Мы думаем не только мозгом: молекулы в клетках сами могут решать и действовать

Люди привыкли разделять мозг и мускулы — этот думает, а те выполняют. Аналогичное отношение сложилось к отдельной клетке, то есть некоторые молекулы внутри клеток считаются как бы «мыслителями», воспринимающими информацию о химическом окружении и решающими, что клетке необходимо для выживания. А молекулы в пределах клетки фактически берут на себя роль условных «мускулов», они лишь строительные структуры, необходимые для выживания.


Однако исследователи из двух университетов США и одного ирландского взялись доказать, как упомянутые молекулы-исполнители сами способны и «думать», и действовать. Профессор Арвинд Муруган из Чикагского университета сообщил, что естественный молекулярный процесс зарождения ядра, который долгое время изучался как условный «мускул», то есть исполнитель функций, способен к сложным вычислениям. Причём настолько, что это может посоревноваться с простенькой нейронной сетью. Иными словами, у всех на виду «прячется» способность «делающих» молекул также «думать». Эволюции выгодно использовать это явление в клетках, чтобы осуществлять больше, прилагая меньше энергии и с большей надёжностью.

Ради выживания клеткам необходимо воспринимать окружающую среду и реагировать соответственно. Например, некоторые сочетания молекул могут указывать на стресс, а другие —на изобилие и благоприятность. Однако разница между сигналами на молекулярном уровне может быть очень малой и выражаться в том, что в зависимости от среды одни и те молекулы всего лишь наличествуют в разных соотношениях.

Ведущий участник проекта Константин Эванс разъяснил, что это отчасти похоже на то, как входящий в жилище слышит аромат свежей выпечки, а не запах горящей резины. Его сознание повлияет на действия в зависимости от запахов: мыть руки перед едой или бежать за огнетушителем. Учёные задались целью понять, могут ли физические процессы в молекулярной системе делать то же самое, не имея никакого мозга.

Привычная точка зрения состояла в том, что клетки чувствуют и реагируют благодаря молекулярным схемам, принципом действия напоминающим электронику в компьютере. Так, одни молекулы фиксируют пропорцию солей и кислот в окружающей среде, другие — решают, что делать в связи с этим. В зависимости от обстановки условные «мышечные» молекулы способны на ответные действия, например, быстро сплотить внутри оборону или запустить подобие насоса для удаления вредных примесей.

Арвинд Муруган с коллегами хотели изучить альтернативную гипотезу. Суть её в том, что задачи по восприятию, принятию решений и реагированию могут быть выполнены одним махом за счёт физики, свойственной «мышечным» молекулам, строящим жизненно важные структуры.

Учёные применили для доказательства идеи принцип фазовых переходов. Речь об агрегатных состояниях вещества. Представьте, что стакан воды замерзает при температуре 0 °C. Сначала возникает крошечная льдинка, затем она разрастается, пока не застынет весь объём воды.

На первый взгляд, этот первичный кристаллик при замораживании не похож на физический аналог «мышления». Однако новое исследование продемонстрировало, как процесс замерзания может реагировать на едва уловимые химические сигналы извне. Так, он реагировал на запах овсяного печенья с изюмом и шоколадной крошкой, и в ответ создавал во льду различные молекулярные структуры.

Учёные проверили надёжность процесса «принятия решений» при фазовых переходах, используя ДНК-нанотехнологию. Первым в этой сфере стал американский специалист в области прикладных компьютерных технологий и биоинженер Эрик Уинфри. Он выяснил, что смесь молекул образует одну из трёх структур в зависимости от того, какие концентрации молекул присутствовали в мензурке. Уинфри объяснял, что в каждом из случаев молекулы группировались для построения различных структур наномасштаба в ответ на различные химические сигналы. Более того — сам процесс построения структуры фактически принимал решение о том, что строить.

Эксперимент продемонстрировал, что принятие решений условными «мышцами» было впечатляюще надёжным и по охвату соответствовало необходимости. С помощью сравнительно простых опытов исследователи сумели решить задачи идентификации примерно тысячи видов молекул. А эта задача почти в 10 раз более масштабна, чем решённые ранее иным путём, когда экспериментаторы разделяли «мозговые» и «мышечные» компоненты.

Проделанная научная работа подсказала свежий взгляд на калькуляции, который не нуждается в проектировании схем. Он, скорее, указывает на то, что физики привыкли называть фазовой диаграммой. Так, для той же воды фазовая диаграмма описывает условия, температуру и давление, в которых жидкая фаза будет превращаться в лёд либо закипать, что аналогично по смыслу свойствам условных молекулярных «мускулов». Фазовой диаграммой можно к тому же описывать «думание» в дополнение к «действию», если её усложнить до системы с бóльшим количеством разных компонентов.

Соавтор исследования Джексон О’Брайен объяснил, что физики обычно изучали однородные вещи, вроде того же стакана воды, в котором много молекул, но идентичных. А в живой клетке полно молекул различных видов, которые взаимодействуют куда более сложным образом. Это приводит к возникновению сложносоставных систем со своими отчётливыми возможностями.

Исследователи провели в своей научной работе математическим языком аналогии с упомянутыми системами из многих компонентов и теорией, описывающей нейронные сети. Опыты продемонстрировали, как эти «сложносочинённые» системы могут распознавать количественные характеристики с помощью физического процесса. То есть реагировать подобно мозгу вошедшего в помещение, который связывает те или иные ароматы с необходимостью последующих действий.

И хотя коллектив соавторов наблюдал лишь за молекулами ДНК в пробирке, концепцию распознавания и фактического принятия решений в системах из многих видов составляющих можно вполне и широко применить к различным иным молекулярным и физическим системам, пришли к выводу учёные.

Эрик Уинфри объяснил, что ДНК даёт шанс экспериментировать со сложными сочетаниями из тысяч видов молекул и системно объяснять значение количества видов молекул и вариантов взаимодействий между ними. Причём это общая теория, и она применима к любому виду молекул.

От лица коллег Арвинд Муруган добавил, что они надеются своими выводами простимулировать изучение пока ещё не раскрытых способностей к «мышлению» в других системах с многими компонентами, которые пока что кажутся многим всего лишь «мускулами».