Читать «Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков» онлайн - страница 124

Читатель, мы возвращаемся к теме, с которой и начиналась эта книга. Помнишь стихи Лермонтова, приведенные в первой медитации, где поэт говорит о том, как через созерцание природы ему открывается Бог?

В наши дни такой подход усиленно оспаривается и в качестве главного аргумента приводится теория Дарвина. Споры вокруг этой теории не утихают по обе стороны океана.

С одной стороны выступают люди религиозного мировоззрения, которые указывают на сложную организацию окружающего нас мира, где каждая часть, по-видимому, соответствует другой части с точностью, почти что непостижимой для человеческого ума и уж во всяком случае невоспроизводимой. По мнению теистов, сие есть свидетельство того, что мир создан и управляется могучим интеллектом, бесконечно превосходящим интеллект человека, хотя в чем-то и сходным с ним (как я уже говорил ранее, без этого сходства мы не смогли бы оценить красоты и сложности представленной нам картины мироздания).

С другой стороны выступают, скажем так, прогрессисты, которые говорят, что то кажущееся совершенство или, вернее сказать, высокая степень организации, которую мы наблюдаем в окружающей нас природе, есть плод невообразимо долгого процесса, состоящего из длинной цепочки проб и ошибок, в которой неудачные экземпляры безжалостно отбраковывались.

Действительно ли принятие эволюции исключает теизм? Или же она исключает только такой теизм, который настаивает на том, что мир был создан за шесть человеческих земных дней? Я уже говорил ранее, что даже в далеком прошлом находились мыслители (например, святой Августин или Филон Александрийский), которые не усмотрели бы здесь никакого противоречия. Если обратиться к не столь давним временам, то можно вспомнить современника Дарвина Владимира Соловьева, который, будучи человеком весьма религиозным, с энтузиазмом воспринял дарвинизм.

Попробуем разобраться в этом. Во-первых, правильно ли здесь уделять такое внимание эволюции животного мира? Безусловно, живые организмы являют собой наиболее разительный пример сложности и целесообразности. Следует, однако, заметить, что проблема происхождения и развития жизни является все-таки частным случаем более общей проблемы возможности возникновения сложно организованных систем из систем, организованных просто. А между тем не только история развития жизни, но и вся история мироздания, насколько она нам известна, представляется движением от простого к сложному. История жизни есть лишь часть этого более общего движения. И возникает она не на пустом месте, поскольку от Большого взрыва до первых микробов нужно было пройти длинный путь — например, создать всю периодическую систему элементов. Поскольку элементы тяжелее водорода и гелия формируются в ходе термоядерных реакций, идущих в недрах звезд, для их создания было необходимо, чтобы образовались, отгорели и взорвались несколько их поколений. Этот процесс занял около десяти миллиардов лет, на протяжении которых появлялись все более сложно организованные формы материи, не ведая никакого дарвиновского отбора (до возникновения жизни никто не вымирал за неприспособленностью). Процесс усложнения, который многими принимается за некую данность, мог оборваться на каждом шагу. Так, можно представить себе Вселенную, в которой нет ничего сложнее атомов, и даже такую, где нет ничего сложнее элементарных частиц. Возникновение и относительная устойчивость любой организованной формы материи (атомов, простых молекул, органических молекул, клеток, живых организмов) требует строгого соблюдения баланса различных сил, действующих во Вселенной. Дарвинизм делает сильный упор на роль случайностей в процессе развития жизни. Однако случайность и необходимость всегда выступают в природе вместе, и всякий раз, когда выпячивается что-то одно, получается однобокая, искаженная картина.

