Известный французский физик, автор книги The Physics of Living Systems (Швейцария, 2016), рассказывает о том, как в наши дни складывается союз физики и биологии.
Феномен жизни может считаться объяснённым, только когда доказано, что он возник как результат взаимодействия материальных компонентов живых организмов в соответствии с законами, которым эти же компоненты будут следовать при взаимодействии вне живых систем». Эта мысль, высказанная физиком и физиологом Адольфом Фиком в самом начале ХХ века, до сих пор звучит как идеальное описание сферы охвата и целей биофизики.
Изучение живых систем для физика задача захватывающая, но в то же время сложная и порой даже фрустрирующая. Различия между живыми системами, которые изучают биологи, и неорганическими веществами, которые являются объектом изучения так называемых точных наук, обескураживают уже начиная с перечня основных материалов. Неорганические материалы, такие как камни, почвы и объекты, сотворённые человеком, имеют в своей основе элементы таблицы Менделеева от лёгких до тяжёлых: железо, никель, хром, алюминий, кремний, свинец, десятки менее распространенных — бериллий, германий, галлий, мышьяк, лантана, уран… Биологические же материалы основаны всего на нескольких лёгких элементах: это углерод, кислород, азот и водород, при участии несколько более тяжёлых элементов в незначительных концентрациях — кальция, натрия, калия, фосфора, как правило, в форме солей и ионов.
Методы «изготовления» тоже сильно отличаются. Созданные человеком и взятые из земных недр материалы получают (до сих пор, по крайней мере) в ходе высокоэнергетических процессов — плавления, литья, штамповки, высокого давления и высокой температуры спекания, лазерной резки, химической экстракции и сепарации и т.д. Для всего этого существует чётко определенная техника с заранее заданными функциями. Все объекты, выпущенные со сборочной линии, имеют строго идентичный дизайн и функции; если какая-то часть повреждена, она должна быть заменена на аналогичную, иначе весь объект перестанет функционировать.
Биологические же организмы способны расти, используя смехотворно малые количества энергии на единицу массы. Они могут создавать себя, располагая атомы и молекулы один рядом с другим в такой степени точности, что отсутствие одной аминокислоты в белке может означать гибель всего организма; они регулируют и изменяют размер, форму и функции в процессе своего развития на всём протяжении срока их службы; они заменяют и регенерируют сломанные части. Всё это благодаря генетическому коду, который работает больше как план, нежели как жесткая конструкция. Все подсолнухи в поле выглядят одинаково, но два цветка не бывают идентичны.
Наши мобильные телефоны, кажется, способны на чудеса: например, при размещении нашей геопозиции на карте они потребляют около 1 Вт на см³ вычислительного материала (кремниевого чипа). Это легко, когда у вас в наличии сотни спутниковых данных! Для сравнения: человеческий мозг, материал которого — вода и соли, использует менее 1/100-й этой мощности, чтобы выполнять гораздо более сложные вычисления, например, за 100 мс может отследить траекторию теннисного мяча, приближающегося на скорости 100 км/ч, попасть по нему, при этом сохраняя баланс тела, продумать и совершить ответный удар, чтобы обмануть противника.
Внутренние структуры инженерных объектов основаны на простой и, как правило, повторяющейся микроструктуре собранных материалов, чья однородность и стабильность в течение длительного времени — необходимое требование. Технический проект создаётся на основе прогнозирования условий, при которых будет использоваться объект, он пытается выбрать или создать наиболее подходящие материалы для объекта, чтобы тот мог выдержать механические напряжения, температуры, давления, электромагнитные возмущения в течение своей жизни. Форма и размер определяются в соответствии с функциями объекта, им придаётся дополнительная толщина, длина, ширина, чтобы уберечь объект от преждевременного старения или повреждения.
В противоположность этому, живые организмы демонстрируют сложную и взаимосвязанную иерархическую структуру с подструктурами на всех уровнях, от молекулы до клетки, тканей и целых органов. Клетки могут размножаться и преображаться в сотни различных типов, каждый соответствующий одному или нескольким конкретным функциям, начиная с нескольких базовых типов. Они могут динамически реагировать на вариации температур и давления, уменьшения или увеличения уровня кислорода, они могут реконструировать и изменить форму частей своего тела в процессе разработки или случайного повреждения, и, самое главное — они способны воспроизводить себя бесконечно.
Тем не менее, несмотря на такие огромные различия, многие из важных достижений в области биологических и медицинских наук стали возможными благодаря технологиям, разработанным в различных областях физики. Сегодня можно просканировать тысячи генов в ходе всего одного эксперимента, сжав целую лабораторию до размера двухсантиметрового микрофлюидного чипа, разработанного с помощью стандартных методов полупроводниковой промышленности. Огромное увеличение потока данных после успешного декодирования генома заставило биологов проявить интерес к методам, которыми пользуются физики высоких энергий и астрономы при обработке больших массивов данных. Получается, что контакт между физикой и «жизненными» науками должен быть ограничен сугубо утилитарными функциями, когда физика предлагает свои драгоценные услуги в форме передовых технологий для диагностики и визуализации?
