Ученый Фазоил Атауллаханов — о передовой и самой необычной области физики

Почему при коронавирусе образуются тромбы? Чем может помочь биофизика в борьбе с пандемией? Как измерить силу одной молекулы и создать из неживой материи живую? О передовой и самой необычной части физики «Огоньку» рассказал профессор МГУ, Физтеха и Университета Пенсильвании Фазоил Атауллаханов.

Беседовала Елена Кудрявцева

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с—Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24.

— Фазоил Иноятович, вы всю жизнь занимаетесь биофизикой, а сейчас проводите довольно большое исследование, связанное с изучением коронавируса. Как это связано?

— В первых же китайских публикациях, связанных с исследованиями коронавируса, отмечалось: у пациентов наблюдаются сильные нарушения свертывания крови. А мы занимаемся свертыванием крови уже не один десяток лет и понимаем, что речь идет об очень сложной физической системе, ряд особенностей которой понять с точки зрения обычной биохимии трудно. Вот мы и предположили, что при коронавирусе именно состояние системы свертывания крови и определяет то, в какой форме человек переболеет этой инфекцией — в легкой форме или же у него разовьются тяжелые осложнения.

— И как система свертывания связана с течением болезни?

— Наша гипотеза такова: вирус поселяется в клетках эндотелия (внутренняя стенка кровеносных и лимфатических сосудов.— «О»), они начинают гибнуть, и организм делает все, чтобы быстро заделать эти повреждения. В этом и заключается главная задача системы свертывания крови: создать тромб — временную затычку, которая закрывает поврежденную зону. Тромб — нормальное явление, он дает организму пару дней на то, чтобы заменить поврежденные клетки новыми, а затем он должен бесследно рассосаться. Но когда в организм одновременно попадает очень много вирусов, они поражают стенки сразу большого количества сосудов. Система свертывания приходит в дисбаланс и начинает реагировать на повреждения излишне активно, создавая слишком много тромбов. Я думаю, что главная причина гибели врачей именно в этом.

Наиболее уязвимы перед вирусом оказываются легкие, где сосудов как раз очень много. Там возникают массовые тромбозы — мертвые зоны, куда не попадает кровь. Это воспаление активизирует иммунную систему, но ее клетки тоже не могут пробиться к пораженному участку. Возникает очень неприятная ситуация: образуются все новые и новые тромбы, а иммунная система выбрасывает все новые и новые порции клеток для борьбы с зараженными клетками. Разгорается воспаление. В итоге процент рабочей зоны легкого уменьшается и наступает момент, когда человек уже не может дышать.

— Есть ли шанс этого избежать?

— Мы подумали, что можно не дать болезни пойти по тяжелому сценарию, регулируя активность системы свертывания крови. Нужно не давать сильно активироваться системе свертывания крови, подавить ее на какое-то время, чтобы дать легким несколько дней передышки, пока иммунная система победит вирус. При этом совсем отключить ее нельзя — у человека начнутся внутренние кровотечения, ведь повреждения сосудов у нас в организме происходят постоянно, безотносительно вирусов.

На сегодня на базе 12 московских больниц мы уже провели детальное исследование того, что происходит с системой свертывания у человека при ковиде. В общей сложности обследовано более 1600 пациентов, мы обрабатываем массив информации. По предварительным данным, наша гипотеза подтверждается. Патологоанатомы тоже подтверждают, что у умерших пациентов сосуды легких «забиты» тромбами. Поэтому Россия одной из первых в мире уже на уровне Минздрава рекомендовала врачам использовать при лечении антикоагулянты (препараты, разжижающие кровь.— «О»). И после этого процент вылечивания стал заметно выше.

— То есть каждому пациенту нужно делать коагулограмму — исследование на свертывающую способность крови?

— Нет. Этот комплекс анализов малочувствителен, поскольку основан на старинных методах и не показывает те изменения, которые возникают при коронавирусной инфекции. Здесь нужны современные подходы, например метод «тромбодинамика», который мы предлагали использовать в медицине еще 10 лет назад. Он помогает с помощью прибора наблюдать физические процессы, происходящие при свертывании крови, то есть мы видим, с какой скоростью растет тромб, какая у него плотность и так далее. Этот метод оказался очень действенным именно для пациентов с ковидом.

На волне

— А насколько вообще инфекционные заболевания интересны биофизикам?

— На самом деле физикам интересны многие заболевания, потому что при них происходят загадочные и непонятные вещи.

