Оглавление
Что такое жизнь? — научно-популярная книга Эрвина Шредингера, написанная 1944 года на основе серии публичных лекций, которые он давал в 1943 году в Тринити-колледже в Дублине. В этой работе Шредингер пытается объяснить биологические процессы с точки зрения физики. «Что такое жизнь?» стала классикой научно-популярной литературы и сыграла важную роль в развитии биологии, особенно генетики, привлекая к ней внимание представителей «точных» наук.1
Одним из важнейших теоретических объяснений «Что такое жизнь?» есть предположение, что физический носитель наследственной информации (в то время еще не было накоплено достаточно экспериментальных данных в пользу того, чем является ДНК) является апериодическим кристаллом. Впоследствии это утверждение было доказано в результате открытия структуры ДНК Фрэнсисом Криком, Джеймсом Уотсоном2, Морис Уилкинс и Розалинд Франклин и последующих исследований, в частности расшифровки генетического кода. Интересно, что трое из четырех ученых, которые стоят за открытием двойной спирали ДНК, отмечали книгу «Что такое жизнь?» как источник вдохновения: как Крик, так и Уилкинс были физиками, и пришли в биологию частично под влиянием работы Шредингера, Уотсон заинтересовался ДНК в большой степени вследствие сотрудничества с Сальвадором Лурия и Максом Дельбрюком, но на его взгляды также оказала влияние и книга «Что такое жизнь?».3
Предыстория
Книга основана на лекциях, прочитанных под эгидой Дублинского института перспективных исследований в Тринити-колледже, Дублин, в феврале 1943 года и опубликованных в 1944 году. В то время, хотя известно, что ДНК является составной частью клеточных ядер, понятие «молекулы наследственности» было строго теоретическим. Одной из самых успешных отраслей физики в это время была статистическая физика и квантовая механика, теория, которая также является очень статистической по своей природе. Сам Шрёдингер является одним из отцов-основателей квантовой механики.
Размышления Макса Дельбрюка о физической основе жизни оказали важное влияние на Шрёдингера.4 Однако задолго до публикации «What is Life?» генетик и лауреат Нобелевской премии 1946 года Дж. Мюллер в своей статье 1922 года «Изменение из-за изменения индивидуального гена»5 уже изложил все основные свойства «молекула наследственности» (тогда еще не известно, что она ДНК), которые Шрёдингер должен был получить в 1944 году «от первых постулатов» в «Что такое жизнь»? (включая «апериодичность» молекулы), свойства, которые Мюллер уточнил и усовершенствовал дополнительно в своей статье 1929 года «Ген как основа жизни»6 и в 1930-х годах[194].7 Кроме того, Х. Дж. Сам Мюллер написал в письме журналисту 1960 года о том, «что такое жизнь?» что все, что правильно в книге о «наследственной молекуле», уже было опубликовано до 1944 года и что Шрёдингер имел неправильные предположения; Мюллер также назвал двух известных генетиков (включая Дельбрюка), которые знали все соответствующие публикации до 1944 года и контактировали со Шрёдингером до 1944 года. Но ДНК как молекула наследственности стала известна в первую очередь только после экспериментов Освальда Эйвери по трансформации бактерий, опубликованных в 1944 году; до этих экспериментов белки считались наиболее вероятными кандидатами. ДНК была подтверждена в качестве молекулы, о которой идет речь, в эксперименте Херши-Чейза, проведенном в 1952 году.
Содержание
«Что такое жизнь?» состоит из семи разделов и эпилога. Первый раздел называется «Подход классического физика к предмету», в его начале Шредингер определяет основной вопрос и задание, которое он ставит в этой работе:
“Каким образом физика и химия могут объяснить процессы, происходящие в пространстве и времени внутри живого организма? Предварительный ответ, которую пытается разъяснить и доказать эта книга, можно сформулировать следующим образом: Очевидная неспособность современной физики и химии дать объяснение таким явлениям вовсе не является причиной сомневаться, что они могут быть объяснены этими науками.”
Почему мы такие большие?
Первый раздел посвящен в большей степени вопросу «Почему атомы так малы?», точнее, почему мы такие большие по сравнению с атомами. Это объясняется тем, что законы физики носят статистический характер (в качестве примеров приводится парамагнетизм, броуновское движение и диффузия), и о любом процессе можно говорить с погрешностью. Поэтому, чтобы живая система вела себя упорядоченно, а так она и ведет себя, она должна состоять из большого количества атомов.
