Что такое жизнь книга шредингера кратко
Обновлено: 02.07.2024
Книга Шредингера “Что такое жизнь? С точки зрения физика” сыграла немалую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам биологии. Книгу цитируют во многих работах, посвященных теоретической биологии, в том числе и в самых последних.
За последние 30 лет биология добилась больших успехов. В ряду самых значимых открытий биологии XX в. стоит установление структуры молекулы ДНК. Честь этого открытия принадлежит Ф. Крику, Дж. Уотсону и М. Уилкинсу. Опыты показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДНК.
Важный и часто обсуждаемый вопрос заключается в том, как физика и химия могут объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма?
Шредингер в своей книге пишет:“Наиболее существенную часть живой клетки - хромосомную нить - можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Для физика периодические кристаллы являются весьма интересными и сложными объектами; они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, скажем рафаэлевским гобеленом, который повторяет сложный, последовательный и полный замысла рисунок, начертанный великим мастером”.
Шредингер дает следующее определие жизни:
“Жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Когда мы считаем материю живой? Тогда, когда она продолжает “делать что-либо”, двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т. д., - все это в течение более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях. Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ достаточно прост: благодаря тому, что он питается, дышит и (в случае растений) ассимилирует. Для всего этого есть специальный термин - метаболизм”.
Только постоянно используя приток свободной энергии, система может непрерывно обновляться и этим тормозить свое падение в состояние термодинамического равновесия, которое Эрвин Шредингер метко назвал состоянием смерти. Характерный для процессов жизни динамический порядок может поддерживаться только за счет постоянной компенсации производства энтропии. Следующим необходимым условием является способность к самовоспроизведению. Все молекулы и специфические упорядоченные структуры имеют ограниченное время жизни из-за теплового движения. Чтобы не потерять накопленную в них информацию, они должны успевать до своего распада построить хотя бы одну идентичную копию, содержащую план строения и функционирования исходной структуры. Любое биологическое упорядочение направляется информацией.
В заключении Шредингер приходит к выводу:“Все известное нам о структуре живой материи заставляет ожидать, что деятельность живого организма нельзя свести к проявлению обычных законов физики. И не потому, что имеется какая-нибудь “новая сила” или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, а потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор в физической лаборатории.”
Эрвин Шрёдингер - Что такое жизнь? краткое содержание
Лекции, читанные в Тринити-колледж в Дублине в феврале 1943 г.
Что такое жизнь? - читать онлайн бесплатно ознакомительный отрывок
Что такое жизнь?
Лекции, читанные в Тринити-колледж в Дублине в феврале 1943 г.
Москва: Государственное издательство иностранной литературы, 1947 - с.150
профессор Дублинского исследовательского института
ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ
с точки зрения физики?
The Physical Aspect of the
Senior Professor at the Dublin Institute for Advanced Studies
Перевод с английского и послесловие А. А. МАЛИНОВСКОГО
Художник Г. Рифтин
Вступление
Homo liber nulla de re minus quam
de morte cogitat; et ejus sapientia
non mortis sed vitae meditatio est.
Spinoza, Ethica, P. IV, Prop. 67.
Человек свободный ни о чем так
мало не думает, как о смерти, и
его мудрость состоит в размышлении
не о смерти, а о жизни.
Спиноза, Этика, ч. IV, теор. 67.
Предисловие
Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige[1]. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.
Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтам познания - университетам, - напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило нас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо одной небольшой специальной частью науки.
Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если некоторые из нас не рискнут взяться за синтез фактов и теорий, хотя бы наше знание в некоторых из этих областей было неполным и полученным из вторых рук и хотя бы мы подвергались опасности показаться невеждами.
Пусть это послужит мне извинением.
