2.5.2. Проблема морфогенеза: как образуются формы организмов
Ещё одна трудная проблема биологии связана с онтогенезом – ростом и развитием многоклеточного организма из оплодотворённой яйцеклетки – зиготы. Во время онтогенеза наблюдается разнообразное коллективное поведение клеток образующегося организма. К основным видам такого поведения относится:
• деление клеток с сохранением структуры и генетической информации (митоз);
• целенаправленная миграция, сопровождающаяся распознаванием клеток своего вида и образованием однородных клеточных структур;
• дифференцировка, приводящая к изменению функций клеток, их формы, структуры и метаболизма;
• самоликвидация клеток (апоптоз), вызывающая рассасывание органов и образование полостей в организме;
• целенаправленный рост клеток, например нейронов, устанавливающих межклеточные связи.
В рамках ЕНП поведение клеток объясняется регуляцией экспрессии генов и контролем синтеза белков, зависящих от внешних и внутренних факторов физико-химической природы. Такая регуляция носит сложный многоступенчатый характер, затрагивающий все стадии образования комплекса белков, специфичных для конкретного типа клеток, начиная от конфигурации хроматина в ядрах клеток и кончая посттрансляционными модификациями белков. К внешним факторам, воздействующим на регуляцию, относятся межклеточные взаимодействия, осуществляемые посредством поверхностных контактов или химических сигналов, а также физико-химические градиенты разной природы, воспринимаемые и интерпретируемые клетками.
Возникающие при регуляции разнообразные виды совместного клеточного поведения, организованные в пространстве и времени, обеспечивают онтогенез многоклеточного организма, который на каждом своём этапе является функционально согласованным и приспособленным к среде своего развития.
С физикалистской точки зрения онтогенез может быть полностью описан, если удастся определить все цепочки химических реакций, происходящих в клетках, и установить все физические факторы, воздействующие на такие реакции. Другими словами, достаточно во всех деталях выяснить принципы работы химической машины, которой является живая клетка, чтобы понять, каким образом клетки согласуют и организуют своё поведение. Однако живая клетка – это не просто химическая машина, а прежде всего информационная система, целенаправленное поведение которой определяется решениями, принимаемыми на основании информации об окружающей среде, и тезауруса, позволяющего эту информацию интерпретировать.
Но несмотря на достаточно глубокие представления об устройстве биологических клеток, по-прежнему мало что известно о тех структурах, которые необходимы для их функционирования как информационных систем. Неизвестно, каким образом в клетках кодируются рецептируемые сигналы, существует ли центр, где аккумулируется первичная информация, каким образом информация обрабатывается и запоминается, где хранится тезаурус клетки, на каком уровне принимаются управляющие решения и как эти решения регулируют экспрессию генов.
Возможно, информационные структуры клеток каким-то образом связаны со структурами белковых молекул, которые на современном уровне знаний воспринимаются лишь как ферменты, катализирующие специфические реакции, или с хроматином, который является чем-то большим, чем только хранителем и реализатором генетической информации. Но также возможно, что некоторых структур, необходимых для ИС, в клетках нет вообще, а хранение тезауруса и принятие решений осуществляется с помощью информационно связанного с клетками симбиотического организма, входящего в иерархию Наблюдателя.
Однако независимо от того, как устроена ИС клетки, в процессе онтогенеза многоклеточного организма происходят морфогенетические преобразования, связанные с возникновением или удалением функциональных органов и с образованием изначально определённых пространственных структур и форм. А для решения таких задач одних физических взаимодействий явно недостаточно.
Конечно, в более или менее простых случаях – на уровне кристаллов, вирусов и рибосом – сложные формы могут образовываться из атомов и молекул в результате самопроизвольной агрегации уже готовых наборов элементов под действием сил физической природы. Но поведение живых клеток существенно отличается от поведения атомов и биомолекул. Необходимые для построения организма клеточные элементы возникают уже непосредственно во время морфогенеза, а причины, порождающие разнообразные формы, вряд ли можно свести к физическим взаимодействиям клеток, согласованное поведение которых связано с использованием информации. Поэтому проблема, а скорее всего, тайна морфогенеза заключается в определении источника информации и способа, каким эта структурированная в пространстве и времени позиционная информация доставляется в каждую конкретную клетку, занимающую в системе координат развивающегося организма определённое место.
Можно, конечно, предположить, что в геноме зиготы такая позиционная информация присутствует изначально и, передаваясь на организменный уровень, реализуется посредством запрограммированного управления регуляцией генов в каждой конкретной клетке, обеспечивая необходимое сочетание биомолекул в нужное время и в нужном месте. Впрочем, в настоящее время механизм такой передачи информации и органы, которые могли бы осуществлять управление морфогенезом, неизвестны. Но если бы такие органы и существовали, то они должны были бы являться частью ИС, содержащей на любом этапе развития необходимые для управления элементы – каналы передачи управляющих сигналов, центр принятия решений и тезаурус, в котором отражена функциональная и морфологическая модель развивающегося организма.
Однако разнообразные факты эмбриональной регуляции, отражающие возможность нормального построения организма при различных нарушениях его целостности на ранних стадиях эмбриогенеза, указывают на то, что морфогенез не подчиняется жёстко заданной программе развития, а обладает свойством эквифинальности, то есть способностью из разных начальных состояний и разными путями достигать определённых конечных форм. Причём регуляция наблюдается, когда ещё не существует никаких клеточных структур, которые можно было бы ассоциировать с системой управления, ответственной за выбор пути развития нарушенного эмбриона.
