Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом
В течение всего развития науки наблюдалось пересечение физики и родственной дисциплины – химии. И правда, некоторые величайшие ученые своего времени, включая Майкла Фарадея, занимались обеими науками. И это касается не только химии; значительна роль физики и в развитии, например, биологии. Физики проявляют интерес к широкому спектру биологических проблем; в результате возникла необычайно увлекательная научная область под названием «биофизика». Но является ли биофизика отраслью физики или это частный случай применения физических методов к биологии? И имеет ли это различие какое-либо значение? Если физика в конечном счете лежит в основе химии и химических процессов, а явления, происходящие внутри организма, и сами представляют собой химические процессы, только более сложного уровня, то из этого, безусловно, следует, что и в основе биологии лежит все та же физика. В конце концов, все сущее, живое и неживое, состоит из атомов и подчиняется законам физики.
В попытке найти и сформулировать фундаментальные принципы, управляющие биологическими процессами, физики, как это им свойственно, задались вопросом, что же отличает живое от неживого, учитывая, что и то и другое состоит из одинаковых элементов. Ответ кроется собственно в самой физике: жизнь обладает способностью поддерживать себя в состоянии низкой энтропии, далекой от теплового равновесия, а также сохранять и обрабатывать информацию. Таким образом, создается ощущение, что понимание того, что особенного есть в жизни, должно прийти из фундаментальной физики. Когда я пишу эти слова, я легко представляю себе, как мои коллеги-химики и биологи закатывают глаза от возмущения перед этим свидетельством типичного для физиков чувства собственной значимости. С другой стороны, верно и то, что многие открытия в биологии и генетике принадлежат физикам, включая Лео Силарда, Макса Дельбрюка и Фрэнсиса Крика. В частности, на Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Розалиндой Франклин открыл двухспиральную структуру ДНК, оказал большое влияние физик Эрвин Шредингер, замечательная книга которого «Что такое жизнь?», выпущенная в 1944 году, и сейчас весьма актуальна.
С прикладной точки зрения физики активно участвовали в разработке многих технологий, которые применяются для исследования живой материи, начиная с рентгеновской дифракции и кончая МРТ. Даже скромный микроскоп, без которого не смогла бы обойтись ни одна лаборатория, был изобретен в XVII веке после сотен лет исследования природы света и того, как его можно преломлять и фокусировать посредством линз. Причем оба изобретателя, Антуан ван Левенгук и Роберт Гук, использовали микроскоп для изучения живых организмов. И правда, если проанализировать огромный вклад в науку, сделанный Гуком, то обнаружится, что согласно нынешним взглядам он скорее был физиком, чем биологом.
В последние 20 лет мой интерес вызывает одна новейшая область исследования, которая называется квантовой биологией. Как мы уже говорили, вся материя в конечном счете состоит из атомов, а следовательно, на глубинном уровне подчиняется законам квантового мира, как и все остальное во Вселенной. Это, конечно, само собой разумеется. Но квантовая биология скорее касается последних исследований в области теоретической физики, экспериментальной биологии и биохимии, которые заставляют предположить, что некоторые из самых парадоксальных идей квантовой механики, таких как туннелирование, суперпозиция и запутанность, могут играть важную роль в функционировании живой клетки. Для объяснения ключевых результатов экспериментов в области функционирования ферментов или процесса фотосинтеза, по-видимому, требуется обращение к квантовой механике. Для многих ученых это стало огромным сюрпризом; они отказываются верить, что жизненные процессы могут зависеть от таких неуловимых и непредсказуемых факторов, и многие из этих идей все еще подвергаются тщательному анализу. Однако не будем забывать, что у жизни на Земле было почти четыре миллиарда лет, чтобы найти пути развития, дающие ей какие-то преимущества. Если квантовая механика может сделать определенный биохимический процесс или механизм более эффективным, то эволюционная биология им обязательно воспользуется. И это не волшебство, это… ну да, это просто физика.
