных мембран и имеют сложное строение. Сейчас считается, что эукариотическая клетка произошла от колонии бактерий. Потом эукариотические клетки и сами объединились в колонии. Вольвокс (рис. 9.3с) – наш современник, но возможно, нечто подобное существовало уже больше миллиарда лет назад, когда клетки одноклеточного предка животных только начинали собираться в колонии. Интеграция эукариотических клеток сродни предшествующему объединению бактерий с образованием эукариотических клеток и еще более раннему объединению генов с образованием бактерий. Более крупные и компактные конгломераты эукариотических клеток называются многоклеточными организмами. На рис. 9.3d показан относительно маленький представитель многоклеточных – тихоходка. Многоклеточные организмы, в свою очередь, тоже собираются в колонии и ведут себя как один целый организм (рис. 9.3e).

Рис. 9.3. Повышение уровня организации в живой природе: (а) одиночные бактерии; (b) следующая ступень – эукариотическая клетка с ядром, образовавшаяся на основе бактериального эндосимбиоза; (с) вольвокс – колония дифференцированных эукариотических клеток; (d) более плотное и более массовое скопление дифференцированных клеток – тихоходка; организм человека – тоже колония, колония колоний, так как каждая наша клетка представляет собой колонию бактерий; (е) колония индивидуальных организмов, пчелиный рой – колония колоний колоний.

Для нас наиболее сильное отклонение от прямого пути в программе “Скопируй меня” символизировал слон, но на его месте могла бы оказаться мышь, ее тоже можно считать “огромным отклонением”. Вольвокс содержит несколько сотен клеток. Мышь – крупная система, в ней около миллиарда клеток. Слона можно представить себе как колонию, состоящую из примерно 1000 миллиардов (10¹⁵) клеток, и каждая из них сопоставима с колонией бактерий. Слон-робот, который носит при себе свою схему, был бы настоящим исполином. Это колония клеток, но все они общими усилиями в конечном итоге воспроизведут одну и ту же информацию, записанную в ДНК, поскольку являются носителями копий одной и той же ДНК-инструкции.

По любой абсолютной шкале слон – не бог весть какой великан. Рядом со звездой он песчинка. Великан – относительно молекул ДНК, которые ему положено хранить и размножать. Великан – относительно реплицирующихся изготовителей слонов, которые циркулируют у него внутри.

Чтобы осознать масштабы сравнения, представьте себе, что люди спроектировали гигантского механического робота и залезли в него, как древние греки в Троянского коня. Наша механическая лошадь должна быть отмасштабирована так, чтобы каждый из ее инженеров был равен по размеру одной молекуле ее ДНК. Напомню, что в нашей терминологии живой конь – это робот, сконструированный генами, которые путешествуют вместе с ним, сидя внутри него. Так вот, если построить робота-коня, в котором мы сможем поместиться, и если по сравнению с нами он будет так же велик, как велик живой конь по сравнению с построившими его самого генами, то наш конь легко пропустит между ног Гималаи (рис. 9.4). Обычная живая лошадь состоит из миллиардов клеток. Каждая из них, за незначительным исключением, несет в себе полностью укомплектованную армию генов, хотя большинство генов в клетках всех типов спит.

Рис. 9.4. Лошадь – это транспортный робот для молекул ДНК, по сравнению с ними она ужасно огромная. Если бы люди сконструировали для себя робота-коня, чтобы ехать в нем, как в Троянском коне, Гималаи поместились бы у него между ног. Эту фантастическую картинку нарисовала моя мама, Джин Докинз, для одной из моих рождественских лекций, которые я читал в Королевском институте.

В природе живые организмы вырастают такими большими по сравнению со своими генами потому, что процесс их роста принципиально отличается от процесса создания механизма человеком, и если бы механический конь действительно был построен, то по другой схеме. Процесс роста живого организма имеет одну особенность – экспоненциальный характер. Иначе говоря, живые организмы растут путем локального удвоения.

