Странный порядок вещей

Биологические структуры и операции, ответственные за гомеостаз, воплощают биологическую полезность, на базе которой оперирует естественный отбор. Такая формулировка помогает разобраться в проблеме происхождения жизни и помещает ключевой физиологический процесс в определенные условия жизненного процесса и лежащей в его основе химии.

Место генов в истории жизни – нетривиальный вопрос. Жизнь, ее гомеостатический императив и естественный отбор указывают на появление генетических процессов и их полезность. Жизнь, ее гомеостатический императив и естественный отбор объясняют также эволюционное развитие осмысленного поведения, включая поведение социальное, у одноклеточных организмов, равно как и последующее развитие у многоклеточных организмов нервной системы и разума, наделенных чувствами, сознанием и творческой способностью. Последние представляют собой устройства, на базе которых человечество – к лучшему и к худшему – стало в конечном итоге задаваться вопросами о своем состоянии, во всех его измерениях, и потенциально содействовать или противодействовать тому самому гомеостатическому предписанию, которое и позволило ставить эти вопросы. Опять же, важность, эффективность и даже относительная тирания генов сомнению не подвергаются. Их положение в порядке вещей определено.

ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ

Глава 3. Разновидности гомеостаза

Один из первых шагов ритуала, известного как диспансеризация, – измерение кровяного давления. Все благоразумные читатели регулярно измеряют свое давление и знакомы с тем фактом, что существуют диапазоны чисел, объявляемых врачом, для “верхнего” и “нижнего” давления. У некоторых читателей даже бывали эпизоды повышенного или пониженного давления и им рекомендовали переменить питание или принять лекарство, чтобы привести показатели в приемлемый диапазон. Зачем об этом беспокоиться? Затем, что существует допустимый диапазон значений кровяного давления, позволяющий лишь ограниченные отклонения. Ожидается, что организм будет автоматически регулировать процесс и избегать излишних отклонений в сторону верхней или нижней границы. Но когда эта естественная защита отказывает, возникают проблемы – порой мгновенно, если степень отказа высока. Если отказ продолжителен, он имеет серьезные последствия для будущего всего организма. То, что нужно врачу, – это данные, что одна из систем вашего организма работает или не работает так, как ей положено.

Гомеостаз и регуляция жизни обычно рассматриваются как синонимы. Это соответствует традиционному пониманию гомеостаза, которое подразумевает имеющуюся у всех живых организмов способность непрерывно и автоматически поддерживать свои функциональные операции, химические и общефизиологические, в пределах показателей, совместимых с выживанием. Такое узкое понимание гомеостаза не отдает должного всей сложности феномена, обозначаемого этим термином.

И в самом деле: рассматриваем ли мы одноклеточные формы жизни или сложные организмы вроде нас, мало какие аспекты работы организма ускользают от необходимости самоконтроля. Соответственно, механизмы гомеостаза первоначально мыслились как строго автоматические и относящиеся только к состоянию внутренней среды организма. Согласно этому определению, устройство автоматически командует себе либо прервать текущую операцию – охлаждение или нагрев, – либо запустить ее. Традиционное определение, однако, как и вдохновленные им типичные объяснения, неспособно охватить весь спектр обстоятельств, в которых оно может быть применимо к живым системам. Позвольте мне объяснить, почему традиционному представлению не хватает полноты.

Во-первых, гомеостатический процесс стремится не просто к устойчивому состоянию. Если рассматривать процесс в ретроспективе, то это как если бы отдельные клетки или многоклеточные организмы стремились к определенному классу устойчивых состояний, ведущему к процветанию. Это естественное стремление к повышению уровня, которое может быть описано как нацеленность на будущее организма, склонность проецировать себя во времени путем оптимизированной жизненной регуляции и возможного потомства. Можно сказать, организмы хотят быть здоровыми… но не только.

Во-вторых, физиологические операции редко подчиняются изначально заданным показателям, в отличие, скажем, от термостата. Существуют оттенки и сорта регуляции; существуют ступени на шкалах, соответствующие в конечном итоге большему или меньшему совершенству регуляторного процесса. Этот процесс соответствует тому, что обычно переживается как чувства, и эти две вещи тесно связаны: первая – относительная благоприятность или неблагоприятность данного жизненного состояния – является основой для второй, то есть чувств. Тут, кстати, неплохо бы задуматься о том, что обычно мы не нуждаемся в посещении врача, дабы узнать, что фундаментальные показатели нашего здоровья в порядке. Не нужно нам и сдавать кровь на анализ ради этой цели. Чувства обеспечивают нам поминутную осведомленность о состоянии нашего здоровья. Степени хорошего или плохого самочувствия – наши стражи. Конечно, чувства способны проморгать начало некоторых заболеваний, и эмоциональные переживания могут замаскировать текущие, спонтанные гомеостатические ощущения и помешать им донести внятное послание. Чаще, однако, чувства говорят нам то, что нам требуется знать. Разумеется, нет оснований полагаться только на них, чтобы позаботиться о себе, но важно отметить фундаментальную роль чувств и их практическое значение – ту несомненную причину, по которой эволюция их сохраняет.