Однажды я присутствовал на чрезвычайно интересном докладе, где докладчик, физик по образованию, обсуждал проблему свертывания белков (protein folding), используя как пример образование молекул РНК. Молекулы эти играют первостепенную роль в функционировании живых организмов, выполняя, среди прочего, роль курьеров, переносящих инструкции по изготовлению белков от мест, где хранится информация о том, какие белки нужны организму, до мест, где эти белки производятся. Информация о всех белках и способах их производства хранится в огромных молекулах, называемых ДНК, каждую из которых можно сравнить с поваренной книгой, где записаны рецепты производства разнообразных блюд. РНК же является как бы страничкой из этой книги; нужно, скажем, изготовить борщ или гуляш, так вместо того, чтобы тащить на кухню всю книгу, копируют страничку с соответствующим рецептом и посылают на кухню. Тонкость состоит в том, что страничку посылают в сложенном (или, скорее, скомканном) виде, так оказывается удобнее. Проблема в том, как складывать (или комкать), а потом разворачивать (разглаживать) такие странички. РНК и есть проблема сворачивания белков, в которой пытался разобраться автор доклада. По ходу дела он показывал картинки типичных молекул РНК в их свернутом виде. Впечатление было как от чего-то безнадежно сложного, в чем человеческому уму нет и не будет никакой возможности разобраться. Тем не менее автор довольно успешно справился с этой задачей и на протяжении всего лишь часа представил математическую модель, довольно детально описывающую образование таких структур. Принципы этой модели чрезвычайно просты (не буду на них останавливаться), результат весьма сложен. Никаких физических законов, за исключением известных даже школьнику (во всяком случае, в мое время их в школе учили), для объяснения процесса не требуется. С другой стороны, на протяжении почти всего процесса никаких повторных попыток, никакого отбора не требовалось, сложнейшие структуры складывались «сами», следуя закону Кулона и элементарным правилам квантовой химии (ионная и ковалентная связь и т. п.). Отбор понадобился только на последней стадии, так как молекул производится слишком много и надо выбрать те, что подходят для жизни. Ну вот как будто мы пришли в супермаркет в незнакомой стране, на полках стоит масса товаров, этикетки читать не умеем, но, в общем-то, видно, что вот тут — джемы, а тут — сыры. Понятно, что мы не сразу выберем наилучшее, будут ошибки, но самое главное, что есть из чего выбирать. А почему? Почему материя может образовывать устойчивые сложные формы так, что жизни есть из чего выбирать?

После доклада мне пришла в голову мысль, что ситуация эта, то есть сочетание простоты исходных принципов и чрезвычайной сложности, нетривиальности и многообразия возможных результатов, совершенно типична для устройства природы.

И хотя Теория Всего, в смысле знания основных принципов построения Вселенной, еще не построена, но принципы ее развития на каких-то определенных (и важных для нас) участках поняты уже достаточно хорошо. Формулируешь простые принципы, а дальше все катится как будто бы само, от простого к сложному, от элементарных частиц до биологических молекул, а далее от молекул до микробов, от микробов до человека. Правда, подробностей последних процессов мы еще не знаем, но, как показывает пример приведенного выше доклада, вполне возможно, что и эта задача будет со временем решена. Так где же здесь intellectuel design (разумная конструкция), когда тут все просто — толкнул и покатилось? Однако ведь нужно же сконструировать так, чтобы катилось? Не всякое колесо доедет от гоголевского города NN до Казани, а тут нужно, чтобы катилось 13,5 миллиардов лет (такова современная оценка возраста Вселенной). Не всякие принципы позволяют такое непрерывное развитие осуществить. Простота, которую мы здесь наблюдаем, есть не та, что хуже воровства, а простота гениальная.

Поясню свою мысль на примере. Дети часто играют в кубики, ставя их друг на друга, все выше и выше, пока башня не обрушится. Ставишь три, четыре, пять, шесть кубиков друг на друга, все держится, башня растет, а потом уже нужно быть очень осторожным — чуть-чуть заденешь, и обрушится, а потом уже и осторожность не помогает, башня рушится, и все тут. В этой детской игре действует общий закон: чем сложнее система, тем она нежнее, неустойчивее. Чтобы разрушить атомное ядро, нужны температуры в миллиарды градусов, чтобы отделить электрон от ядра в простейшем из атомов (атоме водорода) нужно уже «только» около 27 000 градусов; чтобы расплавить кусок железа, нужны лишь тысячи градусов, чтобы убить микроб, нужна сотня; человеческий организм может существовать лишь в узком интервале температур вокруг 36,5 °C, исчисляемых несколькими градусами.

Организм — по необходимости сложная система, и простой она в принципе быть не может, даже на уровне микроорганизмов, не говоря уже о разумной жизни. Это потому, что телу необходимо самообновляться, а следовательно, хранить где-то информацию о самом себе. Поэтому для жизни необходимо как минимум, чтобы существовали молекулы огромной длины (хранилища информации ДНК могут содержать миллиарды атомов), способные соединяться и функционировать совместно. Откуда же такие молекулы взялись, если вначале были лишь одни элементарные частицы, и как им удается быть устойчивыми? Добавьте к этому то, что молекулам этим нужно не просто быть, а нужно еще что-то делать, выполнять определенные функции. То есть нужно быть активными, но при этом не развалиться на куски. Такой баланс между активностью и устойчивостью предполагает соблюдение определенных условий. Например, простые живые организмы можно заморозить в холодильнике на тысячи лет, они не умрут, но и жить не будут. То есть тут условия баланса не соблюдаются. А как же получилось, что такие условия вообще существуют? Не в том смысле, что они существуют на планете Земля или где-нибудь еще (во Вселенной места много), а существуют в принципе?

