Нечто невозможное
Откуда взялась жизнь на Земле
Живое на земле — откуда мы? В версиях недостатка нет — от сугубо научных до самых фантастических. Человечество ищет ответ на этот вопрос уже тысячелетия. Ответить на него попытался известный российский биофизик Всеволод Твердислов в ходе лекции, состоявшейся в образовательном центре «Сириус». Он объяснил, почему на Земле существует лишь один живой организм, что общего между слизевиком и железными дорогами в Токио и как нужно искать инопланетян. «Лента.ру» приводит основные тезисы его выступления.
Три вопроса
В науке для просвещенного человечества существует всего три вопроса: как появилась Вселенная, как в ней зародилась жизнь и как живое научилось думать. Чтобы разобраться в столь глобальных темах, мыслить нужно масштабно, не в рамках какой-либо одной конкретной науки.
Очень многие процессы можно объяснить с помощью такого понятия, как «самоорганизация активных сред». Активная среда энергетически и информационно совмещает разнородные процессы в пространстве и времени. Такие разные, казалось бы, явления, как распространение огня в степном пожаре, распространение слухов и инфекций, валют или языков объясняются одинаково, если рассматривать их с позиций биофизики.
Иными словами, механизмы самоорганизации в физико-химических, биологических, экологических и социальных системах можно рассматривать с общих позиций. Имея представление о самоорганизации активных сред, можно создать модели, которые описывают такие несхожие на первый взгляд процессы, как работа лазера, свертывание крови, химические реакции, биение сердца или появление годовых колец у дерева.
Еще Аристотель утверждал: «Правильно в философии рассматривать сходство даже в вещах, далеко отстоящих друг от друга». Современная наука исходит из того, что это утверждение верно не только для философии.
Местные мы
Сколько на Земле организмов? Один: биосфера. Это единственный самодостаточный организм, под ногами у него таблица Менделеева, сверху аш ню падает, то есть кванты света. Ну и условия Земли, конечно, надо принимать во внимание.
Активная среда самоорганизуется по одинаковым принципам, независимо от ее размера. В качестве примера можно рассмотреть то, как по коре дуба расползается слизевик. Простейший организм, клетка размером в полмиллиметра, кусочек слизи, который может настолько разрастись, что покроет метры дерева.
Ученые провели эксперимент, взяв за основу географическую карту Токио и окрестностей. Вокруг слизевика, который как бы находится на месте японской столицы, они разложили пищу в тех местах, где располагаются соседние с Токио города и поселки. Слизевик начал движение в сторону пищи, прокладывая к ней каналы — «тропы». Когда исследователи сравнили схему движения подопытного организма и реальную карту японских транспортных артерий, они совпали. Все активные среды самоорганизуются, подчиняясь одним и тем же законам.
Самоорганизация — основа всего живого на земле. При этом важно учитывать, что определяется эта самоорганизация прежде всего физическими законами — даже в биологии, хотя люди привыкли трактовать биологию через химические соединения. Если речь идет о наследственности, то вспоминают ДНК. Если говорят о биологических рабочих инструментах, то подразумевают белки и ферменты. Если слышат об оболочке клетки, то на ум приходят липидные мембраны.
В результате даже астрономы, когда ищут жизнь во Вселенной, ориентируются на углеродные соединения, напоминающие аминокислоты. Если встречается что-то, напоминающее нуклеиновые кислоты, то делается предположение о существовании там форм жизни. Но ведь совершенно не очевидно, что вне Земли будут такие же ДНК, как здесь.
Как происходит естественный отбор на Земле? Природа предпочитает одни кислоты и отвергает другие не потому, что они ей нравятся или не нравятся. И даже не сами аминокислоты отбираются — природа выбирает среди разных физических форм принципы эффективности: самая эффективная побеждает. А значит, и внеземные цивилизации надо искать не через ДНК, из которых состоим мы, люди, а через физические формы потребления энергии.
На этом основана концепция сферы Дайсона, разработанная американским астрофизиком Фрименом Дайсоном. Идею он, кстати, позаимствовал из книги «Создатель звезд» фантаста Олафа Стэплдона. Как он предлагал искать инопланетный разум? Необходимо создать в космосе тонкую сферическую оболочку большого радиуса, сопоставимого с радиусом планетных орбит, со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация инопланетян может использовать сферу для полной утилизации энергии звезды или для решения проблемы жизненного пространства. По энергетическим колебаниям инопланетяне и будут обнаружены.
Пока вне Земли не найдено ни одного даже самого примитивного соединения, какое не могло бы быть синтезировано на нашей планете. Все, что обнаружено в космосе, производится самой Землей сейчас. Иными словами, нет никаких доказательств, что жизнь на Землю была привнесена извне. Это опровергает гипотезу панспермии, которая предполагает, что зародыш жизни (например, споры микроорганизмов) был занесен на нашу планету из космоса, скажем, метеоритом.
Если на метеорите прилетит пять аминокислот, ведь из них еще нужно сделать клетку. Представьте, что у вас есть скрипка, барабан и фагот, но один лишь факт наличия этих музыкальных инструментов еще не означает, что у вас есть оркестр. В этом и состоит главная тайна зарождения жизни. Этот оркестр нам на Землю никто не привозил. Все соединения, которые обнаружены в космосе, получаются и на Земле — с помощью молний и естественных природных катализаторов.
