Когда гусеница превращается в бабочку, в ее организме происходят основательные изменения. Даже ее мозг на этапе куколки полностью растворяется, сливаясь с остальной жидкостью. Но уже доказано, что бабочка сохраняет знания, полученные когда-то гусеницей. Как они хранятся? И как жидкость в куколке решает, какая ее часть станет головой, какая крыльями, а какая — лапками?
Это один из многочисленных вопросов, над которыми размышляют биологи, в частности те, которые занимаются темой регенерации. Вот примеры других вопросов:
- Почему олени отращивают сломанные рога — еще и так быстро, порой по полтора сантиметра в сутки?
- Почему если к ампутированной лапке ящерицы приживить хвост, на его основе вырастет лапка? Какой орган принимает решение о регенерации в случаях оленя и ящерицы?
- Почему у людей в возрасте до 11 лет могут отрасти отсеченные крайние фаланги пальцев? Почему наша печень после повреждений способна активно восстанавливаться, а другие органы — нет?
- Аксолотль — вид саламандр — может восстанавливать свои конечности, глаза, челюсти, мышцы, части мозга, сердца и позвоночника. Что управляет такими изменениями и когда пальцы или челюсти «понимают», что они уже полноценные и дальше можно не расти?
- Способность к восстановлению некоторых менее развитых животных впечатляет. Например, существуют планарии — плоские черви длиной до двух сантиметров. Если отрезать от них голову или хвост или вовсе измельчить на 275 частиц, каждая из них восстановится до полноценной особи — с головой и хвостом. Этим процессом явно управляет не мозг: его в тех частицах просто нет. Но что тогда?
Аксолотль (Axolotes guttata).
gettyimages.com
Над этими вопросами задумался и американский биолог Майкл Левин — еще в начале 2000-х годов. Кроме образования биолога, он имел еще одно — программиста. Для решения выше перечисленных вопросов ему понадобились оба. А также сотни опытов с планариями, головастиками и лягушками.
Широко известно, что нейроны — нервные клетки — передают информацию через электрические импульсы. Однако такими же импульсами обмениваются все клетки — нейроны просто делают это быстрее. Каждая живая клетка имеет необходимые для обмена разрядами ионные каналы и электрические синапсы. Так клетки коммуницировали в течение миллионов лет. «Почему некоторые грибы могут вызвать у нас галлюцинации? Потому что у них обмен информацией между клетками работает так же, как и у нас, и они могут взаимодействовать с человеческим организмом, — говорит Левин. — Хотя они даже не животные, в основе некоторых процессов лежат схожие принципы».
Лаборатория Левина начала отслеживать электрические сигналы, которыми обмениваются между собой клетки в организме. Вот, например, как с помощью электричества общаются клетки в эмбрионе головастика:
TED / Youtube
В ходе дальнейшего развития эмбриона стало видно, что там, где наблюдалось повышенное количество электрических импульсов, вскоре появились глаза и рот. Левин предположил, что эти импульсы — своеобразный язык программирования, который определяет будущие события в организме.
Что известно о Майкле Левине и его лаборатории
Майкл Левин родился в 1969 году в Москве в еврейской семье. Отец тогда еще Михаила работал программистом в метеорологической службе, мать была пианисткой. В 1978-м семья уехала в США и поселилась в штате Массачусетс. Там, в Бостонском университете Тафтса, известного своим медицинским департаментом, Майкл получил высшее образование, а научные степени — в Гарвардском университете.
Еще в 1997 году Левин получил награду за исследования сознания, после этого его отмечали за исследования асимметричности организмов, стволовых клеток и за общие достижения в биологии развития. Сейчас Левин — почетный профессор университета Тафтса, а также соредактор научных журналов «Коллективный интеллект», «Биоэлектричество» и «Латеральность: асимметрия тела, мозга и сознания».
В 2000 году Левин основал лабораторию по исследованию биоэлектрических сигналов, которыми обмениваются клетки. Его с коллегами интересовало развитие организмов, их способность к регенерации, а главное — как запускаются и координируются механизмы восстановления тканей или органов. На сегодня сотрудники лаборатории опубликовали 324 научные работы, каждую из которых перед публикацией проверили коллеги из конкурирующих учреждений.
Лаборатория Левина также известна благодаря разработке ксеноботов — микророботов, созданных из клеток кожи, сердца и стволовых клеток эмбриона африканской колючей лягушки Xenopus Laevis. Эти похожие на горошины биомашины шириной в один миллиметр могут реагировать на раздражители и автономно двигаться. «Загруженные» в них биоэлектрические паттерны позволяют использовать ксеноботов для доставки лекарств внутри организма человека, для очистки территорий от радиоактивных отходов или сбора микропластика в Мировом океане.
Для проверки теории ученые создали так называемого «головастика Пикассо» — глаза у него были внизу, челюсти сбоку, мозг сзади. Но когда головастик превращался в лягушку, все в нем становилось на свои места. Как будто каждый орган «знал», где он должен быть. Этот процесс сопровождался активизацией соответствующих электрических импульсов.
