Общение между живыми существами (У. Мак-Каллок)

Мне хотелось бы перенести вас назад к тем временам, когда предпринимались первые мучительные попытки убедить ученых в необходимости общаться друг с другом. Первая группа была организована Фрэнком Фремонт-Смитом. Она начала с обсуждения вопросов, связанных с войной, и вскоре была засекречена. Речь шла о системах и вычислительных машинах, работа которых основывалась на некоторой циркулярности в прохождении информации. Науку о таких циркулярно-причинных процессах, т. е. процессах с обратной связью, позднее окрестили кибернетикой.

Никогда в жизни я не встречал ничего, подобного нашим первым пяти заседаниям, - а я был председателем на всех десяти. Мы очень тщательно подобрали состав группы, так чтобы каждая отрасль науки была представлена двумя учеными. Следовательно, каждый выступавший мог рассчитывать, что по крайней мере один человек в аудитории поймет его профессиональный жаргон. Выступления на этих первых встречах не годились для печати. Я никогда не слышал, чтобы взрослые люди с таким положением в науке употребляли подобные выражения в споре. Некоторые уходили в слезах, а один так и не вернулся. Правда, в группе была одна выносливая участница, д-р Маргарет Мид, которая вела запись выступлений. Жаль, что ее нет здесь сейчас. Я хорошо помню, как один из наших ученых, не скажу кто, потрясал кулаками у самого носа Маргарет и кричал: "К черту! Если вы думаете, что белка не понимает крика голубой сойки, когда вы входите в лес с ружьем, вы никогда не охотились, вы просто болтались с ружьем по опушке". Это еще мягкий пример - вот как "общаются" живые существа между собой.

По сравнению с этим нынешняя конференция может служить образцом мирных взаимоотношений. Так или иначе, но мы учимся разговаривать друг с другом. Это была трудная работа. У себя в Чикаго, где в каждой лаборатории был развит свой, часто очень трудный, научный жаргон, мы так натерпелись, добиваясь взаимопонимания, что в конце концов провели следующий фантастический эксперимент. Каждый молодой ученый должен был отправиться на родительское собрание или на учительский совет в одну из средних школ, расположенных на западе Чикаго, и там объяснить сущность своего последнего открытия. Это мероприятие дало свои результаты. Но в общем понадобилось восемь лет, прежде чем мы смогли собирать в Чикаго конференции, все участники которых - инженеры, биохимики и врачи - понимали бы друг друга. Все это не очень легко. Однако довольно истории.

Сейчас мне хотелось бы остановиться, главным образом ради присутствующих здесь инженеров, на особенностях "биологического" мышления. Следует помнить, что наша биология начала развиваться в греческих городах-государствах и ее основные концепции несли на себе отпечаток образа жизни этих полисов.

Биологические понятия, лежащие в основе медицины, сложились под влиянием нескольких великих законов общественного уклада древней Греции. В некоторых отношениях они лучше изложены в сочинениях школы Гиппократа, в других отношениях - у Эмпедокла. Первый из них - закон равенства неравных. В греческом городе-государстве равенство неравных означало равенство всех людей перед законом. Древние греки не считали, что умный и глупый равны по уму, или что сильный и слабый равны по силе; они лишь считали их равными перед законом. Этот взгляд проник в биологию в очень любопытной форме и является одним из краеугольных камней теории, которая намного позднее выросла в нашу теорию взаимодействия живых клеток, тканей и органов животных. Эта теория является одной из основ биологии. Если у животного отмирают клетки кожи, то оно погибает. Если отмирают нейроны, животное тоже погибает. Каждая ткань должна жить. Каждый имеет определенные обязанности в этом "живом" сообществе и вносит свою лепту в общий труд.

