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
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/chto-takoe-zhizn-kniga.png)
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.
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/himia-680x453.jpg)
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.”
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/guliver-680x340.jpg)
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.
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/kristall-680x510.jpg)
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.
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/123123-680x373.png)
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.
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/02/change5.gif)
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.
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/1312-680x360.jpg)
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»
![](https://smert.su/wp-content/uploads/2021/04/poling-680x637.jpg)
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