Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

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.

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.