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.