Лаборатория продолжила опыты — уже с планариями. Если отрезать от планарии хвост и голову, центральная часть предсказуемо вырастит новые. При этом «картина» электрических разрядов в организме будет соответствующей: в «хвостовой» части — сигналы одного типа, в месте, где вырастет голова, — другого. Левин с подчиненными попытались изменить сигналы в хвосте на такие же, какие были в «головной» части. В результате у них выросла планария с двумя головами. Вполне жизнеспособная — глаза видели, головы двигались автономно:
TED / Youtube
«Мы не «собирали» глаза по молекулам. Получается, что электрическими импульсами мы просто задали организму определенный вектор развития — а дальше он все сделал сам», — комментирует Левин.
К организмам не подсоединяли электроды, их не поддавали воздействию электрических полей — вмешательство было медикаментозным. Препарат на уровне молекул по заданной схеме «включал» или «выключал» протеины, ответственные за передачу электрических сигналов. Другой способ воздействия — с помощью света. Особенно эффективным он оказался в опытах с головастиками и лягушками.
У одного из головастиков с помощью биоэлектрической стимуляции удалось вырастить в районе живота третий глаз. Он имел зрительный нерв, роговицу, сетчатку — и полноценно видел. В другого головастика вживили опухоль, а потом стимулировали дезактивацию ее клеток — рак был обезврежен. У третьего головастика обнаружили ошибку в гене, который отвечал за умственное развитие: его головной мозг практически отсутствовал. Ученые сымитировали электрические сигналы, присущие здоровому головастику — и в результате у больного сформировался полноценный мозг, а его IQ (есть специальные тесты на уровень интеллекта для головастиков!) оказался в пределах нормы.
Опыты продолжили со взрослыми лягушками. Например, одной ампутировали лапку — обычно после этого рана рубцуется и лапка не отрастает. Но в лаборатории на оставшуюся часть лапки наложили электрический паттерн, характерный для полноценных лапок, — и организм начал регенерировать конечность. Через 45 суток выросла новая лапка, которая могла двигаться и реагировала на раздражители.
Другой лягушке таким же образом вырастили пять лапок. «Правильно подобрав биоэлектрические паттерны, можно вырастить лягушке хоть глаза на спине, — уверяет Левин. — И они будут абсолютно полноценно видеть». Причем происходит это без какого-либо вмешательства в ДНК.
ДНК, по словам Левина, является «аппаратной» частью организма. Она влияет на то, какие клетки какими каналами коммуникации будут пользоваться. А вот сама эта коммуникация происходит с помощью электрических импульсов — заданная механизмами, которые существовали еще до развития сложных нервных систем. И сейчас у живых организмов, включая растения, биоэлектричество в значительной мере отвечает за физическое развитие и структуру. Иными словами, ДНК — это материнская плата, а электрическая сеть — программное обеспечение.
Майкл Левин в лаборатории.
Wikimedia
На описанные выше исследования и эксперименты команда Левина потратила более 15 лет. Лишь год назад научные и популярные издания начали активно писать о наработках команды — после того как ученым удалось вырастить дополнительные лапки у лягушек и создать двуглавого червя. Сам же Левин надеется, что когда-нибудь разработки в области биоэлектричества позволят нейтрализовать у людей раковые опухоли, быстрее лечить травмы, исправлять дефекты при рождении, стимулировать регенерацию конечностей и других органов. «Большинство проблем медицины сводятся к одной: клетки не делают то, чего мы от них хотим, — говорит Левин. — Если бы мы понимали, как работает биоэлектрическая коммуникация, и могли влиять на нее, мы бы исправили этот недостаток».
Однако с этим подходом можно достичь даже большего. В команде ученого мечтают, что со временем удастся создать программу, в которой можно будет комбинировать органы и части тела, создавая новые биологические механизмы. Подобно тому, как сейчас архитекторы моделируют будущие здания. То, что это возможно, доказывают опыты с планариями. У ученых получилось сделать из плоских червей выпуклых с шипами, конусообразных и похожих на шляпу.
Потенциальные возможности новых разработок вызывают немало этических вопросов. Впрочем, по словам Левина, сейчас проводят и более спорные в этическом плане эксперименты — например, редактируют генетический код. Ученый избегает прямых ответов на вопросы о том, как видоизмененные сложные организмы могут чувствовать себя физически и эмоционально. Но уверяет, что на протяжении всех лет опытов его команда пыталась вмешиваться в организмы на минимально необходимом для качественных анатомических изменений уровне. «Еще в начале 2000-х ученые говорили нам, что электрические заряды обеспечивают саму жизнедеятельность клетки, и изменив их, мы вызовем смерть этих клеток, — говорит Левин. — Этого не произошло. Наверное, потому что эти заряды больше касаются поведения клеток в будущем — в случае каких-либо травм или трансформаций, а не их функционирования здесь и сейчас».