Вот именно этот вопрос я и хочу обсудить, так как считаю, что именно здесь и происходит истинное чудо. Если на время оставить за пределами рассмотрения вопросы о происхождении материи и Вселенной как таковой, то принципы ее организации, на уровне нашего непосредственного восприятия, очень просты. А именно на этом уровне вполне годится модель, в которой есть атомы, состоящие из тяжелых ядер и легких электронов; их образование и динамика, равно как и формирование более сложных структур, как то: молекул, жидкостей и твердых тел, определяется законами квантовой механики и электромагнитным взаимодействием. Сложности, описанные в медитации «Слово „атом“ и его судьба», не будут нас касаться, если мы не будем заглядывать в глубь атомных ядер.

Если мы согласимся на такие правила игры, то на этом уровне все законы отлично известны. И коль скоро это так, то оказывается, что свободных параметров в задаче об организации материи практически не остается. И получается, что из весьма простых начальных посылок формируется невероятно сложный конечный результат — мир, в котором мы живем.

Чтобы не быть голословным, попробую нарисовать более развернутую картину. Пусть нам даны все элементы таблицы Менделеева в количестве достаточном, ну хоть в форме какого-то пылевого облака, из которых мы можем слепить планету какого угодно типа (ну хоть типа Земли) и поместить ее на соответствующее расстояние от какой нам нравится звезды (ну хоть типа нашего Солнца). Так что в наших руках создать какие угодно условия, в смысле температур и давлений. Вопрос номер один: по каким принципам будет организовываться вся эта пылевая материя? Вопрос номер два: что нужно для того, чтобы на сформировавшейся планете смогла возникнуть жизнь, а еще лучше, жизнь разумная? Как ни покажется это самонадеянным некоторым из читателей, наука полагает, что ответ на вопрос о принципах организации материи ей известен. Хотя ответа на вопрос о возникновении жизни не существует во вполне удовлетворительной форме, тут тоже есть что сказать.

Итак, в нашем облаке пыли есть вся таблица Менделеева. Это значит, у нас есть атомы всех сортов (откуда это все взялось, нас здесь не касается). Как известно, атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака электронов, это ядро окружающего. Всякий заряд в природе кратен элементарному заряду, обозначаемому в физике латинской буквой е; заряд электрона — е, а заряд ядра атома элемента, несущего номер I в таблице Менделеева, есть +Ze. Вот, например, водород стоит в таблице на первом месте, значит, Z= 1, а кислород на 8-м, значит Z=8. Что еще нам нужно знать про ядра? Нужно знать, какая у них масса. Каждое ядро состоит из положительно заряженных протонов количеством Z и незаряженных нейтронов, количество которых может быть разным. Ядра с одинаковым Z, но разным количеством нейтронов, называются изотопами данного элемента. Например, водород может существовать в трех формах: собственно водород (один протон, нет нейтронов), дейтерий (один протон, один нейтрон) и тритий (один протон, два нейтрона). Как правило, только один, от силы два изотопа данного элемента являются долгоживущими, остальные неустойчивы относительно радиоактивного распада. Массы протона и нейтрона известны, их отношение М_n/M_p=1,0084. Еще нам нужна масса электрона, вернее, ее отношение к массе протона: т_e/М_р = 1/1684. Теперь представим, что наше облако как-то сжалось, образовав планету, и из газа отдельных атомов начинают формироваться разные структуры: молекулы, жидкости, кристаллы — всё, всё, всё, что нас окружает и что нам необходимо для жизни, включая наши тела. Чтобы все это произошло и вещество не разлетелось по сторонам, нужна, конечно, сила гравитации, но, предположим, она есть в количестве достаточном. Это все, что нам надо про нее знать, так как на поведение материи на малых расстояниях гравитация влияния не оказывает. Она нужна для большой картины, для того, чтобы Вселенная как целое не развалилась, а мы здесь обсуждаем, так сказать, тонкие детали. Нас интересует, что нужно, чтобы из ядер и электронов что-то соорудить. Тут нужна организующая сила, которой является сила электромагнитная. В своем наиболее элементарном проявлении она необычайно проста: два точечных заряда Q₁ и Q₂ взаимодействуют с силой, направленной вдоль соединяющей их линии, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению зарядов. Закон Кулона. Следовательно, заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположного знака притягиваются. Оговорюсь, что закон Кулона предполагает, что заряды не движутся относительно друг друга; если они движутся, то возникает еще дополнительная более слабая сила (сила Лоренца), но это уже детали.