Большое значение имеют также трудности с языком. Родной язык каждого является как бы хорошо-пригнанной одеждой, и нельзя чувствовать себя вполне свободно, когда ваш язык не может быть непринужденным и когда его надо заменить другим, новым. Я очень благодарен д-ру Инкстеру(Тринити-колледж, Дублин), д-ру Падрайг Броуну (колледж св. Патрика, Мэйнут) и, наконец (но не меньше, чем другим), мистеру С. К.Робертсу. Им доставило много забот подогнать на меня новое одеяние, и это усугублялось еще тем, что порой я не хотел отказаться от своего несколько "оригинального" собственного стиля. Если что-либо из него сохранилось, несмотря на стремление моих друзей смягчить его, то это должно быть отнесено на мой, а не на их, счет.
Первоначально предполагалось, что подзаголовки многочисленных разделов будут иметь характер резюмирующих надписей на полях, и текст каждой главы должен был бы читаться in continue (непрерывно)[2].
Я очень обязан д-ру Дарлингтону и издателю Endeavour (Об-во имперских химических производств) за клише для иллюстраций. В них сохранены все первоначальные детали, хотя не все эти детали имеют отношение к содержанию книги.
Дублин, сентябрь, 1944. Э. Ш.
Подход классического физика к предмету
Cogito, ergo sum
Общий характер и цели исследования
Эта небольшая книга возникла из курса публичных лекций, прочитанных физиком - теоретиком перед аудиторией около 400 человек. Аудитория почти не уменьшалась, хотя с самого начала была предупреждена, что предмет изложения труден и что лекции не могут считаться популярными, несмотря даже на то, что наиболее страшное орудие физика - математическая дедукция - здесь вряд ли может быть применена. И не потому что предмет настолько прост, чтобы можно было объяснить его без математики, но скорее, обратное - потому что он слишком запутан и не вполне доступен математике. Другой чертой, создающей по крайней мере внешний вид популярности, было намерение лектора сделать основную идею, связанную и с биологией и с физикой, ясной как для физиков, так и для биологов.
Действительно, несмотря на разнообразие тем, включенных в книгу, в целом она должна передать только одну мысль, только одно небольшое пояснение к большому и важному вопросу. Чтобы не уклониться с нашего пути, будет полезно заранее кратко очертить наш план.
Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?
Предварительный ответ, который постарается дать и развить эта небольшая книга, можно суммировать так: явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает никаких оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками.
Статистическая физика. Основное различие в структуре
Предыдущее замечание было бы весьма тривиальным, если бы оно имело целью только стимулировать надежду достигнуть в будущем того, что не было достигнуто в прошлом. Оно, однако, имеет гораздо более положительный смысл, а именно, что неспособность физики и химии до настоящего времени дать ответ полностью объяснима.
Благодаря умелой работе биологов, главным образом генетиков, за последние 30 или 40 лет теперь стало достаточно много известно о действительной материальной структуре организмов и об их отправлениях, чтобы понять, почему современные физика и химия не могли объяснить явления в пространстве и времени, происходящие внутри живого организма.
Расположение и взаимодействие атомов в наиболее важных частях организма коренным образом отличаются от всех тех расположений атомов, с которыми физики и химики имели до сих пор дело в своих экспериментальных и теоретических изысканиях. Однако это отличие, которое я только что назвал коренным, такого рода, что легко может показаться ничтожным всякому, кроме физика, пропитанного той мыслью, что законы физики и химии являются насквозь статистическими[4]. Именно со статистической точки зрения структура важнейших частей живого организма полностью отличается от любого куска вещества, о которым мы, физики и химики, имели до сих пор дело, практически - в наших лабораториях и теоретически - за письменными столами[5]. Конечно, трудно себе представить, чтобы законы и правила, при этом нами открытые, были непосредственно приложимы к поведению систем, не имеющих тех структур, на которых основаны эти законы и правила.
Э. Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? – М.: РИМИС, 2009. – 176 с.
Глава I. Подход классического физика к предмету
Наиболее существенная часть живой клетки — хромосомная нить — может быть названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.
