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

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[18]18
  Данный закон записывается уравнением PV = nRT, где n – количество молей газа, R – газовая постоянная, P – давление, V – объем газа и T – температура.


[Закрыть]. 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?

Когда шар нагревают, молекулы воздуха внутри него начинают двигаться быстрее, вследствие чего они ударяются друг о друга, а также о стенки шара с большей силой. Эта дополнительная сила начинает оказывать большее давление на резиновые стенки шара (аналогично тому, как увеличивалось давление на подвижную планку на бильярдном столе Больцмана), заставляя его расширяться. Объем расширения шара зависит от температуры нагрева; его можно точно предсказать, поскольку эта зависимость описывается газовыми законами. Важно отметить, что единичный объект, в нашем случае – шар, строго подчиняется газовому закону, поскольку упорядоченное движение его резиновой поверхности инициируется хаотичным движением огромного количества частиц. Вот каким образом, как сказал Шредингер, порядок возникает из хаоса.

Шредингер настаивал на том, что не только газовые законы обязаны своей точностью статистическим характеристикам больших чисел: все без исключения законы классической физики и химии (от законов динамики жидкостей до тех, что управляют химическими реакциями) основаны на принципе «усреднения больших чисел» или «порядка из хаоса».

И все же газовые законы действуют в шаре обычных размеров, наполненном триллионами молекул воздуха. В микроскопическом шарике, который можно заполнить лишь несколькими молекулами, они не работают. Все потому, что даже при постоянной температуре эти немногочисленные молекулы будут иногда абсолютно случайно отдаляться друг от друга, отчего шарик будет расширяться. Подобным образом он будет иногда сжиматься по той простой причине, что все молекулы внутри него случайно скопятся в самом центре. Таким образом, поведение микроскопического шарика почти непредсказуемо.

Зависимость упорядоченности и предсказуемости явлений от больших чисел, разумеется, знакома нам и по другим сферам нашей жизни. Например, американцы чаще играют в бейсбол, чем канадцы, а канадцы чаще американцев играют в хоккей с шайбой. На основе такого статистического «закона» можно сделать дополнительные предположения о том, что Америка, к примеру, импортирует больше бейсбольных мячей, чем Канада, а Канада – больше хоккейных клюшек, чем США. Тем не менее такие статистические законы имеют прогностическую силу, если применяются к событиям, охватывающим целые страны с населением несколько миллионов человек, но их бесполезно применять для прогноза импорта клюшек или мячей в рамках одного маленького города, скажем, в штате Миннесота или в провинции Саскачеван.

Шредингер не просто заметил, что статистические законы классической физики не действуют на микроскопическом уровне. Он пошел дальше и рассчитал отклонение в точности данных законов для микромира. Шредингер показал, что величина отклонений от этих законов обратно пропорциональна квадратному корню числа задействованных частиц. Так, внутри шара, наполненного триллионом (миллион миллионов) частиц, газовые законы действуют с отклонением лишь в одну миллионную. Однако, если шар наполнен лишь сотней частиц, закон не будет действовать в одном случае из десяти. И хотя такой шар будет иметь тенденцию расширяться при нагревании и сужаться при охлаждении, эти явления не будут строго описываться никаким детерминированным законом. Все статистические законы классической физики подвержены данному ограничению: они верны лишь в том случае, когда речь идет об очень больших количествах частиц, но они не способны описать поведение объектов, состоящих из небольшого количества частиц. Таким образом, любой объект, который мы хотим надежно и точно описать с помощью классических законов, должен состоять из огромного количества частиц.

А как насчет жизни? Можно ли объяснить ее «упорядоченное» поведение, например действие законов наследственности, статистическими законами? Размышляя над этим вопросом, Шредингер пришел к выводу о том, что принцип «порядок из хаоса», лежащий в основе термодинамики, не может управлять живой материей, поскольку, как он это понимал, по крайней мере некоторые из самых крошечных биологических механизмов действительно ничтожно малы, чтобы подчиняться классическим законам.

К примеру, во время работы над книгой «Что такое жизнь?» (а это было время, когда ученым уже было известно о том, что наследственность связана с генами, однако природа генов оставалась научной загадкой) Шредингер задался простым вопросом: достаточно ли гены велики для того, чтобы точность, с которой они воспроизводят информацию, зависела от статистических законов, основанных на принципе «порядок из хаоса» [5]? По расчетам ученого, приблизительный размер гена не превышал размера куба, грани которого равны 300 ангстремам (1 ангстрем равен 10^–7 миллиметрам). В таком кубике содержится примерно миллион атомов. Количество может показаться огромным, но вот квадратный корень из миллиона – это тысяча, а значит, погрешность в передаче информации или «помехи» наследственности должны иметь место в одном случае из тысячи, то есть в 0,1 % случаев. Итак, если механизм наследования информации опирается на классические статистические законы, следовательно, он должен порождать ошибки (отклоняться от законов) с частотой один раз на тысячу случаев. Однако на тот момент было известно, что на миллиард случаев нормальной передачи гена приходится меньше одного случая мутации (ошибки). Такая необычайно высокая степень надежности убедила Шредингера в том, что законы наследственности не могут опираться на тот же принцип «порядок из хаоса», что и классические законы. Ученый предположил, что гены скорее напоминали отдельные атомы или молекулы тем, что подчинялись не классическим, но удивительно строгим законам науки, к развитию которой он имел самое прямое отношение, – квантовой механики. Шредингер высказал идею о том, что механизм наследственности основывается на совершенно ином принципе – «порядок из порядка».

Впервые он изложил свою теорию в цикле лекций, прочитанных в дублинском Тринити-колледже в 1943 году, а через год – в опубликованной на их основе книге «Что такое жизнь?», в которой он писал: «Живой организм представляется макроскопической системой, частично приближающейся в своих проявлениях к чисто механическому… поведению, к которому стремятся все системы, когда температура приближается к абсолютному нулю и молекулярная неупорядоченность снимается». Мы скоро поговорим о причинах, по которым при абсолютном нуле все объекты подчиняются скорее квантовым, нежели термодинамическим законам. По утверждению Шредингера, жизнь – это явление квантового уровня, способное летать по воздуху, ходить на двух или четырех ногах, плавать в океане, произрастать из почвы и, добавим, читать данную книгу.

Забвение идей

Через несколько лет после выхода книги Шредингера была открыта двойная спираль ДНК, и молекулярная биология стала развиваться невероятными темпами, причем без всякой связи с квантовыми явлениями. Клонирование генов, генная инженерия, генетическая дактилоскопия и секвенирование генома разрабатывались биологами, которые в основном с удовольствием и даже с мотивированным оправданием уклонялись от погружения в сложнейшую математику квантового мира. Безусловно, иногда исследования заводили ученых на границу биологии и квантовой механики, но лишь случайно. Большинство ученых уже и не помнили о смелом заявлении Шредингера. Более того, многие из них открыто выступали против идеи о том, что для объяснения феномена жизни необходимо обратиться к квантовой механике. Так, в 1962 году британский химик и когнитивист Кристофер Лонге-Хиггинс писал: «Я помню, что несколько лет назад имела место некоторая дискуссия о возможном наличии действующих на расстоянии квантово-механических связей между ферментами и их субстратами. Данная идея совершенно справедливо была воспринята с осторожностью не только из-за бездоказательности экспериментальных данных, но и из-за тех больших трудностей, которые возникают при попытке подогнать ее под общую теорию межмолекулярных сил» [4]. Даже в книге «Что такое жизнь? Пятьдесят лет спустя», объединившей работы участников дублинского симпозиума через 50 лет после публикации Шредингера (1993), квантовая механика едва ли вообще упоминалась.

В то время заявление Шредингера было воспринято скептически еще и потому, что в научных кругах господствовали представления о том, что хрупкие квантовые состояния не могут поддерживаться в теплой, влажной и суетливой молекулярной среде внутри живых организмов. Как мы уже говорили, подобные представления являются основной причиной, по которой многие ученые ставили (а многие продолжают ставить) под сомнение тот факт, что внутренний птичий компас, возможно, работает на основе квантовых процессов и явлений. Вероятно, вы помните, что в главе 1 мы описывали квантовые свойства материи и говорили о том, что они «тонут» в хаотичном расположении молекул в больших объектах. После небольшого экскурса в термодинамику мы теперь можем точно назвать причину «растворения» этих свойств (или, по Шредингеру, причину, по которой работает принцип статистических законов «порядок из хаоса») – беспорядочные столкновения молекул, напоминающих бильярдные шары. Рассеянные частицы могут менять свое поведение и обнаруживать квантовые свойства, но лишь при определенных условиях и на очень короткий период времени. Например, мы с вами увидели, как ядра атомов водорода, содержащихся внутри нашего организма, способны выстраиваться в линию и генерировать когерентные сигналы об изменениях квантовых свойств спина, фиксируемые МР-томографом. Однако это возможно лишь при воздействии на атомы водорода сильнейшего магнитного поля, создаваемого мощнейшим магнитом и только во время такого воздействия: как только магнитное поле исчезает, частицы вновь начинают двигаться хаотично под воздействием общего молекулярного разрозненного движения, а квантовый сигнал рассеивается и становится недоступным для обнаружения. Процесс нарушения когерентности квантово-механической системы под воздействием хаотичного движения молекул макроскопической системы называют декогеренцией. Она является причиной исчезновения странных квантовых состояний частиц, из которых состоят большие неодушевленные объекты.

При повышении температуры тела увеличивается скорость молекул и сила их столкновений, поэтому декогеренция быстрее и легче происходит при высоких температурах. Но не думайте, что «высокие температуры» означают «жаркие». Даже при комнатной температуре декогеренция происходит почти мгновенно. Вот почему идея о том, что в теплых живых организмах возможны квантовые состояния, считалась, по крайней мере первоначально, крайне неправдоподобной. Только при снижении температуры объекта до абсолютного нуля (–273 °C) молекулярное движение прекращается, декогеренция сдерживается и квантовая механика наконец имеет возможность проявить себя. Значение высказывания Шредингера, которое мы привели выше, становится немного яснее. Физик имел в виду то, что жизнь каким-то образом умудряется функционировать по инструкции, которая обычно предназначена для объектов градуса на 273 холоднее, чем любой живой организм.

И все же, как утверждали Йордан и Шредингер и как увидите вы сами, если продолжите читать главы этой книги, живая материя радикально отличается от неодушевленных объектов, поскольку относительно небольшое количество высокоупорядоченных частиц (такие частицы есть внутри гена или внутри механизма птичьего компаса) могут определять состояние всего организма. Именно это явление Йордан называл усилением, а Шредингер – порядком из порядка. Цвет ваших глаз, форма носа, черты характера, интеллектуальные способности и даже предрасположенность к болезням определяются высокоупорядоченными супермолекулами, которых ровно 46: это ДНК-хромосомы, которые вы наследуете от своих родителей. Ни один неодушевленный макроскопический объект в известной нам части Вселенной не обладает подобной чувствительностью к структуре материи, настолько тонко и сложно организованной на самом глубинном уровне, где действуют уже не классические законы, а законы квантовой механики. Шредингер утверждал, что именно в этой особенности и заключается уникальность живой материи. Спустя 70 лет после первого издания книги Шредингера мы наконец-то начинаем осознавать поразительный скрытый смысл его ответа на вопрос о том, что такое жизнь.

Литература к главе 2

1. Harris S. Chemical potential: turning carbon dioxide into fuel // The Engineer, 2012. – 9 August. – http://www.theengineer.co.uk/energy-and-environment/in-depth/chemical-potential-turning-carbon-dioxide-into-fuel/1013459.article#ixzz2upriFA00.

2. Die Naturwissenschaften, 1932. – Vol. 20. – P. 815–821.

3. Jordan Pascual, 1938, цит. по: Galison P., Gordin M. and Kaiser D., eds. Quantum Mechanics: Science and Society. – London: Routledge, 2002. – P. 346.

4. Longuet-Higgins H. C. Quantum mechanics and biology // Biophysical Journal, 1962. – Vol. 2. – P. 207–215.

5. Murphy M. P. and O’Neil L. A. J., eds. What is Life? The Next Fifty Years: Speculations on the Future of Biology. – Cambridge: Cambridge University Press, 1995.

3. Движущие механизмы жизни

Гамлет: «Сколько времени человек пролежит в земле, пока не сгниет?»

Первый могильщик: «Да что ж, если он не сгнил раньше смерти – ведь нынче много таких гнилых покойников, которые и похороны едва выдерживают, – так он вам протянет лет восемь, а то и девять лет; кожевник, тот вам протянет девять лет».

Гамлет: «Почему же он дольше остальных?»

Первый могильщик: «Да шкура у него, сударь, от ремесла такая дубленая, что долго не пропускает воду; а вода, сударь, великий разрушитель для такого собачьего мертвеца».

Уильям Шекспир. Гамлет. Акт V, сцена 1, «Кладбище»

Все, что делают живые существа, можно представить в виде колебания и покачивания атомов…

Ричард Фейнман [1]

Шестьдесят восемь миллионов лет назад, в те времена, которые мы сейчас называем меловым периодом, молодой тираннозавр прокладывает себе дорогу через редколесье речной долины в субтропические заросли. В свои 18 лет животное еще не достигло зрелости, но зато достигло примерно пять метров в высоту. С каждым тяжелым шагом многотонное тело динозавра ускоряется, приобретая достаточный импульс, чтобы сравнять с землей дерево или любое более мелкое существо, имевшее несчастье оказаться у него на пути. Его тело сохраняет свою целостность при этих разрушительных столкновениях благодаря тому, что каждая кость, сухожилие и мышца остается на своем месте благодаря прочным, но эластичным волокнам белка под названием «коллаген». Этот белок служит своего рода клеем, который скрепляет плоть, и является важным компонентом тел животных, включая нас с вами. Как все биомолекулы, он создается и разрушается самым удивительным механизмом в известной нам части Вселенной. В этой главе мы рассмотрим, как работают эти биологические наномеханизмы[19]19
  Приставка нано– означает одну миллиардную часть метра.


[Закрыть], а также обсудим новейшие данные о том, что шестеренки и рычаги этих механизмов погружаются в мир элементарных частиц, чтобы поддерживать жизнь во всех организмах, населяющих землю.

Но сначала вернемся в нашу древнюю долину. В тот самый день огромное тело динозавра, состоящее из миллионов наномеханизмов, станет причиной его гибели. Его мощные конечности, с помощью которых он так успешно охотился и разрывал пищу, окажутся бесполезными в липкой грязи речного русла, в которой увязнет динозавр. После долгих часов бесполезной борьбы огромные челюсти тираннозавра заполняются мутной водой и обессилевшее животное тонет в грязи. При других обстоятельствах его тело подверглось бы такому же быстрому разложению, как и покойники, о которых могильщик рассказывал Гамлету. Но наш динозавр утонул так быстро, что все его тело было тут же погребено в толстом слое грязи и песка. Спустя годы и века мельчайшие частицы минералов заполняли полости и поры его костей и плоти, замещая ткани животного камнем: труп динозавра превратился в окаменелость. Над ним прокладывали свои пути реки, нанося слои песка грязи и ила, пока окаменелость не оказалась погребенной под десятками метров песчаника и глины.

Примерно 40 миллионов лет спустя наступило потепление климата, реки высохли и сухие пустынные ветры разрушили слои камня, покрывающие останки динозавра. Прошло еще 28 миллионов лет, и через долину этой реки пришли представители другого двуногого вида, Homo sapiens; но прямоходящим приматам не приглянулся этот сухой и недружелюбный край. Когда в наше время здесь обосновались европейские поселенцы, они назвали эту негостеприимную местность Дурные земли Монтаны, а долину высохшей реки – Хелл-Крик (от англ. Hell Creek – «адский ручей». – Примеч. пер.). В 2002 году здесь разбила лагерь команда палеонтологов во главе со знаменитым искателем ископаемых останков Джеком Хорнером. Один из членов группы, Боб Хормон, во время завтрака заметил крупную кость, выступающую из скалы над его головой.

В течение трех лет около половины целого скелета животного было бережно извлечено из скалы. В выполнении этой нелегкой задачи были задействованы служащие инженерного корпуса армии США, научные работники и аспиранты, а также техника. Извлеченная из скалы часть скелета динозавра была перенесена в Музей Скалистых гор, расположенный в городе Бозмен, штат Монтана, и стала экспонатом под номером MOR 1255. Бедренную кость динозавра пришлось разрезать на две части, чтобы поднять на борт вертолета, в результате чего один из ее фрагментов был отломан. Джек Хорнер отдал несколько фрагментов коллеге-палеонтологу, доктору Мэри Швейцер из Университета Северной Каролины. Одним из научных интересов Мэри Швейцер был химический состав окаменелостей.

Когда Швейцер открыла коробку, ее ожидал сюрприз. Первый фрагмент, который она видела, представлял собой необычную на вид ткань внутренней поверхности (костномозговой полости) кости. Она поместила кость в кислоту, которая растворила внешний минеральный слой и открыла более глубокие структуры. Однако исследовательница случайно передержала фрагмент кости в кислоте. Когда Швейцер вернулась, все минералы фрагмента растворились. Швейцер ожидала, что вся окаменелость будет разрушена, но она и ее коллеги были крайне удивлены, когда увидели, что после воздействия кислоты сохранилась пластичная волокнистая субстанция, которая под микроскопом напоминала мягкую ткань, содержащуюся в костях современных животных. Более того, так же, как и современные кости, эта ткань содержала кровеносные сосуды, клетки крови и длинные цепи коллагеновых волокон – тот самый биологический клей, который соединял огромное животное в единое целое.

Ископаемые, в которых сохранилась структура мягких тканей, встречаются крайне редко. Фауна сланцев Берджесс, обнаруженная в канадской части Скалистых гор в провинции Британская Колумбия в период с 1910 по 1925 год, сохранила удивительно подробные отпечатки тел животных, которые плавали в морях кембрийского периода около 600 миллионов лет назад. Стоит упомянуть и знаменитого оперенного археоптерикса, жившего примерно 150 миллионов лет назад, – его останки были обнаружены в Зольнхофенском карьере в Германии. И все же ископаемые останки мягких тканей сохраняют только отпечаток биологического материала, но не вещество. Невероятно, но мягкое вещество, сохранившееся после воздействия кислоты в эксперименте Мэри Швейцер, оказалось самой настоящей мягкой тканью динозавра. Когда в 2007 году Швейцер опубликовала подробности своего открытия в журнале Science [2], ученые отнеслись к предположениям, высказанным в статье, с изумлением и большим сомнением. Несмотря на то что сохранность биомолекул на протяжении миллионов лет на самом деле является чудом, нас интересует продолжение этой истории. Чтобы доказать, что ископаемая волокнистая структура на самом деле содержит коллаген, Швейцер продемонстрировала, что белки, которые присоединяются к современному коллагену, присоединяются и к волокнам ископаемой кости. В довершение эксперимента она смешала ткань динозавра с ферментом коллагеназой – одним из многих биомолекулярных механизмов, который создает и разрушает коллагеновые волокна в живых организмах. В течение нескольких минут коллагеновые цепи, которые сохранились на протяжении 68 миллионов лет, были разрушены ферментом.

Ферменты – это движущие силы жизни. Некоторые из них, вероятно, знакомы вам, поскольку все мы применяем их в повседневной жизни. Так, протеазы добавляют в «биологические» моющие средства, устраняющие пятна, пектин добавляют в джем для придания необходимой консистенции, а реннин используется для сворачивания молока и превращения его в сыр. Ферменты, находящиеся в желудке и кишечнике человека, играют большую роль в переваривании пищи. Но это лишь самые простые примеры действия природных наномеханизмов. Все живое зависит и всегда зависело от ферментов: и первые микроорганизмы, вышедшие из первичного бульона, и динозавры, разгуливавшие по лесам юрского периода, и все организмы, живущие сейчас. Каждая клетка в вашем теле заполнена сотнями или даже тысячами молекулярных механизмов, поддерживающих непрерывный процесс сборки и разрушения биомолекул, то есть процесс, который мы называем жизнью.

В описании деятельности ферментов ключевое слово – «помощь»: их задачей является помощь в ускорении (катализации) всех видов биохимических реакций, которые в отсутствие ферментов протекали бы слишком медленно. Таким образом, добавление ферментов протеаз в моющие средства ускоряет расщепление белков в пятнах, пектиновые ферменты ускоряют расщепление полисахаридов во фруктах, а реннин ускоряет свертывание молока. Подобным образом ферменты в наших клетках ускоряют метаболизм – процесс, в ходе которого триллионы внутриклеточных биомолекул непрерывно превращаются в триллионы других биомолекул и поддерживают нашу жизнь.

Фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер добавила к кости динозавра, является всего лишь биомеханизмом, функция которого заключается в разрушении коллагеновых волокон в организме животного. Степень ускорения, которое придают реакциям ферменты, можно примерно оценить, сравнив время, необходимое для расщепления коллагеновых волокон в отсутствие ферментов (а именно, более 68 миллионов лет) и в присутствии необходимого фермента (около 30 минут): время реакции ускоряется в триллионы раз.

В данной главе мы рассмотрим, как ферменты, например коллагеназа, способны достигать таких астрономических показателей в ускорении химических реакции. Одной из сенсаций последних лет стало открытие ключевой роли квантовой механики в действии по крайней мере нескольких ферментов; а поскольку ферменты являются движущими силами жизни, то именно они и станут нашей отправной точкой в путешествии по квантовой биологии.