Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

• Название: Жизнь на грани
• Автор: Джонджо МакФадден
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02158-6

Жизнь — самый экстраординарный феномен в наблюдаемой Вселенной; но как возникла жизнь? Даже в эпоху клонирования и синтетической биологии остается справедливой замечательная истина: никому еще не удалось создать живое из полностью неживых материалов. Жизнь возникает только от жизни. Выходит, мы до сих пор упускаем какой-то из ее основополагающих компонентов? Подобно книге Ричарда Докинза «Эгоистичный ген», позволившей в новом свете взглянуть на эволюционный процесс, книга «Жизнь на грани» изменяет наши представления о фундаментальных движущих силах этого мира. В ней авторы рассматривают как новейшие экспериментальные данные, так и открытия с переднего края науки, и делают это в неповторимо доходчивом стиле. Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден рассказывают о недостающем компоненте квантовой механики; феномене, который лежит в основе этой самой таинственной из наук.

---

К 1927 году благодаря усилиям Гейзенберга, Шредингера и других ученых математические основания квантовой механики были окончательно сформулированы. В наши дни они являются тем фундаментом, на котором стоят физика и химия. Кроме того, они раскрывают перед нами удивительно полную картину строительных элементов, из которых состоит Вселенная. Без объяснительной силы квантовой механики, описывающей, как все элементы микромира складываются в слаженную систему, многие из современных технологических достижений были бы попросту невозможны.

Итак, в конце 1920-х годов, вдохновленные собственными успехами в разгадке тайн внутриатомного мира, некоторые пионеры квантовой механики на время покинули свои физические лаборатории, чтобы покорить еще одну науку — биологию.

Первопроходцы в квантовой биологии

В 1920-е годы жизнь все еще являла собой научную загадку. Несмотря на то что биохимикам XIX века успешно удалось закрепить в науке механистическое понимание химии живой материи, многие ученые все еще придерживались одного из принципов витализма, согласно которому биология не сводится к химии и физике — ей требуется собственная система законов. Внутриклеточную протоплазму продолжали считать таинственной формой материи, которую неизвестные силы наделяют жизнью. Разгадка тайны наследственности неизменно ускользала от зарождающейся в то время генетики.

Однако за какие-то десять лет появилось новое поколение ученых, называвших себя органицистами и отвергавших как идеалы витализма, так и принципы механистического подхода. Эти ученые допускали, что жизнь — это загадочное явление, однако утверждали, что эта загадка в принципе разрешима и ее можно объяснить с помощью физических и химических законов, которые ученым еще предстоит открыть. Одним из величайших последователей органистического движения был еще один австриец Людвиг фон Берталанфи, автор нескольких ранних работ по теориям биологического развития. В книге «Критическая теория морфогенеза», написанной в 1928 году, Берталанфи говорит о необходимости разработки некоторого нового биологического принципа для описания сущности жизни. Его идеи и, в частности, эта книга оказали большое влияние на многих ученых, среди которых был один из пионеров квантовой механики Паскуаль Йордан.

Паскуаль Йордан родился и учился в Ганновере. Он продолжил учебу в Геттингене, где его преподавателем был один из отцов-основателей квантовой механики Макс Борн[20]. В 1925 году Йордан и Борн опубликовали статью «К вопросу о квантовой механике», ставшую классической. Год спустя было опубликовано продолжение первой статьи этих же ученых в соавторстве с Гейзенбергом. Данная статья, известная как «работа трех», также стала одной из классических работ по квантовой механике. Авторы превратили замечательное открытие Гейзенберга в математически изящный способ описания поведения объектов внутриатомного мира.

Еще через год Йордан поступил так, как поступил бы в то время любой уважающий себя молодой физик, если бы ему выпала такая возможность: он отправился в Копенгаген для встречи и совместной работы с Нильсом Бором. Где-то около 1929 года Бор и Йордан стали обсуждать вопрос о том, каким образом квантовая механика применима к биологии. Паскуаль Йордан вернулся в Германию, где стал преподавать в Ростокском университете. Работая в Ростоке, Йордан на протяжении нескольких лет вел переписку с Бором преимущественно на тему взаимосвязи физики и биологии. В 1932 году Йордан сформулировал их с Бором идеи в статье «Квантовая механика и фундаментальные проблемы биологии и психологии»[21], опубликованной в немецком журнале Die Naturwissenschaft, за которой некоторыми учеными признается право считаться первой научной работой по квантовой биологии.