В-третьих, полное представление о гомеостазе должно включать применение этого понятия к системам, в которых сознательные и целеустремленные разумы, по отдельности и в социальных группах, могут как вмешиваться в автоматические регуляторные механизмы, так и создавать новые формы регуляции жизни, наделенные той же самой целью, что и базовый автоматический гомеостаз, а именно: достижение эффективных, развивающихся на опережение жизненных состояний, которые обычно приводят к процветанию. Я рассматриваю создание человеческих культур как проявление этой разновидности гомеостаза.

В-четвертых, рассматриваем ли мы одноклеточные или многоклеточные организмы, суть, сама сердцевина гомеостаза – это мощное предприятие по управлению энергией: обеспечение ею, направление ее на важные задачи, такие как восстановление, защита, рост, участие в рождении и выращивании потомства. Это монументальная задача для каждого организма, и уж тем более для человеческих организмов, учитывая сложность их структуры, организации и разнообразие среды.

Масштабы подобного предприятия столь велики, что его воздействие, начавшись на нижнем уровне физиологии, способно проявлять себя на высшем уровне функционирования, то есть на уровне мышления. Например, известно, что при повышении температуры окружающей среды мы не только нуждаемся в адаптации нашей внутренней среды к потере воды и электролитов, но и хуже функционируем в когнитивном плане. То, что плохая регулировка внутренней среды грозит заболеванием и смертью, неудивительно. Известно, что во время продолжительных периодов жары возрастает смертность, чаще происходят убийства и случаи насилия на религиозной почве¹. Студенты намного хуже справляются с экзаменами; да даже элементарная вежливость оказывается привязанной к термометру². Отношение между гомеостазом и физиологией работает на всех уровнях экономики живого – от низших до высших. Разумные культурные ответы на жару, по всей вероятности, изобретенные в приятной тени, начались с вееров и закончились кондиционированием воздуха. Вот хороший пример технологического прогресса, руководимого гомеостазом.

Различные разновидности гомеостаза

Из-за того, что традиционное понимание гомеостаза очень узко, в памяти далеко не сразу всплывает тот факт, что природа создала в ходе эволюции как минимум две различных разновидности контроля внутренней среды и что единый термин “гомеостаз” может прилагаться к любой из них или к обеим сразу. В результате необычайное значение этого эволюционного достижения легко упустить из виду. Привычное употребление термина “гомеостаз” подразумевает бессознательную форму физиологического контроля, действующего автоматически, без субъективности или целеполагания со стороны организма. Как мы наблюдали на примере бактерий, он явно может неплохо работать даже у организмов без нервной системы.

Естественно, поиск пищи или питья при иссякании ресурсов может предпринять большинство организмов без всякого волевого вмешательства со своей стороны, а если пища или питье недоступны, то большинство организмов также справится с этой проблемой автоматически. Гормоны начнут автоматически активировать расщепление запасенных сахаров и доставку их в кровь, чтобы компенсировать недостаток источников энергии здесь и сейчас. Одновременно организм автоматически усиливает поиски энергетических ресурсов. Главный результат таких мер – выживание, когда требуемое решение (потребление пищи) недоступно. Аналогичным образом, когда баланс воды понижен, почки автоматически прекращают работу или замедляют ее. Это предотвращает или снижает мочеотделение и восстанавливает водный баланс, пока организм дожидается лучших времен. Спячка – естественная стратегия решения проблем, когда температура и доступность энергии понижаются³.

