"Что такое жизнь?" - читать интересную книгу автора (Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер)

Глава 7 Основана ли жизнь на законах физики?

В этой последней главе я хочу разъяснить следующее: на основании всего, что мы узнали о структуре живой материи, нам нужно быть готовыми к тому, что механизмы ее работы не удастся свести к обычным физическим законам. И дело не в том, что некая «новая сила» направляет поведение отдельных атомов в живом организме. Его строение отличается от того, что мы изучили в физической лаборатории. Грубо говоря, инженер, знакомый лишь с тепловыми двигателями, должен быть готов к тому, что, изучив конструкцию электрического двигателя, обнаружит, что тот работает по еще не известным ему принципам. Инженер увидит медь, знакомую ему по котлам, в виде очень длинной проволоки, намотанной на катушки. Привычное по рычагам, стержням и паровым цилиндрам железо будет заполнять сердцевины этих медных катушек. Инженер не усомнится, что это те же медь и железо, подчиняющиеся тем же законам природы, и будет прав. Различия в конструкции окажется достаточно, чтобы подготовить его к совершенно иному принципу работы. Он не подумает, будто электрический мотор крутит призрак, потому что тот начинает вращаться при повороте переключателя, без котла и пара.

Ход событий в жизненном цикле организма обладает восхитительной регулярностью и порядком, с которыми не сравнится ничто из того, что мы наблюдаем в неодушевленной материи. Им управляет в высшей степени упорядоченная группа атомов, представляющих лишь небольшую часть атомов в клетке. Более того, согласно сформированному нами взгляду на механизм мутаций, мы полагаем, что перемещение нескольких атомов из «правящей» группы зародышевой клетки способно привести к определенному изменению в крупномасштабных наследственных характеристиках организма.

Эти факты являются едва ли не самыми интересными из всех, что выявила современная наука. Вероятно, они не столь уж неправдоподобны. Удивительная способность организма сосредотачивать на себе «поток упорядоченности» и тем самым избегать атомарного хаоса – «пить порядок» из подходящего источника, – судя по всему, связана с наличием «апериодических твердых веществ», хромосомных молекул, которые, без сомнения, олицетворяют высшую – намного выше, чем в обычном периодическом кристалле – степень упорядоченности известных нам атомных ассоциаций в силу особой роли каждого атома и группы.

Перед нами свидетельство того, что существующий порядок обладает силой поддерживать себя и вызывать упорядоченные явления. Это звучит правдоподобно, хотя в данном случае мы, несомненно, опираемся на опыт социального устройства и иные события, связанные с активностью организмов, что напоминает порочный круг.

Еще раз подчеркну, что для физика такое состояние дел выглядит не только правдоподобным, но и многообещающим, потому что у него нет прецедентов. Вопреки расхожему мнению, регулярный ход событий, подчиняющихся физическим законам, никогда не является следствием существования одной упорядоченной конфигурации атомов – если только она не повторена многократно, как это бывает в периодическом кристалле или жидкости либо газе, состоящем из большого числа одинаковых молекул.

Даже работая с очень сложной молекулой in vitro, химик всегда имеет дело со множеством таких молекул. К ним применимы его законы. Например, он может сказать, что через минуту после того, как начнется некая реакция, прореагирует половина молекул, а через еще минуту – три четверти. Однако он не сумеет определить, окажется ли одна конкретная молекула (если бы мы могли проследить ее судьбу) среди тех, что прореагировали, или тех, что остались неизменными. Это вопрос вероятности.

Это не чисто теоретическая гипотеза. Мы можем проследить за отдельной небольшой группой атомов или даже одним атомом – и делаем это. Но всегда обнаруживаем полную хаотичность, которая лишь в усредненном виде дает закономерность. В главе 1 мы рассматривали пример. Броуновское движение маленькой частицы, погруженной в жидкость, является хаотичным. Но если таких частиц много, то посредством своего хаотичного движения они вызовут упорядоченное явление – диффузию.

