Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Физиология звёзд и физика животных

Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко. Рисунки Оксаны Птушенко

Есть хороший анекдот о физике и биологии. Необходимо предсказать результат скачек. Эту задачу параллельно начинают решать физик, биолог, социолог... Социолог усердно проводит опросы, собирает информацию по предыдущим скачкам, изучает статистику успешных и неуспешных прогнозов. Биолог принимается за изучение родословных лошадей, берётся за справочники по генетике и селекции, анализирует наследуемые признаки пород и их вариабельность. Физик же, как правило, начинает решение этой непростой задачи с анализа бега лошади, рассматривая его как движение однородного шара в вакууме.

Этот анекдот в действительности довольно точно отражает характерные черты разных наук. Каждая из них имеет свои предмет и методы, которые отличают её от других. Почему же разные науки смотрят на одни и те же явления «разными глазами» и говорят «на разных языках»? Наверное, здесь дело в «научном рельефе», точнее, в «рельефе» нашего мира.

Движение исследователя через мир непознанного вполне можно уподобить движению путников по поверхности Земли — через горы и долины. По хребтам идти сложно, хотя часто путь по ним самый короткий. Проще спуститься в долину или ущелье и там пройти вдоль хребта. Вот и скатывается исследователь либо в одну сторону от хребта, либо в другую, упрощая объект своего интереса тем или иным образом и получая в зависимости от этого ту или иную науку. Спуск в долину — это упрощение, сведение неразрешимой задачи к более простой. Мы отказываемся от многих существенных черт нашего хребта-объекта, теряем целостность представления о нём и заведомо можем описать только одну его сторону.

А познаваем ли мир в целостности?

Как ясно из анекдота, с которого мы начали, биология и физика — это разные ущелья. Разные методы, разные упрощения, разные подходы. Физик пытается свести любую живую тварь к моделям из элементарных кирпичиков. Биолог даже крупные блоки считает изначально данными. В итоге физик не может описать всю видимую сложность и красоту живого мира, биолог же не всегда видит их основание. Но нет ли между физикой и биологией более глубоких различий? Не состоят ли их миры из разных материй, подчиняющихся разным законам?

Эти вопросы очень долгое время оставались без ясных ответов. Соотношение органических и неорганических веществ было предметом спора ещё совсем недавно (по историческим меркам — почти вчера), в XIX веке. Считалось, что органические вещества обладают «жизненной силой» и не могут быть синтезированы из неорганических. Когда в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер из неорганических веществ синтезировал мочевину, то, по его собственным словам, это было «великой трагедией в науке — убийством прекрасной гипотезы уродливым фактом». Однако в действительности «убийство прекрасной гипотезы» (о существовании «жизненной силы», принципиально отличающей эти два класса соединений) произошло лишь три десятилетия спустя благодаря работам французского физикохимика Марселена Бертло, сумевшего синтезировать ещё ряд природных органических соединений из неорганического материала.

Но даже если материя «органического» и «минерального» миров одна, то, может быть, они управляются разными законами? Действительно, при первом взгляде на процессы, протекающие в живом организме, трудно поверить, что в них действуют те же законы, что и в неодушевлённой природе. По водостоку вода стекает вниз, а по стволу живого дерева поднимается вверх, от корней к самым верхним листьям. По законам диффузии вещество должно выходить из объёма с высокой концентрацией туда, где его концентрация ниже. Но те же растения могут поглощать из почвы элементы, присутствующие в почвенных растворах в очень низких концентрациях. (Кто не знает про опасность сбора грибов вдоль дорог! Некоторые тяжёлые металлы могут концентрироваться в грибах в сотни раз большем количестве по сравнению с их содержанием в почве.) Ещё более непостижимыми с точки зрения физики и химии кажутся такие сложные процессы в живых организмах, как возникновение нервных импульсов, управляющих органами; «целесо- образная» деятельность иммунных клеток (фагоцитов); развитие разнообразно организованных дифференцированных клеток и тканей, сложных пространственных форм различных организмов из единственной яйцеклетки; наследственная передача психических функций.

Итак, у явлений в живом веществе свои законы, своя — биологическая — физика?

