В один из ясных, но нежарких по местным понятиям полдней, в самом конце ноября 2013 года, шайка детей из гвинейской деревни с красивым названием Мелианду (префектура Гекеду региона Нзерекоре) занималась очень интересным делом: охотилась на мелких, размером с ладонь лолибело, недавно поселившихся в дупле старого дерева рядом с деревней. Днем лолибело спят, укрывшись в самой глубине дупла, где, приловчившись, их можно проткнуть длинной заточенной палкой, после чего прямо на этой палке зажарить на костре. Вкус лолибело в общем-то не самый приятный даже по меркам Западной Африки, но, когда чувство голода практически постоянно, кусочек зажаренного свежего мяса выглядит очень и очень аппетитным. Однако в неумелых руках кусочек мяса может огрызнуться и даже укусить. Похоже, Эмилю Уамуно, самому маленькому из компании ребят, именно так и досталось: укус лолибело оказался довольно болезненным. Эмиль долго плакал от боли и обиды, но старшие ребята угостили своими прожаренными кусочками, чувство мимолетной сытости притупило боль, а потом старшая сестра позвала домой. Небольшая рана плохо заживала, но мало ли ранок и порезов у африканского ребенка в забытой богом деревне? Через несколько дней у Эмиля началась сильная лихорадка, кожа и слизистые стали кровоточить, появился кровавый понос, рвота. 2 декабря 2013 года двухлетний Эмиль Уамуно умер. Еще через несколько дней, испытав похожие мучения, умерли ухаживавшие за ним трехлетняя сестра, мать и бабушка. Затем пришла очередь акушерки, присматривавшей за матерью, которая была беременна очередным ребенком, и похоронных плакальщиц, так как Уамуно принадлежали к уважаемому клану. С плакальщицами и акушеркой болезнь пришла в соседние деревни и начала свой траурный марш по автотрассе от Гекеду на Конакри, столице Гвинеи, вдоль границы со Сьерра-Леоне.

650 километров болезнь преодолела за три месяца, и к марту 2014 года уже бушевала в самом Конакри, перенаселенном двухмиллионном городе, а также легко перетекла в соседние Сьерра-Леоне и Либерию. Чуть позже вспышки страшной геморрагической лихорадки возникли в Нигерии, Конго и Мали, к началу 2015 года отдельные случаи были зарегистрированы в Сенегале, Италии, Великобритании и даже в США. По-настоящему беспрецедентные противоэпидемические мероприятия стали применяться только спустя почти год после первых случаев заболевания. Тысячи добровольцев отправились в Западную и Центральную Африку под эгидой ВОЗ и «Врачей без границ». 8 августа 2014 года ВОЗ объявила геморрагическую лихорадку Эбола угрозой мирового масштаба. 24 сентября президент США Барак Обама, выступая на 69-й сессии Генассамблеи ООН, назвал вспышку Эбола в Западной Африке одной из трех главных угроз для мира, наряду с ИГИЛ и Россией. К середине 2015 года ситуацию, по крайней мере с Эболой, удалось стабилизировать: 9 мая 2015 года Либерия первой из западноафриканских стран заявила о победе над эпидемией, хотя только первая неделя октября 2015 года стала первой неделей, когда не было отмечено ни одного нового случая в исходном ареале инфекции – Гвинее, Сьерра-Леоне и Либерии. По данным ВОЗ (2015), число заболевших геморрагической лихорадкой Эбола за 2014-2015 годы составило 25 575 человек, из них погибло 11 313 человек, летальность составила 44 %.

Вообще большинство высоковирулентных для человека и других приматов вариантов эболавирусов имеет естественный резервуар инфекции среди рукокрылых – в нескольких семействах летучих мышей, циркулируя среди них практически бессимптомно.

Предполагая, что значительное число, если не большинство заболеваний не только человека, но и животных имеет инфекционную природу, трудно не задаться вопросом: почему одни и те же инфекционные агенты являются мирными сожителями одних животных и смертельно опасными врагами для других, даже эволюционно близких? Какие различия в физиологии и иммунитете отвечают за невосприимчивость у одних и сверхвысокую чувствительность у других? Пример лихорадки Эбола один из наиболее выразительных, наряду, пожалуй, с чумой и холерой (БОН: глава XIV). Но представляется, что и у большинства инфекционных агентов есть поддерживающие резервуары среди слабо- или вовсе невосприимчивых животных и есть «страдающие» популяции экологически смежных с ними видов. Может ли сама восприимчивость к инфекции нести какую-то иную эволюционную роль, кроме тупикового пути пассивного страдания? Последний вопрос можно задать и в отношении всех болезней – есть ли в них какой-либо скрытый или неочевидный смысл и можно ли их избежать, оставаясь здоровым как можно дольше?

Понимание отношений летучих мышей и вирусов зоонозных заболеваний, особенностей физиологии и иммунитета летучих мышей, причин невероятной для их размеров продолжительности жизни могут стать первым шагом в ответах на поставленные вопросы. ОП!

Летучие мыши, точнее рукокрылые, второй по численности видов отряд среди млекопитающих – более 1 300, то есть около 20 % всех видов зверей. Больше видов только у грызунов – около 2 300, играющих, к слову, не менее важную роль в циркуляции многих опасных для человека патогенов. Несмотря на кажущееся внешнее сходство, рукокрылые и грызуны эволюционно довольно далеки: генетически летучие мыши ближе к парнокопытным, хищникам и китообразным, чем к грызунам, более близким, например к приматам. Многообразие видов предполагает и множество стратегий выживания, хотя в большинстве случаев о рукокрылых, как и о грызунах, можно говорить как об общественных мелких хищниках, ведущих скрытный образ жизни (даже вегетарианские виды летучих мышей по сути охотятся на плоды растений, что разительно отличается от неторопливого пастбищного поедания травы копытными).

Если эпидемиологические аспекты особой «принимаемости» вирусов летучими мышами достаточно ясны: скученность дневок, обилие насекомых-экзопаразитов (потенциальных векторов переноса), осуществление дальних – до сотен километров – миграций, образ жизни в составе сложных экосистем, предполагающий частые межвидовые контакты и, соответственно, возможность межвидовой передачи вирусов, то роль физиологических и иммунологических феноменов у летучих мышей остается активно обсуждаемой. Некоторые черты биологии летучих мышей – большая продолжительность жизни и низкая подверженность опухолевым заболеваниям очевидным образом подтверждают связь этих явлений с особенностями иммунитета, обеспечивающими устойчивость к невероятному числу вирусов. Летучие мыши являются чемпионами среди млекопитающих (а, возможно, и позвоночных) по числу переносимых вирусов в среднем на один вид. В печальном первенстве общего числа переносимых вирусов-возбудителей заболеваний человека и животных (зоонозов) рукокрылые делят чемпионство с грызунами, добившихся аналогичного результата (порядка 60–65 вирусов) за счет максимального среди млекопитающих общего числа видов. К актуальным для человека зоонозам относятся переносимые летучими мышами упомянутые вирус Эбола и близкие филовирусы, все лиссавирусы, включая вирус бешенства (и исключая на данный момент только вирус Мокола), парамиксовирусы и десятки других вирусов, возбудителей опасных инфекций человека и животных. Особого упоминания заслуживают коронавирусы, включая мрачный «вирус десятилетия» – возбудитель тяжелого острого респираторного синдрома-2, трагический символ 2020 года. Почти все вирусы, переносчиками которых являются рукокрылые, относятся к РНК-вирусам. Важным исключением являются несколько гепаднавирусов, возможно, предковых форм вируса гепатита В человека (однако носительства этого вируса у собственно летучих мышей пока не выявлено). Хотя по генетическим механизмам именно гепаднавирусы, как и все параретровирусы, через механизм обратной транскриптазы (то есть переписи РНК в ДНК) очень близки РНК-вирусам. Можно обсуждать, являются ли летучие мыши единственными или одними из основных хозяев этих вирусов, или промежуточными переносчиками, но несомненно, что организм рукокрылых выглядит, как проходной двор для РНК-вирусов; некоторые, похоже, остаются с ними и на всю жизнь.

В программной статье Линь-Фа Вана, Питера Уокера и Лео Пуна (Wang L-F. et al., 2011) были намечены следующие контуры эволюционной взаимосвязи летучих мышей и особо опасных (для других животных) вирусов.

1. Хотя возникновение собственно летучих мышей относится к позднему меловому периоду (около 70 млн лет назад), рождение необыкновенного видового разнообразия у рукокрылых связывают с периодом непосредственно после массового мел-палеогенового вымирания (66 млн лет назад), когда вымерло до 20 % семейств животных, включая практически всех крупных и большинства средних. Во многих сценариях этой катастрофы (внеземной импакт, вулканическая деятельность и т. п.) летучие мыши (и связанные с ними вирусы) получают определенное преимущество перед другими животными благодаря некоторым особенностям своей биологии, например:

• Малые размеры; они позволяют легко находить убежище и обеспечивают меньшую потребность в энергии[1];

• Скрытный образ жизни, по причине которого в начальный момент катастрофы животные могли находиться в укрытии;

• Способность к полету и склонность к миграции, что позволяет сравнительно быстро находить подходящие новые места обитания;

• Жизнь в больших скоплениях, что дает более широкие возможности для спаривания;

• Способность впадать в спячку, что позволяет экономить энергию и выживать при низких температурах;

• Способность к эхолокации, позволяющая быть независимыми от сниженного солнечного освещения;

• Использование насекомых в качестве пищи, что позволяет иметь одну из наиболее стабильных основ питания.

2. Сравнительно благополучное выживание в мел-палеогеновую катастрофу дало летучим мышам возможность сохранить и развить как свои специфические биологические черты, так и свой базовый репертуар вирусов, с которым они в дальнейшем совместно непрерывно эволюционировали в течение последующих 66 млн лет. Большинству других животных, в том числе предкам приматов, пришлось радикально менять образ жизни, проходить (и еще не раз) через «бутылочные горлышки» эволюции, теряя одних и заново обретая новых вирусов-сожителей. Десятки миллионов лет совместной притирки друг к другу позволили определенным вирусам и летучим мышам сформировать свой очень устойчивый способ мирного сосуществования. Разные сценарии мел-палеогеновой катастрофы оказывают предпочтение разным вариантам вирусных стратегий выживания. Так, медленное прогрессирующее вымирание хозяина дает больший шанс вирусам с бóльшим адаптационным потенциалом (таким, как РНК-вирусы), в отличие от стремительного варианта, когда шансы больше у вирусов с широким диапазоном хозяев, когда кто-то из них оказался способным выжить. Изоляция и сокращение популяции вирусного хозяина, формирование эволюционного «бутылочного горлышка» как для хозяина, так и для вируса, ведущее к снижению генетического разнообразия обоих, способствует маловирулентным вирусам с длительной персистенцией в хозяине и способностью к вертикальной передаче. Способность хозяина к миграции и выходу из изоляционного тупика дает предпочтение вирусам со способностью быстрой адаптации к новым хозяевам (РНК-вирусы). В этом свете сочетание особенностей летучих мышей и их преимущественная инфицированность РНК-вирусами становится вполне объяснимой (аналогично сложившаяся взаимная адаптация приматов и герпесвирусов также, очевидно, имеет свое эволюционное объяснение).

3. Те же особенности биологии летучих мышей, которые помогли им пережить мел-палеогеновую катастрофу (в первую очередь – умение летать), а также прямо или косвенно связанные с ними особенности физиологии – и здесь в первую очередь способность быстро менять температуру тела (в состоянии гибернации и при выходе из нее) обеспечили рукокрылым уникальность энергетического метаболизма, недоступную для других животных: с одной стороны, возможность его сверхвысокой мобилизации, с другой – практически полной остановки. Высокий энергетический статус способствует большей вероятности межвидовой передачи вирусов и их быстрому переносу на значительные расстояния, низкий энергетический статус – фиксации состояния персистенции, не реализующейся в острое заболевание.

Группа Линь-Фа Ван сочла митохондрии летучих мышей ключевыми клеточными элементами, обеспечивающими им способность к полету, уникальное долголетие (и малую приверженность опухолевым заболеваниям) и устойчивость к вирусным инфекциям. Можно отметить, что птицы также могут служить резервуаром множества вирусных инфекций (и также преимущественно вызываемых РНК-вирусами), но они не обладают настолько выраженным сравнительным долголетием. Количество исследований, посвященных раскрытию непосредственных молекулярно-биологических и иммунологических механизмов долголетия и устойчивости к вирусам у рукокрылых в последние годы росло практически экспоненциально. К сожалению, ярких открытий на этом пути было сделано на удивление мало.

К 2021-му было выявлено, например, что у многих, если не всех летучих мышей отсутствуют гены, относящиеся к распознаванию внеядерной ДНК, что обычно играет важнейшую роль в инициации противовирусного иммунитета у других млекопитающих. Также выявлено отсутствие генов для некоторых рецепторов у так называемых клеток-киллеров. Стало понятно, что основным мотивом реакции летучих мышей на вирусную инфекцию является пассивный, даже супрессивный (тормозящий реакцию) вариант иммунного ответа, в котором специфический иммунитет, реализуемый через специфические антитела и/или Т-клетки, играет сравнительно незначительную роль, несмотря на исходно более высокий репертуар специфических антител (но не специфических Т-рецепторов). Основным двигателем иммунного ответа на вирусную инфекцию является условно пассивный интерферон-опосредованный иммунный ответ, постоянно находящийся у летучих мышей во «включенном» состоянии на фоне «выключенного» специфического активного ответа, опосредуемого провоспалительными цитокинами. Запаздывание интерферон-опосредованного иммунного ответа у человека с последующей сверхактивацией в форме цитокинового шторма (БОН: глава IV) служит предпосылкой тяжелого течения коронавирусной инфекции. Несмотря на частые эпизоды сверхвысокого уровня метаболизма, связанные с полетной активностью, и соответственно, ожидаемых пиков мутагенных свободнорадикальных активных форм кислорода, как наблюдается у других животных, у летучих мышей не найдено. Также не обнаружено нарастания мутаций в митохондриальных генах; напротив, выявлена тенденция к уменьшению генетической вариантности в митохондриях (гетероплазмии), что связывается со сверхэффективным механизмом их удаления или репарации. Важнейшей частью этого механизма служит, например, повышенная экспрессия гена АВСВ1, кодирующего Р-гликопротеин – белок группы АВС-транспортеров, трансмембранных переносчиков различных веществ. Собственно, Р-гликопротеин и считается ответственным за «вынос» из клетки ряда веществ, в том числе лекарств, обладающих мутагенным потенциалом. Низкая генетическая вариативность митохондрий у летучих мышей позволяет успешно реализовываться крайне необходимой функциональной вариативности: на самом деле не все митохондрии даже в одной клетке одинаковые, «штампованные» по одному лекалу. Существуют функциональные субпопуляции митохондрий, различающиеся по локализации, биохимической активности и морфологии. Можно предполагать, что изменение субпопуляционного профиля митохондрий составляет основное содержание многих патологий, в частности метаболических заболеваний (Ngo J. et al., 2021).

У летучих мышей не выявлено достоверно увеличенной экспрессии генов и внеклеточной активности основных антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы, каталазы. Хотя, как в свое время показали исследования автора, более важное функциональное значение имеет внутриклеточная активность антиоксидантных ферментов, определяемая не столько уровнем их экспрессии, сколько формированием и локализацией ферментативных комплексов.

Важной находкой можно считать более высокий уровень аутофагии у некоторых видов летучих мышей, причем как базовой, так и индуцированной (Laing E. D., 2019). Аутофагия – процесс внутриклеточного удаления органелл и макромолекул, в первую очередь поврежденных. Этот феномен у летучих мышей, очевидно, в значительной степени относится к удалению разрегулированных оксидативным стрессом митохондрий. Аутофагия может выполнять как функцию «очищения» клетки, так и питания в условиях голодания. Исследования в области аутофагии находятся в мейнстриме современной молекулярной биологии, что особенно подтвердилось присуждением Есинори Осуми Нобелевской премии в 2016 году именно за выдающиеся работы в этой области (единственная в прошедшем десятилетии Нобелевская премия в области физиологии и медицины, присужденная одному человеку).

Аутофагия у летучих мышей очень активно стимулируется вирусами, и после своего запуска активно предотвращает развитие вирусной инфекции, в том числе в отношении других вирусов. Антивирусное действие аутофагии у рукокрылых опосредовано через механизмы врожденного иммунитета, в целом нетипичные для других млекопитающих, то есть оказываясь еще одним вариантом интерференции.

У большинства летучих мышей заблокированы или заторможены традиционные для других млекопитающих механизмы неспецифической противовирусной внутриклеточной защиты: упоминавшееся уничтожение свободной внутриклеточной ДНК (сигнальный путь STING), формирование ключевых внутриклеточных инструментов воспаления – инфламмасом (сигнальные пути NLRP3 и PYHIN/AIM), выработка одного из основных медиаторов воспаления при вирусной инфекции – интерлейкина-1-бета (Irving A. T. et al., 2021). Так как значительная доля свободной ДНК относится к митохондриальной ДНК (мтДНК) – важнейшему средству внутри- и межклеточной коммуникации, то заторможенный путь STING предоставляет митохондриону больше функциональной свободы.

В очень большом обобщении можно констатировать, что стратегия иммунных процессов у летучих мышей подобна стратегии восточных единоборств или пути Одиссея: уход от прямого противодействия, направление силы противника в свою пользу, навязывание своих условий взаимодействия (рис. 1).

Рис. 1. Многоопытные, хитроумные, рукокрылые

Несмотря на выраженную эффективность метаболических и иммунных механизмов летучих мышей, их удивительную «вписываемость» в самые разнообразные экологические ниши, нельзя сказать, что они совершенно безупречны и обеспечивают мышам универсальную невосприимчивость к инфекциям. В последние годы целые многотысячные, если не многомиллионные колонии североамериканских летучих мышей буквально выкашивает эпидемия синдрома «белого носа». Счет жертв идет уже на десятки миллионов, ставя под угрозу выживания целые популяции и даже виды рукокрылых. Возбудителем заболевания является холодолюбивый грибок Pseudogymnoascus destructans, предпочитающий укромные места с температурой от +4 до +20^оС. Такие же места предпочитают для зимней спячки летучие мыши. Здоровые мыши обычно несколько раз за время сна просыпаются не более чем на час, при этом их температура повышается. Заразившись, летучие мыши часто и надолго выходят из спячки, начинают беспокойно летать. Такие интенсивные пробуждения ведут к быстрой потере накопленных жировых запасов. Затем на крыльях возникают плохо заживающие рубцы, на мордочках высыпает белый грибковый налет. В большинстве случаев летучая мышь погибает, не дождавшись времени нормального весеннего пробуждения. Важно отметить, что грибок Ps. destructans, ставший причиной североамериканской эпидемии у летучих мышей, имеет европейское происхождение, а сами европейские летучие мыши вполне устойчивы к этой инфекции. Поэтому даже такая продвинутая система защиты от инфекций, комбинирующая механизмы, связанные как с повышенной, так и пониженной температурой, может быть взломана. И даже неудивительно, что взломщиками оказались грибки, одни из самых изощренных паразитов, на счету которых сотни и тысячи исчезнувших с лица Земли видов, включая, возможно, самых исполинских ее хозяев – динозавров (БОН: глава IX).

Касательно же самих летучих мышей, давших нам первую подводку о связях здоровья и эволюции, можно заключить, что биологические особенности летучих мышей, а именно способность к полету, то есть экстремальной физической мобилизации, устойчивость к множеству опасных для других млекопитающих вирусов, невероятно высокая продолжительность жизни, умение впадать в ступор и спячку, не одна, а несколько «нормальных» температур тела в зависимости от физиологического статуса – все эти особенности в значительной, если не определяющей степени вызваны невероятным взаимодействием необыкновенно точно отрегулированных систем энергетического метаболизма и иммунитета. Краеугольным камнем этого взаимодействия являются митохондрии, удивительные двигатели эволюции эукариот (организмов на основе клеток, обладающих ядром, включая все многоклеточные организмы) и гаранты их здоровья.

1. Крускоп С. В. Летучие мыши: Происхождение, места обитания, тайны образа жизни. – М.: Фитон XXI, 2013.

2. Wang L.-F., Walker P. J., Poon L. L. M. Mass extinctions, biodiversity and mitochondrial function: are bats ‘special’as reservoirs for emerging viruses? (2011). Curr. Opin. Virol.; 1: 649–657.

3. Calisher C. H., Childs J. E., Field H. E., Holmes K. V., Schountz T. (2006). Bats: important reservoir hosts of emerging viruses. Clin. Microbiol. Rev.; 19: 531–545.

4. Luis A. D., Hayman D. T. S., O’Shea T. J., Cryan P. M., Gilbert A. T., Pulliam J. R. C., Mills J. N., Timonin M. E., Willis C. K., Cunningham A. A., Fooks A. R., Rupprecht C. E., Wood J. L., Webb C. T. (2013). A comparison of bats and rodents as reservoirs of zoonotic viruses: are bats special? Proc Royal Soc B Biol Sci.; 280: 20122753.

5. Mandl J. N., Schneider C., Schneider D. S., Baker M. L. (2018). Going to Bat(s) for Studies of Disease Tolerance. Front. Immunol. 9: 2112.

6. Zhang G., Cowled C., Shi Z., Huang Z., Bishop-Lilly K. A, Fang X., Wynne J. W., Xiong Z., Baker M. L., Zhao W., Tachedjian M., Zhu Y., Zhou P., Jiang X., Ng J., Yang.L, Wu L., Xiao J., Feng Y., Chen Y., Sun X., Zhang Y., Marsh G.A., Crameri G., Broder C. C., Frey K. G., Wang L. F., Wang J. (2013). Comparative analysis of bat genomes provides insight into the evolution of flight and immunity. Science 339: 456–60.

7. Shen Y. Y., Liang L., Zhu Z. H., Zhou W. P., Irwin D. M., Zhang Y. P. (2010). Adaptive evolution of energy metabolism genes and the origin of flight in bats. ProcNatl Acad Sci USA. 107: 8666–71.

8. Ngo J., Osto C., Villalobos F., Shirihai O. S. (2021). Mitochondrial Heterogeneity in Metabolic Diseases. Biology. 10 (9): 927.

9. Laing E. D., Sterling S. L., Weir D. L., Beauregard C. R., Smith I. L., Larsen S. E., Wang L. -F., Snow A. L., Schaefer B. C., Broder C. C. (2019). Enhanced Autophagy Contributes to Reduced Viral Infection in Black Flying Fox Cells. Viruses, 11, 260.

10. Jacquet S., Pons J.-B., De Bernardo A., Ngoubangoye B., Cosset F.-L., Régis C., Etienne L., Pontier D. (2019). Evolution of hepatitis B virus receptor NTCP reveals differential pathogenicity’s and species specificities of hepadnaviruses in primates, rodents, and bats. J Virol. 93: e 01738-18.

11. Subudhi S., Rapin N., Misra V. (2019). Immune System Modulation and Viral Persistence in Bats: Understanding Viral Spillover. Viruses, 11, 192.

12. Koh J., Itahana Y., Mendenhall I. H., Low D., Soh E. X. Y., Guo A. K., Chionh Y. T., Wang L.-F., Itahana K. (2019). ABCB1 protects bat cells from DNA damage induced by genotoxic compounds. Nature Communications 10: 2820.

13. Szentiványi T., Christe P., Glaizot O. (2019). Bat Flies and Their Microparasites: Current Knowledge and Distribution. Front. Vet. Sci. 6: 115.

14. O’Shea T. J., Cryan P. M., Cunningham A. A., Fooks A. R., Hayman D. T. S., Luis A. D., Peel A. J., Plowright R. K., Wood J. L. N. (2014). Bat Flight and Zoonotic Viruses. Emerging Infectious Diseases Vol. 20, No. 5.

15. Munshi-South J., Wilkinson J. S. (2010). Bats and birds: Exceptional longevity despite high metabolic rates. Ageing Research Reviews 9, 12–19.

16. Kuzmin I. V., Bozick B., Guagliardo S. A., Kunkel R., Shak J. R., Tong S., Rupprecht C. E. (2011). Bats, emerging infectious diseases, and the rabies paradigm revisited. Emerging Health Threats Journal, 4: 7159.

17. Caron A., Bourgarel M., Cappelle J., Liégeois F., De Nys H. M., Roger F. (2018). Ebola Virus Maintenance: If Not (Only) Bats, What Else? Viruses, 10, 549.

18. Foley N. M., Hughes G. M., Huang Z., Clarke M., Jebb D., Whelan C. V., Petit E. J., Touzalin F., Farcy O., Jones G., Ransome R. D., Kacprzyk J., O’Connell M. J., Kerth G., Rebelo H., Rodrigues L., Puechmaille S. J., Teeling E.C. (2018). Growing old, yet staying young: The role of telomeres in bats’ exceptional longevity. Sci. Adv.4.

19. Chionh Y. T., Cui J., Koh J., Mendenhall I. H., Ng J. H. J., Low D., Itahana K., Irving A. T., Wang L.-F. (2019). High basal heat-shock protein expression in bats confers resistance to cellular heat/oxidative stress. Cell Stress and Chaperones 24: 835–849.

20. Schountz T., Baker M. L., Butler J., Munster V. (2017). Immunological Control of Viral Infections in Bats and the Emergence of Viruses Highly Pathogenic to Humans. Front. Immunol. 8: 1098.

21. Guy C., Thiagavel J., Mideo N., Ratcliffe J. M. (2019). Phylogeny matters: revisiting ‘a comparison of bats and rodents as reservoirs of zoonotic viruses’. R. Soc. open sci.6: 181182.

22. Jebb D., Foley N. M., Whelan C. V., Touzalin F., Puechmaille S. J., Teeling E. C. (2018). Population level mitogenomics of long-lived bats reveals dynamic heteroplasmy and challenges the Free Radical Theory of Ageing. Nature. Scientific Report 8: 13634.

23. WynneJ.W., Shiell B. J., Marsh G. A., Boyd V., Harper J. A., Heesom K., Monaghan P., Zhou P., Payne J., Klein R., Todd S., Mok L., Green D., Bingham J., Tachedjian M., Baker M. L., Matthews D., Wang L.-F. (2014). Proteomics informed by transcriptomics reveals Hendra virus sensitizes bat cells to TRAIL-mediated apoptosis. Genome Biology 15: 532.

24. Hoelzer M., Schoen M., Wulle J., Mueller M. A., Drosten C., Marz M., Weber F. (2019). Virus and Interferon Alpha-Induced Transcriptomes of Cells from the Microbat Myotis daubentonii. iScience, 27: 647–661.

25. Irving A.T., Ahn M., Goh G., Anderson D. E., Wang L.-F. (2021). Lessons from the host defenses of bats, a unique viral reservoir. Nature. Vol. 589 (7842): 363–370.

Без митохондрий нет жизни животных, растений и грибов, но и ненасильственная смерть многоклеточных организмов неотрывно связана с этими удивительными структурами. Они – своеобразная альфа и омега для всех эукариот. Если каждая ныне живущая бактерия – это по сути клон древнейшей бактерии, жившей 3,5 миллиарда лет назад, просто с накопленной за это время гигантской суммой ошибок репликации при простом делении пополам и огромной сумятицей, вносимой горизонтальным переносом генов пару раз на тысячи поколений, то практически каждый эукариотический организм, даже одноклеточный, всегда приблизительно наполовину новый организм по отношению к своему предку, хоть и не всегда непосредственному (почкование или простое деление пополам, например, может служить таким пропуском предка). И именно митохондрия сделала из своего симбиоза с древней археей ту эукариотическую клетку, ту выдающуюся эволюционирующую машину, которая привела к возникновению животных, растений и всех пяти распознаваемых на сегодняшний день супергрупп эукариот. Ту эукариотическую клетку с ее врожденными противоречиями, проявляющимися или в виде типичных сбоев в ее функционировании, или в виде иных проблем, например с соседями, такими же, как она, эукариотами, или с совсем непохожими на нее вирусами и бактериями. То есть с врожденной предрасположенностью к болезням и, в конце концов, к смерти. Поэтому в отношении роли митохондрий для здоровья человека предлагается рассмотреть для начала только два самых важных аспекта, сообразующихся с центральной идеей данной книги: как появилась электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) – ключевое событие для возникновения жизни[2] и самый важный энергетический механизм в митохондриях, и как правильно организованный энергетический метаболизм клетки определяет ее гомеостаз и адаптационные способности организма. Если рассматривать эволюцию именно энергетического метаболизма от самых истоков зарождения жизни, то мы по прямой линии скорее наследники бактерий-предков митохондрий, чем архей, приютивших их хозяев.

По крутым, покрытым облаками склонам узкого ущелья к мелкой горной речке сползают сине-зеленые волны высоких сосен. Иногда в утреннем тумане возникает просвет, и, если вглядеться, на крутом правом берегу проступают контуры полуразрушенного каменного строения метров двадцать высотой. Я сижу на противоположном берегу, где спуск к реке более пологий, на ступенях недавно отреставрированного великокняжеского дворца XIX века в мавританском стиле. Километрах в двух отсюда, уже на левом берегу, есть похожие, но совсем малозаметные за городской застройкой развалины второй каменной башни. Это останки «парных» крепостей легендарных братьев Петре и Гогиа Авалишвили – феодалов с явными разбойничьими наклонностями, постоянно враждовавших друг с другом, но изредка и замирявшихся. Крепость Петре – Петрес-цихе – была главной, но только вместе со второй – Гогиас-цихе – обретала полноценное стратегическое значение: крепости охраняли древнюю переправу через Куру, по которой часто шли в центральную Грузию захватчики с юга.

В голову приходит мысль, что здесь может быть еще один вариант разгадки происхождения названия этого места. Тысяча триста лет назад сюда пришли арабы. Возможно, укрепления на этих местах существовали и до [без]башенных братьев Авалишвили. «Две башни» – по-арабски «боржан» («боржан» одно слово, без числительного, так как семитские языки – из ныне существующих иврит и арабский – сохранили уникальную форму двойственного числа существительных, практически утраченную в индоевропейских языках). В местном картлийском наречии «боржан» – «боржани» за века легко могли превратиться в «Боржоми». Старые источники «Боржоми» находятся как раз неподалеку, с другой стороны Куры, где к стремительной горной реке торопливо подбирается не то маленькая речка, не то большой ручей Боржомка.

Ранним утром возле павильона «Боржоми» еще совсем мало курортников, и вода из крана льется не полной струей, а прерывистой маленькой струйкой, но все равно чувствуется устойчивый запах сероводорода. Сто семьдесят лет назад здесь была яма, заполненная слегка замутненной, но сильно пахнущей водой. Со дна ямы била мощная горячая струя. Сильно щелочная вода источника зарождается в нескольких километрах под землей, в толщах вулканической породы, где еще незастывшая магма подбирается исключительно близко к земной поверхности. Считается, что часть этой воды имеет ювенильное происхождение, то есть образуется в ходе прямой реакции выделяющихся из магматических масс кислорода и водорода. Хотя это (и не только) делает боржомскую воду весьма особенной, но на самом деле щелочных гидрокарбонатных источников иного происхождения на Земле всегда было относительно много как на поверхности, так и в морской глубине или на границе воды и суши. Вполне возможно, щелочные источники могли возникнуть и на дне или берегу соленого озера, похожего на нынешнее Мертвое море, расположенное, кстати, неподалеку от другого места с таким же двойственным названием – Ерушалаим (Иерусалим). Именно двойственность, точнее, дополнительность двух базовых сущностей, лежащая в основе базовых биологических форм – многоклеточного организма, эукариотической клетки, просто первой клетки или первичного протоклеточного состояния, обладающего всеми признаками живого организма, и многих других, – составляет второй основной лейтмотив данной книги, наряду с упомянутой во вступлении сквозной фрактальностью биологических форм движения материи.

Гюнтер Вехтерсхойзер в начале 80-х указал на принципиальную возможность образования в таких источниках органических молекул путем восстановления углекислого газа при участии восстановителей – сероводорода или водорода – на поверхности сульфидов железа, сгруппированных в железосерные кластеры. Очень важно подчеркнуть, что невероятно похожие железосерные кластеры являются коферментами, то есть «рабочими частями» важнейших ферментов энергетического и дыхательного метаболизма у всех живых организмов. Если Гюнтера Вехтерсхойзера вдохновляли завораживающие картины гидротермальных «черных курильщиков», перегретых магмой водных потоков, перенасыщенными сероводородами, сульфидами, водородом, вырывающимися на двух-трехкилометровой глубине черными клубами в толщу океана, то Майк Рассел и Билл Мартин перевели фокус внимания на горячие щелочные гидрокарбонатные источники, часто располагающиеся на гораздо меньшей глубине или вообще на суше. Эти источники также содержат водород, сероводород и железо, правда, как правило, в гораздо меньшей концентрации, меньше простейших соединений углерода, и имеют меньшую температуру, так как образуются не в результате взаимодействия с магмой, а в результате химического взаимодействия с мантийными породами («Боржоми», кстати, и в этом смысле может быть исключением: как упоминалось выше, он может быть в значительной степени ювенильной водой, результатом прямой реакции кислорода и водорода магмы, причем водород участвует в явном переизбытке; также в «Боржоми», хоть и в крайне незначительных количествах, обнаруживаются разнообразные простые одно- и двууглеродные соединения, в том числе азотно-углеродные). Как существующие ныне подводные щелочные гидротермальные источники, так, очевидно, и древние часто имели строение проводящей их породы в виде микропористой губки, с ячеистостью от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Такое строение позволяет поддерживать полупроницаемый барьер между двумя видами сред: условно наружной, кислой и богатой натрием, и внутренней, щелочной. Одновременно малые размеры ячеек обеспечивают возможность создания внутри них достаточно высоких концентраций углекислоты, сероводорода и(или) водорода, которые в присутствии каталитических железосерных кластеров и в условиях повышенной температуры и высокого давления могут образовывать примитивные органические молекулы. Необходимый приток энергии самоорганизуется за счет разности потенциалов, созданной полупроницаемыми неорганическими (на тот момент) барьерами. Собственно, это практически уже две из трех форм биологически свободно конвертируемых форм энергии, согласно первому закону биоэнергетики академика РАН Владимира Скулачева (первая и вторая – это натриевый и протонный (водородный) потенциалы; третья форма – АТФ). В более широком смысле – это возникновение и, что более важно, стабилизация химической неуравновешенности и молекулярной упорядоченности, что в терминах термодинамики можно назвать локальным уменьшением энтропии[3]. Обобщая, можно сказать, что наличие большого количества легкодоступной энергии соответствует низкоэнтропийному состоянию системы, и, напротив, дефицит легкодоступной энергии – высокоэнтропийному.

В последние годы исследовательская группа Тары Джокич, Дэвида Димера и Мартина ван Кранендонка (Tara Jokic, David Deamer and Martin van Kranendonk, 2017) активно разрабатывает альтернативную теорию наиболее вероятного места и механизма происхождения жизни. Они располагают это сакральное место в окрестностях систем древних наземных вулканических водоемов, похожих на современные гейзерные поля Йеллоустоуна или Камчатки, но обладавших цикличностью высыхания-гелеобразования-увлажнения. Подобная цикличность позволяет образовываться многослойным протоорганическим формированиям, предшественникам органических полупроницаемых мембран – первоначально, в сухую фазу, плоским, и изредка во влажную фазу, со сферическими отпочкованиями. Однако энергетический баланс протоклеточных структур в этом случае с трудом покрывается простыми неорганическими источниками энергии, например полифосфатами. Принципиально эта теория не отвергает роль щелочных гидротермальных источников: на примере Боржоми мы видим, что такие источники вполне могут быть наземными; более того, в историческом плане они могут быть наземно-приморскими: та же местность Боржоми еще в позднем миоцене, возможно, представляла собой прибрежную зону деградирующего океана Тетис с разворачивающейся вулканической деятельностью. Вероятность подобных сочетаний в эоархее, предполагаемой эпохе возникновения настоящих жизненных форм, в общем-то тоже не исключена. В подобных случаях цикличность может включать два типа влажных фаз (или серий фаз): щелочную гидротермальную и кислую морскую (приливную?). В любом случае крайне маловероятно, что даже в «чистой» теории щелочных гидротермальных источников линия разграничения щелочного и кислого потоков будет стабильна; более вероятно, что в части микроячеистой породы с большей проницаемостью попеременно меняется рН среды, а в части микроячеек с меньшей проницаемостью рН более стабильно, но меняется их окружение. Возможная «сухая» фаза способствует дополнительной концентрации органических молекул на первичных минеральных мембранах, дополнительно к феноменам термофорезаи компартментализации (то есть концентрирования в пограничных сегментах за счет тепловых градиентов и тепловых конвекционных потоков во множестве полупроницаемых разграничений). В принципе, как показано исследовательской группой под руководством Джулиана Тэннера и Андерсона Шума из Университета Гонконга на примере термодинамики «высыхающих капель», компартментализации в протобиологических структурах может способствовать даже процесс частичного испарения в двухфазовых водных системах (Guo W. et al., 2021).

В последующем неорганическая основа может почти полностью «вымываться» или механически, или кислотным воздействием, подобно вытравливанию кислотой элементной платы, оставляя функциональные каталитические фрагменты – те же железосерные кластеры. С другой стороны, «чистая» теория щелочных гидротермальных источников «выталкивает» наиболее вероятных прародителей биологической изменчивости и наследственности – это неустойчивые в щелочной среде полимеры рибонуклеиновой кислоты (РНК) – на кислую сторону первичных полупроницаемых мембран, где этой теорией не предполагается (хотя и не исключается) ячеистая неорганическая мембранная структура (компартментализация). В комбинированном циклическом варианте с двумя – кислой и щелочной – влажными фазами фрагменты РНК могут быть заключены в ячейку с кислой средой внутри, находящуюся в щелочном окружении. Более того, подобным образом могут организовываться вторичные и третичные матрешкообразные ячеистые формирования, где мелкие кислые пузырьки в окружении более крупных щелочных конгломератов, оказывающиеся внутри крупных кислых кластеров, частично окруженных щелочной средой и так далее (рис. 2–6).

Рис. 2. Микропористые ячейки, проводящие щелочную воду гидротермального источника, частично заполнены также подкисленной соленой морской водой

Рис. 3. Сухая фаза: минеральные и органические осадки из щелочной воды источников и соленой морской воды оставили отложения на стенках микроячеек (отмечены черным и серым цветом соответственно)

Рис. 4. Повторное заполнение во влажную фазу: граница раздела фаз проходит по новой линии, в результате чего часть ячеек с щелочными отложениями на стенках заполняется кислой средой и наоборот

Рис. 5. После нескольких циклов смены сухих и влажных фаз часть ячеек оказывается заполненными разнородными слоями, с возможным формированием биоэлектрического «вольтового столба» – аккумулятора энергии, а сами ячейки окружены ячейками с содержимым существенно иного рН

Рис. 6. Мембраны «научились» энергетически самоподдерживаться и самовосстанавливаться, возможно, с помощью структурных нуклеиновых кислот и рибозимов. Минеральная составляющая полупроницаемых мембран может впоследствии «вымываться», оставляя ассоциированные с новыми органическими оболочками каталитические железосерные кластеры

Технически протонный градиент между средами с разным рН может быть заменен на натриевый и/или калиевый градиенты, имеющие бОльшую буферную емкость из-за большего содержания калия и натрия в рассматриваемых водах, нежели свободные протоны. На идее первичного калиевого градиента, наследуемого почти всеми формами жизни – преобладания калия внутри, а натрия снаружи клетки – основывается модель Армена Мулкиджаняна, Дарьи Дибровой, Михаила Гальперина и Евгения Кунина (Mulkijanian A. et al., 2012; Диброва Д. и соавт., 2015). В этой модели за основу для формирования протобиологических структур принимается конденсат испарений наземных геотермальных полей, в котором, как и в клеточных цитоплазмах, преобладает калий. Сам пресный конденсат неизбежно должен был находиться в щелочном окружении богатых натрием горячих геотермальных вод. При наличии адекватного полупроницаемого разделения на этой основе могла возникнуть первичная фосфатная, а затем самоподдерживающаяся натрий-калиевая мембранная энергетика. Как показывают недавние биоинформационные исследования группы Мулкиджаняна (Козлова М. И. и соавт., 2020), эта древнейшая натриевая энергетика («натриевый мир») не заместилась полностью более «современной» протонной энергетикой, а оказалась органично встроенной в конфигурацию биоэнергетических и биоинформационных процессов большинства современных эукариот, архей и бактерий. Даже у высших животных, включая человека, ключевые белки межклеточных коммуникаций – ассоциированные с G-белком рецепторы (GPCR, G-protein coupled receptors), одна из самых широко представленных в организме групп белков, – имеют прямое происхождение от древнейших белковых энергетических структур «натриевого мира».

Было бы любопытно предположить, какие органические полимеры могли составить первичную органическую основу многослойных отложений на минеральных мембранах, обеспечив функциональный базис дальнейшего развития. Липиды и полисахариды, составляющие такую основу для большинства современных мембран живых организмов, возможны, но их синтез требует достаточно изощренных каталитических механизмов, практически невероятных на данном этапе развития биологической сложности. Белки также вполне могут подойти на эту роль, так как принципиально способны образовывать стабильные оболочки живых структур и способны к автокаталитическому самоподдержанию. Потенциальным недостатком может оказаться тот факт, что белки с (почти) случайной последовательностью аминокислот (в отсутствие еще носителей наследственной информации) чаще всего будут оказываться структурно неустойчивыми и неспособными к самоукладке в четвертичные (многомолекулярные) макрокомплексы. Для нуклеиновых кислот структурная функция не рассматривается в качестве первичной даже на ранних этапах эволюции. Обычно предполагается, что нуклеиновые кислоты эволюционно начинают как носители наследственной информации и катализаторы первых биохимических реакций. Однако и сейчас, в современных организмах, нуклеиновые кислоты зачастую выполняют структурную функцию даже у эволюционно далеких организмов, причем, и очень часто, в экстремальных для них условиях. При этом выполнение такой структурной функции нуклеиновыми кислотами не демонстрирует критической зависимости от четкой нуклеотидной последовательности. Так, нуклеиновые кислоты составляют основу гнойного содержимого ран – практически последней линии защиты при атаке патогенами физических повреждений многоклеточных организмов. Видимо, совсем неслучайно именно это содержимое стало местом открытия самих нуклеиновых кислот (ДНК) швейцарским врачом Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году.

Физиологической основой формирования воспалительных структур, основанных на ДНК – так называемых внеклеточных нитей нейтрофилов (NET, neutrophil extracellular traps), является процесс нетоза нейтрофилов. Нейтрофилы – наиболее распространенная разновидность лейкоцитов, рядовые солдаты острой воспалительной реакции организма. Сам нетоз можно считать разновидностью апоптоза – запрограммированной клеточной смерти, а нейтрофилы – клетками-камикадзе, предназначенными умереть, отдав самое святое – свою ДНК – в качестве кирпичей на строительство оборонительных рубежей всего организма (собственно смерть нейтрофила при этом не является совсем обязательной, а сам нетоз может создавать при определенных условиях и существенные проблемы для всего организма (Papayannopoulos V., 2018)). Важность этого защитного механизма, имеющего, вероятно, очень глубокие эволюционные корни – своего рода возврат к первичным основаниям жизни, своеобразное повторение филогенеза в патогенезе, подтверждается тем фактом, что наличие ферментов экзонуклеаз, способных разрушать NET структуры, служит существенным фактором вирулентности бактерий (Sharma P. et al., 2019). Напротив, и сами бактерии способны формировать из ДНК несущую решетку своего внеклеточного матрикса – основу бактериальных биопленок, своеобразный защитный чехол бактериального сообщества. Причем ключевые единицы такой ДНК-решетки аналогичны так называемым структурам Холидея – крестообразным формированиям двухцепочечной ДНК (рис. 7). И совершенно неслучайно именно ДНК-структуры, в том числе сформированные с использованием структур Холидея, применяются в качестве строительных блоков для ряда нанотехнологических материалов. Тем более что ДНК в качестве структурного материала обладает рядом уникальных свойств: например, высокоточной самосборкой и самоукладкой в полимолекулярные комплексы (Rothemund P. W. K., 2006), способностью проводить ток (в том числе фотохимического происхождения), что может быть весьма существенным фактором для участия в энергопроизводящих ячеистых структурах (см. рис. 2-6). Причем менее организованная, но более компактная А-форма (конформационно близкая к двухцепочечной РНК и ДНК-РНК гибридам) делает это на порядок более эффективно, чем более известная В-форма – правозакрученная спираль (Artes J. M. et al., 2015).

Рис. 7. Структуры Холидея и их искусственные производные

Важность разделительных структур в эволюции нуклеиновых кислот акцентируется в работах немецкого исследователя Кристофа Маста (Christof Mast et al., 2010; 2013). Мастом сформулирована теория термодинамической ловушки. Она показывает, что наличие термохимических градиентов создает дополнительные состояния неравновесности, стимулирующие в частных случаях полимеризацию, репликацию и концентрирование ДНК и возникновение дарвинского отбора в более общих случаях (табл. 1). Помимо термического градиента, вызванного геологическими условиями (разница температур гидротермального источника и внешней (например, морской воды), дополнительный, хотя и сравнительно микроскопический, но в некоторых ситуациях решающий вклад мог вносить и химический градиент протонов (электронов) и/или натрия, способный, в принципе, также создавать температурный градиент. Этот искусственно возникающий градиент, в свою очередь, несмотря на свою кажущуюся незначительность, мог способствовать впоследствии независимости протобиологических структур от геологических. По некоторым расчетам, даже незначительного температурного градиента в отдельных случаях может оказаться достаточно, например для обеспечения простого деления протоклеток: перемещение более «горячих» молекул двуслойной наружной мембраны наружу, движимое простыми физическими механизмами, увеличивает среднюю кривизну и усиливает любое локальное сжатие протоклетки вплоть до полного разделения на две (Romain Attal and Laurent Schwartz, 2021).

С другой стороны, мы видим, как уже на самых ранних этапах возникает двухвариантность реализации химического (протонного) градиента: 1) как концентрирование в форме химических связей (или в составе любых синтезируемых соединений, или, что оказывается выгоднее, в форме нескольких универсальных «энергетических валют», например АТФ); 2) как рассеивание (диссипация) энергии для более общей неспецифической модификации условий окружающей среды («контекста организации»).

Таблица 1. Примеры состояний геологической неравновесности (по Mast C. et al., 2010)

Насыщенные нуклеиновыми кислотами неорганические мембраны могли участвовать в трансмембранном и трансклеточном переносе энергии, что запустило бы эволюционный отбор нуклеиновых кислот. Впоследствии же возникший отбор нуклеиновых кислот с первоначально случайными последовательностями смог бы выявить ряд комбинаций, оказавшихся способных к саморепликации, и сделал «чистые» ДНК и РНК ключевыми операторами наследственной информации со своим четко определенным функционалом. В этом смысле первыми автореплицирующимися структурами могли быть общие предки вирусов и прокариот, паразитировавшие на длинных структурных/проводящих ДНК. Чередование кислотных и щелочных, влажных и сухих фаз в существовании доклеточных протобиологических структур можно сопоставить с чередованием хаотической и динамической фаз в теории эволюции информационных систем. Учитывая бóльшую чувствительность РНК к рН среды, щелочные влажные фазы могли выполнять роль хаотического «перемешивающего слоя» в протоэволюции нуклеиновых кислот и в большей степени могло быть связаны с РНК, а в кислотные или сухие фазы более стабильные ДНК фиксировали достижения и канализировали развитие (БОН: глава IV). Д. С. Чернавский, физик и математик, автор статистической теории «перемешивающих слоев», исходя из физических и информационных представлений, также считал ДНК более предпочтительной в качестве приоритетной молекулы при возникновении биологической сложности.

В зависимости от того, с какой стороны кислотно-щелочного раздела им оказалось сподручнее усваивать эту негэнтропию, то есть в какую сторону оказался направлен протонный (протонно-натриевый?) насос – на выталкивание или запуск протонов в клетку – первые организмы разделились на линию бактерий (выталкивание протонов) и линию архей (запуск в клетку). Представляется, что самым ранним протобактериям и протоархеям энергетически выгоднее было бы сосуществование; само отнесение к протоархеям и протобактериям могло оказываться достаточно условным: направленность транспорта протонов в конкретной ячейке/протоклетке могла меняться в зависимости от изменения условий окружения в циклической геологической системе. Совершенствование биохимических механизмов в любом случае позволило им в конце концов разделиться и стать полностью самостоятельными. Уже самые древние независимые археи и бактерии имели между собой значительные различия как в ключевых наследственных генетических механизмах, так и структуре – в первую очередь в строении наружных оболочек на основе липидных полупроницаемых мембран. И когда этим двум сильно разошедшимся формам жизни вновь оказалось выгодным заново начать жить вместе в странном симбиозе, то, несмотря на громадные различия, накопившиеся за почти два миллиарда лет раздельного существования, позволившие успешно произойти этому событию только один раз и предопределившие все последующие проблемы совместного существования базовые энергетические механизмы археи и бактерии в новом симбиозе снова подошли друг к другу как ключ к замку. Бактерии, казалось бы, заняли в этом симбиозе подчиненное, «крепостное» положение маленьких органелл в большой архейной протоэукариотической клетке – с вроде бы как ограниченной ролью маленьких «электростанций», с невероятной эффективностью вырабатывающих огромное количество необходимой клетке энергии. Это сожительство дало начало как большей части наблюдаемой эволюции сложной жизни, так и ее предопределенной смерти.

Работа их наследников – митохондрий – в сущности сохранила принципиальную схему выработки энергии, предполагаемую для первичных форм жизни в морских подводных щелочных гидротермальных источниках:

1. Наличие источника протонов (ионов водорода) и/или ионов натрия – для первичных форм жизни это окружающая среда: богатая протонами (то есть кислая) и соленая (то есть богатая натрием) морская вода или соленая вода закрытых озер; в митохондриях это узкое пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрий. Сюда изнутри митохондрий выталкивает протоны цепь белковых комплексов, расположенных на внутренней мембране. Выталкивание происходит за счет движения электронов по этой цепи – так называемой дыхательной или электрон-транспортной цепи (ЭТЦ). Электроны и протоны берутся из происходящего внутри митохондрий цикла ферментативных реакций (цикла Кребса), полностью, до углекислого газа и воды, разлагающего пируват – продукт распада глюкозы в гликолизе. Электроны по ЭТЦ движутся к своему «приемному пункту» – конечному акцептору электронов, окислителю. Реакции приема-передачи электронов соответственно называются окислительно-восстановительными. У животных конечным приемщиком (акцептором) электронов служит кислород, но есть одноклеточные (например, некоторые бактерии), у которых электроны принимаются серой, нитратами, железом и другими веществами.

2. Наличие бедной протонами (то есть щелочной) среды – для первичных форм жизни это щелочная вода источников, в митохондриях это внутренний матрикс с ферментами цикла Кребса, откуда по ЭТЦ наружу выкачиваются протоны.

3. Наличие полупроницаемой мембраны между указанными выше средами. Полупроницаемая – это значит, что для прохождения через нее вещества должны потратить энергию или совершить работу (или, как обычно бывает в жизни, кто-то должен сделать это за них). В данном случае работа может совершаться за счет разницы концентраций протонов или натрия по разные стороны мембраны (что и образует уже названные протонный или натриевый потенциалы). Для первичных форм жизни мембраны могли быть неорганические, например серпентинитовые, с каталитическими железосерными кластерами, для современных форм жизни характерны липидные, в которые встроены многочисленные каталитические белки – ферменты, включая белки ЭТЦ. По сути, как говорилось, сам по себе потенциал уже является формой энергии. В развитых формах жизни этот потенциал «заряжает» универсальный биологический аккумулятор, то есть благодаря ему на окончании цепочки ЭТЦ в процессе упомянутого окислительного фосфорилирования образуется АТФ из АДФ. Для первичных форм жизни вопрос транспорта электронов учеными еще не решен: его постоянный направленный механизм обязан был существовать, чтобы обеспечить образование первичных, самых простых органических молекул, например из углекислого газа, самого распространенного во все времена источника углерода. Но что стало самым первым источником электронов – восстановителем – в цепи реакций, в результате которой могли бы образовываться хотя бы самые простые органические молекулы: метан, формальдегид, цианид и им подобные простые вещества? Теоретически им мог стать тот же молекулярный водород Н₂, но практически пока не удается продемонстрировать реальность подобной реакции. Известный ученый и популяризатор науки Ник Лейн (2015) очень упорно, но, как многим представляется, недостаточно убедительно, настаивает, что подходящие условия для вовлечения водорода в эту реакцию могли возникнуть именно в щелочных гидротермальных источниках с участием железосерных кластеров. Других приличных вариантов первичного запуска транспорта электронов в любом случае пока еще нет. Для нас же важна уверенность многих ученых, что в любом случае эволюция живого от первых до-жизненных форм до сложившихся клеток происходила в щелочных термальных источниках или в непосредственной связи с ними, сохраняя на этом отрезке развития общие принципы получения, удержания и использования энергии.

Но со временем необходимость поддержания стабильности «главного» генома археи (а по факту – уже общей наследственности) предопределила перемещение и почти всего митохондриального генома во вновь возникшее ядро – ризницу хранения священного наследственного материала в главном соборе усложнившегося архейного-эукариотического замка (БОН: глава VII). Однако проблемы качественного управления на месте (гемба-менеджмента) заставили несколько последних генов (у человека – 13 генов белков, 22 транспортных РНК и 2 рибосомальных РНК) до конца оставаться непосредственно в самих митохондриях. В конечном счете та же необходимость уменьшения митохондриальной гетероплазмии, то есть спонтанно возникающего в жестких биохимических условиях внутриклеточной водородной «электростанции» чрезмерного разнообразия генов – «локальных производственных процедур», совершенно логическим образом вызвало возникновение двух полов с наследованием родительского ядерного материала в пропорции 50 на 50 %, и со 100 % наследованием митохондриального генома от одного материнского родителя. Практически любой сбой в согласованной работе между митохондриальными генами, локализованными в ядре, и локализованными в митохондрионе ведет к падению эффективности работы электрон-транспортной цепи (ЭТЦ), что проявляется увеличением образования активных форм кислорода (АФК), и, соответственно, итоговым уменьшением образования АТФ. Если рассогласованность имеет постоянный характер, это, согласно модифицированной свободнорадикальной теории старения, увеличивает скорость старения и сокращает продолжительность жизни особи (Lane N., 2015).

Опираясь на представление о стержневой роли митохондрий в энергетическом обеспечении как эволюции сложных организмов, так и развития – от рождения до смерти – отдельного организма, можно увидеть глубочайшую вовлеченность митохондрий во все физиологические процессы организма. В своей тяжелейшей и наиболее очевидной форме для человека это проявляется в виде так называемых митохондриальных заболеваний, но участие митохондриона неизбежно просвечивается и во множестве других, самых неожиданных феноменах других патологий.

Собственно, митохондриальными заболеваниями (МЗ) в узком смысле называют болезни, непосредственно связанные с дефектами дыхательной (электрон-транспортной) цепи (ЭТЦ), то есть процесса окислительного фосфорилирования. Например, синдром Лея (Leigh syndrome) – подострая некротизирующая энцефаломиелопатия вследствие появления в стволе мозга, мозжечке, базальных ганглиях очагов некроза, глиоза, прорастания сосудов, проявляющаяся задержкой или даже регрессией психомоторного развития, мышечной гипотонией, на что впоследствии накладываются самые разнообразные психосоматические нарушения, вплоть до судорожных припадков. Связана с функциональной дисфункцией крупных молекул I или IV комплекса ЭТЦ и/или дисфункцией малой молекулы – цитохрома С. МЗ возникают вследствие наследственных или спонтанных мутаций в митохондриальной ДНК (мтДНК) или в ДНК ядерных генов, контролирующих работу митохондрий. Сейчас известно более 300 таких возможных мутаций, затрагивающих около 100 генов. Остаются тем не менее случаи с явной клиникой митохондриальных заболеваний, но без выявленных генетических нарушений. Как правило, МЗ затрагивают только отдельные типы клеток в определенных органах и тканях, преимущественно (но далеко не всегда) с высокими энергетическими потребностями, такими как нервная и мышечная ткани. Тем не менее узкая поражаемость во многих случаях только определенных органов, как, например, оптическая нейропатия Лебера (Leber Hereditary Optic Atrophy, LHON), при которой повреждаются только ганглиозные клетки сетчатки глаза, все еще требует более точного объяснения. Возможно, более системные нарушения митохондриальной функции останавливают жизнь организма еще на уровне первых делений оплодотворенной яйцеклетки, а для реализации скрытых нарушений, которые приводят к органоспецифичным МЗ, требуются существенные ко-факторы, скорее приобретенные, чем наследуемые.

Дополнительным объяснением может быть как раз то, что митохондрии – не столько «маленькие энергетические станции» клетки, а ключевые фигуранты практически всего клеточного метаболизма, в том числе узкоспециализированного для определенных клеток и тканей, а также коммутаторы обмена информацией как внутри клетки, так и вовне, включая коммуникации с другими симбионтами организма, такими, какими когда-то были их предки. В конце концов вполне можно представить (БОН: глава VII), что это не архейная клетка милостиво соблаговолить изволила впустить митохондриальных предков в свой богатый внутренний мир за «мзду малую» ради взаимовыгодного сожительства-симбиоза (бывает ли когда сожительство равно взаимовыгодным?), но предки митохондрий сами пришли и взяли свое по «праву сильного». И до сих пор их наследники, несмотря на свою малость и невзрачность, держат ключевые пути метаболизма и коммуникаций всей единой клетки и всего единого организма в своих руках.

Например, в эндокринных клетках – выработку большинства нейротрансмиттеров, в клетках печени – реакции детоксикации, в предшественниках эритроцитов – синтез гема. Даже функциональность иммунных клеток, например цитотоксических Т-лимфоцитов, определяется их уровнем митохондриальной белковой трансляции, где митохондрии оказываются ранее недооцененными гомеостатическими регуляторами их цитотоксичности (Lisci M. et al., 2021). Перечень функций белков, работающих в митохондриях, пусть и закодированных в генах ядерных хромосом, этим перечнем, разумеется, далеко не ограничивается.

Дикий прапор из фильма «ДМБ», если бы проводил экскурсию молодым солдатам-молекулам по многочисленным криптам-закоулкам митохондрии, показал бы как минимум четыре места «откуда, ребятки, наша митохондрия диктует свою непреклонную волю остальному клеточному сообществу».

1. Белок цитохром С – одна из небольших, но важных шестеренок ЭТЦ. Однако при выпадении из цепи она становится «черной меткой» для всей клетки: активирует каскад ферментов-каспаз, заканчивающийся организованной (запрограммированной) смертью всей клетки – апоптозом (Liu X. et al., 1996).

2. Промежутки между основными белковым комплексами ЭТЦ. Отсюда, как снопы искр из-под вагонных тележек, выскакивают активные формы кислорода (АФК: например перекись водорода, супероксид-анион, гидроксил). Через окисление тиоловых групп в промежуточных белках они активируют факторы транскрипции ключевых групп генов, определяющих функциональный статус всей клетки (Chandel N.S. et al., 1998).

3. Фермент 5’АМФ-активируемая протеинкиназа (AMP-activated protein kinase, AMPK) – регулятор энергетического статуса клетки. Контролирует слияние митохондрий в длинные рабочие нити-спагетти при высокой потребности клетки в энергии и распад на мелкие зернышки-орзо (в терминах итальянской пасты, рис. 8), при переходе клетки в экономный режим существования (Herzig Sand Shaw R. J., 2018).

4. Митохондриальная ДНК (мтДНК). Когда находится внутри митохондрии, выполняет естественную функцию хранилища последних митохондриальных генов. Но при попадании в цитозоль у некоторых иммунных (миелоидных) клеток запускает особую последовательность молекулярных взаимодействий, так называемый ДНК-чувствительный cGAS – STING сигнальный путь. Этот путь отлично работает при разрушении, например, чужеродной ДНК вирусов. Но в случае мтДНК иммунная клетка идет дальше и переходит в состояние готовности немедленно начать воспалительную реакцию даже в отсутствии вредоносного вируса-патогена. Одновременно запускает формирование сложных многобелковых воспалительных комплексов – инфламмасом (West A. P. and Shadel G. S., 2017).

Рис. 8. Митохондрии в форме орзо и спагетти

Инмакулада Мартинез-Рейз и Навдип Чандел (Inmaculada Martinez-Reyes and Navdeep Chandel, 2020) из Медицинской Школы Северо-Западного Университета в Чикаго считают, что эти четыре механизма власти митохондрий можно дополнить еще и пятым, через который также определяется жизнь и судьба, но уже не столько самой клетки, а всего организма. Этот пятый механизм непосредственно влияет на иммунную систему, включая его возможности защититься от инфекций и опухолевого перерождения. Сердцем этого механизма является уже упоминавшийся цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот (у которых основной «скелет» составляют три атома углерода). Это своего рода центральная карусель во всеобщем метаболическом парке развлечений любой сложной клетки располагается именно в митохондриях. На ней без остановок катаются девять непрестанно взаимопревращающихся трикарбоновых кислот. Эту карусель вращают непрерывно заскакивающие на нее пируват и ацетил-коэнзим А, и соскакивающие с нее восстановительные эквиваленты. Соскочив, они несут свои атомы водорода, как игровые бонусы, прямиком в кассу ЭТЦ, чтобы обменять на универсальную и доступную всем энергетическую валюту АТФ. Но катающиеся на карусели органические кислоты тоже могут иногда соскакивать с карусели и начать разруливать сложные проблемы в парке обмена веществ и во всем организме.

Так, лимонная кислота может выйти из митохондрии через свою особую дверь – декарбоксилатный антипортер А1 25-го семейства переносчиков растворенных веществ SLC25A1 (хорошо, что ей при выходе не нужно называть весь этот пароль). Оказавшись в цитозоле или ядре, она с помощью специального фермента ACLY превращается в ацетил-коэнзим А (митохондриальный ацетил-коэнзим А из самой митохондрии, увы, просто так не выпускают – он должен непрерывно «вращать карусель»).

В ядре ацетил-коэнзим А может ацетилировать хроматин. Это вообще-то его основная задача – ацетилировать все, что нужно (то есть прикреплять к другим молекулам остаток уксусной кислоты – ацетата). Но ацетилирование хроматина – белкового комплекса из гистонов, вокруг которого закручена вся ядерная ДНК, – имеет далеко идущие последствия. Это одна из форм изменения так называемой эпигенетической наследственности, то есть способа включения и выключения определенных генов, не связанного с изменением собственно нуклеотидной последовательности ДНК (другая форма, например метилирование самой ДНК). Так как большинство генов регуляторные, то частичное ацетилирование хроматина изменяет профиль экспрессии генов – часть генов тормозится, часть, наоборот, активируется в зависимости от наличия и уровня множества других специальных факторов транскрипции (запуска генов).

В любом случае даже небольшое изменение содержание ацетил-коэнзима А в ядре ведет к значительной перестройке работы всей генетической программы клетки (Sivanand S., Viney I., Wellen K. E., 2018), преимущественно в сторону ускорения реакций роста и размножения (анаболизма и пролиферации). Такая полная и быстрая перестройка через ацетилирование хроматина исключительно важна для согласованной работы ключевых клеток иммунной системы – макрофагов, Т-лимфоцитов. В них, с учетом всей поступившей информации (информационного контекста, БОН: глава XII) – в первую очередь о возможности бактериального присутствия (по уровню липополисахарида, ЛПС), о предпочтительности активного, воспалительного типа реагирования (по уровню провоспалительных факторов транскрипции STAT и нуклеарного фактора каппа NF-κB) – повышается уровень ACLY, лимонная кислота из митохондрий мобилизируется в ядро и цитоплазму, где превращается в ацетил-коэнзим А, ядерный хроматин ацетилируется и запускается программа ускоренного размножения и выработки молекул воспаления, включая АФК, оксид азота и простагландины макрофагами (Infantino V. et al., 2013), γ-интерферона Т-лимфоцитами (Peng M. et al., 2016).

Подобный путь поддержки роста и размножения активно работает и во многих опухолевых клетках. Искусственное торможение фермента ACLY в опухолевых клетках может задерживать их рост (Hatzivassiliou G. et al., 2005), но, к сожалению, в плане практического применения этот способ пока трудноосуществим. Также с возможностью опухолевого перерождения клетки связано накопление в ядре и цитоплазме двух других кислот с митохондриальной трикарбоновой карусели – фумаровой и янтарной (фумарата и сукцината). Как правило, это вызывается неблагоприятными мутациями в генах обслуживающих их ферментов-дегидрогеназ. Появление и накопление этих кислот в ядре вызывает гиперметилирование ДНК и хроматина. А поскольку это формы эпигенетического изменения наследственности, то в клетке также изменяется и реализация генетической программы в сторону опухолевого типа метаболизма (Niemann S. and Muller U., 2000; Sciacovelli M. et al., 2016). Вообще, признав митохондрии краеугольным камнем эволюции сложной жизни, неким гарантом энергетической и информационной целостности сложных многоклеточных организмов, нетрудно представить, что они несут определенную ответственность и за распад этой целостности в случае злокачественных опухолей. Рассмотрению этого вопроса будет посвящен основной раздел предпоследней главы этой книги.

В нормальных физиологических условиях метаболиты цикла Кребса функционируют как модуляторы иммунитета. Янтарная кислота скорее поддерживает развитие воспаления (Tannahill G. et al., 2013; Littlewood-Evans A. et a.l, 2016), хотя на макрофаги, особенно в некоторых тканях, например жировой, янтарная кислота действует противовоспалительно (Keiran N. et al., 2019) Торможение воспаления фумаровой кислотой, особенно в слегка измененной, но физиологической форме диметилфумаровой кислоты еще более выражено (O’Neill L. A., Kishton R. J. and Rathmell J., 2016). Вообще, близкие родственники (производные) трикарбоновых кислот с митохондриальной карусели, как правило, еще более активны. Так, итаконовая (метилен-янтарная) кислота обладает очень выраженными иммуномодулирующими и антибактериальными свойствами. Своим действием она уравновешивает провоспалительные эффекты янтарной кислоты, а также способна «перекрывать кран» с углеводами организма для многих бактерий-паразитов. Также крайне разносторонними эффектами на иммунную систему обладает трикарбоновая альфа-кетоглутаровая кислота (α-КГ). Она влияет и на эпигенетику клетки: не расставляет, как ацетил-коэнзим А, ацетиловые метки на хроматине, а убирает метиловые метки, расставленные, например, S-аденозилметионином. В особенности активна производная от α-КГ – 2-гидроксиглутаровая кислота. Она способна ключевым образом влиять на дифференцировку иммунных Т-клеток с помощью аналогичных эпигенетических механизмов (Xu T. et al., 2017). И, пожалуй, самое главное, что большинство из названных факторов конструируют специфический эпигенетический ландшафт неадаптивных иммунных клеток при формировании «тренированного иммунитета» (БОН: глава XII).

Располагая таким внушительным арсеналом определяющих воздействий на состояние всей клетки и даже влияя на функциональный статус всей совокупности клеток – всего организма, митохондрион не может быть простым пассивным топливным элементом клетки; очевидно, что именно он ведущий игрок в сложной внутриклеточной игре, определяющий функциональный потенциал и в целом судьбу как «своей» клетки, так и, во многом, всего организма. Но является ли он лишь одним из ведущих игроков, разделяя дуумвират или триумвират, например с ядром и/или хлоропластами (в растительной клетке), или обладает безусловным лидерством, подчиняя остальных своим интересам? Ответ может лежать у самых оснований жизни и эволюции, на зыбкой границе термодинамики, квантовой физики и физической химии.

1. Димер Д., Джокич Т., ван Кранендонк М. (2017). Источники жизни. ВМН № 10, с. 14–20.

2. Диброва Д. В., Гальперин М. Ю., Кунин Е. В., Мулкиджанян А. Я. (2015). Древние системы натрий-калиевого гомеостаза клетки как предшественники мембранной биоэнергетики. Биохимия, 80, с. 590–611.

3. Козлова М. И., Бушмакин И. М., Беляева Ю. Д., Шалаева Д. Н., Диброва Д. В., Черепанов Д. А., Мулкиджанян А. Я. (2020). Экспансия «натриевого мира» сквозь эволюционное время и таксономическое пространство. Биохимия, 85, с. 1788–1815.

4. Guo W., Kinghorn A. B., Zhang Y., Li Q., Poonam A. D., Tanner J. A., Shum H. C. (2021). Non-associative phase separation in an evaporating droplet as a model for prebiotic compartmentalization. Nat Commun 12, 3194.

5. Mulkidjanian A. Y., Bychkov A. Y., Dibrova D. V., Galperin M. Y., Koonin E. V. (2012). Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl Acad Sci USA. Apr 3; 109(14): E821-30.

6. Skilhagen S. E. (2011). Osmotic power; status, opportunities and future plans. Osmotic power seminar, Tokyo, November 8^th, 2011.

7. Brogioli D. (2009). Extracting renewable energy from a salinity difference using a capacitor. Physical review letters, 103 5, 058501.

8. Ye M., Pasta M., Xie X., Dubrawski K., Xu J., Liu C., Cui Y., Criddle C. (2019). Charge-Free Mixing Entropy Battery Enabled by Low-Cost Electrode Materials. ACS Omega, 4, 11785–11790.

9. Papayannopoulos V. (2018). Neutrophil extracellular traps in immunity and disease. Nature Reviews Immunology 18, 134–147.

10. Sharma P., Garg N., Sharma A., Capalash N., Singh R. (2019). Nucleases of bacterial pathogens as virulence factors, therapeutic targets and diagnostic markers. Int J of Medical Microbiology, Vol. 309, Issue 8, 151354.

11. Artés J., Li Y., Qi J., Anantram L. P., Hihath J (2015). Conformational gating of DNA conductance. Nat Commun 6, 8870.

12. Rothemund P. W. K. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature 440, 297–302.

13. Xu J., Chmela V., Green N., Russel D.A., Janicki M. L., Gora R. W., Szabla R. A., Bond A. D., Sutherland J. D. (2020). Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66.

14. Extance A. (2020). The First Gene on Earth May Have Been a Hybrid. Scientific American, Vol. 323, issue 3.

15. Murayama K., Okita H., Kuriki T., Asanuma H. (2021). Nonenzymatic polymerase-like template-directed synthesis of acyclic L-threoninol nucleic acid. Nat Commun 12, 804.

16. Flynn R. A., Pedram K., Malaker S. A., Batista P. J., Smith B. A. H., Johnson A. G., George B. M., Majzoub K., Villalta P. W., Carette J. E., Bertozzi C. R. (2021). Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells. Cell. 8:S0092-8674(21)00503-1.

17. Mast C. B., Osterman N., Braun D. (2010). Disequilibrium First: The Origin of Life. Journal of Cosmology, Vol. 10, 3305–3314.

18. Mast C. B., Schink S., Gerland U., Braun D. (2013). Escalation of polymerization in a thermal trap. PNAS 110 (20).

19. Attal R., Schwartz L. (2021). Thermally driven fission of protocells. Biophys J. 21; 120 (18): 3937–3959.

20. Lane N. (2015). The Vital Question: Why is Life the Way It Is? Profile Books Ltd, Great Britain.

21. Lisci M., Barton P. R., Randzavola L. O., Ma C. Y., Marchingo J. M., Cantrell D. A., Paupe V., Prudent J., Stinchcombe J. C., Griffiths G. M. (2021). Mitochondrial translation is required for sustained killing by cytotoxic T cells. Science. 15; 374 (6565): eabe9977.

22. Liu X., Kim C. N., Yang J., Jemmerson R., Wang X. (1996). Induction of apoptotic program in cell-free extracts: requirement for dATP and cytochrome c. Cell 86, 147–157.

23. Chandel N. S., Maltepe E., Goldwasser E., Mathieu C. E., Simon M. C., Schumacker P. T. (1998). Mitochondrial reactive oxygen species trigger hypoxia induced transcription. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 11715–11720.

24. Herzig S., ShawR. J. (2018). AMPK: guardian of metabolism and mitochondrial homeostasis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 19, 121–135.

25. West A. P., Shadel G. S. (2017). Mitochondrial DNA in innate immune responses and inflammatory pathology. Nat. Rev. Immunol. 17, 363–375.

26. Martinez-Reyes I., Chandel N.S. (2020). Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease. Nat Comm, 11: 102.

27. Sivanand S., Viney I., Wellen K. E. (2018). Spatiotemporal control of acetyl-CoA metabolism in chromatin regulation. Trends Biochem. Sci. 43, 61–74.

28. Infantino V., Iacobazzi V., Palmieri F., Menga A. (2013). ATP-citrate lyase is essential for macrophage inflammatory response. Biochem. Biophys. Res. Commun. 440, 105–111.

29. Peng M., Yin N, Chhangawala S., Xu K., Leslie C. S., Li M. O. (2016). Aerobic glycolysis promotes T helper 1 cell differentiation through an epigenetic mechanism. Science 354, 481–484.

30. Hatzivassiliou G., Zhao F., Bauer D. E., Andreadis C., Shaw A. N., Dhanak D., Hingorani S. R., Tuveson D. A., Thompson C. B. (2005). ATP citrate lyase inhibition can suppress tumorcellgrowth. Cancer Cell 8, 311–321.

31. Niemann S., Muller U. (2000). Mutations in SDHC cause autosomal dominant paraganglioma, type 3. Nat. Genet. 26, 268–270.

32. Sciacovelli M., Gonçalves E., Johnson T. I., Zecchini V. R., da Costa A. S., Gaude E., Drubbel A. V., Theobald S. J., Abbo S. R., Tran M. G., Rajeeve V., Cardaci S., Foster S., Yun H., Cutillas P., Warren A., Gnanapragasam V., Gottlieb E., Franze K., Huntly B., Maher E. R., Maxwell P. H., Saez-Rodriguez J., Frezza C. (2016). Fumarate is an epigenetic modifier that elicits epithelial to-mesenchymal transition. Nature 537, 544–547.

33. Tannahill G.M., Curtis A.M., Adamik J., Palsson-McDermott E. M., McGettrick A. F., Goel G., Frezza C., Bernard N.J., Kelly B., Foley N. H., Zheng L., Gardet A., Tong Z., Jany S. S., Corr S. C., Haneklaus M… Caffrey B. E., Pierce K., Walmsley S., Beasley F. C., Cummins E., Nizet V., Whyte M., Taylor C. T., Lin H., Masters S. L., Gottlieb E., Kelly V. P., Clish C., Auron P. E., Xavier R. J., O’Neill L. A. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1 beta through HIF-1alpha. Nature 496, 238–242.

34. Littlewood-Evans A., Sarret S., Apfel V., Loesle P., Dawson J., Zhang J., Muller A., Tigani B., Kneuer R., Patel S., Valeaux S., Gommermann N., Rubic-Schneider T., Junt T., Carballido J. M. (2016). GPR91 senses extracellular succinate released from inflammatory macrophages and exacerbates rheumatoid arthritis. J. Exp. Med. 213, 1655–1662.

35. Keiran N., Ceperuelo-Mallafré V., Calvo E., Hernández-Alvarez M.I., Ejarque M., Núñez-Roa C., Horrillo D., Maymó-Masip E., Rodríguez M. M., Fradera R., de la Rosa J. V., Jorba R., Megia A., Zorzano A., Medina-Gómez G., Serena C., Castrillo A., Vendrell J., Fernández-Veledo S. (2019). SUCNR1 controls an anti-inflammatory program in macrophages to regulate the metabolic response to obesity. Nat Immunol.; 20 (5): 581–592.

36 O’Neill L. A., Kishton R. J., Rathmell J. (2016). Aguide to immunometabolism for immunologists. Nat. Rev. Immunol. 16, 553–565.

37. XuT., Stewart K. M., Wang X., Liu K., Xie M., Ryu J. K., Li K., Ma T., Wang H., Ni L., Zhu S., Cao N., Zhu D., Zhang Y., Akassoglou K., Dong C., Driggers E. M., Ding S. (2017). Metabolic control of TH17 and induced Treg cell balance by an epigenetic mechanism. Nature 548, 228–233.

Алистер Нанн, Джефри Гай и Джимми Белл в своем всеобъемлющем анализе эволюционной функции митохондрий «заквантовали» известную фразу замечательного советского и американского генетика Феодосия Добржанского (без которой не обходится ни одна приличная книга по биологическому научпопу) «Ничего в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции и квантовой физики» (Nunn A. et al., 2016; Dobzhansky T., 1973). В этом уже квантовом или энергетическом свете, который нам дают митохондрии, есть смысл рассмотреть эволюцию живого еще один (и не последний) раз.

Эрвин Шредингер, один из основоположников квантовой физики, в своих физико-биологических лекциях 1944 года высказал следующую идею о соотношении энтропии и жизни: «Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия – это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив» (Schroedinger E., 1944). Всеобщий источник отрицательной энтропии (негэнтропии) Шредингера – по сути «порядка», то есть упорядоченной энергии – энергия Большого Взрыва, застывшая в атомных ядрах и высвобождающаяся в ядерных топках бесчисленных звезд нашей Вселенной. Грандиозная разница потенциалов между этими «топками» и невообразимым холодом окружающего их космоса формирует упорядоченные потоки энергии. Сейчас мельчайшая доля упорядоченной энергии нашего Солнца непосредственно поглощается земными фототрофными организмами, что служит основанием гигантской пищевой пирамиды, составляющей земную биосферу. Самые первые протоорганизмы, скорее всего, не могли использовать эту энергию непосредственно – появление такой возможности и стало первым камешком в невероятной лавине глобального усложнения жизни – но могли использовать крохи упорядоченной энергии в виде разности химических потенциалов и температур. В глобальном видении от момента Большого Взрыва, когда упорядоченность во Вселенной была бесконечно высокой, а сложность – бесконечно малой, общая упорядоченность стремится к убыванию, энтропия, соответственно, – к росту, но и локальная сложность, тем не менее – также к увеличению. Здесь нет никакого противоречия. Рассматривая живых существ в отдельности, можно бы посчитать, что «в них» энтропия падает, причем за счет разгоняемого ими непропорционального роста энтропии «вне их». Проблема в том, что неравновесные системы, какими являются живые существа и их сообщества, практически невозможно рассматривать как изолированные термодинамические системы и четко различить, что находится «в них», а что уже «вовне», несмотря на существование, казалось бы, объективных физических границ. Предполагая, что совокупная масса биосферы Земли уже достигла если не своего максимума, то, по крайней мере, плато своего роста, можно предположить и далее, что биосфера в целом, в конце концов, в большом масштабе времени, способна ускорять рост энтропии, особенно если брать в расчет общее направление деятельности той ее части, которая считает себя разумной.

При росте клетки ей становится все труднее поддерживать внутреннюю упорядоченность в силу кратного увеличения собственного объема, и клеточное деление становится решением, позволяющим уменьшившимся дочерним клеткам далее снова повышать свою внутреннюю упорядоченность. В этом смысле даже умножение генетического материала можно считать движимым базовыми термодинамическими эффектами (БОН: глава V). Термодинамические квантовые эффекты в клетках определяются их способностью обрабатывать и реагировать на информационные и энергетические потоки, что может быть названо их «разумностью». Такое явление, как умеренный стресс, или гормезис, способный оказывать влияние на гомеостаз и ведущий к благоприятной адаптации к стрессу, повышению сопротивляемости, может лежать в основе эволюции «разумности» (intelligence) (Nunn A., 2014). В какой-то степени любая форма жизни демонстрирует «разумность» как неизбежное следствие эволюции в условиях изменяющейся окружающей среды. Обратной стороной этого феномена может стать то, что жизнь и ее «разумность» не смогут эволюционировать в полностью благоприятной среде, и отсутствие гормезиса будет приводить к медленному отклонению организма от оптимального функционирования.

Митохондрии, как говорилось, – тот краеугольный камень, на котором зиждется эволюция сложной жизни, по крайней мере той ее (эукариотической) части, которая хоть как-то интересует подавляющее большинство людей. Митохондрии своей потрясающей энергетической эффективностью делают возможным хранение и саморазвитие гигантских объемов информации внутри каждой эукариотической клетки (Lane N. and Martin W., 2010), что составляет одну из сущностей эволюции мира вообще (БОН: глава XI). Помимо несомненной важности переноса информации между поколениями, как и обязательности ее частичного забывания, с точки зрения адаптационных перспектив организма одинаково важно «помнить» прошлое, «предсказывать» будущее и отвечать вызовам настоящего. Клеточная «память» в этом смысле может быть определена как способность организма получать выгоды из опыта прошлого (Tulving E., 1985). Без избытка энергии не может быть никакой эффективной клеточной «памяти» и, соответственно, способности проактивно отвечать на новые вызовы и угрозы, и это то, что выгодно отличает большинство эукариот от прокариот. Управляя энергией клетки, митохондрии в самом прямом смысле управляют и ее информацией.

Есть высокая вероятность того, что производство энергии митохондриями базируется на квантовом туннелировании электронов. Именно туннелирование обеспечивает тесную связь между потоком электронов и созданием протонного градиента через процесс, называемый «настройкой редокса (окислительно-восстановительного потенциала, ОВП)» (Hayashi T. and Stuchebrukhov A. A., 2011; Moser C. C. et al., 2006; de Vries S. et al., 2015). Как известно, наблюдается тесная ассоциация образования активных форм кислорода (свободных радикалов) и интенсивности работы ЭТЦ (Aon M. A. et al., 2008). Функциональный оптимум митохондрий может быть определен как уровень ОВП, при котором они могут максимизировать производство энергии с минимальным образованием АФК. Если ЭТЦ становится переокисленной или перевосстановленной, то АФК в качестве сигнальных молекул инициируют генерацию необходимых ферментов. И в этом случае роль антиоксидантной защиты становится весьма неоднозначной (Cortass S. et al., 2014). Так, комбинация повышенного уровня АФК и повышенного соотношения АДФ/АТФ становится мощным сигналом для увеличения количества митохондрий и/или локализованной выработки компонентов ЭТЦ. Результат включает широкий набор эффектов: от стимуляции роста до локализованной активации так называемых разобщающих белков (UCP, uncouplingproteins), активируемых посредством АФК (Mailloux R. J. and Harper M. E., 2011) (БОН: глава IV). Данное семейство белков выполняет роль клапанов протонного градиента, позволяя «сбрасывать» чрезмерно высокий протонный потенциал без увеличения выработки энергии, то есть разобщая протонный градиент и окислительное фосфорилирование. В этом случае излишне образованная энергия не накапливается в форме высокоэнергетических связей более стабильных, чем АТФ органических соединений (например, жиров и гликогена), а преобразуется в тепло, распыляемое из организма, модулируя при этом, в некоторых случаях, общее состояние организма и/или непосредственно примыкающей к нему окружающей среды.

Аналогичным образом и современные митохондрии умеют формировать структурно-функциональные сети, способные к передаче электрической энергии. В активно функционирующей клетке сеть из слившихся митохондрий является их основным структурным состоянием (Виноградская И. С. и соавт., 2014). Академик Владимир Петрович Скулачев предположил, что такая митохондриальная сеть или ее фрагменты могут действовать как своего рода внутриклеточные «электрокабели» (Skulachev V. P., 2001). Митохондриальное слияние, вызванное умеренным стрессом или сокращенным питанием клетки, ведет к увеличению окислительного фосфорилирования; в то время как слишком сильный стресс, избыток питательных веществ, болезни и воспаление, включая опухоли, вызывают фрагментацию митохондрий, что часто ведет к митофагии (варианту аутофагии для митохондрий) и сокращению окислительного фосфорилирования (Wai T. and Langer T., 2016).

Сказанное выше позволяет предположить существование квантовой системы контроля работы митохондрий, в которых функциональные единицы – полиферментные комплексы ЭТЦ и АТФ-синтаза – выполняют роль своего рода транзисторных элементов, где ток протонов сквозь мембрану наружу и обратно через АТФ-синтазу управляется движением электронов по ЭТЦ, которое, в свою очередь, модулируется квантовыми эффектами. Например, недостаточное производство энергии в сочетании с увеличенным ее потреблением выражается в увеличении соотношения АДФ/АТФ, что должно ассоциироваться с увеличением окисления в ЭТЦ, что, в свою очередь, должно изначально вызывать сокращение образования АФК, но коллапс митохондриального мембранного потенциала далее будет снижать квантовую когерентность. Ее снижение приведет к снижению эффективности квантового туннелирования, что далее вызовет увеличение АФК.

Следовательно, как ограничение в питании, так и возросшая потребность в энергии (горметический триггер) могут генерировать адаптивный ответ, требующий усиления митохондриальной функции. Если митохондриальный потенциал восстановлен, а митохондриальная масса, сетевая структура и/или эффективность возросла, квантовое туннелирование становится более эффективным и, соответственно, приводит к увеличению уровня АТФ и снижению уровня АФК. Равно если клетка находится в условиях избытка питательных веществ, но не использует достаточно много АТФ, то ЭТЦ может стать перевосстановленной, а митохондрион – гиперполяризованным. В присутствии достаточного количества кислорода это может привести к ускоренному прохождению электронов по ЭТЦ и возросшему образованию свободных радикалов, эффективно тормозящих работу митохондриона. Это указывает на своеобразное квантовое «место наилучшего звучания», где сила электромагнитного поля сбалансирована наилучшим способом. Можно предполагать, что это «место» совпадает с определенным уровнем слияния митохондрий или, по-другому, организованностью митохондриальной сети. Причем профиль сложности этой сети может определяться наличествующей функциональной гетерогенностью митохондрий.

Если сопоставить все эти рассуждения, можно предположить, что естественный отбор миллиарды лет работал над тем, как сопоставить все возможные квантовые эффекты среагированием на неопределенности окружающей среды. Жизнь вполне может продолжаться без чрезмерного стресса как реакции на вновь возникшую неопределенность. Однако очень вероятно, что ее устойчивость будет снижаться при полном отсутствии возмущающих воздействий, то есть при удалении ключевого фактора, поддерживающего структуру и естественный отбор устойчивых к стрессу систем. Похоже, что при адекватном уровне стресса обеспечивается наиболее эффективное функционирование системы. Основным маркером этого является здоровье митохондрий, играющих ведущую роль в процессе старения.

Достаточно давно замечено, что ограничение поступления калорий в организм, предположительно подавляющее репродуктивность, но увеличивающее долголетие, в результате улучшает соматическое функционирование и угнетает чрезмерное воспаление (Speakman J. R. and Mitchell S. E., 2011). Речь, скорее, идет не об улучшении соматического функционирования самого по себе, а о вызванном за счет сниженного поступления энергии замедлении старения. По сути это вторичный эффект увеличенного уровня аутофагии и апоптоза, отвлекающих ресурсы, предназначавшиеся для поддержки репродукции (Adler M. I. and Bonduriansky R., 2014). Но при запрограммированной продолжительности жизни за период бессимптомного старения могут отвечать открытые в последние годы эпигенетические механизмы (Baker D. J. et al., 2016; Lowe D., 2016). В этих механизмах митохондрион участвует самым непосредственным образом: помимо непосредственного «контроля смерти» через апоптоз, он также контролирует эпигенетическую наследственность, как описывалось в предыдущей главе, через некоторые промежуточные продукты цикла Кребса (Wallace D. C. and Fan W., 2010; Salminen A. et al., 2014). Уровень воспаления в организме, в свою очередь, модулирует работу «карусели» этого цикла, повышая, в частности, уровень АФК (West A. P. et al., 2011). Замечено, что чем относительно более долгоживущим является вид, тем эффективнее его ЭТЦ, что выражается в том числе в меньшем образовании АФК, требующим меньшего вовлечения механизмов антиоксидантной защиты и репарации ДНК (Barja G., 2013). Возрастное ухудшение функций митохондрий имеет отношение к механизму так называемого храповика Мюллера.

Этот механизм позволяет накапливаться мутациям в митохондриальной ДНК и постепенно тормозит экспрессию генов, определяющих функционирование митохондрий. В то же время он увеличивает экспрессию генов, контролирующих врожденный иммунитет (Tower J., 2015). Экспериментальные свидетельства подтверждают явное нарастание с возрастом гетероплазмии (по сути – разнообразия) в митохондриальной ДНК соматических клеток (Li M. et al., 2015). Это подтверждает самые тесные взаимоотношения между функционированием митохондрий, квантовой эффективностью и старением.

Почти 10 лет назад, в 2013-м, были сформулированы 9 признаков старения, практически общепризнанные к настоящему времени (Carlos López-Otín et al., 2013):

1) нестабильность генома;

2) укорочение теломер;

3) эпигенетические изменения;

4) нарушение протеостаза;

5) дерегуляция восприятия питательных веществ;

6) митохондриальная дисфункция;

7) клеточное старение;

8) истощение пула стволовых клеток;

9) изменение межклеточного взаимодействия.

Разумеется, все эти признаки тем или иным образом взаимосвязаны. Легко можно заметить, что большинство этих признаков, если не все, в той или иной мере связаны с работой митохондрий (хотя сама по себе дисфункция митохондрий не ведет автоматически к проявлению всех остальных признаков старения, то есть, собственно, к самому старению).

Джеймс Чапмен, Эдвард Филдер и Жоан Пассос (James Chapman, Edward Fielder and Joao F. Passos, 2020) считают ключевой в развитии старения именно связку дисфункции митохондрий и клеточного старения (сенесценции). Сенесцентные («резко состарившиеся») клетки характеризуются не только полной остановкой клеточного деления (что было бы достаточно естественно для полностью дифференцировавшихся клеток), но и переходом в так называемое SASP состояние (Senescence Associated Secretory Phenotype – секреторный фенотип, ассоциированный со старением). Сенесцентные клетки секретируют вовне огромное количество провоспалительных цитокинов, хемокинов, протеаз и факторов роста, что оказывает негативное влияние на их непосредственное окружение и даже может отражаться на состоянии достаточно удаленных органов и тканей. Это может вести как к возникновению воспалительных, так и опухолевых процессов, и через это, к развитию типичных возрастных заболеваний. В животных моделях своевременное удаление сенесцентных клеток из определенных органов и тканей замедляет или даже останавливает прогресс таких возрастных патологий. На сегодняшний день или в клинических, или в модельных исследованиях связь накопления сенесцентных клеток с развитием патологии показана для порядка двух десятков возрастных заболеваний – от атеросклероза и аллопеции до остеопороза и саркопении.

Нужно отметить, что метаболически сенесцентные клетки даже более активны, чем нормальные, они поглощают больше кислорода, быстрее окисляют углеводы и липиды, производят больше энергии и АФК. В то же время их уровень антиоксидантной защиты и вообще устойчивости к апоптозу весьма высок. В каком-то смысле их можно назвать неубиваемыми «зомби-клетками», и соседство с ними весьма токсично и также может вести к «зомбированию». Основной версией возникновения сенесцентных клеток считаются различного рода стрессовые для клетки ситуации, например оксидативный стресс, активация внутренних онкогенов или модификации хроматина (Kuilman T., 2010). Можно даже предполагать, что это неудачная или незаконченная попытка спонтанного «беспричинного» самоубийства клетки, обусловленного, в частности, необходимостью гарантированного самоуничтожения в случае начала ракового[4] перерождения. Возможно, это может быть судьбой не собственно апоптической клетки, а клетки-чистильщика, фагоцита-скэвенджера, пришедшей «подчищать» место клеточного самоубийства (БОН: глава XII). Дело в том, для сенесцентных клеток характерна высокая экспрессия на поверхности универсальных рецепторов CD36 (Saitu M. et al., 2018), а в обычных условиях таким свойством обладают в том числе многие фагоциты-чистильщики. Возможно, какие-то события на месте заставляют фагоцит сначала «зомбироваться» самому, а далее «зомбировать» свое окружение, заставляя соседние клетки повторять свой SASP фенотип, что могло бы напоминать прионное инфицирование (когда прионы – извращенные белки-укладчики – заставляют вступившие с ними в контакт другие восприимчивые белки так же извращенно укладываться и укладывать других БОН: глава VI).