Наше развитие начинается с одной клетки, которая очень мала. Точнее, она ровно такого размера, который нужен содержащимся в этой клетке генам. Дело в том, что биохимические реакции, в которых участвуют продукты этих генов, эффективны только при таком размере. Ни одна область этой клетки не останется без их влияния, и в результате клетка приобретет все нужные свойства. Главное свойство клетки – это способность к делению на две дочерние клетки, более или менее похожие на нее саму. Каждая дочерняя клетка, став матерью, породит еще две такие же – и у первой будет уже четыре внучки. Каждая из четырех внучек произведет по две клетки – и вот их уже восемь, и так далее. Это и есть экспоненциальный рост, или локальное удвоение.

На тех, кто видит это впервые, экспоненциальный рост производит сильное впечатление. Как я и обещал, расскажу об этом важном явлении поподробнее. Можно привести массу наглядных примеров. Сложив лист бумаги пополам, вы получите два слоя. Снова сложите тот же лист пополам – будет четыре слоя. Еще раз сложите пополам – получите восемь слоев. Вам удастся повторить эту процедуру еще три раза – пачка в шестьдесят четыре слоя будет уже слишком плотной. Но допустим, жесткость заготовки вам не мешает, и вы продолжаете ее складывать – и сложите, скажем, пятьдесят раз. Насколько толстая получится пачка? Такая, что выйдет за границы земной атмосферы и даже за орбиту Марса.

Точно так же число клеток растущего организма, удваиваясь в каждой его точке, быстро достигает астрономических значений. Голубой кит состоит примерно из ста тысяч миллиардов (10¹⁷) клеток. Но при идеальных условиях благодаря высоким темпам экспоненциального роста этот великан вырастает всего за 57 клеточных генераций. Под клеточной генерацией я подразумеваю одно удвоение. Вспомним, что клеток может быть 1, 2, 4, 8, 16, 32 и так далее. Поэтому после шести клеточных делений образуется 32 клетки. И если умножать их на два и дальше, через каких‐нибудь 57 клеточных поколений получится уже сто тысяч миллиардов клеток – вот вам и голубой кит.

На самом деле такой способ подсчета поколений клеток в клеточных линиях дает лишь приблизительную картину, не отвечающую действительности. Ясно только, что с каждым делением количество клеток удваивается. В реальности многие клетки заканчивают формирование какого‐нибудь органа – например, печени – и выходят из игры еще на ранних стадиях. Другие клетки продолжают удваиваться. Поэтому у голубого кита клеточные родословные имеют разную протяженность в зависимости от того, в постройке какой части его организма они участвуют. Некоторые из них насчитывают и больше пятидесяти семи поколений. Другие останавливаются на предыдущих делениях. Особая разновидность клеток – стволовые клетки: они остаются в запасе, с тем чтобы штамповать себе подобных.

Можно примерно оценить минимальное число клеточных делений, которые потребуются, чтобы вырастить животное известного веса при идеальных условиях. Договоримся, что у крупных животных нет сильно отличающихся по величине клеток, в основном у них такие же клетки, как и у мелких животных. Простой расчет показывает, что взрослого человека можно вырастить самое малое за 47 удвоений числа клеток, то есть всего лишь на 10 меньше, чем нужно, чтобы вырастить голубого кита. Как я уже говорил, это довольно приблизительные оценки. Верно тем не менее то, что интенсивность экспоненциального роста чрезвычайно высока, и незначительное изменение числа делений в клеточной линии приводит к резкому изменению масштаба образовавшегося множества клеток. Иногда в подобных изменениях повинны мутации.

Строительство таких колоссальных организмов – колоссальных по меркам их строителей, ДНК, и пассажиров, – это, можно сказать, гигатехнологии. Продукт гигатехнологии в миллиарды раз крупнее нас самих. Наши инженеры пока не имеют опыта в этой области технологического искусства. Даже океанские лайнеры – самые большие транспортные средства, построенные людьми, – не такие уж большие по сравнению с человеком, и мы легко обойдем все судно за считанные минуты. При строительстве кораблей мы не используем преимущества экспоненциального роста. Все очень просто – рабочие лазают по конструкциям и свинчивают или сваривают сотни заранее изготовленных стальных деталей.

