Книга Что такое жизнь? - Эрвин Шредингер

Непрерывность газовой и жидкой фазы хорошо известна. Можно постепенно сжижать газ, минуя так называемую критическую точку. Но здесь мы не будем этого касаться.

Действительно значимое различие

Мы только что разъяснили в представленной выше схеме все, кроме самого главного, а именно нашего желания считать молекулу твердым = кристаллическим веществом.

Причина заключается в том, что формирующие молекулу атомы – вне зависимости от их количества – связывают силы той же природы, что и многочисленные атомы, составляющие истинно твердое вещество, кристалл. Молекула демонстрирует стойкость структуры, схожую с кристаллической. Помните, что этой же стойкостью мы объясняем стабильность гена!

Важное различие в структуре вещества определяется тем, связаны ли атомы этими «укрепляющими» силами Гайтлера – Лондона или нет. В твердом веществе и в молекуле – да. В состоящем из отдельных атомов газе, например парах ртути, – нет. В газе, состоящем из молекул, только атомы в каждой молекуле соединены подобным образом.

Апериодическое твердое вещество

Маленькую молекулу можно считать зародышем твердого вещества. Существует два способа строить на основе этого маленького твердого зародыша более крупные ассоциации. Первый весьма скучен: снова и снова повторять одну и ту же структуру в трех направлениях. Так происходит в растущем кристалле. После установления периодичности не существует определенного предела размеров агрегата. Второй способ – собирать более крупный агрегат, не прибегая к утомительному повторению. Это касается сложных органических молекул, в которых каждый атом и группа атомов играют определенную роль, не полностью эквивалентную ролям других атомов, как наблюдается в периодической структуре. Мы можем назвать данный случай апериодическим кристаллом или твердым веществом и выразить нашу гипотезу следующим образом: мы считаем, что ген – а может, и вся хромосомная фибрилла[34] – представляет собой апериодическое твердое вещество.

Разнообразие содержания миниатюрного кода

Часто задают вопрос: как крупинка вещества – ядро оплодотворенной яйцеклетки – вмещает сложный код, определяющий будущее развитие организма? Упорядоченное скопление атомов, обладающее необходимой стабильностью для поддержания своей упорядоченности, выглядит единственной подходящей материальной структурой, подразумевающей возможность достаточного количества различных («изомерных») перестроек для установления сложной системы «определителей» в небольших пространственных рамках. Действительно, не слишком много атомов в такой структуре хватит для почти бесконечного числа возможных перестановок. Сравним это с азбукой Морзе. Два различных символа – точка и тире – в упорядоченных группах, имеющих не более четырех символов, позволяют получить тридцать различных обозначений. Если добавить к точке и тире третий символ и использовать группы, содержащие не более десяти символов, можно будет обозначить 88 572 различные «буквы». Увеличив число символов до пяти, а длину групп – до двадцати пяти, мы получим 372 529 029 846 191 405 «букв».

Мне возразят, что это сравнение ошибочно, поскольку символы азбуки Морзе могут иметь различный состав (например, ⋅– и ⋅⋅—), а значит, являются плохим примером изомерии. Чтобы исправить этот недостаток, давайте выберем из третьего примера только комбинации, содержащие ровно 25 символов и ровно по 5 символов каждого вида (5 точек, 5 тире и т. д.). Согласно приблизительным подсчетам, число сочетаний составит 62 330 000 000 000, где нули справа заменяют цифры, которые я не стал вычислять.

Разумеется, в реальности отнюдь не «каждая» организация группы атомов будет представлять собой возможную молекулу. Кроме того, код нельзя выбрать произвольным образом, ведь он сам должен быть действующим фактором, вызывающим развитие. С другой стороны, число, взятое нами для примера (25), очень мало, и мы допустили только простые перестановки в линейной последовательности. Я хочу проиллюстрировать факт, что молекулярные представления о гене позволяют предположить возможность того, что миниатюрный код полностью соответствует сложному и конкретному плану развития и содержит способы его реализации.

Сравнение с фактами: уровень стабильности; дискретность мутаций

Давайте наконец сравним теоретическую картину с биологическими фактами. Очевидно, первый вопрос состоит в том, способна ли она объяснить наблюдаемую высокую стабильность. Являются ли пороговые значения, равные многократной средней тепловой энергии kT, разумными, лежат ли в пределах, даваемых обычной химией? Это тривиальный вопрос, на него можно ответить утвердительно, не прибегая к таблицам. Молекулы любого вещества, которое химик выделяет при некой температуре, должны при этой температуре обладать временем жизни не короче нескольких минут. (Мягко говоря; как правило, намного длиннее.) Таким образом, пороговые значения, с какими сталкивается химик, соответствуют порядку величин, объясняющих любой уровень стабильности, с которым может встретиться биолог. Пороговые значения, соотносящиеся друг с другом как 1:2, будут соответствовать временам жизни от доли секунды до десятков тысяч лет.

Но давайте приведем числа, которые нам еще пригодятся. Отношения W/kT, данные для примера на стр. 51, а именно:

дающие время жизни

0,1 с, 16 месяцев, 30 000 лет,

соответственно, при комнатной температуре будут соответствовать пороговым значениям, равным

0,9, 1,5, 1,8 электронвольт.

Нужно объяснить единицу электронвольт, которая весьма удобна для физиков, поскольку ее можно представить наглядно. Например, третье число (1,8) означает, что электрон, ускоренный напряжением около 2 вольт, приобретет достаточную энергию, чтобы при ударе вызвать переход. Для сравнения: батарейка обычного карманного фонарика дает напряжение около 3 вольт.

Эти рассуждения позволяют предположить, что изомерное изменение конфигурации в некой части нашей молекулы, вызванное случайной флуктуацией колебательной энергии, действительно может являться достаточно редким событием, чтобы интерпретировать его как спонтанную мутацию. Таким образом, используя принципы квантовой механики, мы объясняем удивительнейшую особенность мутаций, которая и привлекла внимание де Фриза, а именно их «скачкообразные» вариации без промежуточных форм.

Стабильность генов, выбранных естественным отбором

Обнаружив повышение частоты природных мутаций под воздействием любого ионизирующего излучения, можно решить, будто естественная частота мутаций зависит от радиоактивности почвы и воздуха, а также космического излучения. Однако количественное сравнение с результатами рентгеновского исследования показывает, что «природная радиация» намного слабее и объясняет лишь небольшую часть естественных мутаций.