Распад отдельного радиоактивного атома можно наблюдать – он испускает частицу, вызывающую видимую сцинтилляцию на флуоресцентном экране. Но вероятная продолжительность жизни одного радиоактивного атома намного менее конкретна, нежели продолжительность жизни здорового воробья. Достаточно сказать следующее: пока он существует (а это может продолжаться тысячи лет), вероятность распасться в следующую секунду – большая или маленькая – остается для него неизменной. Тем не менее эта оригинальная нехватка личной определенности позволяет вывести точный экспоненциальный закон распада большого числа одинаковых радиоактивных атомов.

В биологии мы имеем дело с иной ситуацией. Отдельная группа атомов, существующая лишь в одном экземпляре, вызывает упорядоченные события, замечательно согласующиеся друг с другом и с окружающей средой и подчиняющиеся чрезвычайно хитроумным законам. Я сказал про один экземпляр, поскольку у нас есть примеры яйцеклетки и одноклеточных организмов. Верно, при переходе к высшим организмам копии множатся, но до какой степени? Нечто вроде 10¹⁴ во взрослом млекопитающем, насколько я понимаю. Какая мелочь! Это одна миллионная доля числа молекул в дюйме кубическом воздуха. Пусть и сравнительно крупные, объединившись, они сформируют крошечную каплю жидкости. Посмотрите, как они распределены. Каждая клетка содержит лишь один экземпляр (или, если не забывать про диплоидность, два). Нам известна власть этой крошечной главной конторы в отдельной клетке. Разве не похожи они на органы местного самоуправления, распределенные по всему телу, легко взаимодействующие друг с другом благодаря общему коду?

Подобное фантастическое описание больше подходит поэту, нежели ученому. Однако не требуется обладать поэтическим воображением – достаточно ясного, трезвого научного взгляда, чтобы понять: перед нами явления, регулярным и упорядоченным течением которых управляет «механизм», всецело отличающийся от «вероятностного механизма» физики. То, что в каждой клетке управляющий принцип воплощен в атомной ассоциации, существующей в одном (иногда двух) экземпляре, является наблюдаемым фактом – как и то, что эта ассоциация запускает события, являющие собой образец порядка. Вне зависимости от того, кажется ли нам удивительным или правдоподобным, что маленькая, но организованная группа атомов способна играть такую роль, это беспрецедентная ситуация, какую не встретишь нигде за пределами живой материи.

Физик и химик, исследуя неживую материю, никогда не наблюдали феноменов, которые могли бы интерпретировать подобным образом. Такого случая не было, и потому его нет в нашей теории – нашей прекрасной статистической теории, которой мы столь заслуженно гордились, поскольку она позволяла нам приподнять завесу, увидеть великолепный порядок точного физического закона, возникающий из атомарного и молекулярного хаоса. Ведь она открыла нам, что самый главный, самый общий, всеобъемлющий закон роста энтропии можно понять, не прибегая к специальным допущениям: за ним стоит не что иное, как сама молекулярная неупорядоченность.

Порядок, наблюдаемый при развитии жизни, проистекает из другого источника. Судя по всему, есть два различных «механизма» реализации упорядоченных событий: «статистический механизм», который производит «порядок из беспорядка», и новый механизм, производящий «порядок из порядка». Беспристрастному уму второй принцип кажется намного более простым и правдоподобным. Без сомнения, так оно и есть. Вот почему физики гордились своей причастностью к первому принципу, «порядку из беспорядка», который действительно наблюдается в природе и сам по себе позволяет понять великую последовательность естественных событий, в первую очередь – их необратимость. Не следует считать, что законы физики, выведенные из этого принципа, смогут напрямую объяснить поведение живой материи, чьи удивительные особенности в основном базируются на принципе «порядок из порядка». Не следует считать, что два совершенно различных механизма будут подчиняться одному и тому же закону, – ведь вы не надеетесь, что ваш ключ подойдет и к соседской двери.

Не стоит огорчаться тому, что жизнь трудно объяснить простыми законами физики. Ведь именно это и предполагают накопленные нами знания о строении живой материи. Мы должны быть готовы к открытию нового вида физических законов, преобладающих в ней. А может, надо назвать их нефизическими или даже сверхфизическими законами?