Почему атомы так малы? Было предложено много примеров, чтобы уяснить этот факт широкой публике, но не было ни одного более выразительного примера, чем тот, который привел когда-то лорд Кельвин: предположите, что вы можете поставить метки на все молекулы в стакане воды; после этого вы выльете содержимое стакана в океан и тщательно перемешаете океан так, чтобы распределить отмеченные молекулы равномерно во всех морях мира; если вы далее возьмете стакан воды где угодно, в любом месте океана, — вы найдете в этом стакане около сотни ваших отмеченных молекул.
Все наши органы чувств, составленные из неисчислимых атомов, оказываются слишком грубыми, чтобы воспринимать удары отдельного атома. Мы не можем ни видеть, ни слышать, ни чувствовать отдельных атомов. Обязательно ли должно быть так? Если бы дело обстояло не так, если бы человеческий организм был столь чувствителен, что несколько атомов или даже отдельный атом мог бы произвести заметное впечатление на наши органы чувств, на что была бы похожа жизнь!
Имеется только одна и единственная вещь, представляющая особый интерес для нас в нас самих, — это то, что мы можем чувствовать, думать и понимать. В отношении тех физиологических процессов, которые ответственны за наши мысли и чувства, все другие процессы в организме играют вспомогательную роль, по крайней мере, с человеческой точки зрения.
Все атомы все время проделывают совершенно беспорядочные тепловые движения. Только в соединении огромного количества атомов статистические законы начинают действовать и контролировать поведение этих объединений с точностью, возрастающей с увеличением числа атомов, вовлеченных в процесс. Именно этим путем события приобретают действительно закономерные черты. Точность физических законов основана на большом количестве участвующих атомов.
Степень неточности, которую надо ожидать в любом физическом законе – . Если некоторый газ при определенном давлении и температуре имеет определенную же плотность, то я могу сказать, что внутри какого-то объема имеется n молекул газа. Если в какой-то момент времени вы сможете проверить мое утверждение, то вы найдете его неточным, и отклонение будет порядка . Следовательно, если n = 100, вы нашли бы отклонение равным приблизительно 10. Таким образом, относительная ошибка здесь равна 10%. Но если n = 1 миллиону, вы бы, вероятно, нашли отклонение равным примерно 1000, и таким образом относительная ошибка равняется 0,1%.
Глава II. Механизм наследственности
Но термин шифровальный код, конечно, слишком узок. Хромосомные структуры служат в то же время и инструментом, осуществляющим развитие, которое они же предвещают. Они являются и кодексом законов и исполнительной властью или, употребляя другое сравнение, они являются и планом архитектора и силами строителя в одно и то же время.
Как хромосомы ведут себя в онтогенезе?[1] Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями. Такое клеточное деление называется митозом.[2] В среднем достаточно 50 или 60 последовательных делений, чтобы произвести количество клеток, имеющихся у взрослого человека.
Как ведут себя хромосомы в митозе? Они удваиваются, удваиваются оба набора, обе копии шифра. Каждая, даже наименее важная отдельная клетка обязательно обладает полной (двойной) копией шифровального кода. Существует единственное исключение из этого правила – редукционное деление или мейоз (рис. 1; автор немного упростил описание, чтобы сделать его более доступным).
Рис. 1. Редукционное деление (мейоз) и оплодотворение (сингамия)
Один набор хромосом происходит от отца, один — от матери. Ни случайность, ни судьба не могут помешать этому. Но когда вы проследите происхождение вашей наследственности вплоть до ваших дедов и бабок, то дело оказывается иным. Например, набор хромосом, пришедших ко мне от отца, в частности хромосома № 5. Это будет точная копия или того № 5, который мой отец получил от своего отца, или того № 5, который он получил от своей матери. Исход дела был решен (с вероятностью 50:50 шансов). Точно та же история могла бы быть повторена относительно хромосом № 1, 2, 3… 24 моего отцовского набора и относительно каждой из моих материнских хромосом.