Название «биологическая физика» наука о физических явлениях в живых организмах получила лишь недавно, в 1892 году, с лёгкой руки математика, биолога и философа Карла Пирсона. А вопрос, который мы только что сформулировали, появился намного раньше, ещё в античности.

Вероятно, первым и единственным из античных философов, чьи взгляды на природу допускали единство законов для живого и неживого, был атомист Демокрит. Великий Аристотель, справедливо почитаемый основателем многих наук, ввёл представление об «энтелехии», то есть о «цели в самой себе», которая присуща живой природе, тем самым отделив её от мира «косной материи». В Новое время, когда началось становление науки в её современном виде, эти две позиции проявились в виде витализма и механицизма. Благодаря потрясающему расцвету математики и физики, с одной стороны, и техники — с другой примерно в XVII веке начинает формироваться представление о живом организме как об идеально работающей машине. В 1628 году английский врач Уильям Гарвей объясняет механизм кровообращения на основе своих количественных измерений и аналогий из гидравлики (можно было бы сказать сильнее: впервые догадывается о существовании кровообращения в организме и доказывает его. До него, ещё со времён Аристотеля и Галена, считалось, что кровь, перед тем как попасть в сердце, образуется в печени из пищи и движется по венам, слепо заканчивающимся в органах).

Тогда же французский математик, философ, физик и физиолог Рене Декарт вводит представление о рефлексе, ставшее впоследствии исключительно важным не только в биологии, но и в психологии (науке о душе, чьи законы, казалось бы, ещё дальше отстоят от законов «косной», неодушевлённой материи). Рассмотрение работы живого организма на основе принципа рефлекторной деятельности означало, что живое тело представляет собой машину, не требующую вмешательства души, и все его основные функции — «восприятие, запечатление идей, удержание идей в памяти, внутренние стремления…» — «совершаются в этой машине как движения часов». В 1680 году вышла книга ещё одного учёного-универсала эпохи позднего Возрождения, ученика Галилея — Джованни Борелли «О движении животных», явившаяся, по сути, первым капитальным трудом по биомеханике. В ней на основе механических аналогий и геометрических построений рассматривались основные физиологические функции животного организма: сокращение скелетных мышц и сердца, циркуляция крови, пищеварение. Так в натурфилософской мысли формируется представление о том, что живой организм — это совершенная машина, функционирование которой полностью подчиняется законам механики — наиболее развитой к тому времени части физики.

Одновременно развиваются и идеи о «жизненной силе» (термин, введённый ещё во II веке античным врачом Аретеем) — особом принципе или начале, управляющем явлениями, протекающими в живых организмах. Эти представления станут основой идейного оппонента механицизма — витализма. В начале XVIII века подобные идеи развивал немецкий врач и химик Георг Шталь. Наверное, стоит подчеркнуть, что в его виталистическом учении — анимизме — душа рассматривалась не как носитель разума, воли и чувств, а именно как некое безличное жизненное начало, лежащее в основе всех жизненных процессов. В то время как Декарт ограничил функции души мышлением, Шталь возложил на неё работу по непосредственной регуляции жизнедеятельности — всё то, для чего, согласно Декарту, достаточно телесного устройства и движения материальных частиц. Иными словами, «одушевление» живого у Шталя лежало в плоскости натурфилософии, а не религии.

Идеи о качественном отличии живого и несводимости законов органической природы к законам неорганической природы в конце XVIII — начале XIX века придерживались известный немецкий анатом и антрополог Иоганн Блуменбах, французский анатом, физиолог и врач Мари Франсуа Биша — представители известной древней медицинской школы французского города Монпелье. Надо подчеркнуть, что эти школы внесли большой вклад в современную медицину. Достаточно привести в пример хотя бы электрокардиологические работы Биша, выполненные им за сто с лишним лет до «официального» появления электрокардиографии и открывшие, по сути, известное теперь каждому явление электрокардиостимуляции. Работы Биша, кстати, оказались чрезвычайно популярны в XIX веке среди не только специалистов-физиологов, но и философов, да и всей образованной части общества (его книги А. С. Пушкин включил в круг чтения Евгения Онегина). Ещё в XVI веке идею о существовании в организмах особой, целесообразно действующей закономерности — «духа жизни», или «архея», высказывал знаменитый алхимик, врач и оккультист Парацельс, а в конце XVIII века в духе этих идей создал своё учение о «животном магнетизме» Фридрих Месмер, помещаемый, впрочем, в один ряд с Калиостро и Сен-Жерменом. Так что, как видим, витализму часто сопутствовал дух мистицизма, как, впрочем, механицизму — дух атеизма в более или менее ярких проявлениях.