Например, когда мы лет 25 назад стали заниматься свертыванием крови, то увидели: биохимические реакции там устроены очень специфическим образом. Они связаны с явлениями природы, которые не описаны в школьных учебниках по физике. Речь идет об «автоволнах».

— Что это такое?

— Начнем с того, что мы хорошо знаем, что такое обычная волна: если бросить в воду камень, мы увидим волну, которая со временем затухает. А можем ли мы назвать лесной пожар волной огня? Ведь это типичная волна, но при этом по своей природе она очень сильно отличается от волн, которые расходятся от брошенного в воду камня. Во-первых, она одна и второй волны вслед за ней появиться не может. Во-вторых, она движется без остановки до тех пор, пока есть чему гореть. То есть эта волна не затухает по мере отдаления от очага. Волны такого типа — совершенно новое физическое явление, понимание их природы пришло только в середине прошлого века — сильно позже, чем сформировалась вся классическая физика. Теперь эта область науки называется физика нелинейных волн, или физика активных сред.

— Это было какое-то случайное открытие?

— Нет, одновременно было сделано сразу несколько прорывных работ, которые определили развитие науки. Это были открытия в области физики, хотя речь шла о горении, то есть об области, которой традиционно занимались химики.

Первое крупное открытие принадлежит российскому ученому Борису Белоусову (многие знают его как человека, который придумал «зеленку».— «О»). В середине 1950-х Борис Павлович обнаружил колебательную химическую реакцию, в которой происходят явления, связанные с активными волнами. Это очень интересная и простая реакция, на основе которой к настоящему времени сделаны сотни тысяч исследований. Она стала краеугольным камнем для понимания принципов работы таких систем. Свою работу Белоусов послал в научный журнал в 1953-м, но ее не опубликовали, сказав, что это полная чушь, потому что такого не может быть. Понадобилось еще лет 10 углубленных исследований именно физиков, чтобы научное сообщество поняло, о чем идет речь.

Другая работа, сыгравшая колоссальную роль в этой области, связана с именем Алана Тьюринга. Он создал математические модели с необычными свойствами, которые теперь соотносят как раз с активными средами. Еще одну работу выполнили нобелевские лауреаты Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, описав механизмы проведения нервного импульса. Оказалось, что электрический ток по нервной системе передается именно такими автоволнами. После этих основополагающих работ начало формироваться научное сообщество, занятое изучением данных явлений. Сегодня ученые описали целый ряд процессов, где действуют похожие закономерности,— в реакциях химического горения, в лазерах, в биологических системах. Их объединяет то, что такие волны бывают только там, где есть внутренний источник энергии. То есть волна поддерживает сама себя.

— Свертывание крови такая же активная среда?

— Да, и мы поняли это в конце 1990-х. В каждой части нашей крови, в каждом микрообъеме есть все вещества, нужные для того, чтобы кровь свернулась. Процесс образования тромба похож на пожар — он распространяется в пространстве самоподдерживающимся образом. Но ведь лес горит до тех пор, пока весь не сгорит. Получается, если кровь начала сворачиваться, она свернется во всем организме? Но этого не происходит. Стало понятно, что тут все устроено намного сложнее и мы имеем дело с уникальным физическим явлением, которое до сих пор не описано ни в физике, ни в химии, ни в биологии. Оказалось, в природе есть самоподдерживающиеся волны, которые могут сами себя останавливать!

Мы довольно долго разбирались с физической природой этого явления, и наши первые работы публиковались не в биологических, а в физических журналах. Мы ставили огромное количество опытов на своей собственной крови, на крови доноров, здоровой и с различными заболеваниями. Нам пришлось разобраться в биохимии процессов, чтобы понять, какие реакции отвечают за разные физические стадии этого процесса. Сегодня разработанная нами классификация признана во всем мире, и ею пользуются как медики, так и биологи. Это к вопросу о том, как физика соотносится с медициной или биологией.

С молекулой на «ты»

— Вы заканчивали университет в 1970-е. Что было модно тогда?

— Я учился на кафедре биофизики, которую создал и многие годы возглавлял очень глубокий ученый биофизик Лев Александрович Блюменфельд. МГУ я окончил в 1969 году. Тогда была очень популярна технологическая часть науки. В биологию активно внедряли новые физические методы анализа структуры белков: рентгено-структурный анализ, электронную микроскопию, ядерно-магнитный резонанс и так далее. Физики тогда были неграмотны в биологии, им казалось, что с помощью новых приборов они решат все проблемы. Быстро это не удалось, поэтому бум поутих.

