Биология в вопросах и ответах


ВОПРОС: Что такое жизнь с точки зрения физики?

ОТВЕТ: Ранее господствовала концепция витализма, согласно которым биологические явления принципиально непостижимы на основе физики и химии, так как существует некая "жизненная сила", или энтелехия, или биологическое поле, не подлежащие физическому истолкованию.

В 20 веке великий физик Бор рассматривал проблему взаимоотношения биологии и физики на основе концепции дополнительности, частным случаем которой является принцип неопределенности квантовой механики. Бор считал дополнительными исследования живых организмов на атомно-молекулярном уровне и как целостных систем. Эти два вида исследований несовместимы. В то же время "ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии". Жизнь следует рассматривать "...как основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу", подобно кванту действия в атомной физике. Таким образом, имеется дополнительность биологии, с одной стороны, и физиики и химии - с другой. Эта концепция не виталистична, она не ставит каких-либо границ применению физики и химии в исследованиях живой природы. В конце жизни (1961, 1962 гг.) Бор изменил свои взгляды под влиянием успехов молекулярной биологии. Он отметил, что дополнительность в биологии имеет не принципиальный, но практический характер, определяемый чрезвычайной сложностью живого тела. Практическая дополнительность преодолима.

Развитие молекулярной биологии привело к атомистическому истолкованию основных явлений жизни - таких как наследственность и изменчивость. В последние десятилетия успешно развивается и физическая теория целостных биологических систем, основанная на идеях синергетики.

В 1945 г. Шредингер написал книгу "Что такое жизнь с точки зрения физики", оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них - термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т.е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм "питается отрицательной энтропией". Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема - общие структурные особенности организмов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т.е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема - соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос: "Почему атомы малы?" Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины - метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать: почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов? Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке Mycoplasma. laidlawii имеет порядок 109. Ответ на вопрос заключается в том, что необходимая для жизни упорядоченность возможна лишь в макроскопической системе, в противном случае порядок разрушался бы флуктуациями. Наконец, Шредингер задавался вопросом об устойчивости вещества генов, построенного из легких атомов С, Н, N, О, Р, на протяжении множества поколений. Ответ на этот вопрос дала позднее молекулярная био-логия, установившая двуспиральное строение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Эрвин Шредингер пришел к оптимистическому, хотя и не вполне успокоительному выводу: "Хотя современные физика и химия не могут объяснить эти процессы (происходящие в живом организме), нет никаких оснований сомневаться в возможности их научного объяснения". На основе знаний, накопленных при попытках дать определение таким фундаментальным понятиям, как пространство, время и материя, физики все дальше и дальше удалялись от вопроса "Что такое...?" То, что их интересует, есть не столько тавтология понятий, стоящая за определением, сколько отношения, с помощью которых положение вещей можно было бы свести к немногим фундаментальным величинам, однозначно характеризуемым предписан-ными процедурами измерения.

Сегодня имеются все основания утверждать, что современная физика не встречается с границами своей применимости к рассмотрению биологических явлений. Трудно думать, что такие границы обнаружатся в будущем. Напротив, развитие биофизики как части современной физики свидетельствует о ее неограниченных возможностях. Приходится, конечно, вводить новые физические представления, но не новые принципы и законы. Понятие жизнь охватывает множество явлений, имеющих очень различные степени сложности. Как известно, многие биологи именно в сложности и многообразии видят один из существенных признаков живого. Философов проблема жизни интересует прежде всего потому, что она касается происхождения и бытия человека. Но свойство "быть живым" без сомнения является общим для двух столь различных существ, как кишечная палочка и человек. Вряд ли общее определение может сообщить что-либо о крайне различных особенностях этих существ. Если мы хотим понять жизнь как особую форму организации материи, то мы должны помнить, что эта характеристик никоим образом не включает гигантские качественные и количественные различия и уровне организации низших и высших организмов.

