Связь биологии и физики
Взаимодействие физики с биологией имеет давнюю историю. Еще Р. Декарт искал объяснения кровообращения и других физиологических процессов на механической основе, считая человеческое тело своего рода машиной. Те же идеи были развиты в двухтомном труде Д. Борелли "О движении животных" (1680-1681). Механические представления этой эпохи очень наивны, но для своего времени они имели прогрессивное значение, будучи попыткой научного истолкования явлений жизни. Открытие и исследование электрических явлений в XVIII в. привели к представлению о "животном электричестве" как главном регуляторе жизни. Л. Гальвани открыл электрическую стимуляцию мышечного сокращения и пришел к важному выводу о тождестве животного и машинного электричества. Эти и другие открытия развивали понимание единства физических процессов в живых и неживых телах. М. В. Ломоносов писал, что "физиолог должен давать из физики причины движения живого тела".
В 1780 г. А. Лавуазье доказал единство горения и дыхания, а в 1828 г. Ф.Вёлер синтезировал вещество животного происхождения - мочевину - из неорганических веществ. Химия жизни стала объединяться с химией в целом.
В XIX в. были заложены надежные основы научной биологии - Чарлз Дарвин построил теорию эволюции, Грегор Мендель открыл фундаментальные законы генетики. Изучение биологических явлений оказало мощное воздействие на физику. Закон сохранения энергии был открыт Р.Майером и Г.Гельмгольцем, занимавшимися физиологией и медициной. Р. Майер в 1841 г. обратил внимание на то, что у людей в тропиках венозная кровь по яркости окраски приближается к артериальной. Он заключил, что при повышении температуры среды нужна меньшая затрата энергии для поддержания постоянной температуры тела и пришел к формулировке общего закона и к оценке механического эквивалента теплоты и др.
«Великая» проблема касается связи физики с биологией. С конца XIX в. и примерно до 60-х или 70-х гг. XX в. физика была, можно сказать, наукой главной, доминирующей. Было выяснено строение атома и атомного ядра, строение материи. Сколь это важно и, например, для биологии, совершенно очевидно. Но дальнейшее развитие фундаментальной физики, основ физики и конкретно создание кварковой модели строения вещества для биологии и других естественных наук непосредственного значения не имеет.
В то же время биология, используя все более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и после расшифровки в 1953 г. генетического кода начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная, заняла место лидирующей науки
Вопрос о редукционизме — это одновременно великая и физическая, и биологическая проблема, и она, конечно, будет одной из центральных в науке XXI в. Мы полагаем, что знаем, из чего устроено все живое: из электронов, атомов и молекул. Знаем строение атомов и молекул, а также управляющие ими и их излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции — возможности все живое объяснить на основе уже известной физики. Основными остаются вопросы о происхождении жизни и появлении сознания (мышления). Образование в условиях, царивших на Земле несколько миллиардов лет назад, сложных органических молекул уже прослежено, понято и смоделировано. Казалось бы, переход от таких молекул и их комплексов к простейшим организмам, к их воспроизводству, можно себе представить. Но здесь имеется какой-то скачок, фазовый переход. Проблема будет решена безоговорочно только после создания «жизни в пробирке». Что касается физического объяснения появления сознания и мышления, можно сослаться лишь на обсуждения возможности создания «искусственного интеллекта». Разумеется, люди верующие решают проблемы очень просто: жизнь и сознание «вдохнул» в неживое Бог. Но подобное «объяснение» представляет собой сведение одного неизвестного к другому и выходит за пределы научного мировоззрения и подхода.
Вместе с тем, можно ли считать, что возможность редукции биологии к современной физике несомненна? Пока дело не сделано, нельзя исключать возможность того, что мы даже на фундаментальном уровне еще не знаем чего-то необходимого для редукции.
О будущем нельзя не думать с завистью — сколь много важного и интересного мы узнаем даже в ближайшие лет десять!
