Сети молекул в нашем организме работают так, будто у них есть цели и желания. Понимание этого феномена может помочь одним махом решить вопрос о происхождении жизни и разума.
Все мы иногда испытываем трудности с самоконтролем. Мы говорим себе: ещё только одну плитку шоколада, ещё один стаканчик вина, ещё один эпизод захватывающего сериала перед сном, но затем всё равно продолжаем. Но кто, или, даже, что это за «я», становящееся предметом борьбы, прежде чем поддаться искушению? Клетки в нашем кишечнике каким-то образом сотрудничают с клетками мозга и рук, чтобы дотянуться до шоколадки, стакана вина или кнопки «следующий эпизод». И со всё более возрастающей сложностью, в определенный момент линия пересекается, и целое становится больше, чем сумма его составляющих. То есть, появляется «я» — некто, взаимодействующий с миром так, чтобы достичь ваших целей и желаний.
А что если «я» находятся в тех самых клетках до того момента, когда они объединяются, чтобы образовать единое целое? Может показаться немыслимым, но биологические модели указывают на то, что эти микроскопические единицы жизни, о которых мы обычно думаем как о пассивных машинах — винтиках, слепо подчиняющихся законам физики — имеют собственные цели и показывают наличие воли (субъектности). Удивительно, но даже простые сети биомолекул, похоже, демонстрируют некоторую степень индивидуальности, и это откровение может привести к созданию новых способов лечения нарушений здоровья с куда меньшим количеством побочных эффектов.
Более того, некоторые биологи говорят, что это новое восприятие самости может продемонстрировать, в чём заключена особенность жизни и откуда она вообще появилась. «Происхождение самости совпадает с происхождением жизни», — говорит когнитивист Том Фрёзе из Окинавского института науки и технологии в Японии.
Интеллектуальные агенты
У биологов и неврологов «я» имеет техническое определение как «агент», обладающий целью и действующий таким образом, чтобы этих целей достичь. Агенты не просто толкаются из стороны в сторону окружением, они изменяют самих себя и свою среду целенаправленным образом. Иными словами, они обладают обусловленной властью над собой и своей средой.
Чтобы проявлять субъектность, нужно впитывать информацию, использовать эту информацию для решения задач и обучаться, запоминая, к каким результатам привели эти действия. Нейробиологи дают этому широкое определение «мыслительная деятельность», и снимают энцефалограммы и проводят поведенческие тесты, чтобы изучить это созвездие процессов. В самом деле, мы традиционно приписываем способность мыслить только тем, кто обладает мозгом. «Очень легко попасться в сети такого представления, что мозг — наш первый пример мыслительной деятельности, и, следовательно, множество людей полагает, что мозг должен представлять собой нечто особенное [в этом контексте]», — говорит биолог-теоретик Эмили Долсон из Университета штата Мичиган.
Но всё большее количество учёных занимаются исследованием того, где ещё проявляются эти способности, применяя подобные методы к более простым организмам, у которых мозг в традиционном смысле отсутствует. В последние несколько лет исследования поведения электрических и химических сигналов слизистых грибов, растений и даже одноклеточных организмов продемонстрировали удивительные способности к обучению, формированию воспоминаний и корректировке решений по мере поступления новой информации. Они даже расширили спектр мыслительной деятельности до более мелких систем в человеческом организме: иммунная система, например, конструирует собственную память, в которой белки помогают ей отразить опасное вторжение, а группы клеток сотрудничают, выращивая и ремонтируя организм по собственной воле. Иными словами, и иммунная система, и эти клеточные коллективы по-своему выступают с определённой степенью субъектности.
Таким образом, насколько вниз по лестнице усложнения мы можем распространить эту мысль? Биолог-теоретик Майкл Левин и его коллеги из Университета Тафтса в Массачусетсе недавно применили когнитивные инструменты на системах, которые намного проще даже базовых одноклеточных организмов — системах, которые большинство из нас посчитало бы неодушевлёнными. «Нельзя просто предположить, что что-либо обладает определённым уровнем субъектности, — говорит Левин. — Нужно проводить эксперименты, и затем — удивляться».
Учёные исследовали генные регуляторные сети (ГРС), имеющиеся внутри каждой клетки и выполняющие жизненно необходимую работу по определению времени, места и интенсивности экспрессии генов. Они состоят из сетей генов, белков, РНК и других биомолекул, взаимодействующих друг с другом во множестве «узлов». В человеческом организме, если ГРС повреждена — допустим, она не может должным образом регулировать выработку жизненно необходимого белка — мы можем попытаться произвести вмешательство с помощью генной терапии, чтобы модифицировать структуру ГРС, что напоминает впаивание дополнительного транзистора в сломанную электрическую схему. В этом подходе данные сети рассматриваются в качестве пассивных машин, которые нужно перекоммутировать, чтобы они начали функционировать иначе.