Вопрос о том, что же за силы действуют внутри живых организмов и каким законам они подчиняются, продолжал волновать учёное сообщество ещё 150 лет назад. Великий биофизик — физик и физиолог XIX века — Герман Гельм-гольц вспоминал: «Большинство физиологов в то время ухватилось за компромисс Г. Э. Шталя. По Шталю, силы, действующие в живом теле, суть физические и химические силы органов и веществ; но какая-то присущая телу жизненная душа (Lebensseele) или жизненная сила может связывать или освобождать их деятельность; свободная игра этих сил по смерти организма вызывает гниение, а при жизни действие их постоянно регулируется жизненною силою. В таком объяснении мне чуялось что-то противоестественное».

История решения данного вопроса и поиск естественного объяснения включают в себя множество разных ветвей исследований, в каждой из которых были свои задачи и достижения. Это изучение электрических явлений — от открытия «животного электричества» в трудах физиков Джона Уолша и Генри Кавендиша, хирурга и сравнительного анатома Джона Хантера, врача и физиолога Луиджи Гальвани, от исследований физика и химика Алессандро Вольта до доказательства тождественности всех известных видов электричества («животного», «магнитного», гальванического, термоэлектричества и электричества, возникающего при трении) физиком и химиком Майклом Фарадеем. Это и успехи химии, приведшие в середине XIX века к осуществлению химического синтеза органических соединений Вёлером, Либихом, Бертло, Бутлеровым и многими другими. Это и работы по биологической химии, в качестве одного из примера которых можно привести изучение процесса брожения.

В 1830-х годах независимо немецкими цитологом Теодором Шванном (известным в качестве автора клеточной теории), ботаником Фридрихом Кютцингом и французским физиком Шарлем Каньяром де Ла-Туром были описаны дрожжи — низшие растительные организмы, имеющие в своей клетке ядро и размножающиеся почкованием на питательных средах. (Впервые дрожжи описал ещё Левенгук в 1680 году, однако он не распознал в них живых организмов.) Они высказали идею, что именно эти микроорганизмы, обнаруживаемые в пивном сусле, и вызывают его брожение. Спустя два десятилетия французский химик и микробиолог Луи Пастер подтвердил эту идею: брожение — биологический процесс, в котором обязательно участвуют живые дрожжевые клетки. Этот результат вызвал его ожесточённый спор с Юстусом фон Либихом, который рассматривал сбраживание сахара как сложную химическую реакцию. Доказав возможность синтеза органических веществ без помощи «живого вещества», великий химик не мог признать его необходимость для распада органики. Ясность в этот вопрос в 1871 году внесла русский химик и физиолог Мария Михайловна Манасеина, а позже, в 1897 году, — немецкий химик Эдуард Бухнер, которые доказали, что брожение может вызываться бесклеточным дрожжевым экстрактом.

Как сейчас смотрят биофизики на физическую природу живого объекта? Вот что говорил об этом выдающийся биофизик Лев Александрович Блюменфельд: «Существует ли “биологическая физика”, то есть особая физика живой материи, отличная от физики, законы которой изучают школьники и студенты? Ответ на этот вопрос является в известной степени “символом веры”, который не может быть в наше время строго обоснован, но тем не менее должен быть выяснен для себя каждым, кто тратит или собирается тратить своё время на изучение живого. Поэтому... я начну с того, что сформулирую свой ответ, свой символ веры, который в дальнейшем постараюсь обосновать, хотя, повторяю, вполне строго сделать это нельзя. Для полного описания и понимания строения и функционирования всех существующих биологических систем в принципе вполне достаточно известных нам основных законов физики». Спустя четверть века он добавит: «Сегодня я не вполне в этом уверен».

Почему? Что имел в виду Блюменфельд, сделав эту оговорку? Возможно, примерно то же, о чём говорил один из основателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь?»: «Мы вправе предполагать, что живая материя подчиняется новому типу физического закона. Или мы должны назвать его нефизическим, чтобы не сказать: сверхфизическим законом? Нет. Я не думаю этого. Новый принцип — это подлинно физический закон».

