Время живых машин. Биологическая революция в технологиях

Книга издана при поддержке Политехнического музея и Фонда развития Политехнического музея

Переводчик Виктория Краснянская

Научные редакторы Мария Осетрова, Виктория Гинанова, канд. биол. наук

Редактор Антон Никольский

Оформление серии Андрея Бондаренко и Дмитрия Черногаева

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина

Компьютерная верстка М. Зинуллин

Дизайн обложки Д. Черногаев

Фото на обложке National Cancer Institute on Unsplash

Фото автора на обложке Len Rubinstein

The Age of Living Machines: How Biology Will Build the Next Technology Revolution

© Susan Hockfield, 2020

Иллюстрации. Somersault1824 BVBA

© А. Бондаренко, Д. Черногаев, художественное оформление серии, 2021

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО “Альпина нон-фикшн”, 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

“КНИГИ ПОЛИТЕХА” – партнерский проект ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО МУЗЕЯ, издательств CORPUS, “АЛЬПИНА НОН-ФИКШН” и “БОМБОРА”.

В серии выходят лучшие современные и классические книги о науке и технологиях – все они отобраны и проверены учеными и отраслевыми специалистами.

Серия “Книги Политеха” – это пять коллекций, связанных с темами постоянной экспозиции Политехнического музея:

“Человек и жизнь” – мир живого, от устройства мозга до биотехнологий.

“Цифры и алгоритмы” – математика, искусственный интеллект и цифровые технологии.

“Земля и Вселенная” – происхождение мира, небесные тела, освоение космоса, науки о Земле.

“Материя и материалы” – устройство мира с точки зрения физики и химии.

“Идеи и технологии” – наука и технологии, их прошлое и будущее.

Политехнический музей представляет новый взгляд на экспозицию, посвященную науке и технологиям. Спустя столетие для музея вновь становятся важными

мысль и идея, а не предмет, ими созданный.

Научная часть постоянной экспозиции впервые визуализирует устройство мира с точки зрения современной науки – от орбиталей электрона до черной дыры,

от структуры ДНК до нейронных сетей.

Историческая часть постоянной экспозиции рассказывает о достижениях российских инженеров и изобретателей как части мировой технологической культуры – от самоходного судна Ивана Кулибина до экспериментов по

термоядерному синтезу и компьютера на основе троичной логики.

Политех делает все, чтобы встреча человека и науки состоялась. Чтобы наука осталась в жизни человека навсегда. Чтобы просвещение стало нашим

общим будущим.

Подробнее о Политехе и его проектах – на polytech.one

Посвящается Тому и Элизабет за их постоянное терпение, мудрость и любовь

Пролог

Последние несколько десятилетий, пребывая в должности декана и проректора Йельского университета, а затем президента и теперь уже президента-эмеритус[1] Массачусетского технологического института (МТИ), я имела редкую возможность заглянуть за горизонт науки. От того, что я там видела, захватывает дух. Нам выпало стать свидетелями появления гениальных и чрезвычайно мощных биологических инструментов: вирусов, которые могут самостоятельно формировать элементы питания; белков, способных очищать воду; наночастиц, умеющих находить и уничтожать раковые клетки; протезов, которые могут читать мысли; компьютерных систем, повышающих урожайность культур.

Новые технологии словно сошли со страниц фантастических романов, но они реальны. Разработка многих из них продвинулась уже очень далеко, и каждая ведет свое начало из одного и того же революционного источника – соединения[2] биологии и инженерного дела. Эта книга рассказывает о том, как происходит этот синтез, – о значительных научных открытиях, соединивших две такие разные области знаний вместе, и об исследователях-новаторах, использующих это слияние, чтобы изобретать инструменты и технологии, которые изменят нашу жизнь в наступившем столетии.

Нам нужны новые инструменты и технологии. Сегодня население земного шара составляет примерно 7,6 млрд человек[3], и ожидается, что к 2050 г. оно превысит 9,5 млрд. Вырабатывая энергию, которая служит топливом, согревает и охлаждает сегодняшнее население, мы уже выбрасываем в атмосферу такое количество оксида углерода, какого хватит, чтобы изменить климат планеты на многие века, и сейчас мы сталкиваемся с последствиями этого[4]. Температура и уровень океана растут[5], большие участки земного шара поражены засухой, голодом и устойчивыми к лекарствам болезнями. Если просто распространять инструменты и технологии, имеющиеся сейчас в нашем распоряжении, это не решит ужасающие проблемы, с которыми мы сталкиваемся в мировом масштабе. Как мы можем получать доступную, но не загрязняющую природу энергию, производить достаточно чистую воду, разрабатывать более эффективные лекарства по низким ценам, предоставлять равные возможности для инвалидов и обеспечивать больше продуктов питания, не нарушив мировой экологический баланс? Нам нужны новые решения для этих проблем. Без новых технологий мы обречены на трудные времена.

