В этом смысле процессы жизни представляют собой молекулярные блуждания, полностью описываемые физическими законами, которые одновременно с этим рассказывают более высокоуровневую историю, основанную на информации. Для камня никакой высокоуровневой истории не существует. Описав при помощи законов физики толкотню и блуждание молекул камня, вы завершите дело. Но когда вы при помощи тех же самых законов физики опишете толкотню и блуждание молекул кролика, дело будет не завершено. Далеко не завершено. На редукционистский сюжет накладывается целая дополнительная история, повествующая об уникальных внутренних молекулярных структурах кролика, которые управляют целым спектром изумительно организованных молекулярных взаимодействий, и именно они реализуют высокоуровневые процессы внутри клеток кролика.
На самом деле для кролика, да и для нас тоже, такая биологическая информация организуется также на более крупных масштабах, управляя процессами не только внутри отдельных клеток, но и в наборах клеток и порождая фирменный признак скоординированной сложности. Когда вы протягиваете руку за чашкой кофе, движение каждого атома, входящего в состав каждой молекулы в вашей руке, плече, торсе и мозге, полностью управляется законами физики. Повторим еще раз и с выражением: жизнь не противоречит и не может противоречить физическим законам. Ничто не может. Но тот факт, что громадное число ваших молекул может действовать согласованно и координировать свое движение так, чтобы в результате ваша рука потянулась через стол, а ваши пальцы надежно ухватили бы чашку, отражает богатство биологической информации, воплощенной в атомных и молекулярных структурах и управляющей множеством сложных молекулярных процессов.
Жизнь — это организованная физика.
Термодинамика и жизнь
Эволюция, согласно Дарвину, направляет развитие структур от молекул до единичных клеток и сложных многоклеточных организмов.
Энтропия, по Больцману, прокладывает курс развертывания физических систем, от распространения ароматов до пыхтения тепловых машин и горения звезд. Жизнь подвержена обоим этим ведущим влияниям: жизнь возникла и совершенствовалась посредством эволюции. Жизнь, подобно всем физическим системам, подчиняется диктату энтропии. В последней паре глав книги «Что такое жизнь?» Шрёдингер исследовал кажущееся противоречие между тем и другим. Когда вещество сплавляется в жизнь, она поддерживает порядок на больших промежутках времени. А когда жизнь воспроизводит себя, она генерирует дополнительные наборы молекул, также организованные в упорядоченные структуры. Где же во всей этой истории энтропия, беспорядок и второе начало термодинамики?
Шрёдингер в своем ответе объяснил, что организмы противостоят переходу к более высокому уровню энтропии благодаря тому, что «питаются отрицательной энтропией»39; эта формулировка не один десяток лет порождала путаницу и едкую критику. Ясно, однако, что у Шрёдингера, хотя он и пользовался немного иным языком, речь шла все о том же явлении, о котором говорили и мы с вами: об энтропийном тустепе. Живые существа не могут существовать изолированно, так что любое применение второго начала должно включать в рассмотрение и окружающую среду. Возьмите хотя бы меня. Более полувека я успешно удерживаю свою энтропию, не позволяя ей взлететь до небес. Чтобы добиться этого, я принимаю внутрь упорядоченные структуры (по большей части овощи, орехи и зерновые), медленно сжигаю их (в ходе окислительно-восстановительных реакций электроны из пищи каскадом сыплются по ступеням амфитеатра и в конечном итоге соединяются с кислородом воздуха, который я вдохнул), использую высвобожденную энергию для обеспечения различных метаболических процессов и сбрасываю энтропию в окружающую среду с отходами жизнедеятельности и теплом. В целом этот тустеп позволяет моей энтропии обманывать, на первый взгляд, второе начало, а среда старательно прикрывает мне спину, принимая в себя энтропийные излишки. Процесс горения, хранения и высвобождения энергии для обеспечения клеточных функций сложнее, чем соответствующий процесс обеспечения работы паровых машин, но, энтропийно говоря, основные физические процессы там и там одинаковы.