Иными словами, нельзя исключить, что живые организмы могут таить в себе не известные нам пока физические законы и изучение процессов их жизнедеятельности может принести ещё немало физических открытий. И действительно, многие физические открытия были сделаны при изучении биологических объектов. Открытия Гальвани в области электричества получены при работе на лягушках. Известные сейчас работы Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера по гидродинамике были вызваны их исследованиями в области физиологии, в частности физиологии кровообращения. Фундаментальный физический закон — первый закон термодинамики (то есть фундаментальный закон сохранения энергии в применении к широкому спектру разнообразных физических систем) — был открыт врачами Юлиусом Майером, исследовавшим энергетику кровообращения, и Германом Гельмгольцем, занимавшимся также энергетикой брожения и теплообразованием при мышечном сокращении. Автор третьего начала термодинамики Вальтер Нернст, создавший также основы современной электрохимической термодинамики, занимался изучением возбуждения нерва. К сожалению, подробное описание всех этих историй выходит за пределы этой небольшой статьи.

Путь к пониманию единства законов «органического» и «минерального» мира, как видим, был долгим и непростым. В чём суть научного поиска, наиболее общая его цель? Открытие нового? Систематизация известного? И то и другое верно. Но всё же взгляд на биографии наиболее выдающихся учёных показывает, что, видимо, главный предмет их поиска — единство. Единство разнородных явлений и разных областей знания, единство кажущихся разрозненными систем хребтов и долин, образующих рельеф научной картины мира. Вся история физики — это история поиска единства (на разных масштабах) в устройстве окружающего мира, все главные достижения — это найденные общности: общность «небесной» и «земной» механики, обнаруженная Кеплером, Галилеем, Ньютоном в XVII веке; общность электрических, магнитных и оптических явлений, установленная в XIX веке работами Ампера, Эрстеда, Фарадея, Максвелла и др. Общность всех известных типов фундаментальных взаимодействий, общность инерции и гравитации — наиболее захватывающие и масштабные достижения XX века. Среди них, по-видимому, и понимание единства физики живых организмов, «биофизики», с физикой «неодушевлённой» материи. Французский врач и физиолог Мари Франсуа Биша, о котором мы уже упоминали, в самом начале XIX века написал: «Утверждать, что физиология есть физика животных ... это то же самое, что сказать, что астрономия — это физиология звёзд». Эта мысль, высказанная виталистом Биша, оказалась глубоким и исключительно точным диагнозом естествознания. Сегодня мы в такой же степени уверены в том, что астрономия — это физика звёзд, как и в том, что физиология, биофизика и биохимия — это физика и химия живых организмов. Однако всегда следует помнить, что природа не обязана «подстраиваться» под наши стройные схемы, а зигзаги наших представлений о мире непредсказуемы. Конец XX века неожиданно открыл совершенно новую область биологии — информационные процессы, идущие, по-видимому, лишь в живых системах. Эти процессы стали предметом исследования самых многообещающих биологических наук нашего времени — молекулярной биологии и биоинформатики.

Но какая бы «новая физика» в биологических системах ни открылась в будущем, подход к изучению живой и неживой природы, вероятно, всегда будет отличаться. Всё, что мы узнаём при изучении какого-либо явления, зависит от того, какие вопросы мы ставим. А они существенно разные по отношению к живым и неживым системам.

Закончим этот очерк ещё одной цитатой из Блюменфельда: «С точки зрения физики понижение энтропии в результате образования человеческого тела и куска горной породы стоит примерно одинаково. Чем же отличается энтропия, т.е. информация, которая заложена в биологических системах? Она отличается только одним: эта информация, эта упорядоченность имеет смысл... Когда физик имеет дело с “обычными” системами, он всегда задаёт два вопроса: “как” и “почему”. Но когда мы имеем дело с живыми системами, мы можем задать третий вопрос: “зачем”?».

Кажется, в важности этого вопроса трудно сомневаться.

Автор благодарен М. Б. Беркинблиту и С. Э. Шнолю за советы и поддержку при написании этой статьи.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Из истории науки»