Нам уже приходилось сталкиваться с прогнозами, предсказывающими всевозможные несчастья. В 1798 г. преподобный Томас Роберт Мальтус[6], английский священник, демограф и экономист, установил, что повышение уровня населения неизбежно превысит рост производства продуктов. Результаты его анализа предупреждали о единственно возможном исходе – массовые вспышки голода, войн и болезней. Как заявлял Мальтус, эти вспышки смогут регулировать численность населения, но только ценой смерти множества людей. “Непреодолимое увеличение народонаселения, – писал Мальтус, – не может сдерживаться без нищеты и бедствий”.

Но Мальтус был не прав. Уже в его дни фермеры начинали применять новые методы обработки земли, в том числе четырехпольный севооборот и внесение удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Эти методы полностью изменили уравнение. Они сделали землю более плодородной и наполнили рынок бóльшим количеством продуктов. При наличии доступной пищи население Англии выросло даже быстрее[7], чем предсказывал Мальтус, что помогло удовлетворить требования к рабочей силе в период индустриальной революции. Технологически обусловленная сельскохозяйственная революция[8] XIX в. внесла свой вклад в начало новой эпохи инноваций и экономического роста.

Сейчас мы подошли к подобному моменту. Предвещающие несчастья проблемы грозят нам последствиями, которые могут стать катастрофическими. Если их ничем не сдерживать, то они приведут к бедствиям и катастрофам на большей части земного шара. У нас нет средств, чтобы справиться с ними, – пока что нет. Но, когда мне удалось заглянуть за научные горизонты, я увидела удивительно яркое будущее. Биология и инженерное дело соединяются такими способами, которые ранее и представить себе никто не мог[9], и этот синтез вскоре сможет предложить нам решение некоторых самых значительных и кажущихся непреодолимыми проблем. Мы вот-вот вступим в эпоху невиданных ранее новшеств и процветания, и возможность наступления лучшего будущего будоражит как никогда.

Глава

1

Где начинается будущее

Ранним утром 26 августа 2004 г. на собрании акционеров Массачусетского технологического института[10] меня избрали 16-м президентом МТИ. Выбор моей кандидатуры удивил большинство наблюдателей. Многие указывали на тот факт, что я была первой женщиной, занявшей эту должность, – существенная перемена, если учесть, что все 15 моих предшественников были мужчинами. Но некоторые подметили и кое-что более удивительное: я биолог. Моя дипломная работа и вся научная карьера были посвящены изучению физического, химического и структурного развития мозга, а это не та область, благодаря которой МТИ особенно известен.

Когда я заняла должность президента, институт славился вполне заслуженной репутацией одного из лучших в мире инженерных вузов и был родным домом для всемирно известных отделений физики, химии, математики и информационных технологий. Институт имеет давнюю историю сотрудничества с промышленностью, чтобы, руководствуясь основополагающей миссией “от идеи к действию”[11], превращать сделанные в кампусе открытия в полезные и ценные на рынке технологии. Преподаватели и выпускники МТИ основали ряд компаний, в том числе такие, как Intel, Analog Devices, Hewlett-Packard, Qualcomm, TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, тайваньская компания по производству и изучению полупроводников) и Bose Corporation. Когда люди думают о МТИ, в голову им приходят революционные достижения в области инженерных разработок и физики, которые помогли Соединенным Штатам стать лидером в период стремительного развития электроники и цифровых технологий в ХХ в.

Именно поэтому мое назначение воспринималось как неожиданность. Более предсказуемым выбором была бы кандидатура инженера или специалиста в области теории вычислительных систем, физика или математика. Но в действительности с конца Второй мировой войны МТИ начал заниматься новой, зарождающейся областью науки – молекулярной биологией. К тому времени, когда я начала работать в институте, программа его отделения биологии вошла в число лучших в мире. Преподаватели получали Нобелевские премии за свои открытия, участвовали в основании ведущих мировых биотехнологических компаний.

Благодаря возникновению в институте двух сильных сторон – инженерного дела и биологии – стали появляться новые формы сотрудничества. Вскоре после того, как я приехала в Массачусетс, декан Инженерной школы сообщил мне[12], что треть из 400 преподавателей-инженеров МТИ используют в работе биологический инструментарий. Администрация института понимала, что в XXI в. это взаимопроникновение дисциплин может создать потрясающие способы превращения идей в технологии. В таком свете мое назначение имело смысл: мы могли воспользоваться возможностью и содействовать слиянию биологии и инженерного дела в МТИ, а также в международных научных и промышленных сообществах.

Мне было нужно хорошо обдумать предложение возглавить МТИ. В то время я была проректором Йельского университета, где помогала планировать развитие естественных наук, медицины и инженерного дела. Эта работа мне чрезвычайно нравилась. Главным в ней была реконструкция отделений и зданий для углубления междисциплинарных связей. Моя страсть к налаживанию взаимодействия дисциплин привлекла внимание комитета по выбору президента МТИ, члены которого понимали, что подобное взаимопроникновение обеспечит в будущем практически безграничные возможности.

Могло ли мое положительное решение сработать? И сработает ли? Ставки в выборе между двумя такими разными заведениями были очень высоки и для меня, и для МТИ. Но в каком-то смысле вся моя жизнь готовила меня к этому новому назначению. Поэтому я приняла должность и начала то, что должно было стать увлекательным путешествием к новым областям науки, новым идеям и новым обязанностям.

Мною всегда владело непреодолимое желание понять, как работают разные устройства, и я удовлетворяла это любопытство, разбирая их на части. Еще ребенком, задолго до того, как поняла, что хочу быть ученым, я раскурочивала все подряд. Моя любознательность заставляла меня исследовать детали, из которых состояло устройство, и изучать, как эти части собирать вместе, чтобы оно заработало. Зачарованная зрелищем того, как отец чинит почти все в нашем доме, я разобрала утюг и пылесос. Я вскрыла свои любимые часы, чтобы изучить работу пружины и шестеренок, но это кончилось тем, что пружина раскрутилась, часы вырвались у меня из рук, разлетевшись на десятки частей, с которыми уже ничего нельзя было сделать. Мое любопытство распространялось и на то, что было за порогом дома: я потрошила нарциссы в нашем саду, а также желуди, только пустившие первые зеленые побеги новых молодых дубков.

То, как работает утюг, мне стало ясно после первой попытки его разобрать, но почему цветут нарциссы и растут дубы, оставалось для меня тайной. Как ярко-желтые цветки появляются из зеленого бутона? Почему лепестки желтые, а не красные? Что внутри желудя неожиданно заставляет его прорастать? Тайны живого захватывали меня с самого детства. Что же является его пружинами и шестеренками?

Эта детская страсть все разбирать на части привела меня к работе, которой я посвятила всю жизнь. В то время, когда я формировалась как ученый, мне очень повезло оказаться в центре двух крупных биологических революций. Первая из них, молекулярная биология, открывала тайны строительных блоков всех живых организмов; вторая, геномика, давала молекулярной биологии шкалу, необходимую для того, чтобы определить гены, ответственные за развитие болезней, и отследить их в разных популяциях и видах.

Невозможно переоценить важность этих революций. Молекулярная биология серьезно заявила о себе в конце 1940-х и начале 1950-х гг., когда коллектив ученых, многие из которых были по образованию физиками, использовал ряд новых методов (большинство из них ведут свое происхождение от методов, разработанных во время Второй мировой войны) для описания биологических механизмов[13] на новом уровне детализации. Они улучшили наше понимание того, что происходит на уровне отдельных молекул, отсюда и произошло название “молекулярная биология ”. Самые известные из этих ученых – Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Морис Уилкинс и Розалинд Франклин[14] – использовали изобретенный в то время рентгеноструктурный анализ, чтобы определить структуру ДНК, что обеспечило множество новых возможностей. Ученые могли теперь понимать биологию на уровне клеточного “аппаратного обеспечения” – ДНК, РНК и белки как строительный материал всей живой материи. Со временем новые инструменты позволили выяснить внутреннее устройство здоровых клеток и улучшить наше понимание нарушений, сигнализирующих о возникновении болезни. Попутно ученые также основали биотехнологические компании, такие как Genentech, Biogen и Amgen, разработали новые способы лечения рака, рассеянного склероза и гепатита. Таким образом они спасли огромное количество жизней, создали десятки тысяч рабочих мест и внесли значительный вклад в экономический рост.

Если молекулярная биология сделала возможным изучение “аппаратного обеспечения” клеток, то геномика – еще один революционный раздел биологии – позволила изучать их “программное обеспечение” – код, хранящий набор инструкций для каждого живого организма. Геномика, дополнительную энергию которой придавали достижения в области вычислительной техники, создала карту человеческого генома[15], а также инструменты для анализа в высоком разрешении ДНК и РНК всех видов живых существ на Земле. Благодаря успехам в анализе последовательности генов и геномных данных, позволяющим сравнивать геномную информацию тысяч отдельных людей, ученые начали открывать загадки сложных, многофакторных основ многих болезней. Эти достижения дали возможность биомедицине развивать новые методы лечения пациентов, основанные на уникальном для каждого составе генов и подтипе заболевания, так что теперь мы можем бороться с болезнями отдельного человека с помощью индивидуально подобранной терапии. Те же самые методы используются для изучения животных и растений и, как мы увидим в следующих главах, для того, чтобы изобретать новые решения для некоторых из самых сложных индустриальных и общественных задач.

Я изучала биологию, еще будучи студенткой, но это было за годы до того, как молекулярная биология и геномика захватили науку. Проходя постдипломное обучение[16], я решила специализироваться на нейроанатомии, изучающей строение, развитие и функциональную организацию нервной системы. Красота архитектуры мозга завораживала меня. Используя самые передовые методы, доступные в то время, я изучала нервные клетки и их изысканно-сложные взаимосвязи. Я исследовала, как эти клетки взаимодействуют в процессе развития высокоорганизованных структур, которые дают нам возможность видеть, слышать, думать и мечтать. И я узнавала, как ранний опыт может навсегда изменить и структуру, и биохимию мозга. Но тогда я не могла увидеть более фундаментальные структурные элементы, а именно белки и другие молекулы – механизм работы мозга. Молекулярная биология еще не добралась до нейронауки.

Вскоре после получения степени PhD мне выпала редкая удача получить место в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор Джеймса Уотсона, одного из первооткрывателей структуры ДНК. Там я узнала, как биологи, работающие в других отраслях науки, используют молекулярную биологию, чтобы показать, как гены влияют на деятельность всех живых организмов, как растений, так и животных. Вирус гриппа, тина в пруду, тюльпаны, яблони, бабочки, дождевые черви, лососи, щенки гончих, люди – молекулярные биологи доказали, что все эти организмы состоят из одного набора биологических структурных элементов.

Далеко опережая большинство других ученых, Уотсон уловил, что идеи и инструментарий молекулярной биологии могут совершить революцию в изучении всего живого. Он понимал, что у этой научной области есть сила превратить биологию из науки, являющейся результатом наблюдений, в науку прогнозирующую. Под его руководством ученые из Колд-Спринг-Харбор добились успехов в молекулярной биологии, открыв механизмы, управляющие вирусами и дрожжами, а затем использовав те же методы, чтобы понять работу клеток, взятых у животных и выращенных в лаборатории. Задолго до появления необходимых технологий Уотсон также предвидел возможность[17] того, что инструментарий молекулярной биологии может дать ответы на многие загадки мозга.

Эта возможность пленяла меня. Когда я начала работать в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, нейронаука оставалась одной из последних биологических наук, которые сопротивлялись радикально новым открытиям молекулярной биологии. Я пошла поперек главного направления нейробиологии и присоединилась к горстке предприимчивых ученых, которые воспользовались инструментарием молекулярной биологии и стали основателями новой области – молекулярной нейробиологии.

Даже интеллектуальные революции сопряжены с опасностями и сеющими раздор силами. Сражение за новый подход к нейронауке поставило под удар наши гранты, места работы и карьеру. Яростные споры превращали чопорные заседания в рассадники тайной ненависти. В одном споре на международном совещании ученые, изучавшие человеческий мозг, схлестнулись с теми, кто занимался нервной системой насекомых. Столкновение возникло из-за вопроса, могут ли знания о насекомых пролить свет на происходящее с людьми. В своей основе это был спор о молекулярных механизмах эволюции. И по правде говоря, он скорее представлял из себя неприглядную сцену в духе “кто кого перекричит”, а не научный спор, поскольку у нас еще не было “комплектовочной ведомости” нервной системы, чтобы можно было окончательно и бесповоротно сравнить ее у насекомых и людей. Мы не знали ничего о ее генах и не могли проследить их экспрессию[18] в процессе развития нервной системы.

Наша маленькая группа ренегатов, наша “банда” пионеров молекулярной биологии постепенно брала верх, и начатое нами движение вырастало в крупную силу, которая, объединив классические исследования мозга и инструментарий молекулярной биологии, изменила нейронауку, позволив сделать открытия, ранее просто немыслимые и объясняющие, как работает мозг, а также открывающие новые стратегии клинических вмешательств. Благодаря этим прорывам в молекулярной биологии сегодня у нас есть новые способы диагностировать и лечить заболевания мозга, которые еще несколько десятилетий назад считались трудно контролируемыми. Среди них эпилепсия, нарушения развития нервной системы, инсульт и воспалительные заболевания, такие как рассеянный склероз. Кроме того, есть причины надеяться на новые открытия, касающиеся множества все еще неизлечимых болезней, в том числе болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.

Невозможно описать, насколько потрясающе было участвовать в научной революции, которая свела вместе такие разные дисциплины и идеи. Живя и работая в то время, я стала участницей и сторонницей того, о чем теперь думаю как о “сходящемся” подходе к открытиям.

Мое избрание президентом МТИ не было первым случаем, когда выбор пал на весьма неожиданного кандидата. Еще в 1930 г., в разгар Великой депрессии, во главе МТИ встал Карл Тэйлор Комптон, физик из Принстона.

Оглядываясь назад, можно сказать, что назначение Комптона выглядит вполне естественным, даже очевидным, но в те времена оно потрясло многих людей как нарушение традиции. Сам Комптон позднее говорил, что оно стало самой большой неожиданностью в его жизни. С момента основания в 1865 г. физика в МТИ считалась частью основной деятельности учебного заведения, но репутация института была связана не с научными исследованиями, но с успехами в технических областях. Люди знали МТИ как место, где готовят инженеров, создающих инструменты и технику, которые могут содействовать индустриальной эпохе. Студент МТИ мог, скорее, ожидать, что его будут готовить к работе в химической промышленности или в зарождающейся отрасли электроники.

Комптон принадлежал к совершенно иной вселенной. В Принстоне он возглавлял отделение физики и руководил прославленной по всей стране физической лабораторией Палмера. Он уделял большое внимание атомной физике – потрясающей области с еще не известным потенциалом, появившейся всего поколение назад. Отделение физики в Принстоне занималось фундаментальной наукой, создавая основание для технологий, за которыми гнались другие.

В начале ХХ в. можно было наблюдать потрясающее превращение фундаментальных открытий науки в продукцию на рынке. После открытия составных элементов атома и их сил появилась дорога в совершенно новую область – электронную промышленность. Путь от открытия физических основ до их применения в полезных продуктах был и остается трудным и непредсказуемым. Немногие университеты занимались одновременно открытиями и их применением (наукой и инженерным делом), и всего несколько компаний – в основном известна AT&T со своими лабораториями Белла – вкладывали средства и в фундаментальные открытия, и в разработку новых продуктов.

В 1897 г. великий физик Дж. Дж. Томсон[19] определил электрон как частицу, обладающую отрицательным электрическим зарядом. Он и другие физики его поколения, среди которых были Пьер и Мария Кюри, Вильгельм Рентген и Эрнест Резерфорд[20], заложили фундамент для моделирования элементарных частиц, из которых состоит материя. Хотя каждый из них шел своим путем, вместе они помогли собрать “спецификацию” компонентов, составляющих физический мир и управляющих всем его поведением: протонов и нейтронов атомного ядра, которые окружает облако электронов.

Составив этот список, а также обнаружив ряд законов, управляющих их поведением, физики той эпохи начали работать с инженерами. Этот мощный союз привел к созданию новых устройств: лампы накаливания, радио, телевизора, телефона и даже электрического освещения домов и целых городов. Так родилась электронная промышленность, которая стала привлекать для работы тысячи людей и обеспечила экономический рост страны. Сегодня в нашем цифровом компьютеризированном мире мы продолжаем наслаждаться плодами тех открытий и сочетанием физики и инженерного дела.

К 1930 г. в МТИ решили, что нужно усилить позиции в этой игре, улучшив качество научного отдела. Позднее, вспоминая о своих чувствах в тот момент, один из сотрудников физического факультета писал: “Мы пробуждались, чтобы увидеть новый мир[21] – мир науки в фундаментальном понимании, который практически полностью отсутствовал в то время в институте, – и осознать, как современная наука может изменить инженерное дело будущего”. Со своим свежим пониманием этого будущего и только что обретенным слиянием физики и инженерного дела МТИ обратился к Комптону и предложил ему президентство.