Есть предположение, что преходящее (временное) сенесцентное состояние, когда сенесцентные клетки в итоге тем или иным способом все-таки удаляются из организма, играет положительную роль в ряде острых процессов: например, заживления ран, восстановления ткани и в ходе эмбрионального развития (Munoz-Espin D., 2013; Demaria M., 2014) – своеобразное повторение сюжета «Отряда самоубийц» (Дэвид Эйер, 2016), когда «отмороженные» антисоциальные элементы в силу своей разрушительной эффективности были привлечены к выполнению задач «спасения мира», а потом уничтожены или возвращены в места постоянной изоляции. Сохраняющаяся же персистенция сенесцентных клеток неизбежно ведет к развитию хронического воспаления, которое само по себе давно считается важнейшей причиной нарушения в работе митохондрий, ведущих к ускорению старения. Сочетание хронического воспаления и старения вообще уже многими исследователями считается единым процессом – inflammaging («староспаление»). Подавление хронического воспаления, соответственно, может вести к замедлению старения. Лучшим способом добиться этого может стать применение горметических факторов, таких, например, как тренировки (БОН: глава IV) и удаление факторов, стимулирующих воспаление, таких, как ожирение. Умеренное (горметическое) стрессовое воздействие на митохондрии ведет к ответной адаптивной реакции, улучшающей их эффективность (Tapia P. C., 2006). Тем не менее воспаление, развивающееся в ответ на инфекцию и инициирующее восстановление нанесенных инфекцией повреждений, использует для этой задачи митохондрии, изменяя их функционирование на усиленную выработку АФК (WestA. P. et al., 2011). Хотя адекватный воспалительный ответ критически важен для выживания, он может быстро ускорять процесс старения, если становится хроническим. Таким образом, оптимальное здоровье не должно рассматриваться просто как отсутствие заболеваний, но, скорее, как постоянное формирование все более надежной системы, все более способной поддерживать гомеостаз перед лицом различных угроз и вызовов. Предполагается, что гормезис отбирает наиболее эффективные ЭТЦ, которые замедляют неизбежную петлю положительной обратной связи: воспаление ведет к митохондриальной дисфункции, митохондриальная дисфункция стимулирует воспаление.

Эволюция также производит отрицательный отбор неэффективных ЭТЦ. Возникшие на основе ЭТЦ врожденная иммунная система и программируемая клеточная смерть – это древнейшие механизмы защиты, возникшие еще у прокариот (Allocat N. et al., 2015; Marraffini L. A., 2015; Heussler G. E., 2015). Постоянная тонкая поднастройка ЭТЦ, необходимая для выживания видов, следовательно, также должна быть очень древним механизмом. Очень вероятно, что она построена на некоторых квантовых эффектах, а для современных теплокровных животных включает основанное на них регулирование температуры.

Понимание взаимоотношений и разграничений между когерентной микроскопической квантовой реальностью и преимущественно декогерентным макроскопическим (видимым) миром стало бы грандиозным шагом в понимании базовых механизмов жизни. Например, наложение декогерентной внешней среды на когерентную внутреннюю среду митохондрий практически моментально меняет их состояние. Внедрение временной декогерентности в систему, базирующуюся на когерентности, такой, как ЭТЦ, может стать сигналом запуска адаптивной функции, например через образование АФК. Окружающая среда модулирует работу митохондрий на грани квантовой и классической физической реальности. То есть митохондрион может действовать как сенсор, балансирующий между квантовым и классическим миром. Любое изменение системы мгновенно изменяет ситуацию на ее выходе.

Как мы увидим далее, в информационной динамической системе управляющие элементы должны иметь бОльшую сложность, нежели управляемые, а сама же сложность в какой-то момент развития становится неотличимой от случайности (БОН: глава VI). В этом смысле ключевые функциональные механизмы митохондрий, управляемые, возможно, квантовыми эффектами, могут находиться на той грани квантовой случайности и функциональной (вычислительной) сложности, недостижимой для других клеточных структур.

Возникновение сложных живых систем могло произойти только при наличии возмущений, когда способность системы воспринимать и обрабатывать информацию определяет направление эволюции. Можно сказать, что жизнь и «разумность» (предикативность автономных систем) суть одно и то же. С возникновением жизни в мир пришла невиданная ранее конкуренция, связанная с вызовами со стороны окружающей среды и непрерывным участием естественного отбора. Конкуренция вела к эволюции на все более и более высоких порядках разумности и когнитивных способностей. Одной из пружин этого механизма для сложных эукариотических организмов должна служить положительная для живой системы стрессовая стимуляция (гормезис) митохондрий. Несомненно, ключевой стратегией выживания, помимо адаптации, является использование информации с целью активного изменения окружающей среды для достижения конкурентного преимущества. Люди достигли это тысячелетия назад, осознав, что должны жить здоровыми на протяжении взрослой жизни. Представляется, что, удалив факторы горметического стресса, сделав свою жизнь слишком комфортной, мы не получили оптимальной квантовой эффективности митохондрий и оказались хуже приспособленными к достижению и поддержанию максимально возможного здоровья. И напротив, сознательное внесение горметических факторов в повседневную жизнь должно приближать нас к этому крайне желательному состоянию.

1. Виноградская И. С., Кузнецова Т. Г., Супруненко Е. А. (2014). Митохондриальная сеть скелетных мышечных волокон. – Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16. Биология № 2, 16–25.

2. Лейн Н. (2018) Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ.

3. Ноу Л. (2020) Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость. – СПб: Питер.

4. Блюменфельд Л. А. (1977). Проблемы биологической физики. – М.: Наука.

5. Dobzhansky T. (1973) Nothing in Biology Makes Sense except in the Light of Evolution. Am. Biol. Teacher35, 125–129.

6. Pross A. (2012). What is Life? How Chemistry Becomes Biology, Oxford University Press, United Kingdom.

7. Laughlin S. B., de Ruyter van Steveninck R. R. and Anderson J. C. (1998) The metabolic cost of neural information. Nat. Neurosci. 1, 36–41.

8. Gatenby, R. A. and Frieden, B. R. (2013). The critical roles of information and nonequilibrium thermodynamics in evolution of living systems. Bull. Math. Biol. 75, 589–601.

9. Schroedinger E. (1944). What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, Cambride University Press.

10. Nunn A. V., Guy G. W. and Bell J. D. (2014). The intelligence paradox; will ET get the metabolic syndrome? Lessons from and for Earth. Nutr. Metab. 11, 34.

11. Lane N. and Martin W. (2010). Theenergetics of genome complexity. Nature 467, 929–934.

12. Tulving E. (1985). How many memory systems are there? Am. Psychol. 40, 385–398.

13. Howarth C., Gleeson P. and Attwell D. (2012). Updated energy budgets for neural computation in the neocortex and cerebellum. J. Cereb. Blood Flow Metab. 32, 1222–1232.

14. Harris J. J., Jolivet R. and Attwell D. (2012). Synaptic energy use and supply. Neuron 75, 762–777.

15. Attwell D. and Laughlin S. B. (2001). An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J. Cereb. Blood Flow Metab. 21, 1133–1145.

16. Hudetz, A. G. (2012). General anesthesia and human brain connectivity. Brain Connect. 2, 291–302.

17. Krueger J. M., Frank M. G., Wisor J. P. and Roy S. (2015) Sleep function: toward elucidating an enigma. Sleep Med. Rev. 28, 42–50.

18. Penrose R. (1994). Shadows of the Mind; ASearch for the Missing Science of Consciousness, Oxford University Press, Great Britain.

19. Tarlaci S. and Pregnolato M. (2016). Quantum neurophysics: fromnon-living matter to quantum neurobiology and psychopathology. Int. J. Psychophysiol. 103, 161–173.

20. Al-Khalili J. and McFadden J. (2014). Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology, Transworld Publishers, Great Britain.

21. Lovley D. R. and Malvankar N. S. (2015). Seeing is believing: novel imaging techniques help clarify microbial nanowire structure and function. Environ. Microbiol. 17, 2209–2215.

22. Tamulis A. and Grigalavicius M. (2014). Quantum entanglement in photoactive prebiotic systems. Syst. Synth. Biol. 8, 117–140.

23. Engel G. S., Calhoun T. R., Read E. L., Ahn T. K., Mancal T., Cheng Y. C., Blankenship, R. E. and Fleming, G. R. (2007). Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature 446, 782–786.

24. Fassioli F., Dinshaw R., Arpin P. C. and Scholes G.D. (2014). Photosynthetic light harvesting: excitons and coherence. J. R. Soc. Interface 11, 20130901.

25. Lim J., Palecek D., Caycedo-Soler F., Lincoln C. N., Prior J., von Berlepsch H., Huelga S. F., Plenio M.B., Zigmantas D. and Haue, J. (2015). Vibronic origin of long-lived coherence in an artificial molecular light harvester. Nat. Commun. 6, 7755.

26. Weber S., Ohmes E., Thurnauer M. C., Norris J. R. and Kothe G.(1995). Light-generated nuclear quantum beats: a signature of photosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92, 7789–7793.

27. Craddock T. J., Friesen D., Mane J., Hameroff S. and Tuszynski J. A. (2014). The feasibility of coherent energy transfer in microtubules. J. R. Soc. Interface 11, 20140677.

28. Craddock T. J., Priel A. and Tuszynski J. A. (2014). Keeping time: could quantum beating in microtubules be the basis for the neural synchrony related to consciousness? J. Integr. Neurosci. 13, 293–311.

29. Winkler J.R. and Gray H.B. (2014). Long-range electron tunneling. J. Am. Chem. Soc. 136, 2930–2939.

30. Hayashi T. and Stuchebrukhov A. A. (2011). Quantum electron tunneling in respiratory complex I. J. Phys Chem. B115, 5354–5364.

31. Moser C. C., Farid T. A., Chobot S. E. and Dutton P. L. (2006). Electron tunneling chains of mitochondria. Biochim. Biophys. Acta. 1757, 1096–1109.

32. De Vries S., Dorner K., Strampraad M. J. and Friedrich T. (2015). Electron tunneling rates in respiratory complex I are tuned for efficient energy conversion. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 54, 2844–2848.

33. Trixler F. (2013). Quantum tunnelling to the origin and evolution of life. Curr. Org. Chem. 17, 1758–1770.

34. Vattay G., Salahub D., Csabai I., Nassimi A. and Kaufmann S. A. (2015). Quantum criticality at the origin of life. J. Phys. Conf. Ser. 626, 012023.

35. Zhang Y., Gennady P. B. and Kais S. (2015). The radical pair mechanism and the avian chemical compass: quantum coherence and entanglment. Int. J. Quantum Chem. 115, 1327–1341.

36. Gane S., Georganakis D., Maniati K., Vamvakias M., Ragoussis N., Skoulakis E. M. and Turin L. (2013). Molecular vibration-sensing component in human olfaction. PloS One8, e55780.

37. Vattay G., Kauffman S. and Niiranen S. (2014). Quantum biology on the edge of quantum chaos. PloS One9, e8901.

38. Aon M. A., Cortassa S. and O’Rourke B. (2008). Mitochondrial oscillations in physiology and pathophysiology. Adv. Exp. Med. Biol. 641, 98–117.

39. Cortassa S., O’Rourke B. and Aon M. A. (2014). Redox-optimized ROSbalance and the relationship between mitochondrial respiration and ROS. Biochim. Biophys. Acta. 1837, 287–295.

40. Allen J. F. (2015). Why chloroplasts and mitochondria retain their own genomes and genetic systems: colocation for redox regulation of gene expression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112, 10231–10238.

41. Mailloux R. J. and Harper, M.E. (2011). Uncoupling proteins and the control of mitochondrial reactive oxygen species production. Free Radic. Biol. Med. 51, 1106–111.

42. Moradi N., Scholkmann F. and Salari V. (2015) A study of quantum mechanical probabilities in the classical Hodgkin – Huxley model. J. Integr. Neurosci. 14, 1–17.

43. Summhammer J., Salari V. and Bernroide, G. (2012). Aquantum-mechanical description of ion motion within the confining potentials of voltage-gated ion channels. J. Integr. Neurosci. 11, 123–135.

44. Skulachev V. P. (2001). Mitochondrial filaments and clusters as intracellular power-transmitting cables. Trends Biochem. Sci. 26, 23–29.

45. Wai T. and Langer T. (2016). Mitochondrial dynamics and metabolic regulation. Trends Endocrinol. Metab. 27, 105–117.

46. Tamulis A. and Grigalavicius M. (2011). The emergence and evolution of life in a «fatty acid world» based on quantum mechanics. Orig. Life Evol. Biosph. 41, 51–71.

47. McGlynn S. E., Chadwick G. L., Kempes C. P. and Orphan V. J. (2015). Single cell activity reveals direct electron transfer in methanotrophic consortia. Nature 526, 531–535.

48. Pfeffer C., Larsen S., Song J., Dong M., Besenbacher F., Meyer, R. L., Kjeldsen, K. U., Schreiber L., Gorby Y. A., El-Naggar M. Y. et al. (2012). Filamentous bacteria transport electrons over centimeter distances. Nature 491, 218–221.

49. Wegener G., Krukenberg V., Riedel D., Tegetmeyer H. E. and Boetius A. (2015). Intercellular wiring enables electron transfer between methanotrophic archaea and bacteria. Nature 526, 587–590.

50. Dudkina N. V., Folea I. M. and Boekema E. J. (2015). Towards structural and functional characterization of photosynthetic and mitochondrial super complexes. Micron 72, 39–51.

51. Lapuente-Brun E., Moreno-Loshuertos R., Acin-Perez R., Latorre-Pellicer A., Colas C., Balsa E., Perales-Clemente E., Quiros P. M., Calvo E., Rodriguez-Hernandez M.A. et al. (2013). Super complex assembly determines electron flux in the mitochondrial electron transport chain. Science 340, 1567–1570.

52. Melo A. N. P. and Teixeira, M. (2016). Supramolecular organization of bacterial aerobic respiratoy chains: from cells and back. Biochim. Biophys. Acta 1857, 190–197.

53. Le Bourg E. (2012). Forecasting continuously increasing life expectancy: what implications? Ageing Res. Rev. 11, 325–328.

54. Robertson H. T. and Allison D. B. (2012). A novel generalized normal distribution for human longevity and other negatively skewed data. PloS One7, e37025.

55. Weon B. M. (2015). A solution to debates over the behavior of mortality at old ages. Biogerontology 16, 375–381.

56. Kaeberlein M., Rabinovitch P. S. and Martin G. M. (2015). Healthy aging: the ultimate preventative medicine. Science 350, 1191–1193.

57. Lane, N. (2003). A unifying view of ageing and disease: the double-agent theory. J. Theor. Biol. 225, 531–540.

58. Salminen A., Huuskonen J., Ojala J., Kauppinen A., Kaarniranta K. and Suuronen T. (2008). Activation of innate immunity system during aging: NF-kB signaling is the molecular culprit of inflamm-aging. Ageing Res. Rev. 7, 83–105.

59. Franceschi C., Bonafe M., Valensin S., Olivieri F., De Luca M., Ottaviani E. and De Benedictis G. (2000). Inflamm-aging. An evolutionary perspective on immunosenescence. Ann. N.Y. Acad. Sci. 908, 244–254.

60. Speakman J. R. and Mitchell S. E. (2011). Caloric restriction. Mol. Aspects Med. 32, 159–221.

61. Adler M. I. and Bonduriansky R. (2014). Why do the well-fed appear to die young? A new evolutionary hypothesis for the effect of dietary restriction on lifespan. Bioessays 36, 439–450.

62. Baker D. J., Childs B. G., Durik M., Wijers M. E., Sieben C. J., Zhong J.,Saltness R. A., Jeganathan K. B., Verzosa G. C., Pezeshki A. et al. (2016). Naturally occurring p16 (Ink4a) – positive cells shorten healthy lifespan. Nature 530, 184–189.

63. Lowe D., Horvath S. and Raj K. (2016) Epigenetic clock analyses of cellular senescence and ageing. Oncotarget 7, 8524–8531.

64. De Magalhaes J.P. (2012). Programmatic features of aging originating in development: aging mechanisms beyond molecular damage? FASEB J. 26, 4821–4826.

65. Wallace D. C. and Fan W. (2010). Energetics, epigenetics, mitochondrial genetics. Mitochondrion 10, 12–31.

66. Salminen A., Kaarniranta K., Hiltunen M. and Kauppinen A.(2014). Krebs cycle dysfunction shapes epigenetic landscape of chromatin: novel insights into mitochondrial regulation of aging process. Cell. Signal. 26, 1598–1603.

67. Lopez-Otın C., Galluzzi L., Freije J. M. P., Madeo F., Kroemer G. (2013). Metabolic Control of Longevity. Cell, Vol. 166: 4, 802–821.

68. Fedintsev А., Moskalev А. (2020). Stochastic non-enzymatic modification of long-lived macromolecules. – A missing hallmark of aging, Ageing Research Reviews, Vol. 62,101097.

69. Kuilman T., Michaloglou C., Mooi W. J., Peeper D. S. (2010). The essence of senescence. Genes Dev 24, 2463–2479.

70. Saitou M., Lizardo D. Y., Taskent R. O., Millner A., Gokcumen O., Atilla-Gokcumen G. E. (2018). An evolutionary transcriptomics approach links CD36 to membrane remodeling in replicative senescence. Mol Omics. 6; 14 (4): 237–246.

71. Campisi J. (2001). Cellular senescence as a tumor suppressor mechanism. Trends Cell Biol. 11, S27–S31.

72. Munoz-Espin D., Canamero M., Maraver A., Gomez-Lopez G., Contreras J., Murillo-Cuesta S., Rodriguez-Baeza A., Varela-Nieto I., Ruberte J., Collado M., Serrano M. (2013). Programmed cell senescence during mammalian embryonic development. Cell. 155, 1104–1118.

73. Demaria M., Ohtani N., Youssef S. A., Rodier F., Toussaint W., Mitchell J. R., Laberge R. M., Vijg J., Van Steeg H., Dolle M. E., Hoeijmakers J. H., de Bruin A., Hara E., Campisi J. (2014). An essential role for senescent cells in optimal wound healing through secretion of PDGF-AA. Dev Cell. 31, 722–733.

74. West A. P., Shadel G. S. and Ghosh S. (2011). Mitochondria in innate immune responses. Nat. Rev. Immunol. 11, 389–402.

75. Barja G. (2013). Updating the mitochondrial free radical theory of aging: an integrated view, key aspects, and confounding concepts. Antioxid. Redox Signal. 19, 1420–1445.

76. Tower J. (2015). Mitochondrial maintenance failure in aging and role of sexual dimorphism. Arch. Biochem. Biophys. 576, 17–31.

77. Li M., Schroder R., Ni S., Madea B. and Stonekin, M. (2015). Extensive tissue-related and allele-related mtDNA heteroplasmysuggests positive selection for somatic mutations. Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A. 112, 2491–2496.

78. Tapia P. C. (2006). Sub lethal mitochondrial stress with an attendant stoichiometric augmentation of reactive oxygen species mayprecipitate many of the beneficial alterations in cellular physiology produced by caloric restriction, intermittent fasting, exercise and dietary phytonutrients: «Mitohormesis» for health and vitality. Med. Hypotheses. 66, 832–843.

79. Allocati N., Masulli M., Di Ilio C. and De Laurenzi V. (2015). Die for the community: an overview of programmed cell death in bacteria. Cell. Death. Dis. 6, e 1609.

80. Marraffini L. A. (2015). CRISPR-Cas immunity in prokaryotes. Nature. 526, 55–61.

81. Heussler G. E., Cady K. C., Koeppen K., Bhuju S., Stanton B. A. and O’Toole G. A. (2015). Clustered regularly interspaced short palindromic repeat-dependent, biofilm-specific death of Pseudomonas aeruginosa mediated by increased expression of phage-related genes. Microbiol., e 00129–00115.

Безусловно, физические упражнения, спорт в широком смысле – лучший вид горметического стресса, которому человек себя подвергает добровольно (азартные игры порицаются большей частью современных обществ, финансово в среднем более затратны и не несут, как правило, значительной физической нагрузки, роль которой для поддержания здоровья сложно преувеличить). Не менее чем последние три сотни лет занятия спортом положительным образом, но чисто эмпирически, если не интуитивно, увязывались с состоянием здоровья и профилактикой заболеваний, особенно возрастных или вызванных «нездоровым» образом жизни. Но только в последние десятилетия эта связь получила обоснование на биохимическом и даже биофизическом и термодинамическом уровнях. Любопытно заметить, что возникновение массового спорта и физкультуры во временнóм интервале можно также увязать с возникновением и массовым распространением физически низкоинтенсивного труда. До того полноценное выполнение даже высших феодальных управленческих функций сопровождалось достаточно интенсивной физической нагрузкой, как минимум в форме верховой езды.

В самом общем виде реакция организма на физические упражнения может, разумеется, описываться в терминах общего адаптивного синдрома по Гансу Селье (Hans Selye, 1956), однако некоторые важные физиологические детали делают реакцию на упражнения особенной. Так, важным аспектом является быстрое развитие своеобразной мышечной усталости, отражающей развитие адаптационных реакций организма, которую не вполне можно сопоставить классической стрессовой фазе истощения.

Но даже на «горметическом» интервале зависимость положительных эффектов от нагрузки не линейная, с резким обрывом на «перетренированности», а колоколообразная. Несоответствующая физической подготовке мышечная нагрузка ведет к структурным нарушениям саркомеров (базовых сократительных единиц мышечной ткани), распаду десмина, отвечающего за механическую связь митохондрий и саркомеров, и мышечной филаментной сети, поддерживающей форму клетки. Но самое главное, что подобная перегрузка с развитием повреждения мышечных клеток вызывает местную воспалительную реакцию, сопровождаемую увеличенным связыванием с ДНК так называемого нуклеарного фактора каппа B (NF-kB) – одного из самых универсальных факторов транскрипции, контролирующего экспрессию огромного числа генов, связанных с формированием иммунного ответа, апоптозом и клеточным делением. Кроме того, активируются протеазы (белок-расщепляющие ферменты), образующие гигантский протеасомный комплекс, что ускоряет деградацию поврежденных мышечных белков (Malm et al., 2004; Peake et al., 2006; Goto and Radak, 2005). Если адаптивные микроповреждения вызывают процесс репарации с несколько избыточным «перевосстановлением» саркомер, то в будущем аналогичная нагрузка не будет вызывать чрезмерной мышечной усталости, снижения максимальной силы и воспаления в отличие от более расширенных повреждений. Есть представление, что процесс мышечной гипертрофии начинается с уровня физической нагрузки, соответствующей приблизительно 60 % от максимальной (по VO₂max), но не превышающей по длительности 60 минут (совокупность этих порогов в плане иммунологических эффектов можно считать разделяющей нагрузки умеренной интенсивности от нагрузок высокой интенсивности (Nieman D. C. and Wentz L. M., 2019)). Если этот уровень не достигается, не происходит выработки анаболических гормонов, тестостерона и IGF-1, важнейшего фактора начала интенсивного белкового синтеза. Приближение или достижение уровня максимального потребления кислорода переводит выработку энергии из аэробного в анаэробный режим гликолиза, когда происходит накопление молочной кислоты (лактата) и протонов, которые более не потребляются в перегруженной ЭЦП. В этом случае развитие мышечной усталости сопровождается неприятными ощущениями вплоть до болевых, снижающих мышечную производительность.

Важнейшим исходным пунктом положительных физиологических трансформаций при физической нагрузке служит стремительное возрастание митохондриального энергетического метаболизма, что активирует выработку митохондриальных белков, закодированных в ядре. В качестве фронтовых посыльных в тыловые войсковые объединения с депешей о необходимости подкреплений и огневой поддержки направляются нерядовые молекулы с длинным даже в сокращенной форме названием «альфа-1-коактиватор гамма-рецептора, активируемого пероксисомным пролифератором» (peroxisome-proliferator-activated receptor γ co-activator-1α), или сокращенно PPAR γCA-1α, или еще более сокращенно PGC-1α. Но необходимое подкрепление в виде новых мышечных волокон, как обычно, запаздывает, функция митохондрий тем временем разрегулируется, эффективность ЭЦП на фоне возрастающей потребности в энергии АТФ падает, а количество «огнеопасных» молекул АФК и АФА (активных форм азота) нарастает. Собственно, первые яркие всполохи избыточных АФК и АФА, как сигнальные ракеты из митохондрий, и отправляют в путь посыльных PGC-1α и NF-kB. Применение в этот момент антиоксидантов может, как дождь, тушить эти сигнальные ракеты и гасить эффекты адаптации. Обобщенные сводные данные о таком феномене не дают пока однозначного ответа, насколько антиоксиданты могут оказаться вредны в подобных ситуациях (Radek Z. et al., 2017). Но эффекты адаптации не ограничиваются локальными пределами вовлеченных мышц, как может показаться, и начиная с самых небольших по интенсивности тренировок в адаптационные процессы вовлекается уже весь организм.

Первые данные о выработке нагруженными мышцами иммуноактивных веществ, так называемых цитокинов (а в отношении мышц чаще в последнее время называемых миокинами), относятся еще к 1991 году (Northoff H. and Berg A., 1991), хотя первые сообщения о влиянии физической нагрузки на функции иммунитета появились еще в начале ХХ века: например, американский врач Ральф Клинтон Ларраби заметил еще в 1902 году при исследовании бегунов бостонского марафона, что изменения лейкоцитарной формулы у марафонцев напоминают таковые при воспалении. Но до начала 90-х годов прошлого века изменения иммунной системы при физической нагрузке исследовались преимущественно в отношении спорта высоких достижений, где усматривалась взаимосвязь с преходящей дисфункцией иммунной системы и увеличением подверженности высококвалифицированных спортсменов воспалительным заболеваниям верхних дыхательных путей. Можно повториться, что положительное влияние массового спорта и физкультуры на здоровье практически всегда рассматривалось как само собой разумеющееся в общем контексте «здорового образа жизни».

Обнаружение в начале 90-х секреции цитокинов мышечными клетками выглядело крайне необычно: даже само принятое в то время название цитокинов, сохранившееся до сих пор в номенклатуре этих молекул – интерлейкины (interleukins, IL), отсылало к типичным клеткам иммунной системы – белым кровяным тельцам, лейкоцитам. Первой была подтверждена выработка и секреция мышцами в кровоток интерлейкина-6 (IL-6). Сам интерлейкин-6 был идентифицирован и обозначен как универсальная молекула реакции организма на повреждение в 1989 году, когда Тадамицу Кисимото показал, что ранее известные различные провоспалительные факторы разных типов клеток суть одно и то же, одинаково активируемое упомянутым ранее нуклеарным фактором каппа (NF-kB).

Но быстро выяснилось, что действие IL-6 в рамках реакции мышечной ткани, напротив, преимущественно противовоспалительное. Более того, при физической нагрузке содержание IL-6 и в крови повышается в десятки раз, но это ведет скорее к положительным эффектам на организм, в отличие, скажем, от пресловутого цитокинового шторма, например при коронавирусной пневмонии. В этом крайне неблагоприятном случае течения COVID-19 тот же самый IL-6 становится главным сигнальным маяком для флота собственных клеток-разрушителей, поднимающих в ответ на него черный флаг восстания против всего организма. Последнее подтверждает зависимость эффектов большинства биологически активных молекул от контекста их применения: состояния ткани и совокупности всех поступающих сигналов (БОН: глава XII). Впоследствии были выявлены и другие интерлейкины, с разной степенью интенсивности вырабатываемые мышечной тканью при физической нагрузке, как, в частности, считавшиеся ранее провоспалительными (например, IL-8, IL-18, G-CSF, MCP-1), так и противовоспалительными (IL-10, IL-1ra (антагонист рецептора IL-1)), или вообще совершенно новые (иризин). Как оказалось, физиологические эффекты этих веществ – интерлейкинов из мышц, миокинов – столь велики, что мышцы стали иногда называть новым эндокринным органом. В отсутствие других подтверждающих маркеров опасности общий сигнал этих молекул воспринимается большинством органов и тканей организма как приказ приступить к «прекращению огня» и «успокоиться». Причем приказ воспринимается в том числе и тканями, до этого ведшими свою вялотекущую войну хронического воспаления в жанре «все против всех», «каждый сам за себя», как, например, жировая ткань при ожирении. В итоге данный сигнал может приводить к локальному «сокращению вооружений» и снижению жировой массы.

Однако данный эффект весьма четко зависит от длительности, интенсивности и характера физической нагрузки. При малой длительности и интенсивности эффект не превышает статистической погрешности, при чрезмерных нагрузках, как при марафоне у плохо тренированных бегунов, упомянутые повреждения мышечной ткани переформатируют цитокиновый ответ в отчетливо провоспалительный, вызывающий усугубление хронических неурядиц в организме. Тренировки, ведущие к нарастанию мышечной массы, повышают порог негативной реакции. Важно отметить, что позитивное действие связано именно с тренировками, а не увеличенной мышечной массой и наблюдается только при ее «естественном», но не стимулированном, например стероидами, росте. Как предполагается, пик эффекта совпадает с уровнем нагрузки, заметно больше умеренной, но не достигающей чрезмерной, порядка 80–95 % от VO₂max. Это соответствует уровню выработки АФК в митохондриях мышечных клеток, когда они, как сигнальные ракеты, формируют отчетливый сигнал в цитоплазму и далее в ядро, свой «глубокий тыл», но при этом не сжигают к черту всю митохондрию, а за ней и всю клетку. Спортсмены и активно тренирующиеся люди часто сопровождают силовые тренировки приемом многочисленных витаминов и антиоксидантов. Но, как уже отмечалось, роль антиоксидантов здесь может быть двоякой: они, как дождь, притушат сигнальный огонь АФК и АФА, но «тыл» может не получить или неправильно понять сигнал, и отправить «эшелоны ненужных вооружений».

Вообще упражнения на выносливость – наилучший способ «разогнать» работу митохондрий. Регулярные тренировки за 1 месяц могут увеличить их количество на 30–100 %, а объемную плотность – до 40 %. При постоянной физической нагрузке снижается уровень мутаций мтДНК, и увеличивается окислительная емкость митохондрий. При этом оптимизируются процессы поглощения кислорода для окислительного фосфорилирования и окисления жирных кислот и углеводов.

Интересно привести чуть более детальные механизмы действия физических упражнений при ожирении. Этот недуг оказался настоящим бичом современных индустриальных и особенно постиндустриальных обществ, эпидемиология которого странным образом напоминает эпидемиологию инфекционного заболевания: есть начальные очаги высокой заболеваемости (центральный Северо- и Юго-восток США с осью по Миссисипи, Ближний Восток, острова Полинезии), есть волнообразное распространение заболеваемости от очагов на пограничную периферию, есть фаза экспоненциального роста заболеваемости и фаза выхода на плато. Даже такой поверхностный анализ наводит на мысль о возможной инфекционной причине этого заболевания (БОН: глава VIII). Но в данный момент нас интересуют возможные механизмы лечебного воздействия физической нагрузки на это нездоровое состояние. Как упоминалось, главным вестовым в мышечных клетках служит та самая молекула со сложным названием «гамма-1-коактиватор-альфа рецепторов, активируемых пероксисомными пролифераторами» (PGC-1α), которая в ответ на «всполохи» АФК вокруг митохондрий спешит в ядро, чтобы разбудить гены адаптивного ответа. Одним из первых «просыпается» ген белка FNDC5 (не стоит более переутомлять расшифровкой молекулярных «воинских званий»), и легион свежих молекул FNDC5 в течение нескольких минут оказывается в цитоплазме, где к тому времени из-за «перегрева» митохондрий складывается напряженная производственная ситуация, попросту аврал. Часть вновь призванных молекул, среди которых, разумеется, не только молекулы FNDC5, устремляется к митохондриям разруливать ситуацию на месте, а часть FNDC5 умелыми действиями специализированных ферментов-протеаз лишается части своего обмундирования и превращается в молекулы иризина, готовые «бежать» по приказу куда угодно, так как возникающие проблемы не ограничиваются митохондриями мышечных клеток и воспринимаются организмом, как всегда, в широком контексте. Понимание иризина как важного посыльного-вестового в системе энергетического метаболизма пришло практически сразу после его открытия, из-за чего он и приобрел свое название – от имени греческой богини-вестницы Iris (в русской транскрипции – Ирида). Часть молекул этого белка остается решать локальные задачи в мышечных клетках, но важнейшая для нас часть устремляется вовне клетки и оказывается в системном кровотоке. В системном кровотоке этих «новобранцев», впервые увидевших «большой мир», захватывают невероятные приключения в разных органах и тканях, но нас опять же интересуют те немногие, в общем-то, молекулы, которые попадают в белую жировую ткань, – главный визуально заметный признак ожирения. Сама по себе белая жировая ткань при ожирении находится в состоянии хронического воспаления, проявляющегося в накоплении жира и, в меньшей степени, увеличении числа жировых клеток – белых адипоцитов. Ее особенностью является низкая восприимчивость к мобилизации в случае необходимости высоких энергетических затрат организма, то есть белая жировая ткань ведет себя как сельский кулацкий элемент при продразверстке, в терминологии большевиков. И в эту ткань, как в богатую, но прижимистую волость, прибывают решительные агитаторы, молодые комсомольцы – молекулы иризина, которые неведомыми пока путями попадают внутрь белых адипоцитов (не иначе как местные комитеты бедноты открывают им молекулярные ворота). И здесь они находят подходящие слова для мембранных белков-рецепторов местных митохондрий, в результате чего в белых жировых клетках начинается выработка разобщающего белка UCP-1, обычно характерного для бурой жировой ткани, но не белой. Да и сама «разагитированная» белая жировая ткань начинает если не «краснеть», то «буреть», то есть превращаться (передифференцироваться) из белой в бурую. Изменениям подвергаются в первую очередь митохондрии – их число увеличивается, формируются их развитая функциональная сеть. Альтернатива перерождению – апоптоз, то есть клеточное самоубийство по внешнему сигналу с высвобождением жиров в кровоток в пользу более сговорчивых соседей (раскулачивание и коллективизация). Как говорится, добрый сигнал от правильного агитатора и видимый «пистолет» апоптоза убедительнее, чем просто добрый сигнал. Вновь сформированная бурая жировая ткань уже с большим пониманием относится к «энергетической продразверстке» организма и с готовностью делится высокоэнергетическими жировыми запасами, с энтузиазмом раздавая энергию даже просто как тепло. В итоге жировые запасы тают, снижается вес и формируется более стройный контур тела.

Коммуникационная связка «FNDC5 – иризин-белки разобщения» может работать и между другими органами и тканями, кроме диалога между мышечной и жировой тканями. При физических нагрузках сигналы из мышц находят отклик и в центральной нервной системе, например в ключевом элементе лимбической системы – основы формирования эмоций и памяти – в гиппокампе, где в ответ на физическую нагрузку инициируется выработка FNDC5 (Dietrich M.O. et al., 2008). Изменения, вызванные FNDC5-иризином в митохондриях собственно нейронов гиппокампа, также опосредуются увеличением активности UCP-2 и приводят к существенному увеличению нейропластичности мозга, то есть способности нейронов и формируемых ими нейронных сетей изменять связи и поведение в ответ на новую информацию. В целом в клетках головного мозга иризин стимулирует экспрессию ряда нейропротекторных генов, в частности, повышается экспрессия мозгового нейротрофического фактора (brain-derived neurotrophic factor, BDNF). BDNF – наиболее активная молекула из группы нейротрофинов, обеспечивающих появление, формирование и развитие новых нейронов в головном мозге взрослых млекопитающих, включая человека, а также поддержание и, возможно, улучшение когнитивных функций. Это та молекула, которая бьет казавшуюся незыблемой доселе догму «нервные клетки не восстанавливаются».

Определенно, в какой-то момент столь перспективных рассуждений необходимо останавливаться и делать своего рода дисклеймеры, повторные охранительные оговорки, дополнительные к той, что дана в предисловии. Физические нагрузки на самом деле активируют сотни генов в мышечных клетках. Образующиеся молекулы могут опосредовать сотни физиологических и биохимических эффектов. Выраженность эффектов определяется одновременным действием сотен других молекул (факторов). Протянутая виртуальная нить взаимодействий от вызванных физической нагрузкой повреждений к эндокринным факторам, модулирующим работу митохондриона, и далее к функциональным проявлениям в разных органах и тканях – одна из тысяч подобных «нитей», взаимообусловливающих работу организма. Но надо отметить, что рост и деградация мышечной ткани в зависимости от упражнений гораздо более выражены у лабораторных животных и, скажем, лошадей, чем у человека. Аналогично замена белой жировой ткани бурой с последующим ее исчезновением при физических нагрузках также более выражена у животных, чем у человека, у которого с этим процессом все непросто, что мог наблюдать каждый, кто пытался сбросить собственный вес при помощи фитнеса. В целом выраженность эффектов иризина у мышей на один-два порядка превосходит таковую у человека (есть мнение, что у человека он вообще мутантен и не вполне функционален (Raschke S. et al., 2013)). Но раз названная нить с различной степенью убедительности прослежена уже в сотнях исследований, то можно с достаточной уверенностью заявить, что она уже вполне «толстая и красная», чтобы ее рассматривать достаточно серьезно.

Даже вне прямой связи с иризином имеется огромное число работ, демонстрирующих убедительную связь физических упражнений, уровня BDNF и познавательной функции человеческого мозга. Хотя и здесь впервые наиболее эффектное действие физической нагрузки было показано именно на мышах: мыши просто бегали в колесе, и в их гиппокампе появлялись новые нейроны, которые сверхактивно строили связи. Однако аналогичные эффекты у человека имеют свои особенности: они более заметны в пожилом возрасте, именно у пожилых улучшают показатели высшей нервной деятельности и существенно снижают риск развития возрастных нейродегенеративных заболеваний типа болезни Альцгеймера. Вновь вспоминая максиму Феодосия Добржанского «Ничего в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции», можно поставить вопрос, а какой эволюционный смысл этого феномена для человека, для его здоровья? Отвечая на подобный вопрос, Дэвид Райхлен и Джин Александер выстраивают следующую логику рассуждений (Raichlen D. A. and Alexander G. E, 2020, 2019, 2017):

1. На самом деле физические упражнения для человека изначально не только физическая, но и умственная деятельность.

2. Переход от передвижения на четвереньках к прямохождению (отдельный вопрос, чем вызванный) стал для наших предков сложной интеллектуальной задачей: необходимо было одновременно балансировать, координировать все движения и одновременно наблюдать за окружающей средой.

3. Из-за климатических изменений около 2 млн лет назад, когда климат стал более сухим и холодным, изменился образ жизни некоторых гомининов (предков человека и наиболее приближенных к нему человекообразных обезьян – шимпанзе, горилл): они перешли от растительного питания к охоте и собирательству, в связи с чем кратно вырос уровень аэробной нагрузки по сравнению с другими приматами. И этот образ жизни сохранялся на протяжении практически всех последних 2 млн лет, переход к земледелию и скотоводству произошел всего около 10 тысяч лет назад, по эволюционным меркам – только что. Охота и собирательство еще более усилили требования к многозадачности: необходимо прекрасно ориентироваться в пространстве, накапливать опыт, невербально (по сути – эмоционально) коммуницировать с коллегами. А уж когда по каким-то причинам появились задатки речи, – сформировалась подлинная лавина развития когнитивных способностей.

4. Сверхнагрузки на мозг при добыче еды у человека, как и у его прямоходящих предков, сочетались со сверхнагрузкой на мышцы и требовали сверхисточников энергии, которые, по-видимому, было крайне невыгодно использовать в иное время. Поэтому функциональная нить от возрастания физической нагрузки к быстрому улучшению мозговой деятельности, по крайней мере связанной с гиппокампом, у предков людей закрепилась и развилась, в отличие от других приматов, включая эволюционно близких к человеку шимпанзе и бонобо.

Александер и Райхлен в итоге делают вывод, что для улучшения функции мозга более эффективны физические упражнения, сочетающиеся с увеличенной когнитивной нагрузкой – как минимум это бег по пересеченной местности, лучше – игровой комбинационный спорт, практически идеально – горный велосипед, и лучше всего – скандинавская ходьба с одновременным решением в уме уравнений с комплексными переменными. Последнее, разумеется, интерпретация автора, которому трудно удержаться от анекдота, демонстрирующего наилучшую BDNF-зависимую активацию гиппокампа при физической нагрузке.

Гораздо легче удержаться от спекуляций на тему непрослеживаемой корреляции физического и умственного развития, а также связанных с мышечной массой гендерных межполовых различий в высшей нервной деятельности.

К рассуждениям на тему эволюционной значимости энергетических затрат, связанных с физической и умственной деятельностью, следует добавить несколько фактов, установленных в антропологических исследованиях Германа Понцера, которые сделают эволюционную картину более полной.

Герман Понцер использовал в своих исследованиях широко применяемый ныне так называемый метод «дважды меченной воды»: испытуемые в течение нескольких суток пьют определенное количество воды, меченной стабильными изотопами водорода (дейтерием) и кислорода (кислород-18). Затем в моче измеряется количество изотопов, из этого результата высчитывается количество выделенного углекислого газа, а из количества углекислого газа высчитывается суточный расход энергии.

Метод может показаться слишком косвенным, но по факту он оказывается более прямым и точным, нежели используемые ранее методы термометрии в камере или тем более расчеты по эмпирическим формулам типа Миффлина-Сан Жеора, Харриса-Бенедикта, Кетча-МакАрдла, Тома Венуто и Всемирной Организации Здравоохранения. Понцер с коллегами исследовали энергетические расходы человеческих популяций с принципиально разным образом жизни и соответствующей разницей в уровне физической активности: танзанийской народности хадзу, живущей охотой и собирательством, и жителей мегаполисов США и ЕС, живущих интернетом и шопингом. Полученные группой Понцера результаты показали, что вопреки расхожим представлениям количество «сжигаемых» людьми за сутки калорий практически не зависит от уровня их физической активности. И в то же время люди «сжигают» намного больше калорий, чем ближайшие эволюционные родственники – крупные приматы. Полученные результаты дали ключ к двум, казалось бы, разным, но на самом деле тесно связанным загадкам:

• Почему, как упоминалось выше, у человека и его непосредственных предков физические нагрузки плохо способствуют похуданию?

• Как возникли метаболические отличия людей от ближайших «родственников» – гомининов?

Аналогично в исследовании METS (Modelling the Epidemiological Transition Study) не найдено выраженной связи между уровнем суточной активности людей, измеряемым популярными фитнес-трекерами, и реальным среднесуточным уровнем метаболизма. В среднем превышение расхода энергии умеренно активных людей над расходом «лежебок» составляло около 200 ккал. Да, расход энергии в моменте может увеличиваться или уменьшаться весьма значительно, но в среднем за сутки и тем более за больший период времени люди расходуют приблизительно один и тот же уровень энергии с учетом пола, веса, роста и возраста. К сожалению, пока не совсем ясно, за счет каких механизмов человеческому организму удается экономить и в итоге выравнивать средний расход энергии.

Предполагается, что, с одной стороны, эволюционно у человека закрепился вообще несколько более высокий уровень метаболизма, чем у эволюционных родственников. С учетом размеров тела, уровней физической активности, доли жира и прочих факторов человек потребляет и расходует за день на 400 ккал больше, чем обыкновенный и карликовый шимпанзе, а тем более гориллы и орангутаны. Одной из причин могут быть увеличенные расходы на мозговую деятельность, связанные, например, с повышенной социализацией человека. Возникновение у человека специфической психологической патологии – депрессии – иногда связывается с чрезмерным расходом энергии вследствие увеличения мозговой деятельности, направленной на решение проблем социализации, то есть является важным адаптационным (эволюционным) приобретением (Andrews P. W. and Thomson J. A. Jr., 2009). Причем деятельности в итоге безрезультативной, ведущей к бесконечному «пережевыванию» ситуации, руминированию (рис. 9). Но, как считает профессор психологии из Университета Вандербилда Стивен Холлон, «мучительные самокопания – не следствие депрессии, а причина ее развития» (Stix G., 2021). Кроме того, крайне важным, но не бесспорным является и сам тезис о болезни (а депрессия, безусловно, болезнь) как возможном инструменте адаптации (БОН: глава XIV).

С другой стороны, у людей сформировались механизмы, позволяющие пиковое увеличение расхода энергии компенсировать последующим «скрытым» сокращением уровня метаболизма. Увеличение физической активности, возможно, дает сигнал сокращению расхода энергии во внутренних метаболических процессах, например связанных с поддержанием воспаления, пищеварительной деятельности и прочих некритических процессов, но не мозговой деятельности, для поддержания которой, напротив, стимулируются механизмы, обеспечивающие ее работоспособность в условиях ограничивающихся ресурсов. Возможно, у людей «зажатый» эффект иризина в отношении белой жировой ткани является проявлением общей стратегии метаболизма на экономию ресурсов, затрудняющим простое разбазаривание драгоценной энергии через теплообразование за счет «сбрасывания» протонного градиента по UCP-зависимым каналам. Человеческий организм оказывается более толерантным к «контрреволюционному кулацкому элементу» – белой жировой ткани, чем советская власть. Для стабилизации энергетического баланса он использует более либеральную политэкономическую линию жесткой государственной экономии и стимулирования предложения, то есть гарантии стабильного поступления энергии с пищей за счет поведенческих механизмов: совместной охоты на крупных животных, обобществления ресурсов, разделения общественного труда для выделения ресурсов для предварительной обработки пищи с целью ее лучшей усвояемости и т. д.

Рис. 9. Чрезмерный расход энергии при развязывании «узлов социализации» как возможная причина депрессии

Понцер сравнивает необходимость движения для людей с пассивным дыханием у акул: у этих хищников в процессе эволюции выработалось крайне агрессивное пищевое поведение; охотясь, они без остановки плавают и днем, и ночью. Постоянное движение вперед обеспечивает постоянное заглатывание воды и пропускание ее через жабры, что эволюционно привело к утрате развитой жаберной мускулатуры. Это позволяет экономить энергию, но ведет к необходимости постоянного движения: остановившись, многие виды акул «задыхаются». Последствия гиподинамии для человека гораздо менее стремительны, но не менее губительны. Однако, в отличие от акул, движение еще не стало для человека комфортным состоянием, подавляющему большинству из нас приятнее находиться в состоянии умеренного покоя. По выражению палеонтолога Нила Шубина, в строении и функционировании каждого из нас можно увидеть наших эволюционных предков, в анатомии, например «внутреннюю рыбу» (Neil Shubin, 2008). В свою очередь, по мнению Германа Понцера, «внутренняя обезьяна» в нашей физиологии зовет нас в потерянный рай жизни в джунглях, где, как и наши двоюродные братья шимпанзе и гориллы, можно 8–10 часов в день тратить на отдых, груминг и еду, спать 9–10 часов, бродить взад-вперед не более 3 км и пролезать вверх-вниз не более 100 м. Но почему-то около 2 млн лет назад наши непосредственные предки-гоминины буквально выбежали из этого рая. И только около 200 лет назад человечество начало снова физически «приостанавливаться». Для застрявшей в комфорте части человечества движение снова становится жизненно необходимым хотя бы для того, чтобы не набирать вес в ожирении (и это не противоречит тому, что физические упражнения сами по себе, без сокращения диеты, плохо справляются с УЖЕ накопившимся ожирением), предотвращать кризис иммунной системы, особенно в пожилом возрасте, поддерживать когнитивную функцию, противостоять, в конце концов, сердечно-сосудистым заболеваниям – главной причиной смертности в XXI веке.

Однако продемонстрированное влияние физических упражнений как горметического стресса на состояние здоровья умножается на 0 или на 10 одним очень важным фактором, находящимся в настоящее время в фокусе внимания сотен исследовательских групп – состоянием микробиома, в первую очередь микробиома кишечника. Микробиом может в значительной степени модулировать физиологическую результативность физических упражнений через ряд сравнительно хорошо исследованных механизмов, связанных, например, со стимуляцией вегетативной нервной системы. Реакция на стресс, в том числе горметический, определяется статусом этой системы, находящейся под постоянным влиянием оси взаимного влияния «мозг-кишечник», где роль ведущего канала взаимодействия играет блуждающий нерв. Функциональность этой оси также «администрируется» через выработку нейротрансмиттеров, таких как гамма-аминомасляная кислота (ГАМА), нейропептид Y, серотонин, а также биологически сверхактивных короткоцепочечных жирных кислот, и оборот этих соединений в значительной степени контролируется кишечной микрофлорой (БОН: глава VIII). Фундаментально кишечная микрофлора также контролирует всасывание питательных веществ, то есть, по сути, общее поступление энергии в организм хозяина.

В качестве предполагаемых механизмов различные группы исследователей называют ускорение транзита пищи через ЖКТ (Oettlé GJ, 1991), изменение профиля желчных кислот (Hagio M. et al., 1985), увеличение выработки короткоцепочечных жирных кислот (Cerda B., 2016), модулирование сигнальных путей клеточных иммунных toll-like рецепторов (Fracaux M., 2009; Frosali S., 2015), изменение уровня защитных секреторных иммуноглобулинов А (Viloria M. et al., 2011), количества В-лимфоцитов и CD4+ Т-лимфоцитов, и даже, парадоксальным образом, через вызванную нагрузками потерю веса (Turnbaugh P. J. et al., 2006). Остается вопрос, какой из механизмов в этой сложной комбинации эффектов все-таки является ведущим. Связующим звеном взаимного влияния физических упражнений на кишечный микробиом и микробиома на эффективность упражнений может оказаться, например, обнаруженное торможение выработки белков теплового шока в клетках кишечного эпителия в результате длительных упражнений, что ведет к упрочению плотных связей между ними и снижению проницаемости кишечника (Dokladny K. et al., 2016; Mailing L. J., 2019).

Не будет удивительным, что взаимное положительное влияние микрофлоры и клеток кишечника в значительной степени опосредованно митохондриями последних, что особенно проявляется в ходе физических нагрузок (Clark A. and Mach N., 2017). Так, микрофлора снабжает митохондрии их любимыми короткоцепочечными жирными кислотами (КЦЖК) – масляной (бутиратом) и уксусной (ацетатом). Благодаря бутирату «накачанные» митохондрии активнее вырабатывают PGC-1α и АМРК, что в данном случае «успокаивает» провоспалительный настрой клетки, связанный с NF-кВ, и стимулирует биогенез митохондрий (нарастание их количества и массы). Кроме того, вместе с вторичными желчными кислотами КЦЖК позволяют выстроить в просвете кишечника оптимальный окислительно-восстановительный потенциал, необходимый как для наилучшей производительности ЭТЦ, так и самочувствия кишечных бактерий. Благодаря оптимизированной функции митохондрий, в свою очередь, улучшаются иммунные свойства слизистой кишечника, ее способность противостоять возможному вторжению патогенов. Очень важным комплексным эффектом нормально функционирующих митохондрий в клетках кишечной стенки является нормализация ее проницаемости.

Летучие мыши, чей образ жизни, как обсуждалось, в плане физической нагрузки достаточно сильно отличается от остальных млекопитающих, также весьма основательно отличаются от других млекопитающих и по типичному составу микрофлору, приближаясь в этом отношении к птицам – животным, в чем-то более к ним близким по образу жизни и характеру физической нагрузки (Lutz H. L. et al., 2019).

В итоге оказывается, что физическая нагрузка в качестве горметического стресса, действуя на весь организм в самом широком смысле, то есть включающем его микробиом, запускает процесс благотворной адаптации также всего организма в самом широком смысле, что может как кратно увеличивать, так и нивелировать эффективность нагрузки. Это простое рассуждение приводит к необходимости постараться рассмотреть вопросы энергии и движения, в том числе движения эволюции, в контексте постоянного тесного взаимодействия взаимозависимых геномов.

1. Селье Г. (1982). Стресс без дистресса. – М: Прогресс.

2. ФГБУН «ФИЦ Питания, биотехнологии и безопасности пищи» (2020). Оценка влияния регулярного употребления воды с высоким содержанием бикарбоната натрия на анаэробную производительность. Отчет о научно-исследовательской работе.

3. Александер Д., Райхлен Д. (2020). Зачем мозгу физические упражнения? ВМН, № 3, с. 5–11.

4. Понцер Г. (2017). Парадокс физической активности. ВМН, № 4, с. 27–33.

5. Понцер Г. (2019). Эволюция и тренировки. ВМН, № 3, с. 5–13.

6. Шубин Н. (2008). Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней. – М.: Династия.

7. Radak Z., Chung H. Y., Koltai E., Taylo, A. W., Goto S. (2007). Exercise, oxidative stress and hormesis, Ageing Res. Rev. 170.

8. Malm C., Sjodin T. L., Sjoberg B., Lenkei R., Renstrom P., Lundberg I. E., Ekblom B. (2004). Leukocytes, cytokines, growth factors and hormones in human skelet al. muscle and blood after uphill or downhill running. J. Physiol. 556, 983–1000.

9. Peake J. M., Nosaka K., Muthalib M., Suzuki K. (2006). Systemic inflammatory responses to maximal versus submaximal lengthening contractions of the elbow flexors. Exerc. Immunol. Rev. 12, 72–85.

10. Goto S., Radak Z. (2005). Proteins and exercise. In: Mooren, F. C., Volker, K. (Eds.), Molecular and Cellular Exercise Physiology, Human Kinetics. Champaign, USA, 55–71.

11. Nieman D. C., Wentz L. M. (2019). The compelling link between physical activity and the body’s defense system. J Sport Health Sci; 8: 201–17.

12. Radak Z., Ishihara K., Tekus E., Varga C., Posa A., Balogh L., Boldogh I., Koltai E. (2017). Exercise, oxidants, and antioxidants change the shape of the bell-shaped hormesis curve. Redox Biology 12, 285–290.

13. Windsor M. T., Bailey T. G., Perissiou M., Meital L., Golledge J., Russell F. D., Askew C. D. (2018). Cytokine Responses to Acute Exercise in Healthy Older Adults: The Effect of Cardiorespiratory Fitness. Front. Physiol. 9: 203.

14. Fischer C. P. (2006). Interleukin-6 in acute exercise and training: what is the biological relevance? Exercise Immunology Review, 6–33.

15. Leal L. G., Lopes M. A., Batista M. L. (2018). Physical Exercise-Induced Myokines and Muscle-Adipose Tissue Crosstalk: A Review of Current Knowledge and the Implications for Health and Metabolic Diseases. Front. Physiol. 9: 1307.

16. Northoff H., Berg A. (1991). Immunologic mediators as parameters of the reaction to strenuous exercise. Int J Sports Med 12, Suppl, 1: S, 9–15.

17. Larrabee R. C. (1902). Leukocytosis after violent exercise. J Med Res (NS); 7: 76–82.

18. Kishimoto T. (1989). The biology of interleukin-6. Blood 74: 1–10.

19. Kerksick С. М., Wilborn C. D., Roberts M. D., Smith-Ryan A., Kleiner S. M., Jäger R., Collins R., Cooke M., Davis J. N., Galvan E., Greenwood M., Lowery L. M., Wildman R., Antonio J., Kreider R. B. (2018). ISSN exercise & sports nutrition review update: research & recommendations. Journal of the International Society of Sports Nutrition 15: 38.

20. Chycki J., Kostrzeva M., Maszczyk A., Zajac A. (2021). Chronic ingestion of rich-bicarbonate water improves anaerobic performance in hypohydrated elite combat sport athletes. Int J of Env Res and Public Health, 18.

21. Nicholls D. G., Bernson V. S., Heaton G. M. (1978). The identification of the component in the inner membrane of brown adipose tissue mitochondria responsible for regulating energy dissipation Experientia Suppl.,Vol. 32., 89–93.

22. Rupprecht A., Sittner D., Smorodchenko A., Hilse K. E., Goyn J., Moldzio R., Seiler E., Anja U., Brauer A. E. M., Pohl E. E., (2014). Uncoupling Protein 2 and 4 Expression Pattern during Stem Cell Differentiation Provides New Insight into Their Putative Function. PLoS ONE 9(2): e88474.

23. Chaudhuri L., Srivastava R. K., Kos F., Shrikant P. A. (2016). Uncoupling protein 2 regulates metabolic reprogramming and fate of antigen-stimulated CD8+ T cells, Cancer Immunol Immunother. 65 (7): 869–874.

24. Echtay K. S., Winkler E., Bienengraeber M., Klingenberg M. (2000). Site-directed mutagenesis identifies residues in uncoupling protein (UCP1) involved in three different functions. Biochemistry; 39: 3311–3317.

25. Dietrich M. O., Andrews Z. B., Horvath T. L. (2008). Exercise-Induced Synaptogenesis in the Hippocampus Is Dependent on UCP2-Regulated Mitochondrial Adaptation. Journal of Neuroscience 15 October, 28 (42): 10766–10771.

26. Raschke S., Elsen M., Gassenhuber H., Sommerfeld M., Schwahn U., Brockmann B., Jung R., Wisløff U., Tjønna A. E., Raastad T., Hallén J., Norheim F., Drevon C. A., Romacho T., Eckardt K., Eckel J. (2013). Evidence against a Beneficial Effect of Irisin in Humans//PLoS ONE. – September 11 (Vol. 8, № 9), e73680.

27. Raichlen D. A., Klimentidis, Y. C., Bharadwaj, P. K., Alexander G. E. (2019). Differential Associations of engagement in physical activity and estimated cardiorespiratory fitness with brain volume in middle-aged to older adults in Brain Imaging and Behavior.

28. Raichlen D. A., Alexander G. E. (2017). Adaptive capacity: an evolutionary neuroscience model linking exercise, cognition, and brain health. Trends in Neurosciences, Vol. 40, № 7, 408–421.

29. Clark A., Mach N. (2016). Exercise-induced stress behavior, gut microbiota-brain axis and diet: a systematic review for athletes. Journal of the International Society of Sports Nutrition, 13–43.

30. Zeppa S. D., Agostini D., Gervasi M., Annibalini G., Amatori S., Ferrini F., Sisti D., Piccoli G., Barbieri E., Sestili P., Stocchi V. (2020). Mutual Interactions among Exercise, Sport Supplements and Microbiota. Nutrients 2020, 12, 17.

31. Oettlé G. J. (1991). Effect of moderate exercise on bowel habit. Gut, 32, 941–944.

32. Hagio M., Matsumoto M., Yajima T., Hara H., Ishizuka S. (1985). Voluntary wheel running exercise and dietary lactose concomitantly reduce proportion of secondary bile acids in rat feces. J. Appl. Physiol., 109, 663–668.

33. Cerda B., Perez M., Perez-Santiago J. D., Tornero-Aguilera J. F., Gonzalez-Soltero R., Larrosa M. (2016). GutMicrobiota Modification: Another Piece in the Puzzle of the Benefits of Physical Exercise in Health, Front. Physiol., 7, 51.

34. Francaux M. (2009). Toll-like receptor signalling induced by endurance exercise. Appl. Physiol. Nutr. Metab., 34, 454–458.

35. Frosali S., Pagliari D., Gambassi G., Landolfi R., Pandolfi F., Cianci R. (2015). How the Intricate Interactionamong Toll-Like Receptors, Microbiota, and Intestinal Immunity Can Influence Gastrointestinal Pathology. J. Immunol. Res., 2015, 489821.

36. Viloria M., Lara-Padilla E., Campos-Rodríguez R., Jarillo-Luna A., Reyna-Garfias H., López-Sánchez P., Rivera-Aguilar V., Salas-Casas A., Berral de la Rosa F.J., García-LatorreE. (2011). Effect of moderate exercise on IgA levels and lymphocyte count in mouse intestine. Immunol. Investig., 40, 640–656.

37. Turnbaugh P. J., Ley R. E., Mahowald M. A., Magrini V., Mardis E. R., Gordon J. I. (2006). An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature, 444, 1027–1031.

38. Mailing L. J., Allen J. M., Buford T. W., Fields C. J., Woods J. A. (2019). Exercise and the Gut Microbiome: A Review of the Evidence, Potential Mechanisms, and Implications for Human Health. Exerc. Sport Sci. Rev. 2019, 47, 75–85.

39. Dokladny K., Zuhl M. N., Moseley P. L. (2016). Molecular Adaptations to Exercise, Heat Acclimation, and Thermotolerance. J. Appl. Physiol. 15; 120 (6): 692–701.

40. Andrews P. W., Thomson J. A. Jr. (2009). The bright side of being blue: depression as an adaptation for analyzing complex problems. Psychol. Rev.; 116 (3): 620–54.

41. Stix G. (2021). Evolution Could Explain Why Psychotherapy May Work for Depression. Scientific American, February, 14.

42. Clark A., Mach N. (2017) The Crosstalk between the Gut Microbiota and Mitochondria during Exercise. Front. Physiol. 8: 319.

43. Lutz H. L., Jackson E. W., Webala P. W., Babyesiza W. S., Kerbis Peterhans J. C., Demos T. C., Patterson B. D., Gilbert J. A., (2019). Ecology and host identity outweigh evolutionary history in shaping the bat microbiome. mSystems, 4: e 00511–19.

Разумеется, в эволюционном движении живого, как разновидности движения материи и энергии, нет никакого предопределенного смысла, а тем более замысла – ни скрытого, ни тем более явного, несмотря на то что они «ясно видны» многим «посвященным». Если где-то в данной книге и используются выражения вроде «эволюция сделала вот это, чтобы решить вот то», на самом деле это всего лишь «обытовленное» объяснение динамики генетических ансамблей, к которым «принципы статистической физики применимы столь же, сколь и к ансамблям молекул» (Кунин Е. В., 2012).

Все формы взаимодействия в биологических и протобиологических средах (сложных органических молекул) можно в своих крайних пределах свести к двум формам: отношениям протагонистов или дружественности (сотрудничество, синтрофия, симбиоз, кооперация и т. д.) и отношениям антагонистов или враждебности (прямое соперничество, конкуренция, с одной стороны, и хищничество, паразитизм, зачастую вырастающий из сотрудничества, с другой). Граница между ними тонкая, если не зыбкая; нейтральных же взаимодействий, пожалуй, нет совсем. Соответственно, ответ на вопрос, на каких этапах развития материи и в какой последовательности эти явления возникают, и каким образом они вытекают из оснований статистической физики, может стать и предвестником ответа на вопрос о сущности болезней, воспринимаемых часто как потери совершенства изначально почти безупречных организмов или как прямые следствия их некоего изначального несовершенства. Представляется, однако, что именно несовершенства, как отклонения от совершенного низкоэнтропийного «идеала», реальные или кажущиеся, и делают живой (и не только живой) мир таким, каков он есть: развивающимся от простого к все более сложному, постоянно генерирующим что-то новое, неизбежно забывающим и неизбывно повторяющим (почти) все старое, в котором все в отдельности неизбежно скоро заканчивается и когда-то закончится и все целиком.

В третьей главе на отдельных примерах были кратко рассмотрены квантовые и энтропийные основания базовых энергетических предпосылок жизни и сопутствующая им диссипативность, то есть «набор свойств открытой, неравновесной, рассеивающей энергию системы, движимой градиентом энергии, что увеличивает энтропию окружающей среды». Несомненно, что физические, в первую очередь термодинамические основания, второе начало термодинамики являются наиболее всеобъемлющим оправданием существования всего живого с его общим движением к нарастанию энтропии, но с неизбежным возникновением локальных и преходящих ее снижений (флуктуаций), то есть упорядочиваний хаоса. Рассмотрение энтропии как чистой «меры беспорядка» может запутать: очевидно, что энтропия «покоящейся» системы – ровного песка в пустыне, сбалансированной группы клеток, стагнирующего человеческого общества – гораздо выше, соответственно, энтропии осыпающегося бархана, смеси клеток хозяев и клеток новых паразитов, общества в состоянии революции и гражданской войны, ввиду того, что совокупность или возможность «выбора» доступных состояний для каждой единицы или вариантов совокупностей микросостояний в «спокойной» системе гораздо больше возможностей выбора в состоянии «революции».

Со времен установления принципа Людвига Больцмана (ок. 1875 г.) стало возможным рассматривать классическую термодинамическую и информационную энтропию как практически и теоретически очень близкие, если не равнозначные. В формулировке Макса Планка (ок. 1900 г.) этот принцип как связь средней энтропии системы с вероятностью данного состояния определяется логарифмической зависимостью:

где S – общая энтропия состояния системы, константа k = = 1,38*10-23 Дж/К, названная Планком постоянной Больцмана, а Ω – статистический вес состояния, являющийся числом возможных равновероятных микросостояний (способов), с помощью которых можно составить данное макроскопическое состояние. Более ранняя формулировка Джозайя Гиббса (1878 г.) для микросостояний, имеющих разную вероятность, устанавливает зависимость в виде суммы произведения вероятности состояний на натуральные логарифмы этих же вероятностей, взятой с противоположным знаком:

где P_i – вероятность пребывания системы в состоянии i. Минус в начале формулы необходим для приведения обеих частей формулы к общему знаку из-за постоянной отрицательности логарифмов вероятности (так как вероятности всегда меньше 1) и неизменной положительности энтропии. Сам Больцман, комментируя свое физико-статистическое определение энтропии, отмечал, что энтропия характеризует недостающую информацию о системе. В этой интерпретации энтропия может считаться мерой неполноты информации о системе.

В ходе разработки углубленной теории информации информационной энтропией стала считаться мера неопределенности, независимо выведенная как сумма произведений вероятностей событий на логарифмы этих же вероятностей (формула Хартли-Шеннона, основателей теории информации), взятая с противоположным знаком:

где H(x) – средняя энтропия сообщения, иногда обозначаемая также как мера неопределенности какого-либо события, или даже как количество информации, P_i – вероятность отдельного события i. Основание логарифма в принципе может быть любым больше 1: в двоичных информационных системах – 2, математические статистики, использующие формулу в различных научных дисциплинах, в том числе биологических и клинических, часто используют натуральный логарифм.

Одной из точек смыкания термодинамической и информационной энтропии являлся, например, известный парадокс «демона Максвелла», гипотетического устройства, стоящего на границе двух объемов и способного различать быстрые и медленные молекулы и, соответственно, пропускать или не пропускать молекулы в одну сторону, что спонтанно ведет к увеличению упорядоченности системы и падению энтропии, что формально противоречит второму началу термодинамики. Решение парадокса было предложено французским и американским физиком Леоном Бриллюэном, математически показавшем, что даже демон ничего не хочет делать бесплатно: чтобы увидеть скорость молекулы, ему нужно заплатить энергией, которая не может быть менее энергии одного теплового кванта (0,025 эВ при комнатной температуре), и эта энергия соответствует минимальной цене одного бита информации. То есть демон совершает работу по обработке информации, и эта работа охлаждает одно тело и нагревает другое, и так же, как за работу любого домашнего холодильника, за эту работу надо платить.

Демон Максвелла получает (увеличивает) информацию о системе, равную уменьшению энтропии (или увеличению негэнтропии), и, казалось бы, отсюда информация = негэнтропия. Однако Бриллюэн различал свободную информацию (без четкого определения) и связанную, возникающую, когда возможные случаи могут быть представлены как микроинформация физической системы, и замечал, что «только связанная информация будет представляться связанной с энтропией».

В российской литературе и части зарубежной со связанной информацией Бриллюэна наиболее соотносится термин «микроинформация», отличающийся от «макроинформации» (практически всегда соответствующей общему термину «информация» в большинстве резонов его применения) тем, что не обладает свойством фиксируемости (запоминаемости). В работах Дэвида Уолперта (см. ниже) с микроинформацией может быть сопоставлена «синтаксическая информация», а с макроинформацией – «семантическая (смысловая) информация». Помимо запоминаемости вторым критерием информации в наиболее оптимальном для практического применения определении информации по Генри Кастлеру является случайность: «информация есть случайный и запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных» (Кастлер Г., 1967). Важнейший момент в данной теории информации следует из ее определения: возникновение (генерация) информации – это случайный, но запомненный выбор. Второй важный момент – это наличие ценности информации, мерилом которой служит степень ее соответствия цели системы. Она может определяться как функция, включающая отношение вероятности достижения цели (или уменьшения энергетических, временнЫх или материальных затрат, если цель безусловно достижима) после получения информации, к этой вероятности или снижению затрат без обладания этой информацией (Чернавский Д. С., 2004). До получения информации вероятность достижения цели определяется тем, какой предварительной запомненной информацией (тезаурусом) уже располагает принимающий ее элемент. Имея минимумом информации, хотя бы минимальной запомненной информацией «о самом себе», элемент располагает минимальным тезаурусом.

Семантическая информация поддерживает длительное существование системы за счет минимизации энтропии системы. Дэвид Уолперт разделяет два вида семантической информации: сохраненную семантическую информацию, которая основывается на обмене общей информацией между системой и окружением в некий исходный момент времени, и наблюдаемую информацию, которая основывается на переносе энтропии между системой и окружением за время от исходного до момента наблюдения. В отличие от синтаксической микроинформации семантическая информация, располагая критерием ценности, может быть ценной (положительной), малоценной или вовсе ошибочной, то есть отрицательной, наносящей урон системе, сокращающей время ее существования. Семантическая информация, в противоположность синтаксической, по Уолперту, фундаментально ассиметрична в ходе любого обмена ею. Другое ключевое понятие, вводимое Уолпертом, это понятие «автономного агента» – физическая система способна быть автономным агентом в той степени, в какой она располагает объемом семантической информации. Данной теорией предполагается, что способность быть живым – это способность быть чрезвычайно развитым автономным информационным агентом.

Квантовая теория информации в версии Сета Ллойда (Seth Lloyd, Ллойд С, 2013, Extreme Quantum Information Theory, xQIT) устанавливает, что уже каждая элементарная частица несет в себе информацию; даже исходя из принципа Паули каждая частица во Вселенной «знает», где находится другая аналогичная частица и может находиться как во многих «определенных» состояниях, так и «неопределенных» (суперпозициях). В квантовой механике, согласно xQIT, информация может возникать как бы «из ничего», что немыслимо для классической физики. Информация «из ничего», как увеличение энтропии (то есть микроинформация), возникает вследствие феномена квантовой запутанности из любого взаимодействия квантовых частиц – квантовых единиц информации (кубитов). И эта информация, вследствие дальнейшей цепи взаимодействий, имеет тенденцию к максимальному распространению в пространстве-времени, то есть обладает некоей «заразностью».

Сама Вселенная в рамках xQIT описывается как единый квантовый компьютер, вычисляющая сама себя. Кроме того, любые системы, имеющие в основе физические взаимодействия, понимаются ею как вычислительные. Доказывается, что вычислительная мощность любой физической системы может быть подсчитана как функция количества доступной системе энергии вместе с размером этой системы (Lloyd S., 2000). Своеобразные пределы вычислительной мощности (скорости обработки и генерации информации) задает теорема Марголюса – Левитина, устанавливающая, что максимальная частота, с которой физическая система (например, даже элементарная частица – такая, как электрон) может переходить из одного состояния в другое, пропорциональна доступной энергии системы: чем больше доступной энергии, тем меньше времени нужно системе (электрону) для перехода из одного состояния в другое (Margolus N. and Levitin L. B., 1998). Полными признаками вычислительных систем обладают химические и биологические системы. Даже в рамках ньютоновской механики столкновения атомов, как столкновения бильярдных шаров естественным образом совершают базовые логические операции «или», «и», «не», «копировать», согласно концепции «бильярдного» или обратимого механического компьютера Эдварда Фредкина и Томазо Тоффоли (Edward Fredkin and Tommaso Toffoli, 1982). И, соответственно, любая химическая система или реакция также могут быть описаны в терминах базовых логических операций.

Нет оснований сомневаться и в вычислительном характере поведения биологических систем. Наиболее очевидным образом это можно увидеть на примере простейших, как нам кажется, организмов. В эксперименте Липин Чжоу и соавт. (Liping Zhou et al., 2018) группа китайских и японских исследователей заставляла амебу Physarum polysarum решать классическую задачу коммивояжера – поиск оптимального маршрута через n городов. Причем не в простом варианте выбора из 3 вариантов маршрута для 4 «городов», а из 2 520 вариантов движения для 8 пунктов назначения (число вариантов = (n – 1)!/2).

Нет оснований считать, что вычислительные возможности гораздо более сложных организмов, включая человека, хоть сколько-то меньше. Однако их нацеленность и заточенность на решение гораздо более сложных, менее дефинированных и трудноформулируемых нашим языком задач не позволяет им в обыденной жизни проявлять такие удивительные феномены, на которые способны «простейшие» организмы в обработке семантической информации. Весьма похоже, что чем меньше или проще автономный информационный агент, тем на большие вычислительные «чудеса» он способен с простой человеческой точки зрения.

Д. С. Чернавский (2004) выводит возможность спонтанного возникновения цели у элемента информационной системы (то есть системы, способной воспринимать, запоминать и генерировать информацию) из формальных математических оснований, на основании анализа поведения модели автономной динамической многокомпонентной мультистабильной системы, являющейся условным подобием живой или протоживой системы, или системы живых существ. Анализируемая Д. С. Чернавским модель информационной динамической системы многочленна: она включает временной член автокаталитического воспроизводства, отрицательный (то есть антагонистический) член взаимодействия разнородных элементов, член перенаселенности однородных элементов. В расширенный вариант модели добавлены выражения, симулирующие взаимопомощь однородных элементов, сотрудничество (симбиоз) разнородных элементов и модернизацию «своей» информации элемента.

Как показано Д. С. Чернавским, в таких информационных динамических системах с заданными свойствами целью каждого элемента становится сохранение своей информации. Эквивалентными формулировками данной цели с измененными акцентами могут, по Д. С. Чернавскому, быть «выбор такой информации, которая сохранится в будущем» и «распространение своей информации на всю систему». В последней формулировке можно увидеть ее конгруэнтность идее «заразности» бита квантовой информации Сета Ллойда. Можно зафиксировать, что индивидуальность объекта (агента), обладающего «разумностью» (достаточной вычислительной сложностью в обмене информацией с окружающей средой, предиктивностью и так далее), то есть живого, соотносится со способностью поддерживать цель в сообразном ему масштабе системы. А сама цель, как показано выше, в принципе, может возникать спонтанно. В обзорной визионерской работе Майкла Левина (Michael Levin, 2020) близкие положения формализируются на основе огромного свода публикаций последних лет в форме гипотезы «безмасштабной когнитивности» (Scale-Free Cognition). Вот ее основные положения в кратком, насколько возможно, изложении:

1. Когнитивная индивидуальность (Self, «Я» объекта) может быть определена по отношению к способности преследовать отдельные цели через поддержание гомеостаза, сопротивляющегося возмущениям.

2. Когнитивный мир индивидуальности характеризуется пространственно-временными границами его области интереса, в которых она может измерять, влиять и функционально связывать разрозненные события.

3. Границы временных и пространственных событий, которые могут быть измерены и воздействованы данной системой, составляют «когнитивный световой конус» – границу в информационном пространстве «разума» системы. Эти границы могут увеличиваться или уменьшаться во временных масштабах эволюции или индивидуального развития (онтогенеза). Ключевым моментом является поддержание баланса селективного совместного использования информации (balance of selective information sharing) через некие «синапсы» – в данном случае произвольные физические структуры. «Синапсы» позволяют совместно использовать свою способность регулировать прохождение сигналов на основе состояния аналогичных элементов. Недостаточность совместного использования ведет к неспособности объединить субъединицы в новую индивидуальность. Чрезмерность совместного использования (в пределе – абсолютная равнодоступность информации) приводит к однородному бульону с недостаточной дифференциацией составных частей и недостаточным абстрагированием информации.

4. Расширение масштабов агентов движется их активной интерференцией с окружением. Объединение в более крупные коллективы с оптимальной информационной структурой улучшает вычислительные (предиктивные) возможности и порождает функциональные связи.

5. Инфотаксис (стремление к лучшей действенной разумности/пониманию типичных паттернов во внешнем окружении и внутри собственных механизмов агента) побуждает отдельных агентов объединяться в группы посредством обмена информацией через сигнальные системы. Можно сказать, что идея инфотаксиса – это мотор гипотезы когнитивной индивидуальности, заставляющий агентов «двигаться», взаимодействовать и выбирать стратегию. Вообще, изначально идея инфотаксиса – это выбор той стратегии поиска информации, которая максимизирует ожидаемые выгоды (Vergassola M, Villermaux E. and Shraiman B, 2007).

6. Важно сотрудничество не само по себе, а сотрудничество эгоистичных агентов, сводящее к минимуму их стресс (неожиданность) и конкуренцию за информацию. Стремление отдельного агента к информации (инфотаксис) стимулирует кооперативность, поскольку каждая единица расширяет свои вычислительные границы через обмен информацией с соседями и неизбежно становится частью большей индивидуальности с более крупными гомеостатическими аттракторами. Это выглядит как чистая кооперация только с точки зрения более высокого уровня.

7. Между анатомическими механизмами контроля и когнитивными механизмами существует фундаментальная симметрия. Совместная коэволюция и экзаптация (функциональное перепрофилирование) служат драйверами взаимного расширения механизмов, контролирующих формирование морфофункциональных паттернов и поведенческие цели.

8. Нейроны используют те же биоэлектрические вычислительные стратегии, которые использовались эволюцией еще в древних бактериях. Функциональный изоморфизм (внешнее подобие) между формированием паттернов и когнитивными процессами также отражается в древней молекулярной консервации механизмов: практически идентичные ионные каналы и нейротрансмиттеры распространены повсеместно по всему древу жизни. Биоэлектрическая интеграция помогла развить стратегии управления и когнитивный контент по всему континууму от химических сетей до человеческого разума.

9. Существует глубокая функциональная масштабная инвариантность, проявляющаяся в единой структуре принятия решений отдельными клетками при формировании тела нового организма, работой колонии насекомых и интегрированным поведением человека в обществе: это кибернетические процессы обучения и оптимизации параметров, реализуемые большим количеством субагентов, движимых инфотаксисом и стремлением к устойчивости гомеостаза.

10. Один из основных рычагов управления, используемых эгоистичными агентами, – динамика границ между их «индивидуальностью» и «окружающей средой». Передача сигналов между животными в экосистеме принципиально не отличается от передачи сигналов внутри мозга (или, в более широком охвате масштабов, внутри организма или внутри клетки) – все являются примерами информации, распространяющейся через сети локально-компетентных микроагентов, имеющих свои подвижные границы (Pais-Vieira et al., 2013; Kingsbury et al., 2019; Zhang and Yartsev, 2019).

Удивительно, насколько формулировки безмасштабной когнитивности Майкла Левина и автономной динамической информационной системы Д. С. Чернавского в применении к реальным биологическим системам перекликаются с концепцией «эгоистичного гена» Ричарда Докинза, который, как ни странно, в своих основных прорывных работах не опирается прямо на принципы статистической физики.

Важно понимать, что цель элемента (отдельного агента) отличается от целевой функции всей системы. Максимально общую целевую функцию можно предположить, на первый взгляд, как стремление к наиболее однородному (то есть термодинамически наиболее выгодному) состоянию, что в принципе может быть сообразно и цели отдельного элемента. Но в наиболее полной мере цели «выживших» («победивших») элементов и целевая функция всей системы могут совпадать лишь на последней стадии развития системы, когда почти все элементы обладают практически одинаковой информацией, и окончательное состояние системы полностью предсказуемо.

Однако время достижения этого состояния может стремиться к бесконечности, особенно когда есть непрерывный поставщик энергии в систему, и сама система является частью большой надсистемы. Более того, при условии постоянного поступления энергии в систему сама система может спонтанно самоусложняться и создавать иерархию (см., например, ниже теорию Джереми Ингланда). Также было показано, что в подобных моделях цели элементов могут изменяться в зависимости, скажем, от формирования новых иерархических над-уровней, а также может меняться (актуализироваться) тезаурус, то есть «своя информация» в зависимости от рецепции и генерации новой информации, когда новый случайный выбор делается в изменившемся контексте. Соответственно, имеющиеся ограничения в емкости «тары информации», особенно для сравнительно примитивных систем и их элементов, требуют избирательности в накоплении информации; минимально ценная информация в таких системах накапливаться не должна: в них просто может не хватить ни емкости «информационной тары», ни энергии, необходимой для ее поддержания.

Как мы видим, задав определение «информационной системы», возможно прийти к выводу о способности самогенерации внутри ее первичной цели (ОП!). Согласно Д. С. Чернавскому, здесь важно взаимодействие всех трех важнейших аспектов: способностей к рецепции информации, генерации и сохранению. Так, для генерации информации необходимо сочетание как минимум двух условий: наличие хаоса (в математическом понимании, для случайности выбора) и механизма запоминания. Такое сочетание свойств есть по умолчанию далеко не у всех динамических систем, а только у тех, которые включают в себя, в терминологии Д. С. Чернавского, «перемешивающий слой». В самом общем определении «перемешивающий слой» – это область фазового пространства (то есть представления множества возможных состояний) мультистабильной (то есть потенциально способной находиться в нескольких устойчивых состояниях) динамической системы, обладающая следующими свойствами.

1. Все траектории системы (то есть последовательности смены состояний), исходящие из определенной области начальных условий, в момент времени t0 попадают в перемешивающий слой.

2. Все траектории в момент времени Т выходят из перемешивающего слоя и переходят в область мультистабильного динамического режима.

3. В области перемешивающего слоя имеет место стохастический (абсолютно случайный) режим, где произведение времени Т на величину С – аналога числа Ляпунова – много больше единицы:

где Δx(t₀) и Δx(T) – расхождения траекторий в моменты входа и выхода из перемешивающего слоя, соответственно. Величина С переходит в соответствующее число Ляпунова при Т → ∞.

Очень упрощая, можно сказать, что перемешивающий слой – та область фазового пространства, в котором неопределенность поведения объекта резко возрастает. В работах Г. Г. Малинецкого и соавторов (2000) области с подобными характеристиками называются областями со сверхбыстрой и малопредсказуемой динамикой или «джокерами» (jockers), а противоположные им по свойствам динамические области с медленной динамикой и хорошей предсказуемостью – «руслами» (channels), в которых неизбежно собираются множество изначально весьма различных траекторий. Последние области применительно к биологии можно сопоставить с креодами Конрада Уоддингтона (Conrad Waddington, 1964): «самоканализирующимися» траекториями развития организмов, которые определяются не только собственно генетической наследственностью, но и, например, ее эпигенетическим ландшафтом. При определенных условиях подобная канализация траекторий развития может выражаться в сходстве фенотипов при весьма различных генотипах, что может служить, например, причиной возникновения вавиловских гомологичных рядов у растений.

Соответственно, исходя из изложенных выше предпосылок, в большом обобщении любое развитие можно представить как чередование динамических и хаотических стадий (стадий перемешивающего слоя). В этом смысле необходимость чередования «сухих» и «влажных» фаз в рассматриваемых выше гипотезах зарождения жизни можно считать вполне обоснованной. В еще большем обобщении Д. С. Чернавский сопоставляет данную схему развития с гегелевской триадой «тезис→антитезис→синтез», где тезис и синтез соотносятся с динамическими стадиями, но с разным объемом содержащейся информации, а антитезис соответствует хаотической стадии: перемешивающему слою (джокеру).

Если у Д. С. Чернавского и М. Левина индивидуальность агента или элемента информационной системы фактически возникает в момент [спонтанного] возникновения цели, то у Дэвида Кракауэра и коллег (Krakauer D. et al., 2020) в информационной теории индивидуальности (ИТИ, the information theory of individuality) индивидуальность агента при определенных условиях возникает в многоуровневой системе, где есть поток информации между агентами, но также исключительно из формальных информационно-математических оснований.

Сама индивидуальность в ИТИ понимается как некая совокупность (агрегат) элементов, способная сохранять свою целостность во времени и распространять связанную с собой информацию из прошлого в будущее. Переформулировка одного из вариантов определения цели информационной динамической системы Д. С. Чернавского («целью является выбор такой информации, которая сохранится в будущем») дает общую платформу для ИТИ и рассмотренных выше целеполагающих подходов при рассмотрении возникновении цели и индивидуальности. В ИТИ индивидуальность в итоге обладает несколькими неожиданными характеристиками.

1. Сама индивидуальность скорее непрерывна, чем бинарна, то есть может не иметь четких границ, или, другими словами, в каком-то элементе ее может больше, а в каком-то меньше.

2. Индивидуальность может возникать на самых разных уровнях – уровне организма (что наиболее понятно), колонии, роя (например, у насекомых, что менее понятно, но тем не менее), и даже надколониальном уровне в форме особых отношений сообщества с окружающей средой (что воспринимается с еще большим трудом).

3. Индивидуальность может быть вложенной, то есть отдельная индивидуальность может быть частью другой надындивидуальности (рис. 10). Более того, теоретически не исключается, что отдельный элемент может быть частью разных индивидуальностей. Крайний предел этой тенденции могут представлять вирусы – химерные индивидуальности.

4. Репликация (то есть наиболее понятная форма переноса информации из прошлого в будущее) не является обязательным признаком индивидуальности.

5. Организующий принцип адаптивных систем индивидуальностей – способность к максимальному снижению неопределенности. При этом агент, обладающий индивидуальностью, обязан обладать возможностью максимизации скорости передачи информации. Эта характеристика очевидным образом перекликается с принципом свободной энергии Карла Фристона (БОН: глава VI).

Рис. 10. Вложенные матрешки-индивидуальности

Насколько гипотеза безмасштабной когнитивности Майкла Левина перекликается с идеей «эгоистического гена» Ричарда Докинза, настолько ИТИ Дэвида Кракауэра – с концепцией холобионта, введенной в научный оборот неутомимой Линн Маргулис (Lynn Margulis, 1991) БОН: глава VIII, и развитой далее американо-израильскими учеными Юджином и Иланой Розенберг (Eugene Rosenberg and Ilana Zilber-Rosenberg, 2008, 2018V). Концепция предполагает, что единицей эволюции многоклеточных организмов и субъектом отбора является холобионт – совокупность макроорганизма и его динамически подвижного, но достаточно стабильного микробиома. Сообщность генома хозяина (якорного организма) и всего множества геномов сожительствующих с ним организмов (преимущественно бактерий) – относительно автономных самих по себе агентов – понимается как хологеном.

Анализ взаимодействия агентов в рамках мультистабильных динамических систем позволяет сделать еще два вывода, исключительно важных для логики всего повествования.

Во-первых, самые простые виды взаимодействия вроде случайных нерегулярных столкновений ведут к критическим или фатальным для объектов исходам. Взаимодействия агентов, разделяющих общие ресурсы, изначально, то есть при чрезмерности совместного использования и недостаточной дифференциации агентов (см. выше – гипотеза безмасштабной когнитивности Майкла Левина) склонны к протеканию в форме соперничества (конкуренции). Соперничество в целом пропорционально численности объектов и напряжению поля, в котором происходит взаимодействие. Соперничество, с одной стороны, отбирает более подходящие или приспособленные в конкретных условиях объекты, радикально ограничивает свободу выбора, заставляет «выбирать» траектории, направленные к строго детерминированным целям, то есть снижает рост энтропии. С другой – соперничество через фатальные столкновения статистически заставляет объекты генерировать огромное количество микроинформации, то есть связанной с энтропией информации по Бриллюэну, или негэнтропии, которая в итоге с эффективностью в зависимости от запоминающей емкости системы порождает и актуальную ценную макроинформацию.

Во-вторых, более сложные объекты, то есть со сформировавшимися, но не абсолютными физическими, когнитивными границами и индивидуальностями, оказываются способными усреднять или не фатализировать свои взаимодействия. Если при этом проявляются регулярности и закономерности, данный вид взаимодействия можно уже называть кооперацией. Траектория движения системы в этом случае также во многом определяется разностью потенциалов (напряжением генерирующего поля) и количеством вовлеченных объектов. Нечрезмерная, но стабильная разность потенциалов способна вызвать предсказуемое движение системы по аттрактору, или руслу в иной терминологии. Если устойчивость кооперативного устройства системы оказывается выше, чем конкурентного хотя бы в какой-то части фазового пространства, то такое устройство с неизбежностью возникает. Кроме того, возникает положительная обратная связь между кооперативным устройством и специализацией объектов. Генерация новой информации в кооперативной среде гораздо меньше, чем в конкурентной, но создаются возможности актуализации преднакопленной информации, что дает рост развитию функциональной сложности. С другой стороны, в сложившейся кооперативной среде при низком напряжении поля взаимодействия размывается направленность совместного движения системы, что увеличивает свободу объектов и необратимо способствует появлению паразитизма. Паразитизм здесь – предтеча новой генерации конкурентного взаимодействия, способный в условиях кооперативной среды эту среду стремительно разрушить.

Возможно, именно с этим и связана необходимость периодического «выхода за границы», например в виде смены поколений, начиная с простейшего деления примитивных микроорганизмов пополам, о чем уже упоминалось в III главе: при росте клетки ей становится все труднее и труднее поддерживать внутреннюю упорядоченность в силу кратного увеличения собственного объема, и клеточное деление становится решением, позволяющим уменьшившимся дочерним клеткам и далее продолжать повышать свою внутреннюю упорядоченность. Однако достаточно возросшая сложность биологических объектов, таких, например, как эукариоты, не позволяет постоянно осуществлять смену поколений простым делением пополам (или очень условно пополам – например, почкованием), и в условиях энергетической достаточности, которую обеспечивают митохондрии (но и одновременно рождают кратно увеличенную сложность), возникают сложное деление – митоз, половое размножение и смертность. Новые системы, «забывая» часть информации, могут легче преодолевать холмы адаптационного ландшафта, в отличие от старых, в этих холмах безнадежно застрявших и/или даже их фактически создавших. Такая своеобразная езда «враскачку» по эволюционному бездорожью, становящаяся частным биологическим законом неизбежной смерти сложных организмов. Можно отметить, что даже для относительно простых организмов, таких как бактерии, предположено наличие двух принципиально различных клеточных линий: непрерывно обновляющейся бессмертной зародышевой линии и смертной соматической линии, берущей на себя информационные издержки предыдущего поколения «отцов» (Teulière Jet al., 2020).

Помимо рассмотренного выше, а также обозначенных ранее феноменов квантовой неопределенности, допускающих возможность «невозможных» событий, и всеобщего давления законов энтропии, есть несколько взаимосвязанных концепций (иногда называемых даже парадигмами синергетики, Подлазов А. В., 2002) позволяющих в наиболее общем виде объяснить появление самоорганизованной сложности из первородного хаоса еще с нескольких сторон.

Это, во-первых, концепция спонтанной самоорганизации. В неравновесных системах, например включающих полупроницаемые мембраны, возникают процессы самоорганизации, когда из большого числа параметров системы «самоотбираются» несколько параметров порядка – ведущих переменных, к которым подстраиваются все остальные. При определенных условиях (например, при наличии выраженного пространственного распределения системы и рассеяния – диссипации) в таких неравновесных, но пока еще устойчивых системах самоорганизация может вызвать потерю устойчивости однородного равновесного состояния и, как вариант, образование стационарных структур, названных выдающимся бельгийским химиком российского происхождения И. Р. Пригожиным диссипативными (альтернативные диссипативным процессам в неравновесных системах могут быть, например, еще и автоволновые). В таких неравновесных диссипативных системах могут возникать так называемые точки бифуркации – внезапные и неожиданные изменения поведения системы. Математически они рассматриваются как точки на кривой состояния в фазовом пространстве системы, которым соответствует более одного решения. Это означает, что дальнейшая траектория системы практически равновероятно может пойти по любому пути. Но эта равновероятность, или неопределенность дальнейшего поведения системы, – следствие недостаточности информации о ней, а не «врожденное» стохастическое свойство самой системы. В точках бифуркаций поведение системы кажется случайным, но фактически определяется всеми ее предыдущими состояниями. По словам Пригожина, «в неравновесной системе могут иметь место уникальные события и флуктуации, способствующие этим событиям, а также происходит расширение масштабов системы, повышение ее чувствительности к внешнему миру и, наконец, возникает историческая перспектива, то есть возможность появления других, может быть, более совершенных форм организации. И помимо этого возникает новая категория феноменов, именуемых аттракторами».

Пригожин, статистически исследуя хаотические процессы, не нашел принципиальных различий между «естественным», природным и математически смоделированным детерминированным хаосом. И это можно назвать второй концепцией – концепцией динамического хаоса. Странные аттракторы отличаются замысловатым переплетением траекторий состояния системы, образующих множества бифуркаций. И в этом смысле поведение системы в этих точках чувствительнейшим образом зависит от совокупности всех предыдущих состояний системы. Множества бифуркаций – точек «принятия решений», как обсуждалось выше, являются своеобразными генераторами информации внутри системы. В то же время другой особенностью странных аттракторов, особенно наглядно демонстрируемых при геометрической визуализации траекторий системы в фазовом пространстве, является их фрактальность, то есть масштабная инвариантность, самоподобие или самоповторение на различных уровнях организации системы. При определенных условиях, например при наличии устойчивого «водителя ритма» системы (пейсмейкера) может возникать феномены спонтанного упорядочивания, самоорганизации, например хаотической синхронизации, что придает системе необходимую устойчивость, возможность развития, в котором заданный фрактальный мотив оказывается способным неограниченно повторяться на все более высоких уровнях самоорганизующейся системы.