Собаки Павлова
Левин и его коллеги подумали, можно ли изменить поведение ГРС иначе: посмотрев, способны ли они активным образом «запоминать» особенности своей среды. Они вдохновились ставшим знаменитым когнитивным экспериментом, который физиолог Иван Павлов проводил в 1890-х годах. Для этого Павлов использовал стимулы, включая тикающий метроном, непосредственно перед тем, как собаки получали пищу. После нескольких повторов собаки учились ассоциировать тикающий метроном и появляющуюся тут же еду, и начинали выделять слюну при тиканьи метронома без последующей кормёжки. Это продемонстрировало, что собаки обрабатывают информацию из своего окружения и используют её для составления прогнозов? что называется ассоциативным обучением.
Вместо собак и метрономов Левин с коллегами смоделировали 29 различных ГПС на основании биологических данных в ряде компьютерных симуляций. Они обучили каждую ГПС ассоциировать присутствие нейтрального препарата, не вызывающего реакции, с функциональным препаратом, влияющим на неё, регулярно одновременно стимулируя узлы сети.
Таким образом, они в итоге достигли желаемых рефлекторных изменений в каждой ГРС без использования функционального препарата — подобно собаке, вырабатывающей слюну при тикающем метрономе в отсутствие еды. Иными словами, их эксперимент показал, что ГРС могут обучаться: адаптируя своё поведение таким образом, при котором необходима определённого рода память. «Определённо, это — примеры умственной деятельности», — говорит Левин. — Вам не удастся провести с ГРС увлекательнейшую беседу, но это — уже что-то, это не ноль».
«Эти результаты могут помочь нам снизить вредные побочные эффекты, вызываемые многими медикаментами», — говорит Левин. Например, опиоиды вроде морфия облегчают хроническую боль, но у людей к этим препаратам быстро вырабатывается толерантность, и единственный выход — повышать дозу, что может привести к зависимости, а впоследствии — к рискам, связанным с отказом от препарата. Однако, управляя памятью биомолекулярных путей, как это сделал Левин с коллегами в отношении ГРС, можно замедлить или предотвратить накопление толерантности. «Может даже стать возможным получать эффект сильнодействующих препаратов, обладающих серьёзными побочными эффектами, таких, как химиотерапевтические препараты, используя вместо них безобидную биомолекулу», — говорит Левин. Однако, пока что никто не применял эти полученные на компьютерных моделях данные при реальном лечении пациентов.
Помимо медицинского применения, полученные данные о том, что компьютерные модели ГРС способны обучаться, подобно собакам Павлова, могут иметь важнейшее значение для нашего понимания субъектности молекулярных сетей. Похоже, каждая ГРС может вести себя как субъект, контролирующий поведение своих химических компонентов для достижения своих коллективных целей.
Левин и его команда задумались, может ли это стимулированное ассоциативное обучение ГРС повлиять на степень её активности свыше суммы её составляющих — по сути, чтобы измерить уровень её «самости». Чтобы ещё глубже испытать эту идею, они обратились к математическому методу под названием «причинно-следственная эмергентность».
Причинно-следственная эмергентность была изначально разработана нейробиологом Эриком Хоэлем, также из Университета Тафтса, применительно к интегрированной информационной теории (ИИТ) сознания. В ИИТ говорится, что степень, до которой мозг функционирует как холистическое целое, можно измерить количеством, именуемым фи, которое также является мерой осознанного понимания. Если учёные могут лучше прогнозировать будущее состояние мозга, рассматривая мозг с более отстранённой точки зрения, вместо того, чтобы составлять прогноз на основании его индивидуальных компонентов, то они говорят, что мозг обладает более высоким фи, и что он демонстрирует более высокую причинно-следственную эмергентность.
Помимо сознания, причинно-следственная эмергентность стала общим способом измерения того, как любая сложная система выступает в роли субъекта, а не набора определённым образом расположенных шестерёнок. Грубо говоря, если части занимаются своими делами — фи низкое. Если они включаются в коллективную схему — фи выше. Применив степень причинно-следственной эмергентности к ГРС, Левин и его команда обнаружили, что после того, как ГРС успешно научилась ассоциировать нейтральный препарат с функциональным, её фи также стала выше — и чем больше ГРС обучалась, тем больше были показатели фи, что в совокупности предполагает, что возник новый уровень субъектности. «Многие скажут: «Да ладно, вы использовали эти методы за гранью области их применения», — говорит Левин. — Но если вам нравятся методы, пусть наука говорит вам, где они работают. Если методы никудышные — вы обнаружите это достаточно быстро».
Эволюция и возникновение жизни
Кевин Митчелл, генетик и нейробиолог из Дублинского университета в Ирландии говорит, что результаты подобного рода интересны потому, что субъектность — «определяющее свойство жизни». Если группа клеток собирается вместе и получает новый тип восприятия, то этот новый навык позволяет им влиять на свои составные части сверху вниз, принуждая отдельные клетки забыть о собственных интересах, чтобы работать для достижения коллективных целей. Он описывает это как своего рода «мета-контроль», позволяющий субъектам активно реагировать на среду.
