Если почти всё вещество тела заменяется за несколько лет, остаётся ли человек тем же, кем был раньше, или это уже другое существо, сохранившее только имя? Самое странное, что даже в нейронах коры мозга все атомы с момента рождения заменяются несколько раз. Рассказываем, как организму удаётся сохранить память и сознание, несмотря на полное обновление, и возможно ли передать сознание на расстояние.
Обновление организма: вы — это то, что вы выдохнули вчера
До середины XX века биология рассматривала взрослое тело как относительно стабильную конструкцию, а еду и воду — просто как топливо, которое сгорает ради энергии. Переворот в науке произошёл с открытием радиоактивных изотопов. С помощью этих химических маячков биофизики проследили путь атомов внутри живых тканей. Оказалось, организм не просто сжигает пищу: он непрерывно разбирает органы до атомного фундамента, встраивает в них свежие элементы из еды и воздуха, а старые выводит наружу.
Остеокласт разрушает участок кости. Так скелет постепенно перестраивается, и за десять лет он обновляется целиком
Около 98% всех атомов тела — прежде всего водород, кислород, углерод и азот — полностью заменяются каждые 1–5 лет через дыхание, воду, еду и выделения. Из-за этого возник миф, что организм целиком обновляется ровно раз в семь лет. На деле это грубое усреднение: у каждой ткани свой график ремонта, зависящий от нагрузки и среды:
- Клетки эпителия слизистой оболочки кишечника принимают на себя основной удар пищеварительных кислот и ферментов, поэтому живут всего 3–5 дней, после чего уступают место новым.
- Наружный слой кожи (эпидермис) полностью сменяется за несколько недель.
- Красные кровяные тельца (эритроциты) изнашиваются примерно за 120 дней.
- Скелетная ткань кажется твёрдой опорой, но и она непрерывно растворяется и строится заново: полное ремоделирование скелета занимает около 10 лет.
- Клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) обновляются со скоростью менее 1% в год, поэтому большая их часть работает десятилетиями.
Тело сохраняет форму не за счёт консервации материала, а благодаря точному балансу между гибелью изношенных клеток (апоптозом) и рождением новых.
Что остаётся неизменным
Чтобы тело не теряло форму и накопленный опыт, эволюция создала клеточные «якоря», которые остаются с организмом на всю жизнь. Доказать их существование нейробиологам из Каролинского института помогла импульсная радиоуглеродная датировка (Bomb pulse dating). В 1950–1960-х годах атмосферные испытания ядерного оружия вызвали резкий скачок радиоактивного углерода-14 (14C) в воздухе. Через растения и пищу этот изотоп попадал в организм человека и встраивался в ДНК делящихся клеток.
Пирамидальные нейроны коры. Новые такие клетки во взрослом мозге не появляются, поэтому человек всю жизнь думает теми, с которыми родился
Измерив уровень углерода-14 в ДНК, учёные определили возраст разных тканей. Оказалось, в нейронах коры головного мозга концентрация изотопа совпадает с атмосферным уровнем на момент рождения человека. Взрослая кора не выращивает новые нейроны: человек всю жизнь думает клетками, с которыми родился. Не меняются с рождения также клетки хрусталика глаза и зубная эмаль.
Отсюда возникает миф: если нейрон живёт всю жизнь, то и атомы в нём остаются прежними. На деле сама клетка не делится, но внутри неё идёт непрерывное обновление белков — протеостаз. Даже в долговечной молекуле ДНК отдельные атомы периодически заменяются новыми, когда ферменты чинят мелкие повреждения генетического кода.
Как сберечь воспоминания
Все знания и воспоминания физически хранятся в синапсах — белковых контактах между нейронами. Но как люди помнят события детства спустя десятки лет, если белки синапсов полностью распадаются и меняются за считаные дни? Ещё в 1984 году в журнале Nature подсчитали: если бы память зависела от конкретных белковых молекул, их распад приводил бы к полной амнезии за пару недель. Избежать этого помогают молекулярные переключатели в синапсах — они передают своё «включённое» состояние новым молекулам до того, как разрушатся старые.
Память держится не на отдельных атомах, а на архитектуре связей. При обучении сигнал в синапсе устойчиво усиливается — это называется эффектом долговременной потенциации. Это усиление поддерживает фермент протеинкиназа CaMKII, который состоит из кольца в двенадцать белковых деталей. Получив сигнал важного воспоминания, кольцо активируется и навешивает на себя фосфатные метки (аутофосфорилируется). Когда одна из двенадцати деталей изнашивается, на её место встаёт новая молекула, а соседние звенья тут же передают ей активный статус. За годы в комплексе CaMKII не остаётся прежних атомов, но за счёт такой эстафеты запись выживает.
Фермент CaMKII под электронным микроскопом: двенадцать субъединиц вокруг центрального кольца
Это разрушает миф о том, что память записана в мозге статично, как файлы на жёстком диске. В 2000 году учёные доказали: при каждом обращении к воспоминанию оно становится нестабильным и требует перезаписи — реконсолидации за счёт синтеза новых белков.
Информационная природа личности
Если атомы и молекулы в теле постоянно меняются, как человеку удаётся оставаться собой? Ответ дают термодинамика и кибернетика. Для этого должны выполняться два условия:
- Через организм всё время проходит поток вещества и энергии.
- Детали заменяются постепенно, внутри системы, которая продолжает работать.
Поток не прекращается
По второму началу термодинамики любая замкнутая система со временем приходит к хаосу, то есть к максимальной энтропии. Живого организма это не касается: он представляет собой открытую систему, которая берёт из среды энергию и вещество и тратит их на поддержание порядка. Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию по химии за исследование таких систем, назвал их диссипативными структурами. Масштаб этого потока легко недооценить. За сутки организм синтезирует и расщепляет столько молекул АТФ, что по массе они сопоставимы с весом самого человека. Мозг составляет около 2% массы тела, но потребляет примерно пятую часть всей энергии. Если поток останавливается, порядок рушится: без кислорода нейроны начинают гибнуть уже через несколько минут. Способность живой системы постоянно воспроизводить и чинить саму себя называется автопоэзисом.
Процесс не прерывается
Основатель кибернетики Норберт Винер в 1950 году писал, что человек — это не вещество, которое сохраняется, а узор, который сам себя воспроизводит. Он же всерьёз рассуждал, можно ли передать человека по телеграфу. Из этой идеи выросла популярная в фантастике мысль о телепортации: если личность — это только информация, достаточно считать её и собрать точную молекулярную копию в другом месте, и сознание «проснётся» в новом теле. Но одного совпадения чертежа мало. Значение имеет пространственно-временная и причинно-следственная непрерывность работы мозга, при которой каждое следующее состояние нейронных сетей вытекает из предыдущего. В живом теле новые атомы встраиваются в работающую систему по одному и берут на себя функции старых, а сама система продолжает работать. Копия, собранная с нуля, начнёт отсчёт с момента сборки. Окружающие не отличат её от оригинала, но у неё будет свой поток сознания, а ваш останется в исходном теле.
Иллюзия постоянства
В будущем это свойство живой материи может стать фундаментом для медицины радикального продления жизни. Раз организм в фоновом режиме меняет почти все молекулярные детали без потери памяти и самосознания, регенеративная медицина и тканевая инженерия смогут использовать тот же принцип. Вместо резкой пересадки, нарушающей целостность системы, врачи смогут шаг за шагом замещать изношенные участки тканей выращенными клетками или биосовместимыми нейроимплантами.