Это направление идей на границе динамического хаоса и спонтанной самоорганизации диссипативных систем развивает сравнительно новая термодинамическая теория Джереми Ингланда (Jeremy England, 2020). Он исследовал методами математической статистики (крайне сложными!) частные случаи теоремы флуктуаций. Теорема флуктуаций рассматривает вероятности увеличения или уменьшения энтропии в термодинамически неравновесных системах. Ингланд пришел к выводу, что группы атомов и молекул, у которых есть степени свободы и к которым поступает внешняя энергия, используют свои степени свободы таким образом, чтобы наилучшим способом подключиться к источнику энергии. Ингланд предполагает наличие фундаментальных частот, и, соответственно, резонанса, в системах, через которые в виде поля проходит энергия. Если система обладает многими степенями свободы, вдоль которых она может деформироваться без разрушения, то она может менять свои фундаментальные частоты таким образом, чтобы избежать резонанса. Кроме того, поступающая энергия может переноситься на другие степени свободы системы, и система получит возможность накапливать внешнюю энергию для последующего использования. В итоге атомы «самопроизвольно» выстраиваются оптимальным способом для наилучшего поглощения и рассеивания энергии.

Эта статистическая тенденция обрести конфигурацию с наилучшим способом диссипации энергии может поддерживать самовоспроизведение: «отличным способом рассеять больше энергии будет изготовление копий самого себя». По мнению Ингланда, вся жизнь, все ее уникальное сочетание форм и функций – всего лишь итог этой «диссипативной адаптации», движимой стремлением к наилучшей диссипации энергии и, через это, к самовоспроизведению. Пока нельзя сказать, насколько это теория масштабируема.

Третья концепция, или парадигма – синергетической сложности или самоорганизованной критичности (СОК) – оказывается в промежутке между концепциями энтропийного беспорядка, динамической сложности и диссипативной самоорганизации. Концепции сложности безусловно свойственна масштабная инвариантность, то есть у систем и событий в данной концепции нет собственных характерных размеров, длительностей по времени, энергиям; объекты сформированы принципиально одинаково на всех уровнях организации, в них нет той размерности, которая является «самой главной». Статистически масштабная инвариантность выражается в степенных распределениях вероятности (рис. 11).

Рис. 11. Типизированные представления плотностей вероятности для различных распределений (из лекции Подлазова А. В., 2002):

а – в обычном масштабе; б – в двойном логарифмическом масштабе;A – степенное распределение; В – экспоненциальное распределение; С – нормальное распределение;

Принципиальным отличием степенных распределений от нестепенных (нормального, экспоненциального и пр.) является скорость убывания функции состояния системы с ростом аргумента функции. Статистически это выражается в появлении у распределений степенных функций «тяжелых хвостов», то есть в нестепенных статистиках с «легкими хвостами» крупные события в хвосте распределения оказываются практически невероятными и ими совершенно логично можно пренебречь; в степенных статистиках редкие крупные события («катастрофы») происходят все-таки недостаточно редко, чтобы их вероятность можно было игнорировать (см., например, теорию «Черного Лебедя» Нассима Талеба, 2015). И такая «склонность к катастрофам» оказывается еще одной отличительной особенностью описываемых динамических систем, лежащих на грани хаоса и самоорганизованности, и спонтанно приобретающих сложность. Математически показано, что возможность сведения объекта к простой сумме его элементов исключает масштабную инвариантность и, соответственно, склонную к катастрофам статистику распределений. В неравновесных системах с такими статистиками малые причины обладают способностями приводить к непропорционально большим последствиям, что является аналогом пригожинского описания непредсказуемости поведения систем со странными аттракторами в точках бифуркаций.

Но описания сложных систем в рамках концепций самоорганизации и хаоса не оперируют понятиями целостности системы, когда к «чувству себя» добавляется «чувство своего» и способность системы долго «помнить» это. То есть само по себе возникновение сложности не ведет к возникновению целостности. Более того, целостность оказывается бесполезной в отсутствии «грубости» свойств системы, то есть устойчивости названных качественных свойств и особенностей системы к воздействию незначительных изменений или модификации ее устройства (которые, в свою очередь, обеспечивают ее развитие и в конце концов адаптационную устойчивость системы в изменяющемся контексте окружающей среды), что, например, в определенной мере относится к моделям, предложенным Д. С. Чернавским и другими. В какой-то степени удовлетворительные ответы на эти вызовы дает теория самоорганизованной критичности (СОК), разрабатываемая с конца 80-х годов, когда понятие СОК впервые было введено Пером Баком, Чао Тангом и Куртом Визенфельдом (Bak P., Tang C. and Wiesenfeld K., 1987). ОП!

Представим себе черноморское побережье Грузии, летний пляж где-нибудь в районе гурийского поселка Уреки. Дети строят пирамиду из местного замечательного серо-черного «магнитного» песка. И мы для математической модели тоже возьмем этот серо-черный, но слегка идеализированный песок, состоящий из одинаковых песчинок с достаточно большим сцеплением между друг другом, но без инерции движения (рис. 12).

Рис. 12. Куча песка – модель самоорганизованной критичности

Сверху по одной ссыпаются песчинки. При этих условиях постепенно образующийся наклон Z определяет состояние кучи как системы: если локальный наклон становится больше некоего порога устойчивости, песчинки пересыпаются ниже, где могут остановиться, но могут и продолжить движение, вовлекая в движение новые песчинки. Но пока куча мала, воздействие одной песчинки не может оказать влияние на кучу в целом: она представляет собой пока просто совокупность отдельных песчинок при отсутствии между их значительным количеством существенных связей.

Если куча вырастает и средний наклон достигает некоего значения Z_c, то он уже не может расти дальше – среднее количество добавляемого песка соответствует его количеству, падающему через край. Система достигает стационарного состояния: среднее количество песка и средняя крутизна постоянны по времени. И для поддержания такого баланса части системы должны уже быть взаимосвязаны. Время от времени возникает сход лавины – ток песка J, непропорционально увеличивающийся с ростом Z. Физически это можно назвать непрерывным фазовым переходом, в котором наклон Z выполняет роль управляющего параметра, а ток песка становится параметром порядка. Причем как при значениях Z < Z_c, так и значениях Z > Z_c система обладает устойчивым, некатастрофическим поведением, но принципиально отличающимся: в первом случае она хаотична, во втором – более упорядочена.

В отношении открытой динамической системы сложно говорить о точных значениях энтропии, но можно полагать, что в первом случае вклад системы в общий рост энтропии увеличивается, а во втором – уменьшается. При значениях Z около Z_c система приобретает новое свойство критического состояния: система в общем находится в стационарном состоянии, но если до этого любая новая песчинка катилась только по собственной локальной динамике, то теперь она может вызвать лавину любого размера – от совсем маленькой, до «катастрофической», то есть динамика приобретает всеобъемлющий характер, и в этом смысле в этом момент система «самоорганизуется» или переходит в состояние «самоорганизованной критичности». И эту всеобъемлющую динамику невозможно никоим образом предсказать на основании свойств отдельных песчинок. Распределение лавин по объему будет следовать степенной динамике, с заметной вероятностью «катастрофических» событий, но останется абсолютно непериодическим и непредвиденным. В целом это поведение можно описать как прерывистое равновесие, когда спокойные периоды роста сменяются лавинными событиями. В определенном смысле эти фазы можно сопоставить с чередованием динамических и хаотических стадий в модели Д. С. Чернавского.

Однако, в отличие от этой модели, куча песка в модели самоорганизованной критичности является открытой динамической системой – в нее входят и из нее выходят песчинки, через систему идет поток энергии: при падении и скатывании песчинок их потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая при остановке песчинок рассеивается, переходит в тепло, частично поглощаемое кучей, частично рассеивающееся, происходит диссипация энергии. Этот поток энергии способен достаточно долго поддерживать критическое состояние системы.

Данная модель обладает устойчивостью в отношении возможных модернизаций, изменений параметров системы, то есть грубостью. И это является важнейшей особенностью концепции самоорганизованной критичности, принципиально отличающей ее от большинства других модельных концепций. Изменение какого-то из параметров, например замена «сухого» песка на «влажный», то есть изменение силы сцепления между частицами приведет к некоторым изменениям в масштабе времени и масштабе лавин, но в итоге все также вернет систему в критическое состояние. Расстановка в куче искусственных заслонов также изменит внешний вид кучи, временно – ее динамику, но в итоге куча неизбежно вернется в критичность.

Поэтому пока приходится довольствоваться скорее эмпирическими теориями самоорганизованной критичности, позволяющих тем не менее достаточно удовлетворительно описывать как физические модели, так и многие природные и даже социальные явления. Всех их, как уже указывалось, объединяет один ряд исключительно важных признаков:

1. Грубость, или устойчивость системы к изменениям параметров;

2. Следование степенному закону распределения событий, с «тяжелыми хвостами» возможных событий чрезвычайно большого масштаба;

3. Масштабная инвариантность или фрактальность, придающая системе способность иерархического самоповторения.

Можно предполагать, что в скором времени аналитический аппарат самоорганизованной критичности будет достаточно разработан, чтобы показать, как есть основания надеяться, глубинную общность названных концепций спонтанной самоорганизации и динамического хаоса, включая информационные и энтропийные аспекты этих теорий. На данный момент мы имеем больше вопросов, чем ответов в отношении ключевых свойств динамической критически самоорганизованной системы, способных сделать систему живой как в переносном, так и прямом смысле: например, что на самом деле в модели СОК является постоянным элементом системы, обладающим памятью макросостояния? В песочной модели, например, песчинки не являются постоянными элементами системы: они непрерывно входят и выходят из нее, обладая, похоже, лишь скоротечной микроинформацией (обусловливая тем не менее возможность постоянного обновления тезауруса системы). Возможно, элементами системы являются некие динамические кластеры, не имеющие явного «физического» воплощения, но возле контуров которых, как по руслам, и проходит обвал? Последнее предположение, хоть и образное, но выглядит вполне логичным: очевидно, что, если в куче есть кластеры, взаимодействия в которых отличаются от средних по системе, разломы и обвалы будут проходить возле них.

А. В. Подлазов (2002) обнаруживает в многочисленных моделях СОК важную общность: все они строятся на одной и той же схеме, основанной на динамическом взаимодействии двух разнонаправленных процессов. Первый можно обозначить как условно естественный путь развития элементов системы (в модели песка, например, связанный, очевидно, с силами трения и ведущий к увеличению локального наклона кучи), второй – путь селекции или отбраковки (в модели песка – совокупность сил, ведущих к осыпанию).

Как указывалось, математический аппарат систем СОК весьма близок (и, как указывалось выше, достаточно сложен), то есть в теоретическом плане изменение физической модели не имеет принципиальных последствий. Если же взять для дальнейшего рассмотрения более «математические» модели, например на основе клеточных автоматов, то последствия изменений могут оказаться более существенными. В одной из таких сравнительно простых моделей, созданной Д. Дхара и Р. Рамасвами, куча песка представлена двумерной решеткой (в оригинале – гексагональной), со сдвигом слоев на ½ ячейки, так что каждая ячейка одного слоя граничит с двумя ячейками верхнего или нижнего слоя (рис. 13) – условно уровнями кучи.

Рис. 13. Клеточный автомат – симулятор песочной кучи

Числа в ячейках отражают наклон кучи (0 – нет наклона, >0 – есть наклон), но если наклон больше 1 (то есть =2), то куча «осыпается»: две нижние ячейки приобретают по единице, сама ячейка, соответственно, «обнуляется» (как часто бывает, временно). «Куча» цилиндрическая, то есть края решетки замкнуты и песчинка с края на рисунке переходит на противоположный край. Снизу ячеек нет, и единицы – песчинки «вываливаются» из кучи. На решетку справа в случайную ячейку верхнего слоя попадает единица-песчинка (+1). После этого ячейка переходит в возмущенное состояние (решетка справа), начинается цепная реакция осыпаний, завершающаяся стадией релаксации. Ячейки, пережившие осыпание на решетке справа, отмечены серым цветом; получившие единицы-песчинки, но сохранившие устойчивость, – светло-серым.

Возможно несколько усложнить модель, добавив правило деления ячеек и решеток: некоторые ячейки в решетке (например, пограничные, скажем, нижние) или решетки в надсистеме решеток, достигнув критического значения, не выбрасывают песчинки/ ячейки, а разделяются на две. Таким образом может возникнуть иерархичность, на каждом из уровней которой элементы обладают свойствами СОК. Вопрос в том, будет ли критичность возникать практически при любых правилах деления или только при строго определенных, то есть есть ли у такой модели грубость. Так, например, великолепный клеточный автомат, созданный в 1970 году английским математиком Джоном Хортоном Конвеем (John Horton Conway) в форме своеобразной игры – «Игра Жизнь» (Game of Life), или «Эволюция» (в первой русскоязычной версии) – и подробно описанный и популяризованный в серии статей Мартином Гарднером (Martin Gardner), также представляет из себя двумерную решетку, однако простую: каждая квадратная ячейка окружена 8 аналогичными (рис. 14). Она может быть либо занята «живой» сущностью (значение 1), либо быть пустой (значение 0). Если число соседей больше 3, живая ячейка гибнет «от перенаселенности». Если это число равно 1 или 0 – умирает «от одиночества». Ну а новая живая сущность рождается в пустой клетке только если рядом уже есть 3 живых. Игрок (творец, демиург) задает первичное распределение живых сущностей в решетке, дальше все решает названный алгоритм. Игра при удачном расположении на решетке «первого поколения» фантастическим образом рождает удивительные стабильные, в том числе самовоспроизводящиеся «живые» структуры, способные переходить в устойчивые стационарные состояния (рис. 15).

Рис. 14. Различные визуальные интерпретации «Игры Жизнь»:

a – классическая форма; б – клеточный автомат, строящий фрактальные структуры по правилам «Игры Жизнь» (с сайта http://pentadecathlon.com/); в – сглаженная «генерализованная» версия (Smooth Life byionreq)

Рис. 15. Самоподдерживающиеся структуры в «Игре Жизнь» (по Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р., 2001):

а – вымирающая популяция; б – переход в стационарную популяцию; в – осциллирующая популяция; г – самовоспроизводящаяся дрейфующая популяция

Более того, если в эти состояния вносить «мутации» (новые «живые» элементы), это способно порождать целую лавину рождений и смертей, по окончании которых система снова переходит в стационарное состояние. Надо ли говорить, что статистика этих лавин соответствует степенному распределению, то есть ее модель является критической! Наиболее удивительным является то, что изменение начальных правил игры (например, количества соседей, вызывающих смерть или рождение особи) – а их было рассмотрено более миллиона вариантов! – не способно породить ничего подобного. То есть принципиально «Игра Жизнь» не является в узком смысле самоорганизованной, ей не хватает грубости, она в известном смысле случайна. Тем более невероятным кажется то, как Джон Конвей смог найти или почувствовать этот комплекс простейших параметров, рождающий невероятную сложность возникающих в ней сюжетов. Сам Конвей, потеряв к игре интерес спустя всего несколько лет после создания, завершил свое исследования в этой области доказательством эквивалентности своей игры машине Тьюринга (тьюринг-полноту модели), то есть она полностью алгоритмически детерминирована, в ней нет места случайности и, соответственно, генерации новой информации. Возможно, именно это лишает общий принцип ее построения желаемой грубости или устойчивости.

К сегодняшнему дню накоплено огромное количество работ, рассматривающих самые различные природные явления с точки зрения СОК, отобранных, как правило, исходя из явного наличия вышеназванных признаков (грубость, степенная статистика, масштабная инвариантность). Удивительным образом среди наиболее показательных оказываются геологические применения подходов СОК, например модели формирования земного ландшафта (Rothman D. Het al., 1996, Rinaldo Aet al., 1996), статистики землетрясений (Sornette A. and Sornette D., 1989, Ito K. and Matsuzaki M., 1990, Carlson J. M. and Langer J. S., 1989), и биологические (Adami C., 1995, Ito K., 1995), включая модели эволюции (Bak Pet al., 1993, Vanderwalle N. and Ausloos M., 1995), эпидемий (Sneppen K. et al., 2010, Contoyiannis Y., 2020) и развития нейросетей (Stassinopoulos D. and Bak P., 1995), что позволяет еще раз задуматься о возможно более глубоких основаниях теории единой геолого-биологической Геи-Земли Джеймса Лавлока и Линн Маргулис (БОН: глава VII).

Возможно, на этом пути удастся получить математическое обоснование жизни, способное надежно показать связанные неизбежности роста энтропии, уменьшения порядка и увеличения сложности в глобальном масштабе времени, но с такой же неизбежностью – локальных «разворотов» этих показателей, дающих шанс возникновению и эволюции сложной жизни на тончайшей грани порядка и хаоса.

На этой грани малейший сдвиг баланса, если не заканчивается стремительной катастрофой, выводит живую систему в неустойчивое состояние поиска нового баланса, которое может оказаться как очень близким исходному, так и очень далеким от него. Эти состояния могут быть ближе или дальше от уровня максимальной приспособленности, что в масштабе отдельного организма воспринимается и как состояние здоровья, и как острой или хронической болезни, а в масштабах популяций – как шаги (циклы прерывистого равновесия) эволюционного процесса. Может оказаться, что именно эта форма существования – постоянный поиск нового равновесия – наиболее эффективный способ эволюционного движения, в той же мере как ходьба или бег, то есть процессы прерывистой потери и восстановления устойчивости более эффективны как в сравнении с несопоставимо более устойчивым ползанием, так и с многометровыми прыжками (особенно в высоту, с высоты, и в сторону).

Хотя сами по себе эволюционные «ползания» и «прыжки» вполне возможные, и более того, практически неизбежные формы эволюционного движения. В этом смысле горметический стресс может считаться тем возбуждающим фактором, который заставляет клетку, орган или организм постоянно искать и находить новую точку равновесия, не сталкивая в воронку патологии.

Напротив, катастрофические физические импакты – геологические (грандиозные вулканы, великие землетрясения и пр.) или даже космические (например, падения небесных тел) – необратимо выводят популяции или экосистемы из состояния равновесия. Но по-настоящему масштабные последствия вызываются, если экосистемы уже находятся в состоянии критичности. В этом случае значительные физико-геологические импакты приводят к последствиям, непропорционально более глубоким: как массовым вымираниям, так и взрывным эволюционным инновациям. Это соображение может расцениваться как лишний довод в пользу нахождения геологических и биологических формирований в гораздо большей взаимосвязи, чем обычно полагается. Причем сила импакта необязательно должна быть сверхкатастрофической, чтобы вызывать глобальные последствия: если система к моменту воздействия уже находилась в состоянии критичности, для развития глобальных последствий может оказаться достаточно просто импакта сверхнормативной силы, и эти последствия, как осыпания песочной кучи, могут происходить по времени гораздо дольше, чем продолжают действовать прямые физические последствия случившегося.

Так, вероятно, и происходили великие вымирания: внешнее воздействие при всей своей кажущейся масштабности было лишь сравнительно слабым толчком, обрушившим лавину катастрофических биологических последствий длительностью сотни тысяч, если не миллионы лет для системы, уже находившейся в состоянии сверхкритичности в момент импакта. СОК, таким образом, дает в некотором смысле новое физико-математическое наполнение довольно старой теории неокатастрофизма Ганса Штилле (Hans Stille) и Дмитрия Соболева (1927), в которой предполагалось, что именно эпохи большого диастрофизма (тектонической сверхактивности с поднятием горных хребтов и складок) вызывают наибольшие катастрофические, в том числе глобальные последствия для экосистем. Аналогичные по сути механизмы рассматриваются и в социальных науках: здесь можно сослаться на Арнольда Джозефа Тойнби (Arnold Joseph Toynbee) и его теорию Вызовов и Ответов в «Постижении Истории» (1934-1961, рус. 2001).

Непосредственно сама теория СОК в чистом виде не рассматривает достаточно подробно влияние внешних факторов на развитие системы, ограничиваясь для них ролью триггеров трансформаций, хотя очевидно, что в реальном мире эти взаимодействия более глубокие. Этот вопрос пытается разрешить теория высокооптимизированной толерантности (HOT, highly optimized tolerance), в каком-то смысле альтернативное СОК осмысление эволюции систем, активно развиваемое в первую очередь Джиной Карлсон (Jean M. Carlson, 1999), прежде активной исследовательницей применения СОК в биологии, геологии и инженерных науках. В целом НОТ можно отнести к моделям по решению задач оптимизации для систем со степенными распределениями вероятности с «тяжелыми хвостами» (Вахитов А. Т., 2010). То есть НОТ рассматривает те же системы, что и СОК, но не с точки зрения возникновения критичности, а достижения максимальной оптимальности распределения ограниченных антикризисных ресурсов в условиях регулярно возникающих кризисных явлений («пожаров»). Если наиболее привычной моделью СОК служит осыпающаяся куча песка, то излюбленной моделью НОТ служит лес, разделенный противопожарными просеками (ресурсами), но в котором тем не менее иногда возникают пожары (явления) (рис. 16).

Рис. 16. Модель леса, подверженного пожарам и разделенного просеками (незанятыми участками черного цвета). Занятые деревьями кластеры обозначены серым цветом, более темным, чем больше их площадь:

a – случайное распределение участков; б – искусственный НОТ грид с «просеками»; в, г – конформации, достигнутые направленной эволюцией грида: в – с оптимальной плотностью; г – плотностью, близкой к оптимальной; ρ – плотность леса; Y – урожай (выход): средняя плотность, остающаяся после спонтанного пожара от случайной искры. Из Carlson J. M. and Doyle J., 1999

НОТ в некотором смысле соотносится с прорывными математическими работами группы Янира Бар-Яма (Allen B., Stacey B.C. and Bar-Yam Y., 2014; Bar-Yam T., Lynch O. And.Bar-Yam Y., 2018). В них связывается понятие сложности систем с их структурностью, то есть своеобразной картиной, показывающей всю совокупность отношений между всеми наборами компонентов в системе или совокупным обменом информации (коммуникациями) внутри ее. Сама структура системы (близкая к понятию конфигурации системы у Джины Карлсон) может быть описана двумя характеристиками – через профиль сложности (низкий для сильно взаимозависимых подсистем и высокий для совокупности практически независимых подсистем) и через предельную полезность информации (насколько хорошо можно описать систему с помощью ограниченного объема информации). Такой подход, как показывают исследователи, позволяет рассматривать многомасштабный (масштабируемый) контекст теории информации. Выводы своего довольно сложного математического анализа Янир Бар-Ям называет доказательством «обратного» второго начала термодинамики. Если «прямое» второе начало термодинамики в применимой формулировке гласит, что энтропия неизбежно растет в любой закрытой системе (системе, эквивалентной первому масштабу сложности у Бар-Яма и коллег), то выведенный «обратное» второе начало утверждает, что в открытых системах, прилежащих структурированной среде, неизбежно во всех масштабах нарастает сложность.

Полученные формальные выводы Бар-Ям и его группа считают универсальными для любого уровня иерархии, включая биологические и социальные, и иллюстрируют примером анархизма: общество может спонтанно самоупорядочиваться при наличии уже существующих крупномасштабных, достаточно сложных механизмов координации между его членами, даже при отсутствии традиционных высших иерархий типа правительств. В этом месте нам передают привет Пьер Прудон, Петр Кропоткин, Нестор Махно и летучие мыши из бракенских пещер.

Возвращаясь на уровни клеток, организмов и популяций, более близкие автору, необходимо чуть более подробно рассмотреть возможные материальные субстраты самоорганизованной критичности и/или толерантности живого и гораздо менее видимые потенциальные драйверы его катастроф и, соответственно, эволюции.

1. Кунин Е. В. (2012). Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М., Центрполиграф.

2. Подлазов А. В. (2002). Теория самоорганизованной критичности – наука о сложности, доклад в Институте прикладной математики им. В. М. Келдыша РАН.

3. Шеннон К., Бандвагон Е. (1963). Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ.

4. Кастлер Г. (1967). Возникновение биологической организации. М.: Мир.

5. Ллойд С.(2013). Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки. М.: Альпина нонфикшн.

6. Чернавский Д. С. (2004). Синергетика и информация. Динамическая теория информации. М.: УРСС.

7. Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б. (2000). Джокеры, русла и поиски третьей парадигмы. Синергетическая парадигма. М.: Прогресс-Традиция.

8. Пригожин И. (1991). Философия нестабильности. Вопросы философии. – № 6. – С. 46–57 (перевод с англ. Я. И. Свирского).

9. Бак П. (2017). Как работает природа: Теория самоорганизованной критичности. – М.: УРСС.

10. Талеб Н. (2015). Черный лебедь. Под знаком непредсказуемости. – М.: КоЛибри.

11. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. (2001). Физика процессов эволюции. Пер. с нем. Ю. А. Данилова. – М., Эдиториал УРСС.

12. Соболев Д. Н. (1927). Диастрофизм и органические революции. Природа. Вып. 7/8. – С. 566–582.

13. Вахитов А. Т. (2010). Рандомизированные алгоритмы стохастической аппроксимации при неопределенностях с бесконечным вторым моментом. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. физ-мат. наук. СПб.

14. Тойнби А. Дж. (2001). Постижение истории: Сборник / Пер. с англ. Е. Д. Жаркова. – М.: Рольф.

15. Cercignani C. (1998). Ludwig Boltzmann. The man who trusted atoms. With foreword by Roger Penrose. Oxford, Oxford University Press.

16. Kolchinsky A., Wolpert D. H. (2018). Semantic information, autonomous agency and non-equilibrium statistical physics. Interface Focus. 8 (6): 20180041.

17. Lloyd S. (2000). Ultimate physical limits to computation. Nature 406, 1047–1054.

18. Margolus N., Levin L. B. (1998). The Maximum Speed of Dynamical Evolution. Physica D, Vol. 120,188-195.

19. Fredkin E., Toffoli T. (1982). Conservative logic. International Journal of Theoretical Physics, 21 (3–4): 219–253.

20. Zhu L., Kim S. J., Hara M., Aono M. (2018) Remarkable problem-solving ability of unicellular amoeboid organism and its mechanism. R Soc Open Sci. Dec 19; 5 (12).

21. Levin M. (2019). The Computational Boundary of a «Self»: Developmental Bioelectricity Drives Multicellularity and Scale-Free Cognition. Front Psychol 13; 10: 2688.

22. Vergassola M., Villermaux E., Shraiman, B. (2007) ‘Infotaxis’ as a strategy for searching without gradients. Nature 445, 406–409.

23. Waddington C. H. (1957). The Strategy of the Genes. London, George Allen & Unwin.

24. Krakauer D., Bertschinger N., Olbrich E., Flack J. C., Ay N. (2020). The information theory of individuality. Theory Biosci; 139 (2): 209–223.

25. Margulis L. (1991) Symbiosis as a source of evolutionary innovation: speciation and morphogenesis. In: Margulis L, Fester R, editors. Symbiogenesis and Symbionticism. Cambridge: MIT Press; p. 1–14.

26. Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. (2008). Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution. FEMS Microbiol Rev.; 32: 723–35.

27. Rosenberg E., Zilber-Rosenberg I. (2018) The hologenome concept of evolution after 10 years. Microbiome, 6: 78.

28. Matheny M. H., Emenheiser J., Fon W., Chapman A., Salova A., Rohden M., Li J., Hudoba de Badyn M., Pósfai M., Duenas-Osorio L., Mesbahi M., Crutchfield J. P., Cross M. C., D’Souza R. M., Roukes M. L. (2019). Exotic states in a simple network of nanoelectromechanical oscillators. Science. 363 (6431): eaav7932.

29. England J. (2020). Every Life Is on Fire: How Thermodynamics Explains the Origins of Living Things. NY, Basic Books.

30. Bak P., Tand C., Wiesenfeld K. (1987). Self-Organized Criticality. An Explanation of 1/f Noise. Physical Review Letters 59, 381.

31. Bak P., Tand C., Wiesenfeld K. (1988). Self-Organized Criticality. Physical Review A 38, 364.

32. Bak P., Chen K. (1991). Self-Organized Criticality. Scientific American 264, 46.

33. Bak P., Creutz M. (1993). Fractals and Self-Organized Criticality. In: Fractals and Disordered Systems 2: Bunde A. and Havlin S., eds. Berlin, Heidelberg: Springer.

34. Dhar D., Ramaswamy R. (1989). Exactly solved model of self-organized critical phenomena. Phys. Rev. Lett. Vol.63, N16, p. 1659–1662.

35. Rothman D. H., Grotzinger J. P., Fleming P. (1994). Scaling in turbidite deposition. J of Sedimentary Research A 64, 59.

36. Rinaldo A., Maritan A., Colaiori F., Flammini A., Rigon R., Ignacio I., Ignacio I., Rodriguez-Iturbe I., Banavan J. R. (1996). Thermodynamics of fractal river networks. Physical Review Letters 76, 3364.

37. Sornette A., Sornette D. (1989). Self-organized criticality and earthquakes. Physical Review Letters 9, 197.

38. Ito K., Matsuzaki M. (1990). Earthquakes as self-organized critical phenomena. J of Geophysical Research B 95, 6853.

39. Carlson J. M., Langer J. S. (1989). Physics of earthquakes generated by fault dynamics. Physical Review Letters 62, 2632.

40. Adami C. (1995). Self-organized criticality in living systems. Physical Letters A 203, 29.

41. Ito K. (1995). Punctuated equilibrium model of biological evolution is also a self-organized critical model of earthquakes. Physical Review E 52, 3232.

42. Bak P., Sneppen K. (1993). Punctuated equilibrium and criticality in a simple model of evolution. Physical Review Letters 24, 4083.

43. Vanderwalle N., Ausloos M. (1995). Self-organized criticality in phylogenic tree growths. Journal de physique I France, 5, 1011.

44. Sneppen K., Trusina A., Jensen M. H., Bornholdt S. (2010). A Minimal Model for Multiple Epidemics and Immunity Spreading. PLoS ONE 5(10): e13326.

45. Contoyiannis Y., Stavrinides S. G., Hanias M. P., Kampitakis M., Papadopoulos P., Potirakis S. (2020). Self-Organized Criticality in an Epidemic Spread Model, preprint.

46. Stassinopoulos D., Bak P. (1995). Democratic Reinforcement. A Priciple for Brain Function. Physical Review E51, 5033.

47. Carlson J. M., Doyle J. (1999). Highly optimized tolerance: a mechanism for power laws in designed systems. Phys. Rev. E Stat. Phys. Plasmas Fluids Relat. Interdiscip. Topics 60, 1412–1415.

48. Allen B., Stacey B. C., Bar-Yam Y. (2014). An information-theoretic formalism for multiscale structure in complex systems, arXiv:1409.4708.

49. Bar-Yam T., Lynch O., Bar-Yam Y. (2018). The Inherent Instability of Disordered Systems. arXiv: Physics and Society.

Рассмотрение материальных основ биологической самоорганизации и сложности представляется наилучшим начать с краткого, насколько возможно, рассмотрения понятий эргодичности и неэргодичности динамических систем. Обсуждая в предыдущей главе второе начало термодинамики и энтропийную теорию, указывалось, что в формуле Больцмана для энтропии описывается средняя энтропия системы, то есть взятая из совокупности всех возможных микросостояний системы. Но эти микросостояния могут быть взяты двумя способами: временным, когда система в течение неограниченного времени «естественным образом» проходит их по какой-то траектории одно за другим, и ансамблевым, когда все возможные состояния берутся сразу.

Некоторым примером может служить вычисление среднего значения игральной кости: один игрок может некоторое, достаточно большое, число раз подбросить одну игральную кость (временной подход) или несколько игроков могут одновременно подбросить свои кости и сосчитать среднее (ансамблевый подход). В самом общем случае эргодическими (то есть обладающими эргодичностью) системами называют такие, в которых временное и ансамблевое среднее равны, а неэргодическими – в которых они различаются.

Современные статистическая физика и термодинамика, условно начиная с Больцмана и Гиббса (а точнее – с их наиболее известных интерпретаторов – Пауля и Татьяны Эренфестов (Ehrenfest P. And Ehrenfest T., 1911), исходят из эргодичности рассматриваемых систем. Вообще, тотальный отказ от этого принципа может привести к довольно серьезным последствиям – например к пересмотру, или, по крайней мере, корректировке второго начала термодинамики, понятия энтропии и закона ее всеобщего нарастания. В любом случае современная статистическая физика вполне признает возможность существования и неэргодических систем в первую очередь для таких ситуаций, в которых вероятность достижения некоего микросостояния определяется всей предыдущей историей (траекторией микросостояний).

Системы самоорганизованной критичности (СОК) также безусловно неэргодические. К неэргодическим могут быть отнесены и все биологические и социальные системы, хотя бы из представления о необратимости ключевых биологических процессов: игра в русскую рулетку ансамблевым и временным способами даст очевидно совершенно различные результаты. Зависимость динамики неэргодических систем от совокупности своих предыдущих состояний, своей истории, может быть названа своеобразной памятью системы. Но неэргодичностью обладают и некоторые неорганические структуры. Так, впервые Robert Laughlin и David Pines (2000), а впоследствии и более пристально Евгений Кунин, Михаил Каценельсон и Юрий Вольф (Wolf Y.I., Katzenelson M.I., Koonin E.V., 2018) обращают внимание на исключительную похожесть стеклообразных и биологических систем: их объединяют стохастичность/неэргодичность, с одной стороны, и фундаментальная сложность, с другой. С учетом свойственного обоим видам систем эволюционного развития по типу прерывистого равновесия они одинаково могут быть описаны как примеры систем СОК.

Если рассматривать стеклообразные структуры, то есть структуры, находящиеся в динамической промежуточной форме между равновесным и неравновесным состояниями, то их ведущей особенностью можно назвать феномен «старения» или структурной релаксации, как выражение этого переходного состояния. Материалы в равновесном состоянии сохраняют неизменность физических свойств после, например, фазовых переходов: вода после циклов замораживания – оттаивания будет иметь абсолютно одну и ту же теплоемкость. Для стекла некоторые физические параметры будут в похожих случаях изменяться, хоть и очень незначительно: стекло в ходе, например, своей тепловой эволюции будет каждый раз находить новый минимум потенциальной энергии, отличающийся от предыдущего.

К сожалению, на данный момент не существует еще общепризнанной полной теории стекла (стеклообразного состояния). Определенную полноту представлений дает модель спиновых стекол Шеррингтона-Киркпатрика (Kirkpatrick S. and Sherrington D., 1978). Модель описывает систему, состоящую из некоторого большого числа элементов – спинов, принимающих значения +1 или -1 и попарно взаимодействующих совершенно случайным образом. Изначально модель предназначалась для интерпретации необычных фазовых состояний в физике, например разбавленных магнитных сплавов – немагнитных материалов с магнитными примесями, где между магнитными ионами возникают неупорядоченные дальнодействующие электрон-опосредованные взаимодействия, а необычные свойства определяются конкуренцией ферромагнитных и антиферромагнитных взаимодействий. Однако оказалось, что она довольно точно описывает общую схему попарных взаимодействий, в том числе вне физики, например в теориях нейронных сетей (Hopfield J. J., 1982) или биологической эволюции (Holland J. H., 1992; Редько В. Г.,1990).

В самом общем виде, согласно модели Шеррингтона-Киркпатрика, текущее состояние стекла может быть определено одним «параметром порядка», представляющим собой последовательное описание в двоичной форме эволюции системы через ее выборы энергетического состояния в точках бифуркации. Вообще, материалы со свойствами спиновых стекол характеризуются медленным достижением состояния равновесия (если вообще достигаемым), нарушением эргодичности, возможностью фазового перехода и попадания в состояние фрустрации (см. ниже).

Стекло, как и любой материал, стремится к минимизации своего энергетического состояния, но не может в полной мере достигнуть его, то есть оказывается в так называемом состоянии фрустрации – в физико-математическом, разумеется, смысле. Здесь под фрустрацией понимается свойство данной конфигурации межатомных и межмолекулярных взаимодействий, состоящее в невозможности минимизировать энергии всех связей системы ни одним из возможных наборов значений своих динамических переменных. Это состояние вытекает из наличия нескольких конкурирующих между собой взаимодействий, например дально- и близкодействующих. В простейшей модели СОК – куче песка – такими взаимодействиями являются связанные, с одной стороны, с силами трения, ведущими к увеличению локального наклона кучи, с другой – совокупность сил, ведущих к осыпанию (сила тяжести в первую очередь), представляющие собой силы селекции или отбраковки. Фрустрированные состояния вообще характерны для многих сложных материалов, например некоторых полимеров, в том числе биологических, включая нуклеиновые кислоты и белки. Показано (Schmalian G. and Wolynes P.G., 2000), что конкурирующие взаимодействия на различных масштабах длин в равномерно фрустрированных системах демонстрируют самоформирование стеклоподобных фазовых переходов (стеклование), вызванное возникновением экспоненциально растущего числа метастабильных (слабоустойчивых) состояний. В физике, к примеру, подобные состояния, могут возникать в тонких ферромагнитных пленках при наличии дальне-(диполь-дипольных) и ближнедействующих межспиновых взаимодействий и проявляется в образовании так называемых полосатых стеклообразных структур (страйп-фаза вещества), то есть структур с внутренней ритмичной неоднородностью. Стеклообразность подобных структур выражается, в частности, в неэргодичности состояния и наличии памяти системы.

Предполагается (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018), что для биополимерных структур, обретших состояние, подобное «полосатым стеклообразным структурам», дальнейшее усложнение естественным образом реализуется в достижении состояния СОК (хотя само по себе состояние СОК не эквивалентно высокой сложности). Дальнейшее развитие систем в состоянии СОК предполагает возможность (но, разумеется, не гарантирует) эволюционной траектории развития по типу прерывистого равновесия.

Во многом ландшафт таких стеклоподобных состояний напоминает эволюционный ландшафт приспособленности – представление, впервые введенное Сьюэллом Райтом, представляющее собой «пространство генотипов» с соответствующими фенотипическими «пиками» и «провалами» приспособленности. Популяция как бы передвигается по пересеченному адаптивному ландшафту, то двигаясь вверх к локальной вершине приспособленности под давлением отбора, то дрейфуя горизонтально в (квази-) нейтральном режиме. Прямые аналогии фрустрированных биологических объектов или эволюционных адаптивных ландшафтов с физико-математическими моделями квантовых состояний материи, с усложнениями внутренних взаимодействий порождающих как более сложные типы взаимодействий, так и коллективистские феномены в системе, или пространствами метастабильных состояний полосатых стеклообразных структур представляются, разумеется, чрезмерными упрощениями.

Однако движущую роль конкурирующих взаимодействий в развитии вообще (начиная от упомянутого уже гегелевского принципа «тезис-антитезис-синтез») отрицать невозможно, и, соответственно, повторяемость порождаемых этим движением мотивов. Е. Кунин и соавторы предполагают, что развитие эволюционной сложности естественным образом реализуется из внешне сравнительно простой последовательности переходов: конкурирующие взаимодействия → фрустрированное состояние → стеклоподобное состояние → неэргодичность → состояние СОК → эволюция в состоянии прерывистого равновесия (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018). Этот эволюционный мотив, движимый конкурирующими взаимодействиями, можно проследить на разных уровнях биологической организации (табл. 2).

Фундаментальные эволюционные инновации, описываемые Maynard S. J. and Szathmary E. (1997), оказываются результатом разрешения фрустрированного/ стеклоподобного состояния биологических и протобиологических систем в форме «фазового перехода биологической системы» или «биологического Большого взрыва», в терминологии Е. Кунина (The Biological Big Bang model for the major transitions in evolution, Koonin E., 2007), или, в более математической форме, выходом из «перемешивающего слоя» (Д. С. Чернавский) или «джокерами» (Г. Г. Малинецкий). Визуально это можно представить как сверхбыстрые перемещения с малопредсказуемой динамикой по ландшафту приспособленности, которые в большом масштабе времени могут выглядеть как эволюционные прыжки (рис. 17).

Таблица 2. Конкурирующие взаимодействия и фрустрированные состояния в биологической эволюции (из Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018 *, с незначительными дополнениями автора, выделенными курсивом)

Примеч. Системы, взаимодействия и возникшие явления, относящиеся к фундаментальным эволюционным инновациям (ФЭИ, Major Transitionin Evolution, MTE), выделены жирным.

*Авторы (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V.) «удерживаются от указания конфликтов, служащих драйверами возникновения и эволюции человеческих обществ»

Рис. 17. Эволюционное движение биологического объекта по ландшафту приспособленности:

а – первоначальный ландшафт; б, в – одинаково измененный:

а: начальное положение объекта и предпочтительное направление эволюционного движения в сторону локального максимума приспособленности: б: в силу трансформации ландшафта приспособленности (например, по причине геологических преобразований) достигнутые изменения в случае некритического состояния оказываются в лучшем (или в среднем) случае нейтральными (что в некоторых случаях также может иметь эволюционное значение); в: в случае критического состояния биологического объекта трансформация ландшафта привела к неожиданному сверхбыстрому перемещению в непредсказуемую локализацию

Так, сверхнормативное, но не разрушающее физическое воздействие на комплекс белков и нуклеиновых кислот, в обычных условиях приводившее к простым нуклеотидным или аминокислотным заменам, или другим подобным минорным изменениям, в его стеклоподобном фазовом состоянии «вдруг» приводит к замене трансформационных конфигураций всего комплекса и появлению новых функциональных возможностей; ситуативное сожительство двух простых организмов (прокариотов) «вдруг» рождает совершенно новую биологическую сущность; некое событие, как правило, исторически быстро забываемое, в некоей фрустрированной человеческой популяции «вдруг» делает из нее пассионарную общность, изменяющую историю всего человечества.

Быстрота перемещения практически не позволяет в отдаленной перспективе проследить промежуточные шаги (рис. 17в). Такие перемещения могут быть описаны как разновидность «полета Леви» – случайного блуждания, в котором длины шагов имеют распределение вероятностей с «тяжелым хвостом», при этом очень длинные скачки чередуются с эпизодами коротких разнонаправленных перемещений. Данное блуждание, обладающее масштабной инвариантностью, отличается от броуновского движения, имеющего более равномерное распределение длин шагов, но масштабно-специфичного. Предполагается, что в некоторых ситуациях (например, поиска пищи), многие животные (например, акулы) могут переходить от броуновского движению к движению по типу полета Леви. Показано, что обратное квадратичное распределение времени полета или расстояния значительно оптимизирует в некоторых случаях поиск редко и случайно распределенных повторно посещаемых целей при ограниченности ресурса памяти системы (Viswanathan G. M., Raposo E. P. and da Luz M. G. E., 2008). Это свойство может соотноситься со стратегией инфотаксиса, см. гипотезу безмасштабной когнитивности в предыдущей главе.

На протобиологическом этапе эволюции (протобиологическими мы договоримся называть устойчивые структуры с обменом веществ и энергии, но без функции наследования информации с помощью репликации нуклеиновых кислот) системы мембран обрели энергетическую устойчивость в циклических трансформациях, возможно благодаря структурной или какой иной, не информационной, функции нуклеиновых кислот. На этом уровне организации из случайного несвязанного набора однотипных органических молекул (нуклеотидов) уже может вознуть тот уровень биологической сложности, с которого начинается ее экспоненциальный рост.

Формально статистически сложность любого, в том числе совершенно случайного набора нуклеотидов можно определить как количество битов, необходимых для описания этой последовательности. Такая сложность будет просто возрастать с ростом числа нуклеотидов, вместе с энтропией этой системы. Она описывает число микросостояний системы, ее микроинформацию, или, иначе, потенциальную или синтаксическую информацию.

Очевидно, что эта сложность не совсем та, с помощью которой можно оценивать реальную сложность системы, так как совсем не учитывает смысловое и ценностное (семантическое) наполнение информации, однако и совсем недооценивать значение этой сложности нельзя: она является фундаментом всех остальных. На примере кучи песка она мало зависит от формы кучи, и нарастает с поступлением новых песчинок, однако при возникновении и нарастании критичности пути сложности и энтропии временно расходятся: сложность благодаря возникновению новых взаимодействий начинает возрастать, а энтропия при развитии «лавины» – падать.

Если описательная сложность, например генома, связана с энтропией, микроинформацией (потенциальной или синтаксической информацией), то приведенная по его размеру функциональная сложность – с макроинформацией (актуальной или семантической информацией). Отношения макроинформации и термодинамической энтропии гораздо более сложные; пожалуй, прямого количественного соотношения между ними не существует: вообще, любое изменение макроинформации, увеличение или уменьшение, ведет к увеличению энтропии, что следует в том числе и из необратимости этих функций. В принципе, энергетический эквивалент макроинформации вычисляем: в первую очередь как количество энергии, диссипатирующей в процессе запоминания и определяется условиями процесса, например требуемой длительностью запоминания (минимальным горизонтом прогнозирования вычислительной системы). Смысловая нагруженность макроинформации (семантичность), судя по всему, также может быть выражена количественно, то есть быть больше и меньше. Представляется, что наибольший уровень семантичности информации достигается с помощью эпигенетических (надгенетических) механизмов управления наследственной информацией, обеспечивающих максимальное количество паттернов ее реализации.

В общем случае усовершенствование системы (увеличение адаптации) всегда сопровождается ростом функциональной сложности, но не наоборот: рост функциональной сложности системы не всегда сопровождается ее пропорциональным или сколько-нибудь существенным усовершенствованием.

К сожалению, прямое применение методов вычислительной сложности к биологическим системам сталкивается пока еще с фундаментальными трудностями описания биологических процессов и систем «инженерным» языком (эту задачу также можно отнести к области биоматематики). Как показано ранее, биологические системы в принципе обладают вычислительной сложностью, которая может быть определена как минимальный объем их информационных ресурсов, требуемый для прогнозирования состояния на заданное время с заданной точностью. Возможно, вместе с обменом веществ и энергией или вместо них достаточная вычислительная сложность служит водоразделом живого и неживого, и именно это направленная вовне функция является основной для всех систем живого, включая человеческий мозг. Напротив, стремящиеся к нулю временной и погрешностный пределы этой функции обращают ее вовнутрь, к «осознанию» самой себя, что естественным образом вытекает из квантовой теории информации (Ллойд С., 2013), согласно которой любая физическая система мгновенно «вычисляет» саму себя (состояние, в котором она должна оказаться в данный момент). Соответственно, еще раз экстраполируя обратно, появление у такой системы предиктивной способности может означать возникновение (признаков) живого.

В более строгой и невероятно сложной математической форме обоснование результата предикативной деятельности – разницы между вычисленным (предсказанным) и сенсорным (наблюдаемым), как основополагающей характеристики живого, дает Карл Фристон (Karl Friston, 2013; Allen M. and Friston K., 2018). Эта разница обозначается им как «свободная энергия». Эта свободная энергия не эквивалентна «классической» свободной энергии Гиббса, это скорее информационное понятие: оно ограничивает верхний предел статистической неожиданности, к которой стремится названная разница. Принцип свободной энергии (ПСЭ, Free Energy Principle, FEP) постулирует, что живые биологические объекты стремятся минимизировать свободную энергию, то есть действовать так (именно действовать), чтобы избегать феноменов неожиданности. Это вполне сообразуется с фундаментальным (и также труднодоказуемым) принципом наименьшего действия, введенного в научный оборот еще Готфридом Лейбницом и Леонардом Эйлером в XVIII веке. Свободная энергия Фристона – то, что «экономят» живые сущности, то «наименьшее действие» в биологических объектах.

Как работает ПСЭ? Полагается, что живые системы имеют свое внутреннее и внешнее состояние и могут воспринимать структурные закономерности из флуктуаций окружающей среды (например, ее физических параметров или изменений концентрации химических веществ) и отображать их в динамике своего внутреннего состояния. Отображая, они сами становятся моделями причинной структуры своего локального окружения, что позволяет им прогнозировать дальнейшее развитие событий и активно реагировать на неожиданные нарушения сделанных прогнозов. Через радикальное ограничение числа своих возможных состояний появляется способность поддерживать гомеостаз (постоянство внутренней среды). Статистически эта способность показывает высокую вероятность нахождения системы в одном из немногих избранных состояний, и низкую вероятность – в любом другом.

Карл Фристон для исследования динамики взаимодействия внутреннего состояния системы с окружающей средой через ее внешнее состояние использует понятие марковского ограждения. Марковское ограждение узла (концептуальной информационной единицы, обладающей свойствами хранить информацию и ссылаться на другие узлы), или группы узлов – это набор «родителей» этих узлов, «детей» этих узлов и других «родителей его детей», то есть содержит все переменные, которые отделяют узел от остальной сети (рис. 18).

Рис. 18. Схема марковского ограждения. В байесовской сети марковское ограждение узла А формируют его «родительские» узлы, узлы «детей» и другие «родительские» узлы его детей

Фактически марковское ограждение узла является единственным и исчерпывающим знанием, необходимым для предсказания поведения узла и его «детей».

Именно марковские свойства – «отсутствие памяти» – связаны с экспоненциальным распределением вероятности, в отличие от СОК со степенными распределениями, что ведет к отсутствию «критичности» и катастрофических «хвостов». Здесь можно сделать весьма важное замечание: как указывалось, СОК предполагает биологические системы как неэргодические, то есть их динамика определяется совокупностью всех предыдущих состояний. Карл Фристон рассматривает для ПСЭ эргодические системы, то есть среднее по времени любой измеримой функции такой системы сходится за достаточный промежуток времени. Среднее количество времени, в течение которого занимается определенное состояние, можно интерпретировать как вероятность того, что система находится в этом состоянии при случайном наблюдении. Наиболее существенным в любом случае представляется то, что и неэргодичность в СОК, и эргодичность в теории Фристона обеспечивают так или иначе необратимость системы и продолжительность ее существования во времени. Фристон в строгой математической форме доказывает, что «жизнь – или биологическая самоорганизация – является неизбежным и эмерджентным (то есть возникающим только в системе, отсутствующим у отдельного элемента системы) свойством любой эргодической случайной динамической системы, обладающей марковским ограждением». Можно сказать, что марковское ограждение обеспечивает индивидуальность, а эргодичность – необратимость. Для обеспечения выживания во взаимодействии с окружающей средой биологическая система должна минимизировать неопределенность в причинах динамики входных сигналов из окружающей среды (Friston K. et al., 2012).

В ответ на неожиданность биологическая система оказывается должной поступать двумя способами – активно воздействовать на локальное окружение или/и изменять в себе его внутреннюю модель. Данный алгоритм позволяет сводить к минимуму свободную энергию и в конечном счете избегаемую неожиданность (минимизировать ошибку в предсказании).

С некоторыми оговорками априорную информацию (Prior belief по Фристону), на основе которой формируется предсказание, сравниваемое с «фактическими» сенсорными данными системы (Likelihood) и происходит апостериорное обновление (Posterior belief), можно соотнести с ценной информацией тезауруса и его пересмотром.

Из всего сказанного выше можно сделать, на мой взгляд, грустный вывод в отношении искусственного интеллекта как потенциальной формы жизни: предиктивная способность компьютеров пока не сопровождается их автономностью (способностью обеспечивать свой гомеостаз), основанной на широком обмене не только информацией, но веществом и энергией с окружающей средой, то есть достаточной встроенностью во всеобъемлющий контекст Природы (что является достаточно условным и, возможно, скоро преодолимым ограничением) и в информационном смысле не основывается пока на наличии самостоятельной цели (что также не выглядит фундаментальным запретом). Грустным этот вывод делают неясные перспективы неизбежной конкуренции нескольких форм живого с совершенно разными, и хорошо, если не противоположными целями.

Саму сложность по совокупности вышеприведенных рассуждений можно понимать и как меру способности системы к локальным (подсистемным) уменьшениям энтропии (минимизация наблюдаемой энтропии). С другой стороны, еще со времени прорывных работ А. Н. Колмогорова и П. Мартина-Лефа, выполненных в МГУ в 1965-1966 годах (Martin-Lӧf P., 1966), показавших идентичность последовательностей с максимальной сложностью случайным последовательностям, становится больше свидетельств того, что случайность и сложность неразличимы. По этой линии рассуждений, система, стремящаяся достичь максимальной сложности, должна иметь [в себе] источник случайности. Другим основанием необходимости источника случайности внутри открытой, обрабатывающей входящую информацию динамической системы может быть феномен внутренних неоправданных искажений входящей информации при ее разложении на бинарные сигналы (а значительная доля молекулярно-биологических систем работает именно по этому принципу – «да-нет» на выходе вне зависимости от особенностей входящего сигнала), в силу, например, возникновения корреляции между «шумом квантования» (то есть бинарным разложением сигнала, а не квантовым физическим процессом) и обрабатываемым сигналом. Наложение случайного шума определенного спектра на квантованный сигнал может снизить нелинейные искажения и «улучшить качество» сигнала. Подобный прием (дизеринг, наложение псевдослучайного шума) применяется и при цифровой обработке звуков и изображений, позволяя значительно снижать объем передаваемой информации без значительного ухудшения качества звучания или изображения. В живых системах случайный шум создается, конечно, и термодинамическими взаимодействиями с молекулами окружения (воды), но, возможно, его интенсивность и спектр не вполне соответствуют требуемым характеристикам для «биодизеринга». В этом отношении, например, если митохондрии функционируют на основе квантовых механизмов – квантового туннелирования и квантовой когерентности, определенно случайных процессов в самом чистом виде, то этим самым могут обретать наибольшую функциональную сложность, служить субъектом мастеринга всей входящей информации и становиться ведущим управляющим элементом клетки.

В приложении к реальным живым системам напрямую провести адекватное математическое описание их биологических функций как выражение их функциональной или вычислительной сложностей оказывается пока крайне затруднительно.

Но в частном применении к функциональной сложности, например генома, общий статистический подход может быть частично реализован. Таким примером может быть предложенная Кристофом Адами (Adami C., 2002) концепция эволюционной «физической сложности». В ней под физической сложностью (нуклеотидной) последовательности понимается мера информации адаптирующейся популяции об окружающей среде, выражаемая как разница между энтропией популяции в отсутствии отбора и энтропией в условиях действия сил отбора окружающей среды. Математически для одного переменного сайта (j) последовательности она может быть выражена следующим образом:

где C₁(L) – эволюционная физическая сложность отдельного геномного сегмента, подверженного селективному отбору, L – число нуклеотидов геномного сегмента, H_i – энтропия отдельной последовательности (H _i= , где F_ij – частоты j для нуклеотидов в сайте i).

Евгений Кунин развивает этот подход для еще более реальных условий как расчет эволюционной биологической сложности по сложности выравнивания ортологических последовательностей в генах (то есть близких статистически и функционально у разных организмов), таким образом интерпретируя эволюционную биологическую сложность всего генома:

из чего можно вывести своего рода удельную биологическую сложность, приведенную на общую длину генома, то есть биологическую плотность генома:

где C(N) – эволюционная биологическая сложность генома, D(N) – удельная биологическая сложность (биологическая плотность) генома, N – число нуклеотидов (длина) генома, L_i – длина геномного сегмента, подверженного отбору (ген), k – число генов в геноме, H(L_i) – эволюционная энтропия для отдельного сегмента L_i, рассчитываемая как

Энтропия генома, его общая биологическая сложность и биологическая плотность таким образом, в принципе, оказываются просчитываемыми с приемлемой оценочной точностью и дают удивительные результаты. С увеличением генома быстро возрастает его энтропия (потенциальная или микроинформация), медленно нарастает биологическая сложность, а удельная биологическая сложность (биологическая плотность генома), напротив, падает. Результат выглядит парадоксальным, если принять, что в ходе эволюции отдельной линии размер генома, как правило, возрастает. То есть геном бактерий выглядит лучше «спроектированным» или, по-другому, эволюционно оптимизированным, по сравнению с геномом простейших эукариот, а он – с геномом млекопитающих и человека! Если исторически экстраполировать эту тенденцию к истокам жизни (а цифры получены только для ныне живущих организмов), то получится, что самые первые организмы или даже протоорганизмы должны были иметь самый оптимизированный низкоэнтропийный геном с максимальной плотностью информации, что, казалось бы, маловероятно. Но с принятием эквивалентности сложности и случайности такая сложность первых истинно случайных нуклеотидных последовательностей выглядит вполне объяснимой. В дополнение ко всему, допустив для эволюционной динамики траекторию прерывистого равновесия со сменой фаз состояния системы, можно признать и локальную разновекторность энтропии и сложности, например в период разрешения критичного состояния системы.

Могла ли разнородная смесь структурных нуклеиновых кислот, «работавших», например, на поддержание целостности полупроницаемых неорганических мембран, в какой-то момент обрести критичность состояния и создать эволюционно новый уровень сложности? Предположим, что структурные нуклеиновые кислоты (подразумевая, конечно, в первую очередь двухцепочечную ДНК, как физически более устойчивую, хотя необязательно находящуюся в классическом спиральном состоянии, и ее гибриды с РНК) являются носителями своего рода аналоговой информации, то есть содержащейся в форме их макромолекул. Об этом вполне можно говорить в настоящем времени, так как замечательными примерами современных именно структурных ДНК служат упомянутые выше матричные ДНК бактериальных биопленок и NET структуры, наблюдаемые, в частности, при развитии аутоиммунных и онкологических заболеваний у животных и человека (БОН: глава XIV), и искусственные нанотехнологические структуры на основе ДНК.

Вообще, даже некодирующие ДНК последовательности можно в каком-то смысле тоже принять за структурные элементы в составе хромосом. В этом случае движущей силой эволюции, ведущей к накоплению нуклеиновых кислот, могли бы служить циклические изменения физико-химических условий существования протобиологических ячеистых структур – геологические источники неравновесности (см. табл. 1). Было бы весьма соблазнительным вообразить, например, циклические изменения температуры в них в качестве основы работы своего рода природного ПЦР-термоциклера, пусть и невыносимо медленного (можно предполагать, что за время коронавирусной пандемии 2020 года все более-менее интересующиеся вопросами этой инфекции, узнали о полимеразной цепной реакции (ПЦР) – чрезвычайно чувствительном методе диагностики, основанном на циклическом двукратном увеличении количества искомой ДНК и/или РНК в циклах высокотемпературного разделения двойных цепочек этих молекул и последующего низкотемпературного (иногда) достраивания разделенных цепей – амплификации).

Разумеется, этот процесс мог бы происходить только при наличии необходимых в этом или любых подобных сценариях первичного накопления эволюционного капитала хотя бы самых примитивных инициаторов и катализаторов полимеризации и избытка отдельных нуклеотидов. Эти соединения могла бы поставлять эффективная система преобразования энергии химических градиентов в энергию химических связей базовых органических соединений. Способность определенных макроконфигураций ассоциированных с неорганическими мембранами нуклеиновых кислот поддерживать этот механизм могла сформировать первичный адаптационный ландшафт. При накоплении достаточного количества «бессмысленных» конструкционных нуклеиновых кислот спонтанное возникновение на этом множестве особо активных структур, способных разрушать соседние (хотя бы как источник собственных нуклеотидов в условиях их дефицита) и/или самовырезающихся (автосплайсирующихся) и самовстраивающихся структур, по сути первых мобильных генетических элементов, выглядит просто как вопрос времени (см., например, модель информационной динамической системы Д. С. Чернавского). Такие биохимические активные (каталитические) структуры должны были бы относиться скорее к РНК-фракции первичного нуклеинового бульона в силу достаточно известной ферментативной (рибозимной) способности РНК, составляющей фундамент представления о первичном РНК-мире живого.

Очевидно, что такой спекулятивный сценарий оставляет много противоречий, но он условно на порядок снижает тот фундаментально необходимый уровень функциональной сложности, необходимый для запуска спирали биологического саморазвития и самосовершенствования, а остающиеся противоречия по сути критически необходимы для возникновения фрустрированного состояния или пред-эволюционной ситуации. Остается неразрешенным, как далее, например, могла бы быть удовлетворена неизбежная потребность в белках, которым в своем самом минимальном начальном количестве нужно было бы откуда-то взяться – при отсутствии механизма их накопления и первоначального отбора, разве что также в качестве альтернативных элементов структурной поддержки мембран. Необходимое для рибозимной, как и любой другой ферментативной активности распознавание определенных последовательностей, физико-химически безусловно стереометрическое (то есть по материальной форме, например, электронных облаков), в силу своеговозрастающего сродства, то есть специфичности, оказывается уже по сути цифровым. Как аналоговая запись на бумаге последовательностей нолей и единиц или чередование на жестком диске компьютера сравнительно более или менее намагниченных областей в информационном смысле становится цифровой.

Это можно было бы признать моментом возникновения устойчиво сохраняемой биологической информации, фактически макроинформации, и, по сути, нового уровня функциональной сложностии той вычислительной сложности, при которой включается минимальная предиктивная способность, возникает устойчивое «осознание» себя и тем самым пересекается водораздел живого и неживого. Это обретение не может быть обретением отдельной биополимерной молекулы или сложного их агрегата, или даже отдельной протоклетки. Это могло быть только целиковым обретением как минимум сложного комплекса протоклеток.

Технически это можно сравнить с переходом от эмоциональных вскриков гоминидов к первым смысловым последовательностям звуков, более-менее однозначно понимаемым, у первых сапиенс (хотя эмоциональная наполненность речи никуда не делась до сих пор), и от рисунков-пиктограмм пещерной живописи к иероглифам и буквам, где эмоциональность написания тоже сохранялась долгие века, и, более того, в последние годы снова обрела сильнейший обратный тренд на увеличение своего информационного значения – на примере эмодзи в коммуникациях социальных сетей (рис. 19). При всей возможной гениальности отдельного изобретателя речи, наскальных рисунков или эмодзи эти инновации никак не могли возникнуть от одной отдельной особи: только в подготовленной коллективной среде, обладающей необходимым тезаурусом и находящейся в состоянии самоорганизованной критичности или высокоорганизованной толерантности, кому как понравится. Важным следствием из этого предположения является то, что информационно нагруженные молекулы (базовые элементы системы) в такой среде ведут себя по-иному, нежели в отрыве от нее: только в ней они обретают цель и семантическое макроинформационное «осознание» себя, своей отграниченности от окружающей среды, самореферентность в граничных условиях (БОН: глава XI). Можно сказать, что именно здесь возникает докинзовский эгоизм гена. Парадоксальным образом предиктивная способность системы, ведущая к осознанию себя и индивидуализации, и закладывающая возможность дальнейшей эволюции, может основываться на умении системы обобщать и забывать информацию (Kouvaris Ket al., 2017).

Рис. 19. От пиктограмм к иероглифам, буквам, словам и обратно к эмодзи

В определенном смысле «аналогово» оптимизированные (по форме, размеру и т. п.) структурные нуклеиновые кислоты в момент своего «цифрового» перехода могли бы иметь наименьшую информационную энтропию в своем «аналоговом» смысле – представляли собой одни большие одинаковые пиктограммы, более-менее похоже «нарисованные» (несмотря на довольно большое допустимое разнообразие нуклеотидных последовательностей), и как обратная сторона медали, в силу однообразия форм и размеров, и термодинамическую. Все это предположение делает еще более возможной упомянутую выше предполагаемую минимальную энтропию первичных геномов, хотя их энтропия в «цифровом» исчислении должна бы быть гораздо больше современной – хотя бы в силу очевидно большего количества букв первичного нуклеотидного алфавита: помимо известных современных пяти нуклеотидов, обнаруживаемых в ДНК и РНК, он, несомненно, включал и другие, химически допустимые, биологически вероятные, но исторически сравнительно скоро утраченные. В то же время, как указывалось, приняв эквивалентность сложности и случайности, первые «бессмысленные» последовательности нуклеиновых кислот, несомненно, максимально случайные, были и максимально сложными. В каком-то смысле в них была заложена уже вся информация дальнейшей эволюции. Это тот первичный «детский набор» склеенных осей и шестеренок, отламывая которые в разных комбинациях, эволюция – «слепой часовщик» Докинза – создаст все существующее и существовавшее биологическое разнообразие. Очевидно, математическим способом можно показать, что основной метод сборки «слепого часовщика» – подгонка работающего блока под новые, как правило, более специализированные задачи, то есть экзаптация в широком смысле.

Три вывода из данного предположения об «аналогово-цифровом» переходе нуклеиновых кислот совпадают с более обоснованными заключениями других, несомненно, более авторитетных, чем автор, исследователей.

1. Предположение о первичном структурном «бассейне» нуклеиновых кислот, капля за каплей накапливавшемся миллионы лет в неорганических ячейках щелочных гидротермальных источников и ставшем впоследствии субстратом динамической информационной системы, совершившей «аналогово-цифровой» переход, перекликается с гипотезой РНК-мира. Сама гипотеза в таком наименовании впервые была сформулирована нобелевским лауреатом Уолтером Гилбертом (Gilbert W., 1986), но как идея изначально предложена Александром Рич (Alexander Rich) еще в 1962 году и Карлом Везе (Karl Woese), Френсисом Криком (Francis Crick) и Лесли Оргелом (Lesli Orgel) в 1967–1968 годах. Эта гипотеза позволяет разрешить противоречие так называемого цикла Дарвина – Эйгена.

В его основе лежит модель химических гиперциклов Манфреда Эйгена (Эйген М., 1973) – гипотетических промежуточных структур между живыми и неживыми организмами. Она описывает двойственные комплексы условно «белков» и условно «полинуклеотидов», в которых «белок» обеспечивает комплементарную (взаимодополняемую) авторепродукцию «полинуклеотида», а он, в свою очередь, «катализирует» синтез «белка». Эйген предполагал, что между разными гиперциклами может возникать естественный отбор, благодаря которому они приобретают способность эволюционировать: «Теория Дарвина оказывается оптимальным принципом, вытекающим из определенных физических предпосылок, а не «несводимым» феноменом, который относится только к биосфере» (в этом смысле интересно отметить, что Больцман, один из основателей статистической физики, считал Дарвина не только великим биологом, но и великим физиком). Однако теория Эйгена показывает наличие принципиального эволюционного ограничения (порога Эйгена): стабильное наследование и, в более общем смысле, эволюция, возможны, только если произведение частоты ошибок авторепродукции «полинуклеотида» на его информационную емкость ниже этого числового порога (для реальных белково-нуклеотидных комплексов он оценивается приблизительно от 1 до 10 мутаций на цикл репликации), значения же выше этого порога ведут к дестабилизации генома и вымиранию.

Но малейшее случайное улучшение точности репликации, сопровождаемое нечрезмерным увеличением генома, оказывается чрезвычайно полезным для системы, так как кратно увеличивает число удачных копий генома, заметно снижая тем самым издержки репродукции. Противоречие, однако, остается в том, что для создания начальной сложности реального белково-полинуклеотидного комплекса, способного запустить эту самораскручивающуюся спираль, уже требуется гораздо большая сложность. Гипотеза РНК-мира решает это противоречие весьма элегантным способом: согласно ей, не было изначально сложного белково-нуклеотидного комплекса, но был сам в себе двойственный мир РНК, способных быть как носителями информации (хоть и не столь надежными, как ДНК), так и поддерживающими репликацию ферментами-рибозимами (хоть и не столь эффективными, как белки). В свою очередь, гипотеза первоначального пула структурных нуклеиновых кислот, включавшего различные формы ДНК, РНК и их гибридов, в котором, очевидно, РНК не были ведущим компонентом в силу своей ущербности в качестве «несущих конструкций», но и не были редкостью, позволяет снизить возможную начальную сложность системы, необходимую для запуска цикла Дарвина-Эйгена, еще на один уровень.

2. Функция распознавания специфических последовательностей, расщепления и вырезания-встраивания первичных «цифровых» последовательностей не делает принципиальной разницы между способами существования вирусов и протоклеточных организмов, что согласуется с сценарием «первобытного вирусного мира» Евгения Кунина и Уильяма Мартина. Этот сценарий описывает совместное, (почти) одновременное происхождение мира протоклеточной жизни (эгоистичных кооператоров) и мира вирусов (Koonin E. V. and Martin W., 2005; Koonin E. V., 2009). Пул первичных структурных нуклеиновых кислот с формирующимися очагами каталитических последовательностей вполне может рассматриваться как аналог первобытного генетического резервуара в гипотезе Кунина – Мартина, в котором разграничения между генными ансамблями «эгоистичных кооператоров», предшественниками клеточных форм, и «кормящимися» на них эгоистичными генными элементами, предками вирусов, слаборазличимы вплоть до наличия переходных форм. В этом русле оказывается невозможным предполагать единого общего предка всего живого (LUCA – Last Universal Common Accessor) как одну определенную клетку; скорее можно обсуждать некое предковое состояние всего живого (LUCAS – Last Universal Common Accessory Status), описывающее первобытный резервуар вирусоподобных клеточных элементов. Данная весьма умозрительная гипотеза тем не менее весьма удовлетворительно объясняет очевидное разнородное (полифилетическое) происхождение вирусов и хорошо сочетается с результатами математических симуляций эволюции простых репликаторов, в которых паразитические элементы возникают неизбежно и очень скоро. При этом в отсутствии компартментализации (например, ячеистой структуры; см. также необходимость компартментализации в энтропийном смысле (УПС: глава II) и эффективной системы противодействия быстро происходит вытеснение хозяев паразитами и в конце концов гибель всей системы. Выжить может только система «умеренных» паразитов и «разумных» хозяев, заключенная в полупроницаемые ячейки-компартменты. Таким образом, эта гипотеза дает предсказание о максимально раннем возникновении у хозяев-репликаторов систем противовирусной защиты, и, соответственно, исключительно раннем запуске паразит-антипаразитной гонки вооружений имени Красной Королевы.

Возвращаясь же к гипотетическому общему источнику возникновения вирусного и клеточного типов существования, можно увидеть, что LUCAS, как смешанный резервуар вирусоподобных и клеточных элементов, уже содержит в себе тонко сбалансированное противоречие паразитического и хозяйского начал, наследуемое всеми его потомками, пусть и на более уравновешенном, более сглаженном уровне. Это состояние уже может обладать всеми рассмотренными свойствами динамической системы с чередованием фаз «джокеров» и «русел» с возможностью попадания в состояние самоорганизованной критичности. Обоснованно предположить, что при накоплении и последующем разрешении критического состояния биологической системы ее своеобразный разлом – формирование «песочной лавины» – с большей вероятностью будет происходить по линиям имеющихся внутренних противоречий. И противоречие «вирусного» и «клеточного» – одно из них, и, возможно, самое фундаментальное.

3. Если «цифровой» переход первоначально совершила только небольшая, каталитически активная часть нуклеотидной последовательности, то остальная основная «аналоговая» часть достаточно долгое время могла представлять собой своего рода первичные некодирующие последовательности, аналоги «ранних интронов», в терминологии того же Уолтера Гилберта (Gilbert W., 1978), первооткрывателя интронов вообще. Интроны – некодирующие вставки в генах, перемежающие основные кодирующие участки – экзоны. Интроны удаляются в ходе созревания матричной мРНК путем специфического вырезания (сплайсинга), но обеспечивают тем самым многообразие вариантов «склеивания» оставшихся экзонов. Его гипотеза первичных ранних интронов, вытекающая из его же экзонной теории гена, предполагает, что именно гипотетические ранние интроны смогли стать основой взрывного роста разнообразия белковых последовательностей уже на самых ранних этапах белковой биологической эволюции, так как обеспечивали возможность разнообразнейших комбинаций коротких «смысловых» нуклеотидных последовательностей, кодирующих короткие полипептидные последовательности. Другими словами, из информационной теории следует, что более успешной является не та система, которая способна до бесконечности увеличивать свою информацию, свой тезаурус, а та, которая способна, правильно комбинируя имеющиеся блоки информации, пусть даже самые минимальные, создавать из них новое «знание».

То, что ретроспективный статистический анализ нуклеотидных последовательностей на всем разнообразии современных геномов не позволил выявить каких-либо признаков существования ранних интронов (de Souza S. J., Gilbert W. et al., 1998), может быть вполне объяснено как минимум тремя возможностями. Во-первых, их постепенным замещением более функциональными моделями интронов, например самосплайсирующимися интронами бактерий и родственными им сплайсосомными интронами эукариот. Во-вторых, их полной ликвидацией в результате жесткой эволюционной оптимизации геномов большинства других прокариот и вирусов. В-третьих, вообще, в силу их исходной случайности и «бессмысленности», отсутствия у них каких-либо характерных признаков – сигнатур. Однако сама молекулярно-биологическая «идея» интронной организации генома как одного из источников генетического разнообразия, или, другими словами, фундаментальная «заточенность» на нее самой ДНК в ее современном генетически и физико-химически оптимизированном виде, она сохранялась и поддерживалась на протяжении всей последующей эволюции, возможно, на отдельных эволюционных линиях утрачиваясь и возрождаясь снова.

Новый мир «цифровых» (генетических) взаимодействий, конечно, не вытеснил полностью предшествующий «аналоговый» мир, просто господствующее положение в нем разделили белки и специализированные РНК. Интересно рассмотреть, что является связующим звеном этих двух миров – «аналогового» и «цифрового». С одной стороны, очевидно, что для белков это система из транспортных РНК (тРНК), считывающих специфические трехнуклеотидные последовательности генетического кода и добавляющих аминокислоты к растущей белковой цепи при помощи рРНК, и аминоацил-тРНК-синтетаз, специфически присоединяющих аминокислоты к тРНК. Но на выходе из этой системы мы получаем фактически ту же информационную последовательность, но написанную другим языком.

Эти белки-шапероны синтезируются любой активной клеткой в огромных количествах, оставаясь удивительно схожими по строению во всех организмах самых различных форм клеточной жизни. Пик их внутриклеточной наработки приходится на стрессовые для клетки ситуации, они и были первоначально открыты как «белки теплового шока» (heat shock proteins). Более того, действуя как своеобразные демпферы, компенсаторы ошибок или конденсаторы, шапероны обеспечивают правильную укладку даже белков и РНК с незначительными мутациями; но, напротив, дефектность самих шаперонов не позволяет правильно укладываться и функционировать белкам и РНК даже с «правильными» последовательностями. Интересно то, что некоторые белки могут становиться своего рода антишаперонами: они могут запускать автокаталитическую (самоподдерживающуюся) цепь трансформаций других строго избранных белков в устойчивые неактивные, часто агрегированные состояния. Такие белки – прионы, передаваясь от одного организма другому и обеспечивая собственное воспроизведение, оказываются полноценными инфекционными агентами. В качестве примеров таких инфекций у млекопитающих можно назвать два тяжелых нейродегенеративных заболевания: коровье бешенство и овечья почесуха (скрепи). Похожие морфологические изменения обнаруживаются и при болезни Альцгеймера у человека, но инфекционный агент в этом случае пока не обнаружен.

Существование прионов и, несомненно, их исключительно раннее эволюционное возникновение можно считать еще одним свидетельством предопределенности практически мгновенного возникновения паразитирующих элементов на любом комплексе самовоспроизводящихся матриц, что в подавляющем большинстве случаев ведет к их безвременной кончине. Но если какая-то матрица успела обрести достаточную вычислительную сложность, чтобы «осознать себя» и обрести цель самоподдержания, и при этом способна выделить ресурсы на распознавание и устранение «не себя в себе», то ее шансы выжить несколько повышаются. Задача паразита не менее сложная. Претендуя на метаболические ресурсы хозяина, в информационном смысле он использует и его вычислительные ресурсы наряду со своими и, «вычисляя себя», пытается взять над ними полный контроль. Совместное пользование ресурсов может оказаться возможным лишь в случаях различного рода экзосимбиозов. Но в любом варианте успешно инфицированная вирусом клетка – это уже другой организм, идет ли речь об одноклеточной бактерии или клетке в составе многоклеточного организма. В этом отношении опухолевая клетка не отличается от инфицированной вирусом: и в том и в другом случае это потеря клеткой «себя» (см. выше гипотезу безмасштабной когнитивности Майкла Левина).

Математически неизбежно, что все самовоспроизводящиеся матрицы будут в терминах СОК подвержены паразитическим «катастрофам» разной степени обширности, и все в конце концов погибнут вместе с убивающими их паразитами. В статистическом смысле все адаптационные ухищрения, по сути, только способы максимально отложить этот неизбежный конец. Наиболее эффективными из них можно назвать два.

1. Компартментализация, пространственная и/или функциональная (то есть специализация) на менее связанные друг с другом подсистемы (в терминах Ямира Бар-Яма повышение профиля сложности при снижении предела ценности информации). Эта стратегия, как показывает НОТ, «естественным» образом порождает положительную селекцию конфигураций компартментализации.

2. Селекция умеренных паразитов, «занимающих» места потенциально более зловредных, вплоть до их полного инкорпорирования в систему в качестве подсистемы защиты (снижение фатализации взаимодействий, возникновении кооперативного начала, расширение марковского ограждения/ индивидуальности системы).

Комбинация этих двух механизмов дает одно очень важное следствие: необходимость самоликвидации части системы, включая самоликвидацию спонтанную, ничем, казалось бы, не обоснованную, через инструменты защиты. Но эта возможность «беспричинной» самоликвидации подсистемы дает необходимые импульсы движению эволюции по циклу Дарвина-Эйгена, включая, очевидно, и самый первоначальный. В понятиях информационной теории это гарантированное обновление тезауруса, способность к эволюционной езде «враскачку». В более узко-адаптационном смысле это возможность притормаживать развитие (например, рост) системы в неблагоприятных, или правильнее – в неопределенных («непонятных») для биологической вычислительной системы условиях, когда спад ее предиктивной способности выбрасывает систему практически на самую грань живого и неживого. Технически, если так можно выразиться, предпочтительнее, чтобы механизм самоликвидации работал включенным по умолчанию: то есть на нижней грани информационной насыщенности системы (минимального «понимания» ею своего контекста и минимальной предиктивной способности) он работал на максимально допустимых оборотах обновления, позволяющих все еще сохранить целостность системы, а в условиях увеличения насыщенности тормозился.

Насколько можно видеть, механизм самоликвидации в той или иной форме присутствует на всех уровнях организации живого. У бактерий и архей он наиболее часто реализован, например, в форме самых разнообразных вариантов систем токсин-антитоксин ирестрикции-модификации. Эти системы функционируют по сходному принципу: более стабильный белок-токсин или белок-рестриктаза ДНК способны убить клетку, менее стабильный белок-антитоксин нейтрализует токсин или, в случае летальной рестрикции, она тормозится модифицированием ДНК через метилирование (что прокладывает мостик к адаптивной эпигенетической наследственности). Чаще всего гены этих систем сохраняются в плазмидах бактерий. В одной бактерии может накапливаться до десятка таких плазмид с различными вариантами систем токсин-антитоксин или рестрикции-модификации. Механизмов запуска этих систем также может быть несколько. Самым распространенным, похоже, может служить простое клеточное деление: при делении генетический материал главной бактериальной хромосомы делится пополам, но плазмида передается только одной из дочерних клеток. В той клетке, в которой нет плазмиды, сохраняется перешедший от матери более стабильный токсин, но нет возможности синтеза антитоксина, и клетка гибнет. Разумеется, настройка этой системы у бактерий гораздо более тонкая и в природной среде реализуется преимущественно только при наличии целого ряда условий, относящихся как к окружающей среде, так и метаболическому статусу бактерий. Но исключительно важным является сам достаточно всеобщий принцип постоянного нахождения клетки на тонкой грани между жизнью и смертью в зависимости от контекста окружающей среды и самой меж- и внутриклеточной организации.

Для более прикладных задач в области жизни и здоровья отдельных клеток и организмов ведущей формой реализации этой стратегии можно считать апоптоз. Развивая этот взгляд дальше, можно заключить, что устойчивость, например, раковых клеток к апоптозу – это не сколько поломка генетических механизмов, а естественная реакция на достижение своего максимума информационной насыщенности. Эти клетки, словно хулиганистые подростки, «поняли» о жизни все, и советы родителей и соседей им больше не нужны. Радиотерапия, как родительское внушение Тараса Бульбы, может иногда разрушить псевдонасыщенный тезаурус раковой клетки, позволяя запуститься естественному процессу самоликвидации. Большинство же здоровых клеток с умеренно насыщенным тезаурусом остаются к такому внушению маловосприимчивыми.

«Цифровая» революция нуклеиновых кислот приводит к возникновению еще одного важнейшего информационного аспекта – необходимости воспроизведения и передачи информации с определенной точностью. Накопление неточностей – ошибок – очевидным образом ведет к фатальным последствиям для целостности системы. По этой причине все организмы обладают изощренными системами контроля точности воспроизведения и передачи наследственной информации, причем у всех организмов эти системы абсолютно согласуются с современными концепциями менеджмента качества: основные усилия должны быть направлены на предупреждение ошибок на ранних стадиях жизненного цикла продукта, то есть воспроизводства информации. Биологические системы «управления качеством» воспроизведения информации устроены в среднем так, что не допускают более одной ошибки на 10-100 млн нуклеотидов в ходе репликации (>>6 сигм, отличный уровень количества дефектов на миллион возможностей в терминах методологии менеджмента качества 6 сигм (рис. 20); руководитель системы качества на таком предприятии заслуживал бы звания «чемпион шести сигм»), одной ошибки на 10-100 тысяч нуклеотидов в ходе транскрипции (~5,5 сигм, хороший уровень, можно дать зеленый или черный пояс шести сигм), одной ошибки на 1-10 тысяч аминокислот в ходе трансляции (~5 сигм, удовлетворительный уровень, но необходимо повышать квалификацию), и порядка нескольких ошибок укладки на несколько десятков или сотен синтезированных молекул (порядка 3 сигм, плохой уровень, промышленная производственная система требовала бы немедленных корректирующих действий, а сама организация – тяжелых управленческих решений). И организмы готовы тратить весьма значительные ресурсы на предупреждение и коррекцию возникающих ошибок, на рекрутинг и удержание своих «чемпионов шести сигм». Так, у бактерий продукт каждого десятого гена вовлечен в процессы репарации ошибок репликации и коррекции прочих ошибок передачи информации.

Точность репликации, имеющая с одной стороны ограничение в виде минимального порога Эйгена, похоже, имеет ограничение и с противоположной, максимальной, стороны: можно увидеть, что реально наблюдаемая точность передачи наследственной информации заметно ниже уровня «наилучших доступных технологий», даже с учетом различных энергетических и материальных издержек и «термодинамического шума», объективно препятствующего абсолютно точной передаче информации. Евгений Кунин полагает, что совокупность неточностей передачи информации по всей траектории ее движения, вызванная объективными «техническими» (по сути – стохастическими) причинами – «термодинамический шум», является залогом эволюционируемости биологических систем, несмотря на все связанные с ним издержки.

Рис. 20. Точность биологических процессов с точки зрения подхода 6 сигм

В этом смысле наблюдаемый, по крайней мере у прокариот, стресс-индуцированный мутагенез может рассматриваться как адаптивное явление и форма эволюционного «предвидения» на основе эволюционной экстраполяции предшествующего опыта, тезауруса данного биологического объекта. Способность увеличивать частоту мутаций в условиях часто возникающего стресса выглядит очевидным эволюционным преимуществом, несмотря на все сопряженные с этим процессом риски («кто не рискует, тот не пьет шампанского»).

Кроме того, как это же в несколько иных формулировках обсуждалось в предыдущей главе, «забывание» части информации, что можно приравнять к ошибкам ее наследования, облегчает преодоление холмов адаптационного ландшафта. В этой связи можно еще раз привести и один из вариантов формулировки цели информационной динамической системы, данной Д. С. Чернавским: «Целью является выбор такой информации, которая сохраниться в будущем». Очень вероятно, что такое же «верхнее» ограничение эффективности имеется и у других биологических функциональных систем, где требуется запоминание, например защитных, включая иммунную (БОН: глава XIII).

Обнаруженные у самых оснований жизни ведущие мотивы развития – конкурирующие взаимодействия элементов системы, одновременно сводимые, например, к протагонистическим/альтруистским и антагонистическим/эгоистическим, с заметным приматом последних, или другие двойственные отношения, в том числе в смысле дополнительности Бора и Джеймса – повторяются и далее, как на новых иерархических уровнях биологических систем, так и на новых эволюционно-исторических этапах. Но эту концепцию, как, в принципе, и любую другую, предпочтительно рассматривать лишь как модель описания с определенной степенью предсказательной способности, но не отображение некоей «реальности».

Модель в своем изначальном предназначении максимально практическую, нацеленную на понимание наиболее общих закономерностей болезней и здоровья, в первую очередь человека. И, как хочется верить, способную к подтверждению, то есть фальсифицируемую. Бескрайний и бесконечно интересный мир бактерий и вирусов, застывший, в представлениях обычного человека, в своем примитивном развитии еще миллиарды лет назад, оказывается в этом частном применении лишь средой, в которой разыгрываются трагедии и драмы человеческого и животного бытия. И это справедливо лишь отчасти. Мы знаем уже, что визуальное преобладание в природе многоклеточных форм жизни обманчиво: в генетическом отношении мы, многоклеточные, да и вообще эукариоты, живем в море бактерий внутри океана вирусов на планете мобильных генетических элементов. Роль и положение же свободных нуклеиновых кислот в этой конструкции вообще пока еще труднопредставимо. Эволюция бактерий и вирусов, взятая во всем объеме и сложности их взаимоотношений и написанная языком химии и несозданным еще инженерным языком молекулярной биологии, по насыщенности эпохальными событиями и вовлеченной биомассе, не отставала, а, скорее, намного превосходила таковую всех вместе взятых эукариот. То есть мир бактерий и вирусов оказывается не пассивной, а сверхактивной средой, во многом определяющей траекторию развития для выделившейся из него и тщетно пытающейся отгородиться ее маленькой части. И раз судьба человечества связана именно с этой части живого – обособленным мирком слившихся в симбиозе нескольких прокариот, то многие причины постигающих нас напастей вполне разумно искать у самых начал этого обособления.

1. Эйген М. (1973). Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. – М.: Мир.

2. Редько В. Г. (1990). Спиновые стекла и эволюция. Биофизика. Т. 35. Вып. 5. С. 831–834.

3. Кунин Е. В. (2012). Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. – М., Центрполиграф.

4. Докинз Р. (1993). Эгоистичный ген. – М., Мир.

5. Де Гроот М. (1974). Оптимальные статистические решения. – М., Мир.

6. Ehrenfest P., Ehrenfest T. (1911). Begriffische der statistischen Auffassung in der Mechanik//Enzyklopaedie der mathematischen Wissenschsften. Leipzig: Teubner.

7. Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V. (2018). Physical foundations of biological complexity. PNAS 115 (37), E8678–E8687.

8. Laughlin R. B., Pines D. (2000). The theory of everything. Proc Natl Acad Sci USA97: P. 28–31.

9. Kirkpatrick S., Sherrington D. (1978). Infinite range model of spin-glass. Physical Review V.17, N.11. P. 4384–4403.

10. Holland J. H. (1992). Adaptation in Natural and Artificial Systems. Boston, MA: MIT Press, (2nd edition).

11. Hopfield J. J. (1982). Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities. PNAS 79 (8). P. 2554–2558.

12. Andresen J. C., Zhu Z., Andrist R. S., Katzgraber H. G., Dobrosavljevic V., Zimanyi G. T. (2013). Self-organized criticality in glassy spin systems requires a diverging number of neighbors. Phys Rev Lett 111:097203.

13. Cha P., Wentzell N., Parcolet O., Georges A., Eun-Ah K. (2020). Linear resistivity and Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) spin liquid behavior in a quantum critical met al. with spin-1/2 fermions. PNAS 117 (31).

14. Zaanen J. (2019). Planckian dissipation, minimal viscosity and the transport in cuprate strange met al.s. SciPost Phys. 6, 061.

15. Schmalian G., Wolynes P. G. (2000) Stripe glasses: Self-generated randomness in a uniformly frustrated system. Phys Rev Lett 85:836–839.

16. Xu J., Chmela V., Green N., Russel D. A., Janicki M. L., Gora R. W., Szabla R. A., Bond A. D., Sutherland J. D. (2020). Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66.

17. Koonin E. V. (2007). The Biological Big Bang model for major transition in evolution. Biology Direct. 2:21.

18. Maynard S. J., Szathmary E. (1997). The Major Transitions in Evolution. Oxford, Oxford University Press.

19. Viswanathan G. M., Raposo E. P., da Luz M. G. E. (2008). Lévy flights and superdiffusion in the context of biological encounters and random searches. Physics of Life Reviews. 5 (3). P. 133–150.

20. Friston K. (2013). Life as we know it. J. R. Soc. Interface.1020130475.

21. Allen M., Friston K. J. (2018). From cognitivism to autopoiesis: towards a computational framework for the embodied mind. Synthese 195, 2459–2482.

22. Friston K., Adams R. A., Perrinet L., Breakspear M. (2012). Perceptions as hypotheses: saccades as experiments. Front. Psychol. 3, 151.

23. Martin-Lӧf P. (1966). The definition of random sequences. Information and Control, 9, 602–619.

24. Adami C. (2002). What Is Complexity? BioEssays 24: 1085–1094.

25. Gilbert W. (1978). Why Genes in Pieces? Nature 271: 501.

26. De Souza S. J., M. Long, R. J. Klein, S. Roy, S. Lin, Gilbert W.(1998). Toward a Resolution of the Introns Early/Late Debate: Only Phase Zero Introns Are Correlated with the Structure of Ancient Proteins. Proc Natl Acad Sci USA 95: 5,094–5,099.

27. Kouvaris, K., Clune, J., Kounios, L., Brede, M., & Watson, R. (2017). How evolution learns to generalise: Using the principles of learning theory to understand the evolution of developmental organisation. PLoS Computational Biology, 13.

28. Gilbert W. (1986). Origin of life: The RNA world. Nature 319 (6055): 618.

29. Crick F. H. (1968). The Origin of the Genetic Code. Journal of Molecular Biology 38: 367–379.

30. Orgel L. E. (1968). Evolution of the Genetic Apparatus. J Mol Biol38: 381–393.

31. Koonin E. V., Martin W. (2005). On the Origin of Genomes and Cells Within Inorganic Compartments. Trends in Genetics 21: 647–654.

32. Koonin E. V. (2009). On the Origin of Cells and Viruses: Primordial Virus World Scenario.

33. Morris J. J., Lenski R. E., Zinser E. R. (2012). The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. Annals of the New York Academy of Sciences 1,178: 47–64.

34. Lynch M. (2010). Evolution of the Mutation Rate. Trendsin Genetics 26: 345–352.

В третьей главе, прослеживая возникновение и развитие базовых принципов энергетического метаболизма, умышленно, чтобы показать прямое эволюционное наследование базовых термодинамических принципов организации живого, был сделан перескок от возникновения первых энергодвигателей – протонных градиентов – в микроячеистых структурах щелочных гидротермальных источников к появлению оснащенной митохондриями эукариотической клетки, ознаменовавшему повторный симбиоз двух разошедшихся ветвей начальной эволюции живого – бактерий и архей.

Крайне упрощая идеи Ника Лейна (УПС: глава II), было предположено, что изначальной точкой разделения на бактерий и архей стал ситуативный выбор между направлением протонной помпы наружу – как у протобактерий, или внутрь – как у протоархей. Возможно, фактором, обусловившим выбор, стала пространственная конфигурация защелоченных и закисленных первичных микроструктур. Нельзя полностью исключать и вероятность того, что жизнь изначально возникла как комбинация двух форм энергетического метаболизма, определяемых направлением организованного движения протонов – внутрь или наружу структуры, если вообще не посчитать направление работы протонной помпы внутрь или наружу в условиях мембранного хаоса вещью весьма относительной.

Следующие этапы дивергенции бактерий и архей, приведшие к их столь же относительной самостоятельности, явились лишь следствием этого первоначального различия: а именно в установившемся в каком-то смысле «зеркально» различном строении их липидных мембран, заместивших или первичные неорганические минеральные стенки микроячеек напрямую, или же через промежуточный этап комбинированных мембран с нуклеиновыми или белковыми элементами, вероятно также, если это имело место, разнонаправленно ориентированных. Это различие приводит к различным механикам воспроизведения – репликации наследственной информации в ДНК (у бактерий, в отличие от архей, есть обязательность прикрепления ДНК к наружной мембране в ходе этого процесса), и далее – различий в транскрипции (переписыванию информации на РНК), трансляции (считыванию информации с РНК при белковом синтезе), регулируемой деградации РНК в экзосомах и белков в протеосомах, и так далее (см. табл. 2, с. 159).

