Текст книги "Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии"

Литература к главе 1

1. Atkins P. W. Magnetic field effects // Chemistry in Britain, 1976. – № 12. – P. 214.

2. Emlen S., Wiltschko W., Demong N. and Wiltschko R. Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings // Science, 1976. – № 193. – P. 505–508.

2. Что такое жизнь

Одна из самых успешных в истории человечества научных программ была запущена 20 августа 1977 года: в небо над Флоридой поднялся космический аппарат «Вояджер-2», за которым спустя две недели отправился аппарат-близнец «Вояджер-1». Через два года «Вояджер-1» достиг первого пункта назначения – Юпитера, сфотографировал вихревые облака и знаменитое Большое красное пятно газового гиганта, а затем пролетел над ледяной поверхностью одного из спутников Юпитера, Ганимеда, и зафиксировал извержение вулкана на другом спутнике, Ио. Тем временем «Вояджер-2» летел совсем по другой траектории. В августе 1981 аппарат приблизился к Сатурну и стал отправлять на Землю удивительно красивые снимки его колец – прекрасного ожерелья планеты, изящно сплетенного из миллионов камней и небольших спутников. Прошло еще около десяти лет, прежде чем в 1990 году, 14 февраля, «Вояджер-1» сделал один из самых поразительных космических снимков – фото крошечного голубого пятнышка на зернисто-сером фоне.

За последние 50 лет благодаря космическим аппаратам, запущенным в том числе в рамках программы «Вояджер», человечеству удалось высадиться на Луну, удаленно исследовать долины Марса и выжженные пустыни Венеры и даже увидеть, как комета врезается в атмосферу Юпитера. Но в основном космические аппараты обнаруживали и исследовали горные породы… очень много разных пород. Кстати, можно сказать, что исследование космических объектов в основном представляет собой исследование пород, начиная с тонны лунного грунта, доставленного на Землю экипажем «Аполлона-11», или микроскопических фрагментов кометы, за которыми летал космический аппарат НАСА «Стардаст», до результатов встречи зонда «Розетта» с кометой в 2014 году или исследования Красной планеты марсоходом «Кьюриосити». Много, очень много космических пород.

Разумеется, образцы космических пород – объекты, представляющие для нас огромный интерес: их структура и состав дают ключи к разгадке тайны происхождения Солнечной системы, формирования планет и даже событий, предшествовавших образованию Солнца. Но для большинства людей, не разбирающихся в геологии, марсианский хондрит (разновидность каменистых метеоритов с низким содержанием металлов) ничем не отличается от лунного троктолита (метеорит, в больших пропорциях содержащий железо и магний). Тем не менее в нашей Солнечной системе есть одно укромное местечко, где основные составляющие всевозможных пород и камней представлены в таком многообразии форм, свойств и химического состава, что даже один грамм горной породы по содержанию будет богаче любого другого образца из разных уголков Вселенной. Это место, разумеется, то самое бледное голубое пятнышко, которое сфотографировал «Вояджер-1». Мы называем это пятнышко Землей. Самое поразительное то, что все это многообразие веществ, обусловивших уникальность поверхности нашей планеты, способствовало зарождению жизни.

Жизнь удивительна. Мы уже знаем, что у европейской малиновки есть потрясающий механизм магниторецепции, но этот навык лишь одна из многообразных способностей птицы. Она может видеть, различать запахи, слышать, ловить мух. Она может летать над землей и между ветвями деревьев. Наконец, она может пролететь сотни километров в высоком небе. Но, пожалуй, самое чудесное из того, на что способна эта маленькая птичка (разумеется, не без помощи самца), – произвести на свет потомство похожих на нее птичек, сотворенных из тех же материалов, что и все горные породы на свете. А ведь наша малиновка – одно из триллионов живых существ, которые способны совершать все упомянутые выше и многие другие, не менее изумительные подвиги.