Теперь необходимо знать, как под действием этих сил материя будет двигаться. Это описывает квантовая механика, которая на уровне доступных нашим чувствам макроскопических объектов плавно переходит в хорошо знакомую по школе классическую механику Ньютона. Не углубляясь в подробности, скажу, что всей организацией материи заведует еще одно число, постоянная тонкой структуры α = 1/137 (равенство здесь является приблизительным), составленная из заряда электрона, постоянной Планка и скорости света. Объясню ее смысл на примере. Допустим, у нас есть простейший атом — атом водорода (Z =1, один электрон). Как учит нас квантовая механика, энергия электрона в атоме водорода может принимать только дискретные значения; они известны: Е_п = — (т_eс²) α²/2n², где n — целое число (1, 2, 3…), a с — скорость света. Возьмем какой-нибудь другой атом, например, атом гелия (Z =2, два электрона). Спектр его энергий будет опять-таки дискретный, и, хотя такого простого выражения, как для спектра атома водорода, у нас и не имеется, все эти энергии будут опять-таки пропорциональны величине — (т_eс²) α². Нечто подобное имеет место для всех решительно атомов (для дотошного читателя я даю точную формулировку, а именно, энергии электронов в атоме с атомным номером Z даются в виде бесконечного ряда по четным степеням постоянной тонкой структуры: Е_п = — (т_eс²) α² [А₁(n,Z) + α² A₂(n,Z) + α⁴ A₃(n,Z) +…], где коэффициенты А₁, А₂… есть некие числа).

Массы протона и нейтрона будут входить в выражения для энергий молекул.

Есть простая и наглядная аналогия того, что здесь выражено несколько формальным языком. А именно, каждый атом похож на музыкальный инструмент. Инструмент этот издает звуки только определенного тона, это его спектр. У атомов водорода одна музыка, у атомов углерода другая, у кальция — третья и т. д. Когда атомы объединяются в молекулы (а не каждый с каждым еще и пожелает объединиться, а если объединятся, то могут и размежеваться, да еще и с большим шумом, на этом вся взрывчатка основана), возникает новый тон и т. д. Существенная разница между нашими музыкальными инструментами и атомами в том, что каждый инструмент имеет систему настройки. Задача о согласном звучании инструментов в оркестре решается путем настройки каждого инструмента. А вот у атома ручки настройки нет. То есть на весь оркестр из 10²⁸ атомов, составляющих наше тело, есть ТРИ ручки, регулирующие три числа: М_п/М_р,т_е/М_р, α.

Теперь представь, читатель, что тебе дана задача из всех этих атомов построить живую клетку. Она состоит из множества атомов разных сортов (сортов этих на самом деле не так уж много, активную роль в деятельности клетки играют всего лишь около десятка элементов), объединенных в молекулы. Все это должно соединиться, не распасться, но и не держаться слишком прочно друг за друга, так как жизнь — штука динамическая, должен происходить обмен веществ, то есть молекулы должны относительно свободно перемещаться, набирать энергию в одном месте, отдавать ее в другом. Короче говоря, создать надо из всех наличных деталей (атомов) работающий организм. Или, по приведенной выше аналогии, нужно из отдельных инструментов создать оркестр. И менять ты, читатель, можешь только три параметра: М_п/М_р,т_е/М_р, α, которые определяют силу мириад разных химических связей, пространственную структуру молекул (а эта структура определяет их роль и функции в организме). И все потому, что только от этих чисел отношения энергий и зависят. (По правде говоря, вряд ли и эти-то числа можно менять, так как они, возможно, фиксированы другими соображениями. Однако забудем об этом на минуту.) То есть, оперируя всего тремя параметрами, нужно добиться того, чтобы существовали такие условия (хотя бы в принципе существовали, о реализации их даже речи здесь не идет!), при которых молекулы практически произвольной длины были бы: а) относительно устойчивы; б) могли бы активно реагировать и обмениваться энергией с другими молекулами. Совершенно не очевидно, что поставленная таким образом задача имеет решение. Напротив, общее правило таково, что задачи, в которых количество условий, которым нужно удовлетворить, превосходят количество параметров, которые можно менять, НЕ ИМЕЮТ решения. То есть само существование мира, в котором возможна жизнь, противоречит разумным ожиданиям (другое дело, что мы об этом, как правило, не задумываемся, принимая просто за данность). Математик и философ Лейбниц когда-то говорил, что, хотя мы не живем в наилучшем из миров, мы живем в наилучшем из возможных миров. Парадоксально заостряя эту мысль, я бы сказал, что мы живем в НЕВОЗМОЖНОМ мире.