Второй закон, который, я уверен, сразу напомнит инженерам один из законов экономики, гласит: "Главное потому, что первое среди многих, главное и всеобщее потому, что лучшее". Определенный взгляд преобладает над остальными, становится всеобщим, потому что он лучше других. Главнокомандующим армии становится первый, самый способный. Этот закон отбора, с большой точностью действовавший в греческих полисах (и поверьте мне, это предопределяет очень быструю смену событий), есть закон эволюции, который мы открыли гораздо позднее. Только сейчас мы начали понимать масштабы, в которых он проникает в технику. В конце концов внедряется в производство именно наилучший прибор. Но это - биологический закон^*.

^* (Вообще природа выбирает лучшее и более ценное там, где этому не препятствует еще что-нибудь более важное. Природа всегда выбирает лучшее из возможного, причем в определение лучшего всегда входит достижимость (Аристотель, "О частях животных", кн. Г). - Прим. перев.)

Третий основополагающий биологический закон возникает совсем из других предпосылок. Он вытекает из различия между замыслом и его реализацией. У греков была теория, согласно которой потомок появляется на свет в результате взаимодействия некоторого подобия перфоленты, отождествляемой с семенем самца, с некоторым механизмом, куда вводится эта перфолента, отождествляемым с самкой^*. Конечно, в перфоленте или в работе механизма самки могут содержаться ошибки, но в программе - никогда. Пользуясь выражением греков, "гармоническая смесь", т. е. программа - это то, что не может быть неверным. Если ошибка все же происходит, то это случается либо в результате "опечаток" в перфоленте, либо в результате того, что машина неправильно прочла программу. Отсюда возникло то четкое различие, которое позднее предстанет перед нами как различие между формальными и акцидентальными причинами. Я каждый день слышу это от наших программистов в Массачусетском технологическом институте: "Программа была правильной. Что-то случилось с перфолентой или машиной". Это решающее различие между тем, что должно было возникнуть в процессе развития в гармонической смеси, и искаженным из-за случайного изменения гармонической смеси, "разодранным в клочья" результатом этого развития, лежит в основе биологии греков и все еще остается и в нашей биологии. Оно несет с собой понятие конечной цели. Биология, в которой нет понятия конечной цели, очень быстро терпит крушение и, в самом лучшем случае, вырождается в биофизику.

^* (По сегодняшним понятиям перфоленту можно отождествить с ядром оплодотворенного яйца, а механизм - с протоплазмой этого яйца (в ядре яйцеклетки тоже содержится программа). Второй пример - вирус (программа) и клетка (механизм). - Прим. перев.)

Дело обстоит очень просто. Живые организмы должны выжить; в противном случае мы их даже не увидим. Аппаратура, создаваемая инженером, должна служить своей цели лучше, чем всякая другая аппаратура, иначе ее не станут производить. В мире, в котором мы живем, царит целесообразность. Инженер Карно провел различие между полезной работой и просто энергией. Инженер-связист провел столь же резкое различие между сигналом и шумом. Не поймите меня превратно. Я читал однажды самую восхитительную чепуху в "Science" - о противоречии, присущем понятию финальной причины. В качестве возражения приводился аргумент, что она не эффективна, т. е. не гарантирует достижения цели. Это именно то, что имел в виду Аристотель. Цели финальны, но они могут быть недостижимы. Тут Аристотель совершенно прав. Это биологическое отличие^*, и он провел его правильно. Но если это биологическое отличие, то тогда оно имеет место и в технике. Из этих идей возникает величайший закон биологии: подобное рождает подобное^**.

^* (Отличие цели как причины от цели как результата. - Прим. перев.)

^** (Аристотель (см. "Метафизика", гл. 7) различает 3 рода причин: 1) формальная причина, эквивалентная существованию структуры, плана или программы, 2) эффективная причина - тот механизм, посредством которого эта программа реализуется, и, наконец, 3) финальная причина (она же конечная цель) - причина-цель, реализованное будущее. В строительном деле возникший в голове архитектора план - причина 1-го рода, само строительство - причина 2-го рода, и сам дом - причина-цель. Поэтому Аристотель говорит, что "дом возникает из дома", подобное рождает подобное. Однако в известном смысле это одно и то же - причина одновременно является целью при решении вопросов, выходящих за пределы чувственного опыта. - Прим. перев.)

