О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

и пространством. Сдвиг симметрии привел к образованию четырех сил,действующихвнашеммире.УжеупоминавшиесяСаламиВайнберг доказали родство тяжелых векторных бозонов, участвующих в слабом взаимодействии, с обычными фотонами – переносчиками электромагнитного излучения. Два поля были объединены, а сила получиланазваниеэлектрослабоговзаимодействия.Этопослужило толчком к постановке грандиозной цели – объединить все четыре силы, т.е. восстановить симметрию. Адронный коллайдер в числе прочих должен был попытаться решить и эту задачу – достичь та- кихэнергий,прикоторыхсотрутсявсегранимеждуфундаменталь- ными взаимодействиями. При всем уважении к науке, достижение подобных целей вряд ли возможно, и связано это не с какими-то техническими сложностями, хотя и это имеет место, а с самой фун- даментальнойпостановкойвопроса.Достижениетакойсимметрии, исходяизсамойсутиэксперимента,фактическиозначаетмоделиро- вание состояния смерти Вселенной, и не гипотетической тепловой, о которой мы говорили, а самой что ни на есть реальной, заключа- ющейсяввозвратекположению«дорождения».Физикинаверняка оспорят это утверждение, но в любом случае в обозримом будущем нидоказать,ниопровергнутьегобудетневозможно.

Стремлениесоздатьединуютеориюполяприводиткещеодной опасности, на этот раз связанной не с физическими, а с социальны- ми проблемами. Проблема заключается в том, что понятие поля позволяет оперировать им абсолютно недобросовестным людям. Вразногородапаранаукахактивноиспользуютсятермины«биопо- ле», «информационное поле» (если речь идет о человеке, это поле является аналогом знаменитой «ауры») и самые разные другие. Строя свою речь из наукоподобных бредовых терминов, мошенни- ки от науки, что называется, пудрят мозги наивным обывателям. Одним из последних примеров является изучение «торсионного поля, создаваемого генератором аффинного скручивания». Подоб- наятерминологияспособназаставитьповеритьвреальностьтаких исследований огромное число несведущих людей, испытывающих суеверный страх перед наукой. А отсюда недалеко и до массовой продаживоды,обработаннойэтимсамым«генератором».Опять-та- ки отвлекаясь от математического аппарата, можно представить себе нить, скрученную с двух сторон в жгут. Именно такое скручи- вание и называется аффинным. Аффинное скручивание плоского пространства(вприближенииккоторомуживемвсемы)невозмож- но, т.к. пространственно-временной континуум нашего обитания

51

(в просторечии – наш с вами мир) нельзя скрутить по одному из- мерению,незатронувостальных.Математикипрекрасноэтознают, и это явление называется аффинной связностью. Однако появля- ются ловкие дельцы, объявляющие открытие нового направления в науке, и выкачивают огромные суммы денег. Реальный факт: для исследования торсионных полей и разработки генератора аффин- ного скручивания в период с 1989 по 1991 г. (всего за два с неболь- шимгода!)вСССРбыловыделено500млнрублей.Каквидим,замо- рочить голову чиновникам от науки оказывается немногим слож- нее, чем рядовому гражданину... Когда же компетентная комиссия разобралась, что к чему, и дала свое заключение о псевдонаучности подобных исследований, было уже поздно, и «научные» экспери- ментысменилисьследственными.

НашкраткийобзоррожденияВселеннойисвязанныхсэтимяв- лений завершен. Автор надеется, что ему удалось выполнить глав- нуюзадачу–показать,чтосовременнаянаука–этоинтереснейший мир, путешествие по которому может приносить удовольствие всем, независимо от естественного или гуманитарного склада ума. В заключение остается лишь привестинебольшойсписокработ, ав- торы которых по-настоящему радуют читателя как в научном, так ивэстетическомплане:

■ ГамовА.МистерТомпкинсисследуетатом. ■■ ВайнбергС.Первыетриминуты.

■■ ВайнбергС.Мечтыобокончательнойтеории.

■■ ФейнманР.«Вы,конечно,шутите,мистерФейнман!» ■■ ХокингС.Краткаяисториявремени.

■■ ХокингС.Мирвореховойскорлупке.

■■ ХокингС.Черныедырыимолодыевселенные. ■■ ХокингС.Великийзамысел.

■

■■ ШкловскийИ.Вселенная,жизнь,разум.