Меня в то время волновала теоретическая сторона исследований. Казалось, что мало изучить структуру той же клетки, нужно понять, как она работает. Поэтому я с самого начала стал заниматься динамической биологией. В этом мне очень помог мой учитель Анатолий Маркович Жаботинский, работавший в Пущино. Именно он доказал физикам, что реакция Белоусова — новое явление, и сегодня во всем мире эта химическая реакция носит название Белоусова — Жаботинского. Будучи его аспирантом, я очень много почерпнул про активные среды. В целом очень важно, что в 1970-е годы в России была хорошая наука и было много хороших ученых. Сегодня с этим плохо.

— А если говорить про современную биофизику, что является передним краем науки? И подо что проще получить гранты?

— Очень популярна, во-первых, биоинформатика — анализ огромных массивов информации, которые мы получаем, изучая работу клетки. Во-вторых, анализ работы одиночных молекул — так называемая одномолекулярная биофизика. Если же говорить о грантах, то поощряется перенос знаний в практическую медицинскую плоскость. А вообще сегодня вся биология, особенно молекулярная, постепенно сдвигается в сторону физики.

— Почему?

— Так получается исторически. Сначала люди изучали болезни, просто глядя на пациента — это привело к развитию физиологии. На рубеже XIX и XX веков выстрелила биохимия: стало понятно, что химия — в основе всех процессов. Лет через 70 появилось ощущение, что мы почти все знаем: была открыта структура ДНК и мы получили возможность заниматься очень интересной областью, связанной с генной инженерией. Вся наука постепенно ушла туда и вертится вокруг исследования ДНК. Но и тут есть проблемы. Когда говорится, что молекула ДНК расшифрована, это означает, что мы можем перечислить всю последовательность букв (оснований), находящихся в ней. Но что означает этот гигантский массив информации, как его понять, мы по-прежнему не знаем.

То же самое и с физическим строением молекулы. Сегодня мы можем получить ее изображение благодаря современным методам кристаллографии и рентгеновским методам изучения структуры. Но что мы знаем о ее работе? Глядя на красивые картинки в журналах с изображением какого-нибудь белкового комплекса, мы видим трехмерную картинку с десятками тысяч разукрашенных атомов и думаем, что профессионалу она о чем-то говорит. Я вас разочарую: по большей части профессионал тоже видит просто красивую картинку. Как это работает, почему один атом здесь, а другой там, как они взаимодействуют — мы не знаем. И сейчас передний край науки связан как раз с новейшими методами исследований, которые позволяют это изучить.

— Это та самая одномолекулярная физика, которой вы занимаетесь в США?

— Да. Буквально в последнее десятилетие произошел настоящий научный прорыв: физики научились изучать биологические молекулы поштучно. Это стало возможно благодаря новейшим методам и приборам, в частности — лазерному пинцету (открытие, за которое дали Нобелевскую премию по физике в 2018 году.— «О»), он и позволяет удерживать единичные молекулы. С помощью пинцета мы можем в буквальном смысле растягивать молекулу между особыми шариками-детекторами, чьи ангстремные смещения (ангстрем — мера измерения, равная 0,1 нанометра.— «О») регистрируют, как молекула сжимается или разжимается в ответ на химические реакции, которые сама производит. Вообще, регистрация столь тонких процессов — самая сложная часть исследования. Для этого физики научились регистрировать флюоресценцию, то есть свечение одиночных молекул.

Если говорить о нашей работе, то мы берем какую-то одну-единственную очень важную биологическую молекулу, что-то меняем в ней с помощью методов генной инженерии, а затем замеряем ее параметры. Смотрим, как эта молекула шевелится, какие в ней идут процессы, как она синтезирует новые молекулы, как механически взаимодействует с другими молекулами. Более того, мы можем рассмотреть, как она передвигается по особым структурам внутри клетки, как молекула тянет какой-нибудь груз… Это тоже чистейшей воды физика, которая сегодня переживает настоящий бум.

— А в России это направление развивается?

— Увы, оно зародилось уже после перестройки, когда в России наука закончилась. Поэтому сегодня всерьез работать в этой области физики можно только на Западе.

— Оборудование дорогое?

