Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

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[10]. 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[11], 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.

Жизнь как хаос?

Приложимы ли эти принципы к живой материи? Вернемся к нашему воображаемому бильярдному столу, к самому началу партии, когда шары уложены аккуратным треугольником. На этот раз мы добавим к исходным много новых шаров (давайте представим, что перед нами очень большой стол) и сделаем так, чтобы они сильными ударами бились о пирамиду. И снова хаотичные столкновения шаров с разделительной планкой приведут ее в движение, но вместо того, чтобы использовать это движение для запуска паровозика вверх по холму, мы соорудим более сложное устройство. На этот раз наш механизм, приводимый в действие хаотичными столкновениями многочисленных шаров, совершит нечто необычное: среди хаоса движущихся шаров он будет сохранять первоначальные шары в упорядоченной форме. Каждый раз, когда один из шаров пирамиды выбивается со своего места ударом одного из хаотично движущихся шаров, некий удивительный датчик обнаруживает нарушение порядка. Этот датчик словно направляет незримую механическую руку заменить недостающий шар в пирамиде (например, в одной из ее вершин) на точно такой же из тех, что, сталкиваясь, катаются по столу.

Надеемся, этим примером нам удалось показать вам, что система использует некоторое количество энергии хаотичных столкновений молекул, чтобы поддерживать один из своих участков в упорядоченном состоянии. В термодинамике для описания мер неупорядоченности системы используется термин «энтропия». Соответственно, о высокоупорядоченном состоянии системы говорят как о состоянии с низкой энтропией. О системе нашего бильярдного стола можно сказать, что она пользуется энергией высокоэнтропийных (хаотичных) столкновений для поддержания одной из своих частей, пирамиды шаров, в упорядоченном состоянии с низкой энтропией.

Не думайте о том, каким образом можно соорудить подобную замысловатую конструкцию. Главное, что на нашем столе (в системе, в которой наблюдаются состояния с разной энтропией) происходит нечто весьма интересное. Имея в распоряжении лишь силу хаотично движущихся шаров, новая система, объединяющая шары, стол, планку, датчик, фиксирующий движение шаров, и незримую руку, перенаправляющую движение, способна поддерживать порядок в собственной подсистеме.

Давайте усложним задачу для нашего воображения и представим более сложную картину: на этот раз некоторое количество энергии движущейся планки (назовем ее свободной энергией[12] системы) будет использоваться для создания и поддержания работы сенсорного устройства и подвижной незримой руки. В первую очередь энергия будет направлена на то, чтобы использовать огромное количество бильярдных шаров в качестве строительного материала для построения подобных устройств. Теперь вся система становится самодостаточной и в принципе способна поддерживать сама себя до тех пор, пока в нее регулярно будут попадать новые хаотично движущиеся шары и для планки будет достаточно места, чтобы двигаться.

Наконец, будучи способной поддерживать себя в определенных состояниях, наша расширенная система совершит еще один удивительный подвиг. Она станет использовать доступную свободную энергию для обнаружения, захвата и упорядочения бильярдных шаров в целях создания собственной копии во всей полноте: стол, планка, сенсорное устройство, реагирующее на движение шаров, механическая рука и, разумеется, шары, уложенные треугольником. Подобные копии системы, в свою очередь, будут управлять собственными бильярдными шарами и свободной энергией их столкновений, производить новые самодостаточные механизмы, а эти новые копии…

Думаем, вы догадались, к чему это ведет. Наш воображаемый проект «Сделай сам» создал эквивалент жизни, движущей силой которой является энергия бильярдных шаров. Подобно птице, рыбе или человеку, наша выдуманная система способна поддерживать собственный внутренний порядок и воспроизводить саму себя, управляя свободной энергией хаотичных столкновений молекул. Несмотря на то что это многоэтапное и сложное задание, движущая сила, необходимая для его выполнения, похоже, ничем не отличается от силы, толкающей паровоз вверх по склону холма. В реальной жизни в роли воображаемых бильярдных шаров выступают молекулы, получаемые из пищевых продуктов. Хотя процесс, в который они вовлечены, намного сложнее процесса, описанного в нашем простом примере, принцип остается неизменным: свободная энергия хаотичных молекулярных столкновений (и химических реакций, в которых участвуют молекулы) направлена на поддержание жизнедеятельности организма и на создание копии этого организма.

Можно ли в таком случае считать жизнь разделом термодинамики? Неужели во время прогулки среди холмов мы взбираемся по склону благодаря тем же процессам, что приводят в движение паровые локомотивы? Неужели полет малиновки ничем не отличается от полета пушечного ядра? Если уж на то пошло, не является ли Божья искра жизни хаотичным движением молекул? Чтобы ответить на эти вопросы, нам следует внимательно присмотреться к тонкой организации живой материи.

Присмотримся к жизни внимательней

Первые успешные и очень важные шаги на пути к пониманию тонкой организации живого были сделаны «философом-натуралистом» XVII века Робертом Гуком, который, заглянув в простейший микроскоп, разглядел в структуре среза пробкового дерева нечто, что он назвал клетками, и голландским натуралистом, основоположником микроскопии Антони ван Левенгуком, который с помощью микроскопа обнаружил в каплях озерной воды существ, которых он сам назвал микроскопическими организмами (мы объединяем этих существ общим названием «одноклеточная жизнь»). Он также наблюдал и описывал клетки растений, красные кровяные тельца — эритроциты и даже сперматозоиды. Позже всему научному миру стало ясно, что любая живая ткань имеет клеточную структуру, а клетки являются строительным материалом живых организмов. В 1858 году немецкий биолог и врач Рудольф Вирхов писал: «Подобно тому как дерево представляет известным образом расположенную массу, в каждой части которой, в листе, как и в корне, в стволе, как и в цветке, последними элементами являются ячейки, точно так же и в формах животного царства каждое животное является суммой жизненных единиц, каждая из которых обладает всеми характеристиками жизни».

Со временем ученые исследовали живые клетки с помощью все более мощных микроскопов. Оказалось, клетки имеют сложнейшую внутреннюю структуру. В центре каждой из них находится ядро, содержащее хромосомы. Ядро окружено цитоплазмой, в которой расположены специализированные структуры клетки — органеллы, выполняющие внутри клетки определенные функции по аналогии с внутренними органами тела. Например, органеллы митохондрии выполняют функцию внутриклеточного дыхания, а хлоропласты осуществляют фотосинтез внутри растительных клеток. В общем, клетка напоминает крошечный заводик, работающий на всех парах. Но что заставляет ее работать? Что оживляет клетку? Первоначально считалось, что клетки наполнены «жизненными силами», сходными по описанию с аристотелевскими представлениями о душе. Вера в витализм — наличие в живых организмах особой жизненной силы, отсутствующей в неживой материи, — господствовала среди ученых на протяжении почти всего XIX века. Для обозначения таинственной живой субстанции, наполняющей клетки, в то время был введен загадочный термин «протоплазма».

И все же позиции витализма значительно пошатнулись благодаря экспериментам некоторых ученых XIX века. В ходе этих экспериментов в лабораторных условиях были получены химические вещества, которые ранее извлекались только из живых клеток. Так, в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал из неорганического вещества мочевину — органическое вещество, до этого получаемое только из живой материи. Луи Пастеру удалось воспроизвести в лаборатории химическое преобразование, а именно процесс брожения (ранее считалось, что этот процесс возможен лишь при наличии микроорганизмов, но Пастер использовал в своих опытах секретируемые живыми клетками молекулы, позже названные энзимами). С годами в науке накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что живая материя строится в основном из тех же химических веществ, из которых состоит материя неживая. Следовательно, можно было предположить, что живая и неживая материя подчиняется общим химическим законам. Постепенно витализм уступил место механицизму.

К концу XIX века биохимики одержали окончательную победу над виталистами[13]. Было доказано, что в клетках содержится множество веществ, участвующих в сложных химических процессах, в основе которых лежит описанное Больцманом хаотичное движение молекул, напоминающее беспорядочно сталкивающиеся бильярдные шары. Жизнь, по всеобщему мнению, представляла собой не что иное, как сложную термодинамику.

Все бы ничего, если бы не один аспект — пожалуй, самый важный из всех аспектов, связанных с загадкой жизни.

Гены

Способность живого организма исправно передавать по наследству информацию, благодаря чему на свет появляются новые организмы — будь то малиновка, рододендрон или человек, — столетиями являлась для нас непостижимой тайной. В 1653 году в своем «51-м исследовании» английский врач Уильям Гарвей писал: «Несмотря на неоспоримость известной идеи о том, что эмбрион происходит и рождается на свет от мужского и женского полов и соответственно яйцо (как и цыпленка, вылупляющегося из него) производят петух и курица, ни одной медицинской школе, ни гениальному уму Аристотеля не удалось разгадать тайну того, каким образом семя петуха „чеканит“ из яйцеклетки цыпленка».

Два века спустя завесу этой тайны приоткрыл австрийский монах и биолог Грегор Мендель, который в середине XIX века выращивал горох в саду Августинского монастыря в Брно. В ходе наблюдений за растениями Мендель пришел к выводу о том, что наличие у гороха некоторых признаков, таких как цвет лепестков или форма горошин, зависит от наследуемых «факторов», которые могут передаваться без изменений от одного поколения другому. «Факторы» Менделя, таким образом, обеспечивали создание своего рода хранилища наследственной информации, что позволяло растениям гороха сохранять свой вид неизменным на протяжении сотен поколений, а семени петуха — «чеканить» из яйцеклеток цыплят.

Как известно, большинство современников Менделя, включая Дарвина, не обратили на открытие австрийца никакого внимания. Результаты его трудов оставались в забвении вплоть до начала XX века. Его «факторы» были названы генами. Вскоре это понятие было успешно встроено в укрепляющий свои позиции в биологии XX века механистический взгляд на мир. Несмотря на то что Мендель утверждал, что эти структуры находятся внутри живых клеток, никто в то время не наблюдал их и не мог предположить, из чего они состоят. Однако в 1902 году американский генетик Уолтер Саттон обратил внимание на то, что внутриклеточные структуры хромосомы способны передавать информацию, хранящуюся в менделевских «факторах». Это наблюдение привело Саттона к выводу о том, что гены находятся в хромосомах.

Тем не менее хромосомы — это относительно большие и сложные структуры, состоящие из белка, сахаров и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В то время ученым не было понятно, связан ли какой-либо из этих компонентов с механизмом наследственности. Позднее, в 1943 году, канадскому ученому Освальду Эвери удалось передать ген из одной бактериальной клетки в другую путем извлечения ДНК из клетки-донора и встраивания ее в клетку-реципиент. Эксперимент доказал, что именно ДНК, содержащаяся в хромосомах, а не белки или какие-либо другие вещества, хранит и передает генетическую информацию[14]. Казалось, в ДНК больше нет ничего необычного, волшебного — все считали ее обычным химическим веществом.

Но важный вопрос все же оставался без ответа: как это все работает? Каким образом химическое вещество переносит в себе информацию, необходимую для того, чтобы «семя петуха „чеканило“ из яйцеклетки цыпленка»? И каким образом гены копируются и передаются от одного поколения другому? Традиционная химия, изучающая взаимодействия шаровидных больцмановских молекул, казалось, не может объяснить способ хранения, копирования и надежной передачи генетической информации.

Наверняка всем известно, что в 1953 году была разгадана и эта тайна: в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику на основе экспериментальных данных их коллеги Розалинд Франклин удалось разработать модель структуры ДНК — двойную спираль. Было доказано, что любая цепочка ДНК представляет собой нечто вроде молекулярной нити, состоящей из атомов фосфора, кислорода и сахара (дезоксирибозы), а также особых химических структур — нуклеотидов[15], нанизанных на нить, словно бусины. В этих бусинах содержатся азотистые основания четырех разновидностей: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). На нити ДНК они располагаются в одномерной последовательности букв генетического кода, например GTCCATTGCCCGTATTACCG. Во время войны Фрэнсис Крик работал в научно-исследовательской лаборатории Британского адмиралтейства (в то время — командный орган Королевского флота). Неудивительно, что он мог быть знаком с теорией кодов, а также с различными шифрами вроде тех, что использовались в секретных сообщениях, созданных с помощью немецких шифровальных машин «Энигма» (во время войны их успешно расшифровывали в Блетчли-Парке, где располагалось главное шифровальное ведомство Великобритании). В любом случае, когда Крик увидел нить ДНК, он сразу заметил в ней код — последовательность блоков информации, представляющей собой важнейшие инструкции к действию механизма наследственности. Кроме того (об этом мы подробно поговорим в главе 7), открытие спиралевидной структуры нити ДНК позволило ученым сформулировать ответ на вопрос о том, каким образом копируется генетическая информация. Вот так, одним махом были разгаданы две величайшие научные тайны.

Открытие структуры ДНК стало своего рода механистическим ключом к пониманию тайны генов. Гены — это химическое соединение, а в основе химии лежит термодинамика. Так неужели открытие двойной спирали ДНК наконец-то вернуло в лоно классической науки такой объект изучения, как жизнь?

Жизнь таинственно ухмыляется в ответ

В «Приключениях Алисы в Стране чудес» Льюиса Кэрролла есть чудесный персонаж — Чеширский кот, который умел исчезать на глазах, оставляя после себя лишь улыбку. Алиса на это заметила: «Видала я котов без улыбок, но улыбку без кота…» Прекрасно зная, как законы термодинамики действуют в живых клетках и как гены кодируют информацию, необходимую для формирования новой клетки, многие биологи тем не менее испытывают подобное недоумение, когда тайна жизни, оставаясь неразгаданной, продолжает улыбаться им в лицо.

Одна из проблем, с которой сталкиваются ученые при попытках приблизиться к тайне жизни, заключается в невероятной сложности биохимических реакций, протекающих в каждой живой клетке. Когда химики искусственным путем получают аминокислоту или сахар, они в большинстве случаев синтезируют только одно химическое соединение за один раз. И это удается им большими усилиями: для эксперимента — то есть конкретной реакции — необходимо создать и постоянно поддерживать целый комплекс сложных условий, таких как температура или концентрация различных соединений, участвующих в реакции. Контролируя все условия эксперимента, ученые оптимизируют и ускоряют синтез искомого соединения. На самом деле это непростая задача: необходимо держать под контролем происходящее в многочисленных специальных колбах, конденсаторах, разделительных колонках, фильтрах и других замысловатых лабораторных сосудах и приборах. В то же время каждая клетка вашего организма непрерывно синтезирует тысячи химических соединений, имея в своем распоряжении реактивную камеру объемом в несколько миллионных микролитра[16]. Как же все эти разнообразные сложные реакции протекают одновременно? Как все это молекулярное действо разыгрывается на сцене микроскопической клетки? Эти вопросы находятся в центре внимания новой науки — системной биологии, но справедливости ради стоит отметить, что они до сих пор остаются без ответов.

Еще одна загадка жизни заключается в ее конечности — в смерти. Особенность химических реакций заключается в их обратимости. Можно записать химическую реакцию в виде уравнения «субстраты —> продукты». Но на самом деле одновременно всегда протекает обратная реакция «продукты —> субстраты». Все дело в том, что при определенной совокупности условий доминирует одно из направлений реакции. Тем не менее для любой реакции всегда возможно создать другую комбинацию условий, при которых она меняет свое направление. Например, когда ископаемое топливо сгорает на воздухе, субстратами являются углерод и кислород, а единственным продуктом — двуокись углерода (парниковый газ). Принято считать, что данная реакция необратима, однако в рамках некоторых проектов по разработке технологии улавливания углекислого газа идет поиск условий и источника энергии для того, чтобы изменить направление данной реакции. Так, Рич Мейзел из Иллинойского университета основал компанию Dioxide Materials, цель которой — использовать силу электричества для преобразования атмосферного углекислого газа в топливо для транспортных средств[17].

С живой материей все обстоит по-другому. Еще никому не удалось создать условия, при которых было бы возможно превращение «мертвая клетка —> живая клетка». Безусловно, размышления наших предков о подобном превращении вылились в идею о душе. Мы больше не верим в наличие души у клетки. Что же тогда исчезает безвозвратно, когда умирает клетка или человек?

Вы наверняка уже задумались о том, что нового нам может рассказать о жизни молодая наука — синтетическая биология и владеют ли специалисты в этой области ключом к тайне жизни? Возможно, самым известным представителем синтетической биологии является пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер, который в 2010 году поднял в научных кругах настоящую бурю, заявив, что создал искусственную жизнь. Результаты его работы отразились в газетных заголовках по всему миру и породили панику от мысли о новых расах искусственно синтезированных существ, которые в будущем захватят всю нашу планету. На самом деле Вентеру и его команде удалось модифицировать уже существующую форму жизни, а не создать новую. Сначала команда ученых под руководством Вентера синтезировала ДНК, содержащую полный геном паразитической бактерии Mycoplasma mycoides, вызывающей легочные заболевания у домашних коз. Затем синтезированный геном пересадили в живую бактериальную клетку и весьма хитрым способом убедили ее заменить свою изначальную (и единственную) хромосому синтетической копией.

Результат экспериментов Крейга, безусловно, превосходен. Хромосома бактерии содержит 1,8 млн оснований (букв генетического кода), которые должны быть расположены в строго определенной последовательности. Но, по сути, ученым удалось сделать то, что каждый из нас выполняет без каких-либо усилий. Речь идет о трансформации веществ, содержащихся в пище, в нашу собственную плоть.

Синтез хромосомы и ее пересадка в живую клетку, проделанные Вентером и его командой, открывают абсолютно новые горизонты синтетической биологии, о которых мы поговорим в последней главе. С большой вероятностью этой молодой науке удастся предложить новые эффективные способы производства лекарств, выращивания зерна и борьбы с загрязняющими веществами. Тем не менее в ходе экспериментов, направленных на эти и другие результаты, ученым пока не удалось создать новую жизнь. Несмотря на достижение Вентера, тайна самой сути жизни продолжает ухмыляться нам в лицо. Ричарду Фейнману, нобелевскому лауреату по физике, приписывается такое высказывание-озарение: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Согласно этому утверждению, мы не понимаем жизнь, поскольку нам пока не удалось ее воссоздать. Мы умеем смешивать химические соединения, умеем нагревать их, подвергать облучению. Мы даже умеем, подобно Франкенштейну Мэри Шелли, оживлять их с помощью электричества. Но создать жизнь мы можем пока единственным способом — внедрить эти химические соединения в уже существующие живые клетки или употребить их в пищу, сделав их тем самым частью наших собственных организмов.

Так почему же мы до сих пор не способны справиться с задачей, с которой ежесекундно и без особых усилий справляются триллионы простейших микробов? Мы что-то упустили? Более 70 лет назад этот вопрос волновал известнейшего физика Эрвина Шредингера. Удивительный ответ, к которому пришел ученый, является ключевым моментом для содержания данной книги. Чтобы понять, почему вывод Шредингера о самых глубоких тайнах жизни был и остается революционным для науки, необходимо вернуться в самое начало XX века, когда спиралевидная структура ДНК еще не была открыта, а мир физики буквально переворачивался с ног на голову.

Квантовая революция

В результате стремительного развития науки в эпоху Просвещения (XVIII–XIX века) появились ньютоновская механика, исследования электромагнетизма и термодинамика. Время показало, что вместе эти три раздела физики успешно описывали движение и поведение всех макроскопических объектов и явлений окружающего нас мира — от пушечных ядер до часов, от ураганов до паровозов, от маятников до планет. Но когда в конце XIX и в первой половине XX века ученые направили внимание на микроскопические составляющие материи — атомы и молекулы, они обнаружили, что в микромире привычные физические законы не действуют. В физике назревала революция.

Первым революционным прорывом в физике начала XX века стал ввод в научный обиход понятия кванта. Уже 14 декабря 1900 года немецкий физик Макс Планк представил результаты своих трудов на заседании Немецкого физического общества. Именно этот день принято считать днем рождения квантовой теории. В то время считалось, что энергия теплового излучения, как любая другая форма энергии, распространяется в пространстве как волна. Проблема заключалась в том, что волновая теория не могла объяснить, каким образом некоторые теплые объекты излучали энергию. Планк высказал революционную мысль о том, что материя, из которой состояли эти теплые объекты, колеблется на определенных дискретных частотах. Из этого следовало, что тепловая энергия испускается небольшими дискретными порциями — квантами, которые, в свою очередь, являются неделимыми. Его простая теория имела ошеломительный успех, однако коренным образом отличалась от классической теории излучения, в рамках которой энергия считалась непрерывной. Согласно теории Планка, энергия выходит из материи как вода, но не непрерывным потоком, а отдельными неделимыми порциями — словно из закрытого, но подтекающего крана.

Сам Планк крайне настороженно относился к идее о том, что энергия прерывна. Однако спустя пять лет после того, как он выдвинул квантовую теорию, Альберт Эйнштейн развил эту идею и предположил, что любой вид электромагнитного излучения, включая свет, выходит не непрерывно, а в виде квантов — дискретными порциями, или частицами, которые мы теперь называем фотонами. Он отметил, что такой взгляд на природу света объясняет еще одно явление, долгое время остававшееся загадкой, а именно фотоэффект — испускание электронов веществом под воздействием света. Именно за объяснение фотоэффекта, а не за более известные его работы по теории относительности, Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике в 1921 году.

Тем не менее существовало множество доказательств того, что свет распространяется как непрерывная волна. Как же свет может быть одновременно прерывным и непрерывным? В то время этот вопрос казался бессмысленным, по крайней мере в рамках классической науки.

Следующий гигантский шаг на пути к новой физике был сделан датским физиком Нильсом Бором. В 1912 году Бор переехал в Манчестер и стал работать с Эрнестом Резерфордом. Незадолго до того Резерфорд опубликовал работу о планетарной модели атома с крошечным, но крепким ядром, расположенным в центре и окруженным еще более крошечными электронами, вращающимися вокруг ядра. Однако никто не мог объяснить, как атому удается сохранять стабильность. Согласно классической электромагнитной теории, отрицательно заряженные электроны постоянно излучают энергию света, вращаясь вокруг положительно заряженного ядра. В таком случае они бы потеряли энергию и очень быстро (за одну миллионную секунды) закрутились бы по спиральной траектории по направлению к ядру, что привело бы к распаду атома. Однако электроны так себя не ведут. Так в чем же здесь дело?

Для объяснения стабильности атомов Нильс Бор выдвинул идею о том, что электроны не свободны в выборе любой орбиты вокруг ядра, а могут занимать лишь определенные стационарные («квантованные») орбиты. Электрон может излучать порцию (квант) электромагнитной энергии лишь при переходе на другую, более низкую, орбиту, причем величина излучаемой энергии будет равна разнице энергий орбит. При переходе на более высокую орбиту электрон поглощает электромагнитную энергию в размере одного фотона.

Попробуем наглядно продемонстрировать разницу между классической и квантовой теорией, а также объяснить, почему электрон может занимать только определенные стационарные орбиты в атоме. Давайте вспомним, как играются ноты на гитаре и на скрипке. Когда скрипач берет ноту, он зажимает пальцем одну из струн в каком-либо месте грифа, сокращая ее и таким образом добиваясь нужной ноты в тот момент, когда смычок касается струны, вызывая ее колебания. Чем короче струна, тем выше частота ее колебаний (больше колебаний в секунду) и тем выше получается звук. Чем длиннее область колебания струны, тем ниже частота колебаний (меньше колебаний в секунду) и тем ниже звук.

Прежде чем продолжить эту тему, скажем несколько слов об одном из фундаментальных принципов квантовой механики, а именно о тесной связи частоты колебаний и энергии[18]. Мы уже говорили о том, что субатомные частицы имеют также свойства волны. Это означает, что у них, как и у любой волны, распространяющейся в пространстве, есть такие показатели, как длина волны и частота колебаний. Быстрые колебания всегда подразумевают больше энергии, чем медленные колебания (представьте стиральную машину, работающую в режиме «отжим» — ее барабан должен вращаться (колебаться) на высокой частоте, чтобы получить достаточно энергии для отжима воды из одежды).

Вернемся к скрипке. Высота ноты (частота колебаний звука) может постоянно варьироваться в зависимости от длины колеблющейся струны, то есть расстояния от места закрепления струны до той точки на грифе, где она зажимается пальцем музыканта. Это сравнимо с обычной волной, длина которой (расстояние между двумя ближайшими вершинами) также может меняться. Именно поэтому мы отнесем скрипку к классическим инструментам, но не в смысле «классической музыки», а скорее в смысле «классической — не квантовой — физики». Вот почему так сложно научиться играть на скрипке: музыкант должен максимально точно знать, в каком месте грифа прижимать струну, чтобы извлечь нужную ноту.

Гитарный гриф устроен по-другому. На нем металлическими перегородками, которые выступают над грифом, но не касаются струн, отмечены лады. Таким образом, когда гитарист прижимает пальцем струну, она касается одной из перегородок, которая временно становится одним из ее концов (а вовсе не то место, где ее прижимает палец). Когда музыкант дергает струну, из нее извлекается звук, высота которого зависит от колебаний струны длиной от мостика до того лада, на котором зажата струна. Положение пальца, зажимающего струну (ближе к правой перегородке или ближе к левой), никак не повлияет на высоту извлекаемой ноты. Гитара, таким образом, относится к квантовым инструментам. Поскольку, согласно квантовой теории, частота колебаний и энергия взаимосвязаны, колеблющаяся гитарная струна должна обладать скорее дискретной, нежели непрерывной энергией. Подобным образом элементарные частицы, например электроны, обладают лишь определенными показателями частоты волны, каждый из которых связан с определенным уровнем дискретной энергии. При переходе из одного энергетического состояния в другое электрон поглощает или излучает энергию, равную разнице между энергетическим уровнем, который он покидает, и уровнем, на который он попадает.

К 1920-м годам Бор, вернувшийся в Копенгаген, уже был известен всему миру как один из нескольких европейских физиков, отчаянно работавших в то время над наиболее полной и последовательной математической теорией, способной описать все происходящее внутри атома. Одним из самых выдающихся физиков этой плеяды был молодой немецкий гений Вернер Гейзенберг. Летом 1925 года, поправляя здоровье на острове Гельголанд после приступа сенной лихорадки, Гейзенберг совершил прорыв в науке, сформулировав новые математические принципы, подходящие для описания внутриатомного мира. Однако это была довольно странная математика, а то, что она говорила нам об атомах, выглядело еще более странным. Так, Гейзенберг утверждал не только то, что мы не можем сказать наверняка, где находится электрон, не имея возможности его измерить, но и то, что сам электрон не имеет определенного местоположения, поскольку он расположен вокруг ядра неким неясным, непостижимым способом.

Гейзенберг был вынужден признать, что мир атомов — это призрачное, зыбкое пространство, формы существования которого проступают лишь тогда, когда мы взаимодействуем с ним с помощью измерительных приборов. Речь идет о процессе квантового измерения, который мы кратко описали выше. Гейзенберг показал, что данный процесс проявляет лишь те особенности квантового мира, к измерению которых он приспособлен, — подобно тому как каждый отдельный прибор на приборной панели автомобиля предоставляет информацию о какой-либо одной величине, например о скорости, преодоленном расстоянии или температуре двигателя. Так, мы можем провести эксперимент с целью установить точное расположение электрона в определенный момент времени; мы также можем провести другой эксперимент с целью определить скорость того же электрона. Гейзенберг математически доказал, что невозможно провести один эксперимент, в ходе которого мы могли бы установить одновременно и с максимальной точностью и то, где сейчас находится электрон, и то, как быстро он движется. В 1927 году это утверждение легло в основу знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, который с тех пор был много тысяч раз проверен и подтвержден в различных лабораториях мира. Этот принцип является одной из наиболее значимых научных идей и одним из основных постулатов квантовой механики.

В январе 1926 года, то есть в то самое время, когда Гейзенберг разрабатывал свои идеи, австрийский физик Эрвин Шредингер написал работу, в которой представил совершенно иную картину внутриатомного мира. В данной работе ученый предложил математическое уравнение, ныне известное как уравнение Шредингера, которое описывает не движение частицы, а изменение волны в пространстве. Согласно данному уравнению электрон является скорее не туманной частицей, вращающейся вокруг ядра по непостижимой траектории, а волной, распространяющейся внутри атома. Гейзенберг отрицал любую возможность получить изображение электрона в тот момент, когда мы его не измеряем. В отличие от него Шредингер склонялся к мысли о том, что электрон является самой настоящей физической волной, когда мы не наблюдаем за ним, но эта волна «сворачивается»[19] в дискретную частицу, как только мы начинаем за ней наблюдать. Его версия атомистической теории легла в основу волновой механики, а уравнение Шредингера описывает развитие и поведение волн во времени. Сегодня мы рассматриваем теории Гейзенберга и Шредингера как различные способы интерпретации математических основ квантовой механики, каждый из которых является по-своему правильным.

Волновая функция Шредингера

Когда нам нужно описать движение привычных видимых объектов (будь то пушечные ядра, паровозы или планеты), каждый из которых состоит из триллионов частиц, мы делаем это с помощью набора математических уравнений, восходящих еще к работам Исаака Ньютона. Однако, если описываемая нами система объектов находится в квантовом мире, мы должны использовать уравнение Шредингера. Именно здесь кроется важнейшее различие между двумя подходами к описанию объектов: для ньютоновского мира решением уравнения, описывающего движения, будет число или набор чисел, которое (которые) определяет точное местоположение объекта в данный момент времени. Решением уравнения Шредингера, описывающего квантовый мир, является волновая функция — математическая величина, которая не определяет точное местоположение, скажем, электрона в данный момент времени, но предлагает вместо этого набор чисел, описывающих вероятность обнаружения электрона в разных точках пространства в случае, если мы попытались бы его обнаружить.

Разумеется, вы можете отреагировать на это так, но этого недостаточно! Информация о том, где электрон может находиться, не кажется слишком уж полезной. Вам может показаться, что необходимо знать, где точно находится частица. Но в отличие от объекта классической физики, который всегда занимает определенное место в пространстве, электрон может находиться одновременно во многих местах до того момента, пока его не начнут измерять. Квантовая волновая функция распространяется на все пространство. Это означает, что при описании электрона нам остается довольствоваться набором чисел, выражающим вероятность обнаружения частицы не в каком-либо одном месте, а во всех точках пространства одновременно. Важно тем не менее понимать, что все эти квантовые вероятности не отражают пробела в наших знаниях, который можно заполнить, получив больше информации. Напротив, они отражают фундаментальную черту природного мира микроскопических размеров.

Представьте себе, что преступник, осужденный за кражу драгоценностей, получил право на досрочное освобождение и выходит из тюрьмы. Вместо того чтобы встать на путь истинный, он тут же возвращается к прежнему образу жизни и начинает совершать кражи по всему городу. Изучив карту, полицейские могут проследить его приблизительное местонахождение с того момента, как он был освобожден. Они не могут определить его точное местонахождение в данный момент, но они могут предположить, какова вероятность того, что он совершит кражи в тех или иных районах города.

Поначалу больше всего подвергаются риску быть ограбленными жители домов, расположенных недалеко от тюрьмы, однако со временем площадь территории, на которой могут быть совершены кражи, расширяется. Кроме того, помня, какие объекты кражи его интересовали, полицейские могут также с некоторой уверенностью предположить, что опасности подвергаются скорее благополучные районы, жители которых могут позволить себе дорогие украшения, нежели районы бедные. Подобную волну преступлений, совершаемых одним человеком, можно назвать волной вероятности. Она неосязаема и нереальна. Она представляет собой лишь ряд чисел, которые можно интерпретировать как координаты различных уголков города. Подобным образом волновая функция распространяется из точки, в которой в последний раз был замечен электрон. Вычисление значений волновой функции в различных точках пространства и времени позволяет строить предположения о том, где частица может появиться в следующий раз.

А что, если полицейские будут действовать по наводке и им удастся поймать вора с поличным, когда он будет вылезать из окна чужого дома, а при нем будет мешок с крадеными вещами? В тот же момент вероятностное распределение возможных местонахождений вора распадется: вор будет точно находиться в конкретном известном месте, а вероятность его нахождения в любом другом месте сведется к нулю. Подобным образом, если электрон обнаруживается в каком-то конкретном месте, его волновая функция немедленно рушится. В момент обнаружения электрона вероятность его нахождения в каком-либо другом месте сводится к нулю.

Однако кое в чем аналогия не срабатывает. Даже если перед тем, как поймать преступника, полицейские могут только установить вероятные места его пребывания, они понимают, что их предположения — результат нехватки информации. Ведь грабитель не распылил себя по городу: несмотря на то что в представлении полицейских он может находиться где угодно, он на самом деле всегда находится в каком-то одном месте в определенный момент времени. Кардинальное отличие поведения частицы от поведения вора заключается в том, что, когда мы не наблюдаем за движением электрона, мы все же не можем предположить, что он находится в определенном месте в какой-то момент времени. Мы можем только описать значения волновой функции, а волна может находиться везде одновременно. Только через акт наблюдения (выполняя над частицей некоторые измерения) мы можем «вынудить» электрон стать локализованной частицей.

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

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

Первопроходцы в квантовой биологии

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

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

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

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

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

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

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

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

Порядок из хаоса

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

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

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

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»[24]? 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»[25]. 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.