И тут появляются биофизики. Физики с их методами встретились с биологией давно, уже в начале XIX века. Вероятно, первым биофизиком в современном смысле может считаться Луиджи Гальвани из университета Болоньи, который около 1780 года обнаружил животное электричество в ходе его известных экспериментов на лягушках (откуда и возник термин «гальванический ток» для электрических токов, генерируемых кислотно-солевыми растворами).
С фундаментальной точки зрения, биофизика направлена на объяснения биологических явлений в точности теми же законами, которые применимы к остальной части Вселенной. Прогресс в обнаружении подобий между физическими явлениями в механике, энергетике, электричестве и соответствующими явлениями внутри живых клеток стал серьёзным двигателем растущего интереса к биофизике. Как физики мы всегда стараемся найти объяснения свойствам, лежащим в основе суммы наблюдений, предлагая объединяющие теории. В начале XX века живой организм рассматривался с химической точки зрения скорее как миска супа, способная, однако, выполнять необычайные и сложные задачи, как правило недоступные суповым мискам. В то время учёные имели только смутное представление о том, какими путями живые организмы способны создавать упорядоченные структуры, начиная с питания и энергии. Примерно в середине XX века стало ясно, что ответы на эти вопросы находятся в гигантских молекулах, расположенных в ядре каждой клетки, способных к самовоспроизведению и производству других гигантских молекул. Поэтому учёные посвятили себя изучению максимально возможного количества деталей молекул ДНК и их функций. Сегодня мы находимся в противоположной ситуации: у нас слишком много информации об этих молекулах, но нам не хватает концептуальных схем и аналитических инструментов, чтобы организовать всю эту «грязную» информацию.
Некоторые биологи до сих пор склонны отрицать физиков, обвиняя нас в узости похода с нашим наивным стремлением устранить все детали, которые составляют разницу между мешком молекул и лягушкой. К сожалению, этот подход (если не сказать дефект) может сделать присутствие физика совершенно невыносимым как в компании друзей, обсуждающих политику или футбол, так и среди коллег-учёных, годами занимающихся исследованиями в своей области, чтобы быть сбитыми с толку самонадеянным парнем с его намерением всё упростить.
Тем не менее глобальная задача для физиков — обнаружение фундаментальных принципов, лежащих в основе того, как молекулы организуются в живую лягушку, так как мы, физики, серьёзно убеждены, что эти молекулы подчиняются тому же уравнению Эрвина Шрёдингера, что и атомы в мёртвом кристалле. Проблема не в том, чтобы свести всю биологию к физике — такая научная программа потерпит крах, не успев начаться, поскольку даже не все области физики могут быть сведены в одну схему. Но, по крайней мере, хорошим началом могло бы стать присоединение более строгих испытаний и измерений к комиксам, с помощью которых в учебниках по биологии объясняются молекулярные и клеточные явления.
Со второй половины XX века физика всё больше отвергает строго редукционистский подход, и идея, что явления могут появиться на каждом уровне наблюдения, а не вырасти из заложенных законов, приобретает всё больший вес. Мы начали наблюдать стохастические процессы, действующие во всей Вселенной, на всех уровнях, от субатомных частиц до метеорологических систем, от океанских течений до галактик. Детерминированные физические законы на макроуровне оставляют место для случайного поведения молекул на микроуровнях. Диффузия красителя в воде выглядит как упорядоченный процесс, в то время как равномерное распределение молекул краски в воде возникает в результате абсолютно случайного движения молекул. Так, превращая порядок в беспорядок, второй закон термодинамики диктует направление эволюции: при тщательном исследовании процесса диффузии, мы понимаем, что общая неупорядоченность системы краситель-плюс-вода увеличилась, при этом система спонтанно эволюционировала в состояние беспорядка более высокого уровня.
Кажется, что живые системы не поддаются действию этого фундаментального принципа физики, согласно которому порядок создаётся из беспорядка: клетки синтезируют белки в новые структуры, делятся на две, четыре, восемь новых идентичных клеток, организовываются в кости, мышцы и мозг, вплоть до создания той самой лягушки. Это противоречие (на самом деле только кажущееся) породило давний спор между научными сообществами, суть которого можно свести к заявлению: «Больцман и Дарвин не могут быть правы одновременно». В книге «Физика живых систем», я надеюсь, мне удалось предоставить большой объём доказательств того, что это не так, даже если физические модели биологических процессов могут показаться порой чрезвычайно упрощёнными.
Перевод: Ольга Николаева