Второй раздел «механизм наследственности» и третий «мутации» обобщают знания по генетике доступные в то время: в частности, что физическим носителем наследственной информации является хроматин, расположенный в ядре клетки, передача этой информации от клетки к клетке происходит в результате деления ядра — митоза. Также описан мейоз и его составная часть — кроссинговер, роль этого процесса в половом размножении и формировании генетического разнообразия. В конце второго раздела Шредингер обсуждает методы, позволяющие рассчитать максимальный размер гена, применяя которые можно установить, что он должен быть примерно, как кубик со стороной 300 Å, а следовательно, содержать больше несколько миллионов атомов. С точки зрения статистической физики такое число атомов недостаточно для того, чтобы поведение гена была упорядоченным и предсказуемым, однако гены остаются стабильными в течение длительного времени и передаются из поколения в поколение.
В разделе, посвященном мутациям, Шредингер проводит параллель между их скачкообразной природой и квантовой теорией, в которой происходит переход между двумя различными состояниями атома. Также он отмечает, что природные мутации должны быть редкими событиями и обсуждает феномен мутагенного действия ионизирующего излучения. Ссылаясь на труды Тимофеева-Ресовского, Шредингер приводит два важных свойства мутаций: во-первых, они дискретны(разделенные и прерывистые) и являются единичными событиями, во-вторых, они локализованы в пространстве (вероятно происходят в объеме, ограниченном размером куба со стороной в 10 атомных радиусов) 3.
Апериодический кристалл и модель Дельбрюка
Четвертый раздел «Данные квантовой механики» и пятый «Обсуждение и проверка модели Дельбрюка»также в значительной степени основываются на совместной работе Дельбрюка, Тимофеева-Ресовского и Циммера «Über die Natur der Gennmutation und der Genstructur» (О природе генных мутаций и структуры генов). Шредингер обращает внимание на то, что гены остаются неизменными на протяжении очень длительного времени, это невозможно объяснить, исходя из статистических законов физики, учитывая относительно небольшое количество атомов, входящих в их состав. Итак, вероятно, что ген — это молекула, а ее устойчивость обеспечивается ковалентными связями (гайтлер-лондонивськими взаимодействиями, см. теорию Гайтлера-Лондона). Шредингер называет ген «апериодическим кристаллом», он отмечает2:
«Маленькую молекулу можно назвать «зароком твердого тела». Представляется, что есть два пути построить большие и сложные образования, начиная с такого малого твердого зародыша. Один из этих путей — это сравнительно скучное повторение одной и той же структуры в трех измерениях снова и снова… Другой путь — это построение все более и более расширенного агрегата без монотонного механизма повторения. Это случай все более сложной органической молекулы, в которой каждый атом, каждая группа атомов играет индивидуальную роль, не полностью равнозначную роли других атомов и групп атомов (как в случае периодической структуры). Мы можем вполне обоснованно назвать такую молекулу апериодическим кристаллом или твердым телом, и обобщить теорию: мы считаем ген, или, возможно, всю нить хромосомы, апериодическим кристаллом.»
Также Шредингер говорит о необходимости существования определенного генетического кода, с помощью которого, как с помощью азбуки Морзе, можно записать «четырехмерное план» живого организма, то есть его строение и свойства в каждый период онтогенеза.
Рассматривая модель Дельбрюка, Шредингер пишет, что мутации являются квантовыми переходами, вероятно, преобразованиями одного изомера химического вещества, является геном, в другую (хотя Шредингер и не исключает вероятности обмена с другими веществами). Такой переход требует определенной энергии активации W (Около 1—2 эВ), которая может быть получена в результате теплового движения молекул, интенсивность которого можно выразить как kT (где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура).
Источником энергии при спонтанных мутациях является тепловое движение молекул, но при температуре 36 °C, разница между W и kT довольно существенной, а, следовательно, время ожидания перехода очень длительно. Поэтому спонтанные мутации являются очень редким явлением. В реальности мутации, в отличии от комиксов, не бывают полезными.
Механизм мутагенного действия ионизирующего излучения Шредингер объясняет следующим образом: в одном акте ионизации выделяется около 30 эВ энергии, которая распространяется в среде в виде «тепловой волны». Эта тепловая волна позволяет передать пороговую энергию, необходимую для мутации (1—2 эВ), на расстояние около 10 атомных радиусов. Это представление о влиянии ионизирующего излучения на частоту мутаций было ложное, как показал Вайсс в 1944 (когда книга Шредингера была в печати), основные биологические эффекты возникают в первую очередь в результате образования гидроксильных радикалов и радикалов водорода1.