Совершенно очевидно, что самые первые формы жизни – вне зависимости от того, происходили ли они от одной-единственной счастливо сложившейся протоклетки-ячейки с удачным внутренним наполнением или от первичной группы протоклеток, или резервуара генетических элементов типа LUCAS – имели крайне разнообразное генетическое и метаболическое наполнение, хотя бы в силу неустойчивости первичного генетического материала, то есть весьма слабого поддержания наследственности. Но это было и неважно: протоклетки могли с разной степенью свободы обмениваться как продуктами и аппаратами метаболизма, так и их генетической основой, с учетом того, что аппаратура и генетическая основа метаболизма уже представляли собой единый тип молекул. В предыдущей главе мы попытались понять, что в нуклеиновых кислотах есть такого, что заставляет их полимеры проявлять особые свойства к расширяющемуся самоподдержанию: быть selfish – «эгоистическими», в определении Ричарда Докинза (точнее, наверное, «эгоцентричными»), и пришли к предположению, что этим «нечто» может быть способность к достижению в составе сложной нуклеопротеидной системы достаточного уровня вычислительной сложности и «вычислению» себя. Вне достаточно сложной системы любая нуклеотидная последовательность никакой эгоистичности, разумеется, не демонстрирует. Можно отметить, что для прокариот понятия индивидуальности и некоей групповой общности сильно размыты в силу крайне интенсивного обмена генетическим материалом, в том числе между весьма удаленными по происхождению таксономическими единицами (то есть их марковское ограждение имеет совершенно другую структуру, радикально отличающуюся от свойственной более привычных нам форм сложной эукариотической жизни). С другой стороны, именно эгоцентричность генов тем или иным способом заставляет клетки индивидуализироваться, их популяции – дифференцироваться, а виды – дивергировать.

Период от предполагаемого последнего общего предка бактерий и архей или от эквивалентному ему коллективного состояния до удавшегося эпизода их обратного симбиотического слияния, давшему начало клеточной эукариотической эволюции, составляет порядка 2 миллиардов лет – от возникновения первых форм жизни приблизительно 3,8 миллиарда лет назад до появления эукариотической клетки около 1,8 миллиарда лет назад. Эти 2 миллиарда лет эволюции невидимых доклеточных форм жизни превосходят по длительности всю дальнейшую эволюцию эукариотических клеточных форм, давшую в итоге все то фантастическое разнообразие проявлений живой материи, воочию наблюдаемое вокруг.

Эти 2 миллиарда лет «невидимой» эволюции бактерий и архей если и не дали внушительных видимых проявлений (хотя и геологические последствия той эпохи достаточно впечатляющие), но они определенно привели к невероятному совершенству и взаимосогласованности их индивидуальных и групповых биохимических и молекулярно-генетических механизмов, их безупречной потенциальной приспособленности к практически любым возможным условиям существования на Земле. Удельная энтропия всей биомассы Земли, то есть отношение меры ее неупорядоченности к ее массе, где-то в этот период могла уже достигнуть своего минимума. Ключевым событием, произошедшим в начале этого периода, стало возникновение фотосинтеза, определившего всю дальнейшую историю Земли – как биологическую, так и геологическую. Не будет лишним повторение, что с самого начала – с щелочных гидротермальных источников или других колыбелей жизни – развитие жизненных форм шло в форме разной степени взаимозависимых симбиозов или дополнительностей, от комбинаций ячеистых протоклеточных структур до цианобактериальных матов – создателей строматолитов, впечатляющих геологических структур, до протолишайников протерозоя и так далее. Два миллиарда лет – невероятно долго. Взлет и падение нептичьих динозавров заняли вместе около 1/10 этого времени –180 миллионов лет. За какой-нибудь 1 миллион лет, «спрятавшийся» в этих 180 миллионах, динозавры могли достигнуть уровня человеческого интеллекта, создать и погубить свою цивилизацию да так, чтобы от нее к настоящему времени не осталось ни малейшего следа, кроме этой переписки.

Итак, где-то 1,8 миллиарда лет назад биохимически и генетически разделившиеся бактерии и археи обладали уже весьма отточенными за предыдущие 2 миллиарда лет, но совершенно разошедшимися биохимическим и генетическим аппаратами (табл. 3). Это нисколько не мешало, а иногда, скорее, и подталкивало их существовать в тесном экологическом взаимодействии вплоть до плотных физических контактов, если понятие экология вообще применимо к тем малопонятным и сумрачным временам. Тем не менее по не совсем определенным причинам, скорее всего, связанным с «давлением» вирусов, или вообще эндопаразитов и в целом энтропии (см. БОН: глава XI), в ряде микробиоценозов стали преобладать объединительные центростремительные тенденции, то есть колесо эволюции на какой-то кочке адаптационного ландшафта сделало виртуальные четверть оборота назад – от общей тенденции дивергенции (расхождения) видов к их конвергенции и слиянию. Последующая череда событий привела к возникновению полноценной эукариотической клетки и развертыванию биологической эволюции в ее классическом изложении с кембрийским взрывом, юрским доминированием динозавров и голоценовым торжеством человека. Различие между эукариотической клеткой и иными формами клеточной организации оказывается настолько фундаментальным, что позволяет обозначать даже эукариотическую и не-эукариотическую формы жизни. Изложение этих различий даже на базовом уровне настолько пространно, что будет правильнее переадресовать интересующихся к двум более основательным научно-популярным произведениям замечательных авторов «От атомов к древу» Сергея Ястребова и «Логика случая» Евгения Кунина, ограничившись в этой книге самой краткой, насколько возможно, сравнительной таблицей (табл. 3).

Таблица 3. Сравнение основных структурных и функциональных черт эукариот и неэукариот – архей и бактерий (с использованием данных из таблицы 7.1 в книге «Логика случая», Е. В. Кунин, 2012)

Самой таинственной загадкой эукариотической клетки оказывается ее мгновенное в эволюционном смысле возникновение, практически сразу в своем неповторимом совершенстве, если брать в расчет только имеющиеся в данный момент строгие научные факты. Само это событие сейчас принято описывать в рамках современной теории симбиогенеза эукариот, то есть возникновения в результате слияния в один организм двух или более бактериальных и архейных клеток. Не претендуя на полноценный научно-исторический очерк, но считая именно в этом месте отдать должное ученым, продемонстрировавшим невероятное научное видение, позволю себе небольшое историческое отступление, тем более что оно поддерживает важнейший в данной книге «энтропийный» мотив.

В этом мировоззренческом новом евангелии (никак не меньше) причудливым, но естественным для Мережковского образом связывались теория Мультивселенной, антипрогрессизм, и в развитие его теории неотении[5] возникала апология ранней сексуальной активности (и уже не на уровне личинок, а на уровне человечества с фактическим оправданием педофилии).

На базе этой замысловатой смеси у Константина Сергеевича по весьма странной, но тем не менее и весьма последовательной логике обосновывались вполне фашистские и антисемитские убеждения. Можно считать удивительной гримасой истории, что Константина Мережковского из научного небытия спустя полвека после его смерти в 1920 году вытащила Линн Маргулис, пассионарный и сверходаренный исследователь с литературными способностями, не чужой человек известному астрофизику и писателю Карлу Сагану. Линн происходила из семьи убежденных сионистов и сама в юности с энтузиазмом проводила летние каникулы в кибуце (с возрастом, правда, она сменила семейные взгляды на умеренно-феминистские). Благодаря ее работам маргинальная и изначально выглядевшая антидарвиновской теория Мережковского о возможности симбиотического происхождения видов к 1990-м годам стала мейнстримом в теории происхождения эукариот, успешно вписанной в дарвиновское эволюционное учение, пусть и с определенными нестыковками с некоторыми новейшими интерпретациями дарвинизма, например «ген-эгоистической» версией неодарвинизма; сама же Маргулис считала свою теорию симбиоза вполне даже неодарвинистской.

Линн Маргулис была убеждена, что отношения симбиотических организмов сравнительно равноправные, и что именно принцип справедливого сотрудничества и кооперации является доминирующим в биологии, а не отношения типа «хищник-жертва» или «паразит-хозяин». Совсем не удивительно, что в итоге она обобщила подобные взгляды на всю био- и геосферу Земли, представив ее в совместной с Джеймсом Лавлоком теории Геи-Земли как по-настоящему единый саморегулирующийся суперорганизм, движимый первично внутренней энергией планеты, а не просто как совокупность частично взаимосвязанных существ, зависимых от Солнца. Теория утверждает, например, что эволюция горных пород, эволюция жизни и изменения климата не являются отдельными процессами и чрезвычайно тесно связаны, а «связующим раствором» этой (э)коэволюции являются микроорганизмы.

Надо сказать, что, несмотря на явную неоднозначность этой теории, особенно по взглядам 1970-х годов (если не брать в расчет хиппи и битников типа Алена Гинзберга (БОН: глава XIII), вобщем-то не чуждых хотя бы ботанике), некоторые из ее частных практических предсказаний впоследствии парадоксальным образом подтвердились: например, «серное предсказание» о выводе серы из океана преимущественно в атмосферу микробиологическим путем в виде диметилсульфида, в пику преобладавшим в то время представлениям о чисто химическом возврате серы из океана в почву в форме сероводорода. Любопытно, что сама теория возникла из поставленной NASA перед Джеймсом Лавлоком задачи определить вероятность наличия жизни на других планетах на основе анализа набора соединений, который необходимо заранее задать. Лавлок в качестве альтернативы предложил использовать энтропийный анализ, исходя из представлений, что в «неживом» мире энтропия нарастает, а наличие жизни энтропию тормозит (УПС: главаV). NASA в начале 1960-х годов было абсолютно практической организацией, и показавшийся неконкретным энтропийный подход Лавлока к конкретной задаче был отвергнут. Но, по большому счету, несомненно, что как раз этот вопрос, то есть взаимоотношение жизни и энтропии, должен быть основным вопросом биологии и медицины, и ответ на большинство частных вопросов в этих науках должно, в конце концов, как по управленческому правилу 5 Why, сводить именно к нему, в том числе и для вопросов, рассматриваемых в пределах данной книги. Однако задуманная логика данного повествования заставляет сначала вернуться к чуть более подробному изложению современного представления о рождении полноценной эукариотической клетки.

Как упоминалось, важнейшим для нас событием, произошедшим в «сумрачные» миллиарды лет ранней эволюции, явилось возникновение у целого ряда бактерий фотосинтеза, то есть способности практически напрямую преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей. Трудно сказать, насколько эти возникновения были в самом деле независимыми в условиях интенсивного горизонтального переноса генов.

Но более существенным для основного сюжета данной книги оказывается вызванное им изменение энергетического баланса Земли: до этого биологические системы «питались» энергией собственных геофизических процессов Земли, энергия Солнца в крайне незначительной степени поглощалась геологическими структурами, поддерживала температурный баланс планеты, но в несопоставимом преимуществе рассеивалась. С возникновением фотосинтеза уже чуть более заметная часть солнечной энергии становится вовлеченной в дела Земли, фиксируясь в энергии химических связей органических молекул, притормаживая тем самым неумолимый рост энтропии. Первые системы фотосинтеза использовали в качестве донора электронов не воду, а другие восстановители: водород, сероводород, простые органические молекулы. В какой-то момент часть использующих сероводород фототрофных бактерий, отложив вокруг себя тонны чистой серы, «поняла», что дышать по-старому уже никак, и смогла переключиться на воду в качестве источника электронов: вода, как донор электронов, вещество менее удобное, зато нет проблем с утилизацией отходов – кислород как газ быстро рассеивается, не доставляя поначалу никому никаких хлопот. Невероятная эволюционная успешность данного биохимического механизма привела спустя «всего» несколько десятков миллионов лет к радикальному изменению атмосферы Земли: преобладание углекислого газа с крайне незначительным содержанием кислорода сменилось взрывным нарастанием доли молекулярного кислорода О₂ и соответствующим снижением доли углекислого газа.

Но молекулярный кислород, в отличие от углекислого газа, гораздо более химически активное соединение, легко забирающее на себя электроны и устойчиво изменяющее окислительно-восстановительный потенциал среды, основу, как показывалось ранее, энергетики большинства живых клеток. Неудивительно, что для преобладающей части и без того немногочисленных организмов того времени (а все они были, разумеется, микроорганизмами), он оказался смертельным. Некоторые ученые, в том числе Линн Маргулис, описывали произошедшее как «кислородный холокост», что вряд ли справедливо. В любом случае часть нефототрофных бактерий сравнительно быстро (опять же, скорее всего, за несколько десятков миллионов лет) смогла преобразовать свой главный энергетический двигатель – протонную помпу, сопряженную с электронтранспортной цепью (ЭТЦ) – под новый конечный акцептор электронов: атмосферный кислород, теперь постоянно «вытягивающий» поток электронов на себя. До этого ЭТЦ у большинства организмов замыкались на более сговорчивых приемщиков электронов – углекислый газ, нитраты, нитриты, сульфаты, железо Fe³⁺и ряд других соединений. В этих реакциях могут образовываться как химически инертные (молекулярный азот), но чаще сравнительно более активные вещества, например уксусная кислота, веселящий газ, сероводород, железо Fe²⁺. Кислород же, замкнув на себя электроны и дополнительные протоны, уходит в универсальную безопасную молекулу воды. Побочным эффектом данного механизма оказывается необходимость его тонкой настройки, так как любая задержка или разобщение ЭТЦ даже на краткий миг приводит к образованию активных форм кислорода (АФК) с одним неспаренным электроном – химически очень реакционноспособных молекул, свободных радикалов, способных запускать цепные реакции разрушения органических молекул, например перекисного окисления липидов. Соответственно, возникновение и совершенствование данного механизма должно было бы сопровождаться созданием форм как «тушения» свободнорадикальных пожаров, так и вовлечения их в систему регулирования клеточной жизнедеятельности (УПС: глава II). Так возникла одна из самых, а, может быть, и самая результативная биологическая энергетическая машинерия, представленная несколькими десятками белков-ферментов, кодирующих их генов, белков-регуляторов активности как самих ферментов, так и, даже в первую очередь работы их генов. Очевидно, впервые подобные антиоксидантные механизмы должны были возникнуть у самих кислородпродуцирующих фототрофов или их соседей. На этой основе появлялись сложные, многослойные и, вполне возможно, просто огромные сообщества микроорганизмов наподобие цианобактериальных матов, по кругу использующих воду как донора в процессе фотосинтеза и продукт в процессе дыхания, и, соответственно, кислород как акцептор электронов в процессе дыхания и продукт в процессе фотосинтеза, и питающихся по существу энергией Солнца и углекислым газом атмосферы. Внешне они могли напоминать медузообразное аморфное образование, хорошо известное в России как «чайный гриб» или, за ее пределами, как «комбуча», тоже являющееся устойчивым симбиозом нескольких микроорганизмов.

Совсем не факт, что непосредственные относительно свободно жившие предки митохондрий – альфа-протеобактерии – дышали в те времена кислородом и были так же, как современные митохондрии, безупречно энергетически эффективны. Но что тем не менее заставило эти свободные организмы поддаться соблазну стать крепостными в сумрачном архейном замке или, наоборот, подвигло архейного барона «закрепостить» этих вольных крестьян?

Как уже подчеркивалось, наиболее вероятно, что даже в эти туманные века начальной эволюции возникшая жизнь теплилась в тесной связи с щелочными гидротермальными источниками морского мелководья или, если даже в отрыве от них, то в каких-то очень похожих условиях с постоянным притоком доступной физической или химической энергии. При этом строгая дифференцировка в современном понимании отдельных организмов на определенные виды была бы крайне затруднительна, так как жизнедеятельность основной массы живых существ происходила в составе микробных коопераций разной степени похожести составляющих их единиц и степени объединения метаболизма. Иногда было бы сложно вообще выделить отдельный организм из смеси мембран, участков концентрации нуклеиновых кислот и синтеза белков. Именно здесь лежит самое глубокое различие в теории Линн Маргулис, предполагавшей ведущую роль кооперативных взаимодействий в эволюции, по крайней мере эукариот, и неодарвинистской теории «эгоистичного гена» Ричарда Докинза, видевшего двигатель эволюции в «эгоизме» индивидуального гена или сплоченной группы генов. Невероятно рано возникший генетический паразитизм (скорее всего, практически одновременно с генетической репликацией) оказывается естественным и необходимым, если не ключевым явлением на этой теоретической линии. Ко времени возникновения первичных клеточных структур должны уже возникникнуть и совершенные вирусы, определенно уже тогда доминировавшие в биосфере по численному составу включенных в них генов.

Кооперативные взаимодействия, казалось бы, могут быть легко приняты как основной двигатель эволюции с точки зрения энергетической и энтропийной выгоды. Эгоистические отношения (в крайнем выражении – паразитизм), которые обосновываются фундаментальной движимостью особых полимеров нуклеиновых кислот (генов) к индивидуализации и самоподдержанию, выглядят вторичным механизмом. При возникновении эукариот свою роль могли сыграть оба драйвера: с одной стороны, чрезвычайно тесное синтрофическое сосуществование сравнительно слабодифференцированных живых структур в составе матов или им подобных структур, с другой – «стремление» генов самоподдерживаться, индивидуализироваться и не растворяться в «общем благе», которое в большинстве случаев оказывается яркой ширмой паразитов. Данные взаимодействия сводятся в первом случае к разновидности гипотезы Черной Королевы, предполагающей коэволюцию смежных видов в форме их кооперации с разделением функций и специализацией, во втором – к одному из вариантов гипотезы Красной Королевы, объясняющей коэволюцию видов смежных трофических уровней (то есть попросту хищников и жертв, паразитов и хозяев, а по факту практически всех организмов) эволюционной «гонкой вооружений», то есть адаптационных механизмов. Очень похоже, что данная дихотомия сохраняется и на более высоких уровнях организации материи, включая общественные отношения, оставаясь движителем если не всей эволюции, то развития форм и отношений.

На данный момент большинство ученых склоняется к предположению, что кооперативные синтрофические отношения по множеству причин не могли сыграть роль главного драйвера эукариогенеза (Zachar I. and Boza Z., 2020). Даже в своих наиболее актуальных версиях – теории обратного потока водорода (Spang A. et al., 2019), теории E3 (Entangle – Engulf – Enslave, Imachi H. et al., 2020), и метаново-серной синтрофии (López-García P. and Moreira D., 2020), см. рис. 9b – кооперативные взаимодействия, скорее всего, только закрепляли случайно найденное решение по выходу из патовой ситуации отношений «паразит-хозяин».

Можно с достаточной уверенностью считать, что паразитарные гены в древних биоценозах типа цианобактериальных матов составляли «квалифицированное» большинство. Выживание непаразитов, а, в конце концов, и всего биоценоза оказывалось практически невозможным даже в благоприятных условиях достатка энергии и питательных веществ. Отсюда возникает важнейший вопрос, какой микроорганизм и как смог стать той «восставшей» жертвой паразитов, выбравшей путь активного сопротивления сложившемуся порядку вещей, тем протоГамлетом, выбравшим «быть» той матрицей, на которой эволюция впоследствии напечатает свой шедевр – эукариотическую клетку.

Наиболее вероятным кандидатом на эту почетную роль сейчас считается древняя архея, относимая к асгардархеям. Сложилась традиция использовать для наименований этого объединения архей скандинавский пантеон: в архейное «королевство» Асгард в 2020 году входят «великие герцогства» Локи, Тор, Один, Хеймдалль, Хель и Герд.

Еще до ее физического обнаружения ей было дано имя Локи – локиархея. Чуть позднее в схожих геологических условиях обнаружились генетические признаки близкородственных, но заметно отличающихся архей: им присваивались имена божественных родичей Локи в заветном Асгарде – побратима Одина, дочери Хель и так далее. Стоит ли упоминать, что большая часть этих открытий была сделана или вблизи активных гидротермальных источников, например признаки геномов одинархей найдены в горячих наземных источниках уже упоминавшегося Йеллоустоуна (США) и Рэйдиэйта Пул (Новая Зеландия), хельархей – в подводных гидротермальных источниках у побережья Калифорнии, или в приливных (то есть циклических) отложениях – например, признаки торбактерий выявлены на побережье у датского Орхуса и в устье реки Уайт Оук (Северная Каролина), гердархей – в прибрежных донных отложениях Китая и немецкого архипелага Гельголанд в Северном море. Сами живые археи из этих групп были найдены только в 2019 году японскими учеными (Imachi Het, 2020), причем в собственной лаборатории, где с 2006-го в по-японски изощренном биореакторе с непрерывной подачей метана культивировался уникальный симбиоз архей и бактерий, добытый со дна Нанькайского желоба – глубоководного образования возле тихоокеанского побережья Японии, приуроченного к сейсмически и вулканически сверхактивной зоне прогиба филлипинской литосферной плиты под евразийскую.

Почему именно асгардархеи рассматриваются сейчас как наиболее вероятные кандидаты в матричные организмы эукариогенеза (то, что ими, в принципе, являются археи, можно считать вполне установленным)? Во-первых, данные филогенетического анализа генома асгардархей показывают, что статистически наиболее существенные части последовательностей их генома, например относящиеся к реализации механизмов наследственности, наиболее близки к эукариотам. Подходя к вопросу механистически, можно даже заявить, что все эукариоты, включая все растения и всех животных, – любопытная разновидность асгардархей. Во-вторых, у асгардархей есть зачатки тех структур, которые могли обеспечить или «добровольно-принудительное» инкорпорирование симбионтов внутрь клетки – цитоскелета, оснащенного тубулином (который до этого считался исключительно эукариотическим белком), или придание клетке функционально оптимальной формы, отличной от базовой энергетически оптимальной формы шара или вытянутой сигары. Также асгардархеи являются счастливыми обладателями ряда считавшихся прежде исключительно эукариотических белков-сигнатур (ESP, eukaryotic signature proteins, Zaremba-Niedzwiedzka K. et al., 2017), ответственных, например, за обработку и перемещение большинства других внутриклеточных цитоплазматических белков: это белки везикулярного транспорта, мембранного гликозилирования и убиквитин-зависимой деградации белков. Технически ключевым элементом в эволюционном конструировании эукариот некоторые исследователи считают именно протоцитоскелет асгардархей, предполагая, что это должно было облегчать активное хищническое «обволакивание» других бактерий и симбионтов, с дальнейшим поглощением и потреблением в пищу или в вечное внутриутробное рабство. Такой вот криптозойский Кракен, обитавший, по легендам, как раз между Норвегией и Исландией. Но не менее, а даже более вероятно, что цитоскелет позволял уходить от первично энергетически более стабильной шарообразной формы к более вычурным конфигурациям, увеличивая поверхность энерго-, газо- и ионообмена, например с «дышащими» сульфатом дельта-протеобактериями, активно потребляющими активно выделяемый некоторыми асгардбактериями водород в обмен на питательную органику. Но тем самым увеличивается и площадь причала для пиратов-паразитов и нахлебников-комменсалов, которыми протозойные маты, скорее всего кишели, как изрезанное фьордами побережье Норвегии треской и некки. Исходя из данных метагеномных исследований асгардархеи вообще имеют крайне выраженное, хотя и пока труднообъяснимое, сродство к формированию симбиотических сообществ.

Среди архей вообще нет известных внутриклеточных паразитов (археи-паразиты типа Nanoarchaeum equitans паразитируют исключительно на поверхности других архей группы Ignicoccus). В полной мере это можно будет отнести и к эукариотам. Напротив, ряд древнейших линий бактерий, включающих, например, общую линию хламидий, риккетсий и протеобактерий, по каким-то причинам обладают явной склонностью к эндопаразитическому (то есть с погружением внутрь клеток хозяина) способу существования.

Джеймс Уайт с соавторами (White J. F. Jr. et al., 2018) считают, что альфа-протеобактерии, предки митохондрий, были ситуативными эндопаразитами архей, научившимися обходить их оксидантную защиту, представленную умением асгардархей вырабатывать активные формы кислорода – супероксиданион, перекись водорода, гидроксильный радикал. Ситуативными, то есть при благоприятных обстоятельствах, достатке питательных веществ, они жили в плотном экзосимбиозе (наружном сожительстве) с археями; в трудные времена начинали проникать в своих благодетелей и есть их изнутри. Но учитывая, что асгардархейные предки эукариот вели существование преимущественно в анаэробных или факультативно (преходяще) анаэробных слоях микробиологических сообществ, то маловероятно, что первые антиоксидантные механизмы появились у них раньше, чем у альфа- и дельта-протеобактерий. Последние не менее тесно способны ассоциироваться еще и с аэробными цианобактериями – очевидно, главными мировыми солнечными батареями, аккумуляторами энергии в органические соединения и производителями кислорода как сейчас, так и в те древние времена. Механизмы выработки наиболее эффективных АФК (для супероксиданиона – НАДФ-оксидазы – NOX-протеины) до последнего времени обнаруживались лишь у эукариот, и лишь сравнительно недавно были впервые обнаружены у нескольких бактерий (Hajjar С. et al., 2017).

Причем, как предполагается, бактериям они служат не «оружием огневого поражения», а скорее «сигнальными ракетами» общения. Основной источник АФК в альфа- и, возможно, дельта-протеобактериях, как и в их потомках – митохондриях – «утечка» из дыхательной цепи. АФК могли использоваться атакующими асгардархею протеобактериями как залпы самодельной пиратской артиллерии, своеобразными иерихонскими трубами: во-первых, как средство коммуникации и координации действий и, во-вторых, как средство устрашения и разрушения. Как известно, ключевой фермент антиоксидантной защиты – супероксиддисмутаза (СОД), разлагающая активнейший радикал – супероскиданион – представлена в эукариотической клетке тремя основными вариантами: Mn-СОД, имеющая определенно бактериальное происхождение и локализованная, естественно, в митохондриях, и два варианта Cu, Zn-СОД (внутриклеточный цитозольный и внеклеточный), обнаруживаемые почти исключительно у эукариот, никогда – у архей, и только в нескольких случаях – у бактерий. Таким образом, более исторически оправданным вариантом выглядит ситуативный эндопаразитизм АФК-продуцирующих протеобактерий в древних асгардархеях. Асгардархеи смогли поставить протеобактерии, как самых «вооруженных и очень опасных», себе на службу в качестве защитников от других эндопаразитов и одновременно разделить с ними «метаболический» стол, скорее всего в качестве своеобразной «дани». Это вполне объясняет факт сравнительной «молодости» альфа-протеобактериальных генов в геноме эукариот по сравнению с древнейшими архейными и древними разнообразно-бактериальными генами: сравнительно поздно пришедшие альфа-(дельта-)протеобактерии поставили точку в вакханалии паразитизма, изводившем протоэукариотическую клетку метаболической данью и надругательством над геномом в форме горизонтального переноса генов.

Разнообразные альфа- и дельта-протеобактерии (возможно, в виде своих бесстеночных L-форм) явно были далеко не единственными эндопаразитами архейного предшественника эукариот (иначе зачем архее было вообще привлекать этих накачанных «бодигардеров»?); можно предположить в этом качестве также и близкородственные гамма-протеобактерии. В этом случае эндосимбионты – альфа- и дельта-протеобактерии оказываются не забитыми и бесправными крестьянами, по несчастию судеб вынужденные идти под покровительство могучего архейного синьора, а, напротив, дерзкими пиратами и разбойниками, ставившими чересчур «разжиревших» архей «на счетчик» (рис. 21).

Рис. 21. Пираты палеопротерозойского моря

Выживание древних архей в подобных условиях торжества паразитов было скорее случайностью, чем закономерностью. Судьба выживших, однако, тоже была незавидной: горизонтальный перенос генов от разнообразных эндопаразитов разрушал видовую целостность архей, отягощая геном разнообразными генетическими вставками, чаще вредными, реже – относительно безобидными и в исключительных случаях – адаптивно важными. До того как был найден способ более-менее успешно противостоять этому урагану паразитизма, геном архейного предшественника эукариот успел перенасытиться практически случайными вставками, позднейшая фиксация состава которых обусловила во многом всю дальнейшую траекторию развития эукариот. Не менее важным, однако, представляется и предполагаемая череда сопутствующих событий от ситуативного эндопаразитизма к формированию нового единства – эукариотической клетки. Продолжая с вышеупомянутыми оговорками изложение предполагаемых событий на основе общего сценария эукариогенеза группы Джеймса Уайта (разумеется, лишь одного из довольно многих подобных сценариев, общая схема наиболее актуальных из которых приведена на рисунках 22 и 23), необходимо остановиться на его четырех важнейших направлениях (которые выделены, конечно, довольно условно и могли происходить более-менее одновременно): (1) Развитие внутриклеточных структур: цитоскелета, ядра, эндоплазматического ретикулума и окончательное формирование митохондрий; (2) Развитие оболочек: от включения в мембраны стерольных липидов до повторного возникновения клеточных стенок; (3) Развитие аутофагии, апоптоза и возникновение предпосылок истинной многоклеточности; (4) Формирование особого эукариотического генетического аппарата (ОП!). Как будет показано ниже, все эти процессы имели самые далеко идущие последствия как для эволюции эукариот, так и для возникновения состояний, которые принято обозначать как «здоровье», «болезнь» и гибель.

Рис. 22. Гипотетические механики симбиоза, которые могли привести к возникновению эукариот (по Zachar I. and Boza G., 2020). Бактерии и археи изображены в виде округлых образований, ограниченных клеточной стенкой. Цвет клеточной стенки показывает основной тип симбиотического взаимодействия с партнерами: черный для хищнического или паразитарного (эксплуатирующего), белый – для взаимовыгодного, серый – для односторонне выгодного или нейтрального

Рис. 23. Гипотетические модели биохимических основ симбиоза, который мог привести к возникновению эукариот (по López-García P. and Moreira D., 2020). Черная заливка – альфа-протеобактерии, серая заливка – дельта-протеобактерии, без заливки – археи

Начальным условием симбиотических отношений, приведших к возникновению эукариот, предполагаются различные типы взаимодействий в плотной многовидовой среде (рис. 23). Варианты симбиоза А и В – Клетка-хозяин поглощает своих сожителей. Если поглощенный симбионт сможет поддерживать свою популяцию внутри хозяина, сопротивляясь перевариванию, возникает шанс для кэволюции и симбиоза. А – Неспецифичное исходное взаимодействие, поддерживается многовидовой симбиоз. Агрессивное отношение хозяина к эндосимбиотам со временем может ослабевать, эндосимбионты смогут выходить из фагосом хозяина. Вариант В – Возникает специфическое сожительство только двух форм, например в виде биопленок. Вариант C – Паразитом выступает эндосимбионт, агрессивно проникающий в хозяина (основной вариант, рассматриваемый в тексте). Со временем острота отношений «паразит-хозяин» может снижаться и перерастать во взаимовыгодный симбиоз. Варианты D и E – Взаимовыгодные, синтрофные изначальные взаимоотношения внутри сообщества. Эндосимбиоз может ситуативно заменяться экзосимбиозом. D – Парный специфический симбиоз двух видов. Е – Многовидовой эндосимбиоз возникает как продолжение неспецифических взаимоотношений внутри сообщества.

В части биохимических взаимоотношений на сегодняшний день можно выделить 7 основных гипотез.

• Водородная гипотеза (1998, Билл Мартин и Миклош Мюллер) – тесное сожительство археи и альфа-протеобактерии, сбраживающей органику и выделяющую углекислый газ и водород, используемые археей для синтеза метана.

• Обновленная водородная гипотеза (2016, Билл Мартин с коллегами) – уточнение, что архея относилась к группе локиархей и скорее всего превращала углекислый газ и водород в органические молекулы по биохимическому пути Вуда-Льюнгдаля.

• Гипотеза обратного потока (2019, Аня Спанг с коллегами) – предположено, что древняя локиархея была не автотрофом, использующим углекислый газ и водород, а гетеротрофом, разлагающим органику и, таким образом, не акцептором, а донором водорода для предков митохондрий.

• НМ-синтрофия (гипотеза метаново-серной синтрофии, 1998, Пурификасьон Лопес-Гарсия и Дэвид Морейра) – археи образуют метан из углекислого газа и водорода, который поступает от разлагающих органику дельта-протеобактерий. Альфа-протеобактерии с помощью кислорода окисляют метан обратно до углекислого газа.

• S-синтрофия (гипотеза серной синтрофии, 2003, Деннис Серси) – альфа-протеобактерии с помощью кислорода окисляют сероводород до молекулярной серы, которую археи обратно восстанавливают до сероводорода.

• HS-синтрофия (гипотеза водородно-серной синтрофии, 2020, Пурификасьон Лопес-Гарсия и Дэвид Морейра) – альфа-протеобактерии с помощью кислорода окисляют сероводород до молекулярной серы или сульфатов. Дельта-бактерии с помощью водорода, поступающего от разлагающих органику архей восстанавливают обратно сульфаты в сероводород.

• Гипотеза 3-х Е (Entangled-Engulfed-Endogenized, 2019, Хироюки Имачи с коллегами) – в кратком изложении она вытекает из древнего сожительства сложных микробиологических сообществ, роль участников которого существенно менялась по мере увеличения концентрации кислорода в окружающей среде. Финалистами коливинга стали асгардархея – «ядро» симбиоза в прямом и переносном смысле, сначала запутавшая (entangled) в себе сожителей, а затем окружившая (engulfed) и поглотившая (endogenized) их. Асгардархея сбраживала органику, давая водород сульфатредуцирующим дельта-протеобактериям, альфа-протеобактерия «сжигала» остатки органики избытком кислорода из окружающей среды. HM, HS и 3Е гипотезы удовлетворительно объясняют бактериальное происхождение всех внутренних мембран эукариот.

Как указывалось выше, у асгардархей обнаружены цитоскелетные структуры на основе тубулина, что принципиально сближает асгардархей с полноценными эукариотами. Маловероятно, что цитоскелет предполагаемых архейных предшественников эукариот мог обеспечивать полноценный активный фагоцитоз эндосимбионтов; их инкорпорирование происходило скорее всего в виде активной паразитической агрессии, например, поверхностными экзосимбионтами в случае обеднения экосистемы питательными веществами. Тубулиновые структуры однако могли выстраивать последнюю линию защиты вокруг «святая святых» каждой клетки – ее наследственного материала или путем физического уплотнения среды вокруг собственной ДНК или/и конструирования «отгораживающих» впячиваний наружной мембраны по типу спорообразования у грамположительных бацилл. Нельзя полностью исключать и вовлечение генетического материала подобных грамположительных бактерий в механизмы физического обособления генетического материала архейных предков.

Обеспечение «механической» устойчивости подобных конструкций очевидным образом предполагает их плотную связь с наиболее прочной конструкцией в архейной клетке – наружной оболочкой по типу закрепления всех узлов автомобиля к наиболее прочной конструкции – несущей раме или корпусу. Интересным выглядит вопрос, связана ли каким-либо образом утрата клеточной стенки у архейного предшественника эукариот с возникновением и развитием цитоскелета? Очевидно, что эти две структуры решают противоположно направленные задачи: клеточная стенка цементирует, но упрощает форму клетки, цитоскелет же обеспечивает эластичность и разнообразие форм. Однако, например, современные термофильные археи рода Thermoplasma, жители кислых горячих источников, не имеющие клеточной стенки (но имеющие уникальные липогликаны в составе мембран), не имеют и подобий тубулина. Любопытно, что значительная часть уже сформированных эукариот впоследствии снова вернулась к системе пассивной защиты, вновь обретя совершенно новые и отличные друг от друга клеточные стенки (см. ниже), но практически лишив себя тем самым системы активной защиты, представленной, к примеру, фагоцитами.

Как упоминалось выше (УПС: глава II), многие бактерии способны к слиянию с образованием «нанопроводов», способных к проведению электронов. Подобные слияния, например дельта-протеобактерий, могли привести к образованию оболочки ядра, а белки слияния – стать предшественниками белков ядерных пор. Несмотря на миграцию генетического материала слившихся бактерий в архейный геном, само строительство ядерной мембраны из их мембран – теней забытых предков – могло какое-то время воспроизводиться на основе тубулиновых строительных лесов вокруг комплекса ДНК. Но полностью сформированным клеточное ядро можно считать только после возникновения митоза – механизма деления клетки, в первую очередь ядра, с равномерным распределением группировок генетического материала (хромосом) между дочерними клетками с помощью специальной машинерии тубулиновых микротрубочек.

Аналогичные процессы в цитоплазме – выстраивание протяженных структур из сливающихся эндопаразитов, приуроченных к формирующемуся, связанному с наружной оболочкой цитоскелету – вели к возникновению эндоплазматического ретикулума, своего рода пластинчато-трубопроводной системы клетки. Выстраивание электрон-проводящих структур при формировании эндоплазматического ретикулума более важно, чем при строительстве ядра, так как значительно улучшает синтрофические метаболические процессы, например транспорт электронов от поглощенной археей простой органики в окислительно-восстановительные системы эндосимбионтов. При этом должны были происходить еще два критически важных процесса.

Во-первых, настройка транспорта РНК из формирующегося ядра во вновь образующийся ретикулум, что обеспечивает постоянное формирование уже там, а не в протоядре белоксинтезирующих рибосомальных комплексов и гарантирует пространственное разобщение процессов транскрипции (считывания наследственной информации с ДНК на множество копий матричной РНК) и трансляции (строительства белков на основе информации мРНК). Это событие, безусловно, ключевое во всем процессе эукариогенеза, так как достигнутый при этом уровень безопасности наследственной информации кардинально ограничивает роль горизонтального переноса генов как основного драйвера изменчивости и дает стимул к поиску новых форм обеспечения изменчивости и, через нее, адаптивности. Последнее в конце концов привело к развитию полового размножения и всех связанных с ним сложностей молекулярной биологии, физиологии и социального поведения.

Во-вторых, появление нескольких сильно отличающихся друг от друга мембранных структур, а именно:

(a) пероксисом – везикулярных (пузырчатых) образований, отпочковывающихся от эндоплазматического ретикулума (и, возможно, также от митохондрий или даже ядерной мембраны) мембранных структур, оснащенных различными генераторами перекиси водорода (одной из форм АФК), ферментами α- и β-окисления липидов, необходимого для их усвоения (β-окисление липидов происходит также и в митохондриях, отдельное ω-окисление – в эндоплазматическом ретикулуме; буква типа окисления обозначает отщепляемый в ходе окисления атом в углеродной цепи липида), а также ферментов окисления и деградации различных вредных для клетки веществ;

(b) лизосом – также везикулярных образований, имеющих еще более изощренную схему формирования, но также связанную с эндоплазматическим ретикуломом; лизосомы «ответственны» за «переваривание» всего, что «не нужно» клетке в данный момент: поступившего извне или образовавшегося внутри;

(с) различных мультикомплексов-генераторов АФК, ассоциированных с мембранами клетки – специализированных белков ЭТЦ или уже, возможно, приобретенных к данному времени НАДФ-оксидаз/NOX-белков; роль АФК, как упоминалась, может быть в общем сведена к защите от внешних угроз и внутриклеточной сигнализации. Очевидно, в целом функции этих структур соответствует тому роду службы, которою обязались служить «доверчивой» архейной клетке «договороспособные» и щедрые на посулы паразиты – защищать от врагов извне и сигнализировать, если что внутри не так. Сигнализировать в первую очередь друг другу (или развившимся из «друг-друга» структур), в том числе путем прямых контактов (Schrader M., Islinger Met al… 2018, 2019) и своим генам, мигрировавшим (или ушедшим в «почетные заложники») в общий ядерный геном.

Многочисленные теории эукариогенеза иногда различают по двум ключевым, важнейшим, на первый взгляд, положениям: времени появления предков митохондрий в эндосимбиозе с архейным предком эукариот («раннемитохондриальные» и «позднемитохондриальные» гипотезы) и их аэробному или анаэробному типу метаболизма на момент приобретения и, соответственно, направленности потока протонов и электронов от них или на них. В озвученном варианте эндопаразитической гипотезы альфа-протеобактерии – предки митохондрий – приобретаются сравнительно поздно, обладают развитым кислородзависимым метаболизмом, изначально несовершенным оружием в виде утечек АФК из ЭТЦ, первоначально используемых как с целью сигнализации, так и в качестве первых прототипов клеточного «огнестрельного» оружия. Соответственно, поток водорода и электронов (восстановленной органики) также должен быть направлен от асгардархейного предка эукариот в сторону предков митохондрий, аналогично наиболее актуальным синтрофическим версиям теорий эукариогенеза – «теории обратного потока» и «водород-серной синтрофии». То есть на момент формирования первой эукариотической клетки основные пути ее энергетического метаболизма были уже достаточно сформированы.

Прокариотические липидные мембраны в целом весьма чувствительны к АФК – как бактериальные фосфолипидные, так и архейные. Последние, как можно вспомнить, совершенно отличаются от бактериальных и эукариотических, так как состоят из простых эфиров сильно ветвящихся жирных кислот (что говорит об их абсолютно независимом возникновении на основе общих неорганических мембран (УПС: глава II)). АФК запускают цепную реакцию перекисного окисления липидов, деградацию липидных мембран и, главное, нарушение функций интегрированных в них белков.

Причем защитной антиоксидантной стеролизации ввиду общей фосфолипидной природы мембран бактерий и эукариотов подверглись именно бактериальные мембраны эндопаразитов, что дополнительно свидетельствует в пользу возникновении именно у них агрессивной генерации АФК, и именно они, как более устойчивые к перекисному окислению и вообще оксидативному стрессу, заменили собой практически все архейные мембраны в эукариотической клетке, как внутренние, так и наружные. И именно наружные мембраны остались слабым местом противопаразитарной защиты.

Несмотря на то что был найден способ радикально купировать давление эндопаразитов, сам напор паразитов никуда не ушел. Более того, в эволюционной гонке вооружений имени Красной Королевы им не раз еще удавалось выходить вперед. Тем не менее ни с чем не сравнимая энергетическая эффективность эукариотической клетки, то есть достаточность (если не переизбыток) ресурсов, всегда позволяла находить решение хотя бы для малой доли выживших организмов. Отвергнутая на определенном этапе эволюции пассивная защита в виде прочной клеточной стенки, мешавшая на этапе эукариогенеза развитию структур на основе мембранных впячиваний и мембрано-тубулиновых ассоциаций, на новом витке эволюции возникла снова – в виде хитозановой оболочки грибов и целлюлозной оболочки растений. Животные, «выбравшие» в качестве магистрального пути активное противостояние в виде фагоцитоза и вообще развитого (но чрезвычайно ресурсозатратного) активного иммунитета, вернулись к невообразимому числу вариантов пассивной защиты уже на уровне многоклеточных организмов.

Разумеется, подобные революционные трансформации могли занять сотни тысяч, миллионы, если не десятки миллионов лет (что в эволюционных масштабах если не мгновенно, то достаточно быстро). За это время варяги-эндопаразиты, присягнувшие на верность архейному сюзерену и сформировавшие с ним новую историческую общность – эукариотический организм, научились более-менее ловко справляться с иными претендентами на обобществленное ими имущество архейного замка.

Можно представить, что ранним протоэукариотическим лизосомальным структурам было достаточно сложно отличить условно-своих от условно-чужих во внутреннем пространстве клетки (не говоря уже про наружных симбионтов или паразитов: лизосомы способны успешно выделять свое агрессивное содержимое и наружу), тем более что «свои» могли деградировать и становиться «чужими», а «чужие» могли рекрутироваться в «свои». Собственно лизосомам, эффективным «мусорщикам-переработчикам», по большому счету все равно, что утилизировать: важно лишь, чтобы объекты переработки были правильно помечены, а это уже задача более интеллектуально оснащенных специализированных систем (включая, на более поздних – многоклеточных – стадиях эволюции системы иммунитета, которые принято называть «врожденной» («неспецифической») и «приобретенной» («специфической»). Поэтому правильная маркировка всех внутриклеточных структур делит их не на «своих» и «чужих» а, скорее, на подлежащих скорейшей утилизации и тех, с утилизацией которых можно повременить (у современных эукариот такая маркировка проводится двумя основными способами: с помощью белков-убиквитинов метятся сравнительно мелкие молекулы (таких подавляющее большинство); более крупные и сравнительно неупорядоченные белки, напротив, метятся снятием «защитной» метки, обслуживаемой специальными белками-няньками таких белков (nanny proteins, Tsvetkov Р., Reuven N. and Shaul Y., 2009).

Когда с массовым эндопаразитизмом в целом было покончено, основной целью лизосом должны были стать собственные структуры, подлежащие уничтожению, – так, ксенофагия (переваривание «чужого») в качестве основной задачи лизосом сменилась аутофагией (перевариванием «своего»), по крайней мере, для неспециализированных для фагоцитоза (активного поглощения «чужаков») клеток. Значение механизма аутофагии в метаболизме и физиологии эукариотической клетки вообще трудно переоценить (Galuzzi L. et al., 2014). Возможно даже, что уверенно функционирующего механизма аутофагии самого по себе достаточно для защиты от большинства внешних и внутренних угроз.

По мнению Джеймса Уайта и соавторов, именно непрекращающееся давление эндопаразитов стало причиной формирования многоклеточных колоний древних эукариот, позволяющих сформировать наружный щит из устаревающих клеток вокруг гамет и молодых делящихся клеток, наиболее уязвимых к эндопаразитическому внедрению. Вполне вероятно, что именно на этом уровне принцип асимметричного деления (см. ниже п. 4) впервые наглядно продемонстрировал свой эволюционный потенциал. Но нельзя исключать и формирование многоклеточности на основе совместного существования двух уже различающихся, но еще эволюционно далеко не разошедшихся видов эукариот. Как мы неоднократно видели, именно двойственность, взаимная дополнительность наиболее часто оказывается базисом образования новых биологических форм.

Древнейшие обнаруженные доныне останки многоклеточных эукариот – эдиакарская сферическая биота из формации Доушаньто (600 млн лет назад), идоэдиакарская лентовидная хайнаньская биота (750 млн лет назад) имеют достаточные признаки клеточной дифференцировки и специализации, морфологического (то есть внешне различимого) разделения соматической и зародышевых клеточных линий (см. ниже), структур межклеточной адгезии, общей ригидной оболочки и наличия необходимого для всего этого механизма программируемой клеточной смерти – апоптоза (Chen Let al., 2014; Xiao Set al., 2015, Dong Let al., 2007). То есть древнейшие известные многоклеточные многоядерные эукариоты имели уже практически весь необходимый инструментарий многоклеточности, что напоминает такое же стремительное возникновение эукариот – «все и сразу», как Афина из головы Зевса. Интересно и исключительно важно, что ископаемые остатки эукариот, как правило, обнаруживаются в плотном окружении бактерий – то ли их возможных симбионтов, то ли потенциальных паразитов (Raff E. Cet al., 2008), включая обнаружение бактерий в их внутренних, «пищеварительных», пространствах (Knoll A. H., 2014). Нельзя исключать, однако, это всего лишь наблюдаемый феномен, обеспечивший сохранность эукариотических останков.

К этому времени незащищенная ДНК архейного предка эукариот успела перенасытиться вставками ДНК постоянных и перемежаюшихся эндо- (а возможно, и плотных экзо-) симбионтов. Одно из принципиальных отличий в устройстве генетического материала прокариотической клетки в отличие от эукариотической – это плотность белок-кодирующих последовательностей (генов), работающих по модели оперона[6], и практически не прерывающимися длинными некодирующими, «бессмысленными» вставками.

Некоторым, но не единственным исключением служат вставки в виде так называемых самосплайсирующихся (самовырезающихся) интронов группы II – генетические элементы, способные «перепрыгивать» по геномам некоторых прокариот и остаточным геномам митохондрий. У эукариот кодирующие части одного гена (экзоны) разделены длинными некодирующими вставками (интронами), а совместно функционирующие гены могут быть вообще пространственно очень сильно разобщены. «Обычные» эндопаразиты губили архейную клетку если не «быстрой пыткой», попросту «съедая» ее, то «пыткой медленной» – случайными вставками своих генов в чувствительные участки архейного генома (которые, в силу сравнительной плотности упаковки генов, оказывались почти везде). «Правильные» эндосимбионты, оставаясь беспощадными в «медленной пытке», давали архее шанс на выживание. Они, избавив от «пытки быстрой», предоставили ей метаболические и, главное, энергетические выгоды, а также защиту от остальных «неправильных» эндопаразитов. Возникающее противоречие – помогая метаболически, убивать генетически – давало не столько шанс отдельной клетке, сколько популяции – через ускорение совершенствования все более сложных взаимоотношений вплоть до практически полного разрешения противоречия путем постепенного смягчения (затупления) острых инструментов «медленной пытки».

Например, упомянутые самосплайсирующиеся интроны группы II обладают способностью вырезать самих себя как РНК-рибозимы из РНК-транскриптов содержащих их генов, затем самопереписываться в ДНК, действуя как обратные транскриптазы, и снова вставляться в новые места на ДНК хозяина. Большая часть бактерий не несет в себе таких «подарков», но часть, включая альфа-протеобактерии, может иметь десятки таких вставок. Как установлено к настоящему времени, именно самосплайсирующиеся интроны группы II являются предками сплайсосомных интронов эукариотических клеток (Tooret al., 2008; Keatinget al., 2010), то есть «заквасками» той интронной организации эукариотического генома, которая минимизировала разрушительный эффект ГПГ, а впоследствии, очевидно, стала одним из движителей эволюции у эукариот, полностью, как можно предположить, заменив гипотетическую древнюю систему «ранних» интронов, но сохранив ее идею создания рекомбинантного разнообразия транскриптов РНК и транслятов белков за счет их сборки «по мелким кусочкам».

Клетка без митохондрий кажется более энергетически уязвимой, более восприимчивой к внешним опасностям, хотя эти риски в определенных условиях могут оказаться и некритическими. Выглядит так, что синхронизация митохондриального размножения и клеточного деления для поддержания целостности эукариотической индивидуальности в первую очередь затрагивает интересы митохондрий и поэтому оказывается в своего рода их ответственности. Именно они сформировали аппарат контроля клеточного деления, основанный, в частности, на системе белка р53 (или его аналогов). Возможно, «раскольцовывание» эукариотических хромосом, превращение их в линейные также позволило создать более строгий контроль их репликации, в том числе через радикальное сокращение мест (сайтов) ее начала. Выход ядерного деления из-под контроля митохондрий чреват очень серьезными последствиями для эукариотической клетки как единой информационной сущности, особенно в составе многоклеточного организма (БОН: глава XV).

Быстро достигнутое за счет удачного симбиоза энергетическое совершенство, если не энергетическая избыточность эукариот, дало им возможность нести увеличенные энергетические затраты на репликацию практически неограниченного количества, казалось бы, бессмысленного генетического груза. Тем не менее именно этот груз в дальнейшем позволил:

• радикально снизить риски попадания генетического материала паразитов в критические участки генов;

• создать механизм интронного сплайсинга – возможности перегруппировки составных частей одного гена, позволяющих варьировать его функциональность;

• поддерживать «библиотеку» генетических кодов, бессмысленных в настоящем, но потенциально полезных в будущем.

Кроме того, почти полное избавление от ГПГ заставило первых эукариот активно искать и в эволюционном масштабе времени сравнительно быстро найти новые механизмы обеспечения адаптационной изменчивости. Таковыми, в частности, оказались механизмы мультипликации (чаще – дупликации) генов и, в развитие этого направления эволюции – редукционного деления (мейоза, то есть деления с двойным уменьшением генетического материала и образованием половых клеток – гамет) с последующим обменом генетическим материалом от двух протородителей при восстановлении «нормального» количества генетического материала. Обмен генетическим материалом с его рекомбинацией (кроссинговером) позволял успешно решить проблему не столько накопления мутаций, сколько ускорения положительного отбора за счет появления при каждом «рождении» в результате полового процесса генетически совершенно нового организма. Кольцевым хромосомам, похоже, в силу возникающих в них механических напряжений, очень сложно обеспечить правильную рекомбинацию и последующее расхождение. Конечной платой за эту новую молекулярно-генетическую инновацию стал отказ от кольцевых хромосом прокариот и переход к линейным эукариотическим хромосомам. Но не исключено, что, напротив, появление линейных хромосом из необходимости кратно усиленного контроля их удвоения предопределило возможность их облегченной рекомбинации.

В любом случае как прямое следствие этого возникла проблема репликации открытых концов хромосом, так как абсолютно все ДНК-полимеразы в природе требуют посадочной площадки-«затравки» и, соответственно, не умеют начинать удвоение ДНК с самого первого ее нуклеотида. Получается, что при каждом удвоении ДНК заметно укорачивается. Специальный фермент теломераза, присутствующий у всех без исключения эукариот, существенно замедляет этот процесс, «переписывая» недостающую после деления ДНК с помощью связанной с ней небольшой РНК. Эта обратная транскрипция стала возможной, как ни странно, благодаря тем же самосплайсирующимся интронам группы II: Теломераза – прямая наследница входящей в их состав обратной транскриптазы (Autexier C. and Lue N. F., 2006).

Родительские комбинации этих генов доказали свою жизнеспособность хотя бы тем, что «дожили» до времени полового размножения. Детским же комбинациям генов – от двух родительских ядерных и двух родительских митохондриальных – часто сложно найти общий язык в рамках одного клеточного жилища, будь оно коммунальной квартирой или архейным замком. Решение возникло в виде системы асимметрического слияния клеток гамет, когда одна родительская клетка отдает наследнице свою половину ядерных генов и все митохондриальные («материнская»), а другая – только половину ядерных генов («отцовская»). Этот момент эволюции можно считать отправной точкой возникновения полов, секса и запутанных гендерно-социальных отношений.

Альтернативный вариант решения проблемы с сохранением всех ключевых генов ЭТЦ непосредственно в митохондриях ведет к еще более быстрому нарастанию митохондриальной гетероплазмии (митохондриальных различий) вследствие крайне агрессивного влияния массово образующихся в ЭТЦ АФК на ДНК, что выражается в лавинообразной деградации митохондриальных генов вследствие худших, по сравнению с ядром, условий для контроля мутаций. Кроме того, митохондриальный геном по своей организации также гораздо хуже по сравнению с ядерным защищен от генетического прессинга никуда не девшихся, просто чуть подальше пасущихся паразитов (хотя прямые вирусы митохондрий – митовирусы – пока обнаружены только у грибов и некоторых растений (Nibert M. Let al., 2018).

Гипотеза бессмертной линии (The Immortal Strand Hypotesis, Cairns J., 1975, Rando T. A., 2007) предполагает, что в линиях стволовых клеток, своего рода местных эрзац-зародышевых линиях, образующиеся в результате репликации две цепи ДНК – «старая», «материнская», на которой произошел синтез новой, и новая, «дочерняя», распределяются между дочерними клетками неслучайным образом: материнская ДНК остается у эрзац-стволовой «дочери», новая же ДНК, скопированная с возможными ошибками, переходит «дочери», предназначенной для дифференцировки в «рабочую» функциональную клетку с активным специализированным метаболизмом, который, как любая тяжелая работа, может ее быстро состарить и, в конце концов, убить. Поэтому появление мутаций в такой клетке, согласно этой гипотезе, может считаться более безопасным, чем появление и накопление мутаций в делящейся стволовой клетке, «бессмертной» на горизонте жизни организма.

Этот механизм, похоже, на самом деле гораздо более древний, чем может показаться: он достаточно распространен среди одноклеточных эукариот и, как ни удивительно, обнаруживается и у прокариот (Teulière J., Bhattacharya D., Bapteste E., 2020, Shi Cet al., 2020). У некоторых из них также предполагается существование смертной соматической линии, берущей на себя всю тяжесть накопленных родительских дефектов протеома, РНК-ома, мембран и клеточной стенки, и потенциально бессмертной зародышевой линии, освобожденной от «грехов» родителей искупительным самопожертвованием своей сестры. И в целом это совершенно естественным образом вытекает и из энтропийных и информационных оснований биологических систем (УПС: глава IV), обосновывающих необходимость периодического «забывания» накопленной информации (тезауруса) биологической системы ради устойчивости, или что то же, развития в изменяющейся окружающей среде. Как клеточное половое слияние асимметричных гамет, так и асимметричное деление (возможно, более распространенное, чем можно изначально предполагать) совершенно логичным образом ведут к возникновению двух эволюционно неравнозначных клеточных линий: эволюционно более значимых зародышевых линий и гораздо менее значимых (если вообще значимых) соматических линий. В наиболее предельной форме это различие и его значение выражены в двух теориях, возникших почти одновременно: уже упоминавшейся теории эгоистичного гена Ричарда Докинза (Dawkins R., 1976, Докинз Р., 1993), постулирующей, что организмы – лишь машины выживания и передачи генов, и теории одноразовой (или расходуемой) сомы (Disposable Soma Theory) Томаса Кирквуда (Kirkwood T. and Holliday R., 1977).

Именно в этом смысле появление митохондрий, как ключевой эпизод эукариогенеза, вывело жизнь на принципиально иной уровень сложности (УПС: глава IV), привнесло на Землю как видимую макроскопическую жизнь и все ее прекрасные проявления, но и, как предоплату за эту красоту – феномен неизбежной смерти. Неужели весь смысл существования соматического организма состоит только в обеспечении эстафеты между гаметами в условиях естественного отбора? В этом смысле гигантские изменения, произошедшие на Земле, затронувшие весь ее внешний вид, ее излучение, ее геологию, да что там говорить – кардинально изменившие динамику энтропии в привязанной к ней части пространства, выглядят невероятно чрезмерными. Если сам смысл поддержания «эгоистичности» генов имеет, в конце концов, энтропийные основания, оправданны ли в сущности минимальные, казалось бы, энтропийные достижения на микроуровне нуклеотидных последовательностей такими, весьма существенными в масштабах Земли, энтропийными сдвигами? Теория Геи-Земли Линн Маргулис и Джеймса Лавлока, напротив, однозначно ставит на первое место саморегуляцию единого геобиологического суперорганизма, где эволюция живого – всего лишь один из инструментов ее саморегуляции, что позволяет рассуждать далее в русле всеобщего «самурайского закона биологии» (Скулачев В.П., 1999; 2002): «Любая достаточно сложная биологическая система (от автономной органеллы вроде митохондрии и выше) располагает механизмом самоликвидации. Она кончает с собой, если становится потенциально опасной для существования системы, занимающей более высокую ступень в иерархии жизни». То есть митоптоз, по этой логике, можно считать самоликвидацией на уровне митохондрии «для спасения» клетки (хотя технически это все-таки скорее ближе к аутофагии: «съеданию» митохондрии внешними по отношению к ней акторами), апоптоз – на уровне клетки ради организма, феноптоз – на уровне организма ради, очевидно, популяции. Дальнейшие рассуждения, переходящие на уровень популяций, видов и биоценозов, ведут к чистым спекуляциям на тему «эйдоптоза» («самоликвидации» популяции), «геноптоза» (вида) и «коэнозоптоза» (биоценоза).

Полярной звездой для последних двух глав служила следующая простая мысль: 2 миллиарда лет раздельной эволюции бактерий и архей дали им время создать практически совершенные биохимические и молекулярно-биологические механизмы, позволившие им и далее абсолютно безбедно раздельно просуществовать еще почти 2 миллиарда лет вплоть до наших времен, и, можно быть уверенными, много далее. Не просто протянуть эти миллиарды лет, а безусловно господствовать на Земле все это время как по совокупному числу своих генов среди клеточных существ (вирусных генов, разумеется, на Земле абсолютное большинство, но мы отнесем вирусы к неклеточным объектам биологии), разнообразию видов (чтобы не обозначал этот термин для прокариот), разнообразию биохимических механизмов и совокупной биомассе.

Уникальный, даже случайный – один из миллиардов попыток! – но предопределенный биофизической логикой успешный случай слияния археи и бактерий, породивший новую эволюционную «общность» – эукариотический организм, передал ему в наследство как минимум два предковых безупречно согласованных внутри себя комплекса механизмов. Но вместе с тем передана если и не конфликтность, то гораздо меньший уровень согласованности между этими комплексами, унаследованными от бактерий и асгардархеями.

Эти конгломераты связей могут быть наложены и на более фундаментальные отношения, лежащие в основе живого, которые были рассмотрены в главе VI: условно «вирусно-индивидуалистические» и «кооперативно-клеточные». Применительно к классическому примеру СОК – нарастающей и осыпающейся кучи песка, если в песке есть более плотные («мокрые») конгломераты, чем средняя плотность кучи, то очевидно, что в большинстве случаев разломы, порождающие лавины, будут проходить возле границ этих конгломератов (хотя практически невозможно предсказать, где именно) или «разламывая» их в наиболее слабых местах.

Таблица 4. Наиболее вероятное происхождение ключевых функциональных систем эукариот (на основе таблицы 7.2 в книге «Логика случая», Е. В. Кунин, 2012)

Разумеется, это всего лишь практически недоказуемая образная формулировка в отношении болезней и здоровья эукариот, включая человека: большая уязвимость связей между механизмами архейного и протокариотического происхождения или, в обратной логике, сводимость значительного числа заболеваний к нарушенным связям между механизмами разной исходной природы. Проверить последнее хотя бы в первом приближении уже гораздо легче: попытке такой проверки будут посвящены две последние главы. Но перед этим необходимо чуть более подробно рассмотреть другой очень важный фактор, происходящий из тех же туманных времен возникновения и формирования современных форм жизни, один из аспектов которого в последнее время находится в фокусе научных исследований и научно-популярной литературы, другой, однако, находится в относительной тени. Речь идет о том, например, что беспокойные, но менее удачливые по сравнению с альфа-протеобактериями соседи наших асгардархейных предков никуда не делись, они продолжали жить рядом (и часто внутри) всех наших уже эукариотических и особенно многоклеточных предков, готовые в любой момент «вгрызться» в их плоть, получить комфортную экологическую нишу для своих потомков, выиграть в эволюционной лотерее свою грин-кард. Попытки, надо признать, часто совсем небезуспешные. Только изобретательная сопротивляемость эукариот (ведомая, кстати, чаще структурами того же бактериального или вирусного происхождения) не позволила им полностью и бесславно выйти из этой эволюционной гонки вооружений имени Красной Королевы.

Напротив, поставленные на службу в качестве симбионтов паразиты могли нивелировать это давление и тем самым тормозить эволюцию. Данное представление хорошо накладывается на концепцию расширенного фенотипа Ричарда Докинза: фенотип отдельного организма и эволюция его вида часто определяются генами, связанными с совершенно разными организмами и видами, соответственно. Внимательный взгляд на этот недостаточно освещенный аспект позволяет глубже понять крайне актуальное в наши дни отношению к человеку и его здоровью как динамическому взаимодействию совокупности множества организмов (генотипов).

1. Ястребов С., 2019. От атомов к дереву: Введение в современную науку о жизни. – М., Альпина нон-фикшн.

2. Золотоносов М. Н., 2003. Братья Мережковские. Книга первая. Отщеpenis Серебряного века. – М., Ладомир.

3. Кричевский Н., (2016). Наследие противоречий. Истоки русского экономического характера. – М., ИТК «Дашков и К^о».

4. Маргелис Л., 1983. Роль симбиоза в эволюции клетки. – М., Мир.

5. Докинз Р., 2011 Расширенный фенотип. – М.: Астрель: CORPUS.

6. Скулачев В. П. Феноптоз: запрограммированная смерть организма / Биохимия. – 1999. – 64 (12): 1418–1426 с.

7. Zachar I., Boza G., 2020. Endosymbiosis before eukaryotes: mitochondrial establishment in protoeukaryotes. Cellular and Molecular Life Sciences, DOI: 10.1007/s00018-020-03462-6.

8. Spang A., Stairs C. W., Dombrowski N, Eme L., Lombard J., Caceres E. F., Greening C., Baker B. J., Ettema T. J. G., 2019. Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism. Nature Microbiology, Vol. 4, 1138–1148.

9. Spang A., Saw J., Jørgensen S., Zaremba-Niedzwiedzka K., Martijn J., Lind A. E., van Eijk R., Schleper C., Guy L., Ettema T. J. G., 2015. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature 521, 173–179.

10. Imachi H., Nobu M. K., Nakahara N., Yuki Morono, Ogawara M., Takaki Y., Takano Y., Uematsu K., Ikuta T., Ito M., Matsui Y., Miyazaki M., Murata K., Saito Y., Sakai S., Song C., Tasumi E., Yamanaka Y., Yamaguchi K., Kamagata Y., Tamaki H., Takai K., 2020. Isolation of an archaeon at the prokaryote – eukaryote interface. Nature 577, 519–525.

11. White J. F. Jr, Kingsley K., Harper C. J., Verma S. K., Brindisi L., Chen Q., Chang X., Micci A., Bergen M., 2018. Reactive Oxygen Defense Against Cellular Endoparasites and the Origin of Eukaryotes в книге Transformative paleobotany: Papers to commemorate the life and legacy of Thomas N. Taylor, Chapter: 18, Editors: Michael Krings, Carla J. Harper, N. Ruben Cuneo, Gar W. Rothwell, Elsevier. P. 439–460.

12. Zaremba-Niedzwiedzka K., Caceres E. F., Saw J. H., Bäckström D., Juzokaite D., Vancaester E., Seitz K. W., Anantharaman K., Starnawski P., Kjeldsen K. U., Stott M. B., Nunoura T., Banfield J. F., Schramm A., Baker B. J., Spang A., Ettema T. J. G., 2017. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature 541, 353–358.

13. López-García P., Moreira D., 2020. The Syntrophy hypothesis for the origin of eukaryotes revisited. Nature Microbiology. Vol. 5. № 5. P. 655–667.

14. López-García P., Moreira D., 2020. Cultured Asgard archaea shed light on eukaryogenesis. Cell, Vol. 181. № 2. P. 232–235.

15. Hajjar С., Cherrier M. V., Mirandela G. D., Petit-Hartlein I., Stasia M. J., Fontecilla-Camps J. C., Fieschi F., Dupuy J., 2017. The NOX Family of Proteins Is Also Present in Bacteriam Bio, 8 (6) e01487-17.

16. Cannio R., Fiorentino G., Morana A., Rossi M., Bartolucci S., 2000. Oxygen: Friend or Foe? Archaeal Superoxide Dismutases in the Protection of Intra – And Extracellular Oxidative Stress Front Biosci; 5: D768–779.

17. Tan S.-X., Teo M., Lam Y. T., Dawes I. W., Perrone G. G. 2009. Cu, Zn superoxide dismutase and NADP(H) homeostasis are required for tolerance of endoplasmic reticulum stress in Saccharomyces cerevisiae. Molecular Biology of the Cell 20: 1493–1508.

18. Schrader M., Kamoshita M., Islinger M., 2019. Organelle interplay – peroxisome interactions in health and disease. Journal of Inherited Metabolic Disease. 0 (1): 71–89.

19. Islinger M., Voelkl A., Fahimi H. D., Schrader M., 2018. The peroxisome: an update on mysteries 2.0. Histochemistry and Cell Biology. 150 (5): 443–471.

20. Brown A. J., Galea A. M., 2010. Cholesterol as an evolutionary response to living with oxygen. Evolution 64–7: 2179–2183.

21. Smith L. L., 1991. Another cholesterol hypothesis: Cholesterol as antioxidant. Free Radic. Biol. Med. 11: 47–61.

22. Khan N., Shen J., Chang T. Y., Fung P. C. W., Ginsberg O., Demidenko E., Swartz H., 2003. Plasma membrane cholesterol: a possible barrier to intracellular oxygen in normal and mutant CHO cells defective in cholesterol metabolism. Biochemistry 42: 23–29.

23. Tsvetkov Р., Reuven N., Shaul Y. (2009). The nanny model for IDPs. Nat Chem Biol., Vol. 5 (11). P. 778–781.

24. Galluzzi L., Pietrocola F., Levine B., Kroemer G., 2014. Metabolic control of autophagy. Cell 159, 1263–1276.

25. Teulière J., Bhattacharya D., Bapteste E., 2020. Ancestral germen/soma distinction in microbes: Expanding the disposable soma theory of aging to all unicellular lineages. Ageing Research Reviews, 60, 101064.

26. Shi C., Chao L., Proenca A.M., Qiu A., Chao J., Rang C. U., 2020. Allocation of gene products to daughter cells is determined by the age of the mother in single Escherichia coli cells. Proceedings of the Royal Society B. 287: 20200569.

27. Kirkwood T. B. L., Holliday R., 1977. Evolution of Aging. Nature, Vol. 270. P. 301–304.

28. Autexier C., Lue N. F., 2006. The Structure and Function of Telomerase Reverse Transcriptase. Annu Rev Biochem75: 493–517.

29. Nibert M. L., Vong M., Fugate K. K., Debat H. J. (2018). Evidence for contemporary plant mitoviruses. Virology, Vol. 518: 14–24.

30. Cairns J. 1975. Mutation selection and the natural history of cancer. Nature 255, 197–200.

31. Circu M. L., Aw T. Y. 2010. Reactive oxygen species, cellular redox systems and apoptosis. Free Radic Biol Med 48: 749–762.

32. Chen L., Xiao S., Pang K., Zhou C., Yuan X. 2014. Cell differentiation and germsoma separation in Ediacaran animal embryo-like fossils. Nature 516: 238–343.

33. Xiao S., Muscente A. D., Chen L., Zhou C., Schiffbauer J. D., Wood A. D., Polys N. F., Yuan X. 2014. The Weng’an biota and the Ediacaran radiation of multicellular eukaryotes. Natl Sci. Rev. 1, 498–520.

34. Cunningham J. A., Vargas K., Yin Z., Bengtson S., Donoghue P. C. J. 2017. The Weng’an Biota (Doushantuo Formation): an Ediacaran window on soft-bodied and multicellular microorganisms. J. Geol. Soc. 174, 793–802.

35. Dong L., Xiao S., Shen B., Yuan X., Yan X., Peng Y. 2008. Restudy of the worm-like carbonaceous compression fossils Protoarenicola, Pararenicola, and Sinosabellidites from early Neoproterozoic successions in North China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 258 (3): 138–161.

36. Raff E. C., Schollaert K. L., Nelson D. E., Donoghue P. C. J., Thomas C.-W., Turner F. R., Stein B. D., Dong X… Bengtson S., Huldtgren T., Stampanoni M., Chongyu Y., Raff R. A. 2008. Embryo fossilization is a biological process mediated by microbial biofilms. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 105: 19360–19365.

37. Knoll A. H. 2014. Paleobiological perspectives on early eukaryotic evolution. Cold Spring Harb. Perspective Biology 6: 1–14.

Оснований для таких суждений находится более чем достаточно, особенно в свете более широкого взгляда на формы сосуществования многоклеточных и вообще эукариот с прокариотами. Наиболее впечатляющим достижением, пожалуй, можно назвать открытие функциональной оси «кишечная микрофлора – кишечник – центральная нервная система». На этой оси кишечник рассматривается не только как орган пищеварения, но еще и как орган восприятия с относительно громадной чувствительной поверхностью. В то же время кишечник у многих животных, включая млекопитающих и человека, и крупнейший орган иммунной системы, позволяющий с невероятной быстротой и точностью, недоступным пока ни одной спецслужбе мира, выслеживать и удалять буквально единичные патогенные микроорганизмы из триллионов мирно сожительствующих бактерий кишечника. Ко всему этому весь желудочно-кишечный тракт буквально выстлан, как Москва, тротуарной плиткой: участками с огромным числом специализированных эндокринных клеток, вес которых у человека в сумме превышает вес всех остальных эндокринных органов.

Вообще, микрофлора кишечника человека, по некоторым оценкам, производит до полумиллиона различных веществ-метаболитов. Большинство из них мгновенно утилизируются в плавильном котле биохимических реакций внутри микроорганизмов, но некоторые способны накапливаться и выделяться. Многие из выделяющихся метаболитов обладают нейроактивностью, то есть способностью влиять на нервную систему хозяина. Среди важнейших из них можно назвать уже упоминавшийся BDNF, «комиссар» нейропластичности мозга, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), ключевой нейромедиатор тормозных процессов, и глутаминовую кислоту (глутамат), важный нейромедиатор возбуждающих процессов в ЦНС позвоночных.

В свое время казалось удивительным открытием, что и «примитивные» микробы, и «высшие» животные и растения используют в целом один и тот же, или очень близкий, набор сигнальных молекул. Хотя смыслы, передаваемые этими сигналами у разных живых существ, даже очень близких, часто кардинально различаются. Вопрос, на который до сих пор нет однозначного ответа, – является ли это неким общим «языком» живого, приблизительно как единый нуклеотидный и аминокислотный код, только гораздо более расширенный и более «размытый», или этот набор «слов» многократно «изобретался» по частям заново в результате взаимодействия многоклеточных организмов с их микроскопическими сожителями.

Впервые этот вопрос поднял Джесси Рот (Jesse Roth) с соавторами в 1982 году, предположив, что молекулы, которые эндокринная и нервная системы человека используют для коммуникаций, появились еще у древнейших бактерий. Почти десять лет спустя врач-гастроэнтеролог и по совместительству выдающийся нейробиолог Эмеран Майер и замечательный математик и биоинформатик Пьер Бальди написали несколько статей, в которых выдвинули гипотезу об универсальности биологического «языка», в котором регуляторные пептиды животных и сигнальные молекулы микроорганизмов служат общими «словами» (Mayer E. A. and Baldi J. P., 1991). Майер и Бальди полагали, что сначала в сложившихся симбиотических отношениях бактерии научились коммуницировать с хозяевами с помощью своих уникальных молекул. Миллионы лет спустя «некоторые из этих молекул стали нейромедиаторами, гормонами, гастроинтестинальными пептидами, цитокинами и другими видами сигнальных молекул, которыми организм человека пользуется и сейчас» (Майер Э., 2016).

Есть три основных вида КЦЖК – уксусная кислота (ацетат), масляная кислота (бутират) и пропионовая кислота (пропионат). Несмотря на химическую близость, физиологические эффекты этих кислот совершенно разные. Ацетат и бутират – наиболее полезные КЦЖК для млекопитающих, особенно бутират, служащий основой собственного питания эпителия кишечника, сигналом спокойствия для энтеральной нервной системы. Бутират заметно снижает воспалительные процессы в организме, особенно в головном мозге. Наибольший благотворный эффект бутират оказывает на митохондрии. В кишечнике бутират в основном вырабатывают маслянокислые клостридии и вибрионы Butyrivibrio, относящиеся к Firmicutes, а также некоторые бактероиды.

С пропионатом, вырабатываемым в кишечнике преимущественно маслянокислыми клостридиями, напротив, связаны весьма неоднозначные эффекты. Так, при повышении концентрации в просвете кишечника выше определенного уровня пропионат ослабляет плотные контакты между клетками эпителия кишечника, увеличивая его проницаемость. С увеличением проницаемости возрастает концентрация пропионата в глубоких слоях оболочки кишечника, настраивая клетки иммунной системы на более активную реакцию, а энтеральную нервную систему – на возбуждение. На уровне центральной нервной системы пропионат поддерживает оксидативный стресс и через ряд косвенных эффектов снижает содержание в ней антиоксидантов и омега-3 жирных кислот. В то же время пропионовая кислота, как консервант, тормозит рост и размножение многих микроорганизмов. Очень чувствительны к пропионовой кислоте митохондрии, в известном смысле ближайшие родственники бактерий в составе хозяйской эукариотической клетки. Есть предположение, что именно подавление пропионатом митохондриальной функции в определенных нейронах и иммунных клетках головного мозга является ключевым звеном патогенеза аутизма (Giulivi C. et al., 2010). В целом оказывается, что такие молекулы, как пропионат, способны критическим образом разрушать «взаимопонимание» между нормальной микрофлорой кишечника и иммунной системой хозяина, между иммунной и нервной системами, и даже «взаимопонимание» внутри клетки: между митохондриями, хромосомами и наружными рецепторами.

Вероятно, удастся выделить болезни коммуникаций биологической периферии (марковского ограждения индивидуальности по Карлу Фристону) с психологическим ядром индивидуальности, то есть, например, правильного «общения» микрофлоры с мозгом человека напрямую или через важнейшие физиологические системы макроорганизма: пищеварительную, иммунную, энтеральную и центральную нервные системы. Нарушенные коммуникации «периферии с ядром» называют причиной ряда серьезных заболеваний головного мозга, включая депрессию, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра. Можно предположить, что при некоторых из подобных заболеваний в силу коммуникационных деформаций происходит защитное нефатальное «отключение» части «ядерной» индивидуальности по типу незавершенного апоптоза, приводящее к частичному расщеплению индивидуальности.

Как можно было увидеть, эти коммуникации с биологической периферией индивидуальности многоканальные: они включают как сигнальные молекулы воспаления типа цитокинов, нейротрансмиттеры, гормоны или нервные импульсы, передаваемые через разделенные магистрали соматической, симпатической и парасимпатической нервных систем. Отдельным сверхглобальным каналом коммуникаций могут оказаться малые некодирующие РНК (БОН: глава Х). Как и в системе социальных коммуникаций, отдельные каналы общения не являются полностью изолированными друг от друга; существует множество точек переключения между ними на самых разных уровнях, своего рода «синапсов» из гипотезы безмасштабной когнитивности Майкла Левина. В итоге «психологическое ядро» должно «слышать» в себе гармонизированное отражение окружающей среды (ее «внутреннюю модель», по принципу свободной энергии Карла Фристона), что поддерживает и саму целостность ядра. Некомпенсируемые нарушения коммуникаций по сути исподволь разваливают эту целостность.

Своеобразным реостатом – регулятором «напряжения тока» коммуникаций – служит проницаемость желудочно-кишечного тракта. Она может варьировать от способности останавливать перемещение отдельных молекул во внутреннюю среду организма допредоставления возможности проникновения в эту среду целых микроорганизмов. Основными рабочими элементами этого регуляторного механизма являются слизь, вырабатываемая специальными клетками в стенке кишечника, и плотные межклеточные контакты между наружными клетками кишечного эпителия. Слизь двухслойна: тонкий внутренний слой очень прочно прикреплен к эпителию и обычно непроницаем для микроорганизмов, а толстый наружный слой более свободный, он непрерывно отслаивается в просвет кишечника вслед за проходящим кишечным содержимым вместе с массой накапливающихся в этом слое микробов. Именно этот слой служит местом постоянного обитания большинства кишечных микробов, так как содержит в большом количестве муцины, сахаросодержащие белки.

Попадание бактерий во внутренний слой слизи активирует иммунные клетки, находящиеся в кишечной стенке. Иммунные клетки особенно остро реагируют на липополисахарид (ЛПС) – уникальный полимер из оболочки грамотрицательных бактерий, при контакте с которым во многих случаях иммунным клеткам даже не требуются дополнительные подтверждения недружественного бактериального вторжения, чтобы инициировать воспалительную реакцию.

В нормальном состоянии плотные контакты между кишечным эпителием не пропускают молекулы ЛПС внутрь кишечной стенки и далее в кровоток. Но при повышенной проницаемости ЛПС запускает воспалительный процесс как локально, в месте проникновения, так и генерализованно, оказываясь одновременно маркером как воспалительного процесса, так и синдрома повышенной проницаемости кишечника.

Накапливается все больше данных, что повышенная в силу разных причин проницаемость кишечника увеличивает восприимчивость к целому ряду заболеваний – как инфекционных (включая ВИЧ), так и неинфекционных, особенно тех, в патогенезе которых особенно заметен аутоиммунный компонент. Среди таких заболеваний называют ревматоидный артрит, пищевые аллергии, астму, экзему, целиакию, воспалительные болезни кишечника, муковисцидозу, диабет, аутизм, болезни Альцгеймера и Паркинсона (Turner J. P., 2009).

Основная задача иммунных клеток в кишечной стенке при обнаружении ЛПС или других верных маркеров бактериального присутствия – дать оценку их появления на границе внутренней среды организма: или это случайно заблудшие прохожие – микробы нормальной микрофлоры или известные патогены-террористы, или потенциально опасные незнакомцы. У каждого варианта может быть несколько подвариантов: и представитель своей микрофлоры, получив «плохое письмо про невесту» вместе с геном какого-либо токсина может стать «неадекватным» и вследствие прежнего мнения о его добрососедстве крайне опасным, и известный террорист может прийти просто «сдаться», и незнакомец может оказаться впоследствии лучшим другом. По каким-то причинам без явного повода может измениться и восприятие прежде «добрососедского» микроба самой иммунной системой.

Так, например, Clostridium difficile, грамположительная бактерия, обнаруживается в кишечнике приблизительно у двух третей новорожденных. К трем-четырем годам ее встречаемость сокращается до одной трети малышей. У маленьких детей бактерия обычно не вызывает особых проблем. С возрастом бактерия практически исчезает из кишечника взрослых людей, и эпизоды ее появления и укоренения в кишечнике становятся причиной изнуряющей хронической диареи, требующей коррекции весьма радикальными методами.

Другим примером может быть бактерия Helicobacter pylori (HP), признанная причиной развития гастрита и язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Эта бактерия оказывает необычно сильное воздействие на иммунную систему кишечника, вызывая интенсивную выработку воспалительных цитокинов и гормонов стресса. Эволюционно это давний сожитель человека. Как показывают некоторые публикации, при скрупулезном следовании современной стратегии полной эрадикации HP, как требует маастрихтский консенсус по HP-ассоциированным заболеваниям, достигнутое полное избавление от НР у человека приводит к разрегулированию механизмов регуляции аппетита. Бактерия оказывается естественным образом вовлеченной в эти механизмы через прямое влияние на выработку в желудке многофункциональных нейропептидов – грелина (в части влияния на пищеварение – «стимулятора аппетита») и лептина («подавителя аппетита») (Francois F., Blaser M. J.et al., 2011). Кроме того, прослеживается положительное влияние НР на предупреждение развития гастроэзофагального рефлюкса (забрасывания желудочной кислоты в просвет пищевода) и рака пищевода. Очень похоже, что конфликтные отношения человека и НР имеют сравнительно недавнюю историю, и не все факторы их возникновения и развития еще учтены.

Задачи обнаружения чужеродного на границе внутренней среды и выбора вариантов реагирования решаются типизированными способами (БОН: глава XII).

Основной формой передачи информации иммунными клетками служат цитокины. Вполне естественно, что информация в виде выброса определенных цитокинов или их наборов передается исходя из «собственного» видения клеткой ситуации и из уровня ее «настороженности». Стресс, воспаление, избыток жира в проходящем кишечном содержимом и прочие провоцирующие факторы предрасполагают к более активному ответу, к более острому восприятию ситуации. Необычные, информационно ненасыщенные условия чрезвычайно индивидуализируют реакцию, делают иммунную клетку особо чувствительной к малейшим дополнительным, зачастую случайным сигналам, быстро склоняя ее к крайним формам реакции. Так и реакция автора при несении ночной караульной службы на удаленном блок-посту в Нагорном Карабахе стремилась к крайностям в зависимости от совокупности случайных факторов: в одну ночь открывался огонь на поражение в сторону стаи голубей в ответ на слишком громкий хлопок крыльев, в другую – пропускались непонятные грузовики без документов в обмен на шелест четвертных в нагрудном кармане. Разумеется, такие формы реакции были бы абсолютно невозможны при несении службы в дневное время при охране, скажем, Кремля или аэропорта Шереметьево в силу очевидных обстоятельств максимальной информационной насыщенности среды.

Контекст ситуации и тезаурус принимающих решение субъектов иммунной системы вообще составляют саму суть иммунного ответа. Разные источники и разный характер информационного содержания, например в циклических физиологических фазах сна и бодрствования, делают сон абсолютно необходимым как для метаболических процессов в организме, так и функционирования иммунной системы. Индуцируемые микробами провоспалительные цитокины интерлейкин-1 и TNFα – одновременно и важнейшие регуляторы сна – в первую очередь его «медленной» фазы (NREM, non-rapid eye-movement), через модулирование нейронной активности в важнейших функциональных областях головного мозга, контролирующих сон, включая кору и преоптическую область гипоталамуса (Nadjar A., Wigren H.-K. M. and Tremblay M.-E., 2017).

Совокупность наблюдаемых абсолютно специфических характеристик организма, связанных со сном, позволяет рассматривать его как особое физиологическое состояние, создающее особый контекст для иммунного ответа (БОН: глава XII). В этой связи самый важный аспект сна – изменяющаяся направленность активности коры головного мозга. В своей предельной форме эта особенность формулируется в висцеральной теории сна (ВТС), развиваемой российским ученым Иваном Николаевичем Пигаревым (Пигарев И. Н., 2013). ВТС предполагает, что физиологический смысл сна заключается в переключении обработки информации центральной нервной системой (ЦНС). Если в состоянии бодрствования ЦНС (преимущественно кора головного мозга) анализирует преимущественно внешние (экстероцептивные) сигналы из окружающей внешней среды (или то, что в этот момент организм/ЦНС считает своей внешней средой), то в состоянии сна ЦНС переключается на анализ «внутренней» информации, поступающей от интерорецепторов, расположенных во всех внутренних органах, но больше всего в ЖКТ. Соответственно, переключение во время сна на иные каналы поступления сигналов (афферентной, входящей информации) отражается и в смене направлений исходящих сигналов из ЦНС (эфферентной информации). Если в период бодрствования эфферентная информация формирует поведение организма во внешней среде, то в период сна исходящая из ЦНС информация должна обеспечивать эффективность работы внутренних органов (висцеральных систем, связанных с обеспечением гомеостаза). В рамках ВТС нарушение циклов сна и бодрствования и развитие связанных с этим нарушением патологий объясняются нарушениями синхронности переключения потоков информации в кору и из коры мозга при переходах между сном и бодрствованием. Существенным доводом в пользу ВТС служит тот факт, что лишение сна ведет к как психологическим, так и желудочно-кишечным расстройствам, и именно кризис в ЖКТ и других внутренних органах является наиболее частой причиной гибели лишенных сна высших животных. Можно предположить, что нарушения в обмене информации между ЦНС и микробиотой – как, например, дублирование этих потоков при сне или бодрствовании, или, напротив, двойное игнорирование, также способно привести к развитию патологических состояний.

Но наиболее актуальной в рассмотренной многоплановой связке макроорганизма современного человека и его микробиома можно считать проблему, которую Джастин и Эрика Сонненбурги назвали «уязвимостью индустриализированной микробиоты» (Justin & Erika Sonnenburg, 2019). За миллионы лет прежнего сосуществования между человеком (гоминидами) и микробиотой должно было быть достигнуто, казалось бы, идиллическое единение. На эволюционном масштабе в десятки и сотни миллионов лет пока невозможно различить эволюционное происхождение даже основных представителей микробиоты человека. Однако в масштабе эволюции ближайших предков человека (1–20 млн лет) можно увидеть, что основные бактериальные симбионты кишечника человека, шимпанзе, бонобо и гориллы эволюционировали параллельно с гоминидами.

Неудивительно, что взаимопроникновение метаболических и регуляторных путей человека и населяющих его бактерий таково, что метаболизм и некоторые системы макроорганизма можно считать функционально разделенными между человеком и его микробиотой по типу корпоративного аутсорсинга, что вполне соответствует уже упомянутой концепции холобионта. Особенно глубоко проникновение микробиоты в формирование и функционирование иммунной и нервной систем, по крайней мере в известном на сегодняшний день понимании (Belkaid Y. and Harrison O. J., 2017; Schroeder O. and Bäckhed F., 2016; Sarkar A., 2018; Sharon G., 2016). Более того, неизбежность сосуществования с микробиотой и явилось, очевидно, причиной возникновения этих выделенных систем у многоклеточных уже на самых ранних эволюционных стадиях. Если для иммунной системы это выглядит достаточно очевидным, то для нервной системы обоснованность ведущей роли окружающей микрофлоры в ее централизации (то есть перехода от распределенной локализации нервных клеток к централизованной в нервных узлах) еще требует подтверждения, несмотря на весьма основательные свидетельства в пользу этой гипотезы (Eisthen H. L. and Theis K. R., 2016). Можно сказать, что именно эти две системы, наряду с пищеварительной (или вообще метаболизмом, в более широком обобщении) являются основными «агентами влияния» микробиоты в человеческом организме. Хотя достаточно свидетельств, что и другие системы, в частности сердечно-сосудистая и секреторно-выделительная, испытывают влияние микробиоты, но хочется верить, пусть и безосновательно, что хотя бы наше сексуальное поведение остается вне френд-зоны влияния нашей любимой микробиоты.

Джастин и Эрика Сонненбурги выделяют в составе кишечной микрофлоры человека две группы, имеющие разнонаправленную динамику при движении человеческих популяций от общества охотников-собирателей через сельскохозяйственное общество к индустриальному.

Первая группа, метко обозначенная как VANISH (Volatile And/or Associated Negatively with Industrialized Societies of Humans – вариабельные и/или негативно ассоциированные с индустриализированными обществами; Vanish – исчезновение), объединяет таксоны бактерий, широко представленные у охотников-собирателей, например Prevotellaceae, но существенно сокращающиеся или вовсе исчезающие у людей в индустриальных и постиндустриальных обществах.

Во вторую группу, красноречиво названную BloSSUM (Bloomor Selectedin Societies of Urbanization/Modernization – процветающие или предпочтительные в урбанизированных/модернизированных обществах; BloSSUM от Blossom – процветание), включены таксоны типа Bacteroidaceae и Verrucomicrobia, редко обнаруживаемые у представителей неиндустриальных сообществ, но превалирующие у людей в наиболее экономически развитых странах. Несмотря на очевидную статистическую корреляционную связь сокращения групп VANISH и роста группы BloSSUM в составе кишечной микрофлоры у представителей развитых стран с ростом заболеваемости в них неинфекционными болезнями, конкретные патогенетические механизмы реализации этой взаимосвязи еще требуют более точного раскрытия как на уровне отдельных микроорганизмов, так и широких микробных ассоциаций (экосистем).

Наиболее разработанной областью такого взаимодействия можно назвать обмен углеводов: смена избытка растительных волокон, точнее даже так называемых «углеводов, доступных микробиоте» (MAC, microbiota accessible carbohydrates) в диете древних людей на их дефицит в современной глубоко переработанной пище вызвал, похоже, наиболее глубокую, даже по сравнению с распространением антибиотиков и дезинфектантов, перестройку состава микрофлоры (Sonnenburg E. D. and Sonnenburg J. L., 2014). Бактерии, ориентированные на потребление и взаимовыгодную с хозяином переработку таких растительных углеводов, обладающие разнообразными углевод-активными ферментами, КАЗимами (carbohydrate active enzymes, CAZymes), сменились бактериями, более приспособленными к утилизации слизи кишечника, более устойчивых к возросшему количеству желчи, а также к потреблению возросшего количества белка, жиров, и простых углеводов в значительной степени животного происхождения (Smits S. A. et al., 2017; David L. A. et al., 2014). Соответственно, так же значительно изменился профиль конечных продуктов бактериальной переработки пищи – низкомолекулярных биологически активных соединений, то есть тот язык, которым микробиота разговаривает с человеком. Можно удивляться, почему «доиндустриальная» микробиота, имеющая, как иногда считают, определяющее влияние на поведение человека, не «продиктовала ему свою железную волю» остаться с более привычной, традиционной диетой. Наоборот, к новой «индустриализированной» диете человек оказался психологически привязан в гораздо большей степени, и роль «новой» микрофлоры в этой зависимости должна быть очень заметна.

Изменившийся язык общения очевидным образом должен был оказать влияние и на степень взаимопонимания организма с микрофлорой, их способности учитывать интересы друг друга. И если рассматривать взаимоотношения, скажем, совокупности кишечного микробиома с макроорганизмом как экосистему, то можно выделить очень большой ряд преимуществ (услуг, в терминологии Сонненбургов), которые обеспечивала «прежняя», доиндустриальная микрофлора кишечника и которые были утрачены с развитием микрофлоры индустриализированной. Если рассматривать эти отношения с точки зрения управленческого подхода, то макроорганизму, как генеральному заказчику, не так уж важно, кто конкретно будет выполнять услуги и сервисы, передаваемые им на аутсорсинг. Главное, чтобы достигалось наилучшее соотношение «цена – качество», а подрядчики соответствовали минимальным требованиям по надежности, ведению корпоративной отчетности и социальной ответственности бизнеса. Разумеется, наилучшие условия в ходе тендера будут достигаться в условиях максимально конкурентной среды, то есть максимального разнообразия как собственной микрофлоры, так и возможностей ее постоянного обновления.

К этому же выводу – важности не столько представленности микрофлоры конкретными видами, сколько общему разнообразию и внешней открытости – можно прийти и другим путем рассуждений в духе общей теории управления. Как обсуждалось выше (УПС: глава V), если рассматривать биосферу как своего рода иерархическую фрактализованную систему (что, разумеется, в целом еще требует доказательств), у которой на самом высоком уровне иерархии, в принципе, может и не быть цели, кроме достижения минимума свободной энергии и максимизации энтропии, то на уровне взаимоотношений подсистем уже могут возникать собственные цели и отношения управления. И, если считать макроорганизм элементом большой экологической системы, стремящейся улучшить качество управления своими элементами через усложнение управляющих воздействий, одним из которых является микробиом, то экосистеме выгоднее более сложный, то есть более разнообразный микробиом отдельного ее элемента, отдельного организма. При заболеваниях, связанных с нарушениями обмена веществ, например при диабете или ожирении, с достаточным постоянством обнаруживается драматическое снижение разнообразия кишечной микрофлоры (Gerritsen J. et al., 2011; Walles C., 2014).