Однако для множества живых существ и, безусловно, для человека это узкое применение термина “гомеостаз” не подходит. Действительно, человек все еще активно пользуется автоматическим контролем и получает от него значительную пользу: как уже отмечалось, показатели глюкозы в крови могут автоматически корректироваться до оптимальных границ с помощью набора сложных операций, которым не требуется никакое сознательное вмешательство со стороны личности; например, уровень глюкозы регулирует выделение инсулина клетками поджелудочной железы; аналогичным образом, количество циркулирующих молекул воды может автоматически регулироваться с помощью мочеотделения. Однако у человека и у множества других видов, обладающих сложной нервной системой, есть дополнительный механизм, в котором задействованы ментальные состояния, выражающие ценность. Ключом к этому механизму, как мы убедились, являются чувства. Но, как предполагают термины “ментальный” и “состояния”, чувства, в полном смысле слова, подразумеваемом здесь, могут появиться только с возникновением психики и соответствующих психических феноменов и только тогда, когда разум становится сознательным и приобретает индивидуальный опыт⁴.

Гомеостаз в наши дни

Тот автоматический гомеостаз, что мы находим у бактерий, простых животных и растений, предшествует развитию разума, который позднее будет наполнен чувствами и сознанием. Подобные новшества дали разуму способность сознательного вмешательства в предзаданные гомеостатические механизмы, а затем даже позволили творческим и интеллектуальным инновациям распространить гомеостаз в социокультурную сферу. Любопытно, однако, что в автоматический гомеостаз, начиная с бактерий, входили (более того: были ему необходимы!) восприимчивость и способность реагировать – эти скромные предшественники разума и сознания. Восприимчивость действует на уровне химических молекул, присутствующих на мембранах бактерий, и имеется также у растений. Растения могут воспринимать присутствие определенных веществ в почве – кончики их корней, по сути, являются сенсорными органами – и способны действовать соответственно: они могут расти в направлении места, где находятся вещества, необходимые для гомеостаза⁵.

Популярное представление о гомеостазе (надеюсь, читатель простит мне неуместность сочетания слов “популярный” и “гомеостаз” в одном предложении) навевает мысли о “равновесии” и “балансе”. Но, когда речь идет о живом, равновесие нам совсем не нужно, ведь в термодинамическом понимании равновесие означает нулевую разницу в температурах и смерть. (В общественных науках у термина “равновесие” более позитивное значение, он означает попросту стабильность, результирующую из сопоставимых разнонаправленных сил.) Мы не хотим также использовать слово “баланс”, так как оно ассоциируется со стагнацией и скукой. Много лет я определял понятие “гомеостаза” как соответствующее не нейтральному состоянию, а состоянию, в котором жизнедеятельность воспринимается так, как если бы она была направлена на благополучие. Энергичная проекция в будущее выражается через глубинное чувство благополучия.

Недавно я встретил родственные взгляды в формулировках Джона Тордея, который тоже отвергает квазистатическое представление о гомеостазе, то есть представление о нем как о поддержании статус-кво. Вместо этого Тордей придерживается представления о гомеостазе как о двигателе эволюции, о пути к созданию защищенного клеточного пространства, внутри которого каталитические циклы способны выполнять свою работу и в буквальном смысле оживать⁶.

Корни идеи

Идеей гомеостаза мы обязаны французскому физиологу Клоду Бернару. В последней четверти XIX века Бернар сделал основополагающее наблюдение: живым системам необходимо поддерживать многочисленные переменные своей внутренней среды в узких границах так, чтобы жизнь продолжалась⁷. В отсутствие подобного жесткого контроля магия жизни просто исчезала. Суть внутренней среды (milieu intérieur в оригинале) состоит в большом количестве взаимодействующих химических процессов. Типичные химические процессы и их ключевые молекулы можно найти в кровеносной системе, в кишечнике, где они помогают осуществлять метаболизм, в эндокринных железах, таких как поджелудочная или щитовидная, и в определенных участках и сетях нервной системы, где координируются аспекты регуляции жизнедеятельности (главным примером такой области может служить гипоталамус). Эти химические процессы обеспечивают преобразование источников энергии в саму энергию, гарантируя, что вода, питательные вещества и кислород будут в необходимом количестве присутствовать в живых тканях. Это необходимо для составляющих все органы и ткани тела клеток, чтобы они могли поддерживать свою индивидуальную жизнь. Организм, являющий собой интегрированное целое из всех этих живых клеток, тканей, органов и систем, способен выжить только при строгом соблюдении гомеостатических границ. Отклонения от необходимого уровня определенных переменных приводят к заболеванию и, если не последует более или менее быстрая коррекция, к радикальному результату, то есть к смерти. Все живые организмы обладают автоматическими регуляторными механизмами. Они получают их без труда, вместе с гарантийным талоном, прописанным в геноме.