Не слишком ли я сгущаю краски, сократив количество «рычагов управления» только до трех? Казалось бы, остается еще некая свобода выбирать то, из чего живые молекулы строить. На самом деле свободы этой практически нет, так как их свойства диктуются их функцией. А именно: для изготовления длинных молекулярных цепей годятся только четырехвалентные элементы (таких элементов два — углерод (химический символ С) и кремний (Si)).

Схематическая картина атома углерода.

Ядро в центре, серые облака изображают собой валентные связи

Две из четырех связей каждый атом такого элемента тратит на то, чтобы соединиться с такими же, как он, атомами в цепочку. Две оставшиеся связи он протягивает, как руки, навстречу окружающему миру, и на них садятся другие атомы. Получается как бы строчка, на которую садятся буквы-атомы или целые молекулы.

Три эквивалентных атома, соединенных в цепочку.

На торчащие «рожки» могут сесть другие атомы

Так что для хранения информации в клетках нужны именно такие элементы, какими в нашем мире являются углерод или кремний, именно с такими свойствами. И еще в качестве топлива нужен такой элемент, как наш кислород. Кстати, также нужно, чтобы энергии, выделяемые при разных химических реакциях, сопровождающих живые процессы, не разрушали сами клетки, в которых они происходят, и т. п. То есть нужен баланс, баланс и еще раз баланс, как в оркестре, а рычагов настройки только три…

Надеюсь, из всего сказанного понятно, что по-настоящему глубокие вопросы о самой возможности существования жизни были решены не отбором, а элегантным, невероятно простым по исходным посылкам и непостижимо сложным по следствиям выбором исходных принципов построения мироздания. То, что задача о построении Вселенной, в которой возможны такие сложные структуры, как ДНК, вообще имеет решение, есть факт отнюдь не очевидный. Если мы ему не удивляемся, то только по привычке воспринимать этот мир как нечто, полученное даром. Отбор же, в какой бы форме он ни осуществлялся, по Дарвину или как-нибудь еще, есть только, так сказать, наведение марафета. Оперирует он уже на весьма сложных структурах, чье существование никаким отбором не определяется. Да и случаен он лишь во вполне ограниченном смысле, так как случай здесь накладывается на неслучайную матрицу этих самых исходных (для биологии) структур.

Вполне возможно, что через то, что воспринимается нами как случай, выражается та свобода, которая предоставлена творению. Допустим, процесс отбора пошел бы несколько иным путем, так что разум воплотился бы не в существо, подобное обезьяне, а в дельфина или даже в осьминога. И что же? Это существо так же творило бы, спорило, а может быть, и воевало. Образ Божий ведь не форма тела. А форма тела — это уже детали, «прах земной».

Многих верующих невероятно волнует то, что теория эволюции утверждает, что «человек произошел от обезьяны». Им это кажется абсолютным скандалом. Я никогда не понимал, почему это должно кого-то волновать. Во-первых, происходить от кого-либо не означает быть им. Я не являюсь повторением своего отца, хотя и происхожу от него, так же как мой сын не является повторением меня. Между нами и нашими обезьяноподобными предками дистанция неизмеримо большего размера, чем между отцами и детьми. Обезьяны, несмотря на свое несомненное сходство с людьми во многих отношениях, так же, несомненно, отличаются от людей. Это означает, что на пути от обезьяны к человеку произошло что-то поистине грандиозное, что и определило эту разницу. Тех, кто думает, что наше происхождение от обезьяны делает нас хуже, я хочу спросить: какова альтернатива? Вы предпочитаете быть слепленным непосредственно из элементов таблицы Менделеева в обход эволюционного процесса? Прямо буквально из пыли? Чем это было бы лучше?

Короче говоря, накал страстей вокруг теории эволюции я считаю недоразумением. Правы ли дарвинисты во всем или в чем-то ошибаются, есть вопрос частный и не имеющий отношения к разумности мироздания и существованию Божества. Вопрос этот должен решаться научными методами.

Я уверен, что человек может спокойно созерцать мир, не боясь внутреннего конфликта между верой и разумом, и повторять вслед за Лермонтовым:

Тогда смиряется души моей тревога, Тогда расходятся морщины на челе, — И счастье я могу постигнуть на земле, И в небесах я вижу Бога…