Отрицательная энтропия
Шестой раздел книги называется «Упорядоченность, неустроенность и энтропия» и посвящен вопросу «чем отличается живая материя от неживой». Шредингер отвечает на этот вопрос, утверждая, что для живых организмов «упорядоченность основана на упорядоченности», в противовес «упорядоченности, основанной на неупорядоченности», свойственной для статистических законов физики. В живых системах небольшие группы атомов (физические носители наследственной информации) «управляют» образованием новой упорядоченной системы, которая способна поддерживать такое состояние в течение длительного времени. «Для физиков» Шредингер объясняет основное свойство живых организмов следующим образом:
«Живой организм можно представить как макроскопическую систему, которая частично приближается к чисто механическому (в противоположность термодинамической) поведению, к которому стремятся все системы по мере приближения температуры к абсолютному нулю и устранением молекулярного беспорядка.»
Живые системы избегают переход к термодинамическому равновесию (то есть, в их случае, — смерти) постоянно питаясь «отрицательной энтропией» (Негэнтропии), которая содержится в пище животных, а в случае растений — в солнечном свете:
«Так и живой организм постоянно увеличивает свою энтропию, или, другими словами, производит положительную энтропию, и поэтому рискует приблизиться к опасному состоянию максимальной энтропии, то есть смерти. Избежать этого, то есть оставаться живым, он может только постоянно удаляя из среды отрицательной энтропии…»
В седьмом разделе «Основы жизни на законах физики?» Шредингер предусматривает, что детальное изучение живых организмов, особенно механизмов наследственности, приведет к открытию новых законов физики. Используя классификацию Макса Планка и его труда «Dynamische und statistische Gesetzmässigkeit» (Динамический и статистический тип закона), Шредингер утверждает, что в живых организмах должны действовать какие-то специальные динамические законы. Он сравнивает организм с «идеальным часовым механизмом», в котором «зубцами шестерни» являются хромосомы3.
Эпилог
В эпилоге под названием «О детерминизме и свободе воли» Шредингер «позволяет себе немного философии». Он исходит из двух предпосылок: «(1) Мое тело Функционирует как чистый механизм в соответствии с Законами Природы. (2) Однако с непосредственного беспрекословного опыта я знаю, что руковожу своими действиями, предвидя важные и судьбоносные последствия, и несу полную ответственность за них.», и в ходе рассуждений, приводит к выводу, что сознание не является множественным. Шредингер выражает поддержку идеи древних Упанишад Атман = Брахман (то есть личная душа равна вездесущей вечной души), и говорит о том, что подобные рассуждения свойственны также и мистикам, взгляды которых можно выразить словами лат. «Deus factum sum» (Я стал богом). Т.о. в своих исследованиях ученый обращается к духовному пониманию ценности и понимания жизни. Душа единственная составляющая человека, данная ему Богом, которая может устремиться в своих мечтаниях в любой край света. Согласно христианскому учению душа покидает тело после смерти. Наука еще не имеет возможности исследовать это.
Влияние на развитие биологии
Книга Шредингера «Что такое жизнь?» повлияла на развитие биологии в 1950-х годах двумя путями: во-первых, она привлекла внимание многих физиков к проблемам генетики, во-вторых, непосредственно повлияла на направления исследований, которые проводились в то время.
Среди физиков заинтересовались генетикой под влиянием труда Шредингера, Сеймур Бенцер4, Морис Уилкинс5, Фрэнсис Крик6. О влиянии книги «Что такое жизнь?» вспоминал также и Джеймс Востсон: «Подобно тому, как птицы привели меня в биологические науки, чудесное исследование гена Шрёдингера привело меня к тому, что я посвятил свою жизнь изучению генетики»7.
Некоторые физики очень увлеклись идеей о том, что генетические мутации можно рассматривать как квантово-механический переход от одного стабильного состояния к другому. Например, Криус Левинталь пытался сконструировать УФ-монохроматор, который должен был измерять поглощение ультрафиолетового излучения геном дикого типа и мутантным. Однако свою работу он оставил, не завершив, поскольку стало понятно, что она не имела перспективы. Физики-теоретики проводили расчеты, имевшие целью объяснить механизм «спаривания» подобных генов во время процессов специфической рекомбинации. И хотя полученные результаты нормально соотносились с экспериментальными данными, их нельзя считать корректными, потому что они не принимали во внимание водородных связей и специальных ферментов5.