Сам термин “гомеостаз” придумал через несколько десятилетий после Клода Бернара американский физиолог Уолтер Кеннон⁸. Кеннон тоже имел в виду живые системы; назвав процесс “гомеостазом”, он выбрал греческий корень гомео- (“подобный”) вместо гомо- (“одинаковый”), так как подразумевал созданные природой системы, в которых переменные часто существуют в неких рабочих границах, – баланс жидкости, глюкозы в крови, натрия в крови, температуры и так далее. Он явно не думал о фиксированных заданных параметрах, часто присутствующих в рукотворных системах, наподобие термостатов. Термины “аллостаз” и “гетеростаз”, синонимичные “гомеостазу”, были введены впоследствии с обоснованной целью привлечь внимание к вопросу диапазонов – к тому факту, что регуляция жизни работает относительно диапазона значений, а не заданных точек⁹. Идея этих позднейших терминов, однако, не противоречит идее, подразумевавшейся Бернаром и получившей первоначальное название от Кеннона. Но эти новейшие термины не вошли в широкое употребление¹⁰.

Мне более симпатичен другой термин, “гомеодинамика”, созданный Мигелем Аоном и Дэвидом Ллойдом¹¹. Гомеодинамические системы, которыми, безусловно, являются живые системы, при утрате стабильности самоорганизуют свою работу. В этих точках бифуркации они демонстрируют сложные виды поведения с эмерджентными характеристиками, такими как бистабильные переключения, пороги, волны, градиенты и динамические молекулярные перестройки.

Предположение Клода Бернара о регуляции внутренней среды настолько опередило свое время, что относилось не только к животным, но и к растениям. Само название его книги 1879 года удивляет даже в наши дни: Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux (“Лекции о феноменах жизни, общих для животных и растений”).

Царства растений и животных традиционно воспринимаются теми, кто изучает то и другое по отдельности, как далекие друг от друга. Но Клод Бернар понял, что у животных и растений сходные базовые потребности. Растения – многоклеточные организмы, которым, как и животным, нужны вода и питательные вещества; у них сложный метаболизм; у них нет нейронов, мышц или заметно выраженного движения (хотя и имеется несколько ярких исключений), но есть циркадные ритмы, и в их гомеостатической регуляции задействованы некоторые из тех же веществ, что и в нашей нервной системе: серотонин, дофамин, норадреналин и т. д. Растения обычно считаются неподвижными, но в них больше движения, чем заметно глазу. Я имею в виду не только венерину мухоловку, которая резко смыкает свои листья на неосторожных насекомых. Или тот факт, что определенные цветы открываются при солнечном свете и стыдливо закрываются при наступлении ночи. Самый рост корней или стволов растений составляет движение, порождаемое простым добавлением физических элементов. Это можно легко продемонстрировать, пустив в ускоренном режиме терпеливо отснятые кадры роста того или иного растения.

Клод Бернар также понимал, что и у растений, и у животных гомеостаз получает выгоду от симбиотических отношений. Хороший пример: цветы. Аромат привлекает пчел, которым нужно посещать цветы ради собственного изготовления меда, и попутно пчелы осуществляют опыление, благодаря которому семена растения распространятся по свету.

Теперь мы открываем для себя, что масштаб симбиотических союзов гораздо больше, чем мог предполагать даже Клод Бернар. И у растений, и у животных туда входят организмы еще одного царства – бактерий, обширного и разнообразного домена прокариот. Триллионы бактерий уютно устроились в нашем организме, принося нам пользу и получая в обмен на это кров и пищу.

Глава 4. От отдельных клеток к нервной системе и разуму

Со времен бактериальной жизни

Я попрошу читателя на время забыть о человеческом разуме и мозге и обратиться к бактериальной жизни. Цель – понять место одноклеточной жизни в долгой истории, ведущей к человечеству. Это упражнение может показаться несколько абстрактным, ведь мы не привыкли наблюдать бактерий невооруженным глазом. Но в микроорганизмах вовсе нет ничего абстрактного, когда вы наблюдаете их через микроскоп и узнаете об удивительных вещах, которые они совершают.