Двадцатый век — всего лишь отрезок линии прогресса, уходящей в бесконечность. Это столетие прошло под знаком «гибридов»; значительнейшие открытия были сделаны в областях химической физики и физической химии, молекулярной биологии и биологической химии, теоретической биологии и теоретической физики. И конечно же во всех областях исследований полноправной сотрудницей была математика. Великие положения эйнштейновской теории относительности записывались уравнениями. Как, впрочем, и идеи Гейзенберга, Шредингера, де Бройля, Дирака…
Взаимопроникновение наук будет продолжаться. На стыках дисциплин станут появляться все новые и новые направления исследований. Уже сегодня знаменитый МИФИ готовит специалистов-физиков, призванных управлять сложнейшей аппаратурой во время хирургических операций. Специальность «физик-хирург» — чем не иллюстрация нашего положения о всеобщей связи знаний?
Биологи близки к полной расшифровке генетической карты человека. Генетики готовы клонировать все и вся. Электронщики создают невидимые глазу микрочипы — датчики, требующие доселе неизвестных материалов с новыми физическими свойствами, лазеры проникают повсеместно, создатели волоконно-оптических линий связи грезят о телепатии и телепортации, виртуальные реальности грозятся вытеснить окружающую действительность… В таком мире мы живем, растим детей, учимся, трудимся, любим… И порой не замечаем, как быстро меняется пейзаж за окнами, как на смену «окнам-95» пришли «окна-98», «окна-2000»…
В лабораториях открывают все новые сверхтяжелые химические элементы. Так, сотрудники Объединенного института ядерных исследований в Дубне 19 июля 2000 года синтезировали в недрах циклотрона 116 элемент. Это открытие подтверждает гипотезу, что таблица Менделеева не заканчивается трансурановыми элементами. Физики-теоретики обсуждают свойства атома с порядковым номером 400!
Говорят, что Стивен Хокинг близок к тому, чтобы воскликнуть: «Эврика! Есть единая теория взаимодействий!» И воскликнет это парализованный человек, лишенный вследствие болезни дара речи — воскликнет с помощью современного компьютера, который связывает ученого с миром.
Бурно развиваются нанотехниологии. Нанометры — это миллиардные доли метра. Такими единицами измеряются электрические цепи, призванные решать самые сложные задачи. В 1959 году физик-теоретик Фейнман предсказал появление наноприборов. Тогда его пророчество было воспринято как шутка. А сейчас люди близки к тому, чтобы подобно героям потрясающего своими спецэффектами фантастического фильма «Внутренний космос» пуститься в плавание на миниатюрной субмарине по кровеносным сосудам человека. Если, конечно, самим удастся уменьшиться до полной микроскопичности…
Наступивший век уже называют столетием биологии. Похоже, представители этой науки, как в XX веке — физики, в ближайшем будущем преподнесут собратьям по разуму множество открытий. И будут ли все они приятны, известно одному Богу (или его антиподу). Впрочем, многие плоды науки — словно дети двуликого Януса. Однако ни законами, ни призывами к морали прогресс мысли не остановить. Что не запрещено законами самой природы, позволительно человеку.
Научные авторитеты всего мира собираются вместе, чтобы обсудить пути решения глобальных проблем, встающих перед человечеством. Это и СПИД, и истощение энергетических ресурсов, и озоновые дыры, и нарушение экологического баланса, и права человека. Голос ученых обращен к политикам, олигархам и военным. Верится, что сильные мира сего не только слышат этот голос, но и прислушиваются к нему.
В современном мире возрастает роль как прикладных, так и фундаментальных научных разработок. Ум, интеллект и интеллектуальная собственность все больше становятся товаром во всех смыслах этого слова, включая и положительный. Кажется, настают такие времена, когда деньги уже можно зарабатывать своими мозгами — и не только в популярной телевизионной игре. То, что самый богатый человек планеты Билл Гейтс достиг своего нынешнего состояния именно благодаря собственному компьютерному гению — лишнее тому подтверждение.
После написания этих статей, пришло известие о том, что российскому ученому Жоресу Алферову присуждена Нобелевская премия по физике за 2000 год. Россия возвращается в мировую научную элиту. Творческий путь нового лауреата типичен: учеба выбор цели и упорный труд в великом и могучем Физтехе - Институте имени Иоффе. Премию Жорес Иванович получил «за исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерные диоды и сверхбыстрые транзисторы». Это значит, что работам Алферова мы обязаны возможностью считывать информацию с CD, поскольку иголкой в этом «патефоне» служит полупроводниковый лазер. Полупроводниковый гетеропереход новое слово в физике, сулящее еще неоткрытые возможности.