75 лет вопросу Шрёдингера «What is life?»

Кирилл Мошков,
кандидат биологических наук, доктор химических наук,
Академический лицей «Физико-техническая школа» Санкт-Петербургского Академического университета РАН
«Троицкий вариант — Наука» №9(278), 7 мая 2019 года

Эрвин Шрёдингер

В 1944 году Эрвин Шрёдингер выпускает небольшую книжку, материал для которой составили лекции, прочитанные им в Дублине годом ранее. Там располагался созданный специально «под своего» лауреата Нобелевской премии по физике Институт перспективных исследований (ирландский аналог института в Принстоне, где работал Альберт Эйнштейн — многолетний оппонент Шрёдингера). Эта работа одного из творцов квантовой механики вместе с подзаголовком именовалась так: What is life? The Physical Aspect of the Living Cell.

Многие представители точных наук, занятые прежде в Манхэттенском проекте и в других оборонных областях, позднее почти что в унисон говорили: Шрёдингер открыл для них после «демобилизации» манящую своей загадочной новизной сферу приложения интеллектуальных возможностей — генетику, позволив избежать «простоя» мозгам любознательных ученых. Да и в СССР работе What is life? поначалу невероятно — если не сказать сказочно — повезло. Она появилась в 1947 году в русском переводе известного биолога А. А. Малиновского под названием «Что такое жизнь с точки зрения физики?» и с ней успели ознакомиться и оценить по достоинству многие физики, химики, биологи. Но уже в следующем, 1948 году, после августовской сессии ВАСХНИЛ, судьба этой книги была предрешена. Гены? Хромосомы? А тут еще и эпилог усугубил вину автора наличием Шопенгауэра и мифических Атмана с Батманом. Не помогло и послесловие, написанное строго в рамках марксистско-ленинской философии переводчиком книги, который пытался объяснить властям предержащим различие между ученым-материалистом и философом-идеалистом. Не помогло! Замечательный труд Шрёдингера оказался «вне закона» — разумеется, советского.

Главное достоинство этой монографии, актуальное и в наше время, состоит в том, что автор, выдающийся представитель естественно-научных дисциплин, сформулировал новую, небывалую по сложности проблему перед своими коллегами: «Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?» Совершенно очевидно, что уровень развития этих наук в первой половине XX века не позволял решить эту грандиозную задачу. Но сам Шрёдингер оставался оптимистом: «Явная неспособность современной физики и химии объяснить эти явления не дает никаких оснований сомневаться том, что они могут быть объяснены этими науками».

Показательно, что все главные авторы открытия строения ДНК, ставшие Нобелевскими лауреатами, в своих воспоминаниях отмечали, что книжка Шрёдингера была для них «как второе рождение» (Фрэнсис Крик) и «перекрещивание в биологическую веру» (Морис Уилкинс). А Джеймс Уотсон первоначально хотел дать своей фундаментальной монографии «Молекулярная биология гена» название «Вот что такое жизнь», тем самым как бы отвечая на вопрос Шрёдингера.

Побудительным мотивом для чтения лекций и написания на их основе книги для Шрёдингера стали, по всей вероятности, многочисленные контакты с яркой личностью — выдающимся советским генетиком и радиобиологом Н. В Тимофеевым-Ресовским — на копенгагенских семинарах Нильса Бора.

Н. В. Тимофеев-Ресовский

Основной экспериментальный материал Шрёдингер берет из его работы «О природе генных мутаций и структуры гена», выполненной совместно с Карлом Циммером (радиобиологом) и Максом Дельбрюком (физиком-теоретиком, Нобелевская премия 1969 года), опубликованной в 1935 году в Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen (знаменитых «Зеленых тетрадях» — Grünes Pamphlet, по цвету обложек этих изданий). Авторы показали: судя по оценке размеров «мишени» при действии рентгеновского излучения структура гена сформирована относительно небольшим числом атомов — порядка тысячи, а возможно, даже меньшим.

