Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ

ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ

Нам придется копнуть достаточно глубоко, прежде чем мы сможем обнаружить новые физические компоненты и законы. Но следует отметить, что в диапазоне от метра до размера атома тоже происходит немало интересного. Многие объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают важными свойствами, заметить которые можно только при исследовании более мелких систем (некоторые масштабные ориентиры, упоминаемые в данной главе, вы можете увидеть на рис. 13).

РИС. 13. Обзор мелких масштабов и единиц длины, используемых для их описания

Разумеется, многие объекты, с которыми мы имеем дело, формируются путем простого сложения множества одинаковых фундаментальных элементов, в них нет почти ничего интересного — ни деталей, ни внутренней структуры. Такие экстенсивные системы строятся, как кирпичные стены. Можно сделать стену выше или ниже, добавив или убрав несколько кирпичей, но базовая функциональная единица в ней всегда будет одинакова. Высокая стена фактически ничем не отличается от маленькой стенки. В качестве примера можно привести множество крупных систем, которые строятся за счет добавления в них однотипных элементов. Это относится, к примеру, к микросхемам компьютерной памяти, состоящим из большого количества совершенно одинаковых транзисторов.

Другой тип масштабирования, применимый к крупным системам, — это экспоненциальный рост; такой вариант наблюдается в тех случаях, когда поведение системы определяют не столько фундаментальные элементы, сколько связи между ними. Хотя такие системы тоже увеличиваются с добавлением элементарных «кирпичиков», их поведение определяется не просто числом элементов, а количеством связей. Эти связи возникают не только между соседними элементами, как у настоящих кирпичей, они могут протянуться на некоторое расстояние внутри системы к другим элементам. Примерами могут служить нейронные системы, которые состоят из множества синапсов, связывающих клетки при помощи специальных белков, и Интернет, включающий в себя множество связанных между собой компьютеров. Эти системы сами по себе достойны самого тщательного изучения, и некоторые направления физики действительно имеют дело с соответствующим эмерджентным поведением.

Но физика элементарных частиц не занимается сложными многокомпонентными системами. Напротив, она сосредоточена на обнаружении и распознавании элементарных компонентов и физических законов, которым они подчиняются. Физика элементарных частиц занимается базовыми физическими величинами и их взаимодействиями. Эти мельчайшие компоненты, разумеется, значимы для всех типов сложного поведения, в которое вовлекается множество компонентов. Но наша цель здесь — определить наиболее мелкие базовые компоненты и разобраться в их поведении.

Если говорить о технических и биологических системах, то составные части более крупных систем тоже обладают внутренней структурой. В конце концов, компьютеры построены на микропроцессорах, которые, в свою очередь, построены на транзисторах. А врач, заглядывая внутрь человеческого организма, видит там органы, кровеносные сосуды и все остальное — и все это состоит из клеток и ДНК, которые можно наблюдать только при помощи достаточно сложных приборов. Работа внутренних элементов ничем не напоминает то, что мы наблюдаем на поверхности. С уменьшением размеров элементы, из которых состоят макрообъекты, меняются. Законы, которым эти элементы подчиняются, — тоже.

История изучения человека как организма в некоторых отношениях напоминает историю изучения законов физики; здесь существуют свои масштабы, и их исследование тоже шло от крупного к мелкому. Поэтому, прежде чем обратиться к физике и внешнему миру, давайте отвлечемся ненадолго, подумаем о себе и рассмотрим, как были открыты некоторые — самые известные — аспекты внутреннего устройства человеческого тела.

Возьмем, к примеру, ключицу. По–английски, кстати говоря, эта кость называется «воротниковой» (collarbone), потому что при внешнем осмотре действительно напоминает воротник. Но стоило ученым заглянуть внутрь тела человека, и на этой кости обнаружился своеобразный выступ-«ключ», который и дал кости второе название — clavicle (от лат. clavicula — ключик, втулка).

Точно так же никто не понимал, как устроена у человека система кровообращения, как капилляры соединяют артерии и вены, пока в XVII в. Уильям Гарвей не провел серию педантичных опытов по исследованию сердца и кровеносной сети у животных и человека. Гарвей, хотя и был англичанином, изучал медицину в Университете Падуи. Там он многому научился у своего наставника Иеронима Фабриция, который тоже живо интересовался кровотоком, но неверно интерпретировал роль венозных сосудов и клапанов в них.

Гарвей не просто изменил представления о том, какие объекты задействованы в кровеносной системе, — он показал, что в теле человека есть две системы —· артерии и вены, которые по ветвящейся сети доставляют кровь ко все более мелким капиллярам, — но и открыл совершенно новый процесс. Оказалось, что кровь доставляется к клеткам таким образом, какого никто не мог предугадать, пока не всмотрелся внимательно в происходящее. Гарвей обнаружил в теле человека не просто набор различных органов — он обнаружил целую неизвестную систему.

Однако у Гарвея еще не было инструментов, которые позволили бы ему обнаружить капилляры; это удалось сделать только Марчелло Мальпиги в 1661 г. Гарвей же выдвинул несколько гипотез, которые получили экспериментальное подтверждение значительно позже. Хотя Гарвей оставил подробные рисунки, он не мог добиться той детальности, которая стала доступна пользователям микроскопа, например Антони ван Левенгуку.

Система кровообращения человека содержит эритроциты — красные кровяные тельца. Длина этих элементов составляет всего лишь семь микрометров — это одна стотысячная доля длины метровой линейки. Это в сто раз меньше толщины кредитной карты — примерно такой же размер имеют капли тумана. Самые мелкие объекты, которые способен различить невооруженный человеческий глаз, немного меньше толщины человеческого волоса и крупнее эритроцита примерно в десять раз.

Разумеется, кровь и кровообращение — не единственные процессы в человеческом теле, о которых ученым удалось со временем узнать. Кроме того, исследование внутренней структуры тела не ограничивается микронными размерами. После Гарвея были открыты еще более мелкие и совершенно новые элементы и системы как в человеческом организме, так и в неодушевленных физических системах.

Дойдя до размеров в одну десятую микрона — длин, которые примерно в десять миллионов раз меньше длины метровой линейки, — мы обнаруживаем ДНК, фундаментальный строительный элемент любого живого существа, хранящий генетическую информацию. Объекты такого размера все еще в 1000 раз крупнее атома, но это уже уровень, где важную роль играет молекулярная физика (то есть химия). Молекулярные процессы, протекающие внутри ДНК, до сих пор понятны не до конца; ясно, однако, что они лежат в основе невероятно широкого спектра жизненных форм, завоевавших земной шар. Молекулы ДНК содержат миллионы нуклеотидов, и квантово–механические атомные связи играют на этом уровне очень существенную роль.

Молекулы ДНК также делятся по величине на несколько категорий. Структура ДНК очень сложна, а молекулы так перекручены, что полная длина человеческой ДНК может измеряться метрами. Но ширина двойной цепочки ДНК составляет всего лишь около двух тысячных долей микрона — примерно два нанометра. Это немного меньше самого маленького на сегодняшний день транзисторного ключа в микропроцессоре, размеры которого составляют около 30 нм. Длина одного нуклеотида составляет примерно 0,33 нм; он сравним по размеру с молекулой воды. Средний ген представляет собой цепочку из 1000-100000 нуклеотидов. Самое информативное и полезное описание гена основано как ответ на совершенно другие вопросы, чем те, которые мы стали бы задавать в отношении единичного нуклеотида. Таким образом, ДНК на разных линейных масштабах работает по–разному, а ученые ищут при этом ответы на разные вопросы и используют разные ее описания.

Биология схожа с физикой в том, что структуры, которые мы видим на крупных масштабах, всегда состоят из более мелких элементов. Но в биологии мало разобраться в отдельных элементах, чтобы понять принципы работы более крупных структур в живых системах. Да и цели у биологии гораздо более амбициозны. Мы считаем, что на самом базовом уровне именно законы физики определяют процессы, протекающие в человеческом теле, но функциональные биологические системы сложны и запутанны, к тому же часто порождают трудно предсказуемые последствия. Распутать структуру из базовых элементов и разобраться в сложнейших механизмах обратных связей необычайно трудно, а комбинаторика генетического кода еще и усложняет эту задачу. Даже если мы узнаем все о базовых элементах, останутся еще эмерджентные структуры и эмерджентное же поведение, в которых, по всей видимости, и кроется тайна жизни.

Физики тоже не всегда могут разобраться в процессах, протекающих на более крупных масштабах, при помощи знаний о структуре отдельных «кирпичиков», но физические системы в большинстве своем проще в этом отношении, чем биологические. Хотя структура материи сложна и может иметь совершенно иные свойства, чем составляющие ее элементы, механизмы обратной связи и эволюционные процессы, как правило, не играют здесь столь заметной роли. Для физиков поиск самого простого, самого элементарного компонента представляет собой важную цель.