Еще один закон связан с именем Менделя. Мендель ставил свои опыты на душистом горошке, и ему удалось провести различие между доминантными и рецессивными "факторами". Он был очень удачлив и ставил свои опыты крайне тщательно. Когда он опубликовал свою статью, то ее не поняли ни математики, ни биологи.

Нам пришлось выдержать ту же борьбу, что и Менделю. Нас, биологов, обычно обвиняют в том, что мы занялись биологией потому, что ничего не смыслим в математике. Но в большинстве случаев математики, необходимой для биологии, не существует. Лишь несколько наших ученых - Кац, Карл Менгер, Улам - и еще несколько человек, в том числе А. Н. Колмогоров, в других странах отваживаются вступить в единоборство с этими проблемами, математически столь сложными, что, быть может, нужно иметь 16 лет от роду, чтобы достаточно смело разгрызать такие орешки. О себе я могу сказать, что после того, как я семь лет бился над одной из наиболее простых из этих задач, ко мне присоединился Мануэль Блум из Венесуэлы - ему тогда было немногим более восемнадцати лет - и быстро внес полную ясность в постановку этой задачи (он все еще работает со мной).

Следующая проблема, на которой мне хотелось бы остановиться, значительно сложнее, даже если оставить в стороне математику. Я попытаюсь обрисовать ее. Знаете ли вы, почему созданная инженерами система связи настолько отстает от нервной системы? Это происходит потому, что инженер все еще работает с устройствами, имеющими только два входа. Существует математическое доказательство того, что в этом случае нельзя обеспечить безошибочную переработку информации. Действительно, как показали теперь Джек Коуэн и Сэм Виноград, только с увеличением числа соединений можно применять математическую теорию связи, т. е. использовать важную аксиому о теоретической пропускной способности канала связи^* к процессам переработки информации в нервной системе. Эта работа столь значительна, что будет опубликована в "Философских трудах Королевского общества". Я не мог решить это задачи. За дело должны были взяться двое молодых людей (каждому из них по 25 лет). А я занимался этим с 1952 года.

^* (По-видимому, автор имеет в виду известные теоремы Шеннона. - Прим. перев.)

Теперь мне хотелось бы вернуться еще к одному любопытному аспекту греческой философии, который только сейчас начал приносить свои плоды. Этот вопрос перенесет нас в область, где противоречий сейчас больше, чем в какой-либо другой известной мне области биологии, включая психологию.

Греческая теория общения самца и самки - такого общения между живыми существами, в результате которого появляется потомство, - положила начало теории связи, основанной на теории познания. Греки утверждали, и, как мне думается, были в этом совершенно правы, что знание рождается из взаимодействия познающего и познаваемого. Мы называем их теорию познания "кардиоцентрической" теорией. Они полагали, что главным переносчиком знания является кровь. Когда вы берете предмет в руки, кровь в ваших руках воспринимает нечто, поступающее к вам извне, и это нечто смешивается с кровью. Такое смешивание характеризуется как по Гиппократу, так и по Эмпедоклу, предположением, что пустоты одного объекта заполняются выпуклостями другого.

Вспомним, что греки многое знали о нервах, в частности об их топографии. Они думали, что нервы - это вожжи (и само название их говорит об этом), посредством которых можно управлять мышцами и железами так же, как мы управляем лошадью. Они полагали, что нервы в основном выходят из головного и спинного мозга, назначение которых состоит в том, чтобы охлаждать кровь. Только в результате долгого и медленного развития науки было, наконец, установлено, что первостепенная роль в процессе познания принадлежит мозгу, а не крови. И хотя мы все еще приписываем крови функцию переносчика гормонов и агглютининов, мы уже отказались от идеи смешивания субстанций в пользу идеи смешивания сигналов, передаваемых нейронами.

Но полученные знания сохраняются; именно об этом мне и хочется поговорить с вами, так как именно с этим связана одна из самых запутанных проблем современной биологии. Несколько лет назад мы начали подбираться к изучению той самой "перфоленты", о которой говорили греки. Она называется дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и находится в ядре клетки. Молекулы ДНК состоят из двух перевитых друг с другом спиралей. Перфолента - это одна спираль ДНК. Конечно, с ней иногда случаются те или иные несчастья, но по большей части она проходит через процесс репродукции вполне благополучно. При участии дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) образуется рибонуклеиновая кислота (РНК). Одни молекулы РНК (транспортная РНК) - это, так сказать, перевозочные средства клетки. Они подбирают аминокислоты и переносят их на РНК второго вида (информационную РНК). Роль последней заключается в том, чтобы служить матрицей для синтеза белков.

Если в организм попадает токсин, то для выработки соответствующего антитоксина организм не может разрушить связи в существующих белковых молекулах и воспользоваться их фрагментами. Поэтому в клетках, производящих антитоксины, должен начаться синтез новых молекул белка. Когда белковый баланс нарушается из-за отсутствия той или другой дезоксирибонуклеиновой кислоты, система в больших количествах начинает производить информационную РНК. Окрашивая клетку, можно оценить количество этой кислоты. С помощью информационной РНК синтезируются новые белковые молекулы, которые устроены таким образом, чтобы уничтожать чужеродный белок или другое вещество, вторгающееся в клетки. Это и есть "познание" в том смысле, в каком это слово применяли древние греки. Известно, что матрица, на которой строится белок, наследуется отдельными клетками в течение по крайней мере четырех или пяти поколений.

Рассмотрим теперь другое явление, которое мы называем памятью. Хиден первый заподозрил, что нуклеиновые кислоты играют в этом явлении какую-то важную роль, и разработал методы, позволяющие очень точно измерить количество рибонуклеиновой кислоты в клетках. Пользуясь одновременно биологическими и тонкими биохимическими методами, он обнаружил, что при обучении животных в тех частях мозга, которые принимают участие в обучении, можно найти клетки, содержащие большее количество РНК, чем это бывает в норме (причем их распределение носит статистический характер). Работа Xидена положила начало целому ряду фантастических экспериментов, то подтверждавших, то опровергавших важность роли РНК в обучении. Наиболее занятные из них проводились на плоских червях (планариях). В двадцатых годах один из учеников Жака Лёба, много и плодотворно занимавшегося тропизмами, решил выяснить, могут ли обучаться плоские черви. Он выработал определенную процедуру, которая изменила пищевой рефлекс червей на свет и темноту. Несколько лет спустя моя жена и я попытались повторить его наблюдения. Полная неудача! Оказалось, что он работал с планариями-"брюнетками", а мы - "с блондинками". У "блондинок" же вообще никто и никогда не мог выработать условный рефлекс.

Затем А. Андьяну, который в то время был главой кибернетики в Венгрии (теперь он здесь), удалось выработать у плоских червей условные рефлексы и получить статистически достоверные результаты по изменению поведения червей при кормлении их на свету и в темноте. Между прочим, в его экспериментах планарии проявляли все черты павловского условного рефлекса. Андьян, разрезая червей пополам, обнаружил, что головной конец тела запоминает одни черты условного сочетания, а задний - другие.

В это же время другие две группы ученых в США, ничего не зная об этих опытах, успешно выработали у планарий условный рефлекс, но совсем другими методами. В качестве условного раздражителя они использовали вспышку света или что-нибудь другое в этом роде, а в качестве безусловного раздражителя - удар электрическим током. Результаты ясно показали, что при этом у плоских червей (по крайней мере, у некоторых из них) можно выработать условный рефлекс. Рефлекс проявлялся во внезапной судороге в ответ на условный раздражитель, тогда как обычная реакция на свет выражалась в выпрямлении планарии и продолжении движения. Эти реакции сильно отличаются друг от друга, когда вы наблюдаете за плоскими червями. Я видел их своими глазами.

