С момента написания последнего эссе прошло 25 дней, в течение которых я медленно и вдумчиво читал книгу Эрвина Шредингера “Что такое жизнь”. Маленькая брошюрка размером в 86 страниц, читать более 5 страниц которой в день — непосильный труд. Высокая плотность идей, переключение из научпоп-повествования в теоретическую физику, потом в философию и обратно в физику не позволяли разогнаться мне как читателю, и дело тут не в том, что мне приходилось разбирать прочитанный материал, — просто “мозгу” было больно.
Шредингеру удалось то, что не смогли Тимофеев-Ресовский, Дельбрук и Циммер: он смог человеческим языком рассказать миру о пяти простых идеях — столько я, по крайней мере, насчитал, — и впервые в истории науки ввести понятие “код”, которое и стало в будущем каноническим среди биологов. Но начал он с вопроса: как с помощью физики и химии можно объяснить события в пространстве и времени, происходящие внутри живого организма?
Чтобы понять, что Шредингер хочет спросить этим вопросом, мне потребовалось перечитать его три раза. Вообще книга напичкана вопросами, и это достойно отдельного внимания. Шредингер — мастер спрашивать сложные, простые и глупые вещи. Вот несколько для примера:
Почему атомы такие маленькие? Почему тело человека такое большое в сравнении с атомом? Что такое жизнь? и т.д. Вопрос про атомы крайне интересный, потому что первая идея, которую я “раскопал” в его книге, как раз про них.
Жизнь невозможно объяснить с точки зрения классической физики
С помощью примеров броуновского движения и диффузии Шредингер создает интеллектуальное напряжение всей книги. Мне пришлось вспомнить немного курс школьной физики, чтобы понять, почему беспорядочное^1 движение микроскопических частиц[1] создает что-то устойчивое. Иными словами, почему движение газообразного вещества предсказуемо, а его частиц — нет? Благодаря статистическому усреднению. На большом объеме включается статистика, и ВСЕ движения усредняются, создавая предсказуемость. Дедукция через индукцию[2].
Тем не менее с живым организмом это не так. Предсказуемость поведения мельчайшей частицы живого организма обусловлена не статистикой, и это Шредингер как раз узнал благодаря “Зеленой книге[3]”. Судя по экспериментам Тимофеева-Ресовского с мухами дрозофилами, поведение гена, содержащего около 1000 атомов, вполне себе можно предсказать на протяжении “миллионов поколений” мух. Колебания, которые классическая физика может предсказать на больших масштабах, на масштабе 1000 атомов предсказать невозможно.
Это первая гениальная мысль Шредингера, и гений ее заключается в том, что до него биологи не задавались вопросом “почему ген не распадается при воздействии, например, температуры”, хотя физики и биологи знали, что так должно быть. Несмотря на то что вопрос этот должен был быть задан биологами, Шредингер был первым, кто решил посмотреть на биологию сквозь призму физики. На мой взгляд, именно такие вопросы и двигают науку[4].
Апериодический кристалл
[!quote]
Кембриджский университет, Кавендишская лаборатория, кафедра физики
12 августа 1953 г.
Профессору Э. Шрёдингеру
26 Kincora Road
Дублин, Ирландия
Уважаемый профессор Шрёдингер,
Мы с Уотсоном однажды обсуждали, как пришли в молекулярную биологию, и обнаружили, что на нас обоих повлияла Ваша небольшая книга Что такое жизнь?.
Мы подумали, что Вам, возможно, будет интересно вложенное в письмо — копии наших статей. Как Вы увидите, похоже, что Ваш термин «апериодический кристалл» оказался очень метким.
Искренне Ваш,
Ф. Х. К. Крик
Когда Ватсон и Крик смогли “решить” проблему ДНК, а именно — смогли объяснить, что она представляет собой двойную спираль неповторяющейся последовательности пар оснований^26, в которой зашита генетическая информация, — они послали реверанс в сторону Шредингера, написав ему письмо о том, что именно благодаря упоминанию апериодического кристалла в книге “Что такое жизнь” они вдохновились и нашли спираль.
В своей работе Шредингер размышлял[5], что то, что наследует наследственные черты, является молекулой своеобразной формы, которую он назвал “апериодический кристалл”. Когда я впервые прочитал про кристалл в отношении генов, то задумался: почему кристалл[6]?
Гений очередной мысли Шредингера заключался в том, что он предположил: если ген стабилен в масштабе, в котором атомы распадаются от воздействия температуры, значит это кристалл, структура которого удерживается квантово-механическими связями[7]. Эти связи выдерживают температуру и не распадаются. Тот же принцип, благодаря которому алмаз не распадается при контакте с человеком[8], несмотря на то что алмаз — это атомы углерода.
Апериодический кристалл может объяснить[9] информационную плотность. Обычный кристалл повторяет свою структуру бесконечно и ничего не содержит, как рисунок на обоях стены моей комнаты, в то время как апериодический кристалл не имеет повторяющихся элементов, и в этой уникальной последовательности содержится невообразимый объем информации[10]. Своего рода генетический алфавит, который можно использовать не просто чтобы “объяснить” жизнь, а чтобы объяснить ЛЮБУЮ возможную жизнь[11].
