Коли гусінь перетворюється на метелика, в її організмі відбуваються докорінні зміни. Навіть її мозок на етапі лялечки повністю розчиняється та стає рідиною. Але вже доведено, що метелик зберігає знання, які колись отримала гусінь. Як вони зберігаються? І як рідина в лялечці вирішує, яка її частина стане головою, яка крилами, а яка — лапками?
Це одне з численних питань, над якими міркують біологи, зокрема ті, які досліджують тему регенерації. Ось приклади інших питань:
- Чому олені відрощують зламані роги — ще й так швидко, часом по півтора сантиметра на добу?
- Чому якщо до ампутованої лапки ящірки приживити хвоста, на його основі виросте лапка? Який орган приймає рішення щодо регенерації у випадку оленя та ящірки?
- Чому в людей віком до 11 років можуть відрости відтяті крайні фаланги пальців? Чому наша печінка після ушкоджень здатна активно відновлюватись, а інші органи — ні?
- Аксолотль — вид саламандр — може відновлювати свої кінцівки, очі, щелепи, мʼязи, частини мозку, серця та хребта. Що керує такими змінами і коли пальці чи щелепи «розуміють», що вони вже повноцінні й далі можна не рости?
- Здатність до відновлення деяких менш розвинених тварин вражає. Наприклад, є планарії — пласкі хробаки завдовжки до двох сантиметрів. Якщо відтяти від них голову чи хвоста або взагалі подрібнити на 275 частинок, кожна з них відновиться до повноцінної особини — з головою та хвостом. Цим процесом явно керує не мозок: його в тих частинках просто немає. Але що тоді?
Аксолотль (Axolotes guttata).
gettyimages.com
Над цими питаннями замислився й американський біолог Майкл Левін — іще на початку 2000-х років. Крім освіти біолога, він мав ще одну — програміста. Щоб розвʼязати наведені вище питання, йому знадобились обидві освіти. А також сотні дослідів із планаріями, пуголовками й жабами.
Широко відомо, що нейрони — нервові клітини — передають інформацію через електричні імпульси. Однак такими ж імпульсами обмінюються всі клітини — нейрони просто роблять це швидше. Кожна жива клітина має необхідні для обміну розрядами іонні канали й електричні синапси. Так клітини комунікували протягом мільйонів років. «Чому деякі гриби можуть викликати в нас галюцинації? Тому що їхній обмін інформацією між клітинами такий же, як й у нас, і вони можуть взаємодіяти з людським організмом, — каже Левін. — Хоча вони навіть не тварини, в основі деяких процесів лежать схожі принципи».
Лабораторія Левіна почала відстежувати електричні сигнали, якими обмінюються між собою клітини в організмі. Ось, наприклад, як за допомогою електрики комунікують клітини в ембріоні пуголовка:
TED / Youtube
Під час подальшого розвитку ембріону стало видно, що там, де спостерігалась підвищена кількість електричних імпульсів, невдовзі зʼявились очі та рот. Левін припустив, що ці імпульси — ніби мова програмування, що визначає майбутні події в організмі.
Що відомо про Майкла Левіна та його лабораторію
Майкл Левін народився у 1969 році в Москві в єврейській родині. Батько тоді ще Михайла працював програмістом у метеорологічній службі, мати була піаністкою. У 1978-му сім'я виїхала до США та оселилася у штаті Массачусетс. Там, у Бостонському університеті Тафтса, відомому своїм медичним департаментом, Майкл здобув вищу освіту, а наукові ступені — у Гарвардському університеті.
Іще в 1997 році Левін отримав відзнаку за дослідження свідомості, після того його відзначали за дослідження асиметричності організмів, стовбурових клітин, за загальні досягнення в біології розвитку. Зараз Левін — почесний професор університету Тафтса, а також співредактор наукових журналів «Колективний інтелект», «Біоелектрика» і «Латеральність: асиметрія тіла, мозку та свідомості».
У 2000 році Левін заснував лабораторію з дослідження біоелектричних сигналів, якими обмінюються клітини. Його з колегами цікавили розвиток тіла, його здатність до регенерації, а головне — як запускаються і координуються механізми відновлення тканин чи органів. Станом на сьогодні працівники лабораторії опублікували 324 наукові роботи, кожну з яких перед публікацією перевірили колеги з конкуруючих установ.
Лабораторія Левіна відома також за розробкою ксеноботів — мікророботів, створених із клітин шкіри, серця та стовбурових клітин ембріона африканської колючої жаби Xenopus Laevis. Ці схожі на горошини біомашини завширшки в один міліметр можуть реагувати на подразники й автономно рухатися. «Завантажені» в них біоелектричні патерни дозволяють використовувати ксеноботів для доставки ліків усередині організму людини, для очищення територій від радіоактивних відходів чи збору мікропластику у Світовому океані.
Для перевірки теорії науковці створили так званого «пуголовка Пікасо» — очі в нього були внизу, щелепи збоку, мозок ззаду. Але коли пуголовок перетворювався на жабку, усе в ньому ставало на свої місця. Так, ніби кожен орган «знав», де він має бути. Цей процес супроводжувався активізацією відповідних електричних імпульсів.