Нет сомнений, что бактерии были первыми формами жизни и что они живут рядом с нами по сей день. Но просто сказать, что они живут, потому что сумели выжить, означало бы серьезное преуменьшение. Они – самые многочисленные и разнообразные обитатели Земли. Более того, многие виды бактерий стали неотъемлемой частью нас, людей. Некоторые за долгие века эволюции встроились в более крупные клетки человеческого тела, и многие бактерии обитают внутри каждого из нас, большей частью в гармоничном симбиозе. Внутри любого человеческого организма больше бактериальных клеток, чем человеческих. Причем разница ошеломляющая – в 10 раз! Только в человеческом кишечнике обычно живет около 100 трлн бактерий, тогда как один человеческий организм состоит всего лишь из 10 трлн клеток, и это если считать все клеточные типы. Микробиолог Маргарет Макфолл-Нгаи с полным правом утверждает, что “растения и животные – лишь пленочка на мире бактерий”¹.

У этого огромного успеха бактерий есть свои причины. Бактерии – очень умные существа, хотя их интеллект и не руководствуется разумом с чувствами, намерениями и сознательной точкой зрения. Они способны воспринимать условия своей среды и реагировать благоприятным для выживания образом, демонстрируя сложное социальное поведение. Бактерии могут общаться друг с другом – правда, не вербально, однако же молекулы, которыми они сигнализируют, говорят о многом. Бактерии способны к вычислениям, позволяющим оценить ситуацию, – чтобы либо вести независимый образ жизни, либо, в случае необходимости, объединяться. У этих одноклеточных существ нет нервной системы и нет психики в том смысле, в котором ею обладаем мы. И все же им присущи различные формы восприятия, памяти, коммуникации и социального управления. Функциональные операции, поддерживающие весь этот “интеллект без мозга или разума”, опираются на химические и электрические сети того же типа, которыми на позднейших стадиях эволюции будет обладать и которые будет развивать и использовать нервная система. Иными словами, позже, намного позже в масштабе эволюции, нейроны и их связи станут использовать старые изобретения, опиравшиеся на молекулярные реакции и на компоненты тела клетки, известные как цитоскелет – буквально “скелет клетки” – и мембрана.

Спустя примерно 2 млрд лет за миром бактерий – безъядерных клеток, известных как прокариоты, – последовал куда более сложный мир эукариот, то есть клеток, обладающих ядром. Многоклеточные организмы (Metazoa) появились еще позже, 700–600 млн лет назад. Этот долгий процесс эволюции и роста полон примеров эффективной кооперации, хотя в рассказах о нем основное место обычно уделяется конкуренции. Например, бактериальные клетки объединяются с другими клетками, создавая органеллы более сложных клеток. Митохондрии – пример органелл, миниорганов внутри клеточного организма. Строго говоря, некоторые из наших собственных клеток возникли, инкорпорировав в свою структуру бактерии. Клетки с ядрами, в свою очередь, кооперируются, образуя ткани, а потом эти ткани кооперируются, образуя органы и системы. Принцип всегда один и тот же: организмы отказываются от чего-то в обмен на что-то, что могут им предложить другие организмы; в долгосрочной перспективе это позволяет сделать их жизнедеятельность более эффективной и выживание более вероятным. То, от чего отказываются бактерии (или эукариотные клетки, или ткани, или органы) – это обычно независимость; то, что они получают взамен, – это доступ к “общим благам”, благам, которые дает сотрудничество (незаменимые питательные вещества либо благоприятные общие условия, такие как доступ к кислороду или климатические преимущества). Вспомните об этом в следующий раз, когда услышите, как люди всячески бранят международные торговые соглашения. Известный биолог Линн Маргулис отстаивала идею роли симбиоза в возникновении сложной жизни еще в те времена, когда над этим едва ли задумывались².

Гомеостатический императив стоит за процессами кооперации, а также обусловливает появление “общих” систем, присутствующих у всех многоклеточных организмов. Без подобных систем, охватывающих все тело, были бы невозможны сложное строение и функции многоклеточных организмов. Главные примеры подобных усовершенствований – кровеносная система, эндокринная система (доставляющая гормоны в ткани и органы), иммунная система и нервная система³. Кровеносная система позволяет доставлять питательные вещества и кислород каждой клетке тела. Она распределяет вещества, образующиеся при переработке пищи в пищеварительной системе, которые требуется доставить во все части организма. Клетки не могут жить ни без этих веществ, ни без кислорода. (Представьте себе кровеносную систему в виде компании Amazon.) Кроме того, кровеносная система делает еще кое-что замечательное: собирает большую часть отходов метаболизма и успешно избавляется от них. Наконец, она участвует в двух ключевых функциях, способствующих гомеостазу: гормональной регуляции и иммунитете. И тем не менее венцом всеохватных, служащих гомеостазу систем организма является нервная система, поэтому дальше речь пойдет именно о ней.