Информация и живучесть
Помимо выбранных Шрёдингером слов, есть еще одна, менее яркая причина для беспокойства — происхождение высококачественной низкоэнтропийной пищи. Проследив пищевую цепочку от животных вниз, мы видим растения, которые питаются непосредственно солнечным светом. Их энергетический цикл представляет собой еще один пример энтропийного тустепа. Влетающие солнечные фотоны, поглощаемые растительными клетками, загоняют электроны на более высокие энергетические уровни; затем клеточная «машинерия» использует эту энергию (через серию ОВР, которые аккуратно проводят электроны вниз по ступенькам лестницы амфитеатра) для питания различных клеточных функций. Таким образом, фотоны с Солнца и есть та самая низкоэнтропийная, качественная пища, которую растения поглощают, используют для жизненных процессов, а затем выпускают в высокоэнтропийной вырожденной форме в виде отходов (за каждый фотон, полученный от Солнца, Земля посылает обратно в пространство менее упорядоченный набор из пары десятков энергетически истощенных и широко разбросанных инфракрасных фотонов)40.
Идя дальше по следу низкоэнтропийного источника, мы выясняем происхождение Солнца, что аккуратно стыкуется с гравитационной историей из главы 3: сила тяжести сжимает газовые облака в звезды, понижая их внутреннюю энтропию и посредством высвобождения теплоты повышая энтропию окружающей среды. В конечном итоге вспыхивают ядерные реакции, звезды зажигаются и вовне устремляются потоки фотонов. Если звезда, о которой идет речь, — Солнце, то фотоны, которые достигают Земли, становятся тем самым низкоэнтропийным источником энергии, что питает метаболизм растений. Отсюда понятно, почему исследователи часто говорят, что гравитация поддерживает жизнь. Это правда, но к настоящему моменту вы уже знаете, что я предпочитаю распределять заслуги более справедливо. Гравитация заслуживает хвалы, поскольку благодаря ей образуются сгущения вещества и стабильная звездная среда, но следует похвалить и ядерный синтез за неустанное — на протяжении миллионов и миллиардов лет — производство стабильного потока высококачественных фотонов.
Таким образом, ядерное взаимодействие в тандеме с гравитацией — вот источник живительного низкоэнтропийного топлива.
Общая теория жизни?
В лекциях 1943 г. Шрёдингер подчеркивал, что поток научных достижений в последнее время настолько плотен, что «стало почти невозможно одному человеку охватить более чем небольшой специализированный кусочек»41. Вследствие этого он призвал мыслителей расширять область своей компетентности, чаще выходя за рамки традиционного интеллектуального поля деятельности. В книге «Что такое жизнь?» он открыто применил научную подготовку, интуицию и здравый смысл физика к исследованию загадок биологии.
В последующие десятилетия, по мере того как знание становилось все более специализированным, расширялась и когорта исследователей, продолжавших поддерживать призыв Шрёдингера к междисциплинарности. Откликнулись на него многие. Исследователи с подготовкой в нескольких областях, таких как физика высоких энергий, статистическая механика, компьютерные науки, теория информации, квантовая химия, молекулярная биологи и астробиология, а также многих других, открыли новые перспективные способы изучения природы жизни. Я завершу эту главу подробным рассказом об одном таком достижении, которое продолжает нашу термодинамическую тему и, если программа завершится успехом, когда-нибудь, возможно, поможет ответить на некоторые из самых глубоких вопросов науки. Может ли жизнь быть настолько маловероятной возможностью, что она возникла лишь однажды во Вселенной, содержащей сотни миллиардов галактик, в каждой из которых сотни миллиардов звезд, многие из которых имеют планеты? Или жизнь — это естественный и, возможно, даже неизбежный результат определенных базовых и относительно часто встречающихся условий среды — и тогда следует предположить, что космос просто кишит жизнью?