Еще одно удивительное существо – это, безусловно, вы сами. Поднимите глаза в ночное небо, и в них устремятся волны света – фотоны, которые ваша сетчатка немедленно преобразует в слабые электрические сигналы. По зрительным нервам эти сигналы будут переданы в нервную ткань вашего головного мозга. Там они вызывают мерцающие вспышки нейронов, которые воспринимаются вами как звезды, сияющие высоко в небесах. В то же время волосковые сенсорные клетки вашего внутреннего уха фиксируют слабые колебания давления (в миллиард раз меньше, чем величина атмосферного давления), которые, преобразуясь в звуковые сигналы, говорят вам о том, что в ветвях деревьев гуляет ветер. Молекулы, попадающие вам в нос, распознаются специальными обонятельными рецепторами, которые немедленно передают всю химическую информацию мозгу, благодаря чему вы понимаете, что сейчас лето и цветет жимолость. Кроме того, в тот момент, когда вы смотрите на звезды, слушаете ветер или принюхиваетесь к какому-нибудь запаху, ваше тело совершает множество движений, каждое из которых порождается комплексом согласованных действий сотен мышц.

И все же, какими бы необычными ни были физические подвиги, совершаемые нашим организмом, они меркнут в сравнении с ловкостью и мастерством, которые проявляют братья наши меньшие. Муравей-листорез способен переносить на себе груз, превышающий его собственный вес в 30 раз (как если бы вы взвалили на спину автомобиль и легко понесли его без посторонней помощи). Скорость смыкания челюстей тропических муравьев рода Odontomachus растет с 0 до 230 км/ч за 0,13 миллисекунды, а вот болиду «Формулы-1» требуется в 40 тысяч раз больше времени (около пяти секунд), чтобы набрать такую же скорость. Амазонский электрический угорь генерирует разряд 600 В, который может быть смертельным. Птицы умеют летать, рыбы – плавать, черви – рыть ходы, а обезьяны – прыгать по деревьям. И, как мы уже знаем, многие животные, в том числе европейская малиновка, могут прокладывать себе маршрут в тысячи километров, ориентируясь на магнитное поле Земли. Если говорить о способности к биосинтезу, то в этом отношении ничто не сравнится с зеленым разнообразием жизни земных растений: она волшебным образом смешивает молекулы воздуха и воды, добавляет некоторые минералы, и на свет появляются травы, дубы, водоросли, одуванчики, гигантские секвойи и лишайники.

У всех живых организмов есть свои удивительные особенности, например, у малиновки – механизм магниторецепции, у тропических муравьев – скорость защелкивания челюстей. Тем не менее именно у человека есть уникальный орган, функции которого не имеют аналогов в природе. Этот мясистый орган серого цвета скрыт внутри человеческой черепной коробки и обладает поразительными вычислительными способностями, превосходящими возможности любого компьютера на нашей планете. Результатами деятельности этого органа являются египетские пирамиды, общая теория относительности, балет «Лебединое озеро», «Ригведа», трагедия «Гамлет», поэзия эпохи Мин и Дональд Дак. Но самым удивительным является то, что человеческий мозг наделен способностью знать, что он существует.

И все же многообразие живой материи с его невообразимым богатством форм и неисчислимым количеством функций построено в основном из тех же самых атомов, которые образуют глыбы марсианских хондритов.

Одним из главным вопросов науки и ключевым вопросом, поставленным в данной книге, является следующий: каким образом инертные атомы и молекулы, из которых состоят горные породы, ежедневно преобразуются в бег, прыжки, полет, ориентирование, плавание, рост, любовь, ненависть, страсть, страх, мысли, смех, слезы – одним словом, в жизнь. Очевидность сказанного оставляет это необычайное преобразование за пределами нашего внимания, однако не стоит забывать, что даже в эпоху генной инженерии и синтетической биологии ничто живое не было сотворено человеком из неживого материала. Какими бы технологиями мы ни обладали, на сегодняшний день мы не в силах совершить преобразование, на которое без лишних усилий способен простейший микроб. Это говорит о том, насколько все же неполно наше знание о том, что требуется для того, чтобы сотворить жизнь. Действительно ли от нашего взора ускользнула некая Божья искра, одушевляющая все живое и отсутствующая в неживом?

Мы вовсе не собираемся утверждать, что любая порция жизненной силы, духовного начала или магии одушевляет неживое. Наша история гораздо интереснее. Мы будем говорить о современных исследованиях, открывших нам, что по крайней мере один из недостающих кусочков пазла, из которого складывается загадка жизни, можно обнаружить в мире квантовой механики, где объекты могут находиться в двух местах одновременно, устанавливать между собой таинственные связи и проходить сквозь заведомо непроницаемые барьеры. Создается впечатление, что жизнь стоит одной ногой в видимом мире окружающих нас вещей, а другой – в странных, замысловатых дебрях квантового мира. Мы же попробуем показать, что жизнь находится на границе этих миров.

Так неужели существование животных, растений и микроорганизмов действительно регулируется теми же законами природы, которые, как мы всегда считали, управляют исключительно поведением элементарных частиц? Безусловно, живые организмы, состоящие из миллиардов частиц, являются макроскопическими объектами, которые (как футбольные мячи, автомобили или паровозы) описываются законами классической физики, например ньютоновскими законами классической механики или законами термодинамики. Прежде чем обратиться к скрытому квантовому миру для объяснения удивительных свойств живой материи, предлагаем вам совершить краткий экскурс в историю попыток ученых понять, что же такое особенное кроется в самом явлении жизни.

«Жизненная сила»

Основная загадка жизни заключается в следующем: почему материя, из которой состоит живое существо, ведет себя настолько отлично от той материи, из которой состоят, к примеру, горные породы? Дать ответ на этот вопрос едва ли не первыми в истории науки пытались древние греки. Философ Аристотель – возможно, первый величайший ученый в истории человечества – точно определил некоторые свойства неживой материи, правдоподобные и предсказуемые: например, твердые тела падают, а огонь и пар – поднимаются, небесные тела движутся вокруг Земли по круглым орбитам. Но с живой материей все было иначе: несмотря на то что многие животные падают, они также и бегают; растения устремляются вверх, а птицы даже летают над землей. Что же отличает их всех от всего остального мира? Ответ на этот вопрос дал древнегреческий мыслитель Сократ, его слова дошли до нас благодаря записям его ученика Платона: «Что же такое есть в теле, что делает его живым? – Душа». Аристотель соглашался с Сократом в том, что живые существа имеют души, но при этом выделял три ступени жизни. На низшем уровне, согласно Аристотелю, находятся наделенные душой растения; именно благодаря душе они способны расти и получать питательные вещества. Ступенью выше находятся животные, души которых позволяют им иметь чувства и совершать движения. И только человек находится на высшей ступени жизни, поскольку душа наделяет его разумом и интеллектом. У древних китайцев были похожие представления о душе: они верили, что живые существа одушевлялись бесплотной жизненной силой ци, наполняющей их. Позднее понятие души стало неотъемлемой частью всех мировых религий, однако природа души и ее связь с телом до сих пор остаются загадкой.

Еще одна загадка – конечность жизни. Душа считается бессмертной субстанцией, так почему же жизнь так эфемерна и коротка? Большинство культур дает на этот вопрос один и тот же ответ: конец жизни наступает тогда, когда душа отделяется от тела. В 1907 году американский врач Дункан Макдугалл заявил о возможности определить вес души: для этого нужно было лишь взвесить человека незадолго до смерти и сразу после нее. В ходе экспериментов он убедился, что душа весит примерно 21 грамм. Но почему душа обязательно должна отделяться от тела после, к примеру, отведенных ему 70 лет, так и осталось неясным.

Душа не является объектом современной науки, однако именно это понятие обусловило отделение научных исследований неживого от изучения живых организмов. Это позволило ученым сосредоточиться на выявлении причин движения неживых объектов, не вдаваясь в философские и теологические вопросы, которые запутанным шлейфом тянутся за любым изучением живых существ. Научные исследования такого явления, как движение, имеют продолжительную, сложную и очень интересную историю, однако в этой главе мы предлагаем вам лишь краткий обзор ее некоторых аспектов. Мы уже упоминали Аристотеля, который считал, что тела обладают стремлением к движению по направлению к Земле, вверх от нее или вокруг Земли. Подобное движение Аристотель считал естественным движением. Он также заметил, что твердые тела можно толкать, тянуть и бросать. Виды движения, инициированного некой силой, которой обладает другой объект, например человек, бросающий твердое тело, Аристотель называл насильственными движениями. Но что же тогда инициировало такое движение, как полет птицы? В этой ситуации не наблюдалось никакого внешнего инициатора движения. Аристотель утверждал, что, в отличие от неживых объектов, живые существа обладали способностью инициировать собственное движение и что инициатором такого движения была душа живого существа.

Представления Аристотеля об источниках движения доминировали в кругах мыслителей вплоть до Средних веков, пока не произошло одно знаковое событие. Ученые (в то время называвшие себя философами-натуралистами) стали формулировать теории движения неживых объектов на языке логики и математики. Вопрос о том, благодаря кому произошел этот необычайно продуктивный сдвиг человеческой мысли, остается открытым. Бесспорно, большую роль в этом сыграли труды средневековых арабских и персидских ученых, особенно Ибн аль-Хайсама и Авиценны, а их идеи в дальнейшем получили развитие в новых центрах научной мысли, возникших в те времена в Европе, – университетах (например, в Париже и Оксфорде). Но, пожалуй, первые серьезные плоды научного мировоззрения были получены благодаря данному способу описания мира в Падуанском университете (Италия), где Галилео Галилей записал простые законы движения в виде математических формул. В 1642 году, унесшем жизнь Галилея, в Англии, в графстве Линкольншир, родился Исаак Ньютон, ученый, который достиг невероятных успехов в математическом описании движения неживых объектов и его изменений под воздействием сил. Данная система математических формулировок законов движения по сей день известна как ньютоновская механика.

Долгое время ньютоновские силы оставались загадочными понятиями, но на протяжении следующих столетий они постепенно стали отождествляться с понятием энергии. О движущихся объектах говорили, что они обладают энергией, которая при столкновении может быть передана объекту, находящемуся в состоянии покоя, и инициировать его движение. Но силы могут сообщаться объектам и на расстоянии. Примерами таких сил являются сила земного тяготения, которая заставила упасть ньютоновское яблоко на землю, или сила магнитного поля, под действием которой отклоняется стрелка компаса.

Невероятный научный прогресс, начало которому положили идеи Галилея и Ньютона, проложил себе путь и в XVIII столетие, а к началу XIX века основные положения области знания, которую мы называем классической физикой, были четко сформулированы и глубоко укоренены в науке. К тому времени уже было известно, что другие формы энергии, такие как теплота и свет, также были способны взаимодействовать с составляющими материи – атомами и молекулами, заставляя их нагреваться, излучать свет или менять цвет. Считалось, что объекты состоят из частиц, движение которых подчиняется силам земного притяжения и электромагнетизма[8]8
  Во второй половине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электрические и магнитные силы представляют собой проявления одной и той же силы – электромагнетизма.


[Закрыть]. Итак, можно было говорить о двух формах существования материального мира (по крайней мере мира неживых объектов): о видимой материи, состоящей из частиц, и о невидимых силах, оказывающих на видимую материю воздействие каким-то малопонятным в то время образом. Об этих силах говорили либо как о волнах энергии, распространяющихся в пространстве, либо как о силовых полях. А как же тогда материя, из которой состоят живые организмы? Как она устроена и что заставляет ее двигаться?

Триумф машин

Древние представления о том, что все живые существа одушевлены некой сверхъестественной субстанцией или сущностью, послужили своего рода объяснением удивительных различий между живой и неживой материей. Жизнь – нечто принципиально иное, поскольку ею движет духовное начало, а не какие-то банальные механические силы. Но этого объяснения было недостаточно, как если бы мы взялись утверждать, что Солнце, Луна и звезды движутся потому, что их толкают ангелы. На самом деле это и не было объяснением, поскольку природа души (как, собственно, и ангелов) оставалась неразрешимой загадкой.

В XVII веке французский философ Рене Декарт предложил радикально новый, альтернативный взгляд на живую материю. Он был впечатлен механическими часами, игрушками, заводными куклами, которыми в то время развлекались дети европейских знатных семейств. Механизмы, встроенные в эти устройства и игрушки, так вдохновили Декарта, что он высказал революционную для своего времени мысль: организмы растений и животных, в том числе и человека, представляют собой не что иное, как сложно устроенные машины. Эти машины состоят из обычных материалов и управляются такими механическими механизмами, как насосы, зубцы, клапаны и клинья, которые, в свою очередь, подвержены воздействию сил, обусловливающих движение неживой материи. Декарт исключил понятие человеческого разума из своей механистической модели тела, оставляя его концепциям бессмертной души. Однако философия Декарта может по праву считаться первой успешной попыткой предложить научное обоснование жизни, опираясь на физические законы, которые управляют неживыми объектами.

Механистический биологический подход продолжил разрабатывать предшественник сэра Исаака Ньютона. Английский медик Уильям Гарвей открыл, что сердце – не что иное, как механический насос. Столетие спустя французский химик Антуан Лавуазье во время одного из опытов обнаружил, что в процессе дыхания морские свинки потребляют кислород и выдыхают углекислый газ – подобный «обмен» происходит при сгорании. Это открытие послужило движущей силой в разработке новой удивительной технологии – паровых двигателей. Лавуазье пришел к заключению о том, что «дыхание – это, по сути, медленное сгорание, похожее на сгорание древесного угля». Как, возможно, предвидел еще Декарт, животные не так уж сильно отличались от паровозов, работающих на угольном топливе, которые стали символом промышленной революции, прокатившейся по всей Европе.

Но могут ли силы, приводящие в движение поезда, быть движущими силами жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны разобраться в том, как поезда забираются на крутые холмы.

Молекулярный бильярдный стол

Раздел физики, изучающий взаимодействие теплоты и материи, называется термодинамикой. Важнейшим поворотным пунктом развития термодинамики стала смелая идея австрийского физика Людвига Больцмана о сходстве поведения частиц материи с хаотичным столкновением большого количества бильярдных шаров, которые в своем движении подчиняются законам ньютоновской механики.

Представьте себе бильярдный стол[9]9
  Имеется в виду стол для игры в американский бильярд, или пул.


[Закрыть], разделенный на две части подвижной планкой. Все шары, включая биток, находятся слева от планки. Игровые шары образуют аккуратный треугольник – пирамиду. Теперь представьте себе раскат шаров: биток сильным ударом разбивает пирамиду и шары стремительно разлетаются во всех направлениях, сталкиваясь друг с другом и отскакивая от твердых бортов стола и от подвижной планки. Подумайте, что происходит с планкой: на нее воздействуют силы многих столкновений с левой стороны, где находятся все шары, а с правой – пустой – стороны стола воздействие силы ударов отсутствует. Несмотря на то что шары движутся абсолютно хаотично, планка под воздействием силы этих хаотичных столкновений будет сдвигаться вправо, расширяя игровую зону стола слева и сокращая пустую правую сторону. А теперь представьте, что, соорудив на бильярдном столе устройство из рычажков и воротов, мы могли бы управлять движением планки в правую сторону и перенаправить его так, что движущая сила толкала бы, скажем, игрушечный поезд вверх по игрушечному холму.

Больцман догадался, что подобным образом тепловые двигатели толкают настоящие паровые локомотивы – напомним, ученый жил в эпоху пара – вверх по настоящим склонам холмов. Молекулы воды внутри цилиндра паровой машины напоминают бильярдные шары, разлетевшиеся по столу после удара битком: их хаотичное движение ускоряется теплотой печи, молекулы сталкиваются друг с другом и с поршнем еще сильнее, заставляя поршень приводить в движение многочисленные валы, шестерни, цепи и колеса паровоза, направляя его вперед. Со времени открытия Больцмана прошло более 100 лет, но и сегодня ваш собственный автомобиль, работающий на бензине, приводится в действие точно таким же механизмом. Разница лишь в том, что пар заменили продукты сгорания топлива.

Примечательным аспектом термодинамики является тот факт, что вся эта наука сводится лишь к одной идее, изложенной выше. Упорядоченное движение, порождаемое любым тепловым двигателем, когда-либо построенным, возможно благодаря управлению хаотичным движением миллиардов атомов и молекул. В то же время законы термодинамики носят общий характер. Они применимы не только к созданию тепловых двигателей, но и к широкому кругу химических процессов и действуют каждый раз, когда горит уголь, ржавеет железный гвоздь, готовится пища, производится сталь, соль растворяется в воде, закипает чайник или ракета отправляется на Луну. Все эти химические процессы сопровождаются теплообменом и на молекулярном уровне подчиняются законам термодинамики, основанным на принципах хаотичного движения. К слову, почти все небиологические (то есть физические и химические) процессы, обусловливающие значимые перемены в нашем мире, управляются законами термодинамики. Морские течения, сильнейшие штормы, выветривание скал, лесные пожары, окисление металлов – все эти процессы протекают под воздействием неудержимых сил хаоса, которые изучает термодинамика. Каким бы структурированным и упорядоченным ни казался нам какой-либо сложный процесс, в его основе всегда лежит хаотичное движение молекул.