Рис. 2. Кроссинговер. Слева — две гомологичные хромосомы в контакте; справа — после обмена и разделения.
Максимальный размер гена. Ген – материальный носитель определенной наследственной особенности – равен кубу со стороной в 300 . 300 — это только около 100 или 150 атомных расстояний, так что ген содержит не более миллиона или нескольких миллионов атомов. Согласно статистической физике такое число слишком мало (с точки зрения ), чтобы обусловить упорядоченное и закономерное поведение.
Глава III. Мутации
Мы теперь определенно знаем, что Дарвин ошибался, когда считал, что материалом, на основе которого действует естественный отбор, служат малые, непрерывные, случайные изменения, обязательно встречающиеся даже в наиболее однородной популяции. Потому что было доказано, что эти изменения не наследственны. Если вы возьмете урожай чистосортного ячменя и измерите у каждого колоса длину остей, а затем вычертите результат вашей статистики, вы получите колоколообразную кривую (рис. 3). На этом рисунке количество колосьев с определенной длиной остей отложено против соответствующей длины остей. Другими словами, преобладает известная средняя длина остей, а отклонения в том и другом направлении встречаются с определенными частотами. Теперь выберите группу колосьев, обозначенную черным, с остями, заметно превосходящими среднюю длину, но группу достаточно многочисленную, чтобы при посеве в поле она дала новый урожай. Проделывая подобный статистический опыт, Дарвин ожидал бы, что для нового урожая кривая сдвинется вправо. Другими словами, он ожидал бы, что отбор произведет увеличение средней величины остей. Однако на деле этого не случится.
Рис. 3. Статистика длины остей в чистосортном ячмене. Черная группа должна быть отобрана для посева
Мутации наследуются так же хорошо, как первоначальные неизмененные признаки. Мутация определенно является изменением в наследственном багаже и должна обусловливаться каким-то изменением наследственной субстанции. В силу их свойства действительно передаваться потомкам, мутации служат также подходящим материалом и для естественного отбора, который может работать над ними и производить виды, как это описано Дарвином, элиминируя неприспособленных и сохраняя наиболее приспособленных.
Рис. 4. Гетерозиготный мутант. Крестом отмечен мутировавший ген
Версия, которой следует особь, называется доминантной, противоположная — рецессивной; другими словами, мутация называется доминантной или рецессивной в зависимости от того, проявляет ли она свой эффект сразу или нет. Рецессивные мутации даже более часты, чем доминантные, и бывают весьма важными, хотя они не сразу обнаруживаются. Чтобы изменить свойства организма, они должны присутствовать в обеих хромосомах (рис. 5).
Рис. 5. Гомозиготный мутант, полученный в одной четверти потомства при самооплодотворении гетерозиготных мутантов (см. рис. 4) или при скрещивании их между собой
Версия шифровального кода — будь она первоначальной или мутантной, — принято обозначать термином аллель. Когда версии различны, как это показано на рис. 4, особь называется гетерозиготной в отношении этого локуса. Когда они одинаковы, как, например, в немутировавших особях или в случае, изображенном на рис. 5, они называются гомозиготными. Таким образом, рецессивные аллели влияют на признаки только в гомозиготном состоянии, тогда как доминантные аллели производят один и тот же признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии.
Особи могут быть совершенно подобны по внешности и, однако, различаться наследственно. Генетик говорит, что у особей один и тот же фенотип, но различный генотип. Содержание предыдущих параграфов может быть, таким образом, суммировано в кратком, но высоко техническом выражении: рецессивная аллель влияет на фенотип, только когда генотип гомозиготен.
Процент мутаций в потомстве — так называемый темп мутирования — можно увеличить во много раз по сравнению с естественным мутационным темпом, если освещать родителей х-лучами или γ-лучами. Мутации, вызванные таким путем, ничем (за исключением большей частоты) не отличаются от возникающих самопроизвольно.
Глава IV. Данные квантовой механики
Удивительно, насколько сильно время ожидания зависит от сравнительно малых изменений отношения W:kT. Например, для W, которое в 30 раз больше, чем kТ, время ожидания будет всего 1/10 секунды, но оно повышается до 16 месяцев, когда W в 50 раз больше kТ, и до 30 000 лет, когда W в 60 раз больше kТ.
Причина чувствительности в том, что время ожидания, назовем его t, зависит от отношения W:kТ как степенная функция, то есть
Степенная функция не случайная особенность. Она снова и снова повторяется в статистической теории тепла, образуя как бы ее спинной хребет. Это — мера невероятности того, что количество энергии, равное W, может случайно собраться в некоторой определенной части системы, и именно эта невероятность возрастает так сильно, когда требуется многократное превышение средней энергии kТ для того, чтобы преодолеть порог W.
Химику известно, что одна и та же группа атомов при образовании молекул может объединиться более чем одним способом. Такие молекулы называются изомерными, т.е., состоящими из тех же частей (рис. 6).
Рис. 6. Два изомера пропилового алкоголя
Рис. 7. Энергетический порог 3 между изомерными уровнями 1 и 2. Стрелки указывают минимум энергии, требующейся для перехода.
Мы примем, что по своей структуре ген является гигантской молекулой, которая способна только к прерывистым изменениям, сводящимся к перестановке атомов с образованием изомерной молекулы (для удобства я продолжаю называть это изомерным переходом, хотя было бы нелепостью исключать возможность какого-либо обмена с окружающей средой). Энергетические пороги, отделяющие данную конфигурацию от любых возможных изомерных, должны быть достаточно высоки (сравнительно со средней тепловой энергией атома), чтобы сделать переходы редкими событиями. Эти редкие события мы будем отождествлять со спонтанными мутациями.
Глава VI. Упорядоченность, неупорядоченность и энтропия
Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ прост: благодаря еде, питью, дыханию и (в случае растений) ассимиляции. Это выражается специальным термином—метаболизм (от греческого – перемена или обмен). Обмен чего? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ. Но представляется нелепостью, чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т.д. так же хорош, как любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти?
Каждый процесс, явление, событие, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию — или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собою смерть. Он может избегнуть этого состояния, то есть оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив.
Что такое энтропия? Это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина. При абсолютном нуле температуры (около –273°С) энтропия любого вещества равна нулю. Если вы переводите вещество в любое другое состояние, то энтропия возрастает на величину, вычисляемую путем деления каждой малой порции тепла, затрачиваемой во время этой процедуры, на абсолютную температуру, при которой это тепло затрачено. Например, когда вы расплавляете твердое тело, то энтропия возрастает на величину теплоты плавления, деленной на температуру при точке плавления. Вы видите из этого, что единица, которой измеряется энтропия, есть кал/°С. Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности, связь, открытая исследованиями Больцмана и Гиббса по статистической физике. Она также является точной количественной связью и выражается
энтропия = klogD
где k — постоянна Больцмана и D — количественная мера атомной неупорядоченности в рассматриваемом теле.
Если D есть мера неупорядоченности, то обратная величина 1/D может рассматриваться как мера упорядоченности. Поскольку логарифм 1/D есть то же, что отрицательный логарифм D, мы можем написать уравнение Больцмана таким образом:
–(энтропия) = klog(1/D)
Глава VIII. Основана ли жизнь на законах физики?
Физикой управляют статистические законы. В биологии мы встречаемся с совершенно иным положением. Единичная группа атомов, существующая только в одном экземпляре, производит закономерные явления, чудесно настроенные одно в отношении другого и в отношении внешней среды, согласно чрезвычайно тонким законам.
Теперь, я думаю, надо немного слов, чтобы сформулировать сходство между часовым механизмом и организмом. Оно просто и исключительно сводится к тому, что последний также построен вокруг твердого тела — апериодического кристалла, образующего наследственное вещество, не подверженное в основном воздействию беспорядочного теплового движения.
Эпилог. О детерминизме и свободе воли
Из того, что было изложено выше, ясно, что протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности, если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы. Это неприятное чувство возникает потому, что принято думать, будто такое представление находится в противоречии со свободой воли, существование которой подтверждается прямым самонаблюдением. Поэтому посмотрим, не сможем ли мы получить правильное и непротиворечивое заключение, исходя из следующих двух предпосылок:
- Мое тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.
- Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела и предвижу результаты этих действий. Эти результаты могут иметь огромное значение в определении моей судьбы, и в таком случае я чувствую и сознательно беру на себя полную ответственность за свои действия.
[1] Онтогенез —развитие индивидуума в течение его жизни, в противоположность филогенезу — развитию вида в течение геологических периодов.
[2] Митоз — непрямое деление клетки, наиболее распространенный способ репродукции клеток. Значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.
[4] Я не вполне понял этот пассаж Шредингера. Замечу, что в послесловии, написанном переводчиком в 1947 г., философия Шредингера подвергается критике с позиций марксизма-ленинизма… 🙂 Прим. Багузина
На основе лекций, прочитанных при содействии Дублинского института перспективных исследований в Тринити-колледже, Дублин, в феврале 1943 г.
Памяти моих родителей
Предисловие
[Закрыть] и Фрэнсис Крик[2] 2
Крик, Фрэнсис (1916–2004) – британский молекулярный биолог и биофизик, один из первооткрывателей структуры ДНК, лауреат Нобелевской премии.
[Закрыть] , признавали, что на них оказали значительное влияние различные идеи, пусть и спорные, выдвинутые в этой книге вдумчивым физиком.
Введение
Предполагается, что ученый обладает полным и всеобъемлющим знанием о вещах, полученным из первых рук, а следовательно, не должен писать о том, в чем не является экспертом. Как говорится, noblesse oblige[3] 3
Положение обязывает (фр.).
[Закрыть] . Сейчас я попрошу вас забыть про noblesse, если таковое имеется, и освободиться от соответствующих обязательств. Я оправдываю это следующим образом: от наших праотцев мы унаследовали сильное стремление к единому, всеохватывающему знанию. Само название высших образовательных учреждений напоминает нам, что с античных времен и на протяжении многих столетий наибольшее внимание уделялось аспекту универсальности. Однако рост – в ширину и глубину – различных ветвей знания в последние сто с небольшим лет заставил нас столкнуться со странной дилеммой. Мы отчетливо ощущаем, что лишь начинаем собирать надежный материал, из которого можно вывести общую сумму всех известных вещей. Но с другой стороны, теперь отдельный ум способен одолеть только небольшой, специализированный фрагмент знания.
Таково мое оправдание.
Заголовки разделов изначально должны были представлять собой краткое содержание, и текст каждой главы следует читать in continuo[4] 4
Непрерывно (ит.).
Менее всего свободный человек размышляет о смерти. В своей мудрости он размышляет не о смерти, а о жизни.
Глава 1
Классический физический подход к предмету
Я мыслю, следовательно, существую.
Общий характер и цель исследования
Эта небольшая книга родилась из цикла публичных лекций, прочитанных физиком-теоретиком перед аудиторией из четырехсот человек, которая не сократилась даже после изначального предупреждения о сложности предмета и о том, что лекции нельзя назвать популярными, хотя в них практически не используется самое ужасное оружие физика, математическая дедукция, – не потому, что данный предмет можно объяснить без привлечения математики, а просто он слишком запутан для полного математического описания. Другой особенностью, которая придавала лекциям некий популярный оттенок, было намерение лектора объяснить и биологам, и физикам фундаментальную идею, лежащую на стыке биологии и физики.
В действительности, несмотря на разнообразие затрагиваемых тем, затея призвана донести лишь одну мысль – маленький комментарий к большому и важному вопросу. Чтобы не заблудиться, составим короткий план.
Большой, важный и весьма обсуждаемый вопрос заключается в следующем:
Как физика и химия объясняют события в пространстве и времени, происходящие в пространственных рамках живого организма?
Предварительный ответ, который попытается установить и обосновать эта книга, можно кратко изложить так:
Очевидная неспособность современных физики и химии объяснить подобные явления вовсе не означает, что эти науки не могут их объяснить.
Статистическая физика. Фундаментальное различие в структуре
Данное замечание было бы весьма тривиальным, если бы единственным его предназначением являлось пробудить надежду на достижение в будущем того, чего не удалось получить в прошлом. Однако его значение намного более оптимистично: эта неспособность имеет подробное объяснение.
Сегодня, благодаря блестящей работе биологов, в основном генетиков, за последние тридцать-сорок лет, мы знаем достаточно о действительной материальной структуре организмов и об их работе, чтобы заявить и назвать точную тому причину: современные физика и химия не могут объяснить пространственно-временные события, происходящие в живом организме.
[Закрыть] . Невозможно представить, что законы и закономерности, открытые подобным образом, могут непосредственно применяться к поведению систем, не обладающих структурой, на которой они основаны.
Подход наивного физика к предмету
Теперь, обозначив вкратце главную идею, а точнее, пределы наших исследований, я опишу линию атаки. Я предлагаю вначале рассмотреть представления наивного физика об организмах – то есть идеи, что могут возникнуть в сознании физика, который, выучив свою физику, а точнее, статистическое основание науки, начинает размышлять о них и о том, как они себя ведут и функционируют, и в конце концов честно спрашивает себя, способен ли он посредством того, чему научился, с точки зрения своей относительно простой, четкой и скромной науки, внести какой-либо существенный вклад в данную проблему.
Оказывается, вполне способен. Далее нужно сравнить его теоретические ожидания с биологическими фактами. Выяснится, что, хотя в целом его идеи представляются весьма разумными, они нуждаются в значительной коррекции. Таким образом мы постепенно приблизимся к правильной точке зрения – точнее, если выразиться более скромно, точке зрения, которую я считаю правильной.
Почему атомы такие маленькие?
Хороший способ развить представления наивного физика – начать со странного, почти нелепого вопроса: почему атомы такие маленькие? Да, они действительно очень малы. Каждый фрагмент материи, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, состоит из множества атомов. Чтобы донести этот факт до аудитории, подобраны многочисленные примеры, самый впечатляющий из которых принадлежит лорду Кельвину[6] 6
Томсон, Уильям, барон Кельвин (1824–1907) – британский физик-математик, в честь которого названа абсолютная единица температуры.
Таким образом, мы установили, что наш вопрос касается соотношения двух размеров – размера нашего тела и размера атома. С учетом неоспоримого главенства независимого существования атома, этот вопрос следует переформулировать так: почему наши тела столь велики в сравнении с атомом?
Представляю, как многие смышленые студенты-физики или химики оплакивали факт, что все наши органы чувств, составляющие вполне значимую часть организма, а следовательно с точки зрения вышеупомянутого соотношения состоящие из множества атомов, слишком грубы, чтобы ощутить влияние одиночного атома. Мы не можем увидеть, или почувствовать, или услышать отдельные атомы. Наши гипотезы на их счет заметно отличаются от непосредственных открытий, совершенных при помощи крупных органов чувств, и не могут быть проверены напрямую.
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] 8
Больцман, Людвиг (1844–1906) – австрийский физик, прославившийся работами по статистической механике и молекулярно-кинетической теории.
[Закрыть] и Людвига Больцмана[9] 9
Гиббс, Джозайя Уиллард (1839–1903) – американский физик и математик, стоявший у истоков векторного анализа, математической теории термодинамики и статистической физики.
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] 10
Ланжевен, Поль (1872–1946) – французский физик, автор теории диамагнетизма и парамагнетизма.
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.
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:
Пример третий (пределы точности измерения)
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.
Читайте также: