Перевод с немецкого канд. биол. наук К. М. Близник и С. В. Беневоленского

под редакцией д-ра биол. наук Ю. Г. Капульцевича

ИЗДАТЕЛЬСТВО "МИР" МОСКВА 1978

ИБ № 1010

Редактор А. Кондрашова

Художник Ф. Инфанте

Художественный редактор Л. Безрученков

Технический редактор Н. Манохина

Корректор Н. Матюхина

Последние два-три десятилетия биология переживает период бурного развития. Замечательные успехи, достигнутые во многих областях этой науки, привели к "информационному взрыву". Количество биологической литературы лавинообразно растет с каждым годом, так что даже специалисты, непосредственно занимающиеся биологией, не в состоянии уследить за развитием всех многочисленных биологических дисциплин. Представители других наук чувствуют себя еще более беспомощными перед этим морем информации. В особенно трудном положении оказывается молодежь, желающая посвятить себя науке. Современная наука, и биология в частности, многогранна, а в учебниках находят отражение лишь твердо установленные факты и теории, выдержавшие проверку временем. Как же выбрать свой путь? Здесь на помощь должна прийти научно-популярная литература.

За последние годы наши издательства выпустили немало научно-популярных книг по биологии, но все они были посвящены каким-то отдельным ее разделам, в основном вопросам генетики, молекулярной биологии и микробиологии.

Предлагаемая вниманию читателя книга Роланда Глазера, профессора Берлинского университета им. Гумбольдта, выгодно отличается от других научно-популярных изданий на эту тему по крайней мере в двух отношениях.

Во-первых, автор рассматривает биологию как науку в целом, а не какие-то отдельные ее области. Читатель знакомится с различными процессами, протекающими на разных уровнях биологической организации, — от молекул до животного и даже целых сообществ живых организмов, так называемых биоценозов.

Во-вторых, основное внимание в книге уделено вопросам, которые в научно-популярной биологической литературе, как правило, вообще не обсуждаются, а в обширных курсах по общей биологии упоминаются лишь мимоходом. Это вопросы, связанные с использованием в биологии физики и математики. Книгу Р. Глазера можно было бы назвать "Жизнь с точки зрения физика", если бы сходное название не было уже использовано выдающимся австрийским физиком Э. Шредингером для своей известной книги, носящей более специальный характер[1].

Глазер предлагает взглянуть на биологию по-новому. Он обращает внимание читателя на целый ряд биологических явлений и процессов, механизмы которых можно понять и объяснить, привлекая на помощь математический аппарат, физические законы и теории. Проблемы эти довольно сложны, многое в их решении остается неясным и по сей день, но автор ведет свой рассказ увлекательно, в доступной для непосвященного читателя форме. И это, несомненно, большое достоинство книги.

Первые же ее страницы буквально интригуют читателя: автор приводит удивительные результаты сопоставления биологических и технических объектов. Телевизионная башня кажется нам очень высокой и стройной. Как, наверное, трудно спроектировать и построить такое сооружение! Отношение высоты башни к ее диаметру составляет примерно 20. Много это или мало? Оказывается, не так уж много, ибо у обыкновенного тростника это отношение равно 200! Муха-журчалка за одну секунду пролетает расстояние, в 1000 раз превышающее длину ее тела. Если бы скорость самолета находилась в таком же соотношении с его длиной (равной, скажем, 30 м), то она должна была бы достигать 30 км/с — в 100 раз больше скорости звука! Значит ли это, что технические объекты безнадежно отстают от живых организмов? Прочитав книгу, читатель получит ответ и на этот, и на многие другие вопросы, подчас совершенно неожиданные.

Наивные детские "почему?", от которых столь часто с досадой отмахиваются взрослые! Почему из мухи нельзя сделать слона? Почему слон не больше, а мышь не меньше, чем они есть на самом деле, и т. д. Автор призывает не бояться таких вопросов. Часто они помогают нам взглянуть на привычный мир иначе и увидеть в нем что-то новое...

Математика поистине всесильна. Оказывается, она помогает нам описать форму живого организма и проследить ее изменение в процессе эволюции. В настоящее время много говорится о теории оптимальных процессов, которая позволяет решать сложные вопросы экономики, управления народным хозяйством. Но эта же теория находит широкое применение и в биологии.

Современная биология использует и термодинамику. Законы термодинамики позволяют объяснить, откуда живые организмы берут необходимую энергию, как эта энергия преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов, в каких формах она накапливается в биологических системах и как расходуется ими.

Читатель вместе с автором совершает увлекательное путешествие в царство молекул, где перед ним открывается совершенно иной, не знакомый ему мир — мир, в котором многие привычные представления теряют смысл. Читатель узнает, как происходит синтез белковых молекул в клетке, какое важное значение имеет хаотическое тепловое движение молекул для протекания биохимических реакций, для самой жизни.

В книге Р. Глазера затронут чрезвычайно широкий круг вопросов, и вполне естественно, что отнюдь не на все из них автор мог дать исчерпывающие ответы. Подробное изложение всех этих вопросов потребовало бы чрезмерного увеличения объема книги. Кроме того, многие из них еще ждут своего решения. Однако главная задача автора — пробудить у читателя интерес к тем проблемам биологии, для решения которых необходимо знание физики и математики.

И нам кажется, что с этой задачей он удачно справился.

Книга "Биология в новом свете" адресована в первую очередь школьникам старших классов, перед которыми стоит большая и трудная проблема — найти свой путь в жизни" И мы надеемся, что, ознакомившись с этой книгой, многие школьники с математическим складом ума поймут, что и в биологии перед ними открываются широкие возможности для применения своих способностей, Эту книгу с интересом прочтут и специалисты — как биологи, так и представители других наук, а преподавателям биологии она несомненно принесет особую пользу.

Ю. Капульцевич

Итак, кто же такой биолог? Разные люди наверняка ответили бы на этот вопрос по-разному. "Биолог — человек с ботанизиркой и сачком для ловли бабочек, чудак, работа которого больше похожа на хобби", — сказал бы один. "Биолог — это исследователь, который выращивает в реторте людей, людей с выдающимися способностями, сверхлюдей будущего", — заявил бы другой. Оба этих крайних суждения одинаково абсурдны; между ними, вероятно простирается широкий спектр мнений. И это не удивительно, поскольку ни в одной науке за последние десятилетия не произошли такие революционные изменения, как в биологии. Сейчас биология находится где-то в середине этого этапа развития, и вряд ли кто-нибудь возьмется дать долгосрочный прогноз на будущее. Часто даже самим биологам нелегко бывает уследить за новыми направлениями, возникающими в той огромной области науки, которая связана с познанием жизни — высшей формы движения. Насколько же трудно должно быть юноше, школьнику, когда ему приходится решать, в какой области работать, какой профессии больше всего соответствуют его способности и интересы! Для чего изучают биологию? Чтобы стать директором зоопарка? Не зря ли стараются заработать пятерки по математике и физике те, кто собирается заниматься "всего лишь" биологией? Можно ли отнести биологию к "точным" наукам?

Издавна человек, видя перед собой изобилие биологических форм — растений и животных, — испытывал потребность разобраться во всем этом многообразии, систематизировать его. С этого и началась биология. В наше время кое-кто склонен недооценивать биологов, занимающихся сбором растений и наблюдением за животными: "Гербариями и коллекциями бабочек пристойно заниматься юным натуралистам или взрослым в свободное время!" Но не следует забывать, что любые успехи современной биологии — будь то новые нейрофармакологические препараты и антибиотики, знания о наследственных болезнях или новые сорта и породы полезных растений и животных и многое другое — были бы невозможны без работ наших неустанно коллекционировавших и классифицировавших предшественников. Что делали бы мы сейчас без детальнейших сведений о многообразии биологических форм и их систематизации! И хотя центр тяжести биологических исследований находится теперь не в области систематики, многие вопросы в ней остаются по-прежнему открытыми и продолжают служить предметом научных дискуссий.

Наряду с исследованием видов, их морфологического и анатомического строения ученые изучают механизмы жизнедеятельности. Эту область биологии называют физиологией. Почему бьется сердце? У всех ли животных оно есть? Как оно работает у тех или иных животных? Как связан образ жизни живого существа с функциями его органов? В физиологии аспект сравнения, систематизации выражен еще достаточно сильно и играет заметную роль, хотя главным здесь, конечно, является вопрос о принципах строения организма. Элементы сравнения можно обнаружить даже в одном из самых современных направлений биологии — биохимии. Из каких химических кирпичиков сложен организм? Какие в нем протекают химические реакции и зачем они нужны? Что общего или различного между реакциями у разных организмов?

"В настоящее время все более возрастает стремление выявить функциональные связи между отдельными элементами живых организмов, разобраться в механизмах биологических процессов; неуклонно расширяется использование в биологии химических методов исследования. Но вместе с тем все чаще напрашивается мысль: а нельзя ли применить в биологии физические законы, справедливые для неживой природы? Не пригодится ли физическая наука с ее столь солидной аналитической базой для познания функциональных схем животных и растений?

В сущности, эта мысль такая же древняя, как сами биология и физика. На каждой ступени развития науки люди снова и снова пытались приложить физические знания к исследованию биологических систем. Но каждая такая попытка проникнуть в тайны живого кончалась неудачей. Попробуйте, пренебрегая этим опытом, бездумно применить недопустимо упрощенные физические постулаты для объяснения биологических явлений, и вы обязательно натолкнетесь на противоречия. А отсюда неизбежно следовал вывод: законы живого мира, — очевидно, законы особого рода. Живые организмы, вероятно, не подчиняются законам, действующим в неживых системах. И вот вследствие незрелости естественной науки на этой почве расцвели философские учения, утверждавшие некую жизненную силу — vis vitalis[2].

Повсюду вода течет сверху вниз. Но в деревьях она движется снизу вверх, от корней к листьям. Значит ли это, что здесь нарушен закон тяготения? К такому заключению неизбежно пришел бы естествоиспытатель, если бы он применил к биологической системе исключительно законы гидростатики. И только обратившись к термодинамике, мы можем понять, что никакая таинственная vis vitalis не противостоит здесь физическим законам. Просто в данном случае мы имеем дело с обычным осмотическим давлением, наблюдаемым, кстати, и в неживой природе; это давление противодействует силе тяготения, конечно, действующей и в растениях, и вызывает подъем воды в стволе.

Если при изучении биологических процессов не ограничиваться простым описанием их, а стремиться выяснить управляющие ими механизмы (в физическом смысле этого слова), то, учитывая сложность биологических систем, следует обратиться к физике. Но, поскольку физика также находится в процессе развития, она к сожалению, не в состоянии объяснить многие явления жизни. Действительно, для объяснения некоторых даже простейших биологических явлений приходится прибегать к очень сложным физическим понятиям. И не только физика, но и связанная с ней математика подчас не способны нам помочь. Даже большие успехи в области электронно-вычислительной техники, позволившие произвести кое-какие расчеты биологических систем, еще недостаточны для решения сложных систем уравнений, описывающих поведение живых систем.

Но не будем унывать, а попытаемся прикинуть, что же все-таки могут дать нам здесь современные физика и математика. "Выжимая" из этих небиологических дисциплин все возможное, мы тем самым подтолкнем их развитие. Во многих случаях уже сейчас использование в биологии физических и математических методов приносит успех. Наши знания, наши научно-технические достижения, по-видимому, находятся на том уровне, который позволяет осмысленно использовать физику и математику для изучения жизни. К этим достижениям относятся прежде всего такие крупные теоретические дисциплины, как волновая механика, статистическая физика, термодинамика; высокочувствительные электронные устройства, позволяющие с очень высокой точностью определять чрезвычайно малые электрические и магнитные потенциалы биологических макромолекул, клеток и организмов, и, наконец, электронные вычислительные машины, производящие с фантастической скоростью счетные операции, для выполнения которых человеку с карандашом и бумагой в руках понадобились бы годы и даже десятки лет.

Таким образом, не удивительно, что в последние десятилетия бурно развиваются биофизика и биоматематика. Все шире становится круг исследователей, работающих в этих смежных областях, все больше появляется научных статей. Но что знает об этом развитии небиолог?

Так попытаемся задуматься над некоторыми из их проблем и теорий. Попробуем взглянуть на биологию не в традиционном плане, а с иной точки рения. Для этого, несомненно, необходим весь комплекс знаний физики и математики, которым читатель, может быть, и не обладает. Поэтому в нашей книге мы рассмотрим такие примеры, которые позволят даже несведущему в естественных науках человеку понять основные принципы. Мы начнем с повседневного, с того, что нас окружает, познакомимся с удивительными свойствами и особенностями растений и животных. Скоро мы убедимся, что физическое объяснение форм и функций возможно только в результате очень серьезных размышлений. Так, переходя со ступени на ступень, от живых организмов вплоть до молекулярного уровня, мы узнаем, на чем основана в биологии причинная связь между функцией и формой, между временем и пространством.

С удивлением смотрят посетители на телевизионную башню. Высокая и тонкая, тянется она к небу. Внутри бетонной башни проложены различные коммуникации, а скоростной лифт перевозит людей и материалы. Вверху на головокружительной высоте башня расширяется. Здесь инженеры разместили аппаратуру; отсюда же, со смотровых площадок и из окон ресторана, перед посетителями открывается красивая панорама. Не правда ли, чудо техники?!

Однако кто же в наш век, когда мы буквально осыпаны всевозможными техническими достижениями, еще способен удивляться? И все-таки она удивительна, эта новая башня, и поражает нас своей высотой и стройностью. Но действительно ли башня так тонка, как кажется?

Посмотрим в рекламных проспектах, каковы высота и диаметр башни, и вычислим их отношение. Оно равно примерно 18, т. е. высота башни в 18 раз больше ее ширины. Много ли это?

Для сравнения вспомним тростник, который достигает в высоту 2 м, имея в диаметре лишь 1 см.

Отношение высоты h к среднему диаметру d у телевизионной башни значительно меньше, чем у стебля. Свидетельствует ли это о превосходстве биологической организации?

В предыдущей главе мы говорили о величинах и измерениях. Теперь мы обратим свое внимание на форму и внешний вид растений и животных. Пригодятся ли нам и здесь математика и физика?

Анализ проблемы формы в биологии приводит нас к вопросам эстетики. Достаточно вспомнить, например, книгу Эрнста Геккеля "Красота форм в природе". Однако мы не будем заниматься эстетикой, а останемся на твердой почве естествознания. Тем не менее факт остается фактом — эстетика и проблемы формы в биологии тесно связаны. Эстетика и целесообразность в живой природе, очевидно, взаимозависимы. В повседневной жизни целесообразное отнюдь не всегда можно назвать "прекрасным". В технике целесообразность и красоту часто даже рассматривают как две противоположности. Биологическим же объектам свойственна совершенно особая целесообразность, и она представляется нам прекрасной.

Форма и целесообразность в биологии связаны с третьим понятием — приспособленностью. Более столетия назад мир познакомился с работой Чарлза Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение — благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". Эволюционная теория Дарвина является одной из составляющих частей современного научного мировоззрения, и каждому из нас знакомо выражение "борьба за существование". Эволюционное развитие определяется совокупностью двух процессов — вариабельности и селекции, или, проще говоря, случайной изменчивости и отбора.