Многие физики, такие как Нильс Бор и Макс Дельбрюк, надеялись, что, как предусматривал Шредингер, глубокое изучение генетики позволит открыть какие-то новые физические законы. Из-за этого они регулярно проводили в Копенгагене симпозиумы и семинары, посвященные этой науке. Однако, их надежды не оправдались. Сам Шредингер после написания «Что такое жизнь?» особо не интересовался биологией, как вспоминает Невилл Саймондс, который работал с ним, Шредингера захватывало много разных вопросов, исследовав которые в известной степени он брался за что-то другое5:
«Он писал книги о философии, разуме, о термодинамике, и в совершенно ином русле он писал еще и поэзию. Где-то между этим всем он столкнулся, с проблемой, раскрытой в труде «Что такое жизнь?», она была осмысленна, лекции прочитаны, книга издана, после чего Шредингер забыл этот эпизод и стал рассуждать о другом»
Критика
Некоторые биологи отнеслись к книге «Что такое жизнь?» критично, например двукратный лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг в 1987 году писал: «Когда я впервые прочитал эту книгу около сорока лет назад, это было разочарование. Я был, и до сих пор, убежден, что Шредингер не сделал никакого вклада в наше понимание жизни.»1 Похожего мнения придерживался и Макс Перуц, который отмечал:
«Однако, к сожалению, тщательное исследование этой книги и связанной литературы, показало мне, что все, что было истинного в книге, не было новым, а все, что было новым, было известно как ложное уже даже в написании книги … очевидные противоречия между жизнью и статистическими законами физики можно устранить, задействовав науку, которую Шредингер в значительной степени игнорирует. Этой наукой является химия.»
Многие критики труда Шредингера, такие как Мюллер и Штент, обращали внимание на пробелы в его знании генетики. В «Что такое жизнь?» упущено много важных результатов, полученных незадолго до выхода книги: например, гипотеза Бидла и Тейтема «один ген — один фермент», а также последние генетические исследования на бактериофаги. Ссылаясь на Холдейн и Дарлинґтона, Шредингер утверждает, что гены — это белки, хотя в то время уже были накоплены определенные данные, указывающие на ДНК. Основательный аргумент в пользу ДНК был взят в 1944 году в эксперименте Освальда Эвери, когда книга Шредингера раз была в печати (что, разумеется, не могло войти в это издание) 1.
Мюллер особенно остро критиковал эпилог Шредингера, считая такие противоречивые философские размышления неуместными в книге такого рода 1:
«Если сотрудничество физика в подходе к биологическим вопросам конце приводит его к выводу «Я Бог Всемогущий», и мол древние индуисты были на правильном пути, то такую помощь можно поставить под вопрос. Однако, надеюсь, что неудачные откровения физика не помешает серьезному восприятию разумного изложения взглядов в книге, и что очень важно сближение между физикой, химией и генетическими основами биологии наконец началось.»
Источники
1. a b Маргулис, Линн. & Саган, Дорион. (1995). Что такое жизнь? (стр. 1). Беркли: Калифорнийский университет Press.
2. Уотсон, Джеймс Д. (2007), Избегайте скучных людей: (Уроки из жизни в науке), Нью-Йорк: Кнопф, с. 353, ISBN 978-0-375-41284-4. На странице 28 подробно рассказывается, как Уотсон пришел к пониманию значения гена.
3. Джулиан Ф. Дерри (2004). «Книжное обозрение: что такое жизнь? Эрвин Шредингер». Обзор человеческой природы. Проверено 15 июля 2007.
4. Дронамраджу К.Р. (ноябрь 1999 г.). «Эрвин Шредингер и истоки молекулярной биологии». Генетика. 153 (3): 1071–6. PMC 1460808. PMID 10545442.
5. Мюллер, Герман Джозеф (1922). «Вариация из-за изменения отдельного гена» (PDF). Американский натуралист. Электронный научный издательский проект (1996). 56: 32–50. Проверено 3 января 2021 года.
6. Труды Международного конгресса наук о растениях 1 (1929 г.)
7. Шварц, Джеймс (2008). В погоне за геном. От Дарвина к ДНК. Кембридж: Издательство Гарвардского университета. ISBN 978-0-674-02670-4.
8. Шредингер ссылается на «Вечную философию» Олдоса Хаксли как на «красивую книгу», совпадающую с точкой зрения, высказанной им в предыдущей главе.
9. Что такое жизнь? с. 91
10. Закон энтропии и экономический процесс Николас Георгеску-Роген с. 11