Как бы то ни было, тотальное изменение микрофлоры людей в развитых странах привело в настоящее время к изменению и профиля «сервисных услуг», предоставляемых кишечной микрофлорой человеку (рис. 24).

Рис. 24. Услуги и преимущества, предоставляемые кишечной микрофлорой как экосистемой человеку (из Sonnenburg J. L. and Sonnenburg E. D., 2019):

а – перечень услуг и преимуществ, предоставляемых кишечной микрофлорой. Перечень не является исчерпывающим, и его категоризация на 4 основные группы является примерной, однако дает рамочные ориентиры для оценки специфических эффектов микрофлоры; б – один из возможных взглядов на то, как изменения состава кишечной микрофлоры изменяют профиль ее «сервисных услуг» макроорганизму, приводя его к потере оптимального физиологического статуса и развитию заболеваний

В часто называемую оценку, что около 90 % генов внутри нашего тела принадлежат микробиоте, нужно внести как минимум два уточнения. Во-первых, если посмотреть и «вокруг» нашего тела, то можно увидеть, что с каждым годом все более совершенные молекулярно-биологические, в первую очередь метагеномные, методы анализа прокариотического разнообразия биосферы дают все более увеличивающиеся оценки этого разнообразия. И речь идет не только о так называемых «живых, но некультивируемых» видах прокариот (VNC, viable nonculturable), принадлежащих к известным ветвям (филумам) систематики и чья доля в которых составляет порядка 99 % (Rohwer F., 2003). По первым прикидочным оценкам (Brown C. T. et al., 2015; Castelle C.J. and Banfield J. F., 2018), до 15–25 % микробного разнообразия биосферы может принадлежать к вообще мало изученной «стволовой» суперветви (суперфилуму), обозначаемому как Candidate Phyla Radiation (CPR, переведем как «таксономический луч кандидатных филумов»). На генетической карте («древе») всего живого этот «луч» весьма радикально отрастает в сторону от остальных бактерий; на этой карте, для сравнения, растения и животные – это две рядом растущие маленькие малозаметные веточки на небольшом эукариотическом ответвлении от архей (рис. 25).

Нет оснований считать, что эта суперветвь не относится хоть в какой-то степени и к человеческому микробиому. Во-вторых, заметная, если не бОльшая часть общего генетического многообразия должна принадлежать вирусам (их общей совокупности – вирому). Известный вирусолог Роджер Хендрикс (Roger Hendrix) в 1999 году называл в первом приближении порядка 10 вирионов на каждое живое существо, представленное, как мы видим, преимущественно различными одноклеточными, в первую очередь бактериями и археями. Кертис Саттл (Curtis Suttle) оценивает превышение числа вирусов над клетками в большинстве биоценозов – от вод океана до кишечника животных в один-два порядка (Suttle C., 2007). Большинство (не менее 90 %) из этих вирусов – хвостатые бактериофаги бактерий и архей, разумеется, также в большинстве случаев лабораторно некультивируемые в силу некультивируемости их хозяев. Обозначить даже приблизительно диапазон соотношений для многоклеточных организмов пока не представляется возможным; но в общебиологическом плане, как мы видим, это и не столь существенно. В целом общий биосферный виром на данный момент можно считать скорее «темной материей», так как большую часть выявляемых вирусных последовательностей не удается связать пока с какими-либо определенными видами вирусов (Dutilh B. E., 2014; Hurwitz B. L., U’Ren J. M, Youens-Clark K., 2016).

Но, очевидно, очень важно иметь эту оценку по меньшей мере для одной определенной группы видов – человека и его близких родственников, хотя бы из общего представления, что важность модулирующего эффекта бактериального микробиома на организм человека зависит от модулирующего эффекта вирома на сам бактериальный микробиом (как автор, я бы пока поостерегся бактериальную часть микробиома называть бактериомом, так как до сих пор это наименование закреплено за специфическим органом насекомых, населенным бактериями-симбионтами). Как мы видим, здесь наблюдается количественное преобладание вирома над бактериальным микробиомом и, соответственно, бактериального микробиома над клеточной численностью организма человека, хотя соотношение по массе здесь, разумеется, совершенно обратное. Приблизительно как рынок финансовых деривативов кратно превышает фондовый рынок, а фондовый рынок – реальный сектор экономики (ВВП), и, несмотря на то, что фондовый рынок основывается («паразитирует») на реальном секторе («информация» паразитирует на «материи»), а деривативы – на них обоих, преимущественное направление влияния скорее обратное.

Рис. 25. «Клевер-четырехлистник» – один из современных вариантов «дерева жизни», охватывающий общее генетическое разнообразие по секвенированным геномам, на основе схемы из Hug L., Baker B., Anantharaman K. et al. (2016) A new view of the tree of life. Nat Microbiol 1, 16048. Включает 4 больших «листка»: Bacteria, PVC superfylum, Candidate Phyla Radiation и Archea с Eukaryotes, 92 наименованных бактериальных филумов, 26 архейных и 5 эукариотических супергрупп

Поскольку большая часть нормальной микрофлоры здорового человека должна быть представлена бактероидами, выглядит вполне естественно, что большая часть вирома кишечника человека представлена фагами этих бактерий, точнее даже – до 90 % нуклеотидных последовательностей метагенома кишечника, идентифицируемых как вирусные, относится к крАсс-фагу (crAssphage, CrossAssemplyphage, один из фагов Bacteroides intestinalis), а значительная часть оставшихся вирусов – к крАсс-подобным фагам (crAss-likephages), способным, возможно, инфицировать не только бактероиды. Этот фаг был открыт исключительно методами метагеномики – компьютерной программной сборкой пересекающихся нуклеотидных последовательностей из множества образцов. Удивительно то, что фаг оказался распространен абсолютно повсеместно, несмотря на известное разнообразие микрофлоры кишечника между людьми разных географических локаций с разными привычками питания и диетами. Это подтвердило расширенное всемирное исследование, в котором участвовали десятки исследователей-вирусологов и исследовались образцы от тысяч людей по всему миру.

Было бы интересно, например, оценить санитарно-гигиенический потенциал данного вируса в качестве индикаторного микроорганизма антропогенного фекального загрязнения. Используемые в настоящее время в этом качестве, например, кишечная палочка и ее колифаги, а также бактерии группы кишечной палочки, фекальный стрептококк и сульфитредуцирующие клостридии, не являются строго специфичными для человека, и, несмотря на свою несомненную значимость и важность в качестве санитарно-показательных микроорганизмов, они не могут в полной мере отразить вероятность загрязнения продуктов питания или объектов окружающей среды патогенными антропонозными вирусами с фекально-оральным механизмом передачи.

Множество, если не большинство несвободноживущих микроорганизмов сожительствуют только с одним или несколькими близкородственными хозяевами. Есть достаточно много примеров их взаимных адаптаций на коротких эволюционных дистанциях в конкурентной гонке Красной Королевы. Наиболее интересными среди них, из изученных инфекций человека, можно назвать взаимоотношения с микобактерией туберкулеза и вирусами герпеса (Brites D. and Gagneux S., 2015; Wertheim J. O. et al., 2014). Но пока нет никаких оснований считать, что какой-либо из паразитических или симбиотических элементов микробиома в обеих гонках Красной и Черной Королев эволюционно намертво привязан к хозяину, что они совместно пассивно эволюционируют на очень длинных эволюционных дистанциях, вместе преодолевая фундаментальные или просто значительные эволюционные инновации. Эволюционные инновации хозяина вызывают обновления микробиома разной степени радикальности и устойчивости, и наоборот, реновации микробиома оказываются причиной или способствующим фактором эволюционных инноваций, как в случае некоторых вирусных инфекций. Одним из наиболее изученных примеров является возникновение плаценты – без сомнения, важнейшая эволюционная инновация, позволившая предкам большинства млекопитающих обеспечить длительное вынашивание плода и закрепить стратегическую линию сравнительно невысокой, но эффективной плодовитости (ОП!).

Обычно плацентой в широком понимании называют орган, обеспечивающий «прикрепление или слияние оболочек плода к родительским тканям (слизистой матки)» (Mossman H. W., 1937) для физиологического обмена. Как и многие физиологически безусловно необходимые органы (например, глаза), плацента эволюционно возникала многократно в совершенно независимых эволюционных линиях. Ключевым событием в возникновении плаценты у млекопитающих стало формирование многослойного трофобласта плода – наружной оболочки, через которую идет его питание.

У самих ретровирусов синцитин также является белком слияния вирусных мембран с мембранами хозяина (Lavialle C. et al., 2013). Включение вирусных генов слияния – предков синцитинов – в геном млекопитающих происходило независимо у разных групп и, очевидно, от разных видов ретровирусов. Синцитины 1 и 2 человека появились у его предков 30 и 45 миллионов лет назад, соответственно, а у непосредственных предков мышей совершенно другие синцитины А и В – «все лишь» 25 миллионов лет назад. Похоже, что всего разные вирусные синцитины заново «создавали» плацентарный синцитиотрофобласт не менее 10 раз (Funk M. et al., 2018).

Этот пример показывает, что не только бактерии и простейшие могут «целенаправленно» черпать генетическую информацию из океана вирусного генома. Вообще, белков слияния у вирусов невообразимо много, но важной особенностью именно вовлеченных синцитинов было то, что, помимо функции слияния, большинство из них обладало функцией иммуносупрессии: способности подавлять иммунную реакцию матери на развивающийся чужеродный организм плода, точнее – поддерживать необходимый минимальный уровень местной воспалительной реакции, необходимый для удачной имплантации эмбриона в начале беременности и для ее успешного разрешения – в конце (Griffith O. W. et al., 2017).

Важно отметить, что вовлечение вирусных генов в физиологию млекопитающих происходило не отдельными генами, а целыми «пакетами»: так, у человека и обезьян Нового Света обнаружен ретровирусный ген INSL4 (Rawn S. M. and Cross J. C., 2008) кодирующий инсулиноподобный пептид, участвующий в питании ранней плаценты и развитии ее инвазивности (способности прорастать в маточную слизистую; эта функция гена, к сожалению, проявляется и в некоторых раковых клетках человека), а у гиен – Hyena-Env2, также связанный с исключительной инвазивностью плаценты гиен, аналогично человеческой (Funk M. et al., 2018).

В целом подобные механизмы показывают, что в определенныхэволюционных ситуациях, которые можно сопоставить с состоянием самоорганизованной критичности (СОК, УПС: глава V), сложные организмы оказываются (или кажутся) более открытыми к генным вторжениям. Это существенно расширяет их биологический инструментарий, но, как можно представить, такие вторжения вряд ли происходили совершенно гладко, скорее всего, в форме тяжелой инфекционной патологии, а сами инновации в своем первичном виде могли выглядеть как тяжелые уродства (БОН: глава XIV).

Вообще, смену хозяев зависимыми микроорганизмами, даже временную – своеобразный Юрьев день микрофлоры – можно расценивать и саму по себе как существенную эволюционную инновацию. С одной стороны, в практическом плане сложно представить, чтобы возникновение возможности сосуществования с новым хозяином не вызывалось бы генетическими изменениями или хозяина, и/или микроорганизма. С другой стороны, возникающие благодаря генетическим изменениям новые окна возможностей сосуществования заставляют обоюдно меняться адаптационные ландшафты микроорганизма и хозяина. В этом плане движение по адаптационному ландшафту можно сравнить с хождением по болоту: каждый шаг по нему вызывает волны его трансформации, пусть чаще всего и еле заметной, но риск «пропасть» в этой трясине чрезвычайно высок. Коэволюция оказывается не столько совместной коэволюцией хозяина и паразита или симбионта, «намертво» связанных гонками Красной и Черной королев, а сколько коэволюцией целого круга взаимодействующих друг с другом хозяев и связанных с ними микроорганизмов. Размер же этого круга определяется существенностью взаимодействий, ведь в конце концов на гравитационные взаимодействия на Земле оказывают влияние и далекие звезды, но насколько практически существенно это воздействие? В самом составе этого бесконечного круга, завязанного в непрерывном танцевальном марафоне, преимущество получают в первую очередь те танцоры, которые успевают или удачно расположиться, или быстрее двигаются (изменяются).

Даже из базовых математических оценок выходит, что максимальная изменчивость должна наблюдаться в окружающем и пронизывающем нас вироме. Если сравнивать уровень изменчивости (скорость движения танцоров) с температурой (скоростью движения молекул), то окружающий нас виромный океан должен буквально кипеть, заливы архейного и бактериального микробиомов – быть весьма горячими, а бултыхающаяся в них эукариотическая жизнь должна едва теплиться. В этом отношении глобальный виром вполне можно считать драйвером всеобщей эволюции (Кордингли М., 2017). Трудно сказать, ведет ли высочайшая изменчивость вирома на протяжении миллиардов лет эволюции к его превосходящей совокупной сложности. Биологическая функциональная сложность вообще может быть условно разделена на связанную с разделительными структурами и механизмами, например мембранами, которая в более общем контексте соотнесена с упомянутым выше «клеточным» аспектом жизни, и интегративными, например генетическими, более соотносимыми с «вирусным» аспектом (УПС: глава VI).

«Геномную» сложность вирусов можно считать суммирующей к генетической, интегративной сложности хозяев, а «вирионную» сложность – уменьшающей разделительную сложность хозяев. В этом смысле неудивительно, что, в экстремальном выражении этой идеи, генетическая сложность эволюционно рождена мобильными генетическими элементами, а разделительная, включая вирионную (что подтверждено реконструкцией эволюции капсидных белков) – «стабильными» клеточными структурами. В то же время в силу условности этого разделения биологические инновации, более щедро генерируемые геномной сложностью, более конкурентной, активно кооптируются разделительной сложностью, более кооперативной. Так, многие молекулярные биологические решения вирусов и других мобильных генетических элементов привлекаются для решения задач широкого иммунитета, относящегося скорее уже к разделительной сложности (БОН: глава XIII).

В целом, конечно же, все живые системы диссипативны – в той или иной степени рассеивают поступающую энергию. Разница в соотношении энергии и вещества, рассеиваемых в пространство к передаваемым дальше по «пищевой цепочке» негэнтропии, включая временно выключаемых из этой цепи в виде захоронений вещества и энергии. К последним могут относиться как органические захоронения, например углеводородов, так и неорганические, например серы или железа, производимые редуцирующими микроорганизмами. Человечество, несомненно, находится ближе к окончанию этой цепочки: соотношение рассеиваемой им энергии к передаваемой далее по цепочке безобразно велико. Мы самозабвенно рассеиваем не только получаемую нашими организмами энергию, но и накопленную за сотни миллионов лет в недрах Земли, проходящую мимо наших организмов, но обеспечивающую наш комфорт. Человеческая деятельность уже, как никакая другая биологическая деятельность до него, самым драматическим образом ведет к ускорению роста энтропии Земли и околоземного пространства, как бы ни казалось наглядным обратное. Потенциальные же возможности человечествав этом направлении просто катастрофичны.

Глобальный виром очевидным образом зиждется на всех промежуточных элементах этой цепи. С одной стороны, он постоянно разрушает более сложные, чем он сам, клеточные структуры, при этом также саморазрушаясь: большая часть всех возникающих вирусных частиц распадается, так и не запустив программу саморепликации в пораженных клетках. С другой стороны, глобальный виром действует в пользу интегративной сложности как вектор взаимодействия клеточных систем или как оправдание наращивания ими своей разделительной сложности.

Также появляются единичные свидетельства попадания вирусов в обычные пищевые цепочки – так, показано, что морские простейшие могут успешно питаться некоторыми вирусами (Brown J. M. et al., 2020), что еще больше закручивает и без того чрезвычайно сложную спираль взаимодействия морских микроорганизмов – основной части важнейшего, пожалуй, биоценоза на Земле: морского. Ввиду существенно большей открытости прокариот и одноклеточных эукариот к взаимодействию с виромом самые захватывающие и масштабные события происходят именно на этой ненадежной границе «раздела фаз». Конечно, горизонтальный перенос генов (ГПГ) у прокариот как основной механизм их изменчивости не определяется на 100 % трансдукцией (переносом) вирусами. Механизмы трансформации (прямого захвата ДНК из окружающей среды) и конъюгации (прямого переноса ДНК из бактерии в бактерию по конъюгационным мостикам) выглядят как вирус-независимые. Однако с учетом имеющихся у фагов (вирусов бактерий и архей) изощренных систем прикрепления и проникновения, а также фактической трудноразделимости вирусов и безкапсидных мобильных генетических элементов (которые в данной книге также причисляются к глобальному вирому, несмотря на фундаментальную, по мнению некоторых известных ученых, важность капсида как вообще ключевого признака вирусной, по их мнению, формы жизни (Raoult D. and Forterre P., 2008), роль именно вирома в ГПГ бактерий и архей представляется определяющей.

Разумеется, бактерии и археи оказываются далеко не пассивными приемниками поступающего потока генетической информации, они обладают чрезвычайно развитыми системами ее фильтрации, обеспечивающими способность разделять эту информацию на жизненно необходимую в данный момент, потенциально необходимую (нейтральную) и вредную, способную обрушить их генетическую и даже метаболическую целостность. Описанию этих механизмов, особенно наиболее важного из них – системы CRISPR – можно посвятить огромный текст, но будет гораздо правильней сделать ссылки на уже написанные замечательные книги, в которых эти системы описаны самым наилучшим образом, недостижимым автору, в частности, у Евгения Кунина в «Логике жизни» и одной из первооткрывательниц этого механизма – Дженифер Даудна в «Трещине в мироздании» (Даудна Д. и Стернберг С., 2019).

Спейсеры, в свою очередь, – это «срисованные» бактерией или археей чужеродные генетические элементы, преимущественно фаговые, с которыми сталкивалась клетка или ее соседи, если выжили после этого столкновения, и оказались способными сохранить и передать генетические данные интервента. При повторном появлении внутри клетки «записанного» в CRISPR-хранилище генетического элемента он мгновенно распознается и уничтожается cas-белками. Весьма вероятно, что функции CRISPR-системы не ограничиваются противостоянием фаговой интервенции; очень похоже, что этот эффективный механизм задействован и в различных способах регуляции работы собственных генов прокариот.

Некоторым оправданием краткости автора в описании CRISPR-системы может служить тот парадоксальный факт, что ничего подобного у эукариот вообще и человека в частности, здоровье и патология которого является главным предметом этой книги, не существует, по крайней мере, в части белкового аппарата этого механизма (в части РНК некое отдаленное сходство имеет система пиРНК и близкие к ней системы РНК-интерференции). И в непосредственном отношении к человеку и животным этот механизм может рассматриваться лишь как феномен, препятствующий широкому распространению фаготерапии инфекционных заболеваний. Но на самом деле важность CRISPR-зависимых механизмов в куда большей мере связана с тем, что они дали генной инженерии исключительно точные, сравнительно простые, биологически эффективные и экономически недорогие инструменты, которые в самом деле способны изменить наш мир.

Не останавливаясь по указанным выше причинам на механизмах устойчивости бактерий к вирусным инвазиям, включая CRISPR-опосредованные механизмы, интереснее рассмотреть практически более важные ключевые аспекты взаимодействия эукариотического, в первую очередь человеческого организма, его микробиома и связанной с ними частью глобального вирома.

1. Майер Э. (2016). Второй мозг: как микробы в кишечнике управляют нашим настроением, решениями и здоровьем. – М.: Альпина Диджитал.

2. Пикарев И. Н. (2013). Висцеральная теория сна. Журнал высшей нервной деятельности. Т. 63, № 1, с. 86–104.

3. Кордингли М. (2017). Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? – М.: АСТ – (Серия «Научная сенсация»).

4. Даудна Д., Стернберг С. (2019). Трещина в мироздании. – М.: Corpus (АСТ) – (Серия «Библиотека фонда «Эволюция»).

5. Roth J., LeRoith D., Shiloach J., Rosenzweig J. L., Lesniak M. A., Havrankova J. (1982). The Evolutionary Origins of Hormones, Neurotransmitters, and Other Extracellular Chemical Messengers – Implications for Mammalian Biology. N Engl J Med; 306: 523–527.

6. Mayer E. A., Baldi J. P. (1991). Can regulatory peptides be regarded as words of a biological language. American Journal of Physiology 261(2 Pt 1): G171.

7. Nadjar A., Wigren H.-K. M., Tremblay M.-E. (2017). Roles of Microglial Phagocytosis and Inflammatory Mediators in the Pathophysiology of Sleep Disorders. Front. Cell. Neurosci. 11: 250.

8. Drago S., El A. R., Di P. M., Grazia C. M., Tripathi A., Sapone A., Thakar M., Iacono G., Carroccio A., D’Agate C., Not T., Zampini L., Catassi C., Fasano A. (2006). Gliadin, zonulin and gut permeability: effects on celiac and non-celiac intestinal mucosa and intestinal cell lines. Scand J Gastroenterol 41: 408–419.

9. Fasano A. (2011). Zonulin and Its Regulation of Intestinal Barrier Function: The Biological Door to Inflammation, Autoimmunity, and Cancer. Physiol. Rev. 91, № 1.

10. Turner J.P. (2009). Intestinal Mucosal Barrier Function in Health and Disease, Nat. Rev. Immunol. 9, № 11, 799–809.

11. Francois F., Roper J., Joseph N., Pei Z., Chhada A., Shak J. R.,de Perez A. Z. O., Perez-Perez G. I., Blaser M. J. (2011). The effect of H. pylori eradication on meal-associated changes in plasma ghrelin and leptin. BMC Gastroenterol. 11 (2011): 37.

12. Sonnenburg J. L., Sonnenburg E. D. (2019). Vulnerability of the industrialized microflora. Science 366, eaaw 9255.

13. Moeller A.H., Caro-Quintero A., Mjungu D., Georgiev A. V., Lonsdorf E. V., Muller M. N., Pusey A. E., Peeters M., Hahn B. H., Ochman H. (2016). Cospeciation of gut microbiota with hominids. Science, Vol. 353, Issue 6297, pp. 380–382.

14. Belkaid Y., Harrison O. J. (2017). Homeostatic Immunity and the Microbiota. Immunity 46, 562–576.

15. Schroeder O., Bäckhed F. (2016). Signals from the gut microbiota to distant organs in physiology and disease. Nat. Med. 22, 1079–1089.

16. Sarkar A., Harty S., Lehto S. M., Moeller A. H., Dinan T. G., Dunbar R. I. M., Cryan J. F., Burnet P. W. J. (2018). The Microbiome in Psychology and Cognitive Neuroscience. Trends Cogn. Sci. 22, 611–636.

17. Sharon G., Sampson T. R., Geschwind D. H., Mazmanian S. K. (2016). The central nervous system and the gut microbiome. Cell 167, 915–932.

18. Eisthen H. L., Theis K. R. (2016). Animal – microbe interactions and the evolution of nervous systems. Phil.Trans. R. Soc. B 371: 20150052.

19. Blaser M. J. (2018). The past and future biology of the human microbiome in an age of extinctions. Cell172, 1173–1177.

20. Giulivi C., Zhang Y. F., Omanska-Klusek A., Ross-Inta C., Wong S., Hertz-Picciotto I., Tassone F., Pessah I. N. (2010). Mitochondrial dysfunction in autism. JAMA. Dec 1; 304 (21): 2389–96.

21. Brown J. M., Labonté J. M., Brown J., Record N. R., Poulton N. J., Sieracki M. E., Logares R. Stepanauskas R. (2020). Single Cell Genomics Reveals Viruses Consumed by Marine Protists. Front. Microbiol. 11: 524828.

22. Raoult D., Forterre P. (2008). Redefining Viruses: Lessons from Mimivirus. Nature Reviews Microbiology 6: 315–319.

23. Sonnenburg E. D., Sonnenburg J. L. (2014). Starving our microbial self: The deleterious consequences of a diet deficient in microbiota-accessible carbohydrates. Cell Metab. 20, 779–786 (2014).

24. Smits S.A., Leach J., Sonnenburg E. D., Gonzalez C. G., Lichtman J. S., Reid G., Knight R., Manjurano A., Changalucha J., Elias J. E., Dominguez-Bello M. G., Sonnenburg J. L. (2017). Seasonal cycling in the gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania. Science, 357, 802–806.

25. David L. A., Maurice C. F., Carmody R. N., Gootenberg D. B., Button J. B., Wolfe B. E., Ling A. V., Devlin A. S., Varma Y., Fischbach M. A., Biddinger S. B., Dutton R. J., Turnbaugh P. J. (2014). Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature 505, 559–563.

26. Gerritsen J., Smidt H., Rijkers G. T., de Vos W. M. (2011). Intestinal microbiota in human health and disease: the impact of probiotics. Genes Nutr. Aug; 6 (3): 209–40.

27. Wallis C. (2014). How Gut Bacteria Help Make Us Fat and Thin. Scientific American 310, № 6, 1.

28. Li J., Convertino M. (2019) Optimal Microbiome Networks: Macroecology and Criticality Entropy, 21, 506.

29. Rohwer F. (2003). Global phage diversity. Cell 113, 141.

30. Suttle C. A. (2007). Marine viruses – major players in the global ecosystem. Nat. Rev. Microbiol. 5, 801–812.

31. Brown C. T., Hug L. A., Thomas Beovic B. B. C., Sharon I., Castelle C. J., Singh A., Wilkins M. J., Wrighton K. C., Williams K. H., Banfield J. F. (2015). Unusual biology across a group comprising more than 15 % of domain Bacteria. Nature 523: 208–211.

32. Castelle C. J., Banfield J. F. (2018). Major New Microbial Groups Expand Diversity and Alter our Understanding of the Tree of Life. Cell 172: 1181–1197.

33. Hug L., Baker B., Anantharaman K., Brown C.T., Probst A. J., Castelle C. J., Butterfield C. N., Hernsdorf A. W., Amano Y., Ise K., Suzuki Y., Dudek N., Relman D. A., Finstad K.M., Amundson R., Thomas B. C., Banfield J. F. (2016). A new view of the tree of life. Nat Microbiol 1, 16048.

34. Dutilh B. E. (2014). Metagenomic ventures into outer sequence space. Bacteriophage 4, e979664.

35. Hurwitz B. L., U’Ren J. M., Youens-Clark, K. (2016). Computational prospecting the great viral unknown. FEMS Microbiol. Lett. 363.

36. Brites D., Gagneux S. (2015). Co-evolution of Mycobacterium tuberculosis and Homo sapiens. Immunological Reviews 2015 Vol. 264: 6–24.

37. Wertheim J. O. et al. (2014). Evolutionary Origins of Human Herpes Simplex Viruses 1 and 2. Molecular Biology and Evolution, 31: 2356–64.

38. Mossman H. W. (1937). Comparative morphogenesis of the fetal membranes and accessory uterine structures. Contrib. Embyrol. Carneg. Inst. 26: 129–246.

39. Lavialle C., Cornelis G., Dupressoir A., Esnault C., Heidmann O., Vernochet C., Heidmann T. (2013). Paleovirology of ‘syncytins’, retroviral env genes exapted for a role in placentation. Phil. Trans. R. Soc. B. 368, 20120507.

40. Funk M., Cornelis G., Vernochet C., Heidmann O., Dupressoir A., Conley A., Glickman S., Heidmann T. (2019). Capture of a Hyena-Specific Retroviral Envelope Gene with Placental Expression Associated in Evolution with the Unique Emergence among Carnivorans of Hemochorial Placentation in Hyaenidae. Journal of Virology, 93 (4).

41. Griffith O. W., Chavan A. R., Protopapas S., Maziarz J., Romero R., Wagner G. P. (2017). Embryo implantation evolved from an ancestral inflammatory attachment reaction. Proc Natl Acad Sci USA. 114, E6566–E6575.

42. Rawn S. M., Cross J. C. (2008). The Evolution, Regulation, and Function of Placenta-Specific Genes. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 24, 159–181.

43. Koonin E. V. (2018). Environmental microbiology and metagenomics: the Brave New World is here, what’s next? Environ Microbiol 20 (12): 4210–4212.

44. Dutilh B. E., Cassman N., McNair K., Sanchez S. E., Silva G. G. Z., Boling L., Barr J. J., Speth D. R., Seguritan V., Aziz R. K., Felts B., Dinsdale E. A., Mokili J. L., Edwards R. A. (2014). A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomes. Nat. Commun. 5, 4498.

45. Yutin N., Makarova K. S., Gussow A. B., Krupovic M., Segall A., Edwards R. A., Koonin E. V. (2018). Discovery of an expansive bacteriophage family that includes the most abundant viruses from the human gut. Nat. Microbiology, Vol. 23, 38–46.

46. Edwards R. A., Vega A. A., Norman H. M. et al.(2019). Global phylogeography and ancient evolution of the widespread human gut virus crAssphage. Nat Microbiol 4, 1727–1736.

Рассматривая наиболее крайние и наиболее существенные, с точки зрения человека, проявления взаимодействия макроорганизма, его микробиома и его вирома – различные инфекции человека и животных, можно, с одной стороны, выделить роль вирусов в развитии бактериальных инфекционных заболеваний или толерантности макроорганизма к бактериям, и, с другой, роль бактерий в развитии вирусных инфекционных заболеваний или толерантности макроорганизма к вирусам (Abeles S. R. and Pride D. T., 2014).

В отношении последнего – влияния микробиома на последствия вирусных проникновений в организм – вопрос, казалось бы, решается весьма однозначно: нормальная (что бы под этим ни понималось) микробиота способствует формированию крепкого (чтобы это слово ни значило) иммунитета, крепкий иммунитет способен успешно противостоять большинству вирусных инфекций. И в самом деле показано, что кишечная микрофлора решающим образом способствует формированию иммунной зрелости лимфоидной ткани, ассоциированной с ЖКТ (Karst S. M., 2016). Напротив, лишенные микрофлоры животные («стерильные» или гнотобионты) оказываются чрезвычайно чувствительными к кишечным патогенам любого рода в силу незрелости лимфоидных органов в своем кишечнике (Hooper L V. et al., 2012; Kamada N. and Nunez G., 2014). Помимо поддержки созревания лимфоидной ткани, кишечные бактерии могут содействовать иммунному развитию иммунного ответа уже непосредственно в ходе инфекции.

Такое подтверждение может давать собственная микрофлора. Например, при кишечной ротавирусной инфекции необходимую активацию образ-распознающих рецепторов (pattern recognizing receptors, PRRs) – сигнальщиков неблагоприятного инфекционного контекста – обеспечивают белки жгутиков (флагеллины) кишечной микрофлоры. Стимуляция ими двух видов PRR на поверхности кишечного эпителия (TLR5, toll-like receptor 5-толл-подобные рецепторы 5-го типа и NLRC-4) вызывает интенсивную выработку интерлейкина-22, запускающего каскад апоптического самоуничтожения инфицированных ротавирусом соседних клеток, и интерлейкина-18, инициирующего пролиферацию эпителия, возможно, компенсаторную (Zhang B. et al., 2014). Схожим образом при ротавирусной инфекции пробиотические бактерии Bifidobacterium brevis в смеси с пребиотическими олигосахаридами способны усиливать иммунный ответ на ротавирус через активацию TLR2, стимулирующее образование в кишечном эпителии цитокинов интерлейкин-4, гамма-интерферон, TNFα и вывод иммунных клеток из состояния толерантности к вирусу (Rigo-Adrover M. del M. et al., 2018).

Аналогичные механизмы задействованы при респираторных вирусных инфекциях. При гриппе золотистый стафилококк, условно-патогенный обитатель носоглотки, стимулирует созревание периферических моноцитов в иммунокомпетентные противовирусные альвеолярные макрофаги через активацию тех же толл-подобных рецепторов TLR2 (Wang J. et al., 2013), а коринебактерия C. pseudodiphtheriticum из верхних дыхательных путей при респираторно-синцитиальной инфекции аналогично активирует рецепторы TLR3, обеспечивая усиленное размножение Т-клеток, вырабатывающих провоспалительные цитокины с противовирусным действием – интерлейкин-6, гамма- и бета-интерферон, TNFα (Kanmani P. et al., 2017). Неудивительно, что схожим действием обладает и вагинальная микрофлора, представленная лактобациллами: при ее отсутствии, например в результате антибиотикотерапии, возрастает восприимчивость к генитальной герпетической инфекции (Oh J. E. et al., 2016). Более того, положительное влияние бактериальной микрофлоры (в первую очередь кишечной) не ограничивается местом ее локализации, оно может распространяться на другие удаленные слизистые оболочки организма. Такая общая защитная противовирусная функция кишечной микрофлоры, как показано к настоящему времени, в основном на примере вируса гриппа А, может реализовываться несколькими механизмами:

1. Через стимулирование выработки секреторных иммуноглобулинов А, способных связывать вирусы на поверхности слизистых оболочек (Ichinohe T. et al., 2011).

2. Через активацию в юных нейтрофилах специальных белковых комплексов – инфламмасом с функцией распознавания нежелательных агентов. Инфламмасомы, в свою очередь, вызывают обильную секрецию провоспалительных интерлейкинов 1β и 18, обладающих противовирусным действием, инициируя пироптоз – отличный от апоптоза, некроптоза и нетоза воспалительный механизм программируемой клеточной смерти пораженных вирусом клеток. Интересно, что инфламмасомная активация имеет место, например, и при метаболическом синдроме, одной из наиболее частых причин ожирения, при развитии которого роль кишечной микрофлоры оказывается исключительно многогранной (Wu S. et al., 2013; Ichinohe T. et al., 2009).

3. Через клеточные механизмы противовирусной защиты, например инициирование миграции дендритных клеток в лимфоузлы, где они стимулируют противовирусный Т-клеточный ответ, или прямую активацию хелперных и цитотоксических Т-лимфоцитов (Wilks J. and Golovkina T., 2012).

4. Через стимулирование выработки провоспалительных противовирусных цитокинов – интерферонов I типа (в основном альфа и бета) – например, в ответ на высвобождение дезаминотирозина бактериальной микрофлорой (Steed et al., 2017), или интерлейкинов 33, 1α и β, 12 и интерферон гамма в ответ на сигналы пробиотических бактерий Lactobacillusparacasei и Lactobacillusplantarum (Park et al., 2013; Belkacem et al., 2017).

Важно подчеркнуть, что все названные эффекты здоровая кишечная микрофлора реализует только в ответ на потенциально патогенную вирусную инфекцию. Казалось бы, вот она – панацея многих невзгод и недугов, от депрессии и насморка до колита и ожирения. Но увы: несмотря на известные молекулярные механизмы положительных эффектов и очевидные клинические достижения в лечении множества патологий через влияние на кишечную микрофлору, результаты оказались не всегда надежны, а эффекты далеко не однозначны. Да и может ли быть иначе, если наличие микрофлоры является неизбежным постоянным фактором, и любая успешная стратегия паразита должна ее учитывать, а еще лучше – использовать.

Какие «парадоксальные» примеры коллаборационизма нормальной кишечной микрофлоры с патогенными вирусами известны к настоящему времени? Примеров достаточно много. Так, подтверждено, что нормальная микрофлора необходима энтеровирусам для своей репликации в наиболее предпочтительных для вторжения местах (Kuss S. K. et al., 2011).

Альтернативными рецепторами на поверхности бактерий, играющими роль передаточных шестеренок для перемещения норовирусов из просвета кишечника на поверхность кишечного эпителия, могут служить и поверхностные бактериальные олигосахариды другого типа – ганглиозиды, а также липополисахариды. Подобная роль посредников норовирусной инфекции показана для некоторых энтеробактеров, клебсиелл, бацилл, бактероидов и даже отдельных «добрых волшебников кишечника» – лактобацилл, например L. plantarum и L. gasseri (Almand E. A. et al., 2014).

Схожую двоякую роль стимуляторов противовирусного иммунитета и пособников вирусной инфекции играет и белок бактериальных жгутиков флагеллин. Разыгрываемая фабула определяется, очевидно, в зависимости от площадки спектакля и конкретных участников актерской труппы, в духе современной интерактивной режиссуры. В лабораторных экспериментах бактериальный флагеллин, как чистый, так и в составе убитых сальмонелл, кишечной палочки и палочки сине-зеленого гноя, активно способствовал проникновению в клетки легочного эпителия модельных инфекционных агентов, оснащенных поверхностными гликопротеинами вирусов гриппа, кори, везикулярного стоматита, Эбола и Ласса (Benedikz E. K., 2019). Как описывалось выше (Zhang B. et al., 2014), тот же бактериальный флагеллин в случае кишечной ротавирусной инфекции, напротив, предотвращал ее развитие. Причем в обоих случаях действие опосредовалось связыванием с образ-распознающими рецепторами TLR5. Однако в случае кишечной ротавирусной инфекции через TLR5 запускался сценарий с участием интерферона-22, ведущий во многих случаях к апоптическому самоуничтожению пораженных клеток, а в случае легочной модели – с участием уже не раз упоминавшегося нуклеарного фактора каппа (NF-κB), универсального триггера воспалительных реакций и медленного тормоза апоптоза. Такая двойственность реакции подтверждает важность правильного понимания контекста ситуации реагирующими клетками организма. Этот контекст создается анализом сигналов, принимаемых от соседних клеток организма (так действуют, например, интерфероны), от прилежащих инородных организмов (микрофлоры), и от удаленных клеток, чаще иммунокомпетентных, создающих общий контекст организма через выработку активных информационных молекул типа цитокинов и распространяющихся тем или иным способом по всему организму. В практическом отношении этот конкретный пример важен тем, что позволяет лишний раз оценить роль антибиотиков в лечении вирусных заболеваний.

Все стандарты оказания медицинской помощи, все медицинские руководства прямо запрещают использование антибиотиков для лечения вирусных инфекций при отсутствии серьезных бактериальных осложнений (причем, как правило, в подавляющем большинстве случаев микробиологическое подтверждение ни того, ни другого не проводится – оценка осуществляется на основании клинической картины и общих лабораторных данных, чаще всего – по уровню С-реактивного белка и лейкоцитарной формуле). Обосновывается это рядом вполне разумных причин, начиная с очевидной биологической неэффективности антибиотиков в отношении вирусов, разрушения критически необходимой нормальной микрофлоры и заканчивая «воспитанием» сверхустойчивых к антибиотикам бактериальных «суперпатогенов».

Но, как известно, «практика – критерий истины». Врачи видят, что при многодневной безрезультатности применяемой при ОРВИ стандартной симптоматической терапии назначение антибиотиков очень часто оказывает видимый эффект. Причем эффект нельзя списать на общее улучшение в результате естественного хода заболевания – «с лечением насморк проходит через семь дней, без лечения – через неделю». Эффект очень часто проявляется явным переломом в развитии клинической картины. Врачи, как правило, приписывают этот результат своевременности назначения антибиотика при развитии бактериальной суперинфекции на фоне вирусного заболевания. А отсутствие результата – неудачному выбору антибиотика или все-таки отсутствию суперинфекции. Соответственно, когда практический врач видит больного с картиной ОРВИ без положительной динамики в течение недели или более, он оказывается перед очень трудным выбором в отношении назначения антибиотика. Он прекрасно знает о теоретической недейственности антибиотиков на вирусы, об их катастрофическом действии на микробиом и о селекции антибиотикорезистентных суперпатогенов.

Но когда ты у постели страдающего больного, и предыдущий опыт подсказывает из подсознания, что антибиотик, скорее всего, поможет, а негативные последствия описываются некоей неблизкой вероятностью, то накатанный путь клинического мышления услужливо подсказывает достойное оправдание назначению антибиотиков в виде «присоединившейся бактериальной инфекции». Даже в отсутствие достоверных микробиологических подтверждений. И пусть это звучит довольно еретически, из приведенных выше результатов исследований нельзя сказать, что врачи в подобных клинических ситуациях абсолютно неправы. Вирусная инфекция, как можно видеть, «въезжает» в ткани на плечах нормальной, и гораздо реже, как ни странно, патогенной микрофлоры, создавшей или показавшей вирусам места «микроуязвимостей» на слизистых, а затем расшатанные вирусной инфекцией ткани становятся широкими входными воротами инфекции бактериальной, чаще уже условно-патогенной, оппортунистической.

Моментом истины в каком-то смысле стала эпидемия COVID-19. Здесь в отличие от банальной респираторной инфекции каждый случай воспринимается врачом как потенциально смертельный, а решения приходится принимать в условиях сверхстрессовой нагрузки. В отсутствие проверенных временем стандартов лечения те решения, которые быстро и наглядно подтверждаются практикой, обретают огромное значение. Несмотря на то что для коронавируса SARS-CoV-2 напрямую не продемонстрировано участие микрофлоры в механизме его проникновения внутрь эпителия дыхательных путей и легочных альвеол, вероятность такого содействия может быть весьма большая. И вероятность «стандартного» присоединения бактериальной или грибковой суперинфекции в любом случае более чем велика. Соответственно, вопрос назначения антибиотиков в терапии острой коронавирусной инфекции быстро вышел на передний план. В практическом отношении эффективность их назначения у наиболее тяжелых больных признается более или менее явно, хотя публикации в авторитетных медицинских журналах крайне осторожны в этом направлении. Так, расширенный голландский экспертный совет по разработке обоснованных рекомендаций по применению антибиотиков у госпитализированных больных с возможным или подтвержденным COVID-19 смог вынести, по сути, только две рекомендации «высокой силы» и «высокого качества подтверждения» (Sieswerda E. et al., 2020):

1) прикладывать максимум усилий для бактериологического подтверждения суперинфекции и в случае достоверного ее отсутствия немедленно отменять антибиотики;

2) строго следовать локальным и/или национальным методическим рекомендациям по лечению больных COVID-19 с подозрением на вторичную бактериальную инфекцию.

По мнению Кейт Клугман и Ами Сары Гинзбург из Центра клинических исследований Университета штата Вашингтон, в случае тяжелых госпитализированных больных с COVID-19 и неясным диагнозом бактериальной суперинфекции врачи приобретают большее право на ошибку при назначении антибиотиков, а общая приверженность установленным стандартам назначения антибиотиков для ковидных больных снижается (Ginsburg A. S. and Klugman K. P., 2020).

Вряд ли ведущий вирусный инфекционный агент жестко связан с определенным бактериальным подельником. Скорее вирусная система, как более совершенный «вычислитель», использует определенные типы микробиомного контекста (или паттерна) организма в участке проникновения. Даже в противоречивом взаимодействии патогенных вирусов и нормального микробиома содействие сопротивлению макроорганизма вирусам оказывают только отдельные виды бактерий. Для развития же полноценной вирусной инфекции необходима вся целостная интактная система нормального локального микробиома, как предполагается по крайней мере для ряда возбудителей, например ротавирусов, где развитие вирусной инфекции результативно предотвращается антибиотиками (Harris V. C. et al., 2018, Uchiyama R. et al., 2014). Обратная ситуация – коинфекционность вирусного или другого мобильного генетического элемента при бактериальной инфекции – гораздо более наглядна и будет далее отдельно разобрана на примере классического эпидемического бактериального заболевания – холеры (БОН: глава XIV). В целом можно отметить, что значительная, если не основная доля факторов патогенности бактерий сохраняется и передается именно с помощью мобильных генетических элементов. В этом случае связка патогенной бактерии и мобильного генетического элемента оказывается более определенной и стабильной, хотя и не абсолютной.

С одной стороны, широта использования антибиотиков в развитых странах поражает. Косвенным показателем ее размеров может быть просто взрывной рост концентрации антибиотиков в окружающей среде некоторых регионов, что позволяет говорить о ее «антибиотиковом загрязнении» (Kraemer S. A., Ramachandran A. and Perron G. G., 2019). Загрязнение, в свою очередь, способствует распространению генов антибиотикорезистентности вообще в глобальной микрофлоре, подлинные масштабы и значение которого еще предстоит оценить. С другой стороны, в мире до сих пор больше людей погибает от отсутствия доступа к антибиотикам, чем от антибиотикорезистентных бактерий, как указывается в официальной публикации американского Центра по динамике, экономике и политике в отношении заболеваний (Center for Diseases Dynamics, Economics and Policy, CDDEP, Frost I., 2019).

В ней называются по меньшей мере три глобальных барьера, устранение или снижение которых поможет как расширить доступ к оправданному применению антибиотиков, так и косвенно ограничить неоправданное.

1. Недостаточные усилия по разработке новых лекарств антибактериальной направленности, трудности с их выходом на рынок и неадекватное сопровождение вывода на рынок, что ведет к нерациональному выбору и использованию антибиотиков.

2. Недоступность антибиотиков для многих людей в странах с низким и средним душевым доходом вместе с недостаточностью государственного финансирования здравоохранения.

3. Слабые системы здравоохранения, ненадежные цепи поставок и недостаточный контроль качества не обеспечивают достаточную доступность антибиотиков нуждающимся пациентам.

Совершено ясно, что устранение или снижение этих барьеров возможно только в случаях согласованных действий государственных регулирующих органов, фармацевтического бизнеса и неправительственных общественных организаций. Хотя отдельные небольшие шаги, например введение единой системы записей о всех использованных антибиотиках для каждого жителя страны, аналогично записям о проведенных прививках, могут быть реализованы и в рамках текущей самостоятельной деятельности органов здравоохранения.

Если идти к еще большему обобщению проблемы, то следует анализировать и глобальное расширение использования вообще антибактериальных средств, рассматривая в первую очередь даже не антибиотики, а самые различные дезинфектанты. Наиболее известным подходом к рассмотрению этой проблемы можно назвать «гигиеническую теорию».

Авторы гигиенической теории – Дэвид Стракан (оригинальная концепция 1989 года) и Эрика фон Мутиус (усовершенствованный вариант середины 90-х) исходили из следующих вполне разумных и очевидных предпосылок. Будучи практикующими врачами, они заметили, что встречаемость аллергий у детей обратно пропорциональна разнообразию микробного окружения ребенка: статистически достоверно аллергий меньше там, где ребенок встречает больше разных микробов, имеет больше «негигиенических» контактов с другими детьми и животными. Разнообразие микробов «обучает» иммунную систему правильной реакции на бактерии, оказавшиеся на границах внутренних сред организма в зависимости от их «лояльности» микроорганизму (БОН: глава VIII). В рамках информационной теории это можно рассматривать как постоянное генерирование новой информации с постепенным снижением «фатальности» контактов, необходимое для перехода к кооперативному типу взаимодействия. Контакты приносят разнообразие не только в бактериальную микрофлору, но и макрофлору организма – дети из сельской местности тропических стран поголовно заражены гельминтами, что, как указывают сторонники гигиенической теории, не дает развиться и другим заболеваниям с активной ролью иммунного компонента, например сахарному диабету, или, по крайней мере, улучшают инсулинорезистентность (Эрхгартнер Б., 2018). Именно в отношении сахарного диабета и ряда других заболеваний гигиеническая теория в конце 2010-х получила новое расширение, связанное с вирусами.

Изначально гигиеническая теория Стракана фон Мутиус рассматривала статистику распространения аллергических заболеваний между разными социальными стратами, впоследствии – разными географическими регионами с отличающимися социально-гигиеническими практиками.

Несомненно, важную роль играла смена характера питания, как сама по себе, так и в связке с вызванным ею изменением микробного разнообразия кишечника. Но эти факторы не могли удовлетворительно объяснить стремительный рост заболеваемости рядом прежде довольно редких болезней. Так, если заболеваемость диабетом II типа можно связать с повышением индекса массы тела, коренным изменением структуры потребления углеводов в пользу легкоусвояемых углеводов с высоким гликемическим индексом и т. д., то взрывной рост заболеваемости сахарным диабетом I типа («аутоиммунного диабета молодых»), начиная с 50-х годов ХХ века, с этих позиций труднообъясним.

Также труднообъясним и рост заболеваемости рассеянным склерозом в эти же годы, и полиомиелитом с начала XVIII века с пиком, пришедшимся также на 50-е годы (хотя отдельные описания редких недугов, которые можно сопоставить с диабетом, рассеянным склерозом и полиомиелитом, есть еще и у врачей Древнего Египта и Древней Греции, включая Гиппократа). Пик полиомиелитной заболеваемости оборвали очень удачно и своевременно разработанные вакцины Солка и Сэйбина. В отсутствие вакцинации мы бы переживали сейчас тяжелейшую многолетнюю эпидемию полиомиелита, по сравнению с которой по общим социально-экономическим последствиям эпидемия COVID-19 не выходила бы за рамки статистической погрешности.

Кристен Дрешер и Стивен Трэси (Kristen Drescher and Steven Tracy, 2018) уверены, что разгадка феномена заболеваемости полиомиелитом, диабетом I типа и рассеянным склерозом связана с энтеровирусами.

Энтеровирусы сравнительно широко распространены в окружающей человека среде и его кишечнике. Считается, что впервые человек сталкивается с ними уже в первые месяцы и годы жизни, как раз в зависимости от гигиенических условий проживания, но лишь встреча с некоторыми энтеровирусами знаменуются клиническими проявлениями. И даже в случае наиболее вирулентных энтеровирусов инфекция чаще всего протекает бессимптомно (до 90 % в случае полиовируса).

До конца XIX века ввиду неудовлетворительных по нынешним меркам гигиенических условий жизни подавляющего числа людей новорожденные сталкивались с полиовирусами (как и с другими микробами) исключительно рано, когда еще сохраняются материнские защитные антитела, в первую очередь иммуноглобулины А в кишечнике и на слизистых, полученные с молоком матери. Эти антитела, связываясь с патогенами в кишечнике и тем самым нейтрализуя их, позволяли иммунной системе ребенка получать «второе высшее образование» дополнительно к первому классическому, получаемому одновременно в тимусе. Широкое распространение хороших бытовых гигиенических практик, наряду с сокращением длительности грудного вскармливания или вообще отказа от него, привели к разрыву этой «образовательной цепочки»: дети стали сталкиваться с большинством инфекций, в том числе с полиомиелитом, гораздо позже, когда собственная иммунная система еще недостаточно «обучена», а поддержка материнскими антителами, также заметно сниженная по сравнению с «догигиеническими» временами, уже ушла. Но даже этот «образовательный разрыв» в ресурсах иммунной системы не ведет в большинстве случаев к развитию тяжелой болезни – поражению нервной системы в случае полиомиелита, так как иммунная система даже у ребенка уже достаточно изощрена и глубоко эшелонирована. Однако те случаи, когда иммунная система неадекватно реагирует на полиомиелитную инфекцию, в процентном отношении стали реализовываться все чаще и чаще, что и вылилось в глобальную пандемию полиомиелита, начавшуюся на заре индустриализации в XVIII веке, вышедшую на экспоненциальный рост в конце XIX века, и благополучно прерванную всемирной вакцинацией в середине ХХ века.

Как считают Кристен Дрешер и Стивен Трэси, ситуация с сахарным диабетом I типа гораздо сложнее. Пока их гипотеза строится преимущественно на исследованиях мышей с врожденной предрасположенностью к диабету, так называемой линии NOD (Non-Obese Diabeticmices, мыши с диабетом без ожирения). Эти мыши имеют генетическую предрасположенность к аутоиммунному диабету I типа, и в то же время их ткани способны поражаться, как и у людей, вирусами Коксаки В, специфической разновидностью энтеровирусов. Дрешер и Трэси выяснили, что у мышей инфекция вирусами Коксаки может протекать по трем сценариям.

(1) У обычных мышей без генетической предрасположенности к диабету обычно не наблюдается «спонтанных» локальных повреждений поджелудочной железы. Энтеровирусная инфекция в этом случае не приводит к развитию самоподдерживающегося воспалительного поражения поджелудочной железы и диабета.

(2) У старых NOD мышей с генетической предрасположенностью к развитию диабета наблюдаются единичные очаги поражения ткани поджелудочной железы с интенсивной инфильтрацией активированными Т-лимфоцитами. Но процесс идет вяло и не всегда приводит к быстрому развитию полноценной клинической картины диабета.

(3) Все меняется, когда такая мышь оказывается инфицированной вирусом Коксаки В. В этом случае энтеровирус, быстро проникая в островковые клетки поджелудочной железы, ответственные за выработку инсулина, запускает усиленный каскад их аутоиммунного разрушения, приводящий к стремительному развитию полной клиники диабета.

Роль именно вирусов Коксаки В и иммунных клеток подтверждается двумя наблюдениями. У молодых мышей, у которых первичное локальное поражение поджелудочной железы еще не возникло, заражение вирусом Коксаки В не приводит ни к каким клиническим последствиям, клетки неповрежденной поджелудочной железы способны успешно противостоять вирусному вторжению. Более того, у них вырабатываются так называемые T-регуляторные лимфоциты, способные подавлять излишнюю иммунную реакцию. Введенные старым мышам с уже возникшими первичными очагами поражения такие Т-лимфоциты предотвращают катастрофическое для поджелудочной железы развитие событий при последующей энтеровирусной инфекции с развитием очага аутоиммунного воспаления.

Принципиально развитие заболеваний по этому пути патогенеза можно описать следующим образом. Сначала возникают первичные локальные разрушения клеток, возможно, микроскопические, без существенных клинических манифестаций. Причины могут быть обусловлены самыми разнообразными факторами. Может играть известную роль как «математическая» необходимость «спонтанной» гибели некоторого числа клеток в любом организме (УПС: глава VI), которое в силу определенной комбинации генетических факторов может заметно возрастать. Может рассматриваться повышенная чувствительность отдельных клеток к различного рода воздействиям – стрессовым, токсическим и тому подобным, также генетически обусловленная. В принципе, можно предполагать идентичность первичных очагов (микропоражений) скоплениям сенесцентных клеток или даже отдельным сенесцентным клеткам.

Предметом уже чистых спекуляций может быть локальное накопление свободных внеклеточных митохондрий или свободной внеклеточной ДНК, способное привлекать или активировать иммунные клетки. Эти микропоражения дают повод сформироваться первичному пулу аутоиммунных клеток, нацеленных на непредставленные прежде иммунной системе аутоантигены собственных тканей.

В независимых случаях инфекция или микроповреждение сами по себе могли бы вызвать только умеренную или практически отсутствующую реакцию. В новых же условиях целями агрессивной иммунной атаки становятся не только объекты, несущие инфекционные антигены, но и попавшие к ним в ансамбль собственные антигены, до того или невидимые для иммунной системы, или пребывавшие в статусе лишь «свидетелей по делу». Можно предположить, что вокруг микроповреждений тканей или инфицированных клеток возникает своеобразная зона микроуязвимости.

В случае сенесцентных клеток эту зону можно сопоставить с областью диффузии секреторных компонентов SASP. Если в эту зону случайно проникает инфекция (для микроповреждения) или возникает микроповреждение (для локальной инфекции), то возникает возможность чрезмерной реакции иммунной системы, особенно в контексте уже присутствующего системного воспаления в организме. Причем непосредственно в зоне двойного поражения иммунные клетки, скорее всего, достаточно способны корректно разобраться с проблемой: ситуация сочетанного поражения вряд ли является эволюционной новинкой, и у системы обязательно должны быть алгоритмы его решения. Сложности могут возникать на некотором удалении от очага (рис. 26). Ситуацию можно сравнить с протестной манифестацией граждан и случайно возникшим рядом пожаром: бывшие непосредственно на месте районные полицейские и пожарные вполне могут правильно оценить независимость событий и решать две проблемы одновременно адекватными мерами, даже если городское полицейское руководство по рации и создает дикую нервозность. Но если события происходят на некотором расстоянии друг от друга, то решение полицейским приходится принимать только исходя из вида клубов дыма и сирен пожарных машин. А если полицейским придут на помощь федеральные агенты, обладающие «особой» информацией, а сами они решат хоть как-то отреагировать на истошные крики начальства из рации, то протестная манифестация граждан (даже согласованная властями) может закончиться жестким разгоном с дубинками и слезоточивым газом.

Вероятность подобных сценариев в общем случае пропорциональна произведению вероятностей протестных акций (микроповреждений, вероятно, в большей степени определенных генетически) и чрезвычайных ситуаций/пожаров (инфекционных проникновений). Вероятность инфицирования внутренней среды кратно возрастает при увеличенной в силу множества причин проницаемости стенок кишечника. Агрессивное воспалительное разрушение иммунокомпетентными клетками собственных инфицированных клеток или признанных таковыми становится непрерывным источником новых проблемных объектов, например аутоантигенов, что может запустить цикл самоподдерживающегося воспаления. Точно так же, как жесткое разрешение компетентными органами локального гражданского недовольства, зачастую возникающего на основе весьма примитивной, чуть ли не бытовой ситуации, но воспринятого органами на фоне задымления как «подогреваемого недружественными внешними силами», оказывается незатухающим источником дальнейших взаимных обид и претензий между силовыми структурами и гражданским обществом. Стоит ли говорить, что изначальный повод конфликта обычно очень быстро предается обоюдному забвению, а фактического наличия «внешних сил» (вирусов или иноагентов) уже и не требуется, достаточно их виртуального присутствия.

Рис. 26. Схема ткани с локальной инфекцией и локальной микроуязвимостью

Предположение о необходимости микроуязвимостей в качестве «входных ворот» для инфекционного агента может быть актуальным и для «классических» инфекционных заболеваний. Оно позволяет, по крайней мере, в связке с генетической предрасположенностью (наличием определенного генетического варианта связующих рецепторов – клеточных «входных замков») удовлетворительно объяснить необходимость минимальной инфицирующей дозы, сильно различающейся для разных патогенов. Так, если для некоторых возбудителей, например холеры или некоторых токсикоинфекций, таких локальных микроуязвимостей, возможно, вообще не требуется и, соответственно, для развития инфекционного процесса достаточно всего нескольких холерных вибрионов, способных закрепиться практически в любом месте пищеварительного тракта и начать выработку универсальных токсинов, поражающих любые эпителиальные клетки кишечника. Для большинства же других инфекций требуется определенная инфицирующая доза – от порядка одной тысячи для коронавируса до нескольких сотен тысяч для сальмонелл – в зависимости от плотности микроуязвимостей и плотности необходимых рецепторов в них, чтобы проникнуть во внутренние ткани и там закрепиться. Просто из статистических соображений можно вывести, что при низкой плотности микроуязвимостей требуется большая инфицирующая доза, а при высокой плотности – доза очень низкая.

В отношении вирусов Коксаки В и диабета I типа у человека свидетельств пока еще недостаточно, чтобы говорить о возможной вакцинации в сколько-нибудь практическом ключе. Несмотря на частое обнаружение признаков энтеровирусов (самих частиц, их РНК, антигенов или антител против них) при диабете I типа, связать диабет с их определенным видом или типом пока невозможно. Соответственно, потенциальная вакцина должна быть многокомпонентной, то есть направленной против нескольких потенциально виновных энтеровирусов. Учитывая возможную вовлеченность самого широкого круга вирусных агентов, не только энтеровирусов, в запуск подобного патогенного процесса и при других заболеваниях, количество необходимых компонентов таких вакцин становится неоправданно большим и весьма неопределенным. Одним из возможных решений может быть персонализация состава вакцин(ы) и календаря прививок в зависимости по меньшей мере от региональной специфики заболеваемости и генетических особенностей человека.

Антрополог Петер Обю (Peter Aaby) и врач Кристине Бенн (Christine Benn) – сторонники иного подхода. Сменив в конце 70-х годов датскую пряничную ухоженность на неустроенность джунглей Гвинеи-Бисау, они уже более 40 лет занимаются вакцинацией в этой беднейшей африканской стране. На основании своего более чем внушительного опыта вакцинации и множества статистических выкладок они предположили, что некоторые живые аттенуированные (ослабленные) вакцины, типа вакцин против кори, туберкулеза (БЦЖ, BCG, Bacillus Calmette-Guerin) и полиомиелита (вакцина Сэйбина), способны предотвращать, или, по меньшей мере, снижать заболеваемость не только «своими» болезнями, но и рядом совсем других инфекций.

Большинство подобных заключений делаются на основе данных из развивающихся стран. Результаты по развитым странам в целом менее определенные. Так, анализ данных американских Центров по контролю и профилактике заболеваний в 2017-м показал, что младенцы в возрасте от 16 до 24 месяцев, привитые до этого любой живой вакциной, госпитализируются в два раза реже, чем привитые инактивированными. Возможно, что этот эффект в большей степени распространяется только на развивающиеся тропические страны, где его можно было бы увязать с рассмотренными выше особенностями микробиоты и общего состояния иммунитета у населения. В последние годы эти наблюдения все чаще объясняются в рамках концепции «тренированного иммунитета».

Многие исследователи обнаруживают неспецифический стимулирующий эффект на общий противоинфекционный иммунитет у живой противотуберкулезный вакцины BCG в исследованиях in vitro и in vivo.

Сама по себе микобактерия туберкулеза – крайне необычный по отношению к человеку инфекционный агент, вероятно, один из древнейших инфекционных сожителей человека и его предков, наряду, например с герпесвирусами. Одна из особенностей этого возбудителя в том, что контактируют с ним подавляющее большинство людей, но тяжело заболевают лишь сравнительно немногие. Еще первооткрыватель возбудителя Роберт Кох, строгий редукционист в этиологии всех заразных болезней (то есть сводивший происхождение любого инфекционного заболевания к одной единственной причине – уникальному микробу-возбудителю), сто сорок лет назад отмечал, что «туберкулез – это не только туберкулезная палочка».

До сих пор ВОЗ считает туберкулез отчетливо социальной болезнью: болезнью нищеты, скученности, социальной несправедливости (Lönnroth K. et al., 2010). Можно сказать, что долгое противостояние с такими «древними» патогенами (гипотеза «старых друзей» в рамках гигиенической теории) во многом и сформировало конфигурацию современной иммунной системы человека, после прохождения им через десятки «бутылочных» горлышек эволюции – узких ущелий жесточайшего отбора на трассе гонки Красной Королевы. Многие вирусы и бактерии, ныне обычные представители «нормальной» микрофлоры, тысячи или сотни тысяч лет назад могли быть для наших далеких предков смертельно опасными патогенами. Но чрезмерно жесткий отбор хозяев часто катастрофичен и для самих паразитов. Отбор в отношении микробов идет скорее не на их вирулентность (степень «вредности») саму по себе, а на способность создавать себе новые экологические ниши среди изначально случайных, по сути, жертв, с помощью разнообразных инструментов, становящихся факторами патогенности. Так, в истории человечества простой лук охотника через быстрые модернизации много раз повторно становился совершенным оружием войны – луком Одиссея, английским лонгбоу, монгольским нумом, арбалетом. Популяции выживших животных и прилежащие им микробные сообщества, как две развитые информационные системы (они же подсистемы глобальной биосферы), неизбежно проходили путь от жесткого фатального контакта к той или иной форме кооперации: или метаболического симбиоза, или/и натаскивания защитных систем на новые потенциальные угрозы.

Это может быть одним из объяснений противоречия, почему доиндустриальное население с его сверхразнообразным и сверхполезным микробиомом оказывается тем не менее в своей массе как гораздо более насыщенным возбудителями по-настоящему тяжелых инфекционных заболеваний, но также и гораздо более устойчивым к ним в клиническом плане по сравнению с индустриализированным населением и его микробиотой. Тем не менее как «капля долбит камень не силой, но частотой», так и инфекции в развивающихся странах, как повторяющиеся катастрофы в системах самоорганизованной критичности человеческого организма и его социальных сообществ, в конце концов с большей вероятностью приводят к неисправимой катастрофе, заканчивающейся гибелью. Данная логика естественным образом отражается в структуре смертности в развивающихся странах (странах с низким уровнем доходов), где с заметным отрывом лидируют инфекционные заболевания (ВОЗ, 2016), а внутри этой группы – смертность от инфекций нижних дыхательных путей и кишечных инфекций. В целом преобладающая смертность от инфекций не только среди человека, но и большинства других животных и растений позволяет говорить о патогенах или паразитах вообще как ведущем инструменте отбора. Этот инструмент, как молоток, не всегда работает в одиночку, но исключительно часто забивает последний гвоздь в гроб популяции, целого вида или даже биоценоза.

Первая группа рисков обусловлена действующим вакцинным антигеном и связана с обоюдным риском низкой эффективности и серьезной опасности. Более высокая эффективность вакцины для одной (большей) части популяции часто сопровождается более высокой опасностью для другой. К сожалению, критерии отнесения к чувствительной популяции не ограничиваются «ослабленным» иммунитетом, и во многих случаях непредсказуемы. Так, сочетание особенностей свертывающей системы крови и иммунного ответа у некоторых людей оказались предрасполагающим фактором к усиленному тромбообразованию у ряда аденовекторных вакцин против COVID-19 в результате развивающейся аутоиммунной реакции на комплекс гепарин-тромбоцитарный фактор-4 (Greinacher A. et al., 2021).

На несколько великих вакцин, спасших сотни миллионов людей, каждое десятилетие приходилась как минимум одна, чье внедрение закончилось неудачей, унесшей десятки, сотни, а иногда и тысячи жизней. К таким неудачам, о которых, как о горьких страницах истории, нужно помнить не меньше, чем о великих победах, можно отнести ряд первых полиомиелитных вакцин 50-х и 60-х годов, как «живых» (типа Сэйбина), так и инактивированных (типа Солка). Помимо специфических проблем, большинство из них оказались заражены обезьяним вакуолизирующим вирусом 40 (SimianVacuolatingvirus 40, SV40). Причем вирус SV40 оставался активным и в «убитой» вакцине Солка. Несмотря на его канцерогенность для обезьян и ряда других животных, опасность для человека этого вируса подтверждена не была. Также на больших выборках не было выявлено связи с вакцинным инфицированием SV40 и каким-либо увеличением опухолевой заболеваемости и смертности, однако влияние инфицирования нескольких сотен миллионов людей на иные виды заболеваемости и смертности не было изучено в достаточной степени и полностью его исключить, к сожалению, нельзя. На этом фоне инцидент с первой ротавирусной вакциной 1999 года, для которой достоверно и достаточно быстро была выявлена взаимосвязь с 15 случаями острой кишечной непроходимости у младенцев в США, выглядит небольшим несчастным случаем. Точный механизм развития этого особого вида непроходимости, вызванного втягиванием кишки в саму себя (инвагинацией), также остался не вполне понятым. Учитывая рассмотренные выше сложнейшие взаимодействия кишечных бактерий, ротавирусов и иммунных клеток кишечника, можно только предполагать многогранность действия вирусов на экосистему и физиологию кишечника и всего организма.

Но какие-либо симптомы проявляет не более четверти зараженных, а тяжелое заболевание в форме геморрагической лихорадки возникает всего лишь у нескольких процентов из них. На Филиппинах от денге каждый год умирало не более 1 тысячи человек, но в связи с преимущественно детской смертностью и заметной госпитализируемой заболеваемостью страна в 2015 году включилась, хоть и в ограниченном масштабе (до 1 % населения), в программу вакцинации против денге. К этому времени уже были доступны данные из других азиатских стран, показывавшие, что в течение 3 лет после вакцинации заболеваемость у детей тяжелыми, госпитализируемыми формами денге в разы превышала такую у невакцинированных детей. Однако комментарии ВОЗ и фирмы-изготовителя списывали это явление на статистическую погрешность. К сожалению, предварительные данные других азиатских стран в полной мере подтвердились и на Филиппинах: к 2018 году госпитализируемая заболеваемость и смертность в провакцинированной группе детей заметно превысила таковую у невакцинированных, всего умерло 154 ребенка, из них 19 – с достоверным диагнозом денге. Эта история важна еще и тем, что именно на ее примере впервые стал широко обсуждаться феномен антителозависимого усиления патогенного действия (Antibody-Dependent Enhancement, ADE), иногда называемый в качестве ведущего компонента парадоксальной клинической картины и COVID-19 (ОП!).

Собственно, история ADE и начинается именно с лихорадки денге, но еще в далеком 1961 году. Тогда молодой врач армии США Скотт Холстед (Scott Halstead), работавший в Таиланде в составе группы вирусологов, впервые заметил, что дети, повторно заболевшие лихорадкой денге, а также младенцы кормящих матерей, привитых от лихорадки денге, заболевали и умирали гораздо чаще, чем заболевшие в первый раз или вскармливаемые непривитыми матерями. Это шло вразрез с господствующими постулатами иммунологии о развитии более сильной устойчивости после первого контакта с патогеном и о передаче пассивного иммунитета в виде иммуноглобулинов А с материнским молоком.

Чтобы разобраться, Холстед несколько лет спустя провел эксперимент на животных. Он заразил десять дюжин обезьян разными комбинациями вирусных вариантов денге и обнаружил, что у многих обезьян при повторном заражении вирусом лихорадки денге, но вариантом, отличным от первого, количество вируса в крови становилось чрезвычайно высоким. Для объяснения данного феномена Холстед к концу 70-х годов разработал концепцию ADE, согласно которой антитела в определенной концентрации и определенного сродства к вирусным антигенам позволяют вирусным частицам ускользать от разрушающего действия иммунокомпетентных клеток. В конкретной модели для лихорадки денге он предположил, что антитела связываются с вирусными частицами, и это, как обычно, облегчает их поглощение макрофагами. Но в случае ADE это поглощение через рецепторы к нераспознающим антигены («свободным») кончикам антител G (FcγRIIa) не ведет к расщеплению вирусных частиц внутри макрофагов на кусочки и выставления (презентации) этих кусочков на своей поверхности для других иммунных клеток, что запускает каскад сильного иммунного ответа. В случае же повторной инфекции денге, как считал Холстед, из-за недостаточного количества антител и/или их недостаточного сродства к вирусу макрофаги не распознают поглощенные вирусные частицы как опасность и не развивают дальнейшую иммунную реакцию на них. В результате вирусные частицы сохраняют способность свободного размножения, их концентрация тысячекратно возрастает, что выливается в крайне тяжелую клиническую картину.

Нельзя сказать, что эта гипотеза получила широкую поддержку. Тем не менее позднее ADE-подобные механизмы были описаны некоторыми исследователями еще и для кори (Polack F. P., 2007) и риносинцитиальной инфекции (Graham B. S., 2016). Уже совсем недавно, на фоне развития филиппинского инцидента, Ева Харрис и Лия Кацельник (Eva Harris and Leah Katzelnick, 2017; 2020) опубликовали ряд работ, достаточно убедительно показавших связь определенного (относительно умеренного) титра антител к антигенам вируса денге с развитием тяжелой геморрагической лихорадки. Причем этот титр мог быть вызван как вакцинацией, так предыдущим заболеванием, в том числе близкородственным лихорадке денге заболеванием – лихорадкой Зика. В течение 16 лет эти храбрые женщины вели наблюдение за тысячами детей в джунглях Никарагуа, посещали их дома, собирая анализы, создавали сеть специализированных лабораторий. На основании многолетних наблюдений и подробного анализа 40 тыс. образцов крови, они пришли к выводу, что при умеренной концентрации антител (в «опасном диапазоне», по терминологии Харрис) дети имели в 8 раз более высокий риск заболеть геморрагической формой лихорадки денге. Для детей с низким и высоким титрами антител подобной зависимости не выявлено. Уже в последние годы было показано, что ADE-опосредованный механизм задействован в патогенезе коронавирусных инфекций SARS-CoV-1 и MERS, а также был рассмотрен для новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2, где убедительных доказательств его наличия в патогенезе наиболее часто встречающихся вариантов течения COVID-19 пока получено не было (Lee W. S. et al., 2020). Тем не менее даже теоретическая возможность реализации этого механизма в отдельных («парадоксальных») случаях должна вызывать настороженность при разработке новых вакцин, особенно к коронавирусам.

Ко второй группе рисков вакцинопрофилактики можно отнести риски, связанные с с добавочными веществами вакцин. Вопрос в первую очередь касается механизма действия адъювантов – специальных добавок, которых включают в состав вакцин, преимущественно неживых, которые усиливают иммуногенность вакцинных антигенов, не вызывая при этом специфического иммунного ответа непосредственно против себя. Как ни горько признать, ученые до сих пор не до конца понимают полный механизм действия адъювантных вакцин, хотя, как очень хочется надеяться, разгадка уже близка, например в рамках концепции тренированного иммунитета.

Адъюванты, как считалось, обеспечивают более сильный иммунный отклик за счет более оптимального представления активного вещества – вакцинного антигена – иммунокомпетентным клеткам. Физически они создают, если можно так выразиться, напряженную границу раздела фаз, на которой и оказываются вакцинные антигены. Наиболее распространенными адъювантами служат неорганические соединения алюминия (гидроксид, фосфат, квасцы), образующие микроагрегаты, на которых адсорбируется вакцинный антиген. Несмотря на активный шум, создаваемый движением антивакцинистов против этих веществ, пока нет никаких достаточных оснований считать их ответственными за какие-либо значимые побочные эффекты вакцин. Однако не вполне ясный механизм их действия создает дискомфорт для медицинской науки в этом чувствительнейшем вопросе. В упомянутых выше исследованиях Обю и Бенн неживые, усиленные адъювантами вакцины, в отличие от живых вакцин, не создавали положительного эффекта расширенного действия вакцин; напротив, некоторые данные этих и других исследователей могут быть истолкованы как негативный эффект таких вакцин на общую заболеваемость.

Другой важный аспект, который должен учитываться, – некоторые заболевания имеют полиэтиологическую природу, то есть могут вызываться разными бактериями. Так, воспаление среднего уха, очень болезненный детский недуг, наиболее часто вызываемый пневмококками, но также и некоторыми другими бактериями, например моракселлами – нормальными обитателями кожи и слизистых верхних дыхательных путей. Пневмококки, кроме того, часто задействованы в качестве этиологического агента при септицемии (заражении крови), воспалениях легких и мозговых оболочек у детей первого жизни. Предполагалось, что пневмококковая вакцина значительно снизит заболеваемость этими патологиями. По факту почти так и оказалось. Почти, потому что заболеваемость этими болезнями, вызванная именно пневмококками, ожидаемо упала, но зато выросла заболеваемость, вызванная другими инфекционными агентами.

В предыдущей главе бегло рассматривались вопросы обмена информацией между организмом хозяина и его микробиомом. Правильные коммуникации в сообществах хозяев вообще необходимо рассматривать как важнейший аспект устойчивости популяции к инфекционным вторжениям. Другими перспективными точками приложения терапевтических воздействий могут быть коммуникации внутри микробиома и внутри вторгающихся сообществ патогенных микробов, а направленностью социально-гигиенических усилий – глобальная сеть экологических взаимодействий, то есть влияние на марковское ограждение индивидуальностей различного уровня иерархии по Карлу Фристону или их когнитивные границы по Майклу Левину.

1. Эрхгартнер Б. (2018). Крах гигиены. Как война с микробами уничтожает наш иммунитет. – СПб.: Питер – (Серия «NewMed»).

2. Дрешер К., Трэси С. (2018). Вакцина против диабета. ВМН, № 4, с. 67–72.

3. Маккена М. (2021). Царство убийц. ВМН, № 8–9, с. 68–79.

4. Abeles S. R., Pride D. T. (2014). Molecular bases and role of viruses in the human microbiome. J. Mol. Biol. 426, 3892–3906.

5. Karst, S. M. (2016). The influence of commensal bacteria on infection with enteric viruses. Nat. Rev. Microbiol. 14, 197–204.

6. Hooper L. V., Littman D. R. and Macpherson A. (2012). Interactions between the microbiota and the immune system L. Science 336, 1268–1273.

7. Kamada N. and Núñez G. (2014). Regulation of the immune system by the resident intestinal bacteria. Gastroenterology 146, 1477–1488.

8. Lee H. and Ko G. (2016). Antiviral effect of vitamin A on norovirus infection via modulation of the gut microbiome. Sci. Rep. 6: 25835.

9. Zhang B., Chassaing B., Shi Z., Uchiyama R., Zhang Z., Denning T. L., Crawford S. E., Pruijssers A. J., Iskarpatyoti J. A., Estes M. K., Dermody T. S., Ouyang W., Williams I. R., Vijay-Kumar M. and Gewirtz A. T. (2014). Prevention and cure of rotavirus infection via TLR5/NLRC4– mediated production of IL-22 and IL-18. Science 346, 861–865.

10. Rigo-Adrover M. del M., van Limpt K., Knipping K., Garssen J., Knol J., Costabile A., Franch A., Castell M., Pérez-Cano F. J. (2018). Preventive effect of a synbiotic combination of galactoand fructooligosaccharides mixture with Bifidobacterium breve M-16V in a model of multiple rotavirus infections. Front. Immunol. 9: 1318.

11. Wang J., Li F., Sun R., Gao X., Wei H., Li L.-J., Tian Z. (2013). Bacterial colonization dampens influenza-mediated acute lung injury via induction of M2 alveolar macrophages. Nat. Commun. 4: 2106.

12. Kanmani P., Clua P., Vizoso-Pinto M. G., Rodriguez C., Alvarez S., Melnikov V., Takahashi H., Kitazava H., Villena J. (2017). Respiratory commensal bacteria Corynebacterium pseudodiphtheriticum improves resistance of infant mice to respiratory syncytial virus and streptococcus pneumoniae superinfection. Front. Microbiol. 8: 1613.

13. Oh J. E., Kim B.-C., Chang D.-H., Kwon M., Lee S. Y., Kang D., Kim J. Y., Hwang I., Yu J.-W., Nakae S., Lee H. K. (2016). Dysbiosis-induced IL-33 contributes to impaired antiviral immunity in the genital mucosa. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, E762–E771.

14. Monedero V., Buesa J., Rodríguez-Díaz J. (2018). The interactions between host glycobiology, bacterial microbiota, and viruses in the gut. Viruses 10, 1–14.

15. Wu S., Jiang Z.-Y., Sun Y.-F., Yu B., Chen J., Dai C.-Q., Wu X.-L., Tang X.-L., Chen X.-Y. (2013). Microbiota regulates the TLR7 signaling pathway against respiratory tract influenza A virus infection. Curr. Microbiol. 67, 414–422.

16. Ichinohe T., Pang I. K., Kumamoto Y., Peaper D. R., Ho J. H., Murray T. S., Iwasaki A. (2011). Microbiota regulates immune defense against respiratory tract influenza A virus infection. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 5354–5359.

17. Ichinohe T., Lee H. K., Ogura Y., Flavell R., Iwasaki A. (2009). Inflammasome recognition of influenza virus is essential for adaptive immune responses. J. Exp. Med. 206, 79–87.

18. Wilks J., Golovkina T. (2012). Influence of microbiota on viral infections. PLoS Pathog. 8: e1002681.

19. Steed A. L., Christophi G. P., Kaiko G. E., Sun L., Goodwin V. M., Jain U., Esaulova E., Artyomov M. N., Morales D. J., Holtzman M. J., Boon A. C. M., Lenschow D. J., Stappenbeck T. S. (2017). The microbial metabolite desaminotyrosine protects from influenza through type I interferon. Science 357, 498–502.

20. Park M.-K., Ngo V., Kwon Y.-M., Lee, Y.-T., Yoo S., Cho Y.-H., Hong S.-M., Hwang H.S., Ko E.-J., Jung Y.-J., Moon D.-W., Jeong E.-J., Kim M.-C., Lee Y.-N., Jang J.-H., Oh J.-S., Kim C. H. (2013). Lactobacillus plantarum DK119 as a probiotic confers protection against influenza virus by modulating innate immunity. PLoS ONE 8: e75368.

21. Belkacem N., Serafini N., Wheeler R., Derrien M., Boucinha L., Couesnon A., Cerf-Bensussan N., Boneca I.G., Di Santo J. P., Taha M. K., Bourdet-Sicard R. (2017). Lactobacillus paracasei feeding improves immune control of influenza infection in mice. PLoS ONE 12: e 0184976.

22. Kuss S. K., Best G. T., Etheredge C. A., Pruijssers A. J., Frierson J. M., Hooper L. V., Dermody T. S., Pfeiffer J. K. (2011). Intestinal microbiota promote enteric virus replication and systemic pathogenesis. Science 334, 249–252.

23. Jones M. K., Watanabe M., Zhu S., Graves C. L., Keyes L. R., Grau K. R., Gonzalez-Hernandez M. B., Iovine N. M., Wobus C. E., Vinjé J., Tibbetts S. A., Wallet S. M., Karst S. M. (2014). Enteric bacteria promote human and mouse norovirus infection of Bcells. Science 346, 755–759.

24. Almand E. A., Moore M. D., Outlaw J., Jaykus L.-A. (2017). Human norovirus binding to select bacteria representative of the human gut microbiota. PLoS ONE 12: e0173124.

25. Benedikz E. K., Bailey D., Cook C. N. L., Gonçalves-Carneiro D., Buckner M. M. C., Blair J. M. A., et al. (2019). Bacterial flagellin promotes viral entry via an NF-kB and toll like receptor 5 dependent pathway. Sci. Rep. 9: 7903.

26. Ginsburg A. S., Klugman K. P. (2020). COVID-19 pneumonia and the appropriate use of antibiotics. The Lancet, Vol. 8, Issue 12, E1453–1454.

27. Sieswerda E.et al. (2020). Recommendations for antibacterial therapy in adults with COVID-19 – an evidence based guideline. Clinical Microbiology and Infection, in press, journal pre-proof.

28. Beovic B. et al., (2020). Antibiotic use in patients with COVID-19: a ‘snapshot’ Infectious Diseases International Research Initiative (ID-IRI) survey. J Antimicrob Chemother, 75: 3386–3390.

29. Harris V. C., Haak B. W., Handley S. A., Jiang B., Velasquez D. E., Hykes B. L., Droit L., Berbers G. A. M., Kemper E. M., van Leeuwen E. M. M., van Hensbroek M. B., Wiersinga W. J. (2018). Effect of antibiotic-mediated microbiome modulation on rotavirus vaccine immunogenicity: a human, randomized-control proof-of-concept trial. Cell Host Microbe 24, 197–207.

30. Uchiyama R., Chassaing B., Zhang B., Gewirtz A. T. (2014). Antibiotic treatment suppresses rotavirus infection and enhances specific humoral immunity. J. Infect. Dis. 210, 171–182.

31. Kraemer S. A., Ramachandran A., Perron G. G. (2019). Antibiotic Pollution in the Environment: From Microbial Ecology to Public Policy. Microorganisms, 7, 18.

32. Frost I., Craig J., Joshi J., Faure K., Laxminarayan R. (2019). Access Barriers to Antibiotics. Washington, DC: Center for Disease Dynamics, Economics & Policy.

33. Higgins J. P. T, Soares-Weiser K., López-López J., Kakourou A., Chaplin K., Christensen H., Martin N. K., Sterne J. A. C., Reingold A. L. (2016). Association of BCG, DTP, and measles containing vaccines with childhood mortality: systematic review. BMJ; 355: i5170.

34. Hensel J., McAndrews K. M., McGrail D. J., Dowlatshahi D. P., LeBleu V. S., Kalluri R. (2020). Protection against SARS-CoV-2 by BCG vaccination is not supported by epidemiological analyses. Sci Rep 10, 18377.

35. Lönnroth K., Jaramillo E., Williams B. G., Dye C., Raviglione M. (2010). Drivers of tuberculosis epidemics: The role of risk factors and social determinants. In WHO publication Equity, Social Determinants and Public Health Programmes, 219–242.

36. Huang J.-P., Kraichak E., Leavitt S. D., Nelsen M. P., Lumbsch H. T. (2019). Accelerated diversifications in three diverse families of morphologically complex lichen-forming fungi link to major historical events. Scientific Reports, 9 (1).

37. Agnolin F., Powell J., Novas F. E., Kundrat M. (2012). New alvarezsaurid (Dinosauria, Theropoda) from uppermost Cretaceous of north-western Patagonia with associated eggs. Cretaceous Research 35: 33–56.

38. Greinacher A., Thiele T., Warkentin T. E., Weisser K., Kyrle P. A., Eichinger S. (2021). Thrombotic thrombocytopenia after ChAdOx1 nCov-19 vaccination. N Engl J Med.

39. Polack F. P. (2007). Atypical measles and enhanced respiratory syncytial virus disease (ERD) made simple. Pediatr. Res.62, 111–115.

40. Katzelnick L. C., Gresh L., Halloran M. E., Mercado J. C., Kuah G., Gorgon A., Balmaseda A., Harris E. (2017). Antibody-dependent enhancement of severe dengue disease in humans. Science 17, Vol. 358, Issue 6365, pp. 929–932.

41. Katzelnick L. C., Narvaez C., Arguello S., Mercado B. L., Collado D., Ampie O., Elizondo D., Miranda T., Carillo F. B., Mercado J. C., Latta K., Schiller A., Segovia-Chumbez B., Ojeda S., Sanchez N., Plazaola M., Coloma J., Halloran M. E., Premkumar L., Gordon A., Narvaez F., de Silva A. M., Kuan G., Balmaseda A., Harris E. (2020). Zika virus infection enhances future risk of severe dengue disease. Science 28, Vol. 369, Issue 6507, pp. 1123–1128.

42. Graham B. S. (2016). Vaccines against respiratory syncytial virus: the time has finally come. Vaccine 34, 3535–3541.

43. Lee W. S., Wheatley A. K., Kent S. J., DeKosky B. J. (2020) Antibody-dependent enhancement and SARS-CoV-2 vaccines and therapies. Nat Microbiol 5, 1185–1191.

Как успешное существование с макроорганизмом в качестве симбионтов (вхождение в расширенную индивидуальность хозяина при сохранении собственной и групповой), так и успешная атака на него в качестве патогенов требуют от микробов высокой степени согласованности и организованности. Как указывалось в рамках изложения гипотезы безмасштабной когнитивности Майкла Левина (УПС: глава V), сотрудничество эгоистичных агентов минимизирует их индивидуальный стресс от неожиданностей окружающей среды и нивелирует их внутреннюю конкуренцию за информацию. Каждый агент расширяет свои вычислительные границы через коммуникации с соседями и неизбежно (а часто и незаметно) становится частью большой кооперативной индивидуальности. Соответственно, организованное взаимодействие требуется и от микроорганизмов-сапрофитов при независимом от какого-либо определенного хозяина выживании в окружающей среде. Но эти достаточно очевидные в целом суждения получили свое фактическое подтверждение только в последние 25 лет.

Первым примером кооперативного поведения микроорганизмов стал феномен свечения морских вибрионов Фишера (Aliivibrio fischeri), открытый еще в 80-е годы ХХ века: вибрионы начинают светиться, только достигнув определенной плотности популяции (Engebrecht J., Nealson K. and Silverman M., 1983). У A. fischeri такая концентрация обычно достигается в фотофорах мантийной полости кальмара Euprymnascolopes, с которыми вибрионы сожительствуют как симбионты. Свечение обеспечивает сложную систему коммуникаций кальмаров как с друг другом, так и соседствующими животными, отпугивая хищников, привлекая жертв. Вибрионы в фотофорах или в любом другом месте каким-то образом «чувствуют», что их стало достаточно много, чтобы практически одномоментно включить биохимический аппарат люминесценции. К 1994 году стало понятно, что это «чувство» есть у многих других бактерий, и оно способно запускать самые разнообразные формы их кооперативного поведения, и этому «чувству» дано было имя – «чувство кворума» (quorum sense, QS, Bassler B. L., Wright M. and Silverman M.,1994).

Условно-патогенные палочки сине-зеленого гноя (Pseudomonas aeruginosa) повсеместно встречаются в среде обитания человека, где иногда появляется хоть немного воды. Оказавшись в неповрежденном кишечнике или в здоровых дыхательных путях, они ведут себя вполне тихо и безобидно, но при попадании в открытую рану становятся чудовищными монстрами, возбудителями тяжелых внутрибольничных раневых инфекций, бичом хирургических стационаров. Помимо фантастической устойчивости к антибиотикам, они обладают способностью с помощью QS самоорганизовываться в атаке на и без того уязвимые из-за раневого процесса ткани организма. Чувствительные к автоиндукторам рецепторы находятся у Ps. aeruginosa не на поверхности, а в цитоплазме, но сути дела это не меняет. Накапливаясь до поры до времени в раневом содержимом и никак не проявляя себя, достигнув определенной концентрации, эти бактерии, как слаженная штурмовая группа, скрытно сосредоточившаяся на переднем крае, одномоментно «выстреливают» залпом факторов патогенности (экзоферментов-протеаз), «взламывают» передний край обороны организма – раневую поверхность, проникают в более глубокие ткани, слабо защищенные воспалительной реакцией, и выходят на оперативный простор. Организм просто не успевает выстраивать новые рубежи обороны, что позволяет Ps. aeruginosa распространяться все дальше и дальше, оставляя за собой «выжженное» протеазами пространство. При необходимости, как по команде, палочки сине-зеленого гноя могут все разом переходить к гибкой обороне, образуя плотные биопленки, труднопроницаемые для антибактериальных веществ.

На сегодняшний день показана ведущая роль QS в следующих ситуациях кооперативного поведения бактерий:

• свечение (морские вибрионы);

• образование биопленок (Рs. aeruginosa и многие другие бактерии);

• синтез экзоферментов и других факторов вирулентности (Ps. aeruginosa, S. aureus, E. carotovora);

• синтез антибиотиков (стрептомицеты);

• агрегация клеток и формирование плодовых тел со спорами (миксобактерии);

• переход в споровые формы (бациллы и актиномицеты);

• конъюгация с переносом плазмид (энтерококки и агробактерии).

Интересно то, что у большинства бактерий с групповым поведением наличие нескольких типов автоиндукторов позволяет реализоваться нескольким стабильным статусам/паттернам экспрессии оперонов:

1) в варианте, когда превышена пороговая концентрация всех автоиндукторов;

2) в варианте, когда все индукторы находятся в концентрации ниже пороговой;

3) в промежуточных вариантах с мозаичным достижением пороговых концентраций для разных автоиндукторов (Long T. et al., 2009).

В принципе, это выглядит как усложненный вариант контроля экспрессии бактериальных генов, более сложный, чем классическая оперонная модель Жакоба-Моно. В некотором смысле этот вариант уже напоминает паттерный дизайн экспрессии эукариотических генов со структурой системы, похожей на развитые генные сети. Профиль экспрессии генов в этом случае определяется аккордным созвучием факторов транскрипции, каждый из которых влияет на множество генов, а каждый ген находится под влиянием нескольких факторов транскрипции. Вообще, коммуникации типа quorum sense между предками митохондрий, согласованно атаковавших архейную клетку, и могли стать предтечами экзон-интронной «аккордной» организации эукариотического генома.

Перекрестное «понимание» одних и тех же автоиндукторов различными видами или даже различными более высокими таксонами бактерий вносит дополнительную сложность в сети локальных и глобальных взаимодействий, опосредуемую микробиомом. Например, в результате антибиотикотерапии стрептомицином в кишечнике снижается количество бактерий-фирмикутов («любителей» первобытной диеты с «тяжелыми» углеводами). Похоже, это происходит не только за счет их большей чувствительности к стрептомицину, но и за счет разрушения межвидовых коммуникаций, опосредованных автоиндуктором AI-2, который вырабатывают и «понимают» многие фирмикуты. Соответственно, растет число бактероидов («любителей» современной высокобелковой и жировой диеты с «легкими» углеводами), что ведет к дисбиотическим явлениям в кишечнике. Внесение в мышиный кишечник даже одного вида активных продуцентов AI-2 позволяет гораздо быстрее восстановиться более широкому спектру нормальной микрофлоры (Thompson J. et al., 2015). Система автоиндуктора DPO при высоких концентрациях холерного вибриона, напротив, тормозит кооперативные действия – формирование биопленок в кишечнике и синтез токсина. Взламывание обороны хозяина холерный вибрион достаточно эффективно осуществляет другими инструментами (БОН: глава XIV). QS в данном случае служит сигналом не мобилизации, а демобилизации патогена, его ускоренной эвакуации из кишечника, что формирует характерную клиническую картину холеры и обеспечивает стремительное распространение вибриона в окружающей среде. Есть сведения, что выработка автоиндуктора DPO представителями нормальной микрофлоры (Blautia obeum) в некоторых ситуациях тормозит выработку холерного токсина и колонизацию кишечника, заставляя холерные вибрионы эвакуироваться из кишечника раньше, чем они создадут необходимую концентрацию для его атаки (Hsiao A. et al., 2014; Papenfort K. et al., 2017). Нужно оговориться, что у человека этот механизм может иметь существенные ограничения, так как атакующая концентрация вибрионов холеры (как и инфицирующая доза) для человека чрезвычайно мала. Сходным образом пробиотическая сенная палочка Bacillus subtilis создает сигнальную конкуренцию автоиндукторам золотистого стафилококка. Вырабатываемые B. subtilis липопептиды из группы фенгицинов конкурентно препятствуют связыванию стафилококковых автоиндукторов с рецепторами AgrC, что тормозит синхронизированное высвобождение стафилококками факторов патогенности и их способность колонизировать пораженные поверхности хозяина (Piewngam P. et al., 2018). Обсуждается, что позитивный эффект пробиотических бактерий (как известных, так и, что вероятнее, еще неизученных) может быть связан не только с производством необходимых организму хозяина веществ (необходимых не столько в питательном, сколько в информационном, коммуникационном отношении, таких как бутират (УПС: глава VIII)), обозначаемых часто как мета- или постбиотики, но и с производством собственно молекул межмикробных коммуникаций. Причем для этой цели может требоваться на порядок меньшее содержание пробиотических бактерий, если они будут сверхактивными продуцентами автоиндукторов или других сигнальных молекул коллективного поведения бактерий. Не менее перспективным выглядит и использование для этих целей самих сигнальных молекул, посредников межмикробных коммуникаций, которые, за практически полным израсходованием греческих приставок к -биотикам, вполне могут оказаться названными мезобиотиками.

Это, во-первых, специфическая модификация автоиндуктора ферментными системами хозяина: так, например, фермент оксидоредуктаза пресноводной гидры переключает автоиндуктор курвибактера, своего постоянного микробного сожителя, из формы, потворствующей «свободному плаванию», в форму, способствующую коллективному поведению, буквально принуждая бактерию к собственной колонизации и вступлению в симбиотические отношения (Pietschke C. et al., 2017).

Во-вторых, это специфическая деградация автоиндуктора, запускающего организованную атаку на хозяина: так, австралийская красная водоросль Delisea pulchra с помощью галогенизированных феранонов блокирует рецепторы автоиндукторов внутри своего паразита Serratia liquefaciens, срывая тем самым коварные замыслы врага. Схожим образом животные – от дрозофилы до человека – могут отражать скоординированный натиск Ps. aeruginosa, попросту разрушая псевдомонадные гомосерин-лактоновые автоиндукторы своими ферментами-лактоназами (Harder T. et al., 2012; Chun C. K. et al., 2004). Более того, реагируя на автоиндукторы этого типа, макроорганизм может запускать полноценную иммунную атаку на бактерию, и это направление имеет еще несколько интересных аспектов, которые будут рассмотрены далее. Третьим видом влияния может считаться секвестрация или своего рода маскирование микробных автоиндукторов некоторыми белками хозяина. Это может иметь значение в случае смешанных бактериальных инфекций. Например, в смешанной лабораторной культуре Ps. aeruginosa своими коллективными, организованными через QS действиями подавляет рост золотистого стафилококка. Однако в ране млекопитающих эти две бактерии начинают действовать согласованно: сывороточный белок хозяина – альбумин – «прикрывает» псевдомонадный автоиндуктор, и бактерии, за отсутствием более противоречий между ними, организуют совместное разрушение тканей и общую защиту от антибиотиков (Smith A. C. et al., 2017). Определенно нахождение в инфекционном процессе, во взаимодействии с объектом инфекционной атаки, изменяет коллективное поведение бактерий по сравнению с их поведением в лабораторной культуре (Cornforth D. M. et al., 2018). Пока сложно понять, в чью пользу на самом деле работает это взаимное адаптационное приспособление: или бактерий, обретших ситуативное вовлечение факторов организма в решение своих задач, или организма, «научившегося» снижать остроту взаимодействия. В любом случае данный пример является дополнительным подтверждением общего тезиса, что новая индивидуальность (в данном случае коллективная индивидуальность бактерий) появляется только в составе более обширной контролирующей надсистемы.

Выглядело бы естественным, если бы такая обширная всепроникающая надсистема, охватывающая всех основных рассмотренных нами агентов биологических систем – от вирусов, бактерий и архей, до сложных многоклеточных организмов и их сообществ – имела сравнительно однотипный сквозной канал коммуникаций. Ни один из прежде нами рассмотренных каналов не обладает такой широтой. Возможно, такая роль по плечу сравнительно недавно описанной глобальной системе коммуникаций, опосредуемых некодирующими РНК (нкРНК, рис. 27). Некодирующие РНК – те, на матрице которых невозможно осуществить синтез полноценных белков, хотя поступают сведения, что на части нкРНК все-таки иногда синтезируются короткие пептиды, что может иметь очень весомое регуляторное и патогенетическое значение, например для аутоиммунных заболеваний (Li L.-J., 2017).

Обнаруженное в последние годы явление непропорционально большой к синтезу белков выработки РНК часто обозначается как феномен первазивной, то есть всеобъемлющей, транскрипции (Lybecker M. et al., 2014). Феномен более выражен у эукариот, но наблюдается и у прокариот (Dinger M. E., 2009). Представляется, что у сложных животных подавляющая масса транскриптома (всей списываемой с ДНК на РНК информации) относится к нкРНК и, соответственно, никак не ретранслируется в белки. Наиболее вероятная задача этой основной, некодируемой части транскриптома – интеграция и координация сложных наборов экспрессии генов, необходимых для дифференциации и развития каждой отдельной клетки и сложного организма в целом (Kapranov P. et al., 2007). Очевидно, что это происходит дополнительно к эпигенетическим механизмам или даже сверх них.

Рис. 27. Клетки читают новости

У эукариот нкРНК разделяют на две большие группы: короткие (до 200 нуклеотидов) и длинные (свыше 200 нуклеотидов). К коротким нкРНК относят известные РНК, включенные в процессы трансляции (рибосомальные и транспортные РНК), сплайсинга и модификации РНК (малые ядрышковые РНК), а также в общую регуляцию экспрессии генов: микро РНК (миРНК), малые (короткие) интерферирующие РНК (киРНК) и очень интересные piwi-взаимодействующие РНК (пиРНК), возможные аналоги бактериальной антивирусной системы CRISPR у эукариот. пиРНК списываются с кластеров ДНК, имеющих вирусное (чаще ретровирусное) происхождение (аналоги CRISPR кластеров прокариот) и связываются с проникшими в клетку РНК мобильных генетических элементов (например, транспозонов или вирусов). Присоединившиеся piwi-белки как эндонуклеазы расщепляют чужеродную РНК на кусочки (как и cas-белки бактерий), а образовавшиеся кусочки РНК сами могут связываться с оставшимися целыми чужеродными РНК, становясь новыми указками для разрушительных piwi-белков (Ophinni Y., 2019). миРНК и киРНК, одни из самых разнообразных молекул в организмах животных, также самым непосредственным образом задействованы в уничтожении чужеродных РНК и регулировании трансляции собственных генов.

К длинным некодирующим РНК эукариот (днкРНК), помимо обычных линейных днкРНК, относят и кольцевые (циркулярные) РНК (циркРНК). Основной функцией днкРНК также считается многоуровневое регулирование экспрессии собственных генов, особенно заметно проявляющееся в ходе индивидуального развития (онтогенеза) каждого организма (Sarropoulos I., 2019). циркРНК способны целенаправленно управлять регуляторной функцией миРНК и некоторых белков, связывая их как своеобразные губки (miRNAsponges, Huang C. and Shan G., 2015). Также циркРНК могут быть задействованы в механизмах противовирусного иммунитета у высших животных (Wang M., 2017). Некоторые виды днкРНК, в особенности циркРНК, могут секретироваться из клеток в составе мембранных везикул и обнаруживаться в свободном виде в плазме крови животных, включая человека (Holdt M. L., Kohlmaier A. and Teupser D., 2017).

Бактериальные кРНК могут быть разделены на два функциональных семейства: цисРНК, возникающие при антисмысловой транскрипции генов и вовлеченные в регулирование работы оперонов и управление числом копий плазмид и трансРНК, имеющие собственные единицы транскрипции и участвующие в посттранскрипционном созревании кодирующих белки матричных РНК (мРНК). В последние годы описано новое семейство сверхкоротких бактериальных нкРНК (16-25 нуклеотидов), напоминающих миРНК эукариот и названных соответственно миРНК-подобные. Их известная функция сводится пока к усилению факторов вирулентности бактерий (Choi J.W. et al., 2017).

Интересно, что нкРНК располагают индивидуализированными средствами доставки. нкРНК эукариот передвигаются с помощью трех видов специальных транспортных средств – особых мембранных пузырьков, экстрацеллюлярных везикул (ЭВ). Наиболее мелкие из них – экзосомы (диаметр 30-150 нм), образующиеся путем экзоцитоза, – основные перевозчики нкРНК. С их помощью нкРНК распространяют свое регулирующее воздействие внутри организма между весьма удаленными тканями, как правило, с током внеклеточных жидкостей (Valadi H. et al., 2007; Thomou T. et al., 2017). Эктосомы, или микровезикулы (100–1000 нм в диаметре) формируются своеобразным почкованием и встречаются гораздо реже. Третий вид транспортных средств нкРНК – апоптические тельца. Они образуются при завершающих стадиях клеточного самоубийства – апоптоза – и имеют наиболее разнообразные размеры – от 50 до 5000 нм (Kalra H., Drummen G. P. and Mathivanan S., 2016).

У бактерий образуются более мелкие, нанометровые ЭВ, как правило, путем отпочковывания от наружной мембраны, по крайней мере у грамотрицательных бактерий (Kim J. H., 2015).

Для реализации своего эффекта внутри целевой клетки прибывшие извне нкРНК должны связаться с регуляторными белками. У эукариот это так называемые белки-аргонавты. Комплекс нкРНК с белками-аргонавтами распознает за счет комплементарного связывания нуклеотидов определенные кодирующие РНК (а иногда и некодирующие), и далее распознанные таким образом РНК этими же белками быстро расщепляются (Nguyen Q. et al., 2018). Подобным образом действуют и нкРНК у прокариот, только в этом случае нкРНК связывается со специальными белками-шаперонами («укладчиками» полимерных цепей белков и РНК). В этом случае белки-шапероны Hfk выполняют дополнительную функцию активации фермента-эндонуклеазы, который разрушает распознанную с помощью комплекса нкРНК-Hfk кодирующую РНК бактерии. Но, в отличие от эукариотических клеток, у бактерий внешние нкРНК могут не только расщеплять выявленные кодирующие РНК, но в некоторых случаях, наоборот, стабилизировать их (Liu S. et al., 2016). В некоторой степени неожиданно, что активные нкРНК коммуникации наблюдаются не только между макроорганизмом и его симбиотическими бактериями, но, в не меньшей, а, может быть, и в большей степени, между макроорганизмом и инфицирующими его бактериями (Greer R. et al., 2016; Wande Water J. et al., 2018). Это наблюдение может подтверждать неслучайность таких взаимодействий, что может быть вызвано «перерождением» симбионта в агрессора-паразита (что маловероятно, но вполне возможно; сравнительно свежим примером может быть переход Staphylococcus epidermidis из сожительствующей в патогенную для человека форму (Du X. et al., 2021). Альтернативными вариантами могут быть или удачная спонтанная эксплуатация существующих каналов коммуникаций появившимся в экосистеме новым инфекционным агентом, или быстрая адаптация и/или контрадаптация хозяина и паразита.

Наиболее изученными моделями таких холобионтных взаимодействий являются кораллы, некоторые модельные растения и млекопитающие.

Коралловые сообщества включают сотни эукариот и прокариот, в которых «якорными» организмами являются беспозвоночные животные – коралловые полипы. Коралловая «пробиотическая гипотеза» рассматривает это сообщество как совместно эволюционирующую динамическую сеть взаимодействий, принимающую различные конфигурации в зависимости от меняющихся биологических или физических условий (Reshef L. et al., 2006; Golberg K. et al., 2013). Изменения в профиле экспрессии РНК в рамках всего кораллового холобионта в различных ситуациях существования столь разительны, столь плотно сопровождают изменения в биологическом разнообразии и морфологии кораллов, что позволяет говорить о ведущей роли нкРНК в саморегулировании этого объединения, наряду с сигнальными молекулами quorumsense и химическими агентами вроде двухвалентных ионов или свободных радикалов (Leitão A. L. et al., 2020). Несмотря на то что прямой трансфер нкРНК между коралловыми симбионтами еще не доказан, он остается крайне вероятным (Zhou G., Zhou Y. et Chen X., 2017).

В отличие от кораллов в симбиозах, где якорным организмом служат растения, горизонтальный трансфер нкРНК между сожительствующими организмами продемонстрирован самым очевидным образом (Zhang T. et al., 2016; Cai Q. et al. 2018). Наиболее показательными примерами оказываются случаи интервенции патогенных грибков и бактерий, которые нарушают баланс интересов внутри холобионтного сообщества растения и формируют новый специфический ансамбль экспрессии генов во всем холобионте, в первую очередь экспрессии нкРНК (Li W., Li S. and Li C., 2017). Направление потоков информации, опосредуемых нкРНК, двустороннее. Для одних систем «холобионт растения-паразит» более изучено направление от растения к паразиту, когда секретируемые нкРНК напрямую, как показано для миРНК хлопчатника, или опосредованно, через ферментные системы киРНК резуховидки Таля, блокируют экспрессию факторов патогенности некоторых грибков-паразитов. Для других систем, например в случае грибков семейства фитофторы, наоборот: специализированные белки фитофторы (типа PSR2 – Phytophtora Silencing Repressor protein 2, белок-репрессор сайленсинга фитофторы) добиваются «молчания» киРНК растения, которое, в свою очередь, заставило бы «молчать» иРНК факторов патогенности самой фитофторы (Hou Y. et al., 2019). Интересно отметить, что активация растительных «защитных» киРНК осуществляется через образ-распознающие рецепторы, функциональные аналоги которых присутствуют в иммунных клетках высших животных.

Сами высшие животные, в том числе млекопитающие, используют кратно расширенный арсенал средств противодействия патогенной инвазии, основанных на РНК интерференции и ей подобных РНК-зависимых инструментах. Он включает элементы глубоко эшелонированной иммунной системы, а также трудноотделимые от нее особые системы распознавания и уничтожения чужеродных нуклеиновых кислот. Объединяющей структурой для этих систем служат образ-распознающие рецепторы, в первую очередь уже упоминавшиеся toll-like рецепторы, запускающие каскады как цитокин-, так и нкРНК-опосредованных механизмов (Tatematsu M. et al., 2018).

Другие бактериальные инфекционные агенты (Salmonella typhimurium, Ps. aeruginosa), напротив, могут непосредственно выбрасывать особые нкРНК, которые при попадании в клетки хозяина препятствуют активной выработке факторов антибактериальной защиты, связывая транскрипты ее ключевых генов, например индуцибельной синтазы оксида азота (Gu H. et al., 2017; Zhao C. et al., 2017). Своеобразный двухсторонний регуляторный размен нкРНК происходит при малярии: зараженные плазмодиями эритроциты становятся источниками экстрацеллюлярных везикул, нагруженных смесью нкРНК паразитов и хозяина, обеспечивая таким способом проникновение нкРНК в эндотелиальные клетки сосудов и вызывая их специфическую реакцию на инфекцию. (Babatunde K. A. et al., 2018; Wu Z. et al., 2018). В то же время специализированные комплексы миРНК и белков из клеток человека способны интенсивно проникать внутрь малярийных плазмодиев, внося существенные дирижерские правки в симфоническую палитру ансамбля паразитарных генов, в результате чего его звучание становится более оптимистичным для больного (Dandewad V. et al., 2019). Такой путь противодействия интервенту кажется излишне изощренным по сравнению с «лобовой» атакой на него, но тем не менее часто оказывается вполне эффективным.

Помимо патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, демонстрирующих наиболее выраженные сдвиги в характеристиках первазивной транскрипции, для модельных животных и человека показан и интенсивный обмен опосредуемой нкРНК информацией между хозяином и его микробиотой, в первую очередь кишечной. миРНК из клеток кишечного эпителия могут стимулировать рост некоторых представителей нормальной микрофлоры кишечника, комплиментарно связываясь с транскриптами важных для размножения РНК бактерий: 16SрРНК (фузобактерии) или yegH РНК (кишечная палочка). Как описывалось выше, это тот случай, когда такое комплиментарное связывание миРНК стабилизирует транскрипты, а не является указанием к их расщеплению (Liu S. et al., 2016). Другим интересным примером может быть действие миРНК, заключенных в ЭВ растительного происхождения, поступающих с пищей. Такого рода миРНК воспринимаются некоторыми пробиотическими бактериями (L. rhamnosus) как сигнал к синтезу биологически активного метаболита триптофана – индол-3-карбоксиальдегда, который, в свою очередь, стимулирует Т-лимфоциты кишечной стенки к активному производству интерлейкина-22 (Teng Y. et al., 2018). Данный интерлейкин действует в контексте ситуации в кишечнике, улучшая его барьерную функцию, повышая чувствительность клеток эпителия к призывам к апоптозу и заставляя, как правило, воспалительный ответ держаться в рамках умеренности.

Представляется, что именно концепция информационных сетей является наиболее удобной и перспективной формой понимания живого, где информационные сети играют роль подвижного несущего каркаса. Динамика этого каркаса – причина любого биологического развития, начиная от возникновения жизни и включая его наиболее крупномасштабную форму – эволюцию, а также причина и частных форм развития отдельных организмов: от рождения до смерти, через адаптационные успехи и неудачи, воспринимаемые, соответственно, как состояния здоровья и болезни, страдания и благополучия.

1. Engebrecht J., Nealson K., Silverman M. (1983) Bacterial bioluminescence: Isolation and genetic analysis of functions from Vibrio fischeri. Cell 32, 773–781.

2. Bassler B. L., Wright M., Silverman M. (1994). Multiple signalling systems controlling expression of luminescence in Vibrio harveyi: sequence and function of genes encoding a second sensory pathway. Mol. Microbiol. 13, 273–286.

3. Mukherjee S., Bossier B. L. (2019). Bacterial quorum sensing in complex and dynamically changing environments. Nat. Rev. Microbiol. 17, 371–382.

4. Long Т., Tu K. C., Wang Y., Mehta P., Ong N. P., Bassler B. L., Wingreen N. S. (2009). Quantifying the Integration of Quorum-Sensing Signals with Single-Cell Resolution // PLoS Biology. V. 7 (3). e1000068.

5. Thompson J., Oliveira R., Djukovic A., Ubeda C., Xavier K. (2015). Manipulation of the quorum sensing signal AI-2 affects the antibiotic-treated gut microbiota. Cell Rep. 10, 1861–1871.

6. Hsiao A., Ahmed A. M., Subramanian S., Griffin N. W., Drewry L. L., Petri W. A. Jr, Haque R., Ahmed T., Gordon J. I. (2014). Members of the human gut microbiota involved in recovery from Vibrio cholerae infection. Nature 515, 423–426.

7. Papenfort K., Silpe J.E., Schramma K.R., Cong J.P., Seyedsayamdost M. R., Bassler B. L. (2017). A Vibrio cholerae autoinducer receptor pair that controls biofilm formation. Nat. Chem. Biol. 13, 551–557.

8. Piewngam P., Zheng Y., Nguyen T. H., Dickey S. W., Joo H. S, Villaruz A. E., Glose K. A., Fisher E. L., Hunt R. L., Li B., Chiou J., Pharkjaksu S., Khongthong S., Cheung G. Y. C., Kiratisin P., Otto M. (2018). Pathogen elimination by probiotic Bacillus via signalling interference. Nature 562, 532–537.

9. Pietschke C., Treitz C., Forêt S., Schultze A., Künzel S., Tholey A., Bosch T. C. G., Fraune S. (2017). Host modification of a bacterial quorum-sensing signal induces a phenotypic switch in bacterial symbionts. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, e8488–E8497.

10. Harder T., Campbell A. H., Egan S., Steinberg P. D. (2012). Chemical mediation of ternary interactions between marine holobionts and their environment as exemplified by the red alga Delisea pulchra. J. Chem. Ecol. 38, 442–450.

11. Chun C. K., Ozer E. A., Welsh M. J., Zabner J., Greenberg, E. P. (2004). Inactivation of a Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing signal by human airway epithelia. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 3587–3590.

12. Smith A. C. et al. (2017). Albumin inhibits Pseudomonas aeruginosa quorum sensing and alters polymicrobial interactions. Infect. Immun. 85, e00116–17.

13. Peterson M. M. et al. (2008). Apolipoprotein B is an innate barrier against invasive Staphylococcus aureus infection. Cell Host Microbe 4, 555–566.

14. Cornforth D. M. et al. (2018). Pseudomonas aeruginosa transcriptome during human infection. Proc. NatlAcad. Sci. USA 115, E5125–E5134.

15. Li L.-J., Leng R.-X., Fan Y.-G., Pan H.-F., Ye D.-Q. (2017). Translation of noncoding RNAs: Focus on lncRNAs, pri-miRNAs and circRNAs. Experimental Cell Research. 361, 1–8.

16. Dinger M. E., Amaral P. P., Mercer T. R., Mattick J. S. (2009). Pervasive transcription of the eukaryotic genome: Functional indices and conceptual implications. Brief. Funct. Genom. Proteom., 8, 407–423.

17. Lybecker M., Bilusic I., Raghavan R. (2014). Pervasive transcription: Detecting functional RNAs in bacteria. Transcription, 5, e944039.

18. Kapranov P., Cheng J., Dike S., Nix D. A., Duttagupta R., Willingham A. T., Stadler P. F., Hertel J., Hackermueller J., Hofacker I. L., Bell I., Cheung E., Drenkow J., Dumais E., Patel S., Helt G., Ganesh M., Ghosh S., Piccolboni A., Sementchenko V., Tammana H., Gingeras T.R. (2007). RNA maps reveal new RNA classes and a possible function for pervasive transcription. Science, 316, 1484–1488.

19. Ophinni Y., Palatini U., Hayashi Y., Parrish N. F. (2019). piRNA-Guided CRISPR-like Immunity in Eukaryotes. Trends in Immunology. 40, 998–1010.

20. Wang M., Yu F., Wu W., Zhang Y., Chang W., Ponnusamy M., Wang K., Li P. (2017). Circular RNAs: A novel type of non-coding RNA and their potential implications in antiviral immunity. Int. J. Biol. Sci. 13, 1497–1506.

21. Huang C., Shan G. (2015). What happens at or after transcription: Insights into circRNA biogenesis and function. Transcription, 6, 61–64.

22. Sarropoulos I., Marin R., Cardoso-Moreira M., Kaessmann H. (2019). Developmental dynamics of lncRNAs across mammalian organs and species. Nature, 571, 510–514.

23. Holdt M. L., Kohlmaier A., Teupser D. (2017). Molecular roles and function of circular RNAs in eukaryotic cells. Cell. Mol. Life Sci.

24. Carrier M. C., Lalaouna D., Masse E. (2018). Broadening the definition of bacterial small RNAs: Characteristics and mechanisms of action. Annu. Rev. Microbiol., 72, 141–161.

25. Choi J. W., Kim S. C., Hong S. H., Lee H. J. (2017). Secretable small RNAs via outer membrane vesicles in periodontal pathogens. J. Dent. Res., 96, 458–466.

26. Valadi H., Ekstrom K., Bossios A., Sjostrand M., Lee J. J., Lotvall J. O. (2007). Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells. Nat. Cell Biol., 9, 654–659.

27. Thomou T., Mori M. A., Dreyfuss J. M., Konishi M., Sakaguchi M., Wolfrum C., Rao T. N., Winnay J. N., Garcia-Martin R., Grinspoon S. K., Gorden P., Kahn C. R. (2017). Adipose-derived circulating miRNAs regulate gene expression in other tissues. Nature, 542, 450–455.

28. Kalra H., Drummen G. P., Mathivanan S. (2016). Focus on extracellular vesicles: Introducing the next small big thing. Int. J. Mol. Sci., 17, 170.

29. Kim J. H., Lee J., Park J., Gho Y. S. (2015). Gram-negative and Gram-positive bacterial extracellular vesicles. Semin. Cell Dev. Biol., 40, 97–104.

30. Leitão A. L., Costa M. C., Gabriel A. F., Enguita F. J. (2020). Interspecies Communication in Holobionts by Non-Coding RNA Exchange. Int. J. Mol. Sci., 21, 2333.

31. De Lay N., Schu D. J., Gottesman S. (2013). Bacterial small RNA-based negative regulation: Hfq and its accomplices. J. Biol. Chem., 288, 7996–8003.

32. Nguyen Q., Iritani A., Ohkita S., Vu B. V., Yokoya K., Matsubara A., Ikeda K. I., Suzuki N., Nakayashiki H. (2018). A fungal Argonaute interferes with RNA interference. Nucleic Acids Res., 46, 2495–2508.

33. Liu S., da Cunha A. P., Rezend R. M., Cialic R., Wei Z., Bry L., Comstock L. E., Gandhi R., Weiner H. L. (2016). The host shapes the gut microbiota via fecal MicroRNA. Cell Host Microbe, 19, 32–43.

34. Greer R., Dong X., Morgun A., Shulzhenko N. (2016). Investigating a holobiont: Microbiota perturbations and transkingdom networks. Gut Microbes, 7, 126–135.

35. Van de Water J., Chaib De Mares M., Dixon G. B., Raina J. B., Willi B. L., Bourne D. G., van Oppen M. J. H. (2018). Antimicrobial and stress responses to increased temperature and bacterial pathogen challenge in the holobiont of a reef-building coral. Mol. Ecol., 27, 1065–1080.

36. Du X., Larsen J., Li M., Walter A., Slavetinsky C., Both A., Sanchez Carballo P. M., Stegger M., Lehmann E., Liu Y., Liu J., Slavetinsky J., Duda K. A., Krismer B., Heilbronner S., Weidenmaier C., Mayer C., Rohde H., Winstel V., Peschel A. (2021). Staphylococcus epidermidis clones express Staphylococcus aureus-type wall teichoic acid to shift from a commensal to pathogen lifestyle. Nat Microbiol. May 24.

37. Reshef L., Koren O., Loya Y., Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. (2006). The coral probiotic hypothesis. Environ. Microbiol., 8, 2068–2073.

38. Golberg K., Pavlov V., Marks R. S., Kushmaro A. (2013). Coral-associated bacteria, quorum sensing disrupters, and the regulation of biofouling. Biofouling, 29, 669–682.

39. Zhou G., Zhou Y., Chen X. (2017). New insight into inter-kingdom communication: Horizontal transfer of mobile small RNAs. Front. Microbiol., 8, 768.

40. Zhang T., Zhao Y. L., Zhao J. H., Wang S., Jin Y., Chen Z. Q., Fang Y. Y., Hua C. L., Ding S. W., Guo H. S. (2016). Cotton plants export microRNAs to inhibit virulence gene expression in a fungal pathogen. Nat. Plants, 2, 16153.

41. Cai Q., Qiao L., Wang M., He B., Lin F.M. (2018). Palmquist, J.; Huang, S.D.; Jin, H. Plants send small RNAs in extracellular vesicles to fungal pathogen to silence virulence genes. Science, 360, 1126–1129

42. Li W., Li C., Li S., Peng, M. (2017). Long noncoding RNAs that respond to Fusarium oxysporum infection in ‘Cavendish’ banana (Musa acuminata). Sci. Rep., 7, 16939.

43. Hou Y., Zhai Y., Feng L., Karimi H. Z., Rutter B. D., Zeng L., Choi D. S., Zhang B., Gu W., Chen X., Ye W., Innes R. W., Zhai J., Ma W. (2019). A Phytophthora Effector Suppresses Trans-Kingdom RNAi to Promote Disease Susceptibility. Cell Host Microbe. Jan 9; 25 (1): 153–165.

44. Tatematsu M., Funami K., Seya T., Matsumoto M. (2018). Extracellular RNA sensing by pattern recognition receptors. J. Innate Immun., 10, 398–406.

45. Zhang Z. M., Zhang A. R., Xu M., Lou J., Qiu W. Q. (2017). TLR-4/miRNA-32-5p/FSTL1 signaling regulates mycobacterial survival and inflammatory responses in Mycobacterium tuberculosis-infected macrophages. Exp. Cell Res., 352, 313–321.

46. Li N., Xu X., Xiao B., Zhu E. D., Li B. S., Liu Z., Tang B., Zou Q. M. Liang H. P. Mao X. H. (2012). H. pylori related proinflammatory cytokines contribute to the induction of miR-146a in human gastric epithelial cells. Mol. Biol. Rep., 39, 4655–4661.

47. Gu H., Zhao C., Zhang T., Liang H., Wang X. M., Pan Y., Chen X., Zhao Q., Li D., Liu F., Zhang C. Y., Zen K. (2017). Salmonella produce microRNA-like RNA fragment Sal-1 in the infected cells to facilitate intracellular survival. Sci. Rep., 7, 2392.

48. Zhao C., Zhou Z., Zhang T., Liu F., Zhang C. Y., Zen K., Gu H. (2017). Salmonella small RNA fragment Sal-1 facilitates bacterial survival in infected cells via suppressing iNOS induction in a microRNA manner. Sci. Rep., 7, 16979.

49. Babatunde K. A., Mbagwu S., Hernandez-Castaneda M. A., Adapa S. R., Walch M., Filgueira L., Falquet L., Jiang R. H. Y., Ghiran I. Mantel P. Y. (2018). Malaria infected red blood cells release small regulatory RNAs through extracellular vesicles. Sci. Rep., 8, 884.

50. Wu Z., Wang L., Li J., Wang L., Wu Z., Sun X. (2018). Extracellular vesicle-mediated communication within host-parasite interactions. Front. Immunol., 9, 3066.

51. Dandewad V., Vindu A., Joseph J., Seshadri V. (2019). Import of human miRNA-RISC complex into Plasmodium falciparum and regulation of the parasite gene expression. J. Biosci., 44, 50.

52. Teng Y., Ren Y., Sayed M., Hu X., Lei C., Kumar A., Hutchins E., Mu J., Deng Z., Luo C., Sundaram K., Sriwastva M. K., Zhang L., Hsieh M., Reiman R., Haribabu B., Yan J., Jala V. R., Miller D. M., Van Keuren-Jensen K., Merchant M. L., McClain C. J., Park J. W., Egilmez N. K., Zhang H. G. (2018). Plant-Derived Exosomal MicroRNAs Shape the Gut Microbiota. Cell Host Microbe. Nov 14; 24 (5): 637–652.

Помимо рассмотренного в предыдущей главе потенциально универсального языка нкРНК, новыми значимыми каналами информации, например для эукариот, могут оказаться и специальные экстрацеллюлярные везикулы, содержащие целые митохондрии, или сами свободные внеклеточные митохондрии, а также свободная ДНК, обнаруживаемая повсеместно как во внеклеточных средах многоклеточных организмов, так и в окружающей среде. Примером последней могут быть недавно описанные Дженифер Дудна с соавторами крупные фрагменты кодирующей ДНК из образцов почвы, названные первооткрывателями «боргами» (см. «Звездный путь: Следующее поколение» Джина Родденберри, 1987–1991), определенно не относящиеся ни к бактериям, ни к эукариотам, ни к вирусам или плазмидам (Al-Shayeb B. et al., 2021, препринт в bioRxiv).

Ответ на эти и другие вопросы, менее практические, но гораздо более важные в рамках общей эволюционной теории, пытается дать концепция «обоснованной познанием эволюции» (ОПЭ, cognition-based evolution, CBE), предлагаемая Уильямом Миллером (William Miller Jr., 2016; 2017), независимым авторитетным исследователем. Она развивает системный взгляд на эволюцию биологических систем, в первую очередь многоклеточных организмов-холобионтов, с позиций информационной теории. Отправной точкой ОПЭ служит понятие самореферентности (self-reference). Возникновение самореферентности отделяет биологические системы от небиологических, то есть она находится в той же области физико-математических построений и биологических спекуляций, где располагаются рассмотренные ранее понятия «возникновения цели в динамической информационной системе», «индивидуальности», «предиктивности», «когнитивности» и «диссипативной адаптации».

ОПЭ в качестве математических формализаций ориентируется на «граничные» подходы Карла Фристона с Принципом Свободной Энергии (ПСЭ), Майкла Левина с гипотезой безмасштабной когнитивности (ГБК) и Дэвида Кракауэра с Информационной Теорией Индивидуальности (ИТИ, УПС: глава V). Состояние самореферентности определяется Миллером как функция радикального ограничения наборов переменных системы в рамках граничных условий, или, в терминологии данной книги, разделительной сложности. Стабилизация граничных условий (разделительной сложности) считается необходимым принципом самоорганизации для эволюции регуляторных механизмов. Другим ключевым понятием ОПЭ являются всеобъемлющие информационные поля (ВИП, Pervasive Information Fields, PIFs). Концепция ВИП взята из квантовой теории информации (xQIT) Сета Ллойда (Lloyd S., 2002), по которой, в частности, любая квантовая (микро) информация стремится к распространению по всей системе («обладает заразностью», УПС: глава V). Также эта теория исходит из предположения о грандиозной пластичности генома в самом широком понимании этой пластичности и пластичности границ индивидуальностей.

Именно транспозоны и их производные в значительной степени ответственны за перестройку генетического аппарата в период эмбрионального развития, и нет оснований полагать, что гаметы являются абсолютным исключением. Если учесть и другие мобильные генетические элементы, то, по некоторым оценкам, не менее 30 % всех адаптаций человеческих белков после эволюционного разделения с предками шимпанзе были вызваны вирусными инвазиями. И нет оснований полагать, что такое взаимодействие случайно: распределение генов, затронутых вирусным воздействием, не подчиняются случайному распределению.

К другой группе важных наблюдений, лежащих в основании ОПЭ, служат «массивные» механизмы изменения и возникновения наследственной информации. Два из них уже упоминались: дупликация (удвоение генов) и экзаптация (расширение или изменение функции). Третьим можно назвать энтоз: инвазия одной клетки в другую (что скорее) или поглощение одной клетки другой (что реже). Энтоз, или клеточное слияние, помимо прочих задач, в некоторых случаях решает и задачу разового поглощения большого объема информации. Такой феномен описан, например, для амебы Physarum polycephalum (ближайшей родственнице «амебы-компьютера» Physarum polysarum (УПС: глава V): при слиянии «обученной» и «необученной» определенному паттерну поведения амеб знание передается их общему наследнику (Vogel D. and Dussutour A., 2016). Триггером к таким массивным изменениям наследственной информации всегда служит определенный контекст окружающей среды, довольно часто опосредуемый нкРНК-коммуникациями.

В круге рассуждений ОПЭ вирусы вполне логично рассматриваются не столько как патогены, а как критически важные и безусловно необходимые агенты эволюции вообще, начиная с самых ранних протобиологических форм, что подробно обсуждалось в главе VI. Их роль – быть своего рода операторами обобществленной генетической информации, субъектами «облачного» хранения данных экосистем и в этом смысле неотъемлемой частью системы менеджмента информации практически каждой клетки, а также модераторами разделительной сложности.

Явно проявляемая патогенность некоторых вирусов и бактерий (у последних также часто связанная с близкими к вирусам мобильными генетическими элементами, например плазмидами) согласно ОПЭ – только одна из граней некоей гораздо более обширной и более сложной целостности, представляющей собой клубок непрерывных коммуникаций между сообществами микроорганизмов и эукариот и внутри их, происходящих в условиях постоянных столкновений с изменяющейся окружающей средой, порождающих состояние самореферентности данной целостности. В рамках этой целостности взаимодействия организмов могут манифестироваться и как острый инфекционный процесс отдельной индивидуальности, и как массовая эпидемия, как симбиоз, паразитизм, латентная инфекция, или как прямой перенос генов, или эпигенетическое вмешательство, ведущие к эволюционному сдвигу. И вторгающийся агент, и его объект ОПЭ рассматривает как пересечение перекрывающихся, но все же индивидуализированных информационных полей. Инфекционный процесс переоценивается теорией как часть сложного языка коммуникаций между организмами, который не ограничивается рамками только конкурентного патогенного процесса. ОПЭ явным образом склоняется к оценке инфекционного процесса как решающей движущей силы эволюции[8].

Строительство ниши – это взаимообусловленный механизм взаимодействия между организмами и внешней средой, способствующий фенотипической пластичности и не всегда связанный исключительно с выживанием. Причем строительные (конструктивные) наследственные ресурсы могут представлять собой не только некий биологически активный субстрат, но и модели поведения. ДНК при этом концептуализируется как динамичное хранилище динамических данных, заключенное в стабилизирующие хромосомные структуры. Эти пластичные структуры чрезвычайно активно регулируются: в пределах одного клеточного цикла посредством действия нуклеопротеиновых комплексов, между несколькими поколениями клеток – посредством эпигенетических модификаций, что в сумме составляет основу естественной генной инженерии. В самореферентной клеточной структуре центральный геном – один из многих элементов клеточной архитектуры, и каждый из которых, в свою очередь, – продукт конструирования ниши, а их взаимосвязи внутри клетки составляют содержание более крупного процесса естественной клеточной инженерии. Собственно, и возникновение самой клетки можно назвать первым удачным строительством ниши (Torday J. S., 2016).

Строительство ниш в концепции ОПЭ – процесс естественной информационной инженерии, причем происходящий и на уровне субклеточных информационных элементов – митохондрий, рибосом, плазматических мембран, эндоплазматического ретикулума. Но возможность реализоваться для них есть только одновременно и только в пределах одновременного формирования целостной клетки, а сама клетка может сформироваться только в пределах меж- и надклеточного информационного пространства, естественного или симулированного. Аналогичный подход, судя по всему, неизбежен и для более высоких уровней биологической, а скорее всего, и социальной организации.

В качестве информационных векторов, «сшивающих» разные уровни или/и разные блоки всеобъемлющей биологической системы, рассматриваются иногда вообще все инфекционные агенты, не только вирусы. На этом взгляде основывается парадигма One Health («Один мир – одно здоровье», в официально принятом переводе ВОЗ (Hitziger M. et al., 2018), здесь и далее – ОМОЗ). Концепция ОМОЗ изначально возникла из расширенных исследований распространения зоонозных инфекций (зоонозы – инфекционные заболевания, передающиеся от животных человеку) в широком контексте окружающей и социальной среды (рис. 28), но применение предложенного в нем подхода очень быстро раздвинулось на весь комплекс сложных перекрестных взаимоотношений, определяющих совместное благополучие (здоровье) человека, животных и окружающей среды (Woods A. and Bresalier M., 2014).

Одним из наиболее интересных и показательных применений концепции ОМОЗ стал развернутый анализ эпидемии Эбола 2013–2015 годов, с рассказа о которой началась эта книга. Собственно, эта вспышка Эболы была далеко не первой, но предыдущие эпизоды были весьма ограниченными ввиду большой удаленности мест возникновения (Mwangi W. et al., 2016). Неловкий тычок Эмиля Уамуно в мелкую летучую мышь оказался точным ударом в сердцевину сплетения сложных экологических, социальных и биологических факторов.

Рис. 28. One health

Развитие коронавирусной пандемии происходило по во многом отличающемуся, но принципиально схожему сценарию, если описывать его в рамках парадигмы ОМОЗ (Schmiege D. et al., 2020); даже высокоорганизованные системы здравоохранения в какой-то момент оказались декомпенсированными ввиду гораздо более высокой контагиозности SARS-CoV-2. Первичным толчком, очевидно, послужили тесные контакты тех же летучих мышей с некими промежуточными животными, а их – с людьми.

Такое же обезлесение и наступление индустриальной цивилизации вглубь прежде совершенно диких территорий наложилось на индустриализацию разнообразной ресурсной базы китайской гастрономии, когда деликатесные даже для китайской кухни продукты стали доступны массовым слоям населения, прежде довольствовавшимися крайним однообразием блюд. Вероятно, интенсивность трансграничных (авиа-) коммуникаций хотя уже и не росла экспоненциально последние годы, но очевидно, достигла того критичного уровня, когда стала существенным фактором эпидемиологической уязвимости всего человечества.

ОМОЗ не рассматривает информационно-физические аспекты коммуникаций в рамках своей триады отношений «окружающая среда – животные – человек», однако именно эти группы узлов можно считать расширенными эквивалентами «информационных синапсов» из теории безмасштабной когнитивности (ТБК) Майкла Левина (УПС: глава V). В оригинале «синапсы» обеспечивают совместную способность регулировать прохождение сигналов исходя из состояния аналогичных элементов. В расширенном понимании «синапсы» работают как «информационные реле», в которых канал распространения одной формы информации влияет на распространение другой: например, распространение таких автономных информационных агентов, как вирусы, влияет на поведение и коммуникации животных; в человеческом обществе и на распространение наиболее общепринятых форм вербальной и визуальной информации об инфекции, что позволяет достичь адекватного уровня абстрагирования информации и влияет на состояние аналогичных элементов.

Координация взаимодействия даже самых примитивных информационных полей и тем более сведение их в единое интегрированное информационное поле новой сущности требует однозначного управления (менеджмента) такой информацией, подчиняющегося общим закономерностям, формирующего частные правила и при необходимости изменяющего их. В принципе, и понятие самореферентности может быть сведено к процессу создания такой системы менеджмента информации, решающей проблемы выживания в изменяющихся условиях внешней среды. В значительной степени такие закономерности, с разных углов рассматривающие вопросы управления информацией в контексте агента и среды, части и целого, и предлагаются в рамках концепций ПСЭ Карла Фристона, ТБК Майкла Левина и ИТИ Дэвида Кракауэра (УПС: глава V) и, в еще более фундаментальном обобщении, теории целостности и подразумеваемого (импликативного) порядка выдающегося физика и философа Дэвида Бома (David Bohm, 1980; Дэвид Бом, 2010).

К указанным концепциям, включая ОПЭ, можно сделать некоторые дополнения, представляющиеся существенными, особенно в части биологических систем. Если система менеджмента информации вообще может быть сформулирована как анализ информации «на входе» и основанный на этом синтез информации для действий системы – «на выходе», то наиболее критической и чувствительной частью этого процесса будет его «входная» часть.

В ней же наиболее важным компонентом будет сортировка входящих данных. Как в полевом военном госпитале именно правильная сортировка раненых в наибольшей степени определяет дальнейшую эффективность процесса их возвращения в строй. Наибольшее внимание, как правило, привлекают активные легкораненые, имеющие достаточно сил требовать от персонала немедленного оказания им медицинской помощи. Напротив, тяжелораненые, кому действительно необходима скорейшая помощь, и для которых счет жизни действительно идет на минуты, по объективным причинам часто пассивны. С другой стороны, оказание помощи раненым с наиболее тяжелым прогнозом и наименьшими шансами к выживанию может потратить драгоценные ресурсы времени и средств, столь необходимые более прогностически благоприятным больным. К сожалению, антигуманные условия войны ставят и врачей, представителей самой гуманной профессии, перед антигуманным по сути, выбором.

Перед аналогичной жизненно важной проблемой сортировки информации стоит и любая биологическая, и, пожалуй, социальная система. Ввиду сравнительной хрупкости биологических систем для них нет оснований воспринимать свою окружающую среду как имманентно дружественную, заслуживающую безусловного доверия (как, впрочем, и недружественную, заслуживающую абсолютного недоверия): любое непропорциональное ресурсам системы взаимодействие, даже с самыми благоприятными намерениями, может оказаться фатальным.

Вариации по общим причинам определяются «естественными» вариациями «нормальных» причин, которые могут быть признаны «типичными» для данной системы в данной окружающей среде. В подавляющем большинстве случаев они подчиняются какому-либо определенному закону распределения. Вариации по особым причинам вызываются необычными для данной системы причинами, связанными как с единичными уникальными случаям, так и, например, с «фундаментальными» изменениями в окружающей среде или эпизодами «катастроф» (в терминах СОК). Как указывалось, для выживания во взаимодействии с окружающей средой биологическая система должна минимизировать неопределенность в причинах динамики входных сигналов (Friston K. et al., 2012). Соответственно, для минимизации этой неопределенности система должна корректно категоризировать неопределенности (вариации данных). Важность корректной категоризации состоит в том, что реагирование на вариации по особым и общим причинам требует довольно разных стратегий. Как и в случае организаций, неправильная категоризация ведет к увеличению издержек и снижению эффективности системы и в конце концов может оказаться фатальной.

По оценке Деминга, в западных организациях не более 6 % вариаций обусловлено особыми причинами, остальное – вариации по общим причинам, требующим улучшения менеджмента. Нет оснований считать, что принципиально иное распределение вариаций наблюдается и в случаях развитых биологических систем; совсем маловероятно, что оно превышает «универсальное» распределение Парето 20/80. В некотором обобщении можно сказать, что реагирование по принципу ответа на вариации с особыми причинами имеет минимальные требования к памяти системы – на каждый подобный вызов идет реакция «как в первый раз». Ответ на вариации с общими причинами (и, соответственно, различение эти двух типов вариаций) требует усовершенствованной памяти системы, что требует увеличенных ресурсов. С другой стороны, оптимизация реакций на вызовы окружающей среды позволяет эффективнее сохранять накопленные ресурсы, улучшает адаптационные способности системы, позволяет расширять экологические ниши и ресурсную базу. Увеличенная ресурсная база, в свою очередь, позволяет проводить реинжиниринг управления информацией, расширяя, например, область применения за счет редких, но возможных событий, вызванных особыми причинами.

Как показывается Карлом Фристоном (УПС: глава V), биологические системы могут воспринимать закономерности в флуктуациях окружающей среды и отображать их в динамике своего внутреннего состояния. При этом они сами становятся моделями причинной структуры своего окружения, что обеспечивает их предиктивность и возможность активно реагировать на отклонения от сделанных прогнозов. Таким образом, воспринимаемая сложность окружающего мира должна отражаться во внутренней сложности биологического автономного агента. Адекватной мерой этой сложности может быть так называемая эффективная сложность по Сет Ллойду. Она вытекает из возможности разделить описательную сложность любой системы на две части: одну, описывающую ее реакцию на случайные феномены (являющие причинами вариаций по особым причинам), и другую, которая описывает регулярные аспекты (связанные с причинами вариаций по общим причинам).

Как известно, любой случайный по форме сигнал в конце концов может быть с определенной точностью разложен на множество волновых, то есть регулярных компонентов, что требует, однако, чрезвычайного усложнения вычислительных возможностей системы и, соответственно, определяющих ее невероятной емкости информационной тары и/или быстродействия системы. Если цели системы достигаются более грубым моделированием случайных сигналов, то система, несомненно, воспользуется этим. Этот механизм можно сравнить с принципом mp3 кодирования звука: удаление наименее значащих (неслышимых) сигналов из кодирования и разложение оставшихся на регулярные компоненты позволяет достичь вполне приемлемого качества передачи информации при существенном сокращении ее запоминаемого объема. Если стоимость хранения информации радикально снижается, то это позволяет включать ранее «неслышимые» сигналы в систему обработки, что несколько улучшает качество звуковой передачи (или создает впечатление улучшения), но кратно увеличивает потребность в ресурсах памяти, хотя в целом необходимость кодирования не отпадает. Иными словами, это тот «разрешаемый» зазор между оригинальной и получаемой информацией, своеобразная «зона серой (затемненной) информации», которая позволяет реализоваться концепции «алгоритма создания алгоритма» (УПС: глава VI), и делает вполне приемлемой вероятность «невероятных» эволюционных событий. В этом отношении общий мотив развития материи – совершенствование ее информационной тары, в отношении биологических систем может быть дополнен сопровождаемым увеличением их эффективной сложности, то есть способности воспринимать все большую долю вариаций как регулярные.

Для одноклеточных, в особенности прокариот, ресурсы памяти (информационная тара) в значительной степени распределены в экосистеме, что замедляет время отклика. При этом для бактерий относительно большое число вариаций окружающей среды оказывается имеющими «особую причину» и вызывает соответствующую реакцию. Эта реакция, как правило, временная и субоптимизированная. Одновременно основа оперативного хранилища данных с быстрым откликом – собственный геном бактерий – должен быть достаточно открыт для восприятия внешней информации, например в форме горизонтального переноса генов или обратной передачи вовне своей внутренней информации. Также геном должен быть открыт для внутренней изменчивости, то есть обладать точно выстроенным уровнем генетической нестабильности, своеобразной «тональностью» генома.

Биопленки тем не менее для задействованных в них бактерий в значительной степени снижают издержки, связанные с вариациями по общим причинам. Одной из причин неспособности прокариот создать действительно многоклеточные организмы можно считать «бульонность» распределения информации (УПС: глава V) в прокариотических системах: все клетки в них остаются более-менее равны.

Тоньше управляемые открытость и нестабильность эукариотического генома предопределяют неизбежность сравнительно очень узкого генетического разнообразия эукариот («все эукариоты – любопытная разновидность асгардархей»), обеспечивающего такую управляемость в условиях резко ограниченного числа возможных состояний гомеостаза, но, с другой стороны, позволяют в максимальной степени развиться многообразию внешних форм – разнообразию фенотипическому. Одновременно увеличение разделительной сложности у эукариот добавляет в информационный «бульон» больше «мяса» и «овощей»; появляются клетки истинной зародышевой линии, дающие, казалось бы, смысл существованию остальных клеток, обоснование их специализации и оправдание апоптозу. Кроме того, «бульонное» состояние информационной среды ухудшает качество передачи информации, как ввиду увеличенного уровня воспринимаемого системами информационного шума, так и в силу упрощенных механизмов верификации поступающей информации. В результате часть семантической информации агентами «додумываться» и энтропия (неопределенность информации) лавинообразно нарастает. «Додуманное» решение, однако, как в конкурсе КВН на «добивку шутки», иногда может оказаться и лучше оригинального.

Полноценная эукариотическая многоклеточность, по логике ОПЭ, дает принципиальное улучшение оценки качества информации и создает императив коллективной оценки информации. Обмен информацией через перекрывающиеся информационные архитектуры позволяет достигать все более совершенной эффективности коммуникаций, что делает неизбежной холобионтную форму существования многоклеточных эукариот. Холобионт в информационном смысле – это переплетение информационных множеств, сочетающее самореферентные индивидуальные информационные архитектуры всех участников (эукариот, прокариот и вирусов), объединенных возникающими коллективными информационными мотивами. Эволюционное развитие, согласно ОПЭ, понимается как непрерывная самоорганизующаяся естественная информационная инженерия и одновременно деятельность по строительству ниш, основанные на систематизированной оценке и развертывании информации в повторяющихся масштабах. Строительство ниши в этом плане тоже может пониматься как коллективный процесс с постоянной кооптацией новых участников и соотноситься с ростом кучи песка в стандартной модели СОК.

Коллективное действие как функция эффективной информации (ЭИ), то есть информации передаваемой, связывающей процессы внутри системы (Сет Ллойд, 2002; 2006), привносит информационный аспект в модель СОК для спонтанного возникновения самоорганизации. Ограничение на диапазон возможных альтернативных состояний любой биологической системы, согласно ОПЭ, увеличивает количество ЭИ, при этом любой ассоциированный элемент системы принимает ограничение своих возможных будущих состояний ради достижения наиболее желательного из них. В этом контексте холобионтная форма существования эукариот – это своего рода конфедерация, которая одновременно представляет собой и широкую совокупность групп, и целостную сущность, и через это максимизирует использование ЭИ. Живой организм зависит от непрерывного накопления информации из множества источников для поддержания устойчивых взаимоотношений с внешней средой и поддержания своего гомеостаза. Когнитивная оценка биологической информации, по Миллеру, основывается в конце концов на квантовых[9] информационных выходах с их преимуществами и ограничениями. Эта оценка помещает «двусмысленные» квантовые сигналы в их контекст в условиях информационной незащищенности каналов передачи.

Взятые в четко определенном контексте межклеточные коммуникации обладают, по мнению Уильяма Миллера, свойствами обоюдности и запутанности в квантовом смысле. Как средства обмена информацией между всеми участниками общего информационного пространства они радикально снижают неопределенности и для отдельного участника. В целом деятельность по снижению неопределенностей необратимым образом ведет к увеличению сложности и локальному снижению энтропии через квантовую декогеренцию, в которой буквально «рождается» новая информация. В отлаженной совместной сетевой работе даже неизбежный информационный шум внутри системы в итоге может оказаться полезным: Марк МакДонелл и Лоуренс Вард (Mark McDonnel land Lawrence Ward, 2011) продемонстрировали, что стохастический (случайный) резонанс является особенностью обработки биологической информации, при которой случайный шум помогает обнаружить (вычислить) слабые сигналы в согласованной информационной среде.

ОПЭ Уильяма Миллера выводит тем не менее неизбежность, если не обязательность одноклеточной (например, зиготной) стадии для любого многоклеточного эукариота, считая ее своеобразным вынесением приговора о состоятельности конкретной энергетической и информационной клеточной архитектуры, в первую очередь – модифицированного эпигенетическими пометками генома. Этот приговор выносится зиготе, сформировавшейся в условиях информационной насыщенности чрезвычайно защищенной среды, которая создала особый информационный, в том числе эпигенетический ландшафт. «Одноклеточная зигота – скорее фаза измерения качества информации, нежели специфический метод отбора. Отбор определяет, какие альтернативы будут предоставлены зиготе в качестве носителей импликативного («подразумеваемого») порядка» (Miller W. B., 2017), что явным образом снова отсылает к концепции Дэвида Бома.

Зигота – клетка, образовавшаяся из оплодотворенной яйцеклетки в результате ее слияния со сперматозоидом. В отличие от сливающихся половых клеток – гамет (яйцеклетки и сперматозоида), имеющих одинарный (гаплоидный) набор генов, – обладает полным (диплоидным, удвоенным) набором генов и хромосом.

Попытка сведения в единую структуру рассмотренных представлений о динамике информационного пространства, энтропии и самоорганизации может дать своеобразную и в чем-то неожиданную картину биологического развития, но ожидаемо циклическую. Цикличность подразумевает, что ее описание можно начать в принципе с любой точки, но удобство вводных формулировок склоняет к описанию, начиная с состояния системы с относительно наибольшей энтропией в информационно-ненасыщенном (неопределенном) для системы пространстве. Состояние можно сопоставить со слабой конфедерацией автономных агентов (высокий профиль сложности по Янир Бар-Яму (УПС: глава V)) с низким тезаурусом в незнакомой окружающей среде. Основным мотивом поведения данного объединения станет инфотаксис, направленный на увеличение предиктивной способности системы, возрастание роли кооперативных взаимодействий, расширение информационных полей, включение в сеть информационных взаимодействий других обнаруженных агентских сетей, организация взаимодействия с ними.

Формирование надсистемы неизбежно потребует возможности самоликвидации части системы для построения наиболее эффективной информационной архитектуры (снижения профиля сложности), самоликвидации в каком-то смысле спонтанной или, казалось бы, по незначительному поводу. Для этого необходимы некие источники случайности, способные в то же время реализовывать механизмы самоликвидации. На уровне клетки наиболее подходящими структурами для такой задачи могут быть митохондрии, на уровне организмов и популяций – инфекционные паразиты, что в значительной степени уравновешивает кооперативные взаимодействия.

Происходит качественный сдвиг в предиктивных способностях системы, в первую очередь связанный с обретением ею «понимания» нового уровня регулярной динамики окружающей среды и, соответственно, достижением нового уровня эффективной сложности системы. Снижение энтропии системы может быть сопоставлено с обретением нового уровня кооперативного взаимодействия вплоть до плотной «многоклеточности», характерной для данного этапа, дифференциацией и специализацией агентов-участников и переходом от их конфедерации к полноценной федерации с дееспособным и активным федеральным центром. В некотором смысле система обретает наибольший потенциал адаптационных возможностей, что можно сопоставить с состоянием благополучия системы, или здоровья – на уровне системы организма (БОН: глава XI). Неизбежным следствием возросшей информационной эффективности становится и энергетическая эффективность. Обратной стороной увеличившейся сложности системы будет возникновение в ней внутренних конкурирующих взаимодействий, способных стать первым шагом к череде рассмотренных в главе VI особых состояний системы – от фрустрированного и стеклоподобного состояния к неэргодичности и самоорганизованной критичности (СОК) (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018, УПС: глава VI). Продолжающееся развитие кооперативности радикально снижает неопределенность окружающей среды (увеличивает ее информационную насыщенность), расширяет информационную тару системы, ее совокупный тезаурус и тезаурус отдельных подсистем и делает излишним необходимость спонтанной самоликвидации части системы как залога ее будущего развития. Динамика снижения энтропии при этом резко увеличивается, система становится способной к развитию в форме эволюционного прерывистого равновесия, когда стабильные (иногда бесконечно долгие) фазы неспешного самосовершенствования, поддерживаемые умеренными горметическими воздействиями, сменяются «катастрофическими» событиями с непредвиденной динамикой. Исходы «катастроф» различны. В некоторых случаях информационная автономность отдельных элементов может достигнуть уровня, когда элемент воспринимает себя в большей степени как автономного агента, нежели часть системы, а систему в большей степени как внешнюю среду, дающую возможность более индивидуальной траектории развития. На этой траектории исходов находятся и деление клетки, и ее опухолевое перерождение, и «вторичная» одноклеточность. Другим исходом может быть стремительная трансформация системы, своеобразный супердрайв по не менее стремительно меняющемуся адаптационному ландшафту, когда система неожиданным образом попадает в новую реальность, и ценность ее прежних достижений и навыков практически обнуляется, а система оказывается некоторым образом в исходной точке нового цикла с новым базовым уровнем энтропии.

Общий вектор развития биологических систем можно обозначить как движение к увеличению эффективной сложности, предиктивности, способности рационализировать динамику окружающей среды (определять в ней регулярности, истинные или мнимые), сопровождаемое временным локальным снижением энтропии, которое неизбежно закончится ее фатальным забросом на уровень даже более высокий, который обрела бы вовлеченная в биологическую систему материя, развиваясь небиологическим образом.

Можно увидеть, что двигателем биологического развития в этой схеме служит переменная восприимчивость к импактам окружающей среды – от высокой в состояниях начального накопления предиктивности и СОК к низкой в фазах устойчивого равновесия и обратно. Естественный отбор, в свою очередь, представляется в этих условиях движителем эволюции, основным инструментом реализации «осознанной необходимости». Реализация наследуемых данных модулируется как различными демпферными механизмами, начиная с системы белков-шаперонов, обеспечивающих правильную укладку, а через нее и функцию белков и РНК в случае большинства точечных мутаций, далее – эпигенетическим контролем наследственности, и заканчивая поведенческими и социальными регуляциями. С другой стороны, в случае высокой неопределенности и необходимости эволюционных инноваций биологические системы используют ad hoc наиболее подходящие наследуемые решения или в форме массивных информационных манипуляций с активно применяемыми наследственными данными, например дупликация (удвоение генов), экзаптация (расширение или изменение функции), энтоз (поглощение извне), включая их комбинации, или путем мобилизации ранее пассивного наследственного материала. Эволюционное развитие, таким образом, может временно канализироваться в определенном направлении, реализуя своего рода квазиламарковский сценарий наследования приобретенных признаков.

Восприимчивость к информационным импактам управляется через разделительную сложность системы, определяющую правила сортировки входящих в систему информации, энергии и вещества. На уровне организма эти задачи приписываются иммунной системе (иммунитету). В концепции ОПЭ иммунитет – главная опора самореферентности, и «иммунитет системы» можно было бы назвать cognimmunity. В более широком контексте «иммунитет системы» определяет адаптируемость системы и в конце концов ее эволюционируемость (если не эволюционируемость эволюционируемости).

Рассмотрение с этих позиций человеческого иммунитета приводит к крайне интересным выводам.

1. Степанов А. Д. (1966). Являются ли болезни факторами приспособления организмов к среде. – Арх. пат., № 7. С. 71–77.

2. Адо А.Д. (1985). Вопросы общей нозологии. – М.: Медицина.

3. Бом Д. (2010). Причинность и случайность в современном мире. – M.: URSS, 2-е изд.

4. Деминг Э. (2006). Новая экономика. – М.: Эксмо, 2-е изд.

5. Кларк Д. П. (2011). Микробы, гены и цивилизация. – М.: Эксмо.

6. Al-Shayeb B., Schoelmerich M. C., West-Roberts J., Alvarado L. E. V., Sachdeva R., Mullen S., Crits-Christoph A., Wilkins M. J., Williams K. H., Doudna J. A., Banfield J. F. (2021). Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation. bioRxiv 2021.07.10.451761.

7. Miller W. B. Jr. (2016). Cognition, Information Fields and Hologenomic Entanglement: Evolution in Light and Shadow. Biology, 5, 21.

8. Miller W. B. Jr. (2017). Biological information systems: Evolution as cognition-based information management. Prog Biophys Mol Biol. 134, 1–26.

9. Lloyd S. (2002). Computational capacity of the universe. Phys. Rev. Lett. 88, 237901.

10. Vogel D., Dussutour A. (2016). Direct transfer of learned behaviour via cell fusion in non-neural organisms. Proc. R. Soc. B 283, 20162382.

11. Torday J. S. (2016). The Cell as the First Niche Construction. Biology, 5, 19.

12. Hitziger M., Esposito R., Canali M., Aragrande M., Häslerd B., Rüegg S. R. (2018). Knowledge integration in One Health policy formulation, implementation and evaluation Bull World Health Organ; 96: 211–218.

13. Woods A., Bresalier M. (2014). One health, many histories. Vet Rec.; 174 (26): 650–4.

14. Mwangi W., de Figueiredo P., Criscitiello M. F. (2016). One Health: Addressing Global Challenges at the Nexus of Human, Animal, and Environmental Health. PLoS Pathog 12(9): e1005731.

15. Schmiege D., Arredondoa P. A. M., Ntajala J., Parisa J. M. G., Savia M. K., Patela K., Yasobanta S., Falkenberg T. (2020). One Health in the context of coronavirus outbreaks: A systematic literature review. One Health, 10, 100170.

16. Bohm D. (1980). Wholeness and the Implicate Order. London, Routledge.

17. McDonnell M. D., Ward L. M. (2011). The benefits of noise in neural systems: bridging theory and experiment. Nat. Rev. Neurosci. 12, 415–426.

Если принять в качестве опоры для рассуждений принцип свободной энергии (ПСЭ) Карла Фристона, то лейтмотивом деятельности любой биологической системы следует признать снижение неопределенности в причинах динамики входных сигналов из окружающей среды и тем самым минимизация свободной энергии. Этот лейтмотив может реализовываться в двух формах: активного воздействия на локальное окружение или изменение в себе его внутренней модели. В целом это может соответствовать и двум формам менеджмента информации: управление источниками неопределенностей (вариациями) по особым причинам (эпистемическими неопределенностями), в значительной степени активное и направленное вовне системы, и управление источниками неопределенностей (вариациями) по общим причинам (алеаторными неопределенностями), преимущественно направленное вовнутрь, на совершенствование самой системы, ее способности «понимать контекст». Правила поведения системы во внешней среде определяют характеристики поступающей в систему информации, энергии и вещества, то есть в полной мере относятся к системе менеджмента информации и разделительной сложности системы, что образно названо в предыдущей главе «иммунитетом системы», или cognimmunity. Таким образом, в применении к многоклеточным животным, выбравшим, в отличие от растений, проактивный путь снижения неопределенностей, нервная и иммунная системы видятся как две постоянно пересекающиеся тропинки на этом маршруте к пониманию и оценке контекста существования системы для адекватного реагирования на его изменения.

Наиболее распространенным является следующее краткое описание иммунной системы. Основное предназначение иммунной системы (иммунитета) – защита организма от инфекций, но она может участвовать и в сопротивлении опухолевому перерождению. Состоит из гуморальных (растворимых, молекулярных) и клеточных факторов. Разделяется на врожденный (неспецифический) и приобретенный (специфический, адаптивный) иммунитет. Гуморальный врожденный иммунитет представлен крайне широким перечнем: компоненты системы комплемента, лизоцим, лактоферрин, трансферрины, интерфероны, дефензины и многие другие факторы. Специализированные клетки врожденного неспецифического иммунитета – это нейтрофилы и макрофаги. К неспециализированным клеткам, выполняющим функции неспецифического иммунитета, можно отнести все клетки наружных покровов и слизистых, ограничивающие внутреннюю среду организма. К клеточным факторам врожденного иммунитета следует отнести и внутриклеточные механизмы противовирусного иммунитета, в той или иной степени присущие каждой клетке организма, например различные виды РНК-интерференции.

Гуморальные факторы специфического приобретенного иммунитета – это антитела (иммуноглобулины). Основная среда обращения иммуноглобулинов – это кровь и лимфа, некоторые типы иммуноглобулинов (преимущественно IgA) могут секретироваться на поверхность слизистых оболочек. Специфичность антител заключается в способности прочно связываться со строго определенными молекулярными комплексами (антигенами), как правило, полимерных органических молекул, преимущественно белков, точнее даже – с их определенными участками (эпитопами). Само по себе специфическое связывание антител с антигенами не «уничтожает» антигены, но обеспечивает выведение и/или дезактивацию их носителей с привлечением различных неспецифических механизмов – комплемента, фагоцитоза и прочих. Клеточные факторы приобретенного специфического иммунитета представлены специализированными лимфоцитами: Т- и В-клетками и их подвидами, включая клетки иммунологической памяти. Т- и В-лимфоциты проходят трехэтапную селекцию по специфичности их антигенраспознающих рецепторов. Первые два этапа происходят в «учебных условиях» органов созревания Т- и В-лимфоцитов (у человека тимус и костный мозг, соответственно). Т-клетки сначала подвергаются положительной селекции на способность их Т-клеточных рецепторов (TCR, T-cell Receptors) распознавать свои антигены главного комплекса гистосовместимости (МНС, major histocompatibility complex), затем – отрицательной, по способности реагировать с собственными антигенами. В-клетки также подвергаются первичным селекциям по распознавательным способностям их антигенспецифичных рецепторов – поверхностных иммуноглобулинов M (IgM). Третий этап – клональная селекция клеток, имеющих наиболее подходящие рецепторы к «реальным» антигенам, оказавшимся во внутренней среде организма. Антигены распознаются Т-клеточными рецепторами Т-клеток – ключевых регуляторов адаптивного иммунитета, только будучи особым образом представленными, что позволяет Т-клеткам в самом первом приближении оценивать контекст появления антигена. Антигены или «вылавливаются» из внеклеточной среды специализированными антигенпрезентирующими клетками (макрофагами, дендритными клетками, В-лимфоцитами – последними с помощью IgM на их поверхности), в этом случае они презентируются вместе с МНС типа II, или «выдавливаются» изнутри практически любых клеток на поверхность вместе с МНС типа I, чаще это вирусные антигены.

В описаниях иммунитета часто оказывается недостаточно артикулированным тот факт, что абсолютно подавляющее число контактов с потенциально инфекционными агентами или нейтрализуется неспецифическими факторами иммунитета или вовсе избегается поведенческими реакциями, в том числе кооперативными.

В некотором роде «большой информационный иммунитет» оказывается имманентным свойством и любой биологической над- и подсистемы, то есть и отдельной клетки, и сообщества организмов. Другой важный вывод из такого подхода – иммунитет никогда не будет абсолютным, то есть состояние полной невосприимчивости к любым внешним инфекционным импактам никогда не будет достигнуто, хотя «технически», как представляется, с учетом сверхизощренных иммунных механизмов, такое состояние представлялось бы вполне достижимым, по крайней мере, для отдельной особи. Для такого вывода есть как минимум два основания.

Во-первых, как было предположено в предыдущей главе, именно вариабельность восприимчивости к импактам окружающей среды, а наиболее существенными из них полагаются именно инфекционные, служит двигателем адаптируемости и в целом биологического развития. Биологические системы, в полном своем составе прекрасно совершенные в своей адаптивной приспособленности в конкретный момент времени, но при полной нечувствительности к инфекционном импактам окажутся в итоге малоадаптируемыми и, скорее всего, вымрут. Как мы видели в первой главе, даже летучие мыши, имеющие великолепно организованный иммунитет против РНК-вирусов, чрезвычайно уязвимы к инфекциям совершенно иного рода, например грибковым. В чем-то это «верхнее» ограничение по эффективности иммунитета аналогично «верхнему» ограничению по точности передачи наследственной информации, в первую очередь репликации, наличие которого предполагает Евгений Кунин (УПС: глава VI).

Во-вторых, механизмы (подсистемы) иммунитета, особенно противовирусные, очень часто имеют вирусное же происхождение, и, соответственно, свою повестку и свои цели, не всегда конгруэнтные целям всего организма и направленные как минимум на поддержание и оправдание своего существования. Возможны даже варианты, когда защитные системы могут навязывать свою повестку всей системе, особенно при недостаточно отлаженном балансе «сдержек и противовесов», и становиться «предателями национальных интересов». Подобная ситуация может возникать и в социальных системах, например с правоохранительными органами («оборотни в погонах»). Идеальной выглядела бы ситуация, когда целью существования защитных систем было бы приведение всей системы в состояние, когда сами защитные системы (по крайней мере, в развернутом виде) оказались бы совсем не нужны, то есть их самой конечной целью была бы их самоликвидация.

Очевидно, что и нервная, и иммунная (в традиционном смысле) системы создают и поддерживают в себе модели окружающей среды. Нервная система формирует свое видение окружающего мира из экстероцептивной информации, получаемой с помощью органов чувств, и интероцептивных сигналов, генерируемых в пищеварительной системе, возможно, с участием холобионтной микрофлоры. Иммунная система, как предполагалось, создает свою модель окружающей среды в совокупной «памяти» иммунокомпетентных клеток, причем «учебная» селекция клеток адаптивного иммунитета формирует первоначальное отображение по принципу «все, что в сравнении со мной – не Я, то чужое», но в последующем адаптируя его посредством клональной селекции в столкновении с реальными антигенами из окружающей среды.

Часть отображения окружающей среды с участием иммунологической памяти создается механизмами врожденного иммунитета, «заточенными» на распознавание определенных образов (паттернов), опосредуемое, например, упоминавшимися образ-распознающими рецепторами (pattern recognizing receptors, PRRs). Ранее предполагалось, что это врожденная, и поэтому неадаптируемая часть иммунитета. Однако ПСЭ, а вслед за ней и ОПЭ предполагают, что любая биологическая система (и подсистема), рецептирующая сигналы из окружающей среды, обязана осуществлять своего рода поднастройку внутренней модели с целью снижения неопределенности причин динамики окружающей среды и уменьшения свободной энергии (УПС: глава VI).

Очевидные свидетельства того, что именно так и происходит и с клеточными системами врожденного иммунитета, были получены буквально в последние годы. Это явление назвали «тренированный иммунитет» (trained immunity). О некоторых известных его проявлениях говорилось в главе IX, где обсуждался феномен расширенного положительного влияния вакцинации живыми вакцинами на здоровье населения в развивающихся странах (УПС: глава IX). Многолетние исследователи неспецифического вакцинозависимого стимулирования иммунитета Питер Обю и Кристине Бенн стали одними из 43 соавторов очень краткой, но очень насыщенной смыслами обзорной статьи по тренированному иммунитету в Nature Immunology, опубликованной в январе 2021 года (Divangahi M. et al., 2021), в значительной степени обобщающей данные более подробного и обширного обзора в Nature Immunology Review, вышедшего полугодом ранее (Netea M. G. et al., 2020).

Причем «натренировываться» может как усиленный, так и ослабленный повторный ответ врожденного иммунитета. Подобной тренировкой сейчас объясняется давно известный феномен относительной толерантности к бактериальному липополисахариду (ЛПС), возникающей при введении сверхмалых доз ЛПС или других молекул, связывающихся с Toll-like рецепторами. Такие рецепторы на клетках отвечают за распознавание определенных молекулярных образов, ассоциированных с патогенами. Возможно, этот механизм позволяет поддерживать относительную толерантность иммунной системы к бактериям-симбионтам организма в условиях сбалансированности взаимного влияния.

Примером усиливающего влияния тренированного иммунитета послужили эксперименты с адъювантом бета-глюканом (компонентом клеточной стенки грибов, дрожжей, некоторых бактерий и водорослей). Они показали, что бета-глюкан способен увеличивать сопротивляемость как некоторым острым инфекциям (например, вызванной золотистым стафилококком), так и хроническим (например, микобактерией туберкулеза). При этом формирование усиленного врожденного иммунного ответа на эти инфекции, вызванное бета-глюканом, всегда сопровождается выработкой специфического набора медиаторов, включающих провоспалительные цитокины интерлейкин-1 и гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (ГМ-КСФ).

О позитивном эффекте противотуберкулезной вакцины БЦЖ говорилось выше; можно только добавить, что ее противоинфекционное действие было продемонстрировано также в экспериментальных моделях желтой лихорадки и малярии, а противоопухолевое – в отношении некоторых клинических форм рака, например рака мочевого пузыря. Кроме того, был показан положительный противовоспалительный эффект БЦЖ в случае животных моделей ряда аутоиммунных заболеваний, например сахарного диабета I типа и рассеянного склероза. Однако, как можно вспомнить, именно для этих моделей есть вполне убедительные гипотезы, связывающие возникновение данных заболеваний с энтеровирусными инфекциями (вирусами Коксаки) и дезориентацией адаптивной иммунной системы в случае «наложения» энтеровирусной инфекции на возникающие микроуязвимости в соответствующих органах (БОН: глава IX). Продолжая использованное в главе IX сравнение развития аутоиммунных феноменов со случайным сочетанием пожара и согласованной протестной акции, можно сказать, что БЦЖ может играть роль нарисовавшейся на этом фоне полузабытой шоблы местных великовозрастных хулиганов, что придает событиям однозначный характер «бучи на районе», то есть большой проблемы местных копов, никак, однако, не соответствующей уровню федеральных агентов. Такой расклад позволяет «всем по ходу чисто разойтись краями», не провоцируя федералов.

В случае атеросклероза индукторами нежелательной манифестации эффектов тренированного иммунитета служат атерогенные вещества, то есть вызывающие накопление холестериновых бляшек на сосудах, внутреннего происхождения: окисленные липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеин А и катехоламины (что, в принципе, не исключает возможности участия и пока еще не идентифицированного инфекционного агента). В мышиной модели атеросклероз сосудов вызывался аналогом «современной западной диеты», то есть диеты высококалорийной, жирной и богатой легкоусвояемыми углеводами, с выраженным усилением тренированного иммунитета. Причем возврат к нормальной мышиной злаковой диете хоть и сопровождался снижением системного воспалительного процесса, но сами механизмы тренированного иммунитета оставались «включенными». Эти механизмы представляют собой преимущественно эпигенетическое перепрограммирование клеток врожденного иммунитета в результате частичной перестройки их окислительного метаболизма.

Основными объектами такой перестройки, вызываемой упомянутыми инициаторами тренированного иммунитета (бета-глюкан, БЦЖ, окисленные ЛПНП и прочие подобные агенты), являются гемопоэтические стволовые клетки (универсальные предшественники всех лейкоцитов, еще не выбравшие путь дифференцировки) и коммитированные, то есть уже выбравшие путь дифференцировки, клетки-предшественники лейкоцитов в костном мозге. Воздействие инициаторов тренированного иммунитета в этих клетках опосредовано митохондриями (можно ли было сомневаться, что эти универсальные регуляторы клеточных процессов упустят и эту ключевую роль?): как описывалось в главе II, с «карусели» цикла трикарбоновых кислот при необходимости могут «соскакивать» важные активаторы эпигенетического перепрограммирования генома. Сигнал к «соскоку» приходит от определенных рецепторов, например, дектина 1 (рецептора к бета-глюкану), от рецептора к инсулин-подобному фактору роста и от других рецепторов, связанных с так называемым АКТ-mTOR сигнальным путем.

Это исключительно важный сигнальный путь, в который канализируются сигналы, ведущие к росту и пролиферации клеток, усилению метаболизма, а также устойчивости к апоптозу. Через него активируются десятки генов, связанных с усилением синтеза белка, прорастанием клеток (и метастазированием опухолей), активацией гликолиза, регуляцией размножения клеток, восстановлением поврежденной ДНК. Чрезмерная активность фермента mTOR – прямой путь к опухолевому перерождению клетки, соответственно, его ингибиторы вроде рапамицина, собственно, и давшему белку его название «механистическая мишень рапамицина» (mechanistic Target Of Rapamycine, mTOR), способны этот рост предотвращать, а также заметно подавлять иммунные реакции. Некоторые ингибиторы mTOR, такие как INK128, способны вдвое снижать пролиферацию предраковых клеток и в десять раз увеличивать частоту их апоптоза (Hsieh A. C. et al., 2012). Более того, mTOR способен организовывать вокруг опухолевой клетки работающее на нее специфическое микроокружение опухоли (Bazzichetto C. et al., 2020), образуя своеобразный опухолевый холобионт, расширение зарождающейся многоклеточной опухолевой индивидуальности, резко выделяющую себя из единой индивидуальности организма (БОН: глава XV). В связи с этим можно сказать, система mTOR (точнее, мультибелковые сигнальные комплексы TORС, где mTOR – своего рода якорный арендатор) представляет собой как ключевой регулятор размножения клетки в традиционном молекулярно-биологическом понимании, так и ключевой элемент информационной архитектуры клетки, одну из опор ее индивидуальности и, скорее всего, самореферентности, в терминах информационно-биологических теорий.

В случае поступления сигналов-инициаторов «тренированного иммунитета» происходит весьма умеренная активация пути АКТ-mTOR, ведущая к усилению гликолиза и «несильному» раскручиванию карусели цикла Кребса, но достаточному, чтобы с нее начали соскакивать фумаровая и лимонные кислоты. Фумаровая кислота, прибыв в ядро, тормозит отщепляющий от гистона 3 метиловую метку фермент лизин-деметилазу 5 (KDM5), а лимонная кислота, обратившись в цитоплазме в ацетил-коэнзим А, добирается до ядра, где, напротив, расставляет на гистонах новые ацетиловые метки. В результате формируется новый эпигенетический ландшафт генома и, соответственно, новый профиль экспрессии генов гемопоэтической стволовой клетки (рис. 30). Ее митохондрии сделали выбор между дифференцировкой своей клетки в лимфоцит (клетку адаптивного иммунитета) или моноцит (клетку врожденного иммунитета) в пользу последнего. И подобный выбор закрепляется для достаточно большого числа гемопоэтических стволовых клеток костного мозга, создавая своего рода пул клеток памяти врожденного иммунитета. В периферической крови тренированные моноциты становятся тренированными макрофагами или тренированными натуральными киллерами. В случае повторной инфекции данные клетки ответят более быстрым и более обильным высвобождением противомикробных веществ и специфического набора цитокинов, модулирующим адаптивный иммунный ответ.

Рис. 29. Две формы перепрограммирования врожденного иммунитета: усиленный тренированный иммунитет или развитие толерантности (по Netea M. G. et al., 2020)

Рис. 30. Эпигенетические изменения при формировании усиленного тренированного иммунитета (по Netea M. G. et al., 2020):

а – стабильное состояние неактивированной клетки; б – первичный контакт с инициатором тренированного иммунитета (например, бета-глюканом). в – покоящееся состояние тренированной клетки; г – усиленный ответ неадаптивного иммунитета при повторной стимуляции

Совокупность данных о приобретенной долговременной адаптации («памяти») самых разнообразных клеток, связанных с врожденным иммунитетом, позволила Антонио Кассоне из Перуджинского университета даже сформулировать понятие расширенного тренированного иммунитета (extended trained immunity, Cassone A., 2018).

Особое клиническое значение сейчас придается тренированному иммунитету эндотелиальных и гладкомышечных клеток сосудов. Клетки эндотелия могут секретировать цитокины, распознавать молекулярные образы, ассоциированные с патогенами и с опасностями (pathogen-associated molecular patterns, PAMP; danger-associated molecular patterns, DAMP), осуществлять фагоцитоз и презентацию антигенов, то есть обладают полным функционалом иммунокомпетентных клеток. Прилежащие к эндотелию клетки гладкой мускулатуры способны обретать провоспалительный фенотип в ответ даже на кратковременный контакт с окисленными ЛПНП. Предполагается, что тренированный иммунитет клеток сосудов и моноцитов периферической крови может оказаться тем «недостающим звеном» патогенеза атеросклероза, обеспечивающим запуск образования атеросклеротических бляшек и поддержание умеренного хронического воспалительного процесса внутри и вокруг них (Zhong C. et al., 2020). Подобные механизмы патогенеза с вовлечением тренированного иммунитета могут быть рассмотрены и для ряда заболеваний центральной нервной системы, где очень интересным может оказаться взаимодействие «тренируемой» микроглии с нейронами головного мозга через феномен передачи целых «отработанных» митохондрий от нейронов своим микроглиальным спутникам.

Упомянутые выше два типа молекулярных образов, которые способны распознавать иммунокомпетентные клетки – ассоциированные с патогенами и ассоциированные с опасностями – отражают в целом два актуальных подхода, две дополняющие друг друга концепции иммунитета.

Первая концепция традиционная и следует во многом историческому фарватеру развития иммунологии. Несмотря на постоянные уточнения и изменения, происходившие за два столетия развития иммунологии (если начинать с противооспенной прививочной практики Эдварда Дженнера, имевшей хоть какую-то научную основу), в целом она предполагает, что предназначение иммунной системы – отграничение «своего» от «чужого» и правильная реакция на появление признаков «чужого» внутри «себя» (назовем ее вслед за Полли Мэтцингер (Matzinger P., 2002) концепцией СНС (Свое – Не Свое, SNS, Self – Non Self, рис. 31).

В середине ХХ века эта концепция, развитая Фрэнком Бернетом и Питером Медаваром, явилась гигантским шагом в понимании процессов и механизмов иммунитета. Она предполагает, в частности, что иммунный ответ возникает на появление чужеродного антигена, распознанного В- или Т-клеточными рецепторами, только при подтверждении его чужеродности вторым сигналом (костимуляцией) со стороны клеток-регуляторов (Т-хелперов), а их, в свою очередь, костимуляцией от антигенпрезентирующих клеток (АПК). Но этот подход с большим трудом дает ответы на вопросы, как возникает толерантность к многочисленным бактериальным сожителям организма, матери к плоду и, напротив, нетолерантность (пусть и слабая) к раковым клеткам.

Появившееся на рубеже 80-х и 90-х годов ХХ века расширение этой концепции, сделанное Чарльзом Джейнуэйном и Русланом Меджитовым в форме модели Инфекционного НеСебя (ИНС, Infectious Non Self, по П. Мэтцингер; в определенном смысле эту модель можно считать отдельной от СНС концепцией), дало лучшее решение для части подобных вопросов. Модель ИНС в кратком изложении предполагает, что полноценная иммунная реакция развивается при распознавании специализированными иммунными клетками особых молекулярных образов, ассоциированных с патогенами (pathogen-associated molecular patterns, PAMP). Задачу распознавания РАМР несут многократно упоминавшиеся в этой книге образ-распознающие рецепторы (pattern recognizing receptors, PRP), способные отделять зерна от плевел: конфигурации крупных молекул, характерные для потенциально опасных патогенов от молекул, свойственных остальным микроорганизмам, нейтральным или скорее даже дружественным.

Рис. 31. Историческое развитие моделей иммунитета (по Matzinger P., 2002):

а – модель Ф. Бернета и П. Медавара (1959) – оригинальная концепции СНС (Свое – Не Свое). Лимфоциты активируются при контакте с чужеродным агентом через специфические рецепторы (сигнал 1); б – первое уточнение концепции СНС П. Бречера и С. Кона (1970): для корректной активации лимфоцитам нужен второй «помогающий» сигнал от Т-хелперов; в – второе уточнение СНС К. Дж. Лафферти и Э. Дж. Каннингема (1975): Т-хелперам, распознающим антигены, представленные антигенпрезентирующими клетками (АПК), нужен второй костимулирующий сигнал от АПК; г – модель Инфекционного НеСебя (ИНС) Ч. Джейнуэя (1989): на первом плане инфекционность чужеродного агента, распознаваемая через рецепторы к патоген-ассоциированным паттернам (PRR, pattern recognition receptors); д –. модель П. Мэтцингер (1994): основной фактор, формирующий понимание контекста иммунной реакции – это наличие сигналов повреждения клеток, молекулярных паттернов опасности (DAMP, danger-associated molecular patterns)

Полли Мэтцингер, неординарная по научному таланту и жизненным взглядам американская исследовательница французского происхождения, предложила в середине 90-х годов в чем-то более парадоксальную (и поэтому до сих пор далеко не общепринятую) модель Опасности (МО).

Превышение некоего порога допустимого ущерба в совокупности с другими сигналами, дающими иммунной системе представление о контексте ситуации, запускает каскад активной реакции организма. Если сама оригинальная МО иммунитета от П. Мэтцингер до сих пор вызывает множество вопросов и неоднозначных суждений (например, становится менее понятной роль ранней селекции в созревании Т- и В-лимфоцитов), то частное применение концепции DAMP уже сейчас широко используется в иммунологии для описания многих иммунопатологий. К DAMP причисляют молекулы, появляющиеся во внутренних средах организма в свободном виде в результате некротической (скорее даже неапоптической, см. ниже) гибели клеток или клеточного стресса, многие белки и нуклеиновые кислоты, зачастую относящиеся к самым сокровенным молекулярно-биологическим клеточным процессам. Для млекопитающих это, например, белки теплового шока (белки-шапероны, обеспечивающие правильную укладку вновь синтезированных полипептидных цепей и РНК), многие гистоновые белки, связывающие ядерную ДНК в плотный хроматин, ядерный негистоновый белок амфотерин или HMGB1 (high-mobility group protein B1), универсальные регуляторные белки S100, а также несколько десятков других обычно скрытых в клеточных глубинах белков и сами свободные ДНК и РНК, особенно митохондриального происхождения.

Можно сказать, что сложность процесса апоптоза у высших животных имеет целью не только гарантировать смерть клетки, но и очистку места от DAMP после клеточного самоубийства, в том числе благодаря образованию на завершающих стадиях апоптоза везикулярных апоптических телец, в которые запаковываются клеточные останки и которые служат одной из форм передачи сигнальной нкРНК. То есть апоптоз, несмотря на элемент случайности в некоторых из своих форм, это не русская рулетка с мозгами во всю стену и кучей пустых бутылок и грязных тарелок на столе и полу, это скорее японское сэппуку с тщательной уборкой за собой выпавших кишок и галантно написанным прощальным письмом. Как сэппуку минимизирует неудобства для близких погибшего, показывая, что самурай достойно прошел свой путь до конца, в чем он собственноручно изящно расписывается, так и апоптоз не доставляет организму лишних хлопот, не посылает организму ложных сигналов о несуществующих опасностях, но удостоверяет, что клетка с честью выполнила свой последний долг.

Достаточно важными являются несколько выводов из МО. Во-первых, аутоиммунные заболевания, исходя из этой модели, не являются чистым следствием перекрестных реакций на собственные антигены в результате их сходства с некими инфекционными агентами, так как модель вовсе не предполагает строгой дилеммы «свое-чужое». Они возникают в результате неверной оценки контекста появления сигнала, возможно, в сочетании с некоей неманифестирующей (непроявляющейся) инфекцией. В принципе данный подход вполне сочетается с предложенным в главе IX механизмом возникновения подобных заболеваний в результате неудачного сочетания инфекционных факторов и возникающих микроуязвимостей (пример полицейских, пожарных и федеральных агентов).

Разнообразие микробных стимулов в отношении детской кишечной иммунной системы, пройдя через этапы диарей и прочих кишечных дискомфортов, реализуется в достижении ею контекстного понимания подобных стимулов в дальнейшем. В ответ на высвобождение DAMP из поврежденных эпителиальных клеток кишечника иммунная система начинает реагировать высвобождением противовоспалительных цитокинов, подавляющих иммунный ответ и стимулирующий накопление и постоянную циркуляцию множества Т-регуляторных клеток. Эти клетки, накопившиеся, возможно, после нескольких диарейных повторов, впоследствии будут отвечать за восприятие всего контекста возникающих ситуаций и гарантировать иммунный ответ, максимально учитывающий все аспекты ситуации и интересы всех заинтересованных клеток организма. Контекст ситуации в кишечнике, как мы видели, определяется обширным множеством взаимозависимых факторов: характером питания, состоянием микробиома, активностью воспалительных процессов в организме, состоянием нервной системы и психической сферы, и так далее.

Снижение по различным причинам разнообразия микробиома, особенно, назовем так, физиологически активного, и особенно в сочетании (если не вследствие) с современной индустриализированной диетой ведет к драматическому снижению микробных стимулов и/или их неправильному толкованию иммунной системой кишечника, что проявляется в недопустимом снижении числа Т-регуляторных клеток, что, в свою очередь, упрощает иммунную регуляторную сеть «согласования» формы иммунного ответа и проявляется, в конце концов, в упрощенном паттерне ответа на подобные стимулы. Напротив, правильное «понимание» альтернативных сигналов от нормальной микрофлоры, в первую очередь в виде бутирата, поддержанное более растительной диетой, насыщенной клетчаткой, способствует накоплению достаточного количества Т-регуляторных клеток, способных адекватно реагировать на антигенные стимулы, не сворачивая иммунный ответ на путь развития аллергических или аутоиммунных реакций (Furusawa Y., 2013; Arpaia N., 2013). И в этом смысле МО дает вполне удовлетворительную трактовку комплексу наблюдений, лежащих в основе «гигиенической теории». В более широком информационном смысле происходит насыщение тезауруса системы, ведущее к дефатализации взаимодействия с данным фактором окружающей среды.

Во-вторых, у МО Полли Мэтцингер есть весьма логичное обоснование в отличие от неуверенных объяснений СНС и ИНС, феноменов иммунной реакции против трансплантантов, даже близкородственных и, напротив, толерантности к фактически чужеродному плоду во время беременности. В случае трансплантатов, особенно при пересадке от мертвого донора, в организм поступают многочисленные и разнообразные молекулы DAMP (причем их характер и количество сильно зависят от пересаживаемого органа), а при беременности, наоборот, сигналы опасности отсутствуют или успешно подавляются. Возможно (Bonney E. А., 2007), именно сдвиги в регуляции DAMP-зависимых, в том числе стрессовых механизмов являются причиной развития при тяжелых осложнениях беременности – поздних токсикозах (гестозах) – клиники преэклампсии и эклампсии (особых предсудорожных и судорожных состояний, сопровождаемых резким повышением артериального давления, протеинурией (выходом белка с мочой) и отеками). Развивая эту мысль дальше, можно предположить, что периодические женские овуляции, в условиях современного индустриального общества в большинстве случаев заканчивающиеся не беременностью, а специфическими стрессовыми и предвоспалительными ситуациями, создают контекст ложных опасностей, предрасполагающих к развитию аутоиммунных патологий, в самом деле несколько более часто наблюдаемых именно у женщин.

В-третьих, МО сходится с теорией тренированного иммунитета, а фактически и с рассмотренными информационно-биологическими теориями (ОПЭ) в том, что иммунитет (способность коллективной индивидуальности защищаться) – функция, распределенная между гораздо большим числом клеток, чем предполагалось ранее, если не между большинством или вообще всеми клетками организма.

Четвертый возможный вывод из МО исходит из ее базовой установки, также многократно подчеркнутой в этой книге, что иммунная реакция организма запускается из совокупности нескольких специфических сигналов (получается, что не менее трех), «погружающими» клетки иммунной системы в контекст конкретной ситуации в определенной локации организма. На самом деле любая активная клетка содержит на своей поверхности десятки видов рецепторов, способных воспринимать сотни видов молекул, и их взаимозависимый статус определяет «понимание» клеткой контекста среды. И этот контекстный фон способен естественным образом меняться хотя бы в силу смены нормальных фаз жизнедеятельности, сдвигающих биохимические, гормональные, цитокиновые и многие другие профили организма.

Соответственно, «подсвечивание» складывающейся ситуации на нескольких контекстных фонах может позволить иммунитету как бы «рассмотреть» ее с нескольких сторон. Можно сравнить, как Хищник («Хищник 2» Стивена Хопкинса, 1990) в поисках жертвы последовательно сканирует пространство в нескольких диапазонах электромагнитных волн помимо обычного для себя инфракрасного света. Аналогичным образом древние персы в трактовке Геродота «все важнейшие дела свои обсуждают они во хмелю, а окончательно решают на другой день, уже трезвыми; и напротив, если о чем-нибудь они совещаются трезвыми, то решение принимают во хмелю». У человека, как у большинства теплокровных млекопитающих, таких состояний, определяющих контекст для иммунной системы (СОКДИС), может быть как минимум два – состояние сна и бодрствования.

Некоторым исключением могут быть как раз летучие мыши и ряд других животных, обладающих отдельными температурами тела полета (физической сверхактивности) и гибернации (УПС: глава I), что может позволять им более точно оценивать контекст и потенциальную опасность многочисленных инфекционных (вирусных) процессов в их организме, ограничиваясь в результате весьма умеренной, если не пассивной реакцией на происходящее. Но очень похоже, что этот фокус с совершенно иначе «вычисляющими» уже свой контекст инфекционными грибками у рукокрылых не проходит. Соответственно животным, не поддерживающим постоянную температуру своего тела, предоставлена возможность оценивать контекст потенциальной опасности в более широком диапазоне СОКДИС, что позволяет им ограничиваться внешне чуть более просто устроенной иммунной системой.