ДНК, которая строит своего робота, чтобы в нем путешествовать, использует принцип экспоненциального роста. Экспоненциальный рост – мощный инструмент, которым пользуются гены, прошедшие естественный отбор. Малейший сбой в контроле на одной стадии эмбрионального развития может разительно изменить конечный результат. Если мутация вызывает одно дополнительное деление в одной из клеточных линий – допустим, делений будет не двадцать четыре, а двадцать пять, – это равносильно увеличению размеров какой‐то части тела вдвое. Тот же фокус – изменение числа клеточных делений или скорости деления клеток в процессе развития эмбриона – может привести к изменению формы той или иной части организма. Подбородок современного человека выдается вперед по сравнению с подбородком Homo erectus, человека прямоходящего, нашего не такого уж древнего предка. Чтобы придать подбородку новую форму, понадобилось всего‐то слегка поменять количество клеточных делений в отдельных зонах черепа эмбриона.

Примечательно, что деление в клеточных линиях прекращается на нужной стадии, благодаря чему мы сложены пропорционально. Бывают, конечно, печальные ситуации, когда клетки так и делятся, не останавливаясь у предполагаемого финиша. Тогда получается рак. Рэндольф Нессе и Джордж Уильямс в своей замечательной книге, которую сами они метко назвали “Дарвинистская медицина”, хотя позже издатели перегрузили ее обложку целым каскадом невнятных заголовков, высказали мудрое замечание касательно рака. Мы гадаем, почему вдруг возникают раковые опухоли, хотя следовало бы удивляться тому, что они возникают не у всех и не всегда.

Кто знает, попытаются ли люди когда‐нибудь воспользоваться гигатехнологиями? Впрочем, о нанотехнологиях уже заговорили. Гига – значит миллиард, а нано – одна миллиардная. Нанотехнология – это создание того, что в миллиард раз меньше создателя.

Уже сейчас кое‐кто – вовсе не апологеты философии Новой эры и не сектанты – убежден в том, что близятся времена, когда сюжет рисунка 9.5 станет реальностью. В таком случае практически все сферы нашей жизни подвергнутся кардинальным переменам. Взять хотя бы медицину. Нынешние хирурги – настоящие виртуозы, они безупречно выполняют филигранную работу. Они могут удалить помутневший из‐за катаракты хрусталик и вставить на его место искусственный – это высочайший уровень мастерства. Врачи вооружены самыми точными инструментами. Однако в масштабе нанотехнологии их инструменты чудовищно грубые. Вот что говорит о современных скальпелях и шовных материалах американский ученый Эрик Дрекслер, гуру нанотехнологии.

Рис. 9.5. Фантазия на тему нанотехнологий. Роботов командировали лечить поврежденные эритроциты.

Как вы понимаете, “гигантский шип” – это тонкая хирургическая игла, а канат толщиной с цистерну – легчайшая хирургическая нить. Нанотехнологии дают нам надежду изготовить такие хирургические инструменты, которые будут сравнимы по размерам с клеткой. Руки хирурга не смогут удержать столь миниатюрные скальпели и иглы. Если на уровне клетки толщина нити примерно равна диаметру цистерны, то какие же должны быть пальцы хирурга! Тут придется задействовать автоматы, микроскопических роботов, примерно таких, о которых мы говорили ранее в этой главе.

Такой малютка может оказаться гениальным мастером по ремонту, например, пораженных болезнью эритроцитов. Однако ему придется “обследовать” несметное их множество, ведь у каждого из нас около 30 миллионов эритроцитов. Как же нанотехнологичный гномик с этим справится? Ответ должен быть у вас наготове: с помощью экспоненциального размножения. Есть мнение, что нанотехнологичный робот применит те же методы самоумножения, что и клетки крови. Он будет клонировать сам себя, воспроизводиться. Точно так же, как эритроциты приумножают свою армию до миллионов, благодаря преимуществам экспоненциального роста численность популяции роботов могла бы достигнуть того же порядка.