Целесообразность той или иной формы в биологии неразрывно связана с красотой. Красивы ли симметричные организмы? Сейчас нам кажется забавным, что Эрнст Геккель в своей книге 'Красота форм в природе' относит к миру прекрасного даже ленточного червя

В начале книги мы сравнивали былинку и телевизионную башню, сравнивали формы биологического и технического объектов. Затем мы заинтересовались внешним видом живых организмов и установили, что форма растений и животных тесно связана с их функциями и возможностями. Мы обнаружили, что с помощью чисел и математических формул можно описать внешний вид биологического объекта и его изменение, можно судить о сходстве и различии форм. Как выяснилось уже в первой главе, глубокое понимание формы живых организмов немыслимо без знания различных жизненно важных процессов. Теперь пойдем дальше и постараемся объяснить особенности формы организма, исходя из его функции.

Конечно, зависимость между формой и образом действия, иными словами, между структурой и функцией, характерна и для неживой природы. Часы будут казаться нам бессмысленным предметом из латуни и стали до тех пор, пока мы не поймем, как сцепляются шестеренки, как заводная пружина приводит в действие весь механизм и для чего, собственно говоря, движутся стрелки на циферблате. Если мы определим эту связь, то сможем понять, почему шестеренок именно столько, а не больше или меньше, почему эта шестеренка именно такого размера, а та — другого и т. д. Аналогичным образом в первой главе мы пытались понять связь между структурой и функцией в биологических системах: почему кости имеют определенную толщину, почему мышь не может быть меньше и прочее. Это одна сторона структурно-функциональной связи, принцип которой в равной мере справедлив как для технических, так и для биологических объектов. Если глубже вникнуть в проблему формы живых организмов, то откроется другая сторона, которая имеет решающее значение.

Предположим, мы приобрели исключительно дорогие наручные часы. Это украшение, образец элегантности и точности, символ респектабельности, вещь далеко не повседневная. Мы храним часы в чистом сухом месте с возможно меньшими колебаниями температуры. Мы надеваем их лишь в особых случаях, а затем снова упаковываем. При таком обращении часы сохранят свою работоспособность исключительно долго. Зубчатые колесики не сотрутся, а рубины будут казаться новыми даже нашим далеким потомкам.

Теперь обратимся к биологии. Допустим, коллекционер, поймав редкого жука, бабочку или найдя ценное растение, хотел бы присоединить находку к своей коллекции или передать музею. При этом желательно, чтобы образец как можно больше походил на живой, а по возможности даже был таковым. К сожалению, это исключено. Даже при хорошем уходе животное живет лишь ограниченное время, и нам не удастся сколько-нибудь значительно увеличить время жизни растения, если мы срежем его и поставим в воду. Основная причина наших неудач заключается в том, что структура организма связана с его функцией. Вне функции она мертва. Когда "часовой механизм" живого организма не работает, его "шестеренки" ломаются.

Следует отметить, что современные методы позволяют замораживать и длительное время сохранять жизнеспособные клетки и части органов. Сперма может долго находиться в жидком азоте при температуре -196° С, а после оттаивания снова оказывается способной к оплодотворению. Поговаривают уже о "банке органов", где в замороженном виде будут храниться "запасные части" человеческого тела. Правда, пока еще ни разу не удавалось восстановить жизнедеятельность какого-либо высшего организма после замораживания, но с развитием науки и эта проблема, по-видимому, будет решена. И не исключено, что когда-нибудь мы увидим в жидком гелии Спящую Красавицу.

В технике статические структуры (А) хорошо сохраняются, если их герметически изолировать от внешних воздействий, таких, как влажность воздуха, колебания температуры, свет и т. д. Динамические биологические структуры (Б) связаны с окружающей средой обменом веществ. Изоляция приводит их к гибели

Наши размышления заставляют нас все глубже проникать в суть проблемы. Каждый вопрос рождает сотню новых. Начав с формы, мы пришли к движению и установили связь между ними. Сначала это было только наблюдение: нечто двигалось под воздействием какой-то силы, природой которой мы не интересовались. Образно говоря, мы установили, что стрелки часов движутся и это движение подчиняется определенным закономерностям. А теперь сделаем еще шаг вперед: в чем причина движения? Что приводит "шестеренки" живого в движение? Откуда берется движущая сила? Как происходит преобразование энергии?

Мы уже неоднократно обращались к часам как к примеру точной технической системы. Энергетический баланс часов рассчитать нетрудно. Механическая энергия запасается в пружине и затем освобождается опять же в виде механической энергии, приводя в действие часовой механизм. В биологической системе процессы преобразования энергии несравнимо сложнee. Это видно хотя бы из того множества видов "биологического движения", о которых мы говорили в предыдущей главе.

Чтобы подойти к пониманию биологически важных процессов преобразования энергии, нам придется обратиться к истории. В прошлом веке в науке возникло новое направление, которое сначала ставило своей целью лишь одно — улучшение рабочих качеств паровых машин. Это наука об энергии, которую тогда же окрестили термодинамикой — учением о тепловом движении. Достаточно ли высок коэффициент полезного действия паровой машины и как его можно повысить? Можно ли создать вечный двигатель? Почему материал, к примеру тот, из которого изготовляют пушечный ствол, при сверлении нагревается? Таковы были первые вопросы, которые пыталась разрешить эта наука. Со времени своего возникновения термодинамика пережила бурный подъем и продолжает стремительно развиваться в наши дни. Сейчас она служит теоретической основой для расчета всех энергетических процессов, протекающих в природе.

Термодинамику неоднократно пытались использовать для анализа сложных механизмов жизни. Но из-за трудности проблемы все попытки терпели неудачу. Только в последние десятилетия термодинамика достигла такого состояния, которое позволило ей внести важный вклад и в биологию. Сначала идеи термодинамики прочно утвердились в области клеточной и молекулярной биологии, а теперь говорят уже о термодинамике роста, эволюции и даже процесса мышления.

Термодинамика — это выдающееся создание человеческого ума. В ее основе лежат несколько "само собой разумеющихся", эмпирически установленных истин, на которых воздвигнуто логически стройное, надежное и устойчивое здание высшей абстракции. С высоты этого здания, построенного из "математических блоков" на фундаменте точного эксперимента, нам открываются далекие горизонты познания.

Здесь мы не можем останавливаться на частных разделах термодинамики, их развитии и современном состоянии. Однако для понимания общих закономерностей этого и не нужно. Вполне достаточно общего обзора, но нам придется начать издалека.

Сначала о "само собой разумеющемся", о фундаменте термодинамики, о том, что называют "основными законами". Два из них, известные как первое и второе начала термодинамики, особенно важны. Мы попытаемся передать смысл этих законов, не прибегая к математически строгим определениям. Их можно сформулировать следующим образом:

1. Существует нечто, называемое нами "энергией". Энергия обладает следующими свойствами: она не может возникать из ничего, равно как и бесследно исчезать; она существует в различных формах и может переходить из одной формы в другую.

2. Все процессы в окружающей нас природе развиваются в определенном направлении. Самопроизвольные (спонтанные) процессы в замкнутых, или изолированных, системах всегда протекают так, что из всех возможных состояний достигается состояние, характеризующееся максимальной неупорядоченностью.

Это не строгие формулировки, а попытка изложить основные законы термодинамики в наиболее доступной для понимания форме.

Оба начала термодинамики — первое, которое называют также законом сохранения энергии, и второе, позволяющее говорить о возможном направлении самопроизвольных процессов, — послужили исключительно плодотворной почвой для проведения многих расчетов. Первое начало исключает возможность существования вечного двигателя первого рода, т. е. провозглашает бессмысленной давнишнюю мечту людей о машине, которая сама себя непрерывно приводила бы в движение и производила бы при этом полезную работу.

Второе начало также чрезвычайно важно, а сфера его действия столь велика, что это трудно себе представить. Каждый знает, что порядок, если его постоянно не поддерживать, непременно нарушается, — система приходит в неупорядоченное состояние. А что при этом происходит с энергией? Если, например, высокая башня, сложенная из кирпичей, обрушится, то в результате, конечно, освободится энергия. Но такая упорядоченная система, как башня, вряд ли может возникнуть сама по себе из груды набросанных кирпичей даже в том случае, если средняя потенциальная энергия кирпичей в груде и в башне одинакова.

Вечный двигатель второго рода. Электростанция работает за счет охлаждения речной воды, превращая отобранное тепло в электроэнергию. Такой электростанции не может быть, поскольку самопроизвольное охлаждение тела ниже температуры окружающей среды исключается вторым началом термодинамики. Чтобы использовать тепловую энергию воды, необходимо иметь горячий источник

Мы начали книгу с описания крупных видимых объектов, которые можно наблюдать в повседневной жизни: летящего насекомого, качающегося стебелька, неуклюжего слона. Нам удалось уточнить и расширить наши знания и представления, многое связать воедино и объяснить. Одних вещей мы коснулись лишь вскользь, другие потребовали более серьезного обсуждения; кое-где нам пришлось глубже проникнуть в теорию и от конкретных жизненных понятий перейти к абстракциям.

Теперь нам придется расстаться с привычными представлениями и приготовиться многое осмыслить заново. Мы попытаемся проникнуть в царство молекул. Это означает не просто изменение масштабов, т. е. уменьшение наблюдаемого объекта или мысленное увеличение предмета нашего исследования, это означает прежде всего, что перед нами открывается качественно новый мир — мир микрофизики. Там скрыты корни жизни. Различные особенности живых организмов, которые можно легко заметить, например появление чего-то нового в окраске, форме или манере поведения, связанного с изменением наследственности, возникновение определенных болезней, таких, как рак, заболевания крови и т. д., обусловлены изменением молекул. Это одна из причин того, что молекулярная биология и биофизика приобретают в последнее время все большее значение.

Рассказывают, что один архитектор поручил своим ученикам спроектировать дома и квартиры для людей, совсем не похожих на нас: они ходят на четырех ногах, голова у них сбоку и т. д. Что это, бессмысленная прихоть? Отнюдь нет. Будущие архитекторы должны уметь забывать о привычном, должны обладать способностью отойти от традиции и взглянуть на мир новыми глазами.

Однако тот мир, который теперь перед нами откроется, — это не фантастика, ибо современная физика уже разработала для его описания достаточно точные научные представления и понятия. Но прежде чем вступить в царство молекул, мы должны сдать в архив наш привычный повседневный опыт. Теперь нашими проводниками будут учебники статистической физики и квантовой механики, где изложено все, что известно физикам на сегодняшний день. А они неплохо ориентируются в этой области!

С жадным любопытством вступаем мы в новый мир и нетерпеливо спрашиваем: как выглядит белковая молекула, о которой мы слышали столько удивительного? Правда ли, будто она катализирует процессы преобразования энергии и вещества, переносит электроны, совершает механическую работу и многое другое? Увы, нас ждет разочарование, так как наш первый вопрос лишен смысла: молекула вообще не "выглядит!"

Мы привыкли к тому, что все окружающее можно видеть и как-то описать. У твердых тел мы замечаем цвет, форму и размер, у жидкостей — по меньшей мере, цвет и консистенцию. Мышь серая и имеет хвост длиной примерно 15 см. И хотя есть мыши коричневые и белые, большие и маленькие, окраску и размеры каждой конкретной мыши мы можем установить однозначно. Если вскрыть мышь, то в ее голове мы найдем мозг, который тоже имеет определенные форму, размеры и окраску. Мы обнаружим разные области мозга, а вооружившись лупой, можем отчетливо разглядеть главные нервы. Специальными методами приготовим срезы мозга и рассмотрим их под микроскопом. Мы увидим разветвления нервных волокон и органеллы клеток: ядро, аппарат Гольджи, митохондрии. Чтобы различить последние, нам понадобится сильный микроскоп с 1300-кратным увеличением. Но на этом наши возможности "видеть" кончаются.

Различные устройства обеспечивают разную степень увеличения биологических объектов. Возможности 'видеть', в буквальном смысле этого слова, мы лишаемся уже