У человека кандидатом в СОКДИС может быть и состояние повышенной (не сверхвысокой) физической нагрузки, для которой как минимум характерен умеренно провоспалительный гормональный и цитокиновый (миокиновый) профиль, способный, с одной стороны, внести поправку в сторону более благоприятного течения хронического системного воспаления (например, при ожирении), но с другой, в случае развивающегося острого воспаления, глубже затолкнуть организм в его воронку. Кроме того, таким состоянием может быть даже и половой акт. Модель горметического стресса как благотворного влияния на организм периодических субкритических воздействий также может быть соотнесена с формированием одного из видов СОКДИС, реализуемых через митохондриальные механизмы. В любом случае анализ контекста, как и развитие адаптивного иммунитета, требует от организма достаточно большого резерва времени, которого в случае острых ситуаций явных опасностей у организма может и не быть. Здесь на помощь могут прийти только универсальные, доведенные до совершенства быстрые реакции, как «коронки» боксера или отработанные приемы крав-мага – системы отпора без запрещенных приемов и какой-либо философии: такие, как воспаление и, с оговорками, стресс.

1. Левинсон У. (2020). Медицинская микробиология и иммунология. Пер с англ. под ред. д-ра мед. наук, проф. В. Б. Белобородова. – 2-е изд. – М.: Лаборатория знаний.

2. Секей Г. (1990). Парадоксы в теории вероятностей и математической статистике. Пер. с англ. – М.: Мир.

3. Divangahi M., Aaby P., Khader S. A., Barreiro L. B., Bekkering S., Chavakis T., van Crevel R., Curtis N., DiNardo A. R., Dominguez-Andres J., Duivenwoorden R., Fanucchi S., Fayad Z., Fuchs E., Hamon M., Jeffrey K. L., Khan N., Joosten L. A. B., Kaufmann E., Latz E., Matarese G., van der Meer J. W. M., Mhlanga M., Moorlag S. J. C. F. M., Mulder W. J. M., Naik S., Novakovic B., O’Neill L., Ochando J., Ozato K., Riksen N. P., Sauerwein R., Sherwood E. R., Schlitzer A., Schultze J. L., Sieweke M. H., Benn C. S., Stunnenberg H., Sun J., van de Veerdonk F. L., Weis S., Williams D. L., Xavier R., Netea M. G. (2021). Trained immunity, tolerance, priming and differentiation: distinct immunological processes. Nat Immunol.; 22 (1): 2–6.

4. Netea M. G., Domínguez-Andrés J., Barreiro L. B., Chavakis T., Divangahi M., Fuchs E., Joosten L. A. B., van der Meer J. W. M., Mhlanga M. M., Mulder W. J. M., Riksen N. P., Schlitzer A., Schultze J. L., Stabell Benn C., Sun J. C., Xavier R. J., Latz E. (2020). Defining trained immunity and its role in health and disease. Nat. Rev. Immunol. 20 (6): 375–388.

5. Hsieh A. C., Liu Y., Edlind M. P., Ingolia N. T., Janes M. R., Sher A., Shi E. Y., Stumpf C. R., Christensen C., Bonham M. J., Wang S., Ren P., Martin M., Jessen K., Feldman M. E., Weissman J. S., Shokat K. M., Rommel C., Ruggero D. (2012). The translational landscape of mTOR signalling steers cancer initiation and metastasis. Nature 485, 55–61.

6. Bazzichetto C., Conciatori F., Falcone I., Ciuffreda L. (2020). Translational landscape of mTOR signaling in integrating cues between cancer and tumor microenvironment. Advances in Experimental Medicine and Biology, vol. 1223, 69–80.

7. Cassone A. (2018). The case for an expanded concept of trained immunity. mBio 9: e00570-18.

8. Zhong C., Yang X., Feng Y., Yu J. (2020) Trained Immunity: An Underlying Driver of Inflammatory Atherosclerosis. Front. Immunol. 11: 284.

9. Matzinger P. (2002). A Danger Model: A Renewed Sense of Self. Science 296, 301–305.

10. Martin N. T., Martin M.U. (2016). Interleulin 33 ia a guardian of barriers and a local alarmin. Nat Immunology 17, 122–131.

11. Furusawa Y., Obata Y., Fukuda S., Endo T. A., Nakato G., Takahashi D., Nakanishi Y., Uetake C., Kato K., Kato T., Takahashi M., Fukuda N. N., Murakami S., Miyauchi E., Hino S., Atarashi K., Onawa S., Fujimura Y., Lockett T., Clarke J. M., Topping D. L., Tomita M., Hori S., Ohara O., Morita T., Koseki H., Kikuchi J., Honda K., Hase K., Ohno H. (2013). Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Nature 19; 504 (7480): 446–450.

12. Arpaia N., Campbell C., Fan X., Dikiy S., van der Veeken J., deRoos P., Liu H., Cross J. R., Pfeffer K., Coffer P. J., Rudensky A. Y. (2013). Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation. Nature 19; 504 (7480): 451–455.

13. Bonney E. A. (2007). Preeclampsia: a view through the danger model. Journal of reproductive immunology, 76 (1–2), 68–74.

14. Kenneth A. J. (1963). Social Choice and Individual Values (2nd ed.). New Haven: Yale University Press.

15. Bramson M., Griffeat D. (1972). Renormalizing the 3-dimensional voter model. Annals pf Prob, 418–432.

Для воспаления, хотя бы в первом приближении, исходя из двух наиболее общих метафор или характеристик этого процесса – мобилизация и отторжение (отграничение, включая репарацию, установление новой границы) – можно предположить, что происходит перегруппировка и сжатие индивидуальностей, формирующих целостный организм, по крайней мере, тех клеточных индивидуальностей (или их информационных полей), которые получили драматический сигнал опасности. Мобилизацию и изменение динамики системы («застыть, бороться или бежать?») и, соответственно, перегруппировку и изменение динамик индивидуальностей можно предположить в качестве наиболее общих информационных характеристик стресса как общего адаптационного синдрома. Разумеется, как и все рассуждения о биологических моделях, это только спекулятивные схемы, которые могут обрести хоть какую-то предсказательную ценность только после уверенной математической валидации и клинической верификации.

Тем не менее ключевой аспект воспаления, стресса и «большой информационной иммунной системы» – понятие опасности – можно попытаться чуть подробнее рассмотреть с позиций этих теорий.

С учетом двух как минимум странных предположений, возникающих в ОПЭ, ИТИ и ПСЭ, а именно размытых границах индивидуальностей и необходимости отображения индивидуальностями в своих внутренних моделях, то есть по сути «в себе», причин динамики окружающей среды, возникает вопрос: «А что именно биологическая система может воспринимать как опасность, как источник ущерба в информационном смысле?» Можно предположить, что определенные виды динамики марковского окружения индивидуальности (его сжатие?), через которое, по сути, и происходят коммуникации системы с окружающим миром, и есть угроза или опасность для системы в терминологии МО. То есть «большой информационный иммунитет» биологической системы как раз и реагирует на возникновение и рост неопределенности в динамике своего марковского окружения, находящегося как во внешней, так и считающейся внутренней средах организма. Но мониторинг динамики неопределенности включает в себя практически все виды восприятия окружающей и внутренней среды, а реагирование на динамику – практически все виды активности, включая поведенческие (оставляя, возможно, за скобками, и то условно, только мониторинг ресурсов гомеостаза, возможностей размножения и действия по их обеспечению). Выходит, что восприятие, то есть деятельность органов чувств, неотличимо от задач «системного иммунитета»?

К практически аналогичному выводу, только в обратной формулировке, что иммунная система в своей афферентной части может считаться «седьмым» органом чувств, приходит в серии своих работ Джонатан Кипнис (Jonathan Kipnis) из Медицинской школы Виргинского университета (Кипнис Д., 2018). Прежде, еще со времени нобелевского лауреата по медицине Питера Медавара (а это 40–50-е ХХ века), мозг считался одним из немногих иммунопривилегированных органов в человеческом организме (наряду с глазами, семенниками и, с постоянными оговорками, щитовидной железой и плацентой с эмбрионом), выведенных различными барьерами из-под влияния иммунной системы. Нарушения этих барьеров, например по причине травм, введет к тяжелым последствиям в результате развития в их отношении интенсивной аутоиммунной атаки.

Кипнис в своих представлениях исходил в первую очередь из ряда клинических наблюдений и лабораторных экспериментов, показывающих наличие функциональной связи мозга и иммунной системы в состояниях целостности гематоэнцефалического барьера. Например, подавление адаптивного иммунитета, как клеточного, так и гуморального, в мышиных моделях бокового амиотрофического склероза и болезни Альцгеймера ухудшает течение заболевания. В мышиных моделях посттравматического стрессового расстройства (имеются ввиду психологические травмы у таких модельных мышей, а это где-то в среднем 10 % от популяции, стресс от запаха хищника сохраняется дольше обычного, до нескольких дней или даже недель вместо минут или часов) вероятность его развития у мышей со скомпрометированным адаптивным иммунитетом в несколько раз выше, чем у полностью здоровых мышей.

В отношении людей можно отметить, что клинические наблюдения многих психиатров и дерматологов позволяют обсуждать, например, наличие особого «псориатического характера» (или психотипа), на фоне которого заметно повышается вероятность развития собственно кожных проявлений псориаза, очень своеобразного мультисистемного аутоиммунного заболевания. Эту взаимосвязь психоневрологической сферы и иммунной на уровне патофизиологии кожи при псориазе можно предположить и в особых отношениях между болевыми сенсорными нейронами в коже и кожными дендритными клетками, когда открываемые посредством болевого раздражения ионные каналы болевых рецепторов одновременно активируют и прилежащие дендритные клетки, способные далее посредством провоспалительного интерлейкина-23 активировать нацеленные на кожные аутоантигены Т-хелперы-17 (что продемонстрировано, правда, пока только в мышиной модели псориаза (Riol-Blanco L. et al., 2014).

Первая «дверь» – на выход из центральной нервной системы – представляет собой развитую сеть лимфатических сосудов в мягких мозговых оболочках, непосредственно соприкасающихся с нервной тканью мозга. Эта сеть в последние годы обнаружена у всех позвоночных, начиная с рыб. Через нее иммунные клетки вне ЦНС могут получать информацию о повреждениях (опасностях) в головном мозге в обход гематоэнцефалического барьера.

Вторую «дверь» – на вход в ЦНС – открыли Стивен Голдман и Майкен Недегард (Steven Goldman and Maiken Nedergaard), оба работавшие одновременно в Рочестерском и Копенгагенском университетах (Голдман С. и Недергард М., 2016). Речь идет о дополнительной сети каналов в головном мозге, по которым ликвор (спинномозговая жидкость) поступает к нейронам, и, забирая от них белки-продукты их специфического метаболизма (зачастую токсические для нейронов), выводит их из головного мозга. Эту систему «канализации» Голдман и Недергард назвали глифатической (глия+лимфатическая система). Ее архитектура создается глиальными клетками-астроцитами по периферии сосудов головного мозга, точнее их ножками-отростками, образующими своего рода дополнительную оболочку вокруг сосудов, чем-то напоминающую систему, образуемую ножками подоцитов вокруг капилляров почечных клубочков. Сходство дополняет обилие специальных водопроводящих каналов как в ножках почечных подоцитов, так и мозговых астроцитов.

Между оболочкой из ножек астроцитов и сосудами мозга образуется особое периваскулярное пространство, связанное, с одной стороны, с подпаутинным пространством оболочек головного мозга и системой циркуляции ликвора, с другой – с одновременно открытой первой «дверью» в ЦНС, сетью лимфатических сосудов, замыкающихся на лимфатические узлы, наполненные разнообразными иммунокомпетентными клетками. В это периваскулярное пространство попадают многочисленные крупномолекулярные метаболиты нейронов, включая специфические белки типа бета-амилоида, накопление которых в мозговой ткани служит ведущим морфологическим признаком болезни Альцгеймера.

Следствием сверхвысокой специализации нейронов головного мозга на обработке сигналов является передача ими функций утилизации своих биологических отходов на аутсорсинг своей глиальной свите или вообще удаленным структурам, чем внутри остальных «обычных» клеток занимаются убиквитинзависимые инструменты или механизмы аутофагии. Как предполагается, даже свои «испорченные» митохондрии нейроны сами не утилизируют, а выбрасывают целиком наружу, где они поглощаются фагоцитирующей микроглией и, в принципе, могут стать инициаторами формирования ее тренированного иммунитета с далеко идущими клиническими последствиями. Важной особенностью периваскулярного пространства оказалась зависимость размера его просвета от фаз активности головного мозга: во время сна, когда активность коры головного мозга переключается от коммуникаций с внешним миром на коммуникации с миром внутренним (по меньшей мере, кишечником и его микрофлорой, согласно висцеральной теории сна, УПС: глава VIII), просвет его увеличивается, и ток жидкости возрастает. Благодаря этому в мозг входит больше афферентной информации от иммунных клеток мозговых оболочек (например, через цитокины – интерферон-гамма, интерлейкин-1-бета, приходящий также от кишечной микрофлоры), и еще больше выходит в виде продуктов метаболизма нейронов, потенциально не менее биологически активных, чем метаболом (совокупность метаболитов) кишечной микрофлоры. То есть во время сна расширяются каналы коммуникации головного мозга не только с кишечной холобионтной группой, но и с иммунной системой.

Джонатан Кипнис обращает особое внимание на тот факт, что некоторые цитокины, основные сигнальные молекулы межклеточных коммуникаций иммунной системы, действуют непосредственно на нейроны, вызывая изменения нервной деятельности вплоть до сдвигов в поведенческих реакциях. Так, повышение уровня интерлейкин-1-бета вызывает «болезненное поведение», комплекс симптомов, включающих потерю аппетита, сонливость и стремление избегать социальных взаимодействий. Интерферон-гамма из Т-клеток лимфатических оболочек прямо воздействует на нейроны префронтальной коры, определяющие социальное поведение. Отсутствие Т-клеток или интерферона вызывает гиперактивность нейронных сетей, с последствиями вплоть до социальных нарушений поведения. Интерлейкин-17 также напрямую взаимодействует с нейронами коры головного мозга, формируя поведение по типу расстройств аутистического спектра. Из подобных наблюдений – свидетельств прямого сообщения сигналов от иммунных клеток нейронам – Кипнис высказывает предположение, не является ли иммунная система «седьмым» органом чувств, вслед за обонянием, осязанием, зрением, слухом, вкусом и проприорецепцией (ощущением позы и движения)?

Можно отметить, что даже если это и так, то «классическая» иммунная система также оказывается в некоем смысле обратно «привилегированной» по отношению к нервной. В отличие от клеток иммунной системы, прямо воспринимающих сигналы от мозга в виде его метаболитов, а потенциально и различных PAMP- или DAMP-молекул «традиционные» системы рецепции органов чувств не имеют прямой обратной связи с центральной нервной системой – нет данных, что ЦНС посылает обратные сигналы непосредственно вкусовым или слуховым рецепторным клеткам (хотя на уровне анализаторов этих органов чувств между зонами головного мозга, разумеется, обратная связь существует). Поэтому логично выглядит и обратное предположение, что и классическая иммунная система, и нервная система являются частями «большого информационного (системного) иммунитета», воспринимая и реагируя на динамики разных параметров внешней и условно внутренней среды, при этом воспринимая или отражая в себе также и друг друга. Возможно, они неравноправные, по крайней мере у высших животных: невообразимая сложность их головного мозга не оставляет другим претендентам шанса быть всеобщей управляющей системой, ответственной за создание и поддержание объединенной, сведенной воедино, внутренней модели причин динамики прилежащей к индивидуальности среды. Поддержание нескольких автономных моделей – вещь не только безусловно чрезвычайно и неоправданно затратная, но еще и неизбежный источник внутренних конфликтов и катастроф внутри единой индивидуальности; даже раскол объединенной модели фактически становится расколом единой индивидуальности, возможно, исходной причиной некоторых патологий (УПС: глава VIII).

Этим взглядам находятся все новые, порой весьма неожиданные подтверждения. В 2009 году группа исследователей из университета Айовы изучала в дыхательных путях человека ассоциированные с G-белком рецепторы (GPCR, G-protein-coupled receptors, одна из самых многочисленных групп белков у высших животных, возможные прямые наследники древнейшей «протон-натриевой энергетики» (УПС: глава II). Ученые неожиданно обнаружили, что значительная часть идентифицированных в слизистых трахеи и выстилке легких GPCR представляет собой белки-рецепторы горького вкуса (Shah A. S. et al., 2009).

Рецепторы горького вкуса реагируют на множество соединений, как правило, растительных алкалоидов (но не только), часто весьма опасных для эукариотических организмов. Рецепторов горького выявлено не менее 25 типов. За исключением рецепторов умами, то есть к глутамату, которых выявлено 4 типа, ко всем остальным вкусам – сладкому, соленому, кислому и недавно открытым «жировому» олеогустусу и еще непроименованному «мучнистому» (реагирующему на олигосахариды), пока известно только по одному типу рецепторов. В дальнейших исследованиях выяснилось, что рецепторы к горькому в дыхательных путях человека функционально весьма активны: связываясь с горькими субстанциями, они заставляют свои клетки, во-первых, гораздо быстрее двигать ресничками (цилиями), изгоняя прилежащую слизь подальше, и, во-вторых, выделять активную форму азота – оксид азота, убивающую бактерии. Но что за горечь выделяют бактерии, обнаруживая себя для этой разновидности защитной системы организма? Как оказалось, это наши давние знакомые ацил-гомосерин-лактоны, автоиндукторы AI-1, сигналы кооперативного поведения многих бактерий, в том числе Ps. aeruginosa, палочек сине-зеленого гноя, постоянно вьющихся в окружающей среде человека и всегда готовых при малейшей возможности ослабления защитных сил организма объединиться в штурмовые группы и атаковать его. А в ответ на защитные залпы бактерицидного оксида азота из батарей ферментов-синтаз в клетках эпителия – запустить диверсионные дроны нкРНК, способных дезорганизовать эти стреляющие батареи.

Драматургия войны и мира между человеком и Ps. aeruginosa еще ждет своего пера – писателя научпопа с талантом баталиста. Но в медико-биологическом контексте оказывается интересным другое: вне полости рта рецепторы горького и сладкого обнаруживаются во многих (если не во всех) внутренних органах и тканях человека. И там, где они обнаруживаются вместе, а это слизистые носа и пазух, головной мозг и кишечник, иммуностимулирующее действие рецепторов к горькому тормозится механизмами, завязанными на рецепторы к сладкому. Причем эти реакции, например в слизистых верхних дыхательных путей, настолько выражены, что могут быть объектами фармакологического воздействия, как считают Ноам Коэн и Роберт Ли (Noam Cohen and Robert Lee) из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета (Коэн Н., Ли Р., 2016).

Алексей Михайлович счел, что это юные бокаловидные клетки кишечника, но впоследствии это не подтвердилось. Благодаря прекрасно выполненным рисункам эти клетки удалось сопоставить с описанными в середине 50-х годов пучковыми клетками (tuft cells), чья функция до 10-х годов XXI века оставалась невыясненной. Только в последние десятилетия в значительной степени усилиями нескольких исследовательских групп Пенсильванского и Калифорнийского университетов, описана роль пучковых клеток как первых потенциально общих рецепторных клеток иммунной и нервной систем (O’Learly C. E., Schneider C. and Locksley R. M., 2018). Как клетки сенсорной системы пучковые клетки через некие рецепторы «универсального» типа GPCR и рецепторы к янтарной кислоте «чувствуют» присутствие гельминтов и некоторых инфекционных протист[10]. Протисты, как нормальные эукариоты, располагают митохондриями с активнейшим циклом Кребса, в котором образуется янтарная кислота.

Но в отличие от большинства высших животных у некоторых инфекционных протист она обильно накапливается и выделяется во внешнюю среду (в просвет кишечника млекопитающего). В ответ на обнаружение своими рецепторами янтарной кислоты или других признаков опасности (возможно, и целых вирусов) пучковые клетки, как клетки иммунной системы, выделяют цитокины – в своем случае интерлейкин-25 (рис. 32). Этот цитокин в стенке кишечника воспринимается рядом еще недостаточно изученных лимфоцитов, например недавно описанными врожденными лимфоидными клетками 2 типа (ILC2, type 2 innate lymphoid cells), причисляемым к «ни-В, ни-Т-лимфоцитам». Эти клетки, в свою очередь, начинают активно выбрасывать интерлейкин-13, инициируя как развитие широкого иммунного ответа против вторгшихся протист, так и образование из так называемых эпителиальных прогениторных (мультипотентных стволовых) клеток новых пучковых и новых бокаловидных клеток, способных продуцировать еще больше защитной слизи. В этом смысле Алексей Хлопков недалеко ушел от истины, подозревая родство этих клеток. Есть большие подозрения, что именно клетки ILC2 раскручивают спираль аллергической реакции при ряде патологий, связанных с реакциями гиперчувствительности слизистых оболочек, таких как астма, атопический дерматит, аллергический ринит (HalimT. et al., 2014).

Рис. 32. Пучковые клетки кишечного эпителия совмещают сенсорные (справа) и иммунные (слева) реакции на вторгшиеся патогены:

1 – пучковые клетки; 2 – бокаловидные клетки, вырабатывающие слизь;3 – ILC2 врожденные лимфоидные клетки 2 типа (лимфоциты ни-В, ни-Т); 4 – иммунные клетки, реагирующие на протисты и гельминты; 5 – нейроны; 6 – гладкомышечные клетки; 7 – эпителиальные прогениторные клетки; 8 – бактерии, вырабатывающие автоиндукторы AI-1 (ацил-гомосерин-лактоны), напр., Ps. aeruginosa; 9 – гельминты; 10 – протисты (Tritrichomonas)

Сенсорно-нейронный тип реакции: A – ацил-гомосерин-лактоны, связываются со «вкусовыми» рецепторами к горькому вкусу; В – ацетилхолин из пучковых клеток стимулирует нейроны и гладкомышечную мускулатуру; С – выработка пучковыми клетками простагландинов по ALOX5- и COX1/2-зависимым путям метаболизма; D – возбужденные нейроны стимулируют пролиферацию и дифференцировку эпителиальных прогениторных клеток в пучковые и бокаловидные. Иммунный тип реакции: Е – метаболиты гельминтов и протист (янтарная кислота) связываются со специфическими рецепторами пучковых клеток; F – интерлейкин-25 (IL-25) из пучковых клеток действует на ILC2 врожденные лимфоидные клетки 2 типа; G – стимулированные ILC2 клетки выбрасывают провоспалительный интерлейкин IL-13; H – активированные через IL-13 эффекторные иммунные клетки развивают иммунный ответ 2-го типа против гельминтов и протист.

В то же время, но уже как рецепторные клетки нервной системы, пучковые клетки через «вкусовые» рецепторы к горькому того же универсального типа GPCR «чувствуют» присутствие ряда микроорганизмов, в ответ на что ведут себя как типичные клетки нервного пути передачи информации: выбрасывают ацетилхолин, который, как нейромедиатор, вызывает ответную реакцию локальных гладкомышечных и нервных клеток, и, возможно, тех же эпителиальных прогениторных клеток. При этом, кроме всего, пучковые клетки выделяют ряд простагландинов (PGD2) – биологически сверхактивных веществ с широчайшим спектром физиологических действий, включающим как связанные с развитием воспалительных реакций с иммуномодулирующими эффектами, так и сформированием фаз сна. Вопрос, может ли одна и та же пучковая клетка быть одновременно и «иммунной», и «нервной», остается до сих пор открытым. Тем не менее уже сейчас рецепторы пучковых клеток и связанных с ними ILC2 лимфоидных клеток рассматриваются как мишени терапевтического воздействия, включая стимуляцию этих путей адъювантами неинъекционных вакцин.

Кроме рецепторов к горькому и сладкому, обладающих явным иммунным функционалом, еще более выраженные иммунные эффекты есть у рецепторов к «вкусу жира» – олеогустусу. Эти мембранные клеточные рецепторы (CD36), помимо клеток вкусовых сосочков, где они были обнаружены в последнюю очередь и идентифицированы как рецепторы к олеогустусу, уже десятки лет описываются как важнейшие рецепторы-скэвенджеры («мусорщики», scavenger receptor class B member 3 (SCARB3)) на поверхности самых разнообразных клеток многоклеточных животных. У человека и млекопитающих это тромбоциты, адипоциты, гепатоциты, миоциты, некоторые эпителиальные клетки, но в первую очередь – фагоциты врожденной иммунной системы (Silverstein R. L. and Febbraio M., 2009). В качестве благородного оружия фагоцита CD36 участвуют в захвате многих патогенных грибов и бактерий, а также отбраковке пораженных возбудителем малярии эритроцитов. Как и некоторые toll-like рецепторы моноцитов, CD36 способен захватывать окисленные ЛПОНП, но в отличие от активации через toll-like рецепторы связывание окисленных ЛПОНП на CD36 не ведет к развитию состояния тренированного иммунитета, хотя уже в ходе развития этого состояния количество CD36 значительно увеличивается. Как рецептор фагоцитов CD36 связывает у другие специфические окисленные фосфолипиды и липопротеины, что позволяет фагоцитам интернализировать («заглатывать» внутрь) остатки апоптических клеток (по-японски аккуратно собранные в мешочки-везикулы). Можно предположить (УПС: глава XII), что вид места клеточного сэппуку повергает ослабших духом (перетренированных?) фагоцитов в состояние мгновенного состаривания (сенесценции), которое, по типу «зомбирования», может перекидываться и на соседей (рис. 33). По крайней мере есть определенные свидетельства, что именно переизбыток рецепторов CD36 на клеточной поверхности ведет к сенесцентному перерождению как самой клетки, так и ее соседей (Saitou M. et al., 2018, глава III).

В ряде тканей, особенно в жировой, CD36 является клеточным рецептором, захватывающим длинноцепочечные жирные кислоты, обеспечивая их поглощение внутрь клетки и участвуя, таким образом, в энергетическом обмене. В связи с поддержкой через него воспалительной реакции, обсуждается вовлеченность CD36 в патогенетические пути атеросклероза, диабета, болезни Альцгеймера и ряда других заболеваний. В то же время как рецептор длинноцепочечных жирных кислот на поверхности языка и ротовой полости он является рецептором органа вкуса, что особенно заметно у грызунов. А у насекомых оно беспечивает сенсорные коммуникации через феромоны. То есть у иммунитета, по образному выражению Коэна и Ли, в определенном смысле есть вкус! И он, похоже, жирно-сладко-горький, как крепкий монгольский чай (суутэй цай) без соли: куча горьких алкалоидов, много жира, сладкого молока кобылы и муки.

Рис. 33. Сэппуку

Если чуть глубже рассмотреть общее сенсорное восприятие как составную часть «системного иммунитета» (cognimmunity), то можно прийти к еще более интересным вещам. Известно, что анализаторы органов чувств (сенсорные системы, то есть системы их рецепции и ответственные за обработку сигналов участки коры головного мозга) способны влиять на восприятие сигналов другими анализаторами. Крайним выражением явления может быть феномен синестезии, когда человек видит цвет звуков или черно-белых графем, слышит изображения или тактильные ощущения и так далее. То есть поля рецепции различных сенсорных систем в принципе пересекаются.

Дополнительным свидетельством особой близости обонятельного и вкусового анализаторов может быть факт принадлежности рецепции соленого к обонятельному анализатору у мальков некоторых костистых рыб, например данио-рерио, zebrafish, излюбленной модели ихтиологов (Herrera K. J. et al., 2021). Не будем говорить, какую роль играет обонятельный анализатор в жизни практически всех животных за редким исключением человека и, скажем, китов. И здесь возникает один очень странный парадокс. У человека около трех дюжин весьма стабильных генов кодируют рецепторы вкуса (мы помним о 25 типах рецепторов горького и 4 типах рецепторов умами), большинство из них (по меньшей мере рецепторы горького, сладкого и олеогустуса) являются также рецепторами клеток врожденного иммунитета. Несколько сотен весьма подвижных генов кодируют рецепторы адаптивной иммунной системы – иммуноглобулины и Т-клеточные рецепторы; все неимоверное разнообразие антител и Т-клеточных рецепторов создается почти произвольными сочетаниями генов из нескольких групп, кодирующих разные домены (участки) этих рецепторов.

Обонятельные рецепторы, способные различать тысячи запахов (ароматических молекул), кодируются чуть меньше, чем тысячью стабильных генов у человека и несколькими тысячами генов у других млекопитающих, составляя у человека до 5 % всего генома[12]. Каков предельный смысл такой генетической расточительности?

Отличительной особенностью чувствительных обонятельных клеток позвоночных от чувствительных клеток других анализаторов состоит в том, что эти клетки являются полноценными нейронами – обонятельными биполярными нейронами, погруженными в эпителий слизистой носа. Ввиду того, что эти чувствительные нейроны расположены очень близко к головному мозгу и соединены с ним через обонятельную луковицу довольно короткими нервными волокнами, то обонятельные нервы иногда называют выростами головного мозга; однако в эволюционном плане не менее справедливо было бы, напротив, сам головной мозг назвать выростом от обонятельных нейронов. По крайней мере ринэнцефалон – обонятельный мозг, то есть совокупность структур нервной ткани, связанных с обработкой и анализом сенсорных данных от обонятельных рецепторов, это филогенетически древнейшая часть головного мозга позвоночных.

Отличием запаховых рецепторов от остальных хеморецепторов остается то, что, во-первых, для доставки пахнущих молекул-одорантов к рецепторам из окружающей среды (у наземных позвоночных – из носовой слизи) используются специальные молекулы-переносчики. Они же после распознавания уносят одоранты от рецепторов. Во-вторых, до конца не понятно, что же рецепторы запаха все-таки распознают. Подавляющее большинство рецепторов других типов распознает или определенные химические связи, или пространственную форму молекул/конфигурации их электронных облаков по принципу «ключ-к-замку». Но, как оказалось, эта схема не совсем подходит для запахов: очень близкие по строению молекулы могут пахнуть совершенно по-разному, а очень разные – очень похоже.

Наиболее разработанную версию такого подхода создал в конце 60-х годов британский биохимик Джон Эймур (John Amoor). В его модели специфическое распознавание запахов происходит с учетом не только формы молекулы, но и ее веса и заряда. Но основной идеей стереохимической теории Эймура является предположение о наличии семи «первичных» запахов или групп запахов, которым должны соответствовать семь видов рецепторов, различные комбинации возбуждения которых и формируют все разнообразие ароматов.

Это предположение в достаточной мере подтверждается работами Линды Бак и Ричарда Акселя (Linda Buck and Richard Axel), получившими в 2004 году Нобелевскую премию за открытие и описание работы генов, кодирующих одорант-связывающие рецепторы. Их комбинаторный подход предполагает, что один одорант способен возбуждать разные обонятельные нейроны (а каждый обонятельный нейрон несет только один вид обонятельных рецепторов), и в то же время каждый нейрон может возбуждаться несколькими одорантами. Разложить возбуждения от разных нейронов по полочкам и выстроить из них запоминаемую и узнаваемую систему запахов и помогают сравнительно сложно устроенные нейронные сети обонятельного мозга.

Альтернативная теория «магнитной карты» греческого биофизика Луки Турина не противоречит комбинаторному принципу формирования образа запаха в головном мозге, но рассматривает отличающуюся от модели Эймура механику взаимодействия одорантов с рецепторами. Турин в 1996 году предположил, что обонятельный рецептор реагирует на квантовые колебания пахнущей молекулы, попавшей внутрь его. Точнее, здесь может работать принцип квантового туннелирования электронов: электрон от аминокислоты рецептора с некоей ненулевой вероятностью туннелирует в ароматическую молекулу, где выделяет энергию, вызывая колебания, которые обратно воспринимаются рецептором. Возможно, именно для правильного позиционирования одоранта в рецепторе и нужны специальные белки-переносчики.

У этой теории достаточно много как экспериментальных подтверждений, так и опровержений. Не последнюю роль играет, с одной стороны, особая субъективность восприятия запахов, которую нельзя количественно измерить, как, скажем, частоту звука или света, с другой – многоплановое участие в работе обонятельных нейронов их непосредственного клеточного окружения, что чрезвычайно сложно воспроизвести в экспериментальных лабораторных исследованиях на изолированных клетках.

Первоначально предполагалось, что этот симптом при COVID-19 вызван обилием носовой слизи и ее меняющимися механическими свойствами. Но это предположение не подтвердилось: аносмия развивалась и длительно сохранялась и при практически полном отсутствии слизи, при полностью сухом носе. Возникли ужасающие предположения, что вирус способен проникать в обонятельные нейроны, убивая их, и двигаться дальше, в головной мозг, вызывая необратимые последствия. К счастью, и эта гипотеза не подтвердилась.

Исследования группы Николя Менье (Nicolas Meunier) из университета Париж-Сакле показали, что эти клетки при заражении SARS-CoV-2 массивно инфицируются вирусом, в результате чего происходит разрушение структуры обонятельного эпителия – его отслоение и деструкция обонятельных ресничек нейронов, при этом сами обонятельные нейроны остаются неповрежденными (Bryche B. et al., 2020). Кроме того, между опорными клетками обонятельного эпителия и обонятельными нейронами обнаруживаются микроворсинчатые клетки – местные аналоги наших добрых знакомых пучковых клеток ЖКТ, также несущие рецепторы к горькому вкусу и, в ответ на некие «горькие» метаболиты бактериальных патогенов, возможно, сопутствующих или способствующих вирусным инфекциям, включая коронавирусную, выбрасывающие нейромедиатор ацетилхолин (Genovese F. and Tizzano M., 2018). Он, в свою очередь, может изменять метаболический статус прилежащих клеток, включая обонятельные нейроны. Таким образом, можно предполагать, что на формирование сенсорного обонятельного сигнала в головной мозг может влиять весьма широкий контекст состояний обонятельного эпителия. В то же время опасения о возможности проникновения вирусной инфекции в головной мозг через обонятельные нейроны далеко не беспочвенны.

Свой лаз в головной мозг, как оказалось, есть и у вирусов. Многие нейротропные вирусы в определенных условиях способны проникать в мозг через нервные обонятельные пути (Koyuncu O. O. et al., 2013; Mori I. et al., 2005). Но при попытке проникновения в обонятельные нейроны против вирусной инфекции очень быстро, в течение нескольких часов или даже минут, запускается неадаптивный иммунный ответ как в обонятельном эпителии, так и в обонятельных луковицах. В связи с эти некоторые авторы считают комплекс чувствительных обонятельных нейронов и нейронов обонятельной луковицы единым эффекторным иммуносенсорным органом (Durrant D. M. et al., 2016).

Исследовательская группа под руководством Ирен Салинас из университета Нью Мексико обнаружила самое плотное взаимодействие между иммунной лимфоидной тканью и иммуносенсорными обонятельными органами еще у костистых рыб (Ali Sepahi and Irene Salinas, 2016). Было показано, что одна из четырех разновидностей обонятельных нейронов у рыб (у млекопитающих есть только одна разновидность) – таинственные криптовые клетки, участвующие в распознавании родственных особей мальками некоторых рыб (то есть формировании группового поведения, аналогично автоидукторам у бактерий), обладают специфическими тирозинными рецепторами киназы А (TrkA). Благодаря им эти клетки выполняют роль сверхбыстрых сенсоров вирусной инфекции. При взаимодействии TrkA с некоторыми нейротропными вирусами в течение нескольких минут запускается процесс апоптоза этих нейронов, уничтожающий проникших внутрь вирусов, а в область вторжения немедленно привлекаются иммунокомпетентные Т-лимфоциты, доочищающие ее от вирусной нагрузки (Sepahi A. et al., 2019). В то же время TrkA «при обычных обстоятельствах» служит рецептором фактора роста нервов (нейротрофина NGF, nerve growth factor), поддерживающего жизнеспособность и развитие симпатических и сенсорных нейронов (обонятельные биполярные нейроны – практически единственные активно обновляемые нейроны в организме млекопитающих). Функционально и структурно близкий рецептор TrkB в нейронах ЦНС связывает уже упоминавшуюся молекулу другого нейротрофина BDNF, обеспечивающую нейропластичность головного мозга (УПС: глава IV).

Однако дальнейшее совершенствование инструментов создания картины мира для их более дифференцированных потомков – клеток иммунной и нервной линий – привело к появлению двух разных стратегий познания и прилежащих сред и паттернов реагирования на их изменения.

Стратегия обонятельной системы (или в целом чувствительной, афферентной части нервной системы) состояла в использовании изначально сравнительно большого числа генов, кодирующих восприятие по принципу «один ген – одна полипептидная цепь – один рецептор». Разнообразие воспринимаемой картины формируется за счет дальнейшего коммутирования поступающих сигналов от разных рецепторов в специальных сложных нейронных сетях, расположенных как непосредственно возле рецепторов, так и в ядрах и коре головного мозга. Этот принцип в той или иной мере представлен во всех чувствительных анализаторах нервной системы. Причем «качество картинки» может весьма значительно «вытягиваться» за счет сетевых «цифровых обработок» сигнала, что позволяет заметно снижать технические требования к собственно устройству приема сигнала и каналам его передачи.

Так можно обосновать, казалось бы, нелепое расположение первой нейронной сети зрительного анализатора (сетчатки) позвоночных – на пути оптического сигнала, перед зрительными рецепторами. Однако такое расположение полупрозрачного хрупкого «чипа» внутри, а не на периферии защищенного глазного яблока дает возможность производить первичные вычисления и оптимизацию «картинки» еще непосредственно на месте рецепции сигнала, что снижает количество проводов – нервных волокон – в 100 раз: со 100 миллионов (по одному волокну на один фоторецептор) до 1 миллиона, обеспечивая хорошую мобильность глазного яблока и механическую устойчивость канала связи. Оптически гораздо более совершенные глаза головоногих с расположением сетчатки за фоторецепторами формируют, скорее всего, в их сознании менее совершенное и определенно только черно-белое изображение. Аналогично оптически минималистская камера продвинутого сотового телефона дает сопоставимое или даже превосходящее качество картинки, мгновенно транслируемой на весь мир, в сравнении с цифровым фотоаппаратом, оснащенным прекрасным (но громоздким) объективом, но никудышным процессором и с возможностью делится получаемыми изображениями на весь мир только через отдельный внешний девайс.

Стратегия же адаптивной иммунной системы состояла в использовании изначально[13] сравнительно небольшого числа рецепторных генов (V(D)J и С сегментов генов Т-клеточных рецепторов и иммуноглобулинов) которые тем не менее за счет огромного числа комбинаций между сегментами дают невообразимое множество возможных рецепторных специфичностей, распознающих молекулярное разнообразие преимущественно внутренней и прилегающей к ней внешней среды по механизму «ключ-к-замку». Механизм такого восприятия кодируется по принципу «несколько генов – две полипептидные цепи – один рецептор».

То есть отображаемая сложность окружающего мира в нервной системе создается коммутируемой, переключаемой сложностью нейронных сетей, а в иммунной системе – сложностью переключений рецепторных генов. Формирование необходимых конфигураций нейронных сетей обеспечивается не только (а возможно, и не столько) целенаправленным прорастанием аксонов и формированием новых синапсов, имеющим, скорее всего, рандомный характер, а их обрезкой. Общая интенсивность их роста тем не менее контролируется упоминавшимися нейротрофинами, например NGF и BDNF. Подобным образом причудливые топиарные скульптуры (рис. 34) создаются не целенаправленным выращиванием отдельных веточек, а их периодической декоративной обрезкой, хотя общая интенсивность роста зависит от специфики поступающей подкормки растений.

Рис. 34. Топиарные скульптуры лебедей в Замке Спящей Красавицы, калифорийский Диснейленд

Роль садовых ножниц в обрезке «ненужных» синапсов выполняет кооперация фагоцитов микроглии с довольно сложной системой иммунных белков – комплементом (Stephan A. H., Barres B. A. and Stevens B., 2012). Белковая каскадная система комплемента у млекопитающих способна уничтожать практически любые клетки – про- и эукариотические, свои или чужеродные, пробивая многочисленные бреши в плазматических клеточных мембранах за счет так называемого комплекса мембранной атаки. Кроме того, она может выставлять на чужеродных объектах пометки для других систем уничтожения, например для фагоцитоза.

У млекопитающих комплемент может активироваться тремя путями: иммуноглобулинами, распознавшими чужеродный антиген на клеточной мембране, и плотно связавшимися с ним («классический» путь активации) компонентом В, присоединившимся к белкам или ЛПС на поверхности бактерий («альтернативный» путь), или белками-лектинами, присоединившимися к специфическим бактериальным полисахаридам и запустившими особые сериновые протеазы («лектиновый» путь). Компоненты системы комплемента появляются в эволюции довольно рано, возможно, у самых первых многоклеточных животных (Dodds A. W. and Matsushita M., 2007). У круглоротых рыб обнаружены полноценные белки лектинового пути комплемента, не образующие, однако, комплекса мембранной атаки, но способные помечать чужеродные объекты для фагоцитоза или уничтожения особыми порообразующими белками. Как предполагается, лектиновый путь активации является непосредственным предшественником классического пути активации, в котором сериновые протеазы заменены белками комплемента C1r и C1s, а лектины – иммуноглобулинами, предшественники которых уже обнаруживаются у круглоротых (Matsushita M., 2018).

Обрезка «лишних» синапсов в развитой ЦНС производится через пометку (подрезку) их белком комплемента C1r и «обламывание» фагоцитирующими клетками микроглии. Таким образом, развитие сложных нейронных сетей, связанных с рецепцией обонятельных и прочих хеморцепторных сигналов (то есть обонятельного мозга, непосредственного предшественника головного мозга), обеспечивается иммунной системой, эволюционно развивавшейся с ними в тесном единении. Как указывалось в главе VIII, можно предполагать, что существеннейшую роль в возникновении, дифференцировке и централизации иммунной и нервной систем многоклеточных (если не единой системы cognimmunity, насколько возможно о ней говорить) сыграла окружающая микрофлора (Eisthen H. L. and Theis K. R., 2016). По меньшей мере в этом смысле можно говорить о коэволюции как предпосылке современных взаимоотношений – коэкзистенции субъектов – информационных систем хозяина и микробиоты, в своем наиболее сбалансированном виде составляющих основу взаимного благополучия, то есть здоровья.

Как рассматривалось ранее (УПС: глава VI), наиболее общей реакцией на неконтролируемый рост неопределенности оказывается самоликвидация элемента системы (апоптоз клетки в случае организма). Таким образом, сочетание самоликвидации элемента и широкого иммунитета должно обеспечивать устойчивость биологической системы по максимально возможному спектру угроз. Из аналогичных предпосылок исходит и весьма красивая математическая модель коэволюции патогенов (вирусов) и хозяина, представленная Евгением Куниным и соавторами (Iranzo J., Lobkovsky A. E., Wolf Y. I. and Koonin E. V., 2014). Модель показывает, что при неабсолютности иммунитета сочетание многоклеточности со способностью к «самоубийству» отдельной зараженной клетки оказывается наиболее эффективной стратегией выживания в условиях нарастающего давления летальных внутриклеточных паразитов. Как и в случае камикадзе, способность к самопожертвованию вообще должна поддерживаться повышенной готовностью совершить самоубийство-сэппуку по малейшему затрагивающему честь поводу.

Как полагают Евгений Кунин, Фен Чжан и Март Крупович (Koonin E. V. and Zhang F., 2017; Koonin E. V. and Krupovic M., 2019), ряд ключевых клеточных механизмов иммунитета и апоптоза вообще имеют общее происхождение: в некоторых прокариотах общие ферменты системы CRISPR-cas IV типа могут катализировать как деструкцию вирусной ДНК, так и запускать апоптоз (также как и системы типа токсин-антитоксин (УПС: глава VI), а в эукариотах апоптический каскад событий запускается митохондриальными противовирусными NUC-1 нуклеазами, бактериальные гомологи которых разрушают внеклеточные (вирусные) ДНК. Последнее лишний раз указывает на митохондриальный центр принятия решения о клеточной жизни и смерти исходя из динамики неопределенности в окружении «своей» клетки. В каком-то смысле генерируемая в митохондриях «квантовая» случайность, обеспечивающая их превосходящую вычислительную мощность в клеточной информационной системе, «убивает» неопределенность окружающей среды, как бы «декогерируя» ее. Кроме того, из этой модели можно вывести еще одно подтверждение, что переменная восприимчивость к импактам окружающей среды (сопротивляемость/иммунитет к давлению патогенов в случае организмов) должна быть мощным двигателем биологического развития.

Ключевым элементом разделительной сложности адаптивного иммунитета позвоночных служит система белков RAG1-RAG2, кооптированная, по предположению Владимира Капитонова и Евгения Кунина (Kapitonov V. and Koonin E., 2015), из метагенома мобильных генетических элементов в геном ранних челюстных рыб полмиллиарда лет назад (что служит очередным примером кооптации инфекционных механизмов в защитные). Белки RAG1 и RAG2 работают как своеобразные «моторчики» рекомбиназы – генетического игрового автомата типа «однорукого бандита», в случайном порядке выбрасывающего комбинации V, D и J генных сегментов для сборки антител и Т-клеточных рецепторов. Этот случайный процесс дает практически неограниченное разнообразие рецепторных молекул адаптивной иммунной системы. В то же время само по себе потенциальное разнообразие молекул, генерируемых этим механизмом, вряд ли могло обеспечить столь удачную эффективность адаптивного иммунитета челюстных позвоночных.

По мнению, например, Густава ван Никерка, Тани Дэвис и Анны-Март Энгельбрехт из южноафриканского Стелленбосского университета (van Niekerk G, Davis T. and Engelbrecht A.-M., 2015), важнейшим кофактором эволюции иммунитета позвоночных, позволившему в полной мере реализоваться комбинаторному потенциалу белков RAG1-RAG2, стало сжатие объема кровообращения и полное отграничение его от остальной внутренней среды эндотелием (высокоспециализированной клеточной выстилкой сосудов). Эти инновации позволили быстрее наращивать в крови титр специфических антител и лимфоцитов, а также эффективнее контролировать проницаемость сосудов. В более общей форме этот процесс можно обозначить как дальнейшую компартментализацию внутренних сред челюстных позвоночных – среды кровеносных и лимфатических сосудов, центральной нервной системы и ликвора, отграниченной гематоэнцефалическим барьером, возможно, и иных компартментов, например иммунопривилегированных органов. Этот процесс вполне сопоставим с компартментализацией эукариотической клетки, многократно увеличивающей разделительную сложность системы. Одновременно эти инновации, движимые давлением патогенов, обусловили формирование более мощной сердечно-сосудистой системы, создающей более высокое кровеносное давление, а также поддержали более активный, и, возможно, более хищнический образ жизни.

Даже прокариоты, чувствуя градиент опасного вещества, способны проактивно удаляться от его источника. В целом удаление самой опасности или от опасности являются самыми базовыми методами контроля опасности биологической системой. Если часть системы становится носителем опасности, то обет принадлежности к системе обязывает эту часть самоустраниться или пространственным самоудалением, или физической самоликвидацией. Как отмечалось, у летучих мышей, носителей одной из самых эффективных иммунных стратегий, самоизоляция заболевших особей – абсолютно распространенное явление. Принудительное удаление элемента самой системой – скорее вынужденная мера второй очереди, гораздо более энергетически затратная и чреватая издержками ошибочных решений.

Можно считать, что у высших животных многие, если не большинство поведенческих реакций, не связанных с непосредственными проблемами питания и воспроизводства, обусловлены задачами «большого информационного иммунитета». Через поведение приходится одновременно решать две противоречивые задачи – избегать явных патогенов, обмениваться полезными сожителями. Поведение людей не является исключением; напротив, эти тренды явным образом воплощены и на культурном уровне.

Заслуживают внимания две особенности изначального «дизайна» членистоногих, отличающие их в части раздельности систем от позвоночных: раздельность в подавляющем большинстве случаев транспорта кислорода и транспорта питательных веществ и нераздельность (открытость) контуров обращения внутренних жидкостей. Отсутствие, соответственно, эффективного централизованного клеточного иммунитета, основанного на использовании активных форм кислорода, и системы эндотелия, посредника между центральным и местным иммунитетом, не позволило им развить систему быстрого адаптивного иммунитета (хотя свойства гемолимфы насекомых в части противодействия части инфекций и восстановления тканей выглядят поистине волшебными).

Самих отдельных насекомых можно считать эффективными клетками коллективного иммунитета. Членистоногие, полагаясь во многом на «коллективный разум», не обрели и сверхсложной индивидуальной центральной нервной системы (отсутствие индивидуального адаптивного иммунитета и индивидуальной сложной ЦНС вообще выглядит взаимозависимыми явлениями). Поэтому их персональная судьба кажется незавидной: обладая достаточно развитой иммунной системой и достаточно сложным, но не индивидуализированным поведением, лишенным каких-либо предрассудков, они способны противиться давлению самых разнообразных паразитов, но не в той степени сопротивления, чтобы удерживать их на самых дальних задворках своего существования. Чудовищные коллизии сосуществования беспозвоночных и их невероятно разнообразных паразитов во всех их метаморфозах, паразитов их паразитов, и даже паразитов на паразитах паразитов, в переложении на человеческие понимания могут только ужасать (см. Пьер Кернер, 2021).

Блокбастеры типа «Чужого» отражают в этом переложении только малую толику их реалий. В очень многих случаях реальных сюжетов такого рода паразиты сравнительно легко захватывают управление поведением своих несчастных жертв-насекомых, что в явном виде является очень редким случаем для позвоночных.

Но это легкая рябь смен настроения по сравнению со штормом, несущим полную замену индивидуальности, как происходит с членистоногими – жертвами паразитов. Причем паразитами могут быть как другие членистоногие, так и различные черви, простейшие и микробы. Для членистоногих такая восприимчивость к давлению паразитов, исходя из вышеприведенного принципа «эволюционно переменного иммунитета», является в то же время естественным залогом их фантастического разнообразия и в некотором (не индивидуальном, но коллективном) смысле эволюционного успеха: даже сейчас только к описанным членистоногим относится не менее 80 % всех видов животных (Frodo Odegaard, 2000). Количество же видов более «совершенных» индивидуализированных позвоночных вряд ли достигает и 1 %.

Все изложенное в этой и предыдущих главах должно было подвести основание под видение любого биологического развития, от эволюционного до индивидуального, от эпидемического до патогенетического в свете боровского принципа дополнительности, когда ведущий фактор может быть понят только при наличии содействующего, конкурирующего, но вторичного кофактора, почти исключающего первый.

Так, мембранные энергетические и наследующие им протоклеточные – разделительные – механизмы, способные снижать неопределенность прилежащей среды, вместе с мобильными (протовирусными) генетическими – интегративными – механизмами со-творяют первые клетки, скорее всего, сразу или очень рано разделенные на протобактерии и протоархеи, и одновременно первые вирусы. Протеобактерии с активно эксплуатируемыми ими асгардархеями со-творяют эукариотические клетки, стремительно, если не практически сразу создающие в большинстве ниш в условиях нарастающего давления паразитов истинные многоклеточные организмы.

При этом весьма ожидаемо, что сама динамика прерывистых равновесий должна меняться под влиянием повторяющихся субкритических воздействий (спонтанных жизненных ситуаций, нелетальных инфекций, осознанно создаваемых горметических стрессов – на уровне клеток и организмов), разряжая напряженность фрустрированного состояния и сохраняя конкурирующие сущности биологических систем в очень узком оптимуме допустимых состояний. Выход биологической информационной системы на грань или за грани множества допустимых состояний – это практически всегда выход за пределы баланса этих конкурирующих сущностей. Условное (неполное) исключение могут составить случаи острых травматических воздействий – следствия эпистемических неопределенностей окружающей среды, которых система не смогла должным образом оценить или не сочла нужным избегнуть.

В то же время способность тащить на себе груз таких нефатальных дисбалансов – эволюционных отягощений – определенно важнейшее эволюционное приобретение, сполна реализуемое в те редчайшие моменты ФЭИ, когда отягощения внезапно оказываются ценнейшими внутренними резервами. Данное суждение нисколько не свидетельство теологического мышления, предполагающего некую всеобщую цель – существование всего живого вообще и отдельных живых существ в отдельности, но парадоксальное проявление всеобъемлющего энтропийного принципа.

Вспомним частный пример плаценты, когда параллельные вирусные инфекционные вторжения (через взлом разделительной сложности) в подготовленный генетический субстрат (через нарастание сложности интегративной) у нескольких древних млекопитающих запустили череду важнейших эволюционных инноваций, сполна реализовавшихся только через сотни тысяч, если не миллионы лет в виде развитого синцитиотрофобласта, полноценной плаценты, долгого вынашивания и появления на свет почти готового к самостоятельной жизни организма. Наиболее ожидаемо, что по меньшей мере на ранних этапах таких инноваций их внешние (фенотипические) проявления составляли крайние неудобства их носителям и были причинами их дезадаптаций, то есть являлись болезнями и, возможно, вообще приводили к вымираниям.

Хотя широкое понятие здоровья и не сводится к отсутствию болезней, но этот пример вскрывает общий принцип расхождения слепой логики эволюции и стремления отдельной индивидуальности к поддержанию внутренней целостности и минимизации неопределенности в причинах динамики своей прилежащей среды.

При этом познание и потребление негэнтропии прилежащей среды вызывает в системе рост энтропии, которую, следуя максиме Шредингера, каждая биологическая система вынуждена экспортировать вовне, наращивая неопределенность среды за этими пределами. В итоге коллективные взаимодействия мириад автономных агентов непрерывно толкают вперед рост сложности как самих агентов, так и их взаимодействий. Это движение в целом соответствует закономерностям связи сложности и энтропии, впервые обозначенным американо-норвежским физиком и химиком Ларсом Онзагером. Согласно им, из числа всевозможных траекторий реализации процесса реализуется та, при которой энтропия системы растет наиболее медленно. По-другому – максимизируется убывание энтропии или, что то же, увеличение информации в системе. Рост сложности системы – наиболее общая форма реализации этого принципа. С ростом сложности системы увеличивается и доля вариантов ее построения, близких к оптимальному, хотя одновременно увеличивается и общее число возможных вариантов. Поэтому увеличенная сложность автономного агента не всегда сразу эквивалентна росту его приспособленности. Скорее это потенциал приспособленности, заметный прирост которой может быть обретен гораздо позже, в том числе в результате естественного отбора. До того неадекватно увеличенная сложность остается опасным эволюционным отягощением, заставляя развитие организмов перемежаться индивидуальными неудачами, то есть болезнями. Случаи неудач можно рассматривать как «катастрофы» биологической системы в состоянии самоорганизованной критичности, когда происходят ее «разломы» и «сдвиги лавин» по контурам конкурирующих взаимодействий. «Лавины» драматически снижают энтропию системы и, при декомпенсации процесса, динамика энтропии сменятся на ее неконтролируемый рост, который в конце концов сносит сложность системы и переводит систему из биологической в абиологическую.

В этом представлении частное здоровье как стремление зафиксировать в моменте наилучшую приспособленность может быть рассмотрено как контрэволюционное явление, хотя и несоразмерное эволюции в масштабе. Будет большим обольщением считать, что мы можем существенным в рамках эволюции образом повлиять на данный конфликт интересов, но в отношении конкретного человека это принципиально достижимая задача. Все предыдущее изложение имело скромной задачей показать, какая огромная эволюционная и физико-математическая подоплека противостоит нам на этом пути.

1. Белоцкий С. М., Авталион Р. Р. (2008). Воспаление. Мобилизация клеток и клинические эффекты. – М., Издательство БИНОМ.

2. Кипнис Д. (2018). Седьмое чувство. ВМН, 10, 6–12.

3. Голдман С., Недергард М. (2016). Промывка мозгов. ВМН, 05/06, 60-64.

4. Коэн Н., Ли Р. (2016). Горький вкус иммунитета. ВМН, 04, 70–77.

5. Кара-Мурза С. (1996). Интеллигенция на пепелище родной страны. – М., Былина.

6. Кернер П. (2021). Я, паразит. – М., Синдбад (пер. с англ.).

7. Riol-Blanco L., Ordovas-Montanes J., Perro M., Naval E., Thiriot A., Alvarez D., Paust S., Wood J. N., von Andrian U. H. (2014). Nociceptive sensory neurons drive interleukin-23-mediated psoriasiform skin inflammation. Nature, 5; 510 (7503): 157–161.

8. Del Gallo F., Opp M. R., Imeri L. (2014). The reciprocal link between sleep and immune responses. Archives Italiennes de Biologie, 152: 93–102.

9. Shah A. S., Ben-Shahar Y., Moninger T. O., Kline J. N., Welsh M. J. (2009). Motile cilia of human airway epithelia are chemosensory. Science (New York, N.Y.), 325 (5944), 1131–1134.

10. Chlopkov A. M. (1928). Einige neue Daten zur Frage von der Structure der Schlussleisten und Becherzellen des Darmepithels bei Säugetieren. Zeitschrift für Zellforchung und mikroskopische Anatomie. Bd. 7, H. 4.

11. O’Learly C. E., Schneider C., Locksley R. M. (2018). Tuft cells – systematically dispersed sensory epithelia integrating immune and neural circuitry. Annu. Rev. Immunol. 2019. 37: 47–72.

12. Halim T. Y., Steer C. A., Mathä L., Gold M. J., Martinez-Gonzalez I., McNagny K. M., McKenzie A. N., Takei F. (2014). Group 2 innate lymphoid cells are critical for the initiation of adaptive T helper 2 cell-mediated allergic lung inflammation. Immunity. 40 (3): 425–35.

13. Silverstein R. L., Febbraio M. (2009). CD36, a scavenger receptor involved in immunity, metabolism, angiogenesis, and behavior. Science signaling, 2 (72), re3.

14. Zhou Y., Gilmore K., Ramirez S., Pham L. V., Fahnøe U., Feng S., Offersgaard A., TrimpertJ., Bukh J., Osterrieder K., Gottwein J. M., Seeberger P. H. (2021). In vitro efficacy of artemisinin-based treatments against SARS-CoV-2. Sci Rep 11, 14571.

15. Herrera K. J., Panier T., Guggiana-Nilo D., Engert F. (2021). Larval Zebrafish Use Olfactory Detection of Sodium and Chloride to Avoid Salt Water. Current Biology 31, 782–793.

16. Bryche B., St Albin A., Murri S., Lacôte S., Pulido C., Ar Gouilh M., Lesellier S., Servat A., Wasniewski M., Picard-Meyer E., Monchatre-Leroy E., Volmer R., Rampin O., Le Goffic R., Marianneau P., & Meunier N. (2020). Massive transient damage of the olfactory epithelium associated with infection of sustentacular cells by SARS-CoV-2 in golden Syrian hamsters. Brain, behavior, and immunity, 89, 579–586.

17. Genovese F., Tizzano M. (2018). Microvillous cells in the olfactory epithelium express elements of the solitary chemosensory cell transduction signaling cascade. PLoS ONE. 13, e0202754.

18. Koyuncu O. O., Hogue I. B., Enquist L. W. (2013). Virus infections in the nervous system. Cell HostMicrobe 13, 379–393.

19. Mori I., Nishiyama Y., Yokochi T. and Kimura Y. (2005). Olfactory transmission of neurotropic viruses. J. Neurovirol. 11, 129–137.

20. Durrant D. M., Ghosh S., Klein R. S. (2016). The olfactory bulb: an immunosensory effector organ during neurotropic viral infections. ACS chemical neuroscience 7, 464–469.

21. Biechl D., Tietje K., Gerlach G., Wullimann M. F. (2016). Crypt cells are involved in kin recognition in larval zebrafish. Scientific reports 6, 24590.

22. Sepahi A., Kraus A., Casadei E., Johnston C. A., Villegas J. G., Kelly C., García-Moreno D., Muñoz P., Mulero V., Huertas M., Salinas I. (2019). Olfactory sensory neurons mediate ultrarapid antiviral immune responses in a TrkA-dependent manner. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (25): 12428–12436.

23. Arendt D. (2008). The evolution of cell types in animals: emerging principles from molecular studies. Nat. Rev. Genet. 9, 868.

24. Stephan A. H., Barres B. A., Stevens B. (2012). The complement system: an unexpected role in synaptic pruning during development and disease. Annu Rev Neurosci.; 35: 369–89.

25. Dodds A. W., Matsushita M. (2007). The phylogeny of the complement system and the origins of the classical pathway. Immunobiology; 212 (4–5): 233–43.

26. Matsushita M. (2018). The Complement System of Agnathans. Frontiers in immunology, 9, 1405.

27. Iranzo J., Lobkovsky A. E., Wolf Y. I., Koonin E. V. (2014). Virus-host arms race at the joint origin of multicellularity and programmed cell death. Cell Cycle 13: 19, 3083–3088.

28. Koonin E. V., Zhang F. (2017). Coupling immunity and programmed cell suicide in prokaryotes: Life-or-death choices. Bio Essays 39, 1–9.

29. Koonin E. V., Krupovic M. (2019). Origin of programmed cell death from antiviral defense? Proc Natl Acad Sci U S A. Aug 13; 116 (33): 16167–16169.

30. Kapitonov V., Koonin E. (2015). Evolution of the RAG1-RAG2 locus: both proteinscame from the same transposon. Biology Direct 10: 20.

31. Van Niekerk G., Davis T., Engelbrecht A.-M. (2015). Biology Direct 10: 47.

32. Hatalski C. G., Lipkin W. I. (1997). Behavioral Abnormalities and Disease Caused by Viral Infections of the Central Nervous System. In: Beckage N.E. (eds) Parasites and Pathogens. Springer, Boston, MA.

33. Odegaard F. (2000). How many species of arthropods? Erwin’s estimate revised. Biological Journal of the Linnean Society, 71 (4): 583–597.

Если болезни как дезадаптации могут быть потенциальными закладками будущих замечательных эволюционных инноваций, можно ли считать, что это в полной мере относится и к современным болезням человека, как, скажем, к упоминавшейся депрессии – возможном эволюционном инструменте социальной адаптации (УПС: глава IV)? Шарон Моалем, американо-канадский врач-генетик и популяризатор науки, считает, что определенно да, можно – в отношении тех болезней, благодаря которым некоторые достижения уже обретены (Моалем Ш., 2018). При всех неизбежных упрощениях крайне сложных механизмов патогенеза этих заболеваний Шарон Моалем находит, например, гемохроматоз, наследственное заболевание, ведущее к перераспределению железа в организме – накоплению в одних клетках и тканях и недостатку в других, способным усиливать сопротивляемость ряду смертельно опасных бактериальных инфекций, например чуме. Сахарный диабет, согласно его теории, благодаря учащенному мочеиспусканию и увеличению содержания в крови глюкозы – природного антифриза – способен увеличивать выживаемость в суровых арктических условиях, например в ледниковые периоды. В эти времена численность людей сокращалась до нескольких десятков тысяч, и минимально увеличенные шансы на выживание позволяли протодиабетикам успешнее проходить это бутылочное горлышко эволюции и закреплять свой генотип в популяции. И, возможно, именно поэтому распространенность диабета I типа до сих пор наиболее велика в Скандинавии.

Также, например, высокая насыщенность человеческой крови кислородом и, соответственно, сравнительная легкость образования АФК, по мнению Моалема, обеспечивает большую устойчивость эритрицитов к малярийной инвазии, особенно в случае дефицита антиоксидантного фермента эритроцитов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФДГ). Наследственный дефицит Г6ФДГ неким образом «подстраховывается» в рискованных по малярии регионах Средиземноморья обычаем употребления конских бобов. Эти бобы способны благодаря наличию в составе высокого содержания алкалоидов вицина и конвицина резко увеличивать количество АФК в клетках крови.

В случае наложения этих двух эффективных противомалярийных факторов – дефицита Г6ФДГ и употребления конских бобов – последствия окислительной цепной реакции становятся менее управляемыми и в большинстве случаев приводят к распаду эритроцитов и развитию гемолитической анемии. К аналогичному результату на фоне недостатка Г6ФДГ – быстрому выведению красных клеток крови из оборота тем или иным способом и возникновению анемии, не только гемолитической, приводит употребление ряда других подобных алкалоидов, включая «горькие» хинины и некоторые другие противомалярийные средства. Наследственная недостаточность Г6ФДГ – самая частая форма наследственной гемолитической анемии в мире, ею страдают в целом более 100 млн человек, в некоторых популяциях в эндемичных по малярии регионах, например в Греции, – до трети населения. Похожим образом в эндемичных регионах кроме Г6ФДГ-дефицитной анемии распространены наследственные серповидно- и мишеневидно-клеточная анемии, которые, как считаются, существенно снижают восприимчивость к малярийному плазмодию, но одновременно отягощают жизнь носителей сопутствующими заболеваниями, включая повышенную предрасположенность ко многим бактериальным инфекциям. Но отбор позволил распространиться и закрепиться этим опасным наследственным заболеваниям в очень широкой популяции, очевидно, из простого минимального преимущества в совокупной выживаемости.

Тем не менее большинство существующих заболеваний человека, даже наследственных, нельзя все-таки однозначно свести к какому-либо реализованному или предполагаемому эволюционному преимуществу; это, скорее, весьма вероятностная «закладка» на будущее, которое для их носителей скорее и не наступит. В этом смысле практическое применение этой гипотезы, даже если она каким-либо образом подтвердится, достаточно ограниченное.

В похожем образном ракурсе описывал болезнь и свободу молодой Карл Маркс, соотнося, правда, эти состояния преимущественно с общественными процессами (прошу прощения за обширную цитату из не самого популярного ныне философа): «Человеческое тело от природы смертно. Болезни поэтому неизбежны. Почему, однако, человек обращается к врачу только тогда, когда заболевает, а не когда он здоров? Потому что не только болезнь, но и самый врач уже есть зло. Постоянная врачебная опека превратила бы жизнь в зло, а человеческое тело – в объект упражнений для медицинских коллегий. Разве не желательнее смерть, нежели жизнь, состоящая только из мер предупреждения против смерти? Разве жизни не присуще также и свободное движение? Что такое болезнь, как не стесненная в своей свободе жизнь? Неотступный врач уже сам по себе был бы болезнью, при которой даже не было бы надежды умереть, а оставалось бы только жить».

Не уменьшает ли болезнь энтропию организма, заставляя его принимать меры в сторону ее увеличения, то есть делать противоположное тому, что он делает в нормальном, то есть здоровом состоянии? Даже повышение температуры тела при болезни, как сравнительно общий и «простой» способ увеличения энтропии любого тела, приобретает дополнительный смысл. Энтропия здорового организма в целом падает по мере его роста и развития, и, дойдя до их «естественных» пределов, стабилизируется. Организм больного в поисках нового баланса взаимодействий ускоряет падение энтропии, но, дойдя до невозможности поддерживать более поток свободной энергии, обеспечивающей поддержание неравновесного состояния систем, в какой-то момент падение сменяется резким возрастанием вплоть до необратимой величины, то есть смерти.

Насколько все эти рассуждения имеют какое-либо предсказательное значение и сколько-нибудь заметный практический смысл? Давайте попробуем рассмотреть с энтропийных и прочих упомянутых в данной книге позиций три довольно разные патологии: холеру, отчетливо инфекционное заболевание, успешно «пробивающее» нормальный иммунитет человека; антифосфолипидный синдром, аутоиммунное заболевание без явной инфекционной причины, сверхактивным состоянием иммунитета и предположительно высокой готовностью ключевых клеток к апоптозу; и рак, тяжелую патологию с неопределенной ролью инфекции, возможной недостаточностью иммунитета и потенциально сниженной клеточной предрасположенностью к апоптозу.

Мировой океан – вместилище самого крупного и самого важного, пожалуй, биоценоза на Земле: морского. С самым распространенным многоклеточным организмом морского биоценоза, а, может быть, и всей планеты, большинство знакомо по замечательному мультсериалу «Губка Боб Квадратные Штаны», где он представлен как Шелдон Джей Планктон, копепод, одноглазый веслоногий рачок (рис. 35). Создатель образа – режиссер и аниматор Стивен Хилленберг, основатель «Юнайтед Планктон Пикчерз Инк» – как морской биолог по образованию, хорошо знал, что рисует. Реальный морской планктон питается микроскопическими одноклеточными водорослями, продуцирующими, по разным оценкам, до 40 % всего земного кислорода (и поглощающими соответствующую долю углекислого газа) и оказывает, таким образом, существеннейшее влияние на глобальные биологические и климатические процессы. Находясь у основания глобальных пищевых цепочек, совокупный мировой планктон продуцирует ежегодно до ста миллиардов (10¹¹) тонн нерастворимого панцирного белка-хитина (Pruzzo С., Vezzulli L., Colwell R. R., 2008; Yu C. et al., 1991). Несколько сотен лет и практически весь доступный океанский углерод (38 тысяч миллиардов (3,8*10¹³) тонн, World Ocean Review 1, 2010), и азот оказались бы зафиксированными в осажденном на дне хитине. Разумеется, эволюция, движимая энтропийными принципами, не могла оставить такое количество высокоупорядоченной материи вне всеобщего оборота вещества и энергии. Собственно, утилизация хитина не представляет собой сложную биохимическую задачу, и, скорее всего, уже хитиновые оболочки эдиакарских существ успешно разлагались древними бактериями.

Рис. 35. Sheldon J Plankton

Последние миллионы лет основной объем этой вполне благодарной работы выполняют морские вибрионы. Среди десятков видов морских вибрионов самый заметный для нас игрок борьбы за миллиарды тонн хитина – это холерный вибрион, Vibrio cholerae (Colwell R. R., 2002; Mueller R. S. et al., 2007). Возможно, эта борьба – один из самых массовых биологических процессов на Земле, втягивающий в себя миллионы триллионов живых сущностей, включая собственно планктон, вибрионы, их вирусы и триллионы по сути случайно вовлекаемых в этот процесс водных растений и животных. Приз в этой игре весьма высок – доминирование в ключевом биоценозе Земли, поэтому поиск и развитие эффективных молекулярно-генетических инструментов происходит в этом хитиновом чемпионате особенно резво. Именно массивные молекулярно-генетические инновации стали ключевой стратегией холерного вибриона, настоящего информационного хай-тек гиганта этого невидимого мира. Из более чем 200 серотипов V. cholera по О-антигену самым острым для человека оружием – холерогеном, холерным токсином (Cholera Toxin, CT) – обладают лишь два серотипа: О139 и O1. Из них только О1 до сих пор реализовывал свой пандемический потенциал: первые 6 пандемий холеры, начиная с 1817 года, вызывал «классический» серовар О1, последнюю пандемию 1961-1975 годов вызвал серовар О1 Эль-Тор (по мнению ВОЗ, последняя пандемия продолжается до сих пор). Даже на фоне других вибрионов V. cholera отличается широчайшим наборов молекулярно-генетических инструментов для эксплуатации возможностей, предоставляемых окружающей средой, и не только морской.

Во-первых, холерный вибрион обладает потрясающим арсеналом адгезии – способностью плотно прикрепляться к хитину и множеству других биополимеров, составляющих основу самых разнообразных типов биологических поверхностей.

Во-вторых, вибрион способен стремительно колонизировать такие поверхности, на которых он закрепился и очень быстро формировать прочные биопленки. Причем сообщества вибрионов благодаря Quorum sense прекрасно умеют синхронизировать свое поведение.

В-третьих, холерный вибрион обладает чрезвычайно развитым аппаратом секреции десятков различных типов биологически активных молекул через свои пять или более высокоорганизованных систем секреции. В первую очередь это секреция нескольких хитиназ, хитинразлагающих ферментов; вообще контакт с хитином запускает в вибрионе весьма сложную программу экспрессии нескольких групп генов, позволяющих успешно последовательно колонизировать, разлагать и усваивать хитиновый субстрат.

В-четвертых, вибрионы имеют оригинально организованный генетический аппарат: V. cholera постоянно обладает двумя хромосомами, большой и малой, что, кроме вибрионов, нечасто встречается в бактериальном мире; большинство прокариот предпочитает обходиться одной большой хромосомой с дополнением, в некоторых случаях, в виде одной или нескольких плазмид. При этом значительная честь генов холерного вибриона находится в широком внешнем обороте благодаря десяткам фагов, для которых вибрион служит прибежищем, временным или постоянным – в виде встроенного в одну из хромосом профага. В этом обороте горизонтального переноса генов находятся и ключевые факторы патогенности V. cholerae – гены холерного токсина CT (ctxAB), адгезивного пилина (cep, core encoded pilin), добавочного холерного энтеротоксина (ace, accessorycholeraenterotoxin) и уже упоминавшегося фактора повышения проницаемости кишечника зонулина (zot, УПС: глава VIII).

В оборот они привносятся атипичным филаментозным фагом СТХφ. Причем ген холерного токсина ctxAB – сравнительно недавнее (возможно, несколько сотен лет) приобретение СТХφ. До сих пор в обороте находится и фаг pre-СТХφ без ctxAB, поэтому холерный вибрион может содержать в своем геноме два встроенных профага – pre-СТХφ и СТХφ, то есть продублированный набор факторов патогенности cep, ace и zot. Совокупность взаимодействий миллионов триллионов водорослей, копеподов, вибрионов, фагов, как гигантская и сверхсложная информационная вычислительная система способна генерировать и поддерживать сотни специализированных инструментов для строительства и содержания экологических ниш своих соучастников, в том числе долго не используемые, «отягощающие» распределенный «облачный» геном. Как сверхуниверсальный швейцарский нож или набор отмычек, потенциально он способен открыть дверь в почти любую связанную с водой экологическую нишу. Холерные вибрионы, например, могут колонизировать не только хитиновые оболочки веслоногих рачков и кишечники животных. Их колонизации и эксплуатации могут быть подвержены даже водные цветковые растения и простейшие, например амебы (Куликалова Е. С. и соавт., 2014).

Для организма человека, например у холерного вибриона, есть как минимум три подобные отмычки (Монахова Е. В., 2013). Это обсуждавшийся токсин Zot, подражающий внутрикишечному регулятору плотных межклеточных контактов – зонулину и открывающий их, как кран, «на полную». Вторая отмычка – термостабильный энтеротоксин (heat-Stableentero Toxin, ST), сонаправленный по действию гуанилину, управляющему внутреклеточным уровнем цГМФ в бокаловидных клетках кишечника. Выведение цГМФ на максимальный уровень усиливает аналогичный эффект холерогена в отношении цАМФ и приводит к усиленному выводу воды из кишечника и развитию типичной клинической картины заболевания – профузного холерного поноса. Третий «воровской» инструмент, так называемый эффектор VopF системы секреции T3SS, «пародирует» белки-нуклеаторы актина в клетках кишечника, в том числе иммунных, что ведет к деградации их актинового цитоскелета и клеточной дисфункции. К этой же группе можно отнести и цитолизин (Vibrio cholera cytolysin, VCC), симулирующий сигналы апоптоза и аутофагии (включая образование экстрацеллюлярных везикул), что вызывает «аккуратный» лизис клеток.

В итоге большинство факторов патогенности холерного вибриона с разных позиций бьют в одну точку: заставить кишечник работать на гены вибриона, дать возможность вибриону интенсивно размножиться и массово выйти из кишечника. Собственно для большинства вариантов V. cholera человек и его кишечник – это далекая периферия их вселенной. За исключением вариантов с профагом СТХφ. До их возникновения встречи человека и холерного вибриона были эпизодическими: человек мог заразиться через морских животных или через воду с микроскопическими рачками, как другими нехолерными вибрионами, и получить сравнительно нетяжелое кишечное расстройство, не передаваемое в большинстве случаев другим людям.

Вечером 5 апреля 1815 года на всех островах малайского архипелага и прилежащих морей от Филиппин до Австралии и от Таиланда до Соломоновых островов послышались отголоски взрывов. Звуки взрывов, то затихая, то возвращаясь снова, слышались еще целую неделю. Некоторые островные гарнизоны британской армии забили тревогу, предположив нападения на ближайшие опорные пункты колониальной администрации, и выдвинули им на помощь усиленные отряды.

Время и в самом деле было тревожное: только за 4 года до этого экспедиционный корпус британской армии, возглавляемый будущим сэром и основателем Сингапура Томасом Стемфордом Раффлзом, отбил у наполеоновских войск Яву и прилежащие малайские территории голландской Ост-Индской компании. К тому времени сама метрополия компании – Нидерланды – уже была занята Наполеоном. В 1814 году император был повержен и сослан на остров Эльба возле родной Корсики. За месяц до взрывов он триумфально вернулся во Францию. Но к моменту взрывов известие об этом вряд ли достигло яванской Джокьякарты, где располагалось правление британской колониальной администрации. Тем не менее от неугомонного корсиканца британцы всегда ожидали чего угодно. На самом деле причина взрывов располагалась гораздо ближе, чем наполеоновские войска, а их источник – гораздо дальше, чем соседние поселения: причиной и источником продолжающихся взрывных звуков было извержение вулкана Тамбора на острове Сумбава в гряде Малых Зондских островов.

Новые колониальные порядки и без того поставили большинство местных жителей на грань нищеты и голода, а извержение окончательно ввергло обитателей щедрых природными ресурсами островов в экзистенциальный ад.

В первые часы непосредственно от взрыва вулкана, магмы и пепла погибло до одиннадцати тысяч человек, но распространившиеся вслед за этим голод и инфекции выкосили на Сумбава и соседних островах еще не менее сорока девяти тысяч человек (Tanguy J. C. et al., 1998). Наиболее жестокой была инфекция, сопровождающаяся сильнейшей диареей, от которой страдали не только люди, но и домашние животные. Местные жители связывали ее с питьевой водой, «отравленной» пеплом.

Отдаленные последствия тамборского извержения затронули вообще все северное полушарие. Из-за гигантского количества пыли и частиц серы в атмосфере уменьшилось количество солнечного света, что перераспределило глобальные потоки переноса атмосферного и морского тепла. Следующий 1816 год стал известен в Северной Америке и Европе как «год без лета»: снег лежал до апреля, все лето стояла сырая прохладная погода с дождями и градом. Следующие два года также были заметно холоднее климатических норм. Похожая погода наблюдалась и в большинстве провинций Китая. В Индии три года вместо летних дождливых муссонов наступала жесточайшая засуха, сменяющаяся обильнейшими многонедельными ливнями. Особенно страдал бенгальский Сундарбан – территория подтапливаемого (мангрового) тропического леса в дельте Ганга. Веками она оставалась непригодной для жизни человека, несмотря на плодородные земли – затапливаемые соленой водой мангровые леса и болота кишели малярией, змеями, крокодилами и прочими неприятными большинству людей тварями. Но за 50 лет до извержения все изменилось: в Бенгалию, включая Сундарбан, пришла британская Ост-Индская компания и вместе с ней организованная колонизация территорий и безжалостная эксплуатация ресурсов. Начались массивная вырубка мангровых лесов и устройство запруд для создания рисовых плантаций. К 1816 году было вырублено до тысячи квадратных миль лесов. Предполагается, что именно в этих местах и в это время интенсивность контактов человека с морскими вибрионами достигла своего максимума. В одной точке сошлись колонизация и эксплуатация как социальные макроявления с массовой микробиологической колонизацией и эксплуатацией кишечников холерным вибрионом. Как полагает концепция ОМОЗ (One Health), при совокупности негативных климатических, социальных и биологических изменений возникновение критических угроз для человека, хотя бы локальных – вопрос очень короткого времени.

Изменение климата в северной части Индийского океана в 1815-1817 годах несомненно сказалось и на вибрионах. Глобальная система, основанная на фотосинтезирующих морских одноклеточных водорослях и хитиновом животном планктоне, сверхчувствительная к уровню солнечной освещенности и температуре воды, подверглась разовым «катастрофическим» сдвигам. В условиях неопределенности окружающей среды естественная реакция биологической системы – активное обновление своего тезауруса, в том числе через повышенную готовность к самоликвидации части систем и направленный инфотаксис – своего рода «поиск новых идей». Причем рост неопределенности окружающей среды для субъекта не означает рост внутренней неупорядоченности, энтропии объекта, то есть самой среды: напротив, массивные движения внутри среды свидетельствуют о падении ее энтропии.

Маргиналы вибрионного сообщества, холерные вибрионы серовара О1, пытавшиеся выстроить свою экологическую нишу на эксплуатации кишечника наземных теплокровных животных, в 1816 году наконец получили свой шанс. На самом деле даже не столь важно, где возник первый порочный круг взаимосвязи ставшего высоковирулентным штамма V. cholera и человека – собственно на Сумбава и прилежащих островах или на рисовых полях Сундарбана: все локальные биоценозы, построенные вокруг планктона, в той или иной степени взаимосвязаны, из чего и исходит МГТК.

Но безусловно, что именно дельта Ганга стала с тех пор крупнейшим незатухающим эндемическим очагом холеры. Малополезный в условиях открытого моря генетический комплекс cep-ace-zot профага СТХφ в какой-то момент, возможно, совсем незадолго о описываемых событий, обрел своего «лидера» – ген холерного токсина ctxAB. В целом именно комплекс cep-ace-zot-ctxAB в составе так называемого корового региона (core region) фага или сам его «держатель» – фаг СТХφ – стал основным выгодоприобретателем произошедших событий, получив шанс массового распространения в ряде животных популяций, и в первую очередь – человеческой. Можно даже сказать, что холера – это не инфекция холерным вибрионом, а инфекция этим ключевым генетическим комплексом вируса СТХφ через бактериальный вектор – холерный вибрион (хотя сами фаговые гены, как правило, не попадают внутрь кишечной клетки, как при классической вирусной инфекции, только их продукты – высокоактивные токсичные белки). Это суждение весьма сходится с мнением Ричарда Докинза об ансамблях изменяющихся эгоистичных генов как основных субъектах эволюции, а их перегруппировках – как о ее основном содержании.

Несмотря на заметную представленность в природе, определенно говорить о генетическом и эволюционном родстве можно, пожалуй, лишь только в отношении Ctx и Etx. Тем не менее АВ-токсины вполне можно объединить вместе по трем отличительным свойствам: во-первых, они являются секретируемыми во внешнюю среду белковыми токсинами (экзотоксинами), всегда действующими в функциональной связке двух субъединиц, одной токсичной и другой транспортной; во-вторых, активная (А) часть – всегда фермент, выполняющий одну специфическую каталитическую функцию и множество других некаталитических; и в-третьих, гены АВ-токсинов практически всегда обнаруживаются в составе мобильных генетических элементов, обычно профагов или плазмид, то есть находятся в активном обороте глобального вирома и микробиома.

По меньшей мере четыре АВ-токсина – холерный, термолабильный E. coli, дифтерийный, коклюшный, а также «примкнувший к ним» экзотоксин А нашей старой знакомой Ps. aeruginosa, биохимически являются моноАДФ-рибозилазами, то есть прикрепляют остаток АДФ-рибозы к белкам. Как нормальный внутриклеточный процесс АДФ-рибозилирование белка сразу после его транслирования служит важнейшим элементом тонко регулируемых важнейших клеточных процессов – передачи сигнала, репарации ДНК, экспрессии генов и апоптоза. Ctx, Etx и коклюшный токсин, пройдя сложнейшую цепь последовательных трансформаций в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме, в итоге прикрепляют, как знамя победы, АДФ-рибозу к одной и той же субъединице регуляторного белка G (УПС: глава XIII) – аденилат циклазе субъединицы Gsα (O’Neal C. J. et al, 2005), только в различных клетках. Ознаменованная АДФ-рибозой аденилат циклаза начинает безостановочно нарабатывать внутри клетки циклический АМФ – универсальный регулятор гомеостатических реакций, никак не откликаясь на сигналы «Остановитесь!» от смежных биохимических систем, в результате чего анионы, а вместе с ними и вода начинают массово покидать клетку. При холере масла в огонь подливают другие токсины холерного вибриона: ST накручивает уровень циклического ГМФ в бокаловидных клетках кишечника, еще более усиливая выход воды и анионов, Zot раскрывает плотные межклеточные контакты, облегчая вывод воды и из межклеточного пространства, Ace, наряду с В субъединицей холерогена, обеспечивает толерантность иммунных клеток к агрессивному вторжению чужаков.

В целом можно сказать, что обладатели-бенефициары токсинов АВ и им подобных токсинов (мобильные генетические элементы? бактериальные патогены?) на пользу себе эксплуатируют внутриклеточные сигнальные системы, «выдергивая» клетки и целые органы из общей организменной индивидуальности. В этом они напоминают классические вирусы, но действуют более опосредованно. Можно предположить древность этих механизмов по крайней мере в отношении части АДФ-риболизирующих токсинов: дифтерийный, псевдомонадный и сравнительно недавно открытый еще один холерный Cholixtoxin, CT (Jorgensen R. et al., 2008), функционально зависят от дифтамида, генетически некодируемой аминокислоты, образующейся в организме из «нормальной» аминокислоты – гистидина. Дифтамид обнаруживается исключительно в составе белка EEF2, эукариотического фактора элонгации 2 (eucaryotic elongation factor 2), обеспечивающего в рибосомах синтез белка. Возможно, дифтамид – остаток древнего набора аминокислот, более широкого, чем современный, сохранившийся только у некоторых архей и эукариот в составе сверхконсервативного механизма трансляции. Причем роль дифтамида гораздо более существенна в контексте развития и поддержания целостности многоклеточного организма, нежели функционирования отдельной клетки (Liu S. et al., 2012).

Клетки пораженного холерой кишечника в итоге теряют как частную, так и коллективную индивидуальность в информационном смысле и подчиняются, хотя бы временно, злой воле непреклонного агрессора. Вторгшегося патогена не интересует судьба своей временной окружающей среды – пораженного организма. Его задача – максимально нарастить свою численность и с помощью Quorum sense как можно быстрее скоординировано эвакуироваться в наибольшем объеме уже в «большую» окружающую среду. Но в результате сеть отлаженных взаимодействий как внутри пораженного кишечника, так и между кишечником и остальным организмом буквально осыпается. Своеобразная «трещина» в клубке системных взаимодействий не доходит тем не менее до оснований многоклеточности, сформированных отношениями немногих (двух?) базовых групп клеток (УПС: глава VII). Если организму удается пережить острый кризис, а концептуально это не очень сложно, необходимо лишь обеспечить непрерывное восполнение уходящей воды и минеральных веществ (в чем и заключается собственно терапия холеры, часто затрудненная чисто технически, например количеством капельниц, которые можно поставить одному человеку; даже применение антибиотиков имеет вторичное значение), то восстановление нарушенной функциональной целостности организма и выздоровление наступают сравнительно скоро.

Впрочем, и сам «западный мир», как и другие «миры», не всегда вполне осознает свои интересы и свои проблемы. Системные заболевания соединительной ткани (СЗСТ), к которой относится вторая рассматриваемая патология – антифосфолипидный синдром, именно в западной популяции демонстрируют непреклонную тенденцию к росту, достигая по некоторым нозологиям распространенности до 3 % в популяции (синдром Шегрена) и до 10 % причин стойкой нетрудоспособности (системная красная волчанка, СКВ), (Gaubitz M., 2006). Этим заболеваниям не свойственны сверхстремительное развитие и высокая летальность, как холере, но, изматывая человека годами и десятилетиями, часто в составе сочетанной патологии, они критически снижают качество жизни сотен миллионов людей по всему миру, преимущественно женщин. Но острота общественного звучания проблем, связанных с этой группой патологий, заметно снижена в силу, возможно, «женского» характера большинства СЗСТ в сравнении, например, с преимущественно «мужскими» сердечно-сосудистыми заболеваниями.

В сердцевине основных СЗСТ и ряда смежных с ними патологий соединительной ткани лежит аутоиммунный конфликт, реакция организма против своих же структур. Направленность аутоиммунной реакции во многом, но не во всем определяет клиническую картину этих заболеваний. В большинстве случаев СЗСТ ключевым патогенетическим феноменом считается реакция иммуноглобулинов – аутоантител – с аутоантигенами организма, но встречаются аутоиммунные болезни с ведущим клеточным аутоиммунным компонентом, например псориаз, близкое к СЗСТ заболевание. В некотором смысле антифосфолипидный синдром (АФС) можно назвать типичным аутоиммунным СЗСТ с хорошо идентифицированной направленностью аутоантител – против определенных мембранных фосфолипидов, в первую очередь кардиолипина, и четкой направленностью аутоиммунной реакции – против отдельных компонентов сосудистой стенки и системы свертываемости крови. Первичный (изолированный) АФС встречается достаточно редко, что однажды ставит в тупик даже Грегори Хауса (эпизод «Карма в действии» в «Докторе Хаусе» Дэвида Шора, 2004–2012); чаще наблюдается вторичный АФС в составе, как правило, системной красной волчанки (СКВ; systemic lupus erythematosus, SLE). В отношении же последней у доктора Хауса всегда была известная настороженность («It could be lupus…®»). Сами антитела к кардиолипину впервые были обнаружены у больных еще на заре иммунологии. Но это не были больные волчанкой или каким-либо СЗСТ. Это были больные сифилисом.

С учетом вопиющих социальных проблем того времени можно предполагать вхождение если не глобального биоценоза, то человеческой популяции в состояние полноценной критичности. И именно в это время первые достижения бактериологии, иммунологии и гигиены подарили обоснованные надежды на возможность полного избавления человечества от «прилипчивых напастей». Вакцинация уже показывала свою эффективность в отношении многих болезней, в первую очередь оспы и бешенства, Роберт Кох и Луи Пастер научили человечество «видеть» возбудителей инфекций как мишени воздействия, Пауль Эрлих – лить «серебряные пули» против них. За 30 лет «золотого» века бактериологии (1870–1900) врачи научились прямо или косвенно выявлять множество возбудителей бактериальных инфекций, включая чуму, туберкулез и холеру, но возбудитель сифилиса долгое время никак не поддавался, не давал обнаружить себя тем или иным объективным способом.

Перелом наступил в 1905 году. Сначала Фриц Шаудин и Эрих Гофман, получив четкий циркуляр германского Имперского министерства здравоохранения найти возбудителя сифилиса, всего за 3 недели методичных работ в берлинской клинике Шарите идентифицировали в этом качестве тонкие извитые микроорганизмы. Возбудителя назвали бледной спирохетой (сейчас бледная трепонема, Treponema pallidum). Метод обнаружения, однако, оказался ненадежным и не всегда применимым. Август Вассерман и Альберт Нейсман из соседнего Института Роберта Коха пошли другим путем. Недавние прорывные работы бельгийских ученых Жюля Борде и Октава Жангу в Пастеровском институте в Париже позволяли выявлять присутствие возбудителей в организме в настоящем или прошедшем времени по наличию специфических антител, обнаружить которые часто оказывается значительно легче, чем самого возбудителя. Разработанная ими реакция связывания комплемента (РСК)[17] представляла универсальную аналитическую платформу, позволяющую на основе стандартизированного набора компонентов создавать методы обнаружения самых разнообразных антител или антигенов. Для обнаружения искомых антител вопрос состоял лишь в получении необходимого количества достаточно чистых антигенов в нужной концентрации.

Август Вассерман вполне логично для своего времени предположил, что наибольшая концентрация возбудителей должна быть в органах при врожденном сифилисе, и в вытяжке из этих органов будет достаточно много необходимого антигена. Так оно и оказалось: вытяжка весьма хитроумным способом из печени погибшего от врожденного сифилиса плода давала в присутствии лецитина и холестерина хорошую положительную реакцию с сыворотками крови больных с клинически установленным диагнозом. Скоро, однако, выяснилось, что аналогичная вытяжка и из печени непораженных дает не менее уверенные результаты. А еще лучшие результаты давала вытяжка из сердца, особенно бычьего. Карл Ландштайнер, будущий лауреат Нобелевской премии за открытие групп крови, усовершенствовал оба направления диагностики сифилиса: уже в 1906 году он улучшил метод обнаружения трепонем в образцах, внедрив темнопольную микроскопию, а спустя несколько лет показал, что иммунологическую реакцию в РСК дает не белковая, как для большинства антигенов, а липидная фракция сердечной вытяжки. В итоге реагирующую в реакции Вассермана субстанцию назвали «кардиолипин». Только в 40-е годы удалось выяснить, что по химическому составу кардиолипин является фосфолипидом – дифосфатидилглицеролом. Несмотря на ошибочность исходных положений, положенных в ее разработку, реакция Вассермана долгое время оставалась основным лабораторным подтверждением сифилиса, в том числе и в сомнительных случаях.