Нанотехнологии – дело будущего, и может, оно кончится ничем. Полагая, что игра стоит свеч, ученые руководствуются следующими соображениями. Им известно, что в наших клетках происходит нечто подобное, хотя для нас это странно и непостижимо. ДНК и молекулы белков действительно функционируют в мире, который, создай его мы, получил бы статус нанотехнологичного. Вводя вам иммуноглобулины, чтобы вы не заболели гепатитом, врач как бы внедряет в ваши кровяные сосуды натуральные нанотехнологичные инструменты. Каждая молекула иммуноглобулина – это сложно устроенная структура, как и все белки, выполняющая свою задачу благодаря свойственной ей форме (рис. 9.6). Эти маленькие медицинские инструменты делают свое дело только потому, что их миллионы. Они размножились – клонировались – методом экспоненциального роста популяции. В данном случае речь идет о биотехнологии – например, их нередко выращивают в крови лошадей. Есть другие методы – например, введение в организм вакцины, которая стимулирует организм, так что он сам начинает клонировать антитела. Ученые считают, что, если с умом разработать методы, удастся клонировать и нанотехнологичные инструменты, очень близкие к миниатюрным промышленным роботам.

Рис. 9.6. Нанотехнологии в реальности – молекула иммуноглобулина.

Очень трудно поверить в чуждые нашему разуму нанотехнологии. Машины в атомном масштабе выглядят дико, еще более загадочно, чем жизнь на других планетах в научно-фантастических романах. Для нас нанотехнологии – это что‐то из будущего. Что‐то восхитительное, совсем новое и даже немного пугающее. Однако в них нет ничего нового и недоступного пониманию, это старо, как мир. Это мы, огромные создания, – новые, загадочные и чужеродные. Мы – новинка гигатехнологии (гига – с позиции наших генов), нам всего‐то сто миллионов лет. В основном вся жизнь строится в наномире мельчайших частиц (нано – с нашей точки зрения), в мире белковых молекул, изготовленных по кодированным инструкциям ДНК и регулирующих взаимодействия между другими молекулами.

Отложим нанотехнологии на будущее. Вернемся к главной идее этой и предыдущей глав. Гены слона и человека, как и гены вируса, можно сравнить с компьютерной программой “Скопируй меня”. Гены вируса – это закодированные программы, которые, если им повезет внедриться в слона, начнут диктовать: “Клетки слона, копируйте нас”. Гены слона говорят: “Клетки слона, сделайте все вместе нового слона, запрограммируйте его так, чтобы он вырос и наделал еще больше слонов, каждый из которых будет запрограммирован на копирование нас”. Принцип тот же. Та же программа “скопируй меня”, только непрямая и более разветвленная, чем другие. Лишь программы-паразиты могут позволить себе краткость, поскольку для выполнения своих команд они используют готовые механизмы. Гены слона – в большей степени параллельная паразитирующая подпрограмма, чем самостоятельная программа. Они подобны огромной колонии поддерживающих друг друга и действующих сообща вирусов. Отдельно взятый ген слона играет не более важную роль, чем ген вируса. Каждый из них делает свое дело в коллективном строительстве механизма, необходимого всем для исполнения программы. Каждому хорошо в большом, едином сообществе. Генам вируса тоже хорошо в дружной команде генов слона, но они ничего не отдают взамен. В противном случае это были бы гены не вируса, а слона. Иначе говоря, в каждом организме есть общественно-полезные гены и вредители. Вредителями мы называем гены вируса и другие типы паразитирующих генов. Полезные члены сообщества – это гены слона (человека, кенгуру, платана и прочие). Но сами по себе гены, как хорошие, так и плохие, гены вируса и наши родные гены – это просто инструкции ДНК, и все они, каждый по‐своему, прямо или обиняками, коротко и ясно или многословно, выражают одно: “Скопируй меня”.