— Сегодня в России самая главная беда не в отсутствии оборудования. Время от времени правительство страны решает, что нужно взять и ввести пять отечественных университетов в топ-100 университетов мира. Вкладываются приличные деньги в оборудование, но ничего категорически не получается. Почему? Потому что нет специалистов. Помимо самой современной приборной базы должно быть сообщество ученых, которые постоянно работают в этой области. А сегодня российский ученый получает так мало, что привлекательность этой сферы нулевая. Кто идет сегодня в физики или биофизики в России? Фанатики, которые время от времени рождаются в любой стране и в любое время. Но сегодня такому человеку в России особо выучиться негде, и он ищет пути, чтобы уехать в страны, где наука на более высоком уровне. Это обедняет и без того скудную почву... Понимаете, помимо закупки оборудования нужно создавать почву…

Сотворение и не только

— Если шагнуть от клетки на макроуровень, можно сказать, какая система в организме для биофизиков наиболее сложна для изучения? Вероятно, мозг?

— Биофизика мозга — сложная задача, но пока не самая интересная. На мой взгляд, интересные задачи те, которые мы можем решить в обозримом будущем. А исследования деятельности мозга для научного прорыва пока не созрели. Пока идет скрупулезный сбор информации, который может продолжаться десятилетия, прежде чем появится платформа для прорывных идей.

— Зато сегодня биофизиками публикуется много работ по самоорганизации живого. В чем здесь интерес?

— Самоорганизация живого — это та область науки, которая сейчас, в отличие от работы нервной системы, активно развивается. Потому что все биологические системы — самоорганизующиеся, и на самом деле это вещь фантастическая. Только представьте, какие сложные процессы происходят, чтобы из яйца, буквально из ничего, появился сложнейший организм — цыпленок. Мы можем описать внешне, как это происходит, но понять, какие процессы при этом задействованы, не можем. Каким образом одиночные молекулы, у которых нет ни мозгов, ни компьютеров, ни даже камер, чтобы посмотреть, что происходит вокруг, вдруг начинают взаимодействовать, организуясь в сложные системы? Это просто что-то невероятное и это очень интересно, потому что имеет отношение как раз к теории активных сред и различных нелинейных процессов.

Другой замечательный пример из этой области связан с делением простейшей клетки. Мы относимся к этому как к чему-то обычному, но на самом деле и это удивительно — вдруг без внешних усилий появляется нечто совершенно такое же, живое, активно работающее.

Еще пример — ДНК. В ней находится вся информация о клетке — это примерно миллиард букв, собрание сочинений примерно в миллион страниц. А теперь нам нужно сделать фантастически сложную работу: скопировать эту книжку с точностью в 1–2 ошибки. После этого мы получим две копии, которые хранятся в виде томов — в 46 хромосомах человека. А теперь представьте себе молекулярную машину, которая должна растащить эти две копии томов в разные концы клетки, чтобы ничего не перепуталось. И все эти нетривиальные задачи решают очень примитивные молекулы, лишенные не то что мозга, но даже каких-то манипуляторов!

Благодаря современным инструментам мы можем исследовать и постигать закономерности, которые стоят за процессом самоорганизации. А это обещает совершенно фантастическое будущее. Представляете себе, что ваш мобильный телефон начнет размножаться и не нужно будет строить фабрики по производству телефонов? К тому же гаджеты будут непрерывно эволюционировать и улучшаться. Это, конечно, кажется фантастикой, но именно к этому мы, скорее всего, придем.

— Если говорить о самоорганизации, нельзя не спросить о самой основе — о появлении жизни как таковой. Работы в этом направлении идут активно?

— Очень! Сегодня теория эволюции переживает второе рождение, потому что у нее появился новый материал. Если раньше Дарвин сравнивал между собой форму клювов разных птиц, то теперь ученые сравнивают между собой ДНК-последовательности разных организмов, и это позволяет узнать, какие процессы приводили к тем или иным изменениям. Сравнительные исследования геномов разных организмов — бурно развивающаяся область.

— А происхождением жизни они тоже занимаются?

— Вообще, проблема зарождения жизни — это такая интересная область, которую нельзя отнести к классической науке. Ведь классическая наука стоит на незыблемом постулате о воспроизводимости эксперимента.

Если же ты делаешь эксперимент, а он раз за разом не воспроизводится, это не наука. Эволюция как раз тот процесс, который мы воспроизвести не способны и поэтому можем только гадать о нем. Есть огромные «черные дыры» эволюции, о которых мы пока не имеем совершенно никаких представлений.