52

Часть 2. ЗАГАДКА ЖИЗНИ

1. Пациент скорее жив, чем мертв,

или пара слов о важнейшем различии

Состояния жизни и смерти на первый взгляд не требуют уточ- нений и разъяснений. Действительно, что может быть очевиднее? Живоесуществоотмертвогослегкостьюотличитлюбойизнас.Или нет?Казалось бы, различие налицо – живое питается, дышит, рас- тет, размножается и т.д. Мертвое ничего этого делать не может – мертвая змея не шипит, не щебечет мертвый щегол... Тем не менее есть такие живые существа, которые при поверхностном знаком- стве покажутся, скорее, неживыми. Кораллы, из которых состоят рифы южных морей, растут чрезвычайно медленно, по несколько миллиметров в год, процесс их размножения почти не отличается отнакопленияосадочныхпород,питаниеидыханиеувидетьпрак- тически невозможно. Все это привело к тому, что их долгое время считали минералами, морскими камнями. Но даже этот пример не самый удивительный – в конце концов, люди разобрались, что к чему. А вот такие зловредные существа, как вирусы, доставля- ющие нам уйму неприятностей во время эпидемий гриппа, до сих пор поражают ученых. Все дело в том, что вирусы проявляют все свойства живого, лишь попадая в живую среду – внутрь биоло- гической клетки. Находясь же вне организма хозяина, они ведут себя в точности как неживые структуры – не дышат, не питаются, не размножаются, более того, при определенных условиях они мо- гутобразовыватькристаллическиесоединенияиливступатьвхи- мические реакции!

Все это привело к тому, что перед биологами встала острейшая проблема – найти некий универсальный критерий, по которому можнобылобыточноотличитьживоеинеживое.

53

Такие поиски сами по себе были необычайно увлекательны, и история проникновения в тайну жизни представляет собой за- хватывающее повествование, по накалу страстей не уступающее любому роману. Об этом речь пойдет чуть ниже, сейчас же сразу обратимсякитогам,которыеоказалисьнеменеепоразительными. Оказывается, ни один из вышеперечисленных признаков не явля- ется действительно отличительной характеристикой живого! Точ- нее, некоторые из них могут принадлежать и неживым существам, например, капля масла в солевом растворе определенной плот- ности может выпускать нечто вроде щупалец (биологи называют их псевдоподиями) и перемещаться. Другие же признаки могут отсутствовать даже у таких существ, которые мы безоговорочно признаем живыми организмами. Всем известно такое животное, как мул – помесь лошади и осла. Однако мулы, как и все «результа- ты» близкородственного скрещивания, не обладают способностью кразмножению–характеристикой,котораясчитаетсяоднойизба- зовых.

Выход из этой непростой ситуации пытались найти в двух на- правлениях. С одной стороны, «чистые» биологи пришли к выво- ду, что живым организмом может считаться лишь тот, у которого присутствует определенный комплекс таких признаков. Однако единственный по-настоящему универсальный критерий подска- зали биохимики. Оказалось, что, несмотря на огромное многооб- разие живых организмов и всю их несхожесть друг с другом, есть нечто, объединяющее человека и вирус, коралл и мула, плесень и кашалота и т.д. Это нечто кроется в самой структуре живого. Все безисключенияживыесуществасодержатвсвоемсоставедвавида молекул – это белки и нуклеиновые кислоты. Они получили назва- ние живых молекул. В ХХ в. получили объяснение многие процес- сы и свойства живого, которые не давали покоя ученым прошлого, и все они оказались связанными со строением и функциями этих веществ. Однако прежде чем перейти к рассмотрению этого во- проса, необходимо зафиксировать поразительный с точки зрения обыденного мышления факт, касающийся еще одного различия – междунеживымимертвым.ВVIв.дон.э.замечательныйгреческий философ Анаксимандр написал философский трактат «О природе» (надо заметить, что название, с нашей точки зрения, не отличалось оригинальностью–почтивсепроизведенияфилософовтоговреме- ни назывались либо «О природе», либо «О природе вещей». Анак- симандра извиняет лишь то, что он был первым, совершившим эту

54

стилистическую находку. Текст, который вы в данный момент чи- таете, называется так же. Автора может оправдать только то, что он, скорее всего, будет последним, кто рискнет дать такое название своему произведению). В нем содержится замечательная фраза: «...

из чего возникают все вещи, в то же самое они и разрешаются, со- гласно необходимости». Переведя это высказывание на современ- ный философский язык, можно сказать следующее: Анаксимандр имеетввиду,чтовсевозникаетизнебытияивозвращаетсяобратно внебытие.Точнотакжемыисейчассчитаем,чтопоистечениисро- ка жизни живое существо «уходит в небытие». Но с точки зрения строгойнаукиэтосовершеннонетак.

Биология заставляет отказаться от традиционной дихотомии «живое–неживое»,возникающейпоаналогиисделением«бытие– небытие».Втом,чтокасаетсяживыхсуществ,намнеобходимопом- нитьотрехвозможныхсостояниях–неживое,живоеимертвое.

Гранитный валун – предмет очевидно неживой. Дуб на опушке леса – столь же очевидно живой. Но что можно сказать о засохшем и спиленном дубе? Очевидно, что к живым существам его отнести уженельзя.Новтожевремямынеможемотнестиегоипростокне- живому. Между гранитом и спиленным дубом различий не меньше, чем между цветущим и засохшим деревом. Таким образом, третье состояние–состояниесмерти–этоспецифическаякатегория,кото- рую невозможно свести к понятиям бытия и небытия. С точки зре- ниясвоегосоставамертвыйорганизмпродолжаетсодержатьвсебе живые молекулы еще долгое время после смерти. Окончательно они исчезают лишь после полного разложения мертвого тела. Со- став,структурасохраняются,нофункцииисчезают.

Итак, главным отличием живого от неживого является струк- турно-функциональный комплекс, живое же от мертвого отличает отсутствие функций, процессов, характерных для живых организ- мовА. теперь самое время посмотреть, какие же особенности позво- ляют молекулам белков и нуклеиновых кислот осуществлять столь специфические функции, что одного их присутствия достаточно для выделения совершенно необычного состояния материи. Нач- немсбелков.Структураифункцииэтихвеществподробноописаны в любом учебнике по биохимии, однако нас эти подробности не ин- тересуют; оставаясь на позиции строгого гуманитария, практиче- ски любой студент, изучающий КСЕ, скорее всего, с ужасом захлоп- неттолстенныйфолиантссотнямизубодробительныхформул.Нам

55

интереснее другое: ЧТО делают белки, а не КАК они это делают. Ивэтомпунктемыобнаруживаеммножествофактов,поражающих воображение.

Первая и, скорее всего, самая главная функция белка – фермен- тативная. Ферменты – это просто-напросто иное название веществ, ускоряющих химические реакции, любой, окончивший среднюю школу,знает,чтоониназываютсякатализаторами.

Катализ давно известен, он широко применяется в самых раз- ных сферах промышленности, и ничего необычного вроде бы в нем нет.Однакокактолькоречьзаходитоферментах,необычноепрояв- ляетсебявполноймере.Этосвязанонессущностьюпроцессауско- рения (здесь мы наблюдаем принципиальное единство процессов, протекающих как в живой, так и в неживой природе), а с его скоро- стью.Одинпримерпоможетпоказатьэтовполноймере.

Анекдоты про блондинок давно уже стали классикой, однако в некоторых вопросах блондинки разбираются куда лучше других, в частности – как стать блондинкой? Именно поэтому они близко знакомы с таким веществом, как перекись водорода. Оно продается в любой аптеке и представляет собой немного модифицированную молекулу воды. Формула воды – Н2О, формула перекиси – Н2О2. «Лишний» атом кислорода резко меняет качество – перекись водо- рода является очень ядовитым веществом, недаром ее используют для обеззараживания ран. Кроме того, это нестойкое вещество, оно разлагаетсянаводуисвободныйкислород,правда,делаетэтоочень медленно: один кубический сантиметр этой жидкости разлагается застолет.

В связи с этим живые организмы столкнулись с серьезной про- блемой. Дело в том, что перекись вырабатывается при пищевари- тельном процессе. В каждой клетке при переваривании питатель- ных веществ происходит многоступенчатая химическая реакция, известная как цикл Кребса. Так вот, на одном из ее этапов перекись водорода выделяется в качестве побочного продукта реакции. По- скольку процессы питания в живой клетке идут почти постоянно, количество яда, выделяемого при этом, должно быть достаточ- но велико. И для решения этой проблемы были привлечены бел- ки-ферменты. При их участии кубический сантиметр перекиси расщепляется в организме за... одну секунду, превращаясь из силь- нодействующего яда в два химических вещества, необходимых для жизни, – кислород и воду. Трудно представить величину ускорения реакцииразложения!

56

К ферментам относятся и вещества, отвечающие за тонкую на- стройку организма, – гормоны. Несмотря на отсутствие у студен- тов-гуманитариев интереса к химии, всем известны как минимум два гормона – тестостерон и эстраген. Именно они позволяют про- тивоположным полам проявлять интерес друг к другу и определя- ют«мачистость»мачои«феминность»юныхдив.

Втораяважнейшаяфункциябелков–защитная.Именноэтимо- лекулы отвечают за безопасность наших организмов. При любой угрозе извне, при малейшем нарушении целостности внешних по- кровов мгновенно мобилизуется огромная армия невидимых стра- жей. Любому из нас доводилось наблюдать, как при царапинах, за- нозахипрочихнеприятностяхтакогородапроисходитпокраснение участка кожи, повышается температура, словом, мы видим все то, что привыкли называть воспалением. Это молекулы белков изоли- руют поврежденный участок и разрушают вредоносный внешний объект.Такаяразновидностьбелковназываетсяантителами,имен- ноониотвечаютзаформированиеиммунитета.

Значимость этой функции проявляется еще в одном аспекте. Многие из нас страдают от невероятно распространенного не- дуга – аллергии. А ведь эта болезнь – не что иное, как ураганный выброс антител в ответ на незначительное воздействие. Он возни- кает, если в защитной системе организма происходит сбой и по ма- лейшему поводу объявляется «всеобщая мобилизация». Аллергию можносравнитьсвыстреломизпушкиповоробьям,правда,вместо воробьевантителананосятмассированныйударповсемуорганиз- му в целом.

Еще одна функция белков – строительная. Оболочка клетки ивсееевнутренниеэлементыобязательновключаютвсвойсостав белковые молекулы. И здесь проявляется еще одно удивительное свойство – избирательная проницаемость. Белки в сочетании с не- которыми другими веществами обеспечивают беспрепятственное прохождение определенных элементов в одну сторону, скажем, внутрьклетки,инепозволяютэтимжеэлементампокидатьклетку. Засчетэтоговнутриудерживаютсятакиеважнейшиевещества,как калий, магний и многие другие микроэлементы. Но при определен- ных условиях оболочка (биологи называют ее мембраной) может изменить направление потока. Благодаря этому в клетке поддер- живается постоянный баланс. Возникает вопрос: откуда мембрана узнает, в какую сторону необходимо обеспечивать проницаемость? Оказывается, за это тоже отвечают белки, выполняющие очеред-

57

ную функцию – информационную. Обычно мы говорим, что за хра- нение и передачу информации отвечают нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК. Однако это касается только генетической информации, т.е. той, которая передается из поколения в поколение (подробно речь об этом пойдет чуть ниже). В том же, что касается актуально- го, «сиюминутного» состояния, вся информация передается только припомощибелков.

Наконец, белки выполняют еще одну важнейшую функцию, без которой немыслимым было бы само существование организма как целостной системы. Есть хочется всем – это положение не требует доказательств! Между тем в многоклеточных организмах суще- ствуетспециализация,изапроцессыпищеваренияотвечаютстрого определенные органы. За перенос питательных веществ от пище- варительного тракта ко всем другим частям тела также отвечают белки. В частности, у человека, да и у всех животных с красной кро- вью, транспортную функцию выполняет гемоглобин. Способность белков выполнять столь разнообразные функции объясняется их сложнейшим составом. Каждая молекула содержит тысячи эле- ментов. Традиционные химические формулы были бы настолько громоздкими, что работать с ними ученым было бы весьма затруд- нительно. Поэтому по мере изучения биологи и биохимики стали рассматривать белки с точки зрения их полимерного состава. Сто- ит напомнить, что полимер – это сложная молекула, состоящая изпростых,называемыхмономерами.Посути,любаямолекулабел- ка представляет собой цепочку, состоящую из отдельных звеньев. Эти звенья получили название аминокислот. Каждая аминокислота сама по себе является достаточно сложной молекулой, так что ис- пользование аминокислотных сокращений значительно облегчило жизнь. Но даже несмотря на это, формулы многих белков остаются невероятно большими и сложными; так, молекула белка с веселым названием«титин»состоитизтридцативосьмитысячстатридцати восьмиаминокислот!Правда,титин–самыйбольшойизизвестных насегоднябелков,нодажесравнительно«простые»молекулыэтих веществсодержатсотнимономеров.

Полимерная структура белка отличается линейной последова- тельностью,т.е.внейнетникакихответвлений.Такаяцепьназыва- ется первичной структурой. Как и обычная цепь, аминокислотная цепочка может складываться, делать зигзаги, витки вокруг соб- ственной оси. Так образуется пространственная – вторичная и тре- тичная – структура белка. Четвертичная – наивысшая – структура

58

представляет собой нечто похожее на клубок ниток – плотно свер- нутуюаминокислотнуюцепь.

Изучениембелка,егосвойствисоставазанималисьмногиеуче- ные начиная с XVIII в., когда Антуан де Фуркруа впервые отметил необычные свойства некоторых органических веществ. На этом путибылонемалонобелевскихлауреатов,пожалуй,неменьше,чем вквантовоймеханике.Нонасвпервуюочередьинтересуютдваиме- ни – Луи Пастер и лорд Кельвин. Именно с ними связано открытие некоего потрясающего свойства белков (а также некоторых других органических веществ), которое именуется абсолютно приличным термином«хиральность».

Собственноговоря,Кельвинлишьдалназваниеэтомуявлению. Заслуга его открытия целиком принадлежит Пастеру, который, вы- ращивая кристаллы в сложном органическом растворе (для особо интересующихся можно заметить, что это был раствор рацемиче- ского тартрата натрия-аммония, всем прочим автор рекомендует сейчас же выбросить из головы это каббалистическое заклинание), обратил внимание на то, что образующиеся кристаллы были двух видов, зеркально симметричных друг другу. Пастер не смог дать удовлетворительного объяснения этому явлению, это сделали два других исследователя – Вант Гоф и Ле Бель. Они выдвинули пред- положение, что такое деление вызвано способностью атома угле- рода присоединять к себе другие элементы разными способами. Если рассмотреть простейшее соединение углерода – всем хорошо известный газ метан, горящий в наших кухонных плитах, то можно увидеть, что все молекулы будут совершенно одинаковыми. Одна- коприпереходекболеесложнымсоединениямпоявляетсяпростор для вариаций. Еще одно вещество, формулу которого прекрасно знают все студенты, независимо от их профессиональной направ- ленности,–этиловыйспирт.Онописываетсяхимическойформулой С2Н5ОН. И если рассмотреть пространственное расположение ато- мов,входящихвегосостав,томожнозаметить,чтомогутсущество- ватьдверазновидности.

Здесьнеобходимосделатьоговорку.Насамомделе,всилуопре- деленных физических свойств молекула этилена всегда строится по первому варианту. Поэтому данный пример автор использует лишь для того, чтобы проиллюстрировать принцип хиральности, взяв молекулу, с которой у большинства студентов связаны самые приятныеассоциации.Темнеменеевкачественаглядногопримера этиленподходитнаилучшимобразом.

59

Что же касается аминокислот, то все они обладают этим свой- ством.Болеетого,всеаминокислоты,входящиевсоставвсехбезис- ключениябелковвсехбезисключенияживыхорганизмовнаЗемле, обладаютуникальнымкачеством,именуемымхиральнойчистотой. Это означает, что в состав белка входят только молекулы одного вида, так называемые левовращающие. На этом моменте необходи- мо остановиться подробнее, поскольку без понимания, что это та- кое,невозможнобудетпонятьосновныеконцепциипроисхождения жизниисутьнекоторыхаргументоввспоремеждуэволюциониста- миикреационистами.Нонебудемзабегатьвперед.

Ученые с давних пор используют так называемый поляризо- ванный свет. Чтобы понять, что это такое, достаточно вспомнить, что свет – это волна (об этом мы подробно говорили в первом раз- деле). Но световые волны, исходящие из источника, могут распо- лагаться в самых разных плоскостях, образуя в результате нечто вроде веретена. Если же на пути такой световой волны поставить экран с прорезью, очевидно, что сквозь него пройдут лишь такие волны, чья плоскость совпадает с плоскостью прорези. Вот этот «плоский» свет и называется поляризованным. И при прохожде- нии такого света через раствор аминокислот обнаружилась удиви- тельная вещь: плоскость поляризации вращалась против часовой стрелки, т.е. верхний гребень световой волны отклонялся влево. Поэтому молекулы аминокислот живых организмов и получили название левовращающих.

В ХХ в. научились синтезировать некоторые аминокислоты, но, удивительное дело, искусственно, химическим путем получен- ныемолекулыбыликаклево-,такиправовращающими.Химически- мисредствамиразделитьихневозможно,посколькуформула,азна- чит,химическийсостав,абсолютноодинаков.Нозатомногиеживые организмы прекрасно справляются с этой задачей: так, дрожжевые грибы определенного вида, будучи посеянными на раствор, содер- жащий смесь лево- и правовращающих молекул молочной кисло- ты, съедают только левовращающие, демонстративно пренебрегая остальными. Да и человек различает на вкус чисто лево- и чисто правовращающие растворы некоторых аминокислот. Таким обра- зом, хиральная чистота – наличие только левовращающих моле- кул–являетсяобязательнымпризнакомбелковестественногопро- исхождения. К слову, хиральной чистотой обладают и нуклеиновые кислоты,толькоониотклоняютплоскостьполяризациипочасовой стрелке,т.е.являютсяправовращающими.

60