Что такое биофизика и чем занимается наука, находящаяся на стыке научных дисциплин? Можно ли создать человека-паука, человека-молнию или человека-муравья? Что такое «научное детство» и с какого возраста человек перестаёт быть способным воспринимать новое? Чему академик-биолог может научить студентов-физиков? Правда ли, что жизнь на Землю пришла из космоса? Об этом и многом другом главному редактору «Аргументов недели» Андрею УГЛАНОВУ рассказывает Андрей РУБИН, биофизик, академик РАН, профессор МГУ.
Остров доктора Моро
– Здравствуйте, Андрей Борисович. Я до вас встречался уже с 17 академиками и всегда приблизительно понимал, о чём я с ними буду говорить, касалось ли это математики, астрофизики или биологии. Но, готовясь к встрече с вами, я испытывал большое затруднение. Для меня загадка, что объединяет такие разные науки, как биология и физика. На помощь пришли Голливуд и его сверхлюди. Способна ли сегодня биофизика создать некий объект, совмещающий в себе биологическую и физическую формы, как это бывает в голливудских фантастических фильмах?
– Вы попали в самую точку. Биофизика – это пограничная, междисциплинарная область знаний. Она не единственная в этом роде. Есть, например, биохимия. Биология, физика, химия – все изучают свою область знаний по отдельности. Но в природе-то всё едино. Это мы их разделили. Потому что, по мере того как человек изучал всё большее количество природных явлений и процессов его мозг попал в затруднительное положение. Он не мог вместить в себя все эти знания целиком. И чтобы ему было проще справляться, возникло разделение на науки. Наиболее фундаментальная наука – это физика, наука о взаимодействиях. Физика изучает вопрос «почему это происходит?», а объектом её изучения служит всё, что нас окружает. От космоса и Вселенной до элементарных частиц. Не все взаимодействия играют большую роль в биологии, но многие играют, и очень важную. Биофизика эти взаимодействия и изучает. Существует тезис, что междисциплинарные науки – это точка роста. Биофизика – наука об изучении физико-химических взаимодействий, которые лежат в основе биологических явлений.
– Может ли биофизика соединить человека и монстра? Дать человеку возможности каких-то животных или наделить его какими-то сверхспособностями?
– Так же как и всё в природе, в человеке смешано физическое и биологическое начало. Мы пока ещё не на пути к созданию сверхчеловека, об этом пока смешно говорить, но мы работаем в области синтетической биологии, генной инженерии. И на микроуровне уже создаются новые организмы. Ведётся биосинтез белков. Эти белки на уровне взаимодействия определяют свойства организма. И если мы возьмём ген, который продуцирует какие-то белки, ответственные за какие-то свойства, то мы можем пересадить их в организм и получить для этого организма новые свойства. Например, ген азотофиксации, клубеньковые бактерии, как в клевере, который фиксирует азот и из него в итоге получаются удобрения. И если эти гены пересадить пшенице, чтобы она своими же корнями могла себя удобрять, то вот вам и новый организм с полезными свойствами, которые были нехарактерны для этого растения изначально.
– Так и вижу учёных в секретных американских или китайских лабораториях, которые разрабатывают нечто доселе невиданное.
– Вспомним известного фантаста Герберта Уэллса и его книгу «Остров доктора Моро». Там некий хирург на острове методом хирургии делал гибридов человека и животных. С точки зрения внешнего вида это были уроды. Им прививались человеческие привычки. Каждый вечер у костра они повторяли мантры – надо ходить на двух лапах, жрать других нехорошо и т.п. Кончилось, как обычно, плохо. Они забыли об этих заповедях и устроили на острове локальный ад. Это, конечно, фантастика, но элемент предвидения в ней есть.
О чём рассказало «мусорное ведро»?
– Вы заведуете кафедрой в МГУ. Но помимо этого читаете лекции в МФТИ. Это один из лучших физических научных центров в мире. Чему вы, биолог, можете научить студентов-физиков?
– Я их учу думать. Наука, которая объединяла бы в себе физические и биологические закономерности, – это и есть биофизика. Между ними нет непроходимой грани. Способность восприятия новой информации не просто как информации, но так, чтобы у вас развивался менталитет в определённой области, к сожалению, заканчивается в возрасте 22–23 лет. Дальше вы можете обновлять знания, обновлять уже полученный фундамент. Есть примеры реальных, а не книжных Маугли – детей, выросших среди волков до 4 лет. Они больше никогда не заговорят на человеческом языке. Пропущен момент, когда они могут измениться. В науке то же самое. Если вас не научили логическому мышлению в период вашего «научного детства» – всё, привет, потом вы этому уже не научитесь. В чём проблема нашего образования? В школе детей не учат думать. Обучение превратилось в игру «угадайка».
– В начале 1960-х годов вам поручили создать лабораторию космической биологии. Для чего это понадобилось в годы, когда Гагарин только-только слетал в космос?
– Это была эпоха, когда мы шли впереди планеты всей и всё стремительно развивалось. Космическая биология и космическая медицина тесно связаны. Медицина занималась непосредственно здоровьем космонавтов. А космическая биология – это признание того факта, что речь идёт о гораздо более серьёзных проблемах. Например, о проблеме жизнеобеспечения человека в космосе не за счёт запасов, а за счёт возобновляемых в космосе ресурсов. Требовалось обеспечить круговорот вещества на борту космического корабля. То есть воспроизведение того, что происходит на Земле, только в миниатюре. Мы на Земле живём за счёт энергии Солнца. Встал вопрос о том, что дело не только в технических возможностях. Какие проблемы запустить хлореллу, чтобы она при освещении выдавала вам кислород? (Водоросль хлорелла может использоваться для получения кислорода в замкнутых объёмах, будучи помещённой в ёмкости или баки с водой. На 50% состоит из белка. Ранее предполагалось использовать хлореллу в дальних космических перелётах в качестве источника кислорода и белка. – Прим. ред.). Никаких проблем. Вопрос в другом – каков механизм использования этой водоросли? Как следить за её состоянием, с какой периодичностью надо обновлять вещество и надо ли его вообще обновлять, на какое время и с какой мощностью включать освещение и многие другие практические аспекты.
– И как вы это узнаёте?
– Представьте, что у вас есть соседи, про которых вы хотите всё узнать: какой у них режим дня, какой бюджет, какие отношения в семье и всё такое. А они за стенкой живут, вы не можете у них ничего спросить. Зато вы имеете доступ к их мусорному ведру. И вы по нему можете узнать, что они предпочитают дорогой коньяк, читают определённую прессу, закупаются в таком-то магазине, не штопают носки, а выбрасывают их. Вы по этим косвенным признакам можете узнать о соседях больше, чем они вам сами могли бы рассказать. В период холодной войны для этих целей изучали выбросы отходов с подводных лодок. Так вот именно такие энергетические остатки «мусорного ведра» нам любезно предоставляет природа. Мы выяснили, что хлореллой поглощается не весь свет, часть его выходит в виде флуоресценции. Она составляет доли процента, но мы можем её ловить, изучать и по количеству и характеру выбросов световых остатков в этом «мусорном ведре» мы можем судить, сколько света ушло на полезную работу, т.е. на выработку кислорода.
– Опыты с хлореллой были использованы в космических полётах для выработки кислорода? Или это всё на перспективу для полётов на Марс и ещё дальше?
– Наземные эксперименты проводились. Но я не знаю, насколько далеко продвинулась технология для обеспечения полностью замкнутого цикла. В основном, конечно, на космических кораблях пока используются привезённые с собой запасы.
– Я окончил МАИ по кафедре систем жизнеобеспечения. Ещё в 1980-е мы изучали, что твёрдые продукты жизнедеятельности – если проще, извините, какашки – с большим удовольствием поедались личинками мух, опарышами. И в результате эти опарыши на 60% состоят из чистого белка. Осталось их собрать, засушить, перетереть в порошок и опять съесть. И пошёл круговорот. Так мы готовились к дальним космическим перелётам.
Жизнь из космоса
– Вы член Научного совета космической биологии и физиологии. Кого вы изучаете больше, человека или менее развитые организмы типа мышей?
– Мы работаем на молекулярном уровне. Если вы посмотрите на цепочку эволюционного развития организма от амёбы до человека, то вы увидите, что между ними нет ничего общего, это абсолютно разные организмы. Но если вы посмотрите на строение и свойства отдельных «кирпичиков» – ферментов и других составляющих, которые есть и там и там, то сходство очень большое.
– Как такое может быть?
– Существует теория «панспермии», гласящая, что на Землю из космоса был доставлен готовый организм, который распространился по всей планете, в процессе распространения меняя свою форму и эволюционируя. Взять сине-зелёные водоросли, которые есть сейчас и которые находят в самых древних ископаемых остатках. Дескать, они прилетели к нам на каком-то метеорите, и с них всё и началось. Но возникает вопрос – а откуда они взялись в этих метеоритах? На каком этапе из неживой материи появилась живая? Где грань между живой и неживой материей? Этим как раз и занимается физико-химическая биология. Синтетическая биология. Синтез с помощью считывания информации с ДНК и прочих «кирпичиков», выяснение способов их взаимодействия и результатов их взаимодействия. Самоорганизация происходит по каким-то законам. Мы выясняем, что это за законы.e_SClB
– Замечательный американский режиссёр Ридли Скотт – один из авторов знаменитой эпопеи «Чужие». Из этой серии мне больше всего нравится фильм «Прометей», где проходит мысль, что жизнь нашей Вселенной определяется некими Инженерами. И Землю белком засеяли именно они, рассыпавшись на молекулы. Насколько правдоподобна такая теория?
– Что такое эволюция на молекулярном уровне? Это взаимодействие между молекулами и получение неких комплексов, обладающих какими-то новыми свойствами. Они могут делать вместе то, что не могут делать порознь. А вот откуда они все взялись – это очень серьёзный вопрос. Ещё в середине прошлого века проводились опыты, заключавшиеся в следующем. Если взять кварцевую пробирку, поместить туда углекислый газ, воду, фосфор и ещё набор какой-то неорганической субстанции, чтобы в пробирке не было никакой жизни, и потом облучить её ультрафиолетом или дать электрический разряд, то на выходе вы получите практически все «кирпичики» живого. Это ещё не будет жизнь и даже не биоорганические соединения, но они начинают взаимодействовать.
Возвращенцы
– В чём «выхлоп» биофизики? Говорить о водорослях и всё?
– На примере фотосинтеза, например, мы занимаемся глобальными проблемами – происхождение жизни, роль света как источника энергии.
– Можно использовать фотосинтез как источник энергии на глобальном уровне?
– Есть же уже реализованные проекты. В том же Израиле, например, в других местах. В основном в пустынях, где солнца много. Строят огромные биореакторы, которые вырабатывают энергию. Мы этим и занимаемся. Мы не чисто кабинетные учёные, результаты нашей работы идут в практическое применение.
– Боюсь, что для России с её гигантскими запасами нефти и газа, фотосинтез как источник энергии ещё долго будет оставаться в рамках теоретических изысканий.
– Когда Резерфорд ставил свои опыты по распаду радиоактивных материалов, разве кто-то мог представить, что атомная энергия станет одним из важнейших источников энергии для человечества в очень короткие сроки? Перед самой войной наши учёные докладывали правительству о перспективах атома. Ответ был: «Хватит ерундой заниматься». А результат вы сами видите.
– Вы работали в США и знаете, как устроен научный процесс в этой стране, и можете сравнивать с нашими реалиями. Процесс массового бегства молодых учёных из России в Америку имел катастрофические масштабы. Слышал, что начался обратный процесс. Руководитель одного из крупнейших научных учреждений России заявил, что в течение 10–15 лет российская наука выйдет на передовые рубежи в мире. На чём основывается этот оптимизм?
– Я в Америке был много раз, читал там лекции. Хорошо знаю систему их образования. Но меня туда больше как-то не тянет. Сколько наших учёных возвращается в Россию – это вопрос статистики, я им не владею. Меня больше заботит вопрос – почему они вообще туда уезжают? Точнее, уезжали.
– И почему же?
– Отъезд оправдан, когда вы не просто можете, но и должны уехать. Не когда вы ожидаете, что там будет лучше, чем здесь, – может быть, даже ошибочно. На мой взгляд, уехать вы можете только тогда, когда по какой-то причине вы не можете жить в этой стране. Например, типичная ситуация – вам просто негде жить. Нет квартиры! Из деревни на механический факультет приезжает талантливый парень, заканчивает его с большим успехом. А жить ему негде. На полагающуюся ему зарплату он не может не только купить, но даже снять квартиру. И он уезжает. Это основная экономическая причина отъезда молодых учёных. Если эта проблема будет устранена, это будет одним из главных поводов для того, чтобы люди начали возвращаться.
– Опять я со своим Голливудом, но очень сложно пройти мимо. В фильме «Человек-муравей» учёный научился уменьшать клетки в сотни раз и сделал маленького человечка. Объект изучения биофизики – это клетка. Есть ли у клетки свойство менять свои размеры?
– А вы посмотрите на народные сказки. Скатерть-самобранка, сапоги-скороходы, превращения Ивана-царевича – все эти идеи в той или иной мере сейчас либо реализуются, либо близки к реализации. Это говорит о том, что в воображении человека имманентно заложено нечто, что заставляет его двигаться вперёд без привязки к конкретной прагматической цели. Человек фантазирует. А потом реализует свои фантазии. Так и ваш пример. Не надо всё воспринимать буквально и говорить, что клетку вдруг раз и сделали меньше. Эдак можно прийти к состоянию материи, какой она была в момент Большого взрыва. Но можно пойти другим путём. Разрабатываются лекарственные нанокомплексы, которые помещаются точечно в тот орган, где они требуются, и не нужно пихать лекарства целыми граммами в желудок и потом выделять неиспользованными – это же, по сути, то, о чём вы говорите, только несколько видоизменённо. При таком их использовании с лекарством будет взаимодействовать только больной орган, а весь остальной организм в этом участвовать не будет.
– То есть маленького человечка сделать нельзя? А как было бы удобно. Нагрузил небольшой автобус маленькими людьми, отправил его в Сочи, а там их вернул в обычный размер. Это ж какая выгода! А какие открытия в биофизике можно потрогать руками?
– Известна «искусственная кровь», созданная в институте биофизики в Пущине.
– «Голубая кровь»? Мы про неё даже писали.
– Да, работа Иваницкого. Есть лечение светом. У нас есть запатентованные на международном уровне средства, с помощью которых можно следить за состоянием зелёных насаждений. Но это не пользуется спросом. В Москве каждый год гибнут тысячи деревьев. В основном вдоль трасс из-за отравления выхлопными газами. Наши методы помогли бы предотвратить их гибель. А также определить, подходят ли те или иные саженцы для Москвы или они погибнут в скором времени. Мы предложили московским властям. Нам ответили – мы и без вашей флуоресценции всё знаем.