Но уже в 1909 году поступило первое сообщение о безусловно положительной реакции Вассермана (пресловутые «четыре креста») при полном отсутствии соответствующей клиники и анамнеза. Скоро выяснилось, что оригинальная реакция Вассермана дает множество ложноположительных реакций – как при других инфекционных и неинфекционных заболеваниях, и даже в отсутствие какой-либо диагностированной болезни, например в некоторых случаях при беременности. Особенно высокий титр антикардиолипиновых антител обнаруживается при некоторых вариантах системной красной волчанки, позднее идентифицированных как антифосфолипидный сидром (АФС). Нельзя сказать, что и сейчас вполне понятно, почему вообще образуются антикардиолипиновые антитела. При инфекциях, таких как сифилис, туберкулез или малярия, эти антитела не направлены против каких-либо антигенов возбудителя, хотя некоторые из них, та же Treponema pallidum, содержат в своем составе некоторое количество кардиолипина, но в совершенно неиммуногенной форме (Gao K. et al., 2018). Предполагается, что даже при инфекционных заболеваниях антитела к кардиолипину – это скорее проявление аутоиммунной реакции против собственных пораженных инфекцией тканей.

При пристальном рассмотрении можно понять, что и сам кардиолипин – не совсем обычный липид в составе эукариотического организма. Во-первых, он один из немногих клеточных липидов, способных образовывать истинные полимерные структуры. Во-вторых, эволюционно он имеет определенно бактериальное происхождение. Кардиолипин не обнаруживается у архей, но является нормальным, хотя и минорным компонентом липидных мембран у большинства бактерий. Поэтому вполне ожидаемо, что и в эукариотической клетке основная масса кардиолипина находится во внутренней мембране митохондрий. В ней кардиолипин составляет до 20 % липидов, что гораздо больше его содержания в наружных мембранах обычных бактерий. Однако высокое содержание кардиолипина наблюдается и в недавно открытых внутриклеточных цитоплазматических мембранах бактерий (ВЦМ, Intra Cellular Membranes, ICM), которые вполне могут быть соотнесены с внутренними мембранами/ криптами митохондрий (Carranza G. et al., 2017).

Богатые кардиолипином ВЦМ образуются при гиперпродукции ключевых ферментов энергетического метаболизма клетки, включая субъединицу b АТФ-азы (Arechaga I. et al., 2000). Из-за того, что кардиолипин является анионным фосфолипидом, он способен работать как протонная ловушка. Кроме того, он обладает сравнительно маленькой гидрофильной «головкой» при довольно крупных гидрофобных «хвостах», то есть имеет не цилиндрическую, а конусообразную форму, что оказывается критически важным для формирования энергетически активных мембранных доменов в митохондриях и бактериях (Mileykovskaya E. and Dowhan W., 2009). В связи с этим вполне понятно, почему кардиолипин обнаруживается преимущественно в липидных мембранах, связанных с переносом энергии. Благодаря склонности кардиолипина взаимодействовать с мембранными белками и дестабилизировать классический двойной липидный слой мембран делается возможным как быстрое слияние, так и расщепление бактериальных и митохондриальных нитей, что играет ключевую роль в регулировании уровня энергетического метаболизма (переход митохондрий из формы орзо в спагетти и обратно).

В многоклеточных организмах на молекулу митохондриального кардиолипина в конце концов часто замыкается решение вопросов клеточной жизни и смерти. Как мы помним, в митохондриях в явной форме воплощены наиболее общие принципы мембранной энергетики, восходящие к самым древним протоклеточным мембранным энергетическим структурам. Поэтому неудивительно, что область научных интересов, например замечательного германо-российского ученого Армена Мулкиджаняна, помимо протобиологической мембранной энергетики (ее калий-натриевая модель, УПС: глава II) включает исследования энергетики митохондриальной.

В одной из своих работ он вместе с соавторами рассматривает кардиолипиновое окружение трансмембранных митохондриальных белков в качестве основного «стрелочника», направляющего клеточную судьбу по тому или иному пути (Мулкиджанян А. Я. и соавт., 2018). За ключевой регуляторный феномен в гипотезе Мулкиджаняна принимается оксидативный стресс – цепная реакция окисления мембранных липидов и белков активными формами кислорода (АФК). Окисленный в результате оксидативного стресса кардиолипин, прилежащий к мембранным белкам, модифицирует небольшую, но исключительно важную «шестеренку» электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) – цитохром С, который в результате приобретает пероксидазную активность и окисляет еще больше молекул кардиолипина и других липидов, что в итоге приводит к образованию своеобразных прорешин в наружной митохондриальной мембране и выходе через них в цитоплазму ряда белков, включая сам цитохром С. Появление свободного цитохрома С в цитоплазме служит сигналом запуска апоптоза. Теоретически даже случайное окисление одной молекулы кардиолипина в результате дальнейшей каскадируемой реакции может привести к апоптической («аккуратной») гибели клетки. Но в то же время окисление кардиолипина снижает его способность работать ловушкой для протонов-дезертиров, пытающихся отлынить от работы в ЭТЦ проскальзыванием из митохондриального матрикса в межмембранное пространство вдоль стеночки трансмембранных белков.

Лояльное отношение окисленного кардиолипина к ускользающим протонам сбрасывает напряженность протонного мембранного потенциала и обнуляет образование АФК в ЭТЦ, необходимое для поддержания оксидативного стресса. Одновременно сброс потенциала вызывает бурную фрагментацию митохондриальной сети – трансформацию митондрий-спагетти в митохондрии-орзо, что препятствует образованию апоптосом и дальнейшему развитию апоптического сценария клеточной самоликвидации. Митохондрии-орзо с поврежденными мембранами и прочими дефектами легко утилизируются в щадящем для всей клетки процессе митохондриальной аутофагии (митофагии, УПС: глава III). Балансирование на грани «спонтанного» апоптоза (УПС: глава VI) определяется десятками про- и антиапоптических факторов, сводясь в итоге к некому распределению вероятностей, предположительно, степенному, зависящему от контекста состояния клетки, включающего физиологический статус самой клетки, ее окружения и, возможно, всего организма. В зависимости от предрасполагающих генетически обусловленных условий, например минорных различий в конфигурациях трансмембранных белков, влияющих на пристеночный поток протонов, даже в отсутствие наиболее известных триггеров апоптоза – вирусных инфекций – этот баланс может смещаться в проапоптическую сторону, заметно увеличивая уровень спонтанной клеточной смерти. Другой группой генетически детерминированных факторов, смещающих равновесие в пользу оксидативно-апоптического сценария, может быть сниженная активность внутриклеточных антиоксидантных ферментов. У этого явления может быть несколько серьезных последствий, если он будет накладываться на другие, нефатальные сами по себе отклонения в смежных с апоптозом процессах.

По некоторым оценкам, человек ежедневно теряет от 50 до 70 миллиардов клеток в результате апоптоза или НЕТоза, большей частью кладущих свои жизни на алтарь борьбы с различными патогенами (Pieterse E. and van der Vlag J., 2014).

Дополнительный значимый источник аутоантигенов это НЕТоз – специфический, менее организованный по сравнению с апоптозом вид гибели исключительно нейтрофилов. В ходе НЕТоза нейтрофилы выдавливают из себя внеклеточные нити ДНК (NET, neutrophil extracellular traps) с навешенными на них, как на елку, гранулярными белками: гистонами или ферментами (эластаза, миелопероксидаза, катепсин G и другие, рис. 36). Однако, как считается, сама по себе активная наработка аутоантигенов не может запустить порочный круг аутоиммунного процесса, так как в нормальных условиях апоптоз – это по-японски аккуратная клеточная гибель, после которой остается только прилежно упакованный в мешочки-везикулы и тщательно отсортированный «клеточный мусор». Мусорщикам-фагоцитам нужно лишь правильно утилизировать его. Но именно на этом этапе при СКВ и АФС и возникают проблемы. Обнаружена масса возможных вариантов нарушений этого процесса. Это может быть снижение количества так называемых макрофагов с окрашиваемыми тельцами (tangible body macrophages, TBM) в зародышевых центрах лимфоидной ткани, занимающихся утилизацией самоликвидированных лимфоцитов и их предшественников, например в результате селекции.

Такие же последствия может вызывать недостаток гуморальных факторов (опсонинов[18]: иммуноглобулинов М, С-реактивного белка, C1q компонента комплемента и других), облегчающий фагоцитоз апоптических везикул. При ликвидации последствий НЕТоза большие проблемы создает даже относительный (функциональный) дефицитрасщепляющей ДНК дезоксирибонуклеазы I, часто наблюдаемый при СКВ и сопровождаемый наиболее высокими титрами антител к ДНК и хромосомальным белкам, что является ведущим патогенетическим признаком СКВ (Skiljevic D. et al., 2013). Наличие антител к структурам хроматина, наблюдаемое в низких титрах даже у здоровых людей, может маскировать постапоптическую ДНК от действия дезоксирибонуклеазы. Кроме того, эти структуры, в первую очередь гистоны, у больных СКВ часто оказываются подвержены модификациям, таким как метилирование, ацетилирование, убиквитирование, поли-АДФ-риболизирование, что значительно увеличивает их иммуногенность.

Рис. 36. НЕТоз

Последующие события Шуничи Шиозава из Медицинской Школы Университета Кобе (Япония) описывает в терминах самоорганизованной критичности, СОК (Shiozawa S., 2010): повторяющаяся аутоантигенная сверхстимуляция приводит сеть иммунных межклеточных взаимодействий в состояние критичности, с высокой вероятностью реализующееся в конце концов в виде своего рода «коммуникационные катастрофы». Если при «нормальном» течении иммунного ответа отсутствие контекстного подтверждения опасности или прекращение инфекционной антигенной стимуляции вследствие избавления от патогенного агента ведет к выведению из оборота соответствующего пула антигенспецифичных клеток-эффекторов, то при развитии состояния критичности происходит накопление самоподдерживающегося пула Т-лимфоцитов (индуцирующих аутоантитела CD-4+ Т-клеток, autoantibody-inducing CD-4+ Т-cells, aiCD4, по Шуничи Шиозава). Очередной сверхнормативный импакт на иммунную систему – инфекция ли с антигенами, мимикрирующими под собственные антигены организма, или сценарий возникновения микроуязвимостей («полицейские, пожарные и федеральные агенты») – и процесс выходит из-под контроля, замыкая многочисленные порочные круги положительной обратной связи самоподдерживающегося аутоиммунного воспалительного процесса, локально привязанного к тому органу или системе, чья система иммунного надзора оказалась слабым звеном.

При развитии антифосфолипидного синдрома аутоантитела к кардиолипину служат основным этиологическим фактором, но основной мишенью антифосфолипидных антител в итоге оказывается комплекс кардиолипина с белком β₂ гликопротеин I (β₂GPI), весьма прочный благодаря положительному заряду молекул кардиолипина и отрицательному заряду молекул лизина в β₂GPI. Именно эти антитела отвечают за специфические клинические проявления АФС – протромбический статус, нарушения микроциркуляции, гемостаза и деструктивные изменения в сосудистой стенке, так как способны связываться с рядом ключевых факторов тромбообразования – как клеточными, связанными с сосудистым эндотелием, так и гуморальными, связанными с комплементом и С-реактивным белком (Basde Laat H., Derksen R. H. and de Groot P. G., 2004; Allen K. L. et al., 2012). Интересно, что влияние антикардиолипиновых антител на функцию самого митохондриального кардиолипина как «стрелочника» про- и антиапоптических путей считается крайне маловероятным в силу очевидной недоступности кардиолипина в самой сердцевине митохондрий для сравнительно крупных молекул антител.

В итоге в терминах «большого системного иммунитета» (cogn immunity) при АФС и СКВ для иммунной системы происходит искажение картины мира из-за повторяющиеся «нелогических» (эпистемических) эпизодов «аутоиммунных катастроф», имеющих неожиданно внутреннее происхождение, возникает их «ологичивание» иммунной системой, своего рода апофения[19] этих повторяющихся событий.

Сам кардиолипин также относится к одним из наиболее типичных DAMP-молекул. Как и для мозга в большинстве случаев эпизоды апофении не перерастают в устойчивый бред и галлюцинации, так и в случае иммунной системы в большинстве случаев не происходит развития «галлюцинации опасности», однако редкие исключения в обоих случаях имеют весьма печальные для человеческого здоровья последствия. Так, при фосфолипидном синдроме происходит изменение картины мира для иммунной системы, связанное с чрезмерным селективным размножением клеток-носителей антифосфолипидных рецепторов. Как и в случае психического бреда, искаженная иммунная картина мира оказывается самоподдерживающейся, организм постоянно находит подтверждения ее «истинности» и выйти из этого порочного круга самоподтверждения искаженной реальности исключительно сложно, а самостоятельно – практически невозможно.

В то же время оксидативно-апоптический сценарий развития аутоиммунной предрасположенности полностью опирается на особенности функционирования митохондрий. В каком-то смысле именно митохондрии здесь принимают решения о судьбе клетки и целостного организма, превышая свои и без того «королевские полномочия».

Любой острый конфликт или война – всегда плохо как для отдельной индивидуальности элемента, так и совокупной индивидуальности организма и государства хотя бы в силу катастрофического возрастания неопределенностей, с одной стороны, и сужением пространства выбора, с другой. В этом смысле агрессия «центра» против «периферии» – безусловное зло для всех, хоть и в заметно разной степени. Однако обратная ситуация – бунт «периферии» против «центра» – выглядит гораздо хуже.

1. Моалем Ш. (2018). А что, если они нам не враги? Как болезни спасают людей от вымирания. – М., Издательство «Э» (пер. с англ.).

2. Маркс К. (1955). Дебаты о свободе печати и об опубликовании протоколов сословного собрания. Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т.1. – М., Госполитиздат (пер. с нем., 1842).

3. Куликалова Е. С., Урбанович Л. Я., Марков Е. Ю., Вишняков В. С., Миронова Л. В., Балахонов С. В., Шкаруба Т. Т. (2014). Связь холерного вибриона с водными организмами и ее значение в эпидемиологии холеры. Эпидемиология и Вакцинопрофилактика, № 4 (77). С. 17–23.

4. Монахова Е. В. (2013). Стратегия вирулентности холерных вибрионов и пути ее реализации (обзор). Проблемы особо опасных инфекций, вып. 4. С. 60–68.

5. Мулкиджанян А. Я., Шалаева Д. Н., Лямзаев К. Г., Черняк Б. В. (2018). Запускает ли окисление митохондриального кардиолипина цепь антиапоптических реакций? Биохимия, 83, с. 1572–1590.

6. Pruzzo С., Vezzulli L, Colwell R. R. (2008). Global Impact of Vibrio cholerae Interactions with Chitin. Environmental Microbiology 10 (6): 1400–10.

7. Yu C., Lee A. M., Bassler B. L., Roseman S. (1991). Chitin utilization by marine bacteria – a physiological function for bacterial adhesion to immobilized carbohydrates. J Biol Chem 266: 24260–24267.

8. Colwell R. R. (2002). A voyage of discovery: cholera, climate and complexity. Environ Microbiol 4: 67–69.

9. Mueller R. S., McDougald D., Cusumano D., Sodhi N., Kjelleberg S., Azam F., Bartlett D. H. (2007). Vibrio cholerae strains possess multiple strategies for abiotic and biotic surface colonization. J Bacteriol 189: 5348–5360.

10. Mathieu-Denoncourt A., Giacomuccia S., Duperthuy M. (2021). Secretome of Vibrio cholerae. Chapter in Book: Vibrios (pre-print).

11. Briffa K., Jones P., Schweingruber F., Osborn T. J. (1998). Influence of volcanic eruptions on Northern Hemisphere summer temperature over the past 600 years. Nature 393, 450–455.

12. Tanguy J. C., Ribière C., Scarth A., Tjetjep W. S. (1998). Victims from volcanic eruptions: a revised database. Bull Volcanol 60, 137–144.

13. De Haan L., Hirst R. T. (2004). Cholera toxin: a paradigm for multi-functional engagement of cellular mechanisms (Review). Molecular Membrane Biology, 21, 77–92.

14. Odumosu O., Nicholas D., Yano H., Langridge W. (2010). Toxins, 2, 1612–1645.

15. Thompson J. N. (1999). Specific hypotheses on the geographic mosaic of coevolution. Am. Nat. 153, S1–S14.

16. Turner W. C., Kamath P. L., van Heerden H., Huang Y.-H., Barandongo Z. R., Bruce S. A., Kausrud K. (2021). The roles of environmental variation and parasite survival in virulence-transmission relationships. R. Soc. Open Sci. 8: 210088.

17. Wolinska J., King K. C. (2009). Environment can alterselection in host – parasite interactions. Trends Parasitol. 25, 236–244.

18. O’Neal C. J., Jobling M. G., Holmes R. K., Hol W. G. (2005). Structural basis for the activation of cholera toxin by human ARF6-GTP. Science, 309, 1093–1096.

19. Jørgensen R., Purdy A. E., Fieldhouse R. J., Kimber M. S., Bartlett D. H., Merrill A. R. (2008). Cholix toxin, a novel ADP-ribosylating factor from Vibrio cholerae. J Biol Chem; 283 (16): 10671–8.

20. Liu S., Bachran C., Gupta P., Miller-Randolph S., Wang H., Crown D., Zhang Y., Wein A. N., Singh R., Fattah R., Leppla S. H. (2012). Diphthamide modification on eukaryotic elongation factor 2 is needed to assure fidelity of mRNA translation and mouse development. Proc Natl Acad Sci U S A; 109 (34): 13817–22.

21. Gaubitz M. (2006). Epidemiology of connective tissue disorders. Rheumatology (Oxford); 45 Suppl 3:iii3–4.

22. Gao K., Shen X., Lin Y., Zhu X. Z., Lin L. R., Tong M. L., Xiao Y., Zhang H. L., Liang X. M., Niu J. J., Liu L. L., Yang T. C. (2018). Origin of Nontreponemal Antibodies During Treponema pallidum Infection: Evidence From a Rabbit Model. J Infect Dis.; 218 (5): 835–843.

23. Carranza G., Angius F., Ilioaia O., Solgadi A., Miroux B., Arechaga I. (2017). Cardiolipin plays an essential role in the formation of intracellular membranes in Escherichia coli. Biochim Biophys Acta Biomembr; 1859 (6): 1124–1132.

24. Arechaga I., Miroux B., Karrasch S., Huijbregts R., de Kruijff B., Runswick M. J., Walker J. E. (2000). Characterisation of new intracellular membranes in Escherichia coli accompanying large scale over-production of the b subunit of F(1)F(o) ATP synthase. FEBS Lett., 482, pp. 215–219.

25. Mileykovskaya E., Dowhan W. (2009). Cardiolipin membrane domains in prokaryotes and eukaryotes Biochim. Biophys. Acta, 1788, pp. 2084–2091.

26. Schlame M. (2008). Cardiolipin synthesis for the assembly of bacterial and mitochondrial membranes J. Lipid Res., 49, pp. 1607–1620.

27. Romantsov T., Guan Z., Wood J. M. (2009). Cardiolipin and the osmotic stress responses of bacteria Biochim. Biophys. Acta, 1788, pp. 2092–2100.

28. Pieterse E., van der Vlag J. (2014). Breaking immunological tolerance in systemic lupus erythematosus. Frontiers in Immunology, 8, pp. 1–8.

29. Munoz L. E., Van Bavel C., Franz S., Berden J., Herrmann M., van der Vlag J. (2008). Apoptosis in the pathogenesis of systemic lupus erythematosus. Lupus, 17: 371–5.

30. Skiljevic D., Jeremic I., Nikolic M., Andrejevic S., Sefik-Bukilica M., Stojimirovic B., Bonaci-Nikolic B. (2013). Serum DNase I activity in systemic lupus erythematosus: correlation with immunoserological markers, the disease activity and organ involvement. Clin Chem Lab Med, 51: 1083–91.

31. Shiozawa S. (2010). The cause of systemic lupus erythematosus: implication of ‘self-organized criticality theory of autoimmunity’ on the pathogenesis of systemic lupus erythematosus. Int. J. Clin. Rheumatol. 5 (6), 619–626.

32. Bas de Laat H., Derksen R. H., de Groot P. G. (2004). β2-glycoprotein I, the playmaker of the antiphospholipid syndrome, Clin. Immunol., 112, 161–168.

33. Allen K. L., Fonseca F. V., Betapudi V., Willard B., Zhang J., McCrae K. R. (2012). A novel pathway for human endothelial cell activation by antiphospholipid/ anti-β2 glycoprotein I antibodies, Blood, 119, 884–893.

Рак – настолько сложный и серьезный предмет разговора, что любые псевдо- и околонаучные спекуляции по этой теме максимально неуместны. Возможная неосторожность многих суждений в этой последней главе может быть в некоторой степени извинительна только недостаточно полным или даже неверным пониманием автором тех оригинальных концепций гораздо более авторитетных исследователей в данной области, на компиляции работ которых автор пытается выстроить свое повествование.

Актуальные теории злокачественного опухолевого перерождения (карциногенеза) можно свести к двум неравновесным концепциям. Абсолютное большинство относится к различным версиям теории соматических мутаций (ТСМ; somatic mutations theory, SMT). Краткая суть ТСМ всем известна и сводится к происхождению рака из единственной соматической клетки, накопившей мутации в генах, регулирующих циклы клеточного деления. В рамках ТСМ можно выделить подход, развиваемый многократно упоминавшимся в данной книге Евгением Куниным, чья область научных интересов, как можно видеть, охватывает все наиболее острые вопросы биологической науки. Он предполагает, что злокачественные опухоли генетически можно разделить на две группы в зависимости от особенностей связанных с ними мутаций. В первой группе, составляющей около четверти всех типов рака, можно четко выявить несколько определенных «модулей» – устойчивых комбинаций «из взаимно специфичных опухолей и генов, которые (i) соответствуют гистологии опухоли и (ii) обогащены предполагаемыми мутациями-драйверами» (Iranzo J., Martincoreno I.and Koonin E. V., 2018). В отличие от «модульного» пути перерождения на другом пути – «диффузном» – опухолевое состояние достигается крайне широким набором мутирующих генов, многие из которых, возможно, еще не открыты.

Однако ТСМ не может удовлетворительно объяснить ряд необычных феноменов в развитии рака (см. вкладку). В качестве практически единственной альтернативы концепции ТСМ, позволяющей объяснить эти странные феномены, оказывается теория поля тканевой организации (ТПТО; tissue organization field theory, TOFT), предложенная в конце 1990-х годов американскими исследователями аргентинского происхождения Аной Сото и Карлосом Зонненшайном (Soto A. M. and Sonnenschein C., 1999). ТПТО исходит из представления, что исходной причиной формирования ракового состояния клетки (ракового фенотипа) являются нарушения тканевой организации: канцерогенные агенты (химикаты, вирусы, с оговорками – воспаление) разрушают нормальную архитектуру тканей, ломая при этом системы меж- и внутриклеточной сигнализации и разваливая целостность генома. Мутации генов, согласно ТПТО, оказываются только следствием катастрофических событий в межклеточных коммуникациях и тканевой организации (Rosenfeld S., 2013). В видении Сото и Зонненшайна (Soto A. M. and Sonnenschein C., 2008) главная дихотомия между ТСМ и ТПТО состоит в ответе на вопрос: что является для клетки «состоянием по умолчанию» (default state) – покой или деление? В рамках ТПТО это, безусловно, деление. С точки зрения энтропийного подхода это также скорее деление, как наиболее обоснованный с точки зрения «минимизации внутренней энергии» способ поддержания требуемого уровня внутренней упорядоченности при нарастании функциональной сложности и энтропии. В более математической формулировке Джереми Ингланда (УПС: глава V) самовоспроизведение биологической системы обусловлено статистической тенденцией обрести конфигурацию с наилучшим способом диссипации энергии – через самокопирование. Запомненная ценная информация (тезаурус) клетки определяет в конце концов наиболее предпочтительное состояние клетки – деление или покой – в конкретный момент времени в конкретном окружении (контексте), точнее, в зависимости от неопределенности его динамики и способности тезауруса поддерживать его адекватное отражение в динамике внутренней среды (см. ПСЭ Карла Фристона, УПС: глава VI). Именно ценность сохраненной информации, то есть степень ее полезности для достижений целей клетки, оказывается ключевым фактором, определяющим предпочтительный статус. Цели же элемента формируются, как было показано выше, в составе иерархической структуры «вложенных» индивидуальностей (в данном случае клетки, ткани, организма, популяции и так далее), которая может по разным причинам меняться, а вместе с ней – и цели отдельного элемента.

Теория поля тканевой организации (ТПТО) даже в своем названии содержит прямую отсылку к теории «биологического поля» ради которой стоит сделать последнее в данной книге историческое отступление. Впервые физико-математический термин «поле» в применении к биологическим системам стал использовать русский и советский биолог Александр Гаврилович Гурвич. Через понятие «морфогенетическое поле» (1922) он пытался описать возникновение неоднородности в массиве исходно полностью однородных клеток как функцию положения клетки в пространственных координатах целого организма или ткани. Этим самым давалось новое объяснение известного обобщения для множества эмбриологических наблюдений, данное знаменитым в свое время немецким биологом-антидарвинистом и неовиталистом Гансем Дришем: «проспективная судьба элемента определяется его положением в целом». Дриш (Hans Driesch, 1908) объяснял этот феномен присущей всем живым организмам способностью содержать в себе цель, что определяет гармонию всех частей живого в единстве целого и соотносил эту способность с аристотелевской энтелехией (жизненной силой).

Гурвич же видел здесь действие вполне материального векторного морфогенетического поля, которое приводит к упорядоченности биологических структур через «соподчинение» элементов единому целому – в противоположность их простому «взаимодействию» (Гавриш О. Г., 2003). Действие математически просчитываемого единого векторного поля организма, как считал Александр Гурвич, выводит из молекулярных и клеточных процессов топографию распределения актов клеточного деления – митозов – и далее всю морфологию тканей и целого организма. Он предполагал, что материальный субстрат, организующий морфогенетическое поле, имеет скорее физическую, нежели химическую природу; малоизученные в те годы способы межклеточных коммуникаций через сигнальные молекулы понятным образом недооценивались. В качестве такого действующего физического фактора он рассматривал так называемое «митогенетическое излучение» – сверхслабое ультрафиолетовое излучение, стимулирующее митоз.

На основе фотохимической гипотезы немецкого ученого Вальтера Франкенбургера (Walter Frankenburger, 1933) вскоре стало возможным предполагать главный источник такого излучения в биологических системах – редкие рекомбинаторные реакции свободных радикалов, например активных форм кислорода (АФК). Неудивительно, что к настоящему времени именно митохондрии, как основные поставщики АФК в клетке, идентифицированы в качестве основного источника внутриклеточного сверхслабого фотонного излучения (СФИ, ultra-weak photone emission, UPE) в спектре от среднего ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения (Van Wijk R. et al., 2020). К сожалению, в последние десятилетия и сам термин «биологическое поле (биополе)», и вопросы излучения биологических объектов стали плодоносной поляной, хорошо вытоптанной заведомыми шарлатанами, с которой теперь даже добросовестные, как хочется верить, исследователи скатываются на самую грань болота псевдонаучных спекуляций. Таким примером могут быть работы Руперта Шелдрейка (Rupert Sheldrake), продолжившего использовать гурвичский термин «морфогенетическое поле», но уже в свете своей спекулятивной теории морфического резонанса.

ТПТО оставляет много неотвеченных вопросов, явным образом перекликающихся с фундаментальными вопросами биологии. Например, можно ли математически выразить нарушения поля тканевой организации, ведущие к опухолевому перерождению, и что является все-таки физическим субстратом полей тканевой организации (Сото и Зонненштайн часто используют и термин «морфогенетические поля») – близкодействующие межклеточные взаимодействия через различного рода непосредственные контакты соседних клеток (типа плотных контактов), разнообразные сигнальные молекулы, включая нкРНК, экзосомы (УПС: глава VII) и тому подобные «новые мессенджеры» или более дальнодействующие факторы, возможно физической природы, вроде «митогенетического излучения» Александра Гурвича или иных электромагнитных излучений (Mattei T. A., 2015)? Как можно вспомнить, именно сочетание близко- и дальнедействующих конкурирующих взаимодействий служит типичным способом приведения системы в состояние самоорганизованной критичности (СОК, УПС: глава V).

Как считал Саймон Розенфельд из Национального Института Рака в Роквилле (Мэриленд, США), именно концепция СОК способна устранить противоречия или хотя бы подвести под общий знаменатель обе непримиримые концепции канцерогенеза (Simon Rosenfeld, 2013a, 2013b). В качестве математической опоры им использована теория глобального консенсуса (ТГК; Global Consensus Theory, GCT) Стивена Гроссберга из Университета Бостона, США – одна из его ранних теорий, описывающих поведение нейронных сетей (Stephen Grossberg, 1978). В ней показано, что в некоторых классах конкурентных нелинейных динамических сетей (G-системы), к которым можно отнести, например, нейронные сети и экологические сети, построенные по типу «хищник-жертва», где непрерывный рост сдерживается прогрессивно сокращающимися ресурсами, в конечном итоге возникает некоторого рода самоструктурирование и консенсус в отношении распределения ресурсов.

Розенфельд доказывает, что таким системам оказывается свойственен еще и роевой интеллект – своего рода распределенная общая «разумность» организации, одним из аспектов которого становится Quorum Sense, рассмотренный нами ранее на примере бактериальных сообществ (УПС: глава Х). При этом само развитие таких организаций идет по траектории СОК. В информационном отношении эта «разумность», обнаруживающая иерархичность своей структуры, может быть соотнесена с иерархичностью индивидуальностей в гипотезе безмасштабной когнитивности Майкла Левина и Информационной Теории Индивидуальности Дэвида Кракауэра. Потеря всеорганизменного общеклеточного Quorum sense в раковых клетках сейчас рассматривается как рабочая гипотеза с хорошей предсказательной силой даже вне привязки к какой-либо концепции канцерогенеза, в том в числе в применении к вполне практическим вопросам онкологии (Hickson J. et al., 2009; Azur Z. et al., 2010).

Вопрос первичности критического состояния общества или появления в нем таких «самомотивированных» лидеров как вопрос первичности тканевой дезорганизации или ракового перерождения становится стохастическим: в сверхкритическом состоянии общества фактически предопределены постоянные политические рождения потенциальных альтернативных лидеров; даже малохаризматичный лидер в удачных обстоятельствах способен запустить волну «катастрофических» преобразований и, напротив, сильная харизма ушлого пассионария может раскачать еще недостаточно готовое к революции, предкритическое общество; размер последующей «катастрофы» в обоих случаях непредсказуем.

Необходимо отметить, что практически все современные биологические теории (особенно отметим ОПЭ Уильяма Миллера, УПС: глава XI) рассматривают хромосомные конструкции в качестве чрезвычайно пластичных систем – как в части динамики генома, в первую очередь генных сетей, так и в части их механической структурированности и целостности. Есть вполне обоснованное мнение, что биофизические и даже скорее биомеханические процессы в ДНК являются не менее важными инструментами управления генетической информацией наряду с биохимическими (Milstein J. N. and Meiners J.-C., 2011). И, соответственно, нарушение этой пластичности служит если не корневой причиной ракового перерождения клетки, то одним из его ключевых проявлений и ведущих факторов развития.

Сама теория хромосомной нестабильности восходит к наблюдениям немецкого биолога Теодора Бовери, показавшего в начале ХХ века, что некорректные хромосомные сегрегации и аберрации в отдельных клетках могут быть спусковым крючком их ракового перерождения. В любом случае современный взгляд на соматические мутации и хромосомную нестабильность видит их двумя сторонами одной медали: «на самом деле в большинстве форм рака хромосомная нестабильность и мутации идут рука об руку. Мутации провоцируют хромосомную нестабильность, а хромосомная нестабильность, в свою очередь, увеличивает количество мутаций» (Тейлор Д., 2016).

По результатам множества наблюдений показано, что в живых клетках геномные «катастрофы» происходят достаточно часто, что особенно существенно для многоклеточных; подавляющее большинство таких катастроф носит очень ограниченный характер, и их последствия эффективно устраняются тем или иным способом (репарация ДНК и апоптоз клетки наиболее существенные из них). Тем не менее иногда происходят глобальные катастрофы генома, например анеуплодия (изменение числа хромосом) или/и хромотрипсис (расчленение хромосомы на множество мелких частей). Динамика хромосомных катастроф напоминает общеэволюционную динамику прерывистого равновесия, характерную для биологических систем в состоянии самоорганизованной критичности (СОК, УПС: глава V).

Такие хромосомные катастрофы в отдельных клетках рождают клеточных «многообещающих монстров»[20], способных многократно ускорять скорость своей эволюции. К великому сожалению, деформированная индивидуальность этих монстров более не рассматривает себя как часть целостного организма, который становится для них просто окружающей, если не питательной средой. Освобождение от коллективных ограничений позволяет успешно эволюционировать в условиях отбора, основанного в первую очередь на способности вживаться в окружающую ткань, выживать в окружении таких же быстро меняющихся алчных монстров и противостоять клеточным факторам иммунной системы и/или терапевтическим факторам системы здравоохранения.

Так, йельский биолог Джефри Таунсенд (Jeffrey Townsend) убежден, что эволюция раковых клеток сразу, с момента возникновения, приобретает не линейный, а ветвящийся характер (Таунсенд Дж., 2018). Более того, при применении методов «большой» эволюционной биологии к анализу эволюционной истории раковых клеток выясняется, что наиболее злокачественные мутации, ведущие к метастазированию опухоли, в большинстве случаев возникают исключительно рано – часто практически сразу за злокачественным перерождением клетки, и долгие годы, а часто десятилетия никоим образом не проявляют себя. Причем метастатические свойства зачастую независимо приобретает не один, а сразу несколько клеточных клонов. Что происходит с раковыми клонами все эти «молчащие» годы? Происходит ли их естественный отбор на способность наиболее удачным образом вписаться в контекст своего тканевого окружения или переформатировать под себя поле тканевой организации? Являются ли клетки первичной опухоли в самом деле всегда первичными в данной локации или перенесены сюда исключительно рано начавшимся микрометастазированием из оказавшихся для них менее комфортных локализаций? На все эти вопросы, пожалуй, пока нет однозначных ответов, но наличие селекции раковых клонов в процессе развития опухоли несомненно.

Роберт Гейтенби (Robert Gatenby) из Онкологического центра Ли Моффита в Тампе, Флорида и Джеймс Дегрегори (James DeGregori) из Колорадского Университета полагают, что сами по себе мутация или даже масштабная геномная трансформация, инициирующие раковый процесс, не дают такой клетке наследуемых преимуществ и скорее вредны, если снижают ее способность использовать ресурсы прилежащих тканей, то есть ее адаптированность (Гейтенби Р. и Дегрегори Дж., 2019).

В лаборатории Дегрегори было обнаружено, что одинаковые индуцированные мутации в стволовых клетках мышей по-разному сказываются на судьбе животных в зависимости от их возраста: пролиферативный процесс запускался только у старых мышей. Причем определялось это не процессами в мутировавших клетках, а состоянием метаболизма и профилем экспрессии генов в окружающих тканях.

Гейтенби и Дегрегори считают, что в клетках молодых животных уже имеющийся повышенный потенциал роста даже без перерождения уже соответствует уровню энергии, которое можно взять у окружения, то есть перерожденные клетки не получают никаких преимуществ от онкогенных мутаций. Напротив, в стареющих тканях повышенный благодаря онкогенной мутации потенциал роста позволяет в полной мере реализоваться за счет использования ресурсов стареющих окружающих тканей. Нетрудно заметить, что этот теоретический алгоритм развития рака во многом повторяет инфекционную теорию Кристен Дрешер и Стивена Трэси возникновения аутоиммунного диабета I типа в результате энтеровирусной инвазии в подготовленные микроуязвимостями ткани поджелудочной железы (УПС: глава IX).

Насколько синхронизация митохондриального размножения и клеточного деления для поддержания целостной индивидуальности отдельной клетки наиболее логичным образом должна быть отнесена к сфере «ответственности» сети митохондрий (УПС: глава VII), настолько и оркестровка клеточных делений в составе многоклеточного организма должна выполняться коллективным «роевым» интеллектом, где ключевыми узлами меж- и внутриклеточных коммуникаций наиболее естественным образом должны быть митохондрии.

В части внутриклеточного контроля именно они сформировали аппарат контроля клеточного деления высших эукариот, основанный, в частности, на системе белка р53 (или его аналогов).

При обычных условиях р53 «живет» в клетке тихой и незаметной жизнью, в неактивированном состоянии, в крайне незначительной концентрации, под жестким присмотром убиквитин-лигазы Mdm2, непрерывно помечающей его метками «на уничтожение». Все меняется, когда приходит Стресс, который можно расценивать как стремительное падение «понимания» клеткой динамики своей окружающей среды, рост неопределенности контекста ее существования. Непосредственными действующими факторами могут быть тепловой шок, генетические и метаболические сбои, гипоксия, повреждения ДНК. Митохондрии воспринимают внешние стрессовые воздействия и реагируют на них быстрой перестройкой своего окислительного метаболизма, что ведет к массивному высвобождению АФК и АФА, выводящих р53 из-под опеки Mdm2. Активированный р53 перемещается в матрикс и внешнюю мембрану митохондрий, где в зависимости от статуса энергетического метаболизма запускает каскад или апоптоза, или клеточного «спасения». В последнем случае выработка АФК усиливается и поощряется дальнейшее накопление р53, ведущее к связыванию р53 с рядом ключевых генов клеточного деления и репарации ДНК. В целом р53 – один из наиболее эффективных белков-супрессоров рака. Даже незначительные сбои в этой отлаженной системе ставят клетку на грань опухолевого перерождения.

Разнообразные зародышевые мутации в гене белка р53 (но не все) ведут к развитию синдрома Ли-Фраумени – редкому доминантно-наследуемому заболеванию, для которого характерна очень ранняя (часто в детском возрасте) манифестация множественных специфических злокачественных опухолей. Разнообразные соматические мутации этого белка являются одними из самых частых обнаружений при различных типах и локализациях опухолевых перерождений, в том числе в составе типизированных модулей мутаций, предложенных Евгением Куниным (см. выше). Однако большинство нарушений этой системы не обусловлены напрямую дефектами белка р53, а часто находятся в смежных системах митохондрий, хроматина и, что наиболее важно для концепции ТПТО, межклеточных коммуникаций и взаимодействий. Косвенным подтверждением ее справедливости, хотя бы отчасти, оказывается совокупность метаболических феноменов, характерных для пораженной злокачественной опухолью ткани и объединяемых в рамках «эффекта Варбурга» и «обратного эффекта Варбурга». Оба эффекта часто связаны друг с другом и самым тесным образом заплетены вокруг митохондрий.

В середине 20-х годов ХХ века известнейший немецкий биохимик, будущий нобелевский лауреат по медицине Отто Варбург показал, что энергетический метаболизм в раковых клетках существенно изменен: несмотря на свой прогрессирующий рост, они добывают энергию не высокоэффективным путем окислительного фосфорилирования в митохондриях, а преимущественно малопродуктивным, но надежным путем аэробного расщепления глюкозы. В результате такого анаэробного гликолиза происходит накопление преимущественно молочной кислоты, что ведет к вторичным метаболическим эффектам как в самом конгломерате раковых клеток, так и прилегающем микроокружении. Как было показано позднее, это явление, названное «эффектом Варбурга», наблюдается во многих, но не во всех типах злокачественных опухолей. Основным объяснением эффекта стала дисфункция митохондрий. Долгое время он считался сопутствующим феноменом ракового перерождения на фоне доминирующей с 60-х годов ХХ века теории соматических мутаций.

В начале XXI века метаболические феномены раковых клеток вновь оказались в фокусе внимания исследователей, но, разумеется, уже на совершенно ином методологическом и инструментальном уровнях. В 2008 году группа сингапурских ученых обнаружила, что активированные фибробласты в кожных келоидных (чрезмерно разрастающихся) рубцовых тканях демонстрируют такой же гликолитический профиль метаболизма по типу «эффекта Варбурга», как и большинство раковых клеток (Vincent A. S. et al., 2008). В качестве общей причины этого термодинамического феномена стали рассматриваться строгие гипоксические условия в плотных (солидных) опухолях и келоидах. Год спустя в продолжение этого направления исследований научная группа под руководством Майкла Лизанти (Michael Lisanti) из онкологической клиники филадельфийского Университета Томаса Джефферсона на основании серии своих исследований предложила новую интерпретацию «эффекта Варбурга», названную ими «обратный эффект Варбурга». Согласно этой новой концепции, в ходе развития опухоли происходит динамическая коэволюция раковых клеток и фибробластов прилежащей стромы, в результате чего между ними формируется новый тип тесной метаболической связи (Pavlides S. et al., 2009). Раковые клетки стимулируют гликолиз в фибробластах, фибробласты переходят в активированное состояние, обычно принимаемое ими в процессе усиленного заживления ран и образовании рубцовой ткани, но в итоге становятся так называемыми опухоль-ассоциированными фибробластами (фибробластами в ассоциации с опухолью, ФАО; cancer-associated fibroblasts, CAF). Как ФАО они начинают производить невероятное количество молочной и пировиноградной кислоты, питательных субстратов для обеспечения стремительного роста опухолевой ткани. Как образно выразились авторы концепции, злокачественные клетки «коррумпируют» клетки нормальной тканевой стромы, превращая их в фабрику по производству для себя питательных метаболитов (выводу в «черные офшоры» высокоэнергетической валюты). Одним из главных инструментов такого перехода является увеличенная активность фермента (киназы), блокирующего основного потребителя пировиноградной кислоты в клетке – пируват-дегидрогеназный комплекс, который должен превращать пируват в ацетил-коэнзим А и крутить тем самым карусель цикла Кребса в митохондриях. В результате пируват накапливается в цитоплазме, где активно расходуется в окислительных процессах, формируя тем самым метаболический профиль прямого или обратного эффекта Варбурга.

Ключевым элементом в формировании нового типа сосуществования и коэволюции многих типов раковых и прилежащих стромальных клеток называется поверхностный мембранный белок фибробластов кавеолин-1 (Martinez-Outschoorn U. E. et al., 2010). В нормальном состоянии он отвечает за образование особых мембранных впячиваний – кавеол, необходимых для эндоцитоза, например в процессах меж- и внутриклеточной сигнализации. Под влиянием АФК, активно производимых опухолью, кавеолин-1 как бы «смывается» с поверхности фибробластов (рис. 37).

Его потеря запускает накопление моноксида азота (NO), активированной формы азота, важнейшей сигнальной молекулы, что ведет к быстрой дисфункции митохондрий, выражающейся в стремительном развитии оксидативного стресса, выбросу АФК и дальнейшему усилению митохондриальной дисфункции. Раскручивающаяся спираль оксидативного стресса, с одной стороны, разгоняет мутагенную эволюцию в раковых клетках в направлении все более агрессивного фенотипа, с другой – запускает процесс активной митофагии в ФАО. Образующийся дефицит митохондрий в ФАО переключает их энергетический метаболизм на сверхактивный гликолитический путь, чем и создается избыток молочной и пировиноградной кислот в микроокружении опухолей. Молочная кислота «питает» митохондрии опухоли, стимулируя их биогенез, еще большую выработку АФК и усугубление оксидативного стресса. В рамках этой концепции оригинальный «прямой эффект Варбурга» рассматривается в большинстве случаев как артефакт, феномен раковых клеток in vitro в отсутствие эксплуатируемых фибробластов, редко обнаруживаемый в реальных условиях при большинстве типов рака.

Рис. 37. Окислительный стресс в ФАО как основа метаболического сопряжения раковых клеток и ФАО

Очень многие исследователи находят реальные клинические подтверждение этого сценария и видят в нем проявление «эффекта поля», близкого к концепции ТПТО, в котором происходит взаимозависимая коэволюция конгломерата злокачественных клеток и его микроокружения. По мнению группы Майкла Лизанти, физическим субстратом этого поля служат АФК, опосредующие распространение волн оксидативного онкогенного стресса в подготовленной тканевой среде. Оксидативный стресс сравнивается ими с Гамельнским Крысоловом, несложной игрой на дудочке завлекающим сначала крыс, а потом и детей в притягательный, но – увы! – безвозвратный путь (рис. 38).

Рис. 38. Гамельнский крысолов

За последние годы в большом количестве исследований обнаружено, что помимо АФК важнейшим дополнительным или альтернативным медиатором сети коммуникаций между опухолевыми клетками и их микроокружением выступают некодирующие миРНК и днкРНК (Fang Z. et al., 2020). Возможно, именно они несут основное информационное содержание этих коммуникаций, а АФК только определяют их контекст. Показано, в частности, что именно нкРНК могут инициировать основные события в предложенной выше схеме коэволюционного ракового перерождения ткани: экзосомы из ФАО, содержащие миРНК, способны разрегулировать энергетический метаболизм митохондрий в раковых клетках и блокировать запускаемый митохондриями клеточный апоптоз (Zhao H. et al., 2016; Zhao H. et al., 2020).

Разумеется, средства коммуникаций опухоли и ее микроокружения не ограничиваются только АФК и нкРНК, в этом качестве используются практически все типы сигнальных молекул организма, включая гормоны, нейромедиаторы и цитокины. На своем внутриклеточном участке эти коммуникации в большинстве случаев замыкаются на сигнальный путь mTOR. Межклеточные сигналы, сводимые в этот внутриклеточный путь, запускают гены, которые обеспечивают усиление синтеза белка, пролиферацию клеток и активацию гликолиза. Причем в части клеток злокачественного опухолевого холобионта данный путь активируется (в первую очередь в самих раковых клетках), в части – тормозится (рис. 39). Таким образом формируется своеобразный метаболический профиль опухоли и ее микроокружения, меняющий поле тканевой организации и, в конце концов, ее морфологию. Бедные кислородом (гипоксические) условия внутри многих солидных опухолей дополнительно активируют так называемый индуцируемый гипоксией фактор-1α (Hypoxia-Inducible Factor-1α, HIF-1α), за открытие которого была присуждена Нобелевская премия 2019 года. В нормальных тканях он отвечает за перестройку физиологии клетки в условиях кислородного голодания, но в раковых клетках становится одним из важных звеньев, сводящим воедино основные феномены злокачественного перерождения (рис. 40): замыкая на себя онкогенные сигнальные пути mTOR и GPCR-RAS,RAS-MARK, разбуженный опухолевой гипоксиейHIF-1 блокирует спасительный для клетки белок р53, разрегулирует окислительное фосфорилирование в митохондриях, стимулирует их митофагию. В ядре HIF-1 поддерживает экспрессию двух групп генов, существенно снижающих результативность противоопухолевой химиотерапии: генов АВС транспортеров (УПС: глава I), эффективно выводящих из клетки нежелательные для нее вещества, и генов, активно противостоящих летальным повреждениям ДНК в результате химио- и радиотерапии, типа гена топоизомеразы 2А (нелетальные мутации, напротив, действенно поддерживаются).

Одновременно происходит вычленение конгломерата перерожденных клеток из общей индивидуальности организма и, если применимо, органа (УПС: глава V), и появление ее собственной, отдельной индивидуальности. Эта группировка клеток-мошенников (читеров) объединяется своего рода воровским кодом чести, как образно описывает этот процесс Афина Актипис (Athena Aktipis) из Центра по исследованию эволюции рака при Аризонском университете (Актипис А., 2021). Актипис считает тем не менее, что взаимосвязи между здоровыми клетками гораздо более сложны, такие клетки гораздо лучше скооперированы, что, казалось бы, должно давать им преимущество перед гораздо более метаболически мощными «читерами». Похожим образом в «Поле битвы – Земля» Рона Хаббарда физически и умственно более ущербные земляне одерживают в конце концов верх над более совершенными, но менее нравственно сплоченными злобными пришельцами-психлосами. Однако, скажем, Лев Толстой (устами Пьера Безухова) менее оптимистичен в отношении текущей сплоченности добрых людей: «ежели люди порочные связаны между собой и составляют силу, то людям честным надо сделать (то есть только предстоит – примеч. авт.) то же самое».

Рис. 39. Рак организует лояльную себе окружающую среду посредством сигнальной системы mTOR в клетках микроокружения (по Conciatori F. et al., 2018):

Treg-регуляторные Т-лимфоциты; CD8+ – цитотоксические Т-лимфоциты; CD-4+ – Т-лимфоциты-хелперы; ФАО – фибробласты, ассоциированные с опухолью, основные клетки опухолевой стромы, модифицируют межклеточный матрикс в удобную для опухоли консистенцию, обеспечивают гликолитический метаболизм раковых клеток (см. прямой и обратный эффекты Варбурга); КСМП – клетки-супрессоры миелоидного происхождения, тормозят с помощью интерлейкина-10 противоопухолевый иммунитет, способствуют дифференциации МАО в поддерживающий тип М2; МАО – макрофаги, ассоциированные с опухолью, дифференцируются в М2 или переключаются из воспалительных противоопухолевых М1 в противовоспалительные и проопухолевые М2; эндотелиальные клетки наряду с МАО вовлечены в ангиогенез опухоли

Рис. 40. Участие HIF-1α в формировании ракового фенотипа, включая устойчивость к химиотерапии (по Akman M. et al., 2021):

ПГД – пролилгидроксилазная диоксигеназа тормозится в условиях гипоксии, что стабилизирует HIF-1α. Активация зависимых от рецепторных тирозинкиназ (РТК) mTOR и RASMARK (УПС: глава XIII) онкогенных сигнальных путей (СП) стимулирует образование большего количества HIF-1α. Избыток HIF-1α в клетке ингибирует белок р53, что наряду с активацией онкогенов Bcl-2 и IAP-3 блокирует апоптоз перерождающейся клетки. Кроме того, ингибирование р53 приводит к митохондриальной дисфункции. При попадании в ядро HIF-1α активирует гены репарации ДНК (TOP2A, Ku-70, Ku-80, DNA-PK) и АВС транспортеров, выводящих химиотерапевтические препараты из клетки

Как представляется, в случае доброкачественного опухолевого процесса, несмотря на драматические изменения коммуникационного пространства, искажения поля тканевой организации и формирования новой самостоятельной индивидуальности не происходит.

При всей вовлеченности в раковый процесс самых разнообразных меж- и внутриклеточных средств коммуникаций определяющие его основное содержание каналы обмена информацией замыкаются на митохондрии. Более того, в части неопластических процессов митохондрии сами становятся своего рода средствами коммуникаций. Речь идет о явлении переноса (трансфера) митохондрий из ФАО в раковые клетки, наблюдаемое при некоторых видах рака, например раке простаты (Ippolito L. et al., 2019). То есть в этом случае преданные фибробласты не просто передают для митохондрий раковой клетки питательные вещества, но «за ненадобностью» отдают и сами митохондрии.

В целом это часть грандиозного, еще подлежащего широкому осмыслению явления – массивного межклеточного обмена митохондриями в многоклеточном организме, более-менее полно описанного только к середине 2010-х годов, хотя первые наблюдения относятся еще к 1980-1990 годам. В нормальных физиологических условиях обмен митохондриями наблюдается в первую очередь в тканях с высоким потреблением энергии, когда митохондрии активно передаются между сверхактивными узкофункциональными профильными клетками специализированной ткани или органа и окружающими «вспомогательными» клетками: в нейроны из окружающей глии нервной ткани (где это явление впервые было обнаружено), между кардиомиоцитами и фибробластами в миокарде, между тубулярными и мезенхимальными стволовыми клетками в почках (Liu D. et al., 2021).

Гораздо более интенсивный обмен митохондриями наблюдается при развивающихся заболеваниях. В этом случае этот феномен можно расценивать как попытку расставить точки над i в судьбе вовлеченных в патологический процесс клеток: или оживить их (ревитализировать, по Delin Liu с соавторами), или привести к апоптозу, если собственные митохондрии ущемленной патологией клетки не смогли самостоятельно справиться с этой дилеммой.

В полном объеме и в максимально выраженной степени этот процесс наблюдается при неопластических процессах. При этом его проявления и последствия многогранны и неоднозначны: привлечение митохондрий раковыми клетками из своего микроокружения имеет значение не только для восполнения их численности ввиду рассинхронизации клеточного деления и необходимости умножения числа митохондрий, но и для формирования особого ракового фенотипа, включая увеличение способности к миграции, прорастанию, метастазированию и устойчивости к химиотерапии (Zampieri L. X. et al., 2021). Сюда же может быть отнесена и своеобразная «зародышевость» («стволовость», stemness) метаболизма митохондрий во многих видах раковых клеток, существенно отличающаяся от их метаболизма в более дифференцированных клетках.

Представляется допустимым взгляд, что трансфер митохондрий в значительном преимуществе активный процесс именно со стороны митохондрий, нежели активный захватили передача со стороны испытывающей недостаток или относительный избыток целой клетки. То есть процесс может напоминать активную колонизацию архей предками митохондрий, своеобразное «повторение филогенеза в патогенезе» (УПС: глава II), тем более что существует не один, а множество векторных механизмов их переноса из клетки в клетку (например, через туннельные нанотрубки (ТНТ), по дендритным отросткам, посредством микровезикул), в целом конгруэнтным механизмам межклеточной передачи вирусов. Причем не меньшее, а, может быть, и большее значение при трансфере митохондрий имеет не передача самих митохондрий, а, скорее, их «здоровой» мтДНК (Dong L.-F. et al., 2017). Кроме того, в организме наблюдается циркуляция свободных митохондрий и свободной мтДНК – явление, масштабы которого еще предстоит установить. Разумеется, повторение не является абсолютным хотя бы в силу отсутствия у современных митохондрий аппарата активного передвижения, передвижение создается скорее мобилизацией определенного набора клеточных белков (ведущую роль в котором, что неудивительно, играет все тот же р53, а также цитоскелетные актиновые белки, составляющие основу ТНТ). Возможно, эта циркуляция не ограничивается одним организмом, и возможна передача митохондрий и/или их ДНК между разными особями, по крайней мере у некоторых видов эукариот. Неясен масштаб этого явления вообще среди многоклеточных эукариот – основные наблюдения сделаны на людях и лабораторных мышах.

Возможно, у некоторых животных, например тех же летучих мышей, этот феномен гораздо более выражен. Тем не менее митохондриальный трансфер, как и многие другие упомянутые эволюционные и информационные феномены, уже находят свое применение в терапии рака. Если в лечении, например, ишемии миокарда перспективной выглядит прямая «трансплантация митохондрий» в пораженное сердце (здесь стоит в первую очередь выделить пионерские работы Джеймса МакКалли из Медицинской Школы Гарвардского Университета (McCully J. D. et al., 2009), то в лечении рака, напротив, расчет делается на блокирование митохондриального переноса между опухолью и ее микроокружением.

Это может быть достигнуто усилением конкурентных условий для наиболее злокачественных, то есть наиболее устойчивых к радио- и химиотерапии клонов за счет снижения интенсивности терапии: если мы не можем достичь полного искоренения опухоли на максимальных дозировках, мы можем управлять ее развитием, используя умеренные дозы. При этом гибнет меньше раковых клеток (хоть и подавляющее большинство), но выживают не только наиболее резистентные и злокачественные клоны, но и более умеренные, способные составить первым конкуренцию. Такой подход уже привел к значительному увеличению выживаемости для нескольких видов рака (Гейтенби Р. и Дегрегори Дж., 2019).

Гораздо более трудным выглядит направление активации противоопухолевого иммунитета. Со времени Фрэнка Марка Бернета (УПС: глава XII) считалось, что иммунитет должен воспринимать опухоль как НеСвое/Чужое (в распознавании опухолей, как иногда считалось, и состоит его главное предназначение), хотя механизмы внезапного отчуждения прежде Своего понимались не вполне. Ведущая роль отдавалась (и отдается) измененным или проявляющимся опухолевым антигенам на поверхности перерожденных клеток, вызывающим реакцию преимущественно клеточного цитотоксического иммунитета. Прорастание рака (как правило, уже на достаточно поздних стадиях) разрушает окружающие ткани, создавая контекст опасности (DAMP), но большинство злокачественных опухолей, как профессиональные мошенники (см. выше «читеры» Афины Актипис) до последнего умело сглаживают остроту ситуации, в связи с чем контекстное подтверждение оказывается весьма вялым, как и сам естественный противоопухолевый иммунитет, более напоминающий реакцию на стерильную рану. Дополнительная проблема состоит и в том, что избавляясь от общеорганизменной индивидуальности, раковые клетки часто избавляются и от ее молекулярных признаков – в частности белков главного комплекса гистосовместимости МНС I и II, только в паре с которыми Т-клетки распознают чужеродные антигены.

Тем не менее есть надежда, что большинство перерождающихся клеток все-таки вовремя распознается или самораспознается тем или иным способом, и тем или иным способом уничтожается или доводится до состояния сенесценции или самоубийства своим сознательным иммунокомпетентным окружением. Одним из перспективных подходов к выходу из иммунного цугцванга при достаточно развитой опухоли считалось «обострение» игры: внесение в контекст событий признаков инфекционного вторжения (концепция PAMP, УПС: глава XII). В качестве орудий использовались или инфекционные адъюванты, например неизменная вакцина БЦЖ или более действенные посредники активной иммунной реакции на инфекционные агенты – провоспалительные цитокины: фактор некроза опухолей, интерфероны альфа и гамма, интерлейкины 2, 4, 12, или их комбинации. Достаточно успешными результаты можно было назвать только при отдельных видах неопластических процессов, например применение БЦЖ при раке мочевого пузыря или интерферона альфа при хроническом миелолейкозе или волосатоклеточном лейкозе.

Так, важнейшим гормоном, формирующим одно из основных СОКДИС – сон, является мелатонин, циркадный гормон сна. Помимо клеток эпифиза, своего основного источника в организме, в некотором количестве он может вырабатываться во всех митохондриях, где в числе прочего служит защитой от АФК. Как выяснилось, мелатонин может в некоторых случаях эффективно противостоять росту опухоли. Он блокирует одну из фомок-отмычек, с помощью которой происходит переключение на метаболизм типа «эффекта Варбурга» раковых клеток или «обратного эффекта Варбурга» сопровождающих их ФАО. Эта фомка – упоминавшаяся киназа пируват дегидрогеназы. Но сам мелатонин образуется из ацетил-коэнзима А, синтез которого в митохондриях заблокирован вышеназванной фомкой (Blask D. E. et al., 2014; Reiter R. J. et al., 2020).

Выйти из очередного ракового цугцванга может помочь эпифизарный мелатонин, но он вырабатывается только по ночам и поэтому только по ночам, «во сне», перерожденная клетка может вновь на время становиться самой собой, как красавица Алена из «Чародеев» (Б. Бромберг, братья Стругацкие, 1982). К сожалению, поцелуй Иванушки (NK- или Т-лимфоцита) в этом контексте все равно вряд ли сможет вернуть клетку-Аленушку в прежнее прекрасное состояние. Скорее, очнувшись, она ужаснется своему новому монструозному виду и в результате или самоубьется апоптозом, или превратится в Бабу-Ягу – сенесцентное зомби, покрытое изнутри разветвленной сетью слившихся митохондрий-спагетти и заражающее всех вокруг своей желчной злобой. Но по крайней мере для целого сказочного мира – нашего организма – ее неутолимая злоба кажется менее вредной, чем неумолимый метастазирующий рост ракового Годзиллы. И здесь здоровый сон может оказаться весьма результативным если не лечебным, то профилактическим средством. Также адекватная физическая нагрузка в качестве необходимого горметического воздействия на организм показывает себя эффективным методом восстановления умеренной, не зашедшей далеко митохондриальной дисфункции.

Разумеется, в этом направлении, которое можно обозначить как митохондриальную терапию, идет и усиленный поиск лекарственных средств. В зависимости от конкретного контекста в ее рамках приходится решать иногда почти противоположные задачи: в некоторых случаях необходимо стимулировать слияние митохондрий, в других, как, например, при сенесцентном перерождении, наоборот, тормозить; в одних случаях желательно усилить выработку АФК, чтобы разбудить апоптоз, в других, напротив, затормозить их образование. В любом случае конечной целью митохондриальной терапии должно стать восстановление единой коммуникационной информационной сети целостного организма, поддерживаемой его маленькими царицами-митохондриями.

Можно назвать 6 активно разрабатываемых сейчас основных путей митотерапии:

1) уже упоминавшийся трансфер здоровых митохондрий в проблемные ткани. При раке, напротив, требуется скорее блокирование этого процесса;

2) генная терапия митохондрий, снижение катастрофического для клетки генетического разнообразия митохондрий (гетероплазии), ведущей к трудностям адекватного регулирования их деятельности;

3) доставка в митохондрии специализированных антиоксидантов, блокаторов или стимуляторов окислительного фосфорилирования;

4) доставка в митохондрии функциональных белков и РНК, включая нкРНК;

5) применение агентов слияния или разделения митохондрий;

6) применение агентов торможения или активации митофагии.

В приложении к терапии рака те вещества, которые способны через воздействие на митохондрии оказывать противоопухолевое действие, названы чешско-австралийской исследовательской группой под руководством Иржи Неужила и Лань-Фен Дона «митоканами» (mitocans, от «mitochondria + cancer», Neuzil I., Dong L.-F. et al., 2013). По определению авторов, эти вещества при раке «дестабилизируют митохондрии», но фактически они должны действовать по принципу «защищай или зачищай»: или «защищать» поле нормальной тканевой организации, опосредуемое зависимыми от митохондрий механизмами, или полностью «зачищать» его в случае его искривления злокачественными эгоистическими неопластическими процессами. На данный момент как наиболее перспективные из «зачищающих» митокинов заявляются конъюгаты ингибиторов ЭТЦ с перевозчиком – липофильным катионом трифенилфосфонием (ТФФ), обеспечивающим целенаправленную доставку этих активных веществ в митохондрии (Dong L. et al., 2020). Блокируя первый или второй белковые комплексы ЭТЦ в митохондриях раковых клеток, они превращают отдельные искорки АФК в целый фонтан искр, сжигающий изнутри раковые и/или прислуживающие им извращенные раковым процессом клетки стромы. Некоторые из препаратов уже находятся в завершающих стадиях клинических испытаний, где показывают многообещающие результаты, например конъюгаты с ТФФ сукцината витамина Е (MitoVES), тамоксифена (MitoTam) и метформина (MitoMet).

Однако более целостный подход к пониманию опухолевого процесса, исходя из энтропийных, квантовых и эволюционных оснований жизни, еще требует широкого осмысления. Мы увидели, что высокая неопределенность окружающей среды должна способствовать склонности элементов системы к самоуничтожению (в случае клетки – апоптозу), низкая – напротив, способствовать устойчивости (УПС: глава XI). Способность снижать неопределенность во многом определяется тезаурусом системы и ее умением наиболее точно отражать причины неопределенности в своих внутренних моделях. Это умение зависит от уровня сложности, которой система обладает сама и которую способна создать. Искусственно перенасыщенный (достигший пределов емкости свой информационной тары) тезаурус системы в условно комфортных условиях и/или избыточная сложность внутренних моделей снижает, с одной стороны, склонность к самоликвидации, с другой – сужает границы ее индивидуальности до ее физических границ, делая первый шаг к вычленению себя из коллективной индивидуальности, например органа или организма. Другими словами, происходит сжатие вычислительной границы многоклеточной функциональной системы. Внешне это может выглядеть как снижение некоторой функциональной избыточности в вовлеченных тканях (см. феномен «продавца газет», УПС: глава VI).

Опухолевые клетки обретают «зародышевость», то есть оказываются подобны зиготе, также образовавшейся в условиях информационной насыщенности чрезвычайно защищенной среды, создавшей для зиготы своеобразный информационный, в том числе эпигенетический ландшафт. Движимые эгоизмом своих специфических генетических ансамблей, они выбирают свой отдельный эволюционный путь, в целом не противоречащий магистрали всеобщей эволюции. Другой вопрос, что для своих родительских организмов они оказываются на этом всеобщем пути не стыковочными рельсами или стрелками, а весомыми помехами – тормозными башмаками, сбрасывающими в итоге весь состав целостного организма в кювет небытия. Можно расценивать это как естественный парафеномен эволюции в условиях относительно сниженного давления паразитов: если внешние паразиты не заполнили весь доступный объем эксплуатации, это сделают внутренние паразиты – злокачественные опухоли. Но это уже тот всеобщий аспект (микро)эволюции, которому мы в силах «контрэволюционно» противостоять.

Более развернутые и систематичные рассуждения австралийских ученых Элизабет Сигстон и Брайана Уильямса (Sigston E. A. W. and Williams B. R. G., 2017), также рассматривающих проблему рака с позиций эмерджентности (УПС: глава VI), системности, термодинамики, сложности, энтропии и биоинформатики, и позволили им составить 12 принципов «рамочной концепции эмерджентности канцерогенеза» (an emergence framework of cancerogenesis). Данные принципы приведены ниже без купюр и комментариев в скромной надежде, что все предыдущее изложение позволит читателю самостоятельно понять и оценить эти принципы и их научно-прикладной потенциал.

• Рак – это динамическая сложная система, эмерджентно возникающая на уровне «функциональной тканевой единицы (ФТЕ)».

• Рак – не отдельная болезнь, но эмерджентный феномен, который может возникать во многих ФТЕ в результате множества различных процессов. Эти процессы запускают механизм канцерогенеза, который является специфическим для данной ФТЕ и может быть специфическим для отдельной опухоли. Общие характеристики ракового состояния могут быть достигнуты через различные системы использованием различных механизмов.

• Способность к возникновению рака (его причинность) – это свойство целой системы и не связано с определенным иерархическим уровнем ее организации: многомасштабные причинно-следственные связи одновременно увязывают его причины с различными иерархическими уровнями.

• «Состояние» клетки определяется ее положением в ФТЕ и состоянием ФТЕ как системы. Все живые системы обладают обменом веществ и в этом плане являются во времени динамическими. Выбор между «покоем» или «делением» как состоянием клетки «по умолчанию» абсолютно нерелевантно с точки зрения рамочной концепции эмерджентности канцерогенеза.

• Здоровая ФТЕ является метастабильной системой, осцилирующей между поддержанием оптимальной функциональности, максимальной адаптируемостью в коммуникациях со своей окружающей средой, и самосохранением через восстановление, дифференцировку и апоптоз. Метастабильное состояние описывается естественным законом статуса ФТЕ, согласно которому этот статус определяется как F=k/M (рис. 41), где F – статус ФТЕ, M – показатель восстановления/роста, k – константа (k≠0).

• ФТЕ обретает точки самоорганизованной критичности в обоих направлениях к энтропии или хаосу (см. рис. 41), за которыми происходят коллапсы критичности («катастрофы»), приводящие к утрате морфологических и физиологических характеристик здоровой ФТЕ и формированию состояния, способного привести к возникновению рака. ФТЕ как метастабильная система осцилирует в фазовом пространстве состояний между оптимальной функциональностью, наибольшей адаптируемостью, с одной стороны, и самосохранением через восстановление и дифференцировку, с другой. Если ФТЕ слишком сильно сдвигается в сторону наилучшего функционирования, у нее сокращается способность к адаптациям в ответ на изменения окружающей среды. В крайнем выражении она становится закрытой системой, неспособной получать энергию из своего окружения, что в соответствии со вторым началом теродинамики увеличит ее энтропию и, в случае биологической системы, повлечет старение и смерть. Если ФТЕ перейдет в состояние чрезмерного роста или перевосстановления, то это повлечет перенаправление энергии от задач нормального функционирования и увеличит потребность в поступлении дополнительной энергии из окружающей среды, сдвигая систему в гиперэнергизированное состояние.

Рис. 41. По Sigston E. A. W. and Williams B. R. G., 2017

• Снижение избыточности здоровых ФТЕ за счет возрастания энтропии (дегенерации) или чрезмерного восстановительного процесса в ответ на повреждение ткани сопряжено с увлечением риска возникновения рака.

• Факторы риска рака с помощью различных механизмов ускоряют снижение избыточности ФТЕ по сравнению с естественным процессом старения.

• Потеря характеристик, которые делают ФТЕ целостной системой, является обязательным условием формирования начального предракового состояния.

• «Рак» представляет собой появление новой «системы», возникающей из компонентов ФТЕ, утратившей нормальное устройство самоорганизации и функциональность, что проявляется изменениями в ее морфологии и физиологии.

• Развитие рака – это детерминированное развитие последовательностей быстро адаптирующихся эмерджентных систем, каждая из которых проявляется определенными морфологическими, физиологическими и поведенческими паттернами, динамика которых может быть изучена с применением подхода фазового пространства системы.

• Рамочная концепция эмерджентности канцерогенеза предоставляет общую единую платформу для упрощения и объединения изучений рака во всех областях фундаментальных, клинических и трансляционных[21] исследований. Фокус этих исследований должен быть направлен на тот уровень биологической организации, на котором ставится диагноз ракового процесса – ФТЕ.

1. Гавриш О. Г. (2003). Гурвич А. Г. и подлинная история биологического поля. Химия и жизнь. № 5. С. 32–37.

2. Тейлор Д. (2016). Здоровье по Дарвину. Почему мы болеем и как это связано с эволюцией. – М., Альпина Паблишер.

3. Таунсенд Дж. (2018). Эволюционное древо рака. ВМН № 7, с. 44–50.

4. Гейтенби Р., Дегрегори Дж.(2019). Борьба с раком по Дарвину. ВМН № 10, с. 5–11.

5. Актипис А. (2021). Злостные читеры. ВМН № 3, с. 22–26.

6. Iranzo J., Martincoreno I., Koonin E. V. (2018). Cancer-mutation network and the number and specificity of driver mutations. Proc Natl Acad Sci U S A.; 115 (26): E6010–E6019.

7. Soto A. M., Sonnenschein C. (1999). The Society of cells – Cancer and control of cell proliferation. – Bios Scientific-Springer Verlag, Oxford-NY.

8. Sonnenschein C., Soto A.M. (2008). Theories of carcinogenesis: an emerging perspective. Semin Cancer Biol.; 18 (5): 372–7.

9. Soto A. M., Sonnenschein C. (2011). The tissue organization field theory of cancer: A testable replacement for the somatic mutation theory. Bioessays 33: 332–340.

10. Driesch H. (1908). The Science and Philosophy of the Organism: The Gifford Lectures delivered before the University of Aberdeen in the Year 1907 and 1908 (2 vols.). London: Adam and Charles Black. [1] 2nd ed. London: A. & C. Black, 1929.

11. Mintz B., Illmensee K. (1975). Normal genetically mosaic mice produced from malignant teratocarcinoma cells. Proc Natl Acad SciUSA. 72 (9): 3585–9.

12. Van Wijk R., Van Wijk E. P. A., Pang J., Yang M., Yan Y., Han J. (2020). Integrating Ultra-Weak Photon Emission Analysis in Mitochondrial Research. Front. Physiol. 11: 717.

13. Frankenburger W. (1933). Neuere Ansichten über das Wesen photochemischer Prozesse und ihre Bedeutung zu biologischen Vorgangen. Strahlentherapie. Bd. 47, S. 2.

14. Mattei T. A. (2015). Alternating electric fields and carcinogenesis: a new paradigm to avoid missing the elephant in the room. World Neurosurgery, 83 (5): 718–22.

15. Rosenfeld S. (2013a). Global consensus Theorem and self-Organized criticality: Unifying principles for Understanding self-Organization, swarm Intelligence and Mechanisms of carcinogenesis. Gene Regulation and Systems Biology, 2013: 723–39.

16. Rosenfeld S. (2013b). Are the somatic mutation and tissue organization field theories of Carcinogenesis Incompatible? Cancer Informatics, 12: 221–229.

17. Grossberg S. (1978) Competition, Decision and Consensus. J Math Anal Appl 662: 470-493.

18. Hickson J., Diane Y. S., Berger J., Alverdy J., O’Keefe J., Bassler B, Rinker-Schaeffer C. (2009). Soci et al. interactionsin ovarian cancer metastasis: a quorum-sensing hypothesis. Clin Exp Metastasis, 26: 67–76.

19. Agur Z., Kogan Y., Levi L., Harrison H., Lamb R., Kirnasovsky O. U., Clark R. B. (2010). Disruption of a Quorum Sensing mechanism triggers tumorigenesis: a simple discrete model corroborated byexperiments in mammary cancer stem cells. Biol Direct, 5: 20.

20. Milstein J.N., Meiners J.-C. (2011). On the role of DNA biomechanics in the regulation of gene expression. J. R. Soc. Interface 8, 1673–1681.

21. Toufektchan E., Toledo F. (2018). The Guardian of the Genome Revisited: p53 Downregulates Genes Required for Telomere Maintenance, DNA Repair, and Centromere Structure. Cancers. 10 (5): 135.

22. Nithipongvanitch R., Ittarat W., Velez J. M., Zhao R., St Clair D. K., Oberley T. D. (2007). Evidence for p53 as guardian of the cardiomyocyte mitochondrial genome following acute adriamycin treatment. J. Histochem. Cytochem. 55 (6): 629–639.

23. Vincent A. S., Phan T. T., Mukhopadhyay A., Lim H. Y., Halliwell B., Wong K. P. (2008). Human skin keloid fibroblasts display bioenergetics of cancer cells. J. Invest. Dermatol. 128 702–709.

24. Pavlides S., Whitaker-Menezes D., Castello-Cros R., Flomenberg N., Witkiewicz A. K., Frank P. G., Casimiro M. C., Wang C., Fortina P., Addya S., Pestell R. G., Martinez-Outschoorn U. E., Sotgia F., Lisanti M. P. (2009). The reverse Warburg effect: aerobic glycolysis in cancer associated fibroblasts and the tumor stroma. Cell Cycle, 8 (23): 3984–4001.

25. Martinez-Outschoorn U. E., Balliet R. M., Rivadeneira D. B., Chiavarina B., Pavlides S., Wang C., Whitaker-Menezes D., Daumer K. M., Lin Z., Witkiewicz A. K., Flomenberg N., Howell A., Pestell R. G., Knudsen E. S., Sotgia F., Lisanti M. P. (2010). Oxidative stress in cancer associated fibroblasts drives tumor-stroma co-evolution: A new paradigm for understanding tumor metabolism, the field effect and genomic instability in cancer cells. Cell cycle (Georgetown, Tex.), 9 (16): 3256–3276.

26. Pokorný J., Pokorny J., Kobilková J., Jandová A., Holaj, R. (2020). Cancer Development and Damped Electromagnetic Activity. Applied Sciences, 10, 1826.

27. Fang Z., Xu J., Zhang B., Wang W., Liu J., Liang C., Hua J., Meng Q., Yu X., Shi S. (2020). The promising role of noncoding RNAs in cancer-associated fibroblasts: an overview of current status and future perspectives. J Hematol Oncol 13, 154.

28. Zhao H., Yang L., Baddour J., Achreja A., Bernard V., Moss T., Marini J. C., Tudawe T., Seviour E. G., San Lucas F. A., Alvarez H., Gupta S., Maiti S. N., Cooper L., Peehl D., Ram P. T., Maitra A., Nagrath D. (2016). Tumormicroenvironment derived exosomes pleiotropically modulate cancercell metabolism. Elife, 5: e10250.

29. Zhang H., Deng T., Liu R., Ning T., Yang H., Liu D., Zhang Q., Lin D., Ge S., Bai M., Wang X., Zhang L., Li H., Yang Y., Ji Z., Wang H., Ying G., Ba Y. (2020). CAF secreted miR-522 suppresses ferroptosis and promotes acquired chemo-resistance ingastric cancer. Mol Cancer, 19: 43.

30. Conciatori F., Bazzichetto C., Falcone I., Pilotto S., Bria E., Cognetti F., Milella M., Ciuffreda L. (2018). Role of mTOR Signaling in Tumor Microenvironment: An Overview. International journal of molecular sciences, 19 (8), 2453.

31. Akman M., Belisario D. C., Salaroglio I. C., Kopecka J., Donadelli M., De Smaele E., Riganti C. (2021). Hypoxia, endoplasmic reticulum stress and chemoresistance: dangerous liaisons. J Exp Clin Cancer Res, 11; 40 (1): 28.

32. Ippolito L., Morandi A., Taddei M. L., Parri M., Comito G., Iscaro A., Raspollini M. R., Magherini F., Rapizzi E., Masquelier J., Muccioli G. G., Sonveaux P., Chiarugi P., Giannoni E. (2019). Cancer-associated fibroblasts promote prostate cancer malignancy via metabolic rewiring and mitochondrial transfer. Oncogene, 38 (27): 5339–5355.

33. Liu D., Gao Y., Liu J., Huang Y., Yin J., Feng, Y., Shi L., Meloni B. P., Zhang C., Zheng M., Gao J. (2021). Intercellular mitochondrial transfer as a means of tissue revitalization. Signal Transduction and Targeted Therapy, 6 (1): 65.

34. Zampieri L. X., Silva-Almeida C., Rondeau J. D., Sonveaux P. (2021). Mitochondrial Transfer in Cancer: A Comprehensive Review. Int. J. Mol. Sci., 22, 3245.

35. Dong L. F., Kovarova J., Bajzikova M., Bezawork-Geleta A., Svec D., Endaya B., Sachaphibulkij K., Coelho A. R., Sebkova N., Ruzickova A., Tan A. S., Kluckova K., Judasova K., Zamecnikova K., Rychtarcikova Z., Gopalan V., Andera L., Sobol M., Yan B., Pattnaik B., Bhatraju N., Truksa J., Stopka P., Hozak P., Lam A. K., Sedlacek R., Oliveira P. J., Kubista M., Agrawal A., Dvorakova-Hortova K., Rohlena J., Berridge M. V., Neuzil J. (2017). Horizontal transfer of whole mitochondria restores tumorigenic potential in mitochondrial DNA-deficient cancer cells. Elife. 15; 6: e22187.

36. McCully J. D., Cowan D. B., Pacak C. A., Toumpoulis I. K., Dayalan H., Levitsky S. (2009). Injection of isolated mitochondria during early reperfusion for cardioprotection, Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol., 296, H94–H105.

37. Blask D. E., Dauchy R. T., Dauchy E. M., Mao L., Hill S. M., Greene M. W., Belancio V. P., Sauer L. A., Davidson L. (2014). Light exposure at night disrupts host/cancer circadian regulatory dynamics: impact on the Warburg effect, lipid signaling and tumor growth prevention. PLoS One. 6; 9 (8): e102776.

38. Reiter R. J., Sharma R., Ma Q., Rorsales-Corral S., de Almeida Chuffa L. G. (2020). Melatonin inhibits Warburg-dependent cancer by redirecting glucose oxidation to the mitochondria: a mechanistic hypothesis. Cell. Mol. Life Sci. 77, 2527–2542.

39. Dong L., Gopalan V., Holland O., Neuzil J. (2020). Mitocans Revisited: Mitochondrial Targeting as Efficient Anti-Cancer Therapy. International journal of molecular sciences, 21 (21), 7941.

40. Sigston E. A. W., Williams B. R. G. (2017). An Emergence Framework of Carcinogenesis. Front. Oncol. 7: 198.

Во всех предыдущих главах сознательно избегалась тема сознания и разума человека; рассмотренные термины «разумность», «предиктивность», «когнитивность» считались общими атрибутами в первую очередь живой и даже, с оговорками, организованной неживой материи. Принцип свободной энергии Карла Фристона или теории адаптивного резонанса Стивена Гроссберга, использованные для понимания работы высокоорганизованных биологических систем, вполне применимы (и даже изначально предназначались) для описания высшей нервной деятельности, включая работу человеческого разума. Хотя в силу кратно превосходящей сложности архитектуры человеческого разума по сравнению со всеми остальными системами нельзя исключить в его возникновении и какой-либо особый дополнительный фактор, если подходить к этому вопросу с точки зрения дополнительности Бора и Джеймса. Но рассуждения на эту тему в рамках самого разума не выглядят перспективными, даже если они опираются на какие-либо относительно понимаемые феномены типа квантовых эффектов в микротрубочках нейронов (теория квантовой природы разума Роджера Пенроуза и Стивена Хамероффа (Дубровский Д. И., 2017) или на спекулятивные идеи симбиоза в головном мозге человека его нейронов с некими неопределенными биологическими или абиологическими сущностями.

С точки зрения эволюции наиболее существенным является то, что сам человеческий разум становится заметным фактором эволюции его носителя, радикально изменяя образ существования, уровень и профиль смертности как самого человека, так и вольно или невольно сопряженных с ним животных и растений. Здоровье человека во все большей степени определяется достижениями научно-технического (НТ) прогресса и в этом смысле становится функцией научно-технической революции, хотя до 20-х годов нашего века динамика изменений в этой области носила скорее эволюционный характер. Все может измениться с глубоким внедрением в общественные и биологические отношения агентов искусственного интеллекта (ИИ), вплоть до возникновения аналогов симбиоза агентов ИИ и человека, а, возможно, и других биологических объектов с возникновением новых полноценных синтетических индивидуальностей. Очевидно, в последнем случае всеобщая эволюция может выйти далеко за рамки простого превращения человечества в сообщество инфоргов Лучано Флориди (Lucano Floridi, 1999) и/или киборгов Джеймса Лавлока – составных сущностей разной степени интеграции из человеческой и информационной/кибернетической единиц, но может реализоваться, например, в некоей новой биогеологической форме существования всей метасистемы Геи-Земли (теория Лавлока-Маргулис, УПС: глава VII) вроде лавлоковского Неоцена (Lovelock J., 2019) с господством (искусственных?) алгоритмов.

Как указывалось в главе V, очень вероятно, что постоянный поиск нового равновесия – наиболее эффективный способ эволюционного движения и в целом существования биологических систем, в такой же мере, как ходьба или бег для движения человека, как процессы прерывистой потери и восстановления равновесия. Глобализация ИИ – это пересаживание эволюции на велосипед НТР, где поиск нового баланса будет представлять совсем не тривиальную задачу.

Будут ли собственно люди при езде на таком «велосипеде» становиться все более здоровыми и счастливыми? Алистер Нанн, Джефри Гай и Джимми Белл, неутомимые исследователи биологической сущности митохондрий (УПС: глава III), подходят к этой теме с неожиданной стороны – возможностей инопланетного разума. Рассматривая любую жизнь, в том числе инопланетную, как своеобразный перекресток потоков энергии, создаваемых в первую очередь мембранными потенциалами (до 30 млн вольт/кв. м в митохондриях млекопитающих, почти как заряд молнии) – локальными сверхснижениями энтропии, и потоков информации, потребляющих локальные снижения энтропии «на входе» и с избытком рассеивающих ее «на выходе», они видят неизбежным образование на этом перекрестке «разумности» (Nunn A. V., Guy G. W., Bell J. D., 2014). Она должна дать системе предсказуемость в причинах динамики ее окружающей среды – источнике «питающей» негэнтропии и потребителе диссипированной энтропии (надо ли говорить, что, по мнению Нанна и соавторов, у эукариот именно митохондрии являются основными акторами на этом сложном запутанном перекрестке). «Правильное» понимание причин, основанное на наиболее адекватной внутренней модели с максимизированной долей алеаторных причин, позволяет системе реагировать наиболее точным образом. Но, как уверены авторы, для стабильной работы такой системы, направленной на поддержание стабильной внутренней среды в рамках разрешенных состояний (гомеостаза), критически необходимы постоянные стрессовые факторы, достаточно сильные, но не чрезмерные (горметические). Чрезмерная же разумность системы может привести к их практически полному исчезновению, а их искусственная замена или компенсация ведет в конце концов к непомерным издержкам. Алистер Нанн и коллеги предполагают, что на каком-то уровне развития цивилизаций может быть достигнут непреодолимый барьер издержек и что именно это станет основным ограничением для межпланетных путешествий и дальнейшего развития цивилизации (рис. 42). Одновременно это оказывается объяснением парадокса Ферми: при миллионах возможностей возникновения разумной жизни в окружающем космическом пространстве отсутствие каких-либо реальных ее следов. В качестве первых предвестников подобного коллапса рассматривается катастрофический рост метаболических заболеваний в наиболее развитых обществах – от сахарного диабета до метаболического синдрома и ожирения.

В то же время, например, есть предположение, что критические мутации ДНК митохондриальных белков, ведущие на Земле к развитию тяжелой митохондриопатии – синдрома Лея (УПС: глава II), в условиях дальних космических путешествий с искусственной атмосферой и гипогравитацией могли бы обеспечить гораздо лучшее развитие и функционирование митохондрий даже по сравнению со здоровыми (виртуальная конференция Staying Healthy in Space, September 29^th, 2021, неопубликованные материалы).

Рис. 42. Чрезмерный комфорт межгалактических странствий

Другими совершенно новыми патогенетическими факторами могут стать инфекции – вирусы – искусственных алгоритмов, а также «болезни расщепления» новой синтетической индивидуальности, соответственно, представленному в данной книге взгляду на многие болезни как феномены расщепления базовых начал, например эукариотических составляющих архейного и бактериального происхождения при аутоиммунных и раковых заболеваниях. Нельзя исключать и «болезни слияния» нескольких синтетических индивидуальностей, если рассматривать и совсем уж фантастические сценарии.

На общее благополучие человека будут продолжать влиять и более субъективные вещи, относящиеся к его представлениям о справедливости, морали и, в конце концов, даже об эстетике и красоте окружающего мира. Хотя и они в своем крайнем пределе могут быть сведены к статистическим основаниям. В конце концов именно активное большинство решает, что хорошо, а что плохо. «Хороших» поэтому, как правило, больше, но они порознь, «плохих» меньше, но они легче оказываются заодно (см. размышления Пьера Безухова в финале «Войны и мира»). Смены соотношений активных элементов сторон ведут к фазовым переходам системы.

Даже красота почти сводится к математической гармонии, оказываясь отражением алеаторной (то есть гармонизируемой) составляющей модели мира, формируемой в надорганизменной индивидуальности человеческого сообщества. В этом отношении музыка (особенно симфоническая) может восприниматься как наилучшее выражение гармонии и вершина абстрагирования информации, возникающая только в системе с очень сильно, но не чрезмерно структурированной архитектурой (см. гипотезу «безмасштабной когнитивности» (ГБК) Майкла Левина УПС: глава V). Хотя при попытке ранжирования в больших выборках на первые места предпочтений выходят примеры с едва заметными следами эпистемических явлений, едва заметных «несовершенств». Возможно, поэтому симфоническая музыка слишком идеальна, а джаз слишком перенасыщен эпистемическими феноменами, чтобы стать приятной, красивой музыкой для всех. Так же, например, в среднем как более привлекательные воспринимаются усредненные лица популяции и более симметричные. Но самые привлекательные лица имеют легчайшие отклонения от симметричности и от типичных физиономических признаков. Более того, и в целом персональная привлекательность выше при наличии милых petits défauts.

Дзен-буддистская притча рассказывает о соревновании двух лучших художников Китая, решивших определить, кто является самым искусным мастером, овладевшим всеми секретами ремесла. Первый художник, решив показать судьям и зрителям, что его талант не ограничен традиционными инструментами рисования («четырьмя сокровищами кабинетного ученого»: кистью, бумагой, тушью и тушечницей), схватил пробегающую мимо грязную курицу, окунул ее лапки и хвост в ведро воды, макнул в кучу сажи, и несколькими быстрыми движениями провел курицей по свежевыбеленной стене. Курица – бжик, бжик – прошкрябала по стене, быстро перебирая лапками, коснулась хвостом стены, и взору судей и зрителей открылась абсолютно безупречное изображение. Завороженные судьи и зрители долго не могли вымолвить ни слова: такого совершенства движений мастера и идеальных форм самой картины им прежде никогда не доводилось видеть. Второй художник пристально посмотрел на творение соперника, взял простенькую кисть, коснулся ею кусочка сурика и поставил в правом верхнем углу картины маленькую красную кляксу. Первый художник, возмущенный, хотел было ударить его, но мельком взглянув на свою картину, остолбенел. Всем присутствующим открылась такая невероятная глубина нового смысла, что многие, включая и первого художника, просветлели. Скоро начался дождь и смыл со стены всю картину. Судьи и зрители молча разошлись по домам, а оба художника отправились в разные стороны, никогда больше не встречались и не рисовали, и что с ними случилось дальше, никто не знает[22].

Близкий посыл прослеживается в японском понимании красоты (ваби-саби), которое, если задуматься, гораздо более универсально. Ваби-саби – это, пожалуй, непереводимая словесная конструкция, смыл которой только приблизительно можно интерпретировать как «прелесть неподдельной простоты». Простая чашка со сколом, слегка потертая одежда из грубоватой ткани, неровно покрашенный стул (рис. 43). Ничто [как бы] не сделано специально, нарочито – ни скол, ни потертости, но напоминает, что «ничто не вечно, все несовершенно, все не завершено» и в этом прекрасно. Видеть красоту в незамысловатой вещи – понимать и искренне ценить каждый момент в его многокомпонентной целостности. Именно скромное несовершенство оказывается несущим соединением, организующим целостность вещи (если именно в оригинальности и состоит ее ценность), но в то же время случись что, от него скорее и пойдут разломы: трещины по чашке, разрывы по ткани, гниение по неровностям.

Рис. 43. Рисунок в стиле Суми-Э

Наши несовершенства неизбежны, потому что именно они делают нас теми, кто мы есть, кто интересен миру, потому что это добавляет в мир сложности, залог исполнения закона роста энтропии. Но это же самое приводит к кризисам и катастрофам организма – нашим болезням. Противостоять эволюции на глобальном уровне – увы! – нереально, но на локальном уровне сопротивляться вполне возможно: можно даже поворачивать вспять, где необходимо, и где необходимо, напротив, использовать себе на пользу, многократно ускоряя. Эволюционный подход в терапии рака был рассмотрен в предыдущей главе. Набирает успех эволюционный подход в создании новых антител и вообще новых белков, отмеченный тройной нобелевской премией по химии 2018 года. Джордж Смит (George Smith) из Гарварда еще в середине 80-х годов научился встраивать белки с неизвестной функцией в оболочку фага (создавать «фаговый дисплей»), отбирать специфические антитела и уже с их помощью определять функцию этого белка в клетке. В 2000-е годы кембриджский профессор сэр Грегори Пол Уинтер (Gregory Paul Winter) смог развернуть это метод в обратную сторону: с помощью белков отбирать антитела, добиваясь их максимальной специфичности, что имеет огромное значение, например для их терапевтической эффективности, особенно при лечении аутоиммунных и неопластических заболеваний. Бескомпромиссная Френсис Арнольд (Frances Arnold) из Калифорнийского Университета в Беркли развивает несколько иное и, похоже, гораздо более перспективное направление – ускоренную искусственную эволюцию белков внутри специальной биологической платформы с отбором на выходе в сторону заданных свойств, причем область необходимых свойств практически ничем не ограничена – от производства углеводородного топлива в безвоздушном пространстве до способности активироваться светом строго определенной длины волны. Двигателем искусственной изменчивости в системе служит «несовершенная» полимераза, многократно копирующая ДНК рабочего участка белка с разнообразными ошибками. В принципе, как многократно указывалось, именно спонтанно поддерживаемая несовершенность системы репликации и есть сердцевина любой биологической сущности, создающая пространственно-временной «когнитивный световой конус» ее индивидуальности (см. ГБК Майкла Левина, УПС: глава V).

Да, несовершенства в бытовых вещах как мутации и контрапункты в биологических системах формируют необходимое разнообразие и оригинальность, но в то же время на их стыках с окружающей средой и «телом» вещи или системы легче всего рождаются разномасштабные кризисы и в конце концов придет черед для летальной катастрофы. То, что останется, сможет войти в состав какой-то новой сущности на правах декорации вроде мозаики или пэчворка из остатков былой красоты. Но, скорее, попросту сгниет, сгинет или застынет в полуразрушенном состоянии, как так и не воссоединившиеся заново в едином ансамбле боржомские башни Петрес-цихе и Гогиас-цихе.

Но, в конце концов, достаточно того, что это было приемлемо долго, временами нескучно и иногда просто красиво.

1. Дубровский Д. И. (2017). Критический анализ теории сознания Пенроуза-Хамероффа. Философия науки и техники. Т. 22, № 1. С. 125–136.

2. Floridi L. (1999). Philosophy and Computing: An Introduction. London/New York: Routledge.

3. Lovelock J. (2019). Novacene: The Coming Age of Hyperintelligence. United Kingdom: Penguin Books Limited.

4. Nunn A. V., Guy G. W., Bell J. D. (2014). The intelligence paradox; will ET get the metabolic syndrome? Lessons from and for Earth. Nutr Metab; 11: 34.