Это как принцип универсальности. Я когда-то читал у Дэвида Дойча[12] про принцип универсальности. Дойч объяснял, что при помощи элементарных элементов системы можно выразить что угодно. Так при помощи букв можно выразить любое возможное слово, при помощи 0 и 1 — любую возможную цифру и т.д.
Так и с геном: устойчивая структура может содержать любую возможную последовательность, и в таком случае, ровно как из букв можно написать любое возможное предложение и книгу, так и при помощи гена можно “написать” любую возможную жизнь.
И в этом месте Шредингер впервые вводит понятие, которое крепко войдет в биологию. Понятие, которое до него в этом контексте биологи не использовали.
Генетический код
Так оказалось, что Шредингер в книге “Что такое жизнь” стал первым ученым, который использовал слово “код” в отношении наследования свойств живыми организмами. В книге он развернул аргумент, что хромосома – это скрипт или код; в его терминологии это был код-скрипт, который являлся молекулярной последовательностью, определяющей программу развития живого организма от единичной клетки до “полноразмерной” взрослой формы жизни.
Я выше привел два принципа универсальности, когда с помощью бесконечных комбинаций букв можно написать любое возможное слово, а с помощью 0 и 1 — выразить любую возможную цифру. Шредингер думал так же. Ген – это код, схожий с кодом Морзе: небольшим алфавитом из точек и черточек, организация которых в определенном порядке позволяет транслировать сообщение определенной длины и сложности. Ген, предположил физик, работает так же. Некоторое количество “черточек и точек” определенной неповторяющейся последовательности содержит информацию о том, “что такое жизнь”.
Этим умозаключением Шредингер сделал самый значимый вклад за всю историю[13] молекулярной биологии. Ген – это не стабильная структура, а содержащая информацию последовательность. Никто до него подобным образом не формулировал эту мысль — ни Тимофеев-Ресовский, ни Дельбрук, ни Циммер. Именно эта мысль помогла Ватсону и Крику совершить открытие двойной спирали[14].
[!notify]
Дальше я сделаю два предположения: одно вполне логичное и закономерное, и о нем я попробую обстоятельно рассказать, а в отношении второго может возникнуть некоторый спор.
Негативная энтропия
Оказывается, идея негативного[15], с которой я впервые познакомился в работе Нассима Талеба[16] [17], мне нравится. Шредингер предложил свою собственную форму “негативизации”, начав с утверждения:
[!always]
Мое тело функционирует, совершая механические действия, и подчиняется законам природы.
Одним из таких законов является Второй закон термодинамики, в соответствии с которым любая закрытая система стремится к термодинамическому эквилибриуму[18], однако человек не “успокаивается”, но что самое ужасное в логике физики — то, что живой организм в какой-то момент больше упорядочивается, то есть разворачивает энтропию вспять. Как?
В поиске ответа на вопрос, как организм разворачивает энтропию, Шредингер создал прекрасную аналогию. Представьте: у вас есть дверь, у соседа есть дверь, у вас есть ключ от двери, и у соседа есть ключ от двери, но кто сказал, что ключ соседа подойдет к вашей двери, а ваш ключ откроет дверь соседа? Жизнь невозможно объяснить теми же правилами, что используются в физике. Жизнь – это другая дверь, соответственно требуется найти НОВЫЙ ключ (закон).
Ответ, который предложил Шредингер, заключался в том, что живой организм на протяжении жизни “импортирует порядок” в свою закрытую систему и экспортирует беспорядок. Вообще, простота идеи гениальна и банальна, но для того времени[19] именно такие “глупые” идеи и являлись топливом прорывных[20] открытий. Шредингер предположил, что живой организм питается не энергией в чистом виде, а негативной энтропией (пища, свет), из которой извлекается “порядок” для импорта в систему, а во внешнюю среду извергается беспорядок в виде тепла и отходов.
Позднее эту идею “допилили” физики с химиками и переименовали негативную энтропию в “свободную энергию”. Шредингер предложил науке очередную концепцию в виде “негативной энтропии”, которая не противоречит второму закону термодинамики, а является локальной, временной[21], энергетически затратной формой противостояния. Благодаря этой концепции Илья Пригожин получил Нобелевскую премию в 1977 году за открытие неравновесной термодинамики[22].
Я пишу физикам
Ну и самое интересное: Шредингер адресовал свою книгу не биологам или химикам, а физикам. Он написал своим коллегам-физикам, и тон его повествования хоть и был мягким, но меня не покидало ощущение, что Шредингер просил физиков обратить внимание на биологию и химию — он буквально говорил: “вы здесь нужны”.
В свете этой мысли я вспомнил Ричарда Фейнмана[23], который, как мне кажется, принял близко к сердцу совет Шредингера и каждое лето куролесил по университетам Штатов, где на протяжении летних каникул занимался всем подряд: от биологии и химии до социологии и психологии.
Призыв Шредингера сработал: Фрэнсис Крик ушел из армии, Джеймс Ватсон бросил орнитологию, Морис Уилкинс оставил ядерную физику. Целое поколение физиков “перешло” дисциплину в период 1940 – 1950 годов[24]. Эти ученые и заложили фундамент будущих открытий (или сами их сделали): структура ДНК, сворачиваемость протеина[25].
“Что такое жизнь” вдохновила целое поколение ученых, толкнув научную мысль на десятилетия. Макс Перутц, получивший Нобелевскую премию за открытие структуры гемоглобина, знавший Тимофеева-Ресовского, Дельбрука, Циммера[26] и Шредингера лично, говорил, что Шредингер ошибался в некоторых идеях, описанных им в книге, и что “Зеленая книга” на самом деле точнее и физикам лучше опираться на нее. Но он отметил, что именно “Что такое жизнь” поставила нужные вопросы, с нужными формулировками, в самый подходящий для этого момент, и — самое главное — Шредингер прицелился и попал в нужную аудиторию. В науке иногда (часто) “попасть” в нужного ученого бывает достаточно.
Следующим эссе я думал написать про открытие ДНК Ватсоном и Криком, но … пока работала над этим, начитался в открытых источниках столько, что отказался от затеи “пересказать” в очередной раз, то что уже много раз сказано кем-то.
Вместо повторения, следующим эссе я перейду на другой уровень серии, расскажу про междисциплинарность и то, как ее можно воспитать, чтобы не остаться (или не превратиться) в насекомого.
атомов и молекул ↩︎
Я вспомнил, что ИИ тоже создает упорядоченность благодаря именно чудовищному объему данных. Судя по всему, в случае с частицами дело обстоит так же, а индуктивную дедукцию ИИ можно объяснить законами физики. ↩︎
Читай прошлое эссе ↩︎
Почему воздух прозрачный, а небо голубое? Как устроен язык у дятла? и т.д. ↩︎
Он не знал и даже не предполагал, а просто фантазировал, если можно так выразиться, о природе жизни и о том, почему статистические законы, управляющие движением большого числа частиц, не применимы к живому организму ↩︎
Я не физик, не геолог, поэтому знать не мог ↩︎
Тут я не могу сказать, что хоть что-то понял, потому что всё, что связано с квантовой терминологией, проходит “мимо” меня, практически всегда
↩︎теплом человеческого тела ↩︎
Так считал Шредингер ↩︎
Есть мнение (
Church G. M., Gao Y., Kosuri S. Next-Generation Digital Information Storage in DNA // Science. 2012. № 6102 (337). C. 1628–1628), что в одном грамме ДНК умещается 200 петабайт информации — это “как бы” много. Очень много, ну очень-очень-очень много. И всего лишь в ОДНОМ грамме. ↩︎Ниже я расскажу, как до этого додумался Шредингер ↩︎
Другого квантового физика ↩︎
Я считаю историю, включающую современность ↩︎
Многие историки и профессионалы из биологии могут мне начать возражать, что я не так все понял, что дело обстояло совершенно иным образом. На что я возражу: именно так я прочитал и именно так я понял книгу “Что такое жизнь”. А еще в свое оправдание скажу, что Дельбрук тоже критиковал Шредингера за то, что в “Что такое жизнь” тот истолковал содержание “Зеленой книги” с ошибками. Ошибка или нет, Шредингер свое дело сделал, и, может быть, я тоже подтолкну кого-то смотреть иным образом на науку и на то, какие этапы эволюции проходит научная мысль. ↩︎
Ошибка выжившего, фальсификация гипотез — все это в той или иной форме про “негативное” ↩︎
Талеб Н. Антихрупкость. Как извлечь выгоду из хаоса / Н. Талеб, КоЛибри, 2022. 768 c. ↩︎
Via Negativa, или негативное знание, негативная эпистемология и т.д. ↩︎
Состояние, в котором отсутствует всякий обмен энергиями (температура, давление, объем, состав остаются неизменными). Все макроскопические процессы остановлены; в случае с человеком — он умирает ↩︎
На самом деле для любого времени, даже сейчас они вполне себе подойдут ↩︎
Меняющих представления человека об окружающем его мире ↩︎
Продолжительность зависит от формы жизни ↩︎
Сложные системы, для которых термодинамический эквилибриум — состояние смерти. Что по сути явилось математической формализацией идеи негативной энтропии Шредингера. ↩︎
Почитайте “Вы, наверное, шутите, мистер Фейнман”: в ней можно встретить описание одного из таких путешествий и того, как Ричард искал “карту кошки”. В целом настоятельно рекомендую, крайне затягивающее чтиво ↩︎
В СССР у нас были немного другие проблемы на тот момент, но и среди наших были товарищи, которые работали на пересечении дисциплин — тот же Тимофеев-Ресовский. ↩︎
В 2024 году Демис Хассабис получил Нобелевскую премию за то, что вместе с ИИ AlphaFold открыл алгоритм сворачиваемости (фолдинг) ↩︎
Вы же помните, что наше путешествие началось с этой троицы?
↩︎