Избегайте равновесия
Часто можно услышать выражение «этот организм находится в равновесии с окружающей средой». Физик данную фразу трактует однозначно: «этот организм мертв». Мы с вами принципиально неравновесные и удалены от термодинамического равновесия, и уж если говорить о наших отношениях с окружающей средой, то находимся мы в термодинамическом, энергетическом и материальном балансе. Это могут быть стационарные отношения или нестационарные, но никак не равновесные. Равновесие у нас может быть только на погосте.
Сама суть жизни — это взаимодействия разностей химических и электрических потенциалов, концентраций и так далее. Только в случае неравенства и неравновесия может идти химический процесс. С точки зрения биофизика, энергетическая жизнь — это парабола. В нижней точке жизнь замирает, в каком-то смысле ее там нет. Процессы самоорганизации активной среды начинаются тогда, когда заканчивается равновесие и система удаляется от него.
Если взять две системы с одинаковым электрическим потенциалом — неважно, сколь он велик, — то никакого движения зарядов быть не может. Нужна асимметрия. Это — главное условие начала процессов. Химическими процессами движет физика. На этом строятся современные системные биология и биофизика. И сейчас одно из самых перспективных направлений — это наука, которая с одной стороны включает в себя биофизику, а с другой — синергетику.
Знаменитый французский физик, лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри сказал, что природой движет нарушение симметрии, само движение по сути есть искажение симметрии, ведь симметрия — это статика.
Надо учитывать, что природа часто не подчиняется тому, что физики по традиции называют «законом». Например, закон Гука — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна приложенной к нему силе. Но этот закон неприменим к большим деформациям — невозможно растянуть пружинку, к примеру, на 10 километров. Значит, не каждый закон физики является законом природы. Надо разбираться в пропорциональных линейных зависимостях. Тут становится очевидным, что удаленные от равновесия системы могут проходить гладкие участки и попадать в так называемые точки бифуркации — то есть раздвоения.
Очень часто (особенно политики) говорят, что развитие должно идти по пути эволюции, а не революции. Но эволюция, в том числе биологическая, после гладкого развития идет как раз через бифуркацию, и предсказать, какой она будет, пройдя точку раздвоения, очень сложно. Степень точности прогноза — примерно как у синоптиков. Вероятность стопроцентного совпадения маловероятна, так как даже сама природа не знает, как себя поведет, пройдя точку бифуркации.
Предельно упрощая, можно сказать, что жизнь на Земле представляют собой систему, состоящую из двух сопряженных подсистем — биосферы и человеческой «экономики». Каждая из них является иерархически организованной активной средой, ни одна из них уже не может существовать сама по себе.
Именно в этом направлении сейчас развивается наука о живом — в поиске соотношения между потоками энергии вещества и информации и пространственно-временной самоорганизации. Например, почему рыбы часто плавают большими косяками? Таким образом они снижают сопротивление воды для каждой отдельной движущейся рыбы. Но вдруг появляется акула, и косяк распадается. Это функционально, но и это — изменение симметрии. А если посмотреть на произошедшее с точки зрения биофизика, это — бифуркация.
На пороге нового прорыва
К началу XX века практически все классические фундаментальные науки вроде бы были завершены. Географические открытия сделаны, астрономы все ближайшие созвездия и устройство Солнечной системы описали, геологи все разведали, физика и химия завершены, уравнения Максвелла написаны, электромагнетизм понят, теоретическая механика усвоена, таблица Менделеева есть, люди понимают, как устроены органические соединения. Казалось, все известно — дальше двигаться некуда.
И вдруг прорыв: появляется квантовая механика, появляется теория относительности, квантовая механика приходит в химию и придает ей новый мощный импульс. Уже к середине XX века у классических наук образовалось огромное количество ответвлений: физика твердого тела, физика высокомолекулярных соединений, физика космоса и так далее. Науки рассыпались по огромному числу прикладных направлений. Владимир Иванович Вернадский, знаменитый русский и советский ученый-естествоиспытатель, писал: «Рост научного знания XX века быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам».
Благодаря этому произошел сильнейший рывок цивилизации, мощный прорыв. Но человечество, обрадовавшись сильному старту, весьма бездарно провело вторую половину XX века и начало XXI. Прикладные направления наук не дали миру ничего по сути нового, они постоянно обновляют оболочку уже старых идей. Например, атомные электростанции стали намного надежнее, но сам принцип их функционирования не изменился с 1950-х годов. Гаджеты становятся тоньше, мы говорим, что они более современные, но принципы их действия остаются прежними.
Для нового цивилизационного прорыва настало время сосредоточиться не на прикладных направлениях науки, а на фундаментальных, чтобы дать миру новый прорыв, который затем прикладные направления будут еще сто лет эксплуатировать.
Происходит новое соединение наук. Физика начала соединять два своих крайних крыла, совмещая представления о самом малом и самом большом, то есть элементарные частицы и Вселенную. Ученые плотно занимаются теорией Большого взрыва. Такие же процессы идут в биологии. Исследователи консолидируют свои знания о большом (биосфере) и малом (геноме).
Кстати, в неспособности научить видеть картину мира в целом заключается одно из слабых мест и современного образования: ученики и студенты получают много разрозненных сведений, существующих в сознании обособленно, не превращаясь в единое знание. Часто употребляемое выражение «клиповое мышление» как нельзя лучше описывает эту ситуацию.
Что даст объединение наук? Скоро узнаем и, возможно, удивимся. Знаменитый английский писатель Артур Кларк, один из так называемой «большой тройки научных фантастов», чье влияние не ограничивалось рамками литературы, в своей книге «Черты будущего» (1962 год) сформулировал «законы Кларка», и первый из них гласит: «Если заслуженный, умудренный жизненным опытом ученый говорит, что нечто в науке возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определенно ошибается».