Что такое жизнь?

Обязательно ли это? Есть ли тому внутренняя причина? Можем ли мы проследить это состояние дел к некому первичному принципу, чтобы подтвердить и понять, почему ничто другое не совместимо с законами природы?

Наконец перед нами проблема, которую способен решить физик. Ответ на все эти вопросы утвердительный.

Работа организма требует конкретных физических законов

Если бы это было не так, если бы мы представляли собой организмы столь чувствительные, что один или несколько атомов сумели бы произвести ощутимое впечатление на наши чувства, – боже, какой была бы жизнь! Подчеркну: у подобного организма наверняка не развилось бы упорядоченное мышление, которое, пройдя немало ранних стадий, в конце концов сформировало бы, среди многих других идей, представление об атоме.

Мы выбираем именно этот момент, однако последующие рассуждения также применимы к работе других органов, а не только головного мозга и системы органов чувств. Тем не менее единственной действительно интересующей нас в нас самих вещью является то, что мы ощущаем, думаем и воспринимаем. По сравнению с физиологическим процессом, ответственным за мышление и чувства, остальные играют второстепенную роль, по крайней мере с точки зрения человека, если и не чисто объективной биологии. Более того, наша задача станет легче, если мы выберем для исследования процесс, тесно связанный с субъективными событиями, пусть и не осознавая истинной природы этого параллелизма. С моей точки зрения, он лежит за пределами естественных наук – и, вероятно, человеческого понимания.

Таким образом, перед нами возникает следующий вопрос: почему орган вроде нашего головного мозга, а также связанная с ним система органов чувств, должен состоять из невероятного числа атома, чтобы его физически изменчивое состояние соотносилось с высокоразвитым мышлением? Почему вышеупомянутая задача делает данный орган не совместимым с тем, чтобы являться – в целом или посредством периферических отделов, которые напрямую взаимодействуют с окружающей средой – инструментом достаточно тонким и чувствительным, чтобы зарегистрировать отдельный атом извне и отреагировать на него?

Причина такова: то, что мы называем мыслью, (1) само по себе упорядочено и (2) может использоваться лишь применительно к материалу, то есть восприятию или переживанию, обладающему определенным уровнем упорядоченности. Из этого вытекают два вывода. Во-первых, чтобы соотноситься с мышлением (как мой мозг соотносится с моей мыслью), физическая организация должна быть крайне упорядоченной, и это означает, что происходящие в ней события должны с высокой точностью подчиняться строгим физическим законам. Во-вторых, физические впечатления, которые производят на эту физически организованную систему внешние тела, очевидно, соотносятся с восприятием и опытом соответствующей мысли, формируя ее материал, как я выразился. Физические взаимодействия нашей системы с другими должны, как правило, сами обладать определенной степенью физической упорядоченности, то есть с определенной точностью подчиняться строгим физическим законам.

Физические законы основываются на атомарной статистике, а следовательно, являются приблизительными

Почему же все это недостижимо для организма, состоящего из ограниченного числа атомов и способного ощутить воздействие одного или нескольких атомов?

Потому что мы знаем, что атомы постоянно находятся в неупорядоченном тепловом движении, которое, так сказать, противоречит упорядоченному поведению и не дает событиям, реализуемым небольшим числом атомов, соответствовать известным законам. Лишь в случае соединения невероятно большого числа атомов начинают действовать статистические законы, и они контролируют поведение этих скоплений с точностью, возрастающей вместе с ростом числа атомов. Именно таким образом события приобретают черты настоящей упорядоченности. Все физические и химические законы, играющие важную роль в жизни организмов, являются статистическими. Любой другой вид закономерности и упорядоченности нарушается и сводится на нет непрерывным тепловым движением атомов.

Их точность основана на большом числе вовлеченных атомов. Пример первый (парамагнетизм)

Позвольте проиллюстрировать это несколькими примерами, выбранными наугад из тысяч им подобных и потому, возможно, не самыми лучшими для читателя, который впервые слышит о таком положении вещей, – положении, столь же фундаментальном в современной физике и химии, как, например, клеточное строение организмов в биологии, или закон Ньютона в астрономии, или даже последовательность целых чисел – 1, 2, 3, 4, 5… – в математике. Следующие страницы вряд ли помогут новичку полностью понять и оценить предмет обсуждения, который связан с блистательными именами Уилларда Гиббса[8 - Больцман, Людвиг (1844–1906) – австрийский физик, прославившийся работами по статистической механике и молекулярно-кинетической теории.] и Людвига Больцмана[9 - Гиббс, Джозайя Уиллард (1839–1903) – американский физик и математик, стоявший у истоков векторного анализа, математической теории термодинамики и статистической физики.] и обсуждается в учебниках в разделе «статистическая термодинамика».

Если заполнить вытянутую кварцевую трубку газообразным кислородом и поместить в магнитное поле, газ намагнитится. Я выбрал газ, поскольку случай с ним проще, чем с твердым веществом или жидкостью. Тот факт, что намагничивание в данном случае будет крайне слабым, не повлияет на теоретические рассуждения. Намагничивание происходит потому, что молекулы кислорода представляют собой маленькие магниты и ориентируются параллельно полю, как стрелка компаса. Но не думайте, будто они все выстраиваются параллельно. Удвоив силу поля, вы получите в вашем сосуде с кислородом двойную намагниченность, и она будет пропорционально возрастать по мере приближения к экстремально сильным полям.

Рис. 1. Парамагнетизм

Это наглядный пример чисто статистического закона. Ориентации, вызванной полем, постоянно противостоит тепловое движение, приводящее к произвольной ориентации. Результатом этой борьбы является незначительное преобладание острых углов между осью диполя и полем над тупыми углами. Ориентация отдельных атомов непрерывно меняется, однако в среднем, благодаря своему огромному количеству, они дают постоянное небольшое преобладание ориентации в направлении поля, пропорциональное этому полю. Этим блистательным объяснением мы обязаны французскому физику П. Ланжевену[10 - Ланжевен, Поль (1872–1946) – французский физик, автор теории диамагнетизма и парамагнетизма.]. Проверить его можно следующим образом. Если наблюдаемая слабая намагниченность действительно является результатом противоборствующих явлений, а именно магнитного поля, желающего выстроить все молекулы параллельно, и теплового движения, которое стремится к произвольной ориентации, значит, можно усилить намагниченность, не повысив магнитное поле, а ослабив тепловое движение, то есть понизив температуру. Это подтверждает эксперимент, согласно ему намагниченность обратно пропорциональна абсолютной температуре, в количественном согласии с теорией (закон Кюри). Современное оборудование даже позволяет нам посредством понижения температуры настолько ослабить тепловое движение, что ориентирующее воздействие магнитного поля получит возможность если не проявить себя полностью, то достигнуть существенной доли «полной намагниченности». В данном случае мы уже не ждем, что удвоение силы поля удвоит намагниченность; последняя будет расти все меньше и меньше, приближаясь к так называемому насыщению. Это тоже подтверждает эксперимент.

Обратите внимание, что данное поведение полностью зависит от большого числа молекул, которые взаимодействуют, давая наблюдаемую намагниченность. В противном случае последняя не была бы постоянной, а весьма произвольно флуктуировала бы от секунды к секунде, свидетельствуя о переменных успехах в борьбе теплового движения и магнитного поля.

Пример второй (броуновское движение, диффузия)

Заполнив нижнюю часть закрытого стеклянного сосуда туманом, состоящим из крошечных капель, вы увидите, что верхняя граница тумана будет постепенно опускаться с определенной скоростью, определяемой вязкостью воздуха и размером и удельной плотностью капель. Но изучив одну из капель под микроскопом, обнаружите, что она вовсе не опускается с постоянной скоростью, а совершает очень сложное движение, так называемое броуновское движение, которое лишь в среднем соотносится с общим оседанием.

Конечно, эти капли – не атомы, однако они достаточно малы и легки, чтобы ощутить влияние отдельных молекул, непрерывно бомбардирующих их поверхность. Поэтому капли отклоняются то в одну, то в другую сторону и лишь в среднем подчиняются действию силы тяжести.

Рис. 2. Оседающий туман

Рис. 3. Броуновское движение оседающей капли

Данный пример демонстрирует, какие забавные и хаотичные ощущения мы испытывали бы, если бы наши органы чувств воспринимали воздействие отдельных молекул. Существуют бактерии и другие организмы, которые столь малы, что на них этот феномен оказывает значительное влияние. Их движения определяются тепловыми капризами окружающей среды, у них просто нет выбора. Те из них, что обладают собственной способностью к перемещению, могут перебираться с места на место, однако с трудностями, поскольку тепловое движение швыряет их, словно утлую лодочку в бурном море.

На броуновское движение очень похоже явление диффузии. Представьте сосуд, заполненный водой, в которой растворено небольшое количество некоего окрашенного вещества, например перманганата калия, не в одинаковой концентрации, а как изображено на рис. 4, где точки обозначают молекулы растворенного вещества (перманганата) и концентрация падает слева направо. Если оставить этот сосуд в покое, начнется медленный процесс «диффузии», переносящий перманганат из левой части сосуда в правую, то есть из места с большей концентрацией в место с меньшей, пока вещество не распределится в воде равномерно.

Удивительной особенностью этого весьма простого и не слишком интересного процесса является то, что в его основе лежит не какая-то тенденция или сила, уводящая молекулы перманганата из более населенной области в менее населенную, словно жителей страны, переезжающих в свободные регионы. С нашими молекулами перманганата не происходит ничего подобного. Каждая ведет себя независимо от других, с которыми очень редко сталкивается. Каждая – как в населенной области, так и в пустой – постоянно испытывает удары молекул воды и постепенно движется в непредсказуемом направлении – иногда в область с большей концентрацией, порой в область с меньшей или вообще вбок. Перемещения такой молекулы часто сравнивают с движением на открытом пространстве слепого человека. Он одержим желанием «шагать», но не может выбрать направления, а потому непрерывно меняет свой курс.

Рис. 4. Диффузия слева направо в растворе с различной концентрацией

То, что это случайное блуждание всех без исключения молекул перманганата должно привести к регулярному потоку в направлении меньшей концентрации и – в конце концов – к равномерному распределению, на первый взгляд вызывает недоумение. Если поделить рис. 4 на тонкие срезы с приблизительно постоянной концентрацией, молекулы перманганата, содержащиеся в данном конкретном срезе в некий момент времени, за счет случайного движения с равной вероятностью переместятся влево или вправо. Однако благодаря этому плоскость, разделяющую соседние срезы, пересечет больше молекул, приходящих слева, нежели справа, – просто потому, что слева находится больше молекул, вовлеченных в случайное движение. И пока это соответствует действительности, результатом будет регулярный поток слева направо – до достижения равномерного распределения.

Если перевести эти рассуждения на язык математики, закон диффузии будет представлять собой дифференциальное уравнение с частными производными:

Я избавлю читателя от объяснений, хотя значение этого закона можно выразить простым языком. А именно: концентрация в любой конкретной точке возрастает или падает со временем пропорционально сравнительному избытку или недостатку концентрации в ее бесконечно малом окружении. Кстати, закон теплопроводности выглядит точно так же, только вместо концентрации стоит температура. Я привел этот суровый «математически строгий» закон, желая подчеркнуть, что его физическая точность должна, тем не менее, ставиться под сомнение в каждом конкретном случае. Он основан на случайности, и его правомерность приблизительна. Как правило, это очень хорошее приближение, но лишь благодаря огромному числу молекул, вовлеченных в явление. Чем меньше их количество, тем более сильных случайных отклонений следует ожидать – и они наблюдаются при неблагоприятных условиях.

Пример третий (пределы точности измерения)

Последний пример весьма похож на второй, однако представляет особый интерес. Легкое тело, подвешенное на длинной тонкой нити в равновесной ориентации, часто используется физиками для измерения слабых сил, которые отклоняют его от равновесия, электрических, магнитных или гравитационных сил, прикладываемых таким образом, чтобы повернуть тело вокруг вертикальной оси. Разумеется, выбор легкого тела должен соответствовать целям опыта. Непрерывные попытки повысить точность этих популярных «крутильных весов» выявили любопытный предел, интересный сам по себе. Если брать все более легкие тела и тонкие и длинные нити – чтобы равновесие было чувствительным к все более слабым силам, – предел достигается, как только подвешенное тело начинает ощущать влияние теплового движения молекул окружающей среды и исполнять непрерывный хаотический «танец» вокруг равновесного положения, подобно дрожащей капле. Подобное поведение не накладывает абсолютного предела на точность измерений, проведенных при помощи весов, однако подчеркивает практический предел. Неконтролируемое воздействие теплового движения конкурирует с воздействием измеряемой силы и делает отдельные наблюдаемые отклонения незначимыми. Следует провести множество измерений, чтобы исключить влияние броуновского движения на инструмент. Я считаю данный пример наиболее наглядным для нашего исследования, ведь наши органы чувств – тоже в определенном роде инструмент. Теперь мы видим, насколько бесполезными они станут, если обретут такую чувствительность.

Правило ?n

Хочу добавить, что мог бы выбрать в качестве иллюстрации любой физический или химический закон из тех, что имеют значение для организма или его взаимодействий с окружающей средой. Подробное объяснение может оказаться более сложным, но суть будет той же, а потому описание станет монотонным.

Однако следует упомянуть одно важное численное утверждение относительно погрешности, которой следует ждать от любого физического закона, – правило ?n. Вначале я проиллюстрирую его простым примером, а потом обобщу.

Если я предположу, что некий газ при определенных условиях – давлении и температуре – обладает определенной плотностью, и заявлю, что в определенном объеме (подходящем для какого-либо эксперимента) при этих условиях содержится n молекул газа, можете не сомневаться, что, проверив мое утверждение в некий момент времени, вы сочтете его ошибочным, с отклонением порядка ?n. Соответственно, если n = 100, отклонение будет составлять около 10, а относительная ошибка – 10 %. Однако если n = 1?000?000, вы обнаружите отклонение около 1000, и относительная ошибка составит 0,1 %. Грубо говоря, данный статистический закон является весьма общим. Законы физики и физической химии неточны, и вероятная относительная ошибка для них составляет порядка

, где n есть число молекул, которые взаимодействуют, чтобы данный закон работал – и был справедливым в пространственных или временных (либо пространственно-временных) рамках, значимых для каких-либо рассуждений или эксперимента.

Из этого снова следует, что для того чтобы получать выгоду от достаточно точных законов, как во внутренних процессах, так и во взаимодействии с внешним миром, организм должен обладать крупной структурой. Иначе число взаимодействующих частиц будет слишком маленьким, а «законы» – неточными. Особенно строгим требованием является корень квадратный. Хотя миллион – весьма большое число, точность 1000 к 1 не кажется слишком высокой, если правило претендует на звание «закона природы».

Глава 2

Механизм наследственности

Оно [бытие] извечно; и законы Хранят, тверды и благосклонны Залоги дивных перемен.

    И. В. Гёте. Завет

Ожидания классического физика не тривиальны, но неверны

Итак, мы пришли к выводу, что организм и испытываемые им биологически значимые процессы должны обладать в высшей степени «многоатомной» структурой и быть защищены от случайных «одноатомных событий». Это существенно для того, говорит нам «наивный физик», чтобы организм мог подчиняться достаточно точным физическим законам, на которых основана его удивительно регулярная и упорядоченная работа. Как эти выводы, достигнутые, биологически выражаясь, a priori, то есть с чисто физической точки зрения, согласуются с реальными биологическими фактами?

На первый взгляд кажется, будто данные выводы тривиальны. Лет тридцать назад какой-нибудь биолог вполне мог сказать, что хотя для популярного лектора уместно подчеркнуть значимость статистической физики, в частности для организма, сама идея банальна. Ведь не только тело взрослого представителя любого высшего вида, но и каждая составляющая его клетка содержит «космическое» число разнообразных атомов. И каждый наблюдаемый нами физиологический процесс внутри клетки или в ходе ее взаимодействия с окружающей средой, судя по всему – по крайней мере, так казалось тридцать лет назад, – затрагивает столь огромное число отдельных атомов и атомарных процессов, что соответствующим законам физики и физической химии ничто не грозит, несмотря на очень строгие требования, накладываемые статистической физикой на «большие числа». Эти требования я только что проиллюстрировал на примере правила ?n.

Теперь мы знаем, что это мнение ошибочно. Как мы вскоре увидим, небольшие группы атомов – слишком небольшие, чтобы подчиняться точным статистическим законам, – играют важнейшую роль в упорядоченных и закономерных процессах в живом организме. Они управляют наблюдаемыми крупномасштабными особенностями, которые организм приобретает в ходе развития, определяют важные характеристики его работы – и во всем этом проявляются четкие и строгие биологические законы.

Следует начать с краткого описания ситуации, сложившейся в биологии, особенно в генетике. Иными словами, нужно суммировать нынешнее положение дел в предмете, которым я не владею. Тут ничего не поделаешь, и я прошу прощения, в первую очередь – у биологов, за дилетантский характер моей сводки. Кроме того, прошу дозволения изложить основные идеи в определенном смысле категорично. Нельзя ждать от бедного физика-теоретика компетентного обзора экспериментальных доказательств, которые включают, с одной стороны, множество длинных и красиво переплетающихся серий искусных экспериментов по скрещиванию, а с другой – прямые наблюдения за живой клеткой, выполненные с использованием изощренной современной микроскопии.

Генетический код (хромосомы)

Позвольте мне использовать термин «структура» организма в том смысле, в каком биолог использует «четырехмерную структуру», имея в виду не только строение и работу этого организма во взрослом возрасте или на какой-то другой конкретной стадии, но его онтогенетическое развитие в целом, от оплодотворенной яйцеклетки до зрелости, когда он приступает к размножению. Известно, что всю эту четырехмерную структуру определяет строение одной-единственной клетки – оплодотворенной яйцеклетки. Более того, мы знаем, что структура, в сущности, определяется строением небольшой части этой клетки – ее ядра. В типичном «состоянии покоя» ядро обычно выглядит как сеть хроматина[11 - Это слово означает «вещество, которое окрашивается» – в результате определенного процесса окрашивания, используемого в микроскопии.], распределенная по клетке. Однако в ходе жизненно важного процесса клеточного деления (митоз и мейоз) оно выглядит как набор частиц, обычно в форме фибрилл или палочек, называемых хромосомами. Их число составляет 8 или 12 – или, у человека, 48[12 - В норме кариотип человека представлен 46 хромосомами, однако во время написания книги считалось, что их 48 (по результатам опубликованной в 1923 г. микроскопической работы Теофилуса Пейнтера).]. Однако мне следовало записать эти показательные числа как 2 (?) 4, 2 (?) 6… 2 (?) 24… и говорить о двух наборах, в привычном биологу смысле. Хотя отдельные хромосомы иногда отчетливо видны и различимы по форме и размеру, два их набора почти идентичны. Один набор приходит от матери (яйцеклетка), другой – от отца (оплодотворяющий сперматозоид). Именно эти хромосомы – или, возможно, лишь осевые скелетные фибриллы того, что мы видим под микроскопом как хромосомы, – содержат неким образом закодированную структуру будущего развития особи и ее функционирования в зрелом состоянии. Каждый полный набор хромосом содержит полный код, таким образом, две копии кода присутствуют в оплодотворенной яйцеклетке, которая является самой ранней стадией развития будущего организма.

Называя структуру хромосомных фибрилл кодом, мы имеем в виду, что придуманный Лапласом[13 - Лаплас, Пьер-Симон (1749–1827) – французский математик, физик и астроном. Здесь имеется в виду демон Лапласа – мысленный эксперимент, в котором вымышленное разумное существо способно по положению и скорости любой частицы во Вселенной в любой момент времени предсказать как ее прошлое, так и будущее. Сутью эксперимента была демонстрация необходимости статистического описания реальных процессов в силу нашей неосведомленности.] всеведущий ум, мгновенно постигающий все причинно-следственные связи, может по ней узнать, вырастет ли из яйцеклетки при подходящих условиях черный петух или рябая курица, муха или кукуруза, рододендрон, жук, мышь или женщина. На вид все яйцеклетки удивительно схожи, а даже если и различаются – как в случае сравнительно крупных яиц птиц и рептилий, – эти различия затрагивают не основные структуры, а питательный материал, добавленный по очевидным причинам.

Разумеется, термин «код» является узким. Хромосомные структуры также участвуют в реализации развития, которое кодируют. Они объединяют в себе свод законов и исполнительную власть – или, если использовать другое сравнение, план архитектора и строительное мастерство.

Рост тела путем клеточного деления (митоз)