В работах Йордана содержатся некоторые весьма любопытные выводы о феномене жизни. Тем не менее его размышления на биологические темы со временем становились все более политизированными. В них стал прослеживаться явный уклон в нацистскую идеологию. В одной из работ Йордан пишет, что наличие властного лидера (фюрера), или вождя, является ключевым принципом жизни: «Известно, что в любой бактерии, кроме бесчисленного множества молекул, из которых состоит это… существо… содержится ограниченное количество особых молекул, наделенных властью над всем организмом; они образуют центр управления живой клетки. Если поглощение кванта света произойдет вне центра управления, это едва ли убьет клетку, как убийство одного солдата не уничтожит большую нацию. Однако, если поглощение кванта света клеткой произойдет внутри центра управления, это может привести к гибели и распаду всего организма, как хорошо организованное убийство лидера (вождя) нации может спровоцировать распад этой нации»[22].

Попытки внедрить нацистскую идеологию в биологию одновременно завораживают и пугают. В этих попытках скрывался и зачаток любопытной идеи, которую Йордан назвал теорией усиления (Verstärkertheorie). Ученый указывал на то, что неодушевленные объекты «управляются» хаотичным движением миллионов частиц, так что движение какой-то одной молекулы не повлияет на весь объект. Живая материя, по утверждению Йордана, устроена совсем по-другому: она управляется небольшой группой молекул, входящих в «центр управления». Эти молекулы оказывают сильнейшее влияние на весь живой организм через усиление квантовых явлений, управляющих их движением, а также через усиление действия принципа неопределенности Гейзенберга.

Мы еще вернемся к этому интересному замечанию. Скажем только, что в то время оно не получило дальнейшего развития и не оказало на науку никакого влияния, поскольку после поражения нацистской Германии в 1945 году политические взгляды Йордана дискредитировали его в глазах современников и его идеи, касающиеся квантовой биологии, были преданы забвению. Другие ученые, пытавшиеся наладить прочные связи между биологией и квантовой физикой, после войны разъехались по всему свету. После трагических перипетий, связанных с применением атомной бомбы, физика вновь вернулась в русло традиционных вопросов.

Тем не менее тлеющему огоньку квантовой биологии не дал погаснуть не кто иной, как создатель квантовой волновой механики Эрвин Шредингер. Накануне Второй мировой войны он бежал из Австрии (его жена согласно нацистским законам не была расовой арийкой) и обосновался в Ирландии, где в 1944 году вышла его книга с заглавием-вопросом «Что такое жизнь?». В этой книге Шредингер изложил новый взгляд на биологию и высказал идею, которая до сих пор остается основой квантовой биологии и, в частности, лежит в основе данной книги. Перед тем как завершить главу с экскурсами в историю науки, рассмотрим подробнее эту идею.

Порядок из хаоса

Шредингера глубоко волновала одна из проблем биологии — загадочный процесс наследования информации. Вы наверняка помните, что в то время — в первой половине XX века — ученым было известно, что гены родителей наследуются детьми, но наука не могла ответить на вопрос, из чего состоят гены и как они работают. Шредингер размышлял о том, по каким законам наследование информации протекает с такой поразительной точностью. Другими словами, каким образом точные копии генов передаются от родителей детям практически без изменений?

Шредингер понимал, что точные, неоднократно проверенные на практике законы классической физики и химии (например, законы термодинамики, которая имеет дело с хаотичным движением атомов и молекул) были на самом деле законами статистическими. Это означает, что они верны лишь в среднем, а их надежность обусловлена тем, что они описывают взаимодействия огромного количества частиц. Помните наш бильярдный стол? Движение одного шара абсолютно нельзя предсказать, но если вы бросите на стол много шаров и будете катать их в течение часа так, что они постоянно будут беспорядочно сталкиваться, можно с уверенностью утверждать, что рано или поздно большинство из них окажется в лузах. Термодинамика работает примерно так: предсказать можно поведение в среднем большого количества молекул, но не поведение отдельных молекул. Шредингер отмечал, что статистические законы, например законы термодинамики, не подходят для точного описания систем, состоящих из небольшого количества частиц.

Вспомним, к примеру, газовые законы, сформулированные Робертом Бойлем и Жаком Шарлем 300 лет назад. Их суть сводится к тому, что объем газа, заполняющего воздушный шар, будет при нагревании увеличиваться, а при охлаждении уменьшаться. Поведение газа в обоих случаях может быть выражено простой математической формулой, известной как закон идеального газа[23]. Шар подчиняется этим строгим законам: при нагревании он расширяется, при охлаждении сужается. Заметим, подчиняется он этим законам несмотря на тот факт, что его наполняют триллионы молекул, каждая из которых ведет себя по-своему, словно беспорядочно движущиеся бильярдные шары: молекулы хаотично сталкиваются и отскакивают друг от друга, а также от внутренней стенки шарика. Так как же беспорядочное движение порождает точные, упорядоченные законы?