Проблема отсутствия управляющего морфогенезом центра, как на клеточном, так и на организменном уровне, вылилась в представление о морфогенетических полях, содержащих необходимую для осуществления поведения клеток позиционную информацию.
Однако природа таких полей остаётся неизвестной, хотя, возможно, как считал А. Г. Гурвич [Гурвич, 1944], эти поля имеют биологическое происхождение и связаны с УФ-излучением, генерируемым клетками. Но в любом случае представление о поле – это не более чем фиксация факта индивидуального поведения клеток, мало что говорящая о происхождении пространственно-зависимой информации, определяющей это поведение.
С другой стороны, и проблема измерений в квантовой механике, и проблема происхождения жизни, не находящие удовлетворительного решения в рамках ЕНП, обретают ясность в представлениях ИП, допускающей независимое существование информационной реальности. В этих представлениях морфогенетическая информация не обязательно должна быть связана с материальными носителями, а может базироваться на структурах, входящих в иерархию материнского организма, проявляющегося как Наблюдатель в квантовой механике и как Творец, участвующий в создании и эволюции биологической жизни. А реализуется морфогенетическая информация в каждой отдельной клетке посредством информационного взаимодействия выбора, запускающего цепочки химических процессов, определяющих конкретное поведение клеток. И с этой точки зрения материальное тело является только частью живого организма, а другая, нематериальная его часть, находится с телом в симбиотическом единстве, дополняя недостающие элементы информационной системы. А такими элементами могут быть и долговременная память, и различные аспекты тезауруса, и центры принятия решений. Возможно, что именно ощущение такого симбиоза воспринимается нами как единство души и тела.
Описанный взгляд на источник морфогенетической информации практически полностью совпадает с предложенными Гансом Дришем [Дриш, 1915] в начале XX века представлениями о существовании нематериальной и внепространственной сущности, способной целенаправленно влиять на химические процессы в клетке, контролируя вероятности их протекания. Такую сущность, позаимствовав термин у Аристотеля, Дриш назвал энтелехией.
Безусловно, в рамках ЕНП энтелехия предстаёт в качестве непознаваемой «жизненной силы», и виталистическая теория Дриша не может рассматриваться как научная ввиду её неверифицируемости. Однако информационное понимание энтелехии как особого вида генетической информации, содержащей модель многоклеточного организма и технологию его построения, делает её полноценным объектом изучения.
Таким образом, можно предположить, что в процессе онтогенеза генетическая информация поступает из двух источников: ДНК задаёт информацию, обеспечивающую развитие организма необходимыми «строительными блоками», а энтелехия предоставляет «проектную» и управляющую информацию, организующую морфогенез индивидуального организма.
В этой связи относительно морфогенетической информации (или энтелехии) может быть сформулирован ряд содержательных вопросов. Например, о способе наследования энтелехии от родительских организмов и её согласованности с унаследованным геномом. О том, исчезает ли энтелехия с материальной смертью биологического организма или используется в иных, нематериальных, формах существования жизни. О роли энтелехии в биологической эволюции. Об иерархической структуре энтелехии, включающей морфогенетическую информацию отдельных клеток, многоклеточных организмов, социальных групп и так далее по всей иерархии биологической жизни.
Существование генетической информации, не связанной с геномом клетки, позволяет по-новому взглянуть не только на проблему морфогенеза, но и на ещё более сложную проблему гносеогенеза, во время которого сформировавшиеся функциональные органы и организм в целом получают информационное обеспечение в виде рефлексов, инстинктов, познавательных способностей и знаний об окружающей реальности, то есть начинают обладать необходимым для жизнедеятельности тезаурусом.
Действительно, предположение о том, что необходимая для гносеогенеза модельная и управляющая информация содержится в геноме клетки, требует ответа на ряд непростых вопросов. А именно: каким образом такая информация закодирована в геноме последовательностями нуклеотидов; каков молекулярный механизм чтения и передачи этой информации на организменный уровень; как реализуется эволюционное развитие и закрепление в геноме информации, связанной с окружающей средой и способами адаптации организма в этой среде?
Ни на один из этих вопросов на сегодняшний день нет ответов. И непонятно, как их получить вообще, ведь в рамках редукционного подхода, используемого в ЕНП, не просматривается даже путь от генов до морфологических признаков многоклеточных организмов, хотя между ними и существуют надёжно установленные корреляции.
Однако представление об информационной составляющей организма, не связанной с материальными носителями, эти вопросы снимает. Правда, на новые вопросы о природе существования других, нематериальных, реальностей также необходимо будет найти ответы. Но это уже не узкие вопросы биологии, а всеобщие вопросы, определяющие наше представление о структуре Бытия и о месте биологической жизни в этой структуре.
Конечно, в настоящий момент мы мало что можем сказать о второй – внетелесной – составляющей биологических организмов, содержащей морфогенетическую и психогенетическую информацию. Но это не значит, что мы имеем дело с непознаваемыми сущностями. Просто вместо физических методов познания необходимо будет использовать информационные методы и подходы. И возможно, ответы на некоторые вопросы найдутся уже в результате компьютерного моделирования морфогенеза с использованием энтелехии, сконструированной на основе наших знаний о развитии и формировании организмов.