Далее произошли совсем уже невероятные вещи. Одна группа ученых продолжала вырабатывать условные рефлексы у планарий и начала разрезать их пополам. К своему ужасу, они обнаружили, что некоторые черви немедленно принялись поедать половинки своих собратьев. Тогда планарий разделили на две группы и по счастливой случайности (а может быть, у ученых уже имелись идеи относительно роли РНК) стали кормить одну группу обученными червями, а другую - "невеждами". Те планарии, которых кормили обученными червями, в дальнейшем обучались значительно быстрее, чем те, которых кормили "невеждами".

Далее оказалось, что в процессе обучения планария производит гораздо больше РНК, чем в других случаях; более того, обучение можно замедлить. Действительно, можно не дать заднему концу обучаться или вырастить головной конец с хорошей памятью, добавляя РНК в воду, в которой плавают эти половинки.

Таким образом, планария, очевидно, может включать РНК из своей пищи непосредственно в нервные клетки. Никто этому не верил. Это выглядело чистой фантастикой. Теперь эти опыты повторены в двух разных местах и оказалось, что все это правда.

Я хотел бы еще обсудить работу Моррела. Прекрасная работа. Вы знаете, что если нанести алюминиевую пасту на кору головного мозга животного, у него развиваются припадки. При нанесении пасты на височную долю в другом полушарии возникает вторичный очаг, который и обусловливает возникновение припадков. Моррел, регистрируя электрическую активность мозга, устанавливал локализацию этого вторичного очага и удалял его вместе с окружающей корой. Оказалось, что в той области коры, где возникает вторичный очаг, примерно одна клетка из десяти дает интенсивное окрашивание, характерное для РНК. Следовательно, когда мы обучаемся чему-либо, то одна нервная клетка (или группа клеток) взаимодействует с другими и вынуждает эти другие клетки синтезировать новые молекулы белка. Кстати, заметим, что средний период полураспада белков в мозге человека равен 12 час, и средний период "полураспада" следа памяти при заучивании бессмысленных слогов также равен 12 час.

Второе поразительное совпадение заключается в следующем. Если проследить за клетками, которые только что начали вырабатывать антитоксины в ответ на воздействие введенного токсина, то можно заметить, что через 20 мин из их ядра в цитоплазму переходит большое количество вновь синтезированной РНК. Таким образом, через 20 мин вся работа уже сделана. Новые белки уже синтезируются, и через несколько дней ваш организм приобретает иммунитет к данному виду белка. Обращаясь к процессу обучения, можно заметить, что если не позже чем через 20 мин после воздействия запоминаемого раздражителя подавить каким-нибудь способом - применяя анестезию, холод или электрический ток - электрическую активность мозга, то обучения не происходит, т. е. процесс запоминания нарушается. Если же этот процесс прервать лишь через 45 мин или 1 час, то оказывается, что за это время запоминаемое успевает достаточно прочно укрепиться в памяти. Это опять-таки именно то время, которое требуется для синтеза белковых молекул нового вида.

Вы можете представить себе, насколько сложным кажется все это в настоящее время. Но зато впервые мы располагаем фактами, которые дают нам основание надеяться, что мы идем по правильному пути к открытию механизма долговременной памяти - механизма, который лежит в основе как запоминания, так и иммунитета. Природа, по-видимому, одним разом решила обе эти задачи. Общение между живыми существами продолжается, и вы наверняка услышите еще много нового об РНК и синтезе белков.

Мне хотелось бы подчеркнуть, что в конце концов мы сделали полный круг и пришли опять к теории познания греков - пустоты одного объекта заполняются выпуклостями другого.