В 1945 году (т. е. через год после первой публикации «Что такое жизнь?») английский биолог Джон Холдейн, хорошо знакомый и с Шрёдингером, и с авторами упомянутой выше статьи, в своей рецензии, опубликованной в Nature, указал Шрёдингеру, что идея матричного синтеза с участием хромосом, имеющих свойства кристаллов, принадлежит Н. К. Кольцову. Известно, что Николай Константинович был учителем Николая Владимировича, а тот рассказал об этой идее Максу. Впрочем, незадолго до свой смерти Н. В. Тимофеев-Ресовский сказал, что это была его мысль.

Ключевых моментов в работе Шрёдингера собственно три.

Во-первых, он дает краткий, но понятный для небиологов обзор хромосомной теории наследственности. После знакомства с фразой «Рецессивный аллель влияет на фенотип только когда генотип гомозиготен» многие физики, в том числе и автор этого очерка, уже не впадали в пессимизм, говоря, что вся эта генетика с такими малопонятными терминами не для них.

Макс Дельбрюк

Во-вторых, для того, чтобы организму оставаться живым, компенсируя неизбежное увеличение энтропии в ходе энергозатратных метаболических процессов, он «питается отрицательной энтропией» («негэнтропией» — собственный термин Шрёдингера). Это означает, что живой организм непрерывно должен «пить упорядоченность» из окружающей среды.

Так с подачи Шрёдингера это выражение стало чрезвычайно популярным не только в среде биологов, но даже и у некоторых (био)физиков. Удивительно, что Шрёдингер не приводит каких-либо количественных оценок «антиэнтропийного» характера жизни, хотя весь необходимый для этой цели математический аппарат к тому времени уже имелся.

Такие оценки, видимо, впервые осуществил Л. А. Блюменфельд в 1973 году. Он доказал, что так называемая негэнтропия исчезающе мала. Так, уменьшение энтропии при переходе от хаотического набора из приблизительно 10¹³ различных клеток (эту величину, количественно соответствующую организму человека, мог оценить и Шрёдингер) в упорядоченное состояние (предполагалось, что места расположения клеток нельзя менять) численно равно увеличению энтропии при превращении в пар всего 10⁻⁹ г воды!

Шрёдингер в своих рассуждениях очень близко подходит к признанию важности и обмена веществ, и энергетики биопроцессов, но останавливается на фразе: «Нельзя понять, чему может помочь простой обмен этих калорий». Здесь уместно привести пример из книги Б. М. Медникова «Аксиомы биологии». Льву, поедающему пойманного зайца, глубоко безразлична уникальная упорядоченность организма жертвы. Ответим за льва языком биоэнергетики: хищнику важен бедный заяц как источник органических соединений, находящихся в восстановленном состоянии (они — доноры электронов). В ходе окислительно-восстановительных реакций катаболизма этих соединений генерируется универсальная энергетическая «валюта» организма — АТФ. Например, 32 молекулы при окислении одной молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О или 106 молекул при β-окислении одной молекулы пальмитата.

В-третьих, Шрёдингер вполне обоснованно полагает, что «ген или, может быть, целое хромосомное волокно представляет собою апериодическое твердое тело», состоящее из строго индивидуализированных ансамблей атомов. Итак, молекулярная основа жизни — «апериодический кристалл», упорядоченность которого превышает таковую для обычных периодических кристаллов.

В «ТрВ-Наука» № 6 (275) за 2019 год опубликована весьма содержательная дискуссия на тему «Вероятность зарождения жизни» с привлечением авторитетных специалистов в этой, пожалуй, центральной для всей биологической науки области. Логично перед обсуждением проблемы «зарождения» поставить шрёдингеровский вопрос о том, что же такое жизнь в его современной трактовке.

А. И. Опарин

Определений понятия «жизнь» великое множество. На протяжении десятков лет в СССР уже школьникам излагалась «теория» академика А. И. Опарина о «первичном бульоне», в котором плавают «коацерватные капли». Вот опаринское определение жизни (БСЭ, 2-е изд., 1952), объясняющее один нераскрытый термин через отсылку к другому, также не раскрытому: «Жизнь — особая форма движения материи, возникающая на определенном этапе исторического развития материи...» (выделено жирным шрифтом мною. — К. М.). Никаких конкурентных гипотез тогда не существовало: я хорошо помню выступления А. И. Опарина, где он нередко повторял одну и ту же фразу: «Мы воспринимаем нашу жизнь такой, какая она есть, потому что ее не с чем сравнивать». Данная «теория» даже в поздних ее вариантах не учитывала уже доказанное явление — матричное копирование генетического материала (репликацию). Никакие «коацерватные капли», как бы ни ухитрялись их ученые адепты, такими свойством обладать не могут.

Об этом нелицеприятно высказался советский астрофизик И. С. Шкловский в своей монографии «Вселенная. Жизнь. Разум». Его труд был опубликован в 1962 году — уже девять лет было известно об открытии строения двойной спирали ДНК, да и экземпляры книжки Шрёдингера, не попавшие «под нож», сохранялись в частных библиотеках. И. С. Шкловский прямо заявил: «Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А. И. Опарина совершенно не объясняет».

И. С. Шкловский

Когда же И. С. Шкловский в своем вежливом письме обратил внимание уважаемого академика на сей прискорбный для его гипотезы факт, то «прямо-таки визжал от негодования Опарин», и в конверте, возвращенном адресату, было лишь разорванное в клочки Александром Ивановичем письмо Иосифа Самуиловича. Поделом досталось ехидному оппоненту: не попадайся впредь под горячую руку маститого создателя дела всей (его) жизни!

Есть и сторонники рассмотрения нашей Земли в качестве единого организма (глобальной экосистемы), включая не только живых существ, но и все продукты их деятельности — каменный уголь, газ, нефть и т. п. Такая точка зрения восходит к концепции биосферы В. И. Вернадского.

Возникает вопрос: а можно ли дать необходимое и достаточное определение жизни, которое не сводилось бы главным образом к перечислению (весьма обширному) различных признаков жизни?

Такое определение существует, если в качестве его предпосылок обратиться к известному высказыванию знаменитого советско-американского генетика Феодосия Добржанского: «Nothing in biology makes sense except in the light of evolution» (1973). В своей содержательной книге «Логика случая» Е. В. Кунин пишет, перефразируя Феодосия Григорьевича: «Биология есть эволюция». И далее: «...прийти к определению того, что считать живым, удивительно просто: любой стабильный во времени репликатор является формой жизни».

Таким образом, «апериодический кристалл» по Шрёдингеру, дополненный свойствами «репликатора» по Кунину, обладает всеми необходимыми и достаточными условиями для осуществления эволюционного процесса:

1. система матричного синтеза собственных копий — здесь требуется разделение организма на исполнительный механизм (фенотип) и информационную программу создания его копий (генотип), что соответствует теории самовоспроизводящихся автоматов фон Неймана;
2. ошибки передачи генетической информации, неизбежность которых строго доказывается теоремой Шеннона;
3. некоторые ошибки процесса копирования (мутации) влияют на его эффективность за счет разнообразных механизмов, как дарвиновских, так и ламарковских. А сама эффективность оценивается как приспособляемость (репродуктивный успех) организмов к меняющимся условиям среды.

Что же касается самой сути жизни — эволюции, то она и «слепой часовщик» по Ричарду Докинзу, и «ремесленник-самоучка» по Франсуа Жакобу, и просто «халтура» (thinkering) по Е. Кунину. Вот тут возникает еще один вопрос: есть ли тогда в такой жизни смысл и цель, или эти понятия сугубо субъективны, их для оправдания свой деятельности вносит только человек? Глубже, чем у Льва Толстого, видимо, пока и не найти ответа: «Вопрос, неотделимый от понятия жизни, — не вопрос о том, откуда взялась жизнь, а о том, как надо жить; и только начав с этого вопроса, можно прийти и к какому-нибудь решению о том, что есть жизнь».

Автор выражает глубокую благодарность акад. РАН С. Г. Инге-Вечтомову за ценные рекомендации при подготовке статьи.