Лабораторія продовжила досліди — уже з планаріями. Якщо відрізати від планарії хвіст і голову, центральна частина передбачувано виростить нові. При цьому «картина» електричних розрядів в організмі буде відповідною: у «хвостовій» частині — сигнали одного типу, у місці, де виросте голова, — іншого. Левін із підлеглими спробували змінити сигнали у хвості на такі ж, які були в «головній» частині. У результаті в них виросла планарія із двома головами. Цілком життєздатна — очі бачили, голови рухались автономно:
TED / Youtube
«Ми не «збирали» очі по молекулах. Виходить, що електричними імпульсами ми просто задали організму певний вектор розвитку — а далі він усе зробив сам», — коментує Левін.
До організмів не підʼєднували електроди, не залучали електричні поля — втручання було медикаментозним. Препарат на рівні молекул відповідно до заданої схеми «вмикав» чи «вимикав» протеїни, відповідальні за передачу електричних сигналів. Інший спосіб впливу — за допомогою світла. Особливо він був ефективний в дослідах із пуголовками й жабами.
В одного з пуголовків за допомогою біоелектричної стимуляції вдалося виростити в районі живота третє око. Воно мало зоровий нерв, рогівку, сітківку — і повноцінно бачило. В іншого пуголовка вживили пухлину, а тоді стимулювали дезактивацію її клітин — рак було знешкоджено. У третього виявили помилку в гені, що відповідав за розумовий розвиток: головний мозок пуголовка був практично відсутній. Науковці зімітували електричні сигнали, властиві здоровому пуголовку, — й у хворого сформувався повноцінний мозок, а його IQ (є спеціальні тести на рівень інтелекту для пуголовків!) виявився в межах норми.
Досліди продовжили з дорослими жабами. Наприклад, одній ампутували лапку — зазвичай після цього рана рубцюється й кінцівка не відростає. У лабораторії наклали на частину лапки, що лишилась, електричний патерн, властивий повноцінним лапкам — і організм почав регенерувати кінцівку. За 45 діб виросла нова лапка, яка могла рухатись і реагувала на подразнення.
Іншій жабці в такий спосіб виростили пʼять лапок. «Правильно підібравши біоелектричні патерни, можна виростити жабці хоч очі на спині, — запевняє Левін. — І вони бачитимуть абсолютно повноцінно». При цьому це відбувається без жодного втручання в ДНК.
ДНК, за словами Левіна, у такому випадку є «апаратною» частиною. Вона впливає на те, які клітини якими каналами комунікації користуватимуться. А от сама ця комунікація відбувається за допомогою електричних імпульсів — задана механізмами, які були активними ще до розвитку складних нервових систем. І зараз у живих організмів, включно із рослинами, біоелектрика значною мірою відповідає за фізичний розвиток і структуру. Іншими словами, ДНК — це материнська плата, а електрична мережа — програмне забезпечення.
Майкл Левін у лабораторії.
Wikimedia
На описані вище дослідження та експерименти команда Левіна витратила понад 15 років. Лише рік тому наукові та популярні видання почали активно писати про їхні напрацювання — після того як науковцям вдалося виростити додаткові лапки в жабок і створити двоголового хробака. Сам же Левін сподівається, що колись розробки в галузі біоелектрики дозволять нейтралізувати в людей ракові пухлини, швидше лікувати травми, виправляти дефекти при народженні, запускати регенерацію кінцівок та інших органів. «Більшість проблем медицини зводяться до однієї: клітини не створюють те, чого ми від них хочемо, — каже Левін. — Якби ми зрозуміли, як працює біоелектрична комунікація, і могли впливати на неї, ми б виправили цей недолік».
Однак можливості підходу сягають навіть далі. У команді Левіна мріють, що із часом вдасться створити програму, в якій можна буде моделювати органи та частини тіла, ініціюючи створення нових біологічних механізмів. Приблизно так, як зараз архітектори моделюють майбутні будівлі. Те, що це можливо, доводять досліди із планаріями. Учені змогли зробити з пласких червів опуклих із шипами, конусоподібних і схожих на капелюх.
Потенційні можливості нових розробок викликають чимало етичних запитань. Утім, за словами Левіна, редагування генетичного коду з точки зору етики ще більш суперечливе. Науковець уникає прямих відповідей на запитання про те, як видозмінені складні організми можуть почуватися фізично й емоційно. Однак запевняє, що протягом усіх років дослідів команда намагалась втручатись в організми на мінімально необхідному для якісних анатомічних змін рівні. «Іще на початку 2000-х учені казали нам, що електричні заряди забезпечують саму життєдіяльність клітини, а змінивши їх, ми викличемо смерть цих клітин, — каже Левін. — Цього не сталося. Мабуть, тому що ці заряди більше стосуються поведінки клітин у майбутньому — у разі якихось травм чи трансформацій, а не їх функціонування тут і зараз».