Существует ли ясное разграничение живого и не-живого? В настоящее время биологи ответят на этот вопрос скорее отрицательно. В самом деле, вряд ли можно четко определить эту границу. Например, вирусная частица в подходящей среде - используя метаболизм клетки хозяина - может размножаться, причем иногда столь необузданно, что весь организм хозяина в результате погибает. Таким образом, вирус обладает качествами, которые в других случаях можно найти только у живых организмов - существование которых, как известно, тоже всегда зависит от определенных условий среды. Но, с другой стороны, вирусы - это частицы, характеризующиеся определенной формой и составом и способные, как и неорганические вещества, образовывать кристаллическую решетку. Очевидно, что в такой форме они не подпадают ни под одно определение живого. Далее, частицы вирусов можно разложить на отдельные молекулярные компоненты и из них снова собрать инфекционные единицы - при этом теряется их первоначальная индивидуальность. Жизнь и смерть меняют здесь свой обычный смысл.

В математике принято различать необходимые и достаточные условия. В нашем случае гораздо легче задать необходимые условия для существования жизни - при этом нужно заботиться лишь об обязательности, но не о полноте.

Из анализа доступных нам живых систем мы знаем, что во всех клетках происходит обмен веществ, или, точнее говоря, метаболизм (так как прежде всего имеются в виду превращения свободной энергии), который является необходимым условием существования любой формы жизни). Только постоянно используя приток свободной энергии, система может непрерывно обновляться и этим тормозить свое падение в состояние термодинамического равновесия, которое Эрвин Шредингер метко назвал состоянием смерти. Характерный для процессов жизни динамический порядок может поддерживаться только за счет постоянной компенсации производства энтропии.

Следующим необходимым условием является способность к самовоспроизведению. Все молекулы и специфические упорядоченные надмолекулярные структуры, возникшие благодаря межмолекулярным взаимодействиям, имеют ограниченное время жизни из-за теплового движения. Чтобы не потерять накопленную в них информацию, они должны успевать до своего распада построить хотя бы одну идентичную копию, содержащую план строения и функционирования исходной структуры. Любое биологическое упорядочение направляется информацией.

Инструктирование требует специфических взаимодействий. Конечные значения энергий взаимодействия и возмущения, создаваемые тепловыми флуктуациями, делают совершенно точное воспроизведение принципиально невозможным. Всегда существует определенный темп ошибок, или мутаций, - наличие этих ошибок является существенным условием возможности эволюционного прогресса.

Конечно, оба последних условия нужно считать необходимыми, только если рассматриваемая система не может постоянно возникать de novo. Только для эволюционирующей системы важно сохранять и развивать однажды достигнутое информационное состояние. В этом состоит непосредственная связь со сложностью живых систем.

В настоящее время общепризнанно, что тремя существенными предпосылками образования живых структур являются метаболизм, самовоспроизведение и мутабильность. Эти свойства необходимы, но не достаточны. Количественное теоретическое рассмотрение динамики биологических систем реакций показывает, что не любой вид самовоспроизведения и мутабильности может привести к возникновению систем, способных к неограниченной эволюции.

Одно из величайших научных достижений нашего столетия - выяснение молекулярного механизма переноса информации и наследования в живых организмах. Все живые существа используют одну и ту же универсальную схему для кодирования, переноса (и перевода) информации и биосинтеза. В этих процессах доминируют два класса молекул: нуклеиновые кислоты как носители законодательного начала, и белки как носители исполнительного начала. Белками определяется вся коррелированная во времени программа синтезов живой клетки. Информация, т.е. план строения клетки и, следовательно, всего организма, заложена в одной молекуле нуклеиновой кислоты. Копии этого плана строения передаются от поколения к поколению.

Определим живой организм как открытую, саморегулируемую, самовоспроизводящуюся и развивающуюся гетерогенную систему, важнейшими функциональными веществами которой, являются биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Организм - система историческая, в том смысле, что он является результатом филогенетического, эволюционного развития и сам проходит путь онтогенетического развития - от зиготы до старости и смерти.

Источники:

  • Э. Шредингер "Что такое жизнь с точки зрения физики", М., Атомиздат, 1972,

  • М.Эйген, Р.Винклер "Игре жизни", М., Наука, 1979,

  • М.В.Волькенштейн "Биофизика", М., Наука, 1988.




[ Предыдущий вопрос    Оглавление      Следующий вопрос ]


vlad@ssl.nsu.ru