Эти находки имеют значение не только для тех, кто или что в нашем понимании выступает как субъект — но они также предполагают, что сама по себе субъектность может управлять эволюцией. «В истории жизни существуют крупные эволюционные переходы, когда изменяется то, что значит быть личностью», — говорит Долсон. — Например, простые клетки-прокариоты поглощали друг друга, чтобы образовать более сложных эукариотов, затем эукариоты сочетались, образуя многоклеточные организмы. Эта тенденция, где части сходятся вместе, чтобы образовать новый уровень субъектности, — говорит Долсон, — может быть важным механизмом, помогающим объяснить, почему жизнь имеет склонность развиваться в сторону более сложных форм.
Нам нужно рассматривать эти химические системы как субъекты, действующие с некоторой степенью намерения
Эта мысль была подкреплена последующим исследованием, где Левин и его коллеги обучили ГРС запоминать, а затем «забывать» рефлекс, форсировав у них новые Павловские ассоциации. Это подобно тому, как научить собак ассоциировать метроном с пищей, а затем научить их ассоциировать с ней яркий свет, пока они не забудут о метрономе. Предполагалось, что, как только заученный рефлекс станет излишним, субъект «отпустит» эту информацию и повышенная причинно-следственная эмергентность, возникшая в силу этого рефлекса, исчезнет. Но когда Левин и его группа измерили причинно-следственную эмергентность каждой ГРС, они обнаружили, что она продолжала расти — даже когда изначальный рефлекс был забыт. «Если вы вынуждены потерять это воспоминание, вы не теряете приобретённое фи, что удивительно, поскольку это означает, что здесь присутствует асимметрия, она становится храповым механизмом разума», — говорит Левин.
Похоже, что вместо того, чтобы попросту избавиться от информации с целью забыть рефлекс, ГРС забывают, запоминая противоположность исходного понятия. «Теперь, вместо того, чтобы ничего не знать, вы знаете это понятие и его противоположность», — говорит Ричард Уотсон, исследователь сложных систем из Саутгемптонского университета в Великобритании. Вопреки ожиданиям, в некоторой степени, обучение ГРС забыванию наделяет её более сложной когнитивной моделью, и её уровни субъектности и причинно-следственной эмергентности продолжают расти.
Нейробиолог Николай Кукушкин из Нью-Йоркского университета предостерегает, что нам не следует переоценивать результаты компьютерных моделей биологических систем. «Вы можете доказать, что что-то возможно in silico, но вы не сможете доказать, что это именно так и работает [в реальных клетках]», — говорит он. И всё же он находит эти результаты интересными, и, несмотря на то, что компьютерные модели намного проще клеток, он говорит, что мы всё-таки можем извлечь из них ценные уроки.
Кроме того, существуют модели даже более примитивных систем, более точно отражающие положение дел в реальном мире, и также совпадающие с мнением Левина касательно субъектности и эволюции. В 2022 году исследователь сложных систем Стюарт Бартлетт из Калифорнийского технологического института и Давид Луапр из парижского Ubisoft Enterntainment обнаружили, что простые «аутокаталитические» химические системы, совместно вступающие в реакцию для самовоспроизведения, также способны обучаться ассоциативным способом. В процессе аутокатализа одно химическое вещество поступает в систему в качестве топлива, в то время как в результате потребления этого вещества образуется другое вещество. Учёные обнаружили, что на скорость реакции между этими двумя веществами влияет предыдущая схема концентрации доступного топлива — такое поведение Бартлетт называет «примитивной формой обучения». Это предполагает, что когнитивные способности могут обнаруживаться на ещё более ранней стадии молекулярной сложности, чем ГРС.
Бартлетт решил изучать аутокатализ, поскольку эти простые химические реакции имитируют такое поведение, как самовоспроизведение живых систем. «Самовоспроизведение и эволюция имеют широкое признание в качестве первостепенных свойств жизни, и поэтому некоторые исследователи считают, что аутокатализ может даже помочь объяснить возникновение жизни. Но, чтобы полностью понять, как это могло произойти, нам также необходимо подумать об этих химических системах как о субъектах, действующих с некоторой степенью намерения, а не как о наборах неодушевлённых частиц», — говорит Фрёзе.
В этом контексте субъектность и восприятие лучше всего представлять в виде континуума, а не того, чем могут обладать только высшие формы жизни. Простые субъекты на одном конце континуума получают знания из своего окружения, и, таким образом, обретают более сложные формы субъектности — вместе со способностью контролировать себя, свои компоненты и окружающий их мир.
Но Уотсон говорит, что, хотя ГРС и аутокаталитические вещества, судя по всему, имеют цели и демонстрируют рудиментарную способность «думать», было бы преувеличением сделать вывод, что они обладают каким-либо внутренним разумным миром. «Вам необязательно говорить, что компоненты обладают верой, намерениями или желаниями», — говорит он. В то же время Левин говорит, что нам не стоит отстраняться от этого лишь потому, что нам кажется странным наделять простые системы характеристиками, которые мы обычно приписываем таким сложным формам жизни, как мы сами.
«Я лишь говорю, что у меня есть сумка с инструментами [из арсенала когнитивной и поведенческой науки], которую я принесу», — говорит Левин. —Мне неинтересно спорить об этом с философами. Если у вас есть более совершенный взгляд на мир, способный привести вас к более интересным открытиям — вперёд!»
Автор — Конор Фили (Conor Feehly).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно: