С точки зрения Шрёдингера и его кота
Эрвин Шрёдингер был не только хозяином Кота, одним из основателей современной физики, но и тем, кто внёс огромный вклад в биологию, не сделав в ней ни одного открытия. Зато в феврале 1943 года он прочитал в Дублине курс лекций, а в 1944-м опубликовал на их основе маленькую научно-популярную книжку «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», которая повлияла и продолжает влиять на развитие биологии и всей современной науки. Как так получилось? Что делает эту книгу такой вдохновляющей? И как бы мы сейчас, зная всё, что открыла наука с того времени, в стиле Шрёдингера отвечали бы на вопрос «Что такое жизнь?»
«Эрнест Резерфорд сказал, что все науки делятся на физику и собирание марок. Он, видимо, имел в виду, что в развитии наук есть периоды накопления фактов, их „собирательства“, и периоды, когда можно найти физический смысл явлений. Так вот, Эрвин Шрёдингер в своей книге впервые показал, что науки о жизни могут быть физикой, а не собиранием марок», — говорит выдающийся биофизик Алексей Финкельштейн.
Первооткрыватели двойной спирали ДНК Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон пришли к молекулярной генетике (один из физики, другой из зоологии), как сами признавались, благодаря этой книжке. Прочитав её, они поняли, где в науке будет прорыв. И сами этот прорыв совершили: открыли структуру ДНК и способ её «размножения».
Современный физик и математик Роджер Пенроуз, сам прекрасный популяризатор и мастер задавать вдохновляющие вопросы, считает, что эту книгу «непременно следует поставить в один ряд с самыми влиятельными научными трудами XX века».
«Книжка Эрвина Шрёдингера показывает, что может сделать физик, мыслящий строго, даже если берётся за незнакомую область знаний, — сказал Коту учёный-кристаллограф и блестящий популяризатор Артём Оганов. — Удивительно, но при минимуме накопленных на тот момент знаний он почти во всём оказался прав».
«Что такое жизнь» и сейчас читают самые романтические и широко мыслящие школьники и первокурсники, да и маститые учёные, хотя Эрвин Шрёдингер даже не знал, что такое ферменты и что гены кодируются ДНК.
Но вот австрийский молекулярный биолог Макс Перуц считает: «…то, что было правильным в его книге, не было оригинальным, а большая часть оригинального, как было известно ещё к моменту написания книги, не было правильным». Действительно, если задача — узнать точные факты о молекулярной биологии, книжка уже бесполезна. Но если вас интересуют не факты, а сам способ мыслить, то она живее всех котов.
Наука как искусство задавать вопросы
Эрвин Шрёдингер вдохновляет уже тем, что задаёт, казалось бы, наивные, но самые главные вопросы. Ровно так, как любят задавать вопросы дети, коты и гении. И задаёт их так, что скучный человек хочет от него отмахнуться, а остроумный начинает отвечать со всей кошачьей серьёзностью.
Что такое жизнь? — первый из таких вопросов. Авторы учебников и зануды, конечно, знают ответ. А вот мы — нет. И Эрвин Шрёдингер знал, что не знал. Потому что его интересовало не определение для заучивания, а поиск объяснений. Он знал, как двигаться вперёд, и прямо так и посоветовал в предисловии:
Хороший способ развить представления наивного физика — это задать ему сначала странный, почти нелепый вопрос.
Но как он задавал вопросы и какие?
Почему атомы так малы?
Этот вопрос звучит по-детски. Скучный взрослый на него ответит: «Уж какие есть, такие родились». Остроумный зануда заметит: «Маленькие в сравнении с чем? Не бывает просто маленького или большого, всё познаётся в сравнении». Шрёдингер пишет:
В атомной физике за единицу длины принят так называемый ангстрем (А), равный 10~10 метра (м) или в десятичной записи 0,0000000001 м. Диаметр атомов лежит между 1 и 2 А. Единицы же длины, по сравнению с которыми атомы так малы, прямо связаны с размерами нашего тела.
И дальше Шрёдингер рассказывает исторический анекдот про английского короля Эдгара (959–975) и введение ярда — английской меры длины, которая сейчас равна 91 см, а в Средние века была меньше.
Бытует легенда, которая приписывает происхождение ярда чувству юмора одного английского короля. Когда советники спросили его, что принять за единицу длины, он вытянул руку в сторону и сказал: «Возьмите расстояние от середины моей груди до кончиков пальцев, это и будет то, что надо». Было так или нет, но этот рассказ имеет прямое отношение к нашему вопросу. Естественно, что король хотел указать длину, сравнимую с длиной его тела, так как он знал, что иначе мера будет очень неудобной. При всём своём пристрастии к ангстремам физик всё-таки предпочтёт, чтоб ему сказали, что на его новый костюм потребуется 6,5 ярда твида, а не 65 тысяч миллионов ангстремов.
Так вопрос уточнятся. Почему мы, люди, так велики относительно атомов? Это легко понять. Если бы мы были слишком малы, то не могли бы жить. Наши клетки разрушило бы тепловое движение атомов. Движение атомов не шутка — даже видимые частицы чувствуют в растворе броуновское движение, и не всякая бактерия плывёт, куда хочет, даже если у неё есть хвост-жгутик. Живые организмы, пишет Шрёдингер, двигаются так упорядоченно, будто ими управляют строгие законы. Но в физическом мире строгость законов зависит от размера, а погрешность измерений можно оценить в квадратный корень из количества частиц, составляющих объект измерения. Если бы в живом теле было 1 000 000 атомов, то законы его движения соблюдались бы с точностью до 1000 частиц. То есть очень плохо. Отсюда следует, что всё живое должно быть достаточно большим, чтобы не стать жертвой погрешности.
Красивый вывод? Да, но он оказывается неверным. Атомы вовсе не малы, если сравнивать их с геном — единицей передачи информации в организмах. Шрёдингер показывает, что строгое мышление — это не поиск подтверждений своей точки зрения, а критика своего же тезиса.
Почему гены всё же существуют?
Сейчас мы точно знаем (а Шрёдингеру пришлось делать оценки), что большинство генов имеет размер от единиц до двух десятков тысяч пар нуклеотидов, а маленький ген, скажем, интерферона — всего 700. Для простоты счёта оценим количество атомов в одной паре нуклеотидов примерно как 100. То есть в одном гене может быть и меньше миллиона, и десятки миллионов атомов. Если бы прошлый тезис оказался верным, то ген бы просто не существовал.
Теперь мы знаем, что такая точка зрения была бы ошибочной. Как мы сейчас увидим, невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы проявлять точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных процессах внутри каждого организма.
На самом деле единица изменения гена, мутация — это вопрос не миллиона атомов, а единиц. Эрвин Шрёдингер понял это, когда читал работы Николая Тимофеева-Ресовского о влиянии радиации на мутагенез у мушек-дрозофил. Тимофеев-Ресовский ещё в 1930-е годы подошёл к изучению биологических организмов с физических позиций, и его работы позволили оценить, сколько ионизированных частиц нужно на единицу пространства, чтобы вызвать мутацию.
Мы теперь серьёзно стоим перед вопросом: как можно с точки зрения статистической физики примирить то, что генная структура, по-видимому, включает в себя только сравнительно малое число атомов (порядка 1000, а возможно, гораздо меньше) и всё же проявляет весьма регулярную и закономерную активность и такое постоянство, какое граничит с чудом.
Умение, как у ребёнка или кота, удивиться чуду, но при этом строго мыслить — ещё один урок книжки Шрёдингера. А как мы можем объяснить, что существует нечто, что, казалось бы, не может существовать (неплохое, кстати, определение жизни)? Эрвин Шрёдингер говорит, что в физическом мире есть примеры упорядоченного существования. Например, всё в полном порядке и не разрушается движением атомов при абсолютном нуле. Но это не наш случай. Кроме того, очень упорядочены кристаллы. Но в кристалле всё одинаково, в нём нельзя записать код мушки или столь совершенного существа, как кот. Как же быть? Шрёдингер отвечает:
Но чтобы примирить высокую устойчивость носителей наследственности с их малыми размерами и обойти тенденцию к неупорядоченности, нам пришлось «изобрести» молекулу — необычно большую молекулу, которая стала образцом высокодифференцированной упорядоченности… Наиболее существенную часть живой клетки — хромосомную нить — можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами.
И действительно, структура двойной спирали ДНК, открытая Уотсоном и Криком в 1953 году, очень похожа на «апериодический кристалл». Смотрите, цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из одинаковых частей: сахара дезоксирибозы и фосфатной группы, внутри комплементарными парами идут азотистые основания. И получается, что цепь похожа на периодический кристалл, а основания пишут апериодический текст нашего генома.
Сейчас мы уже знаем, что плотная упорядоченная структура характеризует не только молекулу ДНК (а также весь сложный комплекс хромосомы), но и каждый белок — основной строительный и рабочий инструмент жизни.
Как могут сворачиваться белки
Здесь хочется рассказать историю одного недавнего красивого научного результата, про который не мог знать Шрёдингер, но зато эта история содержит «странный и нелепый» парадокс в духе его книги.
Сейчас мы многое знаем о белках и их структуре. Каждый отдельный белок — это не просто полимер, болтающийся как нервный молекулярный червяк, избиваемый тепловым движением атомов. Он тоже «апериодический кристалл», плотно и однозначно (почти однозначно: движение структуры позволяет многим белкам работать) упакованный объект. Формула белка записана в генах, но не его структура — она является продуктом физического взаимодействия атомов.
Биофизик Сайрус Левинталь ещё в 1968 году сформулировал парадокс, названный его именем. Если бы цепочка белка перебирала все возможные варианты свой структуры, прежде чем найти самую выгодную, он бы не успел свернуться за время жизни Вселенной. Но по факту белки находят свою структуру довольно быстро — в зависимости от длины, от миллисекунд до минут. Как у Шрёдингера — жизнь делает то, что кажется невозможным на первый взгляд физика.
Биолог привык, что у живых организмов строгий порядок: кошка бежит за мышкой, а не хаотично (хотя тоже не факт). Но мир молекул принципиально случаен, он создан перебором всех вариантов и выбором наиболее энергетически выгодного. Белок — тоже молекула. В реальности его структура может быть разной при разных температурах и свойствах раствора, например кислотности (есть разница в поведении белков — кипятите вы свежее или кислое молоко). Белки сворачиваются в правильную структуру только в очень специальных условиях, как, например, в живой клетке, и принимают другие формы, обычно неупорядоченные, в других условиях.
Для короткого белка в 100 аминокислот количество вариантов структуры составило бы примерно 10100,их «тупой» перебор занял бы примерно 1080лет, если на переход из одной структуры в другую заложить лишь 10-13 секунды.
Этот парадокс разрешил Алексей Финкельштейн с коллегами в пущинском Институте белка. Оказалось, что белок сворачивается, не перебирая все варианты, а исключая неподходящие по дороге. Он начинает упаковываться по частям. Например, часть цепочки сворачивается в спираль или фрагмент будущего клубка. Уже свёрнутый фрагмент клубка больше не разрушается и не участвует в переборе вариантов, они оказываются очень стабильными. К ним постепенно присоединяются остальные части цепи. Для белка в 100 аминокислот количество вариантов оценивается не в 10100, а «всего» в 10100*2/3, что даёт наблюдаемое в экспериментах время (удивительно: небольшое изменение формулы степени кардинально меняет результат).
То есть молекулы в живых системах ведут себя по законам физики, но не вполне случайно: они словно накапливают порядок, как будто «по плану».
Что мы едим, когда едим?
Удивительная способность ДНК и белков строить себя, свою структуру (сейчас мы знаем, что внутри живой клетки им помогают другие белки, нуклеиновые кислоты и целые машины, состоящие из них) тоже была угадана Шрёдингером в рассуждении о жизни как функции порядка.
И здесь он начал с «наивного» вопроса. Все знают, что организмы живут благодаря обмену веществ: нам нужно питаться, чтобы жить. Но Шрёдингер пишет:
…Представляется нелепостью, чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента…
Мы потребляем не просто вещества, их в организме полно. И даже не энергию, ведь общая энергия организма более-менее постоянна. Но он всё равно нуждается в веществах и энергии. Наверное, эти вещество и энергия должны быть особенными.
Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить. Каждый процесс, явление, событие (назовите это как хотите) — короче говоря, всё, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место… Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается.
Это самая непонятная часть книги, но, возможно, самая влиятельная. Потому что все её понимают по-своему. Энтропия — мера неупорядоченности, мера хаоса физической системы. Второй закон термодинамики гласит, что любая замкнутая система стремится к увеличению энтропии: порядок в комнате достигается потом и слезами, а беспорядок — легко и быстро. Живые организмы умудряются удерживать себя в порядке.
Это не противоречит второму закону термодинамики: живые организмы — открытые системы. Но идея отрицательной энтропии вдохновила многих на изучение порядка из хаоса и расширила понимание природы жизни. Шрёдингер приходит к выводу:
Удивительная способность организма концентрировать на себе «поток порядка», избегая таким образом перехода к атомному хаосу, — способность «пить упорядоченность» из подходящей среды, по-видимому, связана с присутствием «апериодических твёрдых тел»… Короче говоря, мы видим, что существующая упорядоченность проявляет способность поддерживать сама себя и производить упорядоченные явления.
В этом смысле живой организм — не просто миллиарды сосудов с химическими реакциями внутри, такая аналогия работает плохо. Это скорее механизмы, механические часы, сделанные из очень специальных «апериодических твёрдых тел». Эти механизмы умеют многое, но главное — строить себя, реплицироваться. Как роботы, которые работают на заводе по производству подобных себе и сами являются таким заводом.
Интересно, если люди сделают такого робота, они будут считать его живым?
Новые вопросы
А если бы Эрвин Шрёдингер писал такую книжку сейчас, какие бы вопросы он поставил, чтобы вдохновить ныне живущих молодых учёных?
«Сейчас в такой книжке нет нужды, — говорит Алексей Финкельштейн. — Никто не спорит с тем, что живые организмы подчиняются законом физики. Шрёдингер писал книгу, когда данных было мало, и его мысль позволила сосредоточиться на поиске новых знаний при их недостатке. Сейчас же другая проблема — знаний слишком много. Задача в их анализе. Этим занимается в том числе искусственный интеллект. Например, задача предсказания структуры белков по их последовательности в целом решена. Нот не так, как мы думали. Мы десятилетиями искали простые физические принципы, которые позволили бы её решить. Сейчас структуру белков отлично предсказывает, например, тот же суперкомпьютер, что стал лучшим на планете игроком в го. Казалось бы, где го, а где белки? Но он отлично решает задачу благодаря тому, что уже накоплено очень много знаний о структурах белков и каждый новый белок чем-то похож на известные».
Тем не менее в биологии до сих пор остаются удивительные наивные вопросы. Артём Оганов сформулировал два, самых волнующих.
Как произошла жизнь?
Мы понимаем, что жизнь, вполне вероятно, началась с молекул РНК, которые очень похожи на ДНК, но любят сворачиваться не только в двойные спирали, но и в разные прихотливые, при этом довольно стабильные конфигурации. Некоторые из них могут помогать строить себя, то есть размножаться. Но как возникла сама РНК? Возможность её синтеза из простых веществ недавно была показана. Но в какой обстановке она возникла? Каким был первый организм? А кто такие вирусы? Это паразиты, сформировавшиеся из более сложных существ, или они подсказывают нам, как выглядели первые организмы? Вопросов множество.
Что такое сознание?
Как на основе живой материи могло появиться сознание? Чем отличаются организмы, которые осознают, от тех, что нет? Вот кот, понятно, обладает сознанием: воспринимает мир, радуется и страдает. А растения, видимо, нет. Но где эта граница и как она была перейдена? Эти вопросы важны не только для фундаментальной науки. Они и практически важны, например, для создания «сильного искусственного интеллекта», если это вообще возможно. Слабый-то уже совершил революцию в жизни, ещё и помогает решать научные задачи, в том числе предсказывает структуру молекул, — этим занимаются и Артём Оганов, и Алексей Финкельштейн. Если бы сильный искусственный интеллект сам принимал решения, какие горы могло бы свернуть человечество!
А может, эта задача и нерешаема вовсе, потому что свобода воли невозможна не только у искусственного интеллекта, но и у нас? Может быть, все мы лишь сложные машины, а эта заметка — часть предопределённой последовательности событий и сигналов внешней среды. И книжка Шрёдингера, найденная в 1990 году в студенческом бараке у поля с картошкой, была одним из них.
Ненаучный вопрос напоследок
Но Шрёдингер не сомневался в наличии свободы воли, а в последней главе, извиняясь перед читателями, позволяет себе пофилософствовать:
1. Моё тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.
2. Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела…
Мне думается, что из этих двух предпосылок можно вывести только одно заключение, а именно что «я», взятое в самом широком значении этого слова — то есть каждый сознательный разум, когда-либо говоривший или чувствовавший «я», — представляет собой не что иное, как субъект, могущий управлять «движением атомов» согласно законам природы.
И дальше он говорит очень рискованную и с точки зрения науки, и с точки зрения многих религий вещь. Что же такое «я», которое умеет управлять движением атомов? Бог. И все, кто в сознании, тоже. Шрёдингер даже объясняет, что хотя для европейской философии эта мысль неочевидна, то в восточной — привычна. «Атман есть Брахман», индивидуальное сознание и мировое — одно и то же. И эта мысль позволяет ему (Вторая мировая война ещё шла) высказать утешительное соображение, что личное индивидуальное сознание потерять нельзя, потому что оно — то же самое, что весь мир.
Ни в каком случае здесь нет потери личного существования, которую надо оплакивать.
И никогда не будет!
ИСТОЧНИК: журнал «Кот Шрёдингера» https://kot.sh/statya/4675/chto-takoe-zhizn