Тем не менее по поводу некоторых процессов у нас есть уже довольно единое мнение. Например, современные эволюционные исследования показывают: все в итоге сводится к одной-единственной праклетке, из которой все произошло, так же как все человечество действительно сводится к одной паре — Адаму и Еве. С этим сегодня тоже особо никто не спорит.

— А до человека? Удалось ли понять, как из неживого получилось живое?

— Ученым удалось понять, какие процессы привели к некоторым этапам возникновения жизни. Например, процесс воспроизведения себе подобных, без которого нет никакой биологии. Сегодня принято считать, что он мог возникнуть на уровне случайно синтезированных молекул РНК, которые полимеризовались на каких-то глинах и начали себя копировать в неких подходящих условиях. Развитие этих молекул привело к появлению ферментов, которые стали катализаторами процессов. Видимо, с этого началась жизнь и эволюция. Правда, затем возникают одни знаки вопросов.

— Почему?

— Пока совсем непонятно, почему вдруг этот простой понятный воспроизводящий сам себя РНК-мир вдруг научился делать сложные белки с другими кодировками, с другим количеством молекул? Этот скачок не может объяснить никакая арифметика. И таких скачков в эволюции довольно много. Например, неожиданный переход от вирусов и бактерий к так называемым эукариотам — к клеткам, у которых есть ядро. Мы не понимаем, как это могло произойти, потому что они уж очень сильно отличаются от бактерий в невыгодную сторону: медленнее делятся, более уязвимы и так далее. Тем не менее они выжили и даже в каком-то смысле победили в этой эволюционной борьбе. Загадка!

— А почему не удается повторить экспериментально создание из неживого живого? Почему опыты доходят до каких-то небольших цепочек аминокислот — и все?

— Трудно сказать что-нибудь определенное. Думаю, в первую очередь это проблема времени: эволюция требует миллионов лет, а у нас в распоряжении годы. Мы, конечно, пытаемся ускорить какие-то процессы, но этого недостаточно.

— Какие-то работы в этом направлении ведутся или это направление маргинальное?

— Работы, безусловно, ведутся — мне кажется, ни про одну область науки, которая честно работает, нельзя сказать, что она маргинальна. Может, сегодня она кажется унылой, а завтра там обнаруживается нечто, чего мы не могли и помыслить. Например, многие десятилетия считалось, что изучение процессов, которые происходят в ДНК бактерий, мало интересно. И вдруг открывается: именно там мы разглядели механизм, который совершил полную революцию в медицине. Сегодня он позволяет целенаправленно делать практически любые мутации в генах (с помощью этой технологии CRISPR был отредактирован геном китайских близнецов.— «О»). Кто мог знать об этом еще 10 лет назад?

Жить как коралл

— С точки зрения физики возможно сколько-нибудь значимо отодвинуть во времени старение организма и приблизиться к бессмертию?

— Технически это задача очень сложная, но никаких препятствий, которые нельзя было бы обойти, тут нет. Хотя бы по той простой причине, что на земле полно организмов, которые бессмертны и которые никогда не умирают.

— Это кто, кроме кораллов?

— Существует множество простых кишечно-полостных трубочек, которые состоят буквально из нескольких сотен простейших клеток. Эти организмы никогда не умирают и существуют до тех пор, пока их кто-нибудь не съест.

— Но человек все-таки — система слишком сложная для бессмертия?

— Совсем нет. У нас в организме непрерывно идет процесс обновления, и фактически нет клеток, которые живут с нами от рождения до смерти. С точки зрения физики нет ничего сложного сделать этот процесс постоянным, вечным. Более того, у природы есть проблема, как сделать так, чтобы это не продолжалось вечно, чтобы постепенно организм накапливал какие-то ошибки и они в конечном счете приводили его к гибели. Лично я считаю, что бессмертие — плохая идея. И тот факт, что сегодня человечество ею озаботилось, считаю глупостью. Лично я категорически против работ в этом направлении и никогда не буду участвовать в подобных исследованиях.

— Почему?

— Потому что это останавливает эволюцию. Представьте, что мир будет заселен навсегда одними и теми же людьми. И не будет никаких гуглов, илонов масков и так далее. Это ужасный мир, эгоистичный, замкнутый на самом себе. Зачем такой нужен? Я бы предпочел, чтобы его кто-нибудь съел, как ту колонию клеток. Как это ни банально, но мы должны давать дорогу молодым. Этот закон очень важен для человеческой популяции. Если человечество хочет выжить, оно должно умирать.

— Звучит парадоксально. И даже обидно.

— Да. Но это всего лишь биологический факт.