Вовсе нет. Ведь упомянутый нами новый принцип является поистине физическим; на мой взгляд, это не что иное, как принцип квантовой теории. Чтобы объяснить это, придется немного потрудиться и уточнить, если не исправить, прежнее утверждение о том, что все законы физики основаны на статистике.

Это заявление, которое мы повторяли неоднократно, не может не вызвать противоречия, поскольку существуют феномены, видимые характеристики которых напрямую основаны на принципе «порядок из порядка» и вроде бы не имеют ничего общего со статистикой или молекулярным хаосом.

Упорядоченность Солнечной системы, движение планет поддерживается почти неограниченный период времени. Созвездия, которые мы видим, напрямую связаны с созвездиями времен египетских пирамид; их судьбу можно отследить в те времена и обратно. Рассчитанные исторические затмения совпадают с историческими записями, а в некоторых случаях используются для коррекции принятой хронологии. Эти расчеты не подразумевают никакой статистики, они основаны лишь на законе всемирного тяготения Ньютона.

Регулярное движение хороших часов или любого схожего механизма также на первый взгляд не имеет ничего общего со статистикой. Кратко говоря, чисто механические явления, судя по всему, четко и явно следуют принципу «порядок из порядка». И термин «механические» следует понимать в широком смысле. Очень полезная разновидность часов, как вам известно, основана на регулярной передаче электрических импульсов от электростанции.

Помню интересную небольшую статью Макса Планка на тему «Динамические и статистические законы». Различие между ними точно соответствует тому, что мы назвали «порядок из порядка» и «порядок из беспорядка». Целью той статьи было продемонстрировать, каким образом статистический вид законов, контролирующих крупномасштабные явления, складывается из динамических законов, управляющих мелкомасштабными явлениями, взаимодействием отдельных атомов и молекул. Второй тип законов проиллюстрирован крупномасштабными механическими явлениями, такими как движение планет или часов и т. п.

Итак, судя по всему, «новый» принцип – «порядок из порядка», – который мы с чрезвычайной серьезностью назвали истинным ключом к пониманию жизни, вовсе не нов. Планк даже утверждает его главенство. Похоже, мы пришли к нелепому выводу, что ключ к пониманию жизни основан на чистом механизме – «часовом механизме», если следовать статье Планка. Этот вывод вовсе не нелеп и, по моему мнению, не ошибочен, однако к нему следует отнестись скептически.

Давайте проанализируем движение настоящих часов. Это отнюдь не чисто механическое явление. Чисто механические часы не надо заводить, им не нужна пружина. Приведенные в движение, они будут работать вечно. Реальные часы без пружины остановятся после нескольких качаний маятника, их механическая энергия перейдет в тепло. Это бесконечно сложный атомистический процесс. Его общая картина, сформулированная физиком, вынуждает признать возможность обратного процесса: часы без пружины могут внезапно начать двигаться за счет тепловой энергии собственных зубчатых колес и окружающей среды. Физик скажет: часы переживают необычайно сильный приступ броуновского движения. В главе 2 мы показали, что подобное постоянно происходит с очень чувствительными крутильными весами (электрометром или гальванометром). В случае часов это, разумеется, маловероятно.

Относить ли движение часов к динамическим или статистическим событиям, подчиняющимся законам природы (выражаясь словами Планка), зависит от нашей позиции. Назвав его динамическим явлением, мы сосредоточимся на регулярном ходе, который обеспечивает сравнительно слабая пружина, преодолевающая незначительные возмущения теплового движения, каковыми в итоге можно пренебречь. Но если вспомнить, что без пружины часы постепенно остановятся за счет трения, окажется, что этот процесс надо объяснить только как статистическое явление.

Каким бы незначительным ни было влияние трения и нагрева на часы с практической точки зрения, нет сомнений, что второй подход, учитывающий их, является более фундаментальным, даже если мы имеем дело с регулярным движением часов с пружиной. Не следует считать, будто приводной механизм положил конец статистической природе процесса. Истинная физическая картина включает вероятность того, что даже регулярно идущие часы могут внезапно обратить свой ход и, работая в обратном направлении, завести собственную пружину за счет тепла окружающей среды. Это событие лишь «немного менее вероятно», чем «броуновский припадок» часов без приводного механизма.

Давайте проанализируем ситуацию. Рассмотренный нами «простой случай» – лишь один из многих, точнее, всех подобных феноменов, вроде бы избегающих всеобъемлющего принципа молекулярной статистики. Часовой механизм, сделанный из реальной физической материи (в отличие от воображения), не является истинным «часовым механизмом». Элемент случайности может быть снижен, вероятность того, что часы внезапно пойдут неправильно, минимальна, но она всегда остается ненулевой. Необратимое влияние трения и температуры сказывается даже на движении небесных тел. Так, приливное трение постепенно замедляет вращение Земли – и пропорционально этому замедлению Луна постепенно удаляется от планеты, чего бы не происходило, если бы Земля представляла собой совершенно жесткую вращающуюся сферу.

Тем не менее факт остается фактом: «физические часовые механизмы» проявляют признаки процесса «порядок-из-порядка», который столь взволновал физика в живом организме. Судя по всему, оба случая имеют нечто общее. Нам предстоит открыть, что именно, а также выявить удивительное различие, придающее живому организму беспрецедентную новизну.

В каком случае физическая система – любое соединение атомов – подчиняется «динамическому закону» (в понимании Планка), или проявляет «черты часового механизма»? Квантовая теория отвечает на данный вопрос кратко: при абсолютном нуле. При приближении к абсолютному нулю молекулярный хаос перестает оказывать какое-либо влияние на физические события. Кстати, этот факт был открыт не теоретически, а путем тщательного изучения химических реакций при широком диапазоне температур и экстраполяции результатов на абсолютный нуль – достичь которого нельзя. Это знаменитая тепловая теорема Вальтера Нернста[38], которую иногда вполне заслуженно называют третьим началом термодинамики (первым является энергетический принцип, а вторым – принцип энтропии).

Квантовая теория дает рациональное объяснение эмпирическому закону Нернста, а также позволяет оценить, насколько должна приблизиться система к абсолютному нулю, чтобы проявить приблизительно «динамическое» поведение. Какая температура в каждом конкретном случае почти эквивалентна нулю?

Не думайте, будто эта температура непременно должна быть очень низкой. В действительности Нернст совершил свое открытие благодаря тому, что даже при комнатной температуре энтропия играет на удивление незначительную роль во многих химических реакциях. Позвольте напомнить, что энтропия – прямая мера молекулярного беспорядка, а именно его логарифм.

Что такое маятниковые часы? Для маятниковых часов комнатная температура практически эквивалентна абсолютному нулю. Вот почему они работают «динамически». Работа маятниковых часов не изменится при охлаждении (если вы удалили все следы масла!). Но они не будут работать, если нагреть их выше комнатной температуры, потому что в конце концов расплавятся.

Это звучит банально, но, думаю, передает самую суть. Часовой механизм может работать «динамически», поскольку сделан из твердых материалов, которые держат форму благодаря силам Гайтлера – Лондона, достаточно прочным, чтобы справиться с разупорядочивающим действием теплового движения при стандартной температуре.

Теперь, полагаю, следует сказать еще несколько слов для разъяснения сходства между часовым механизмом и организмом. Все просто: организм также опирается в своей работе на твердый материал; апериодический кристалл, формирующий вещество наследственности, по большей части не подвержен действию теплового движения. Но, пожалуйста, не обвиняйте меня в том, что я низвел хромосомные фибриллы до «шестеренок органической машины», не сославшись на основополагающие физические теории, на которых базируется это сравнение.

В действительности следует оставить риторику и вспомнить фундаментальное различие между этими двумя системами, чтобы оправдать эпитеты «новый» и «беспрецедентный» применительно к биологическому случаю.

Самые удивительные особенности таковы: во-первых, любопытное распределение шестеренок в многоклеточном организме, а во-вторых, факт, что эти отдельные шестеренки не созданы человеком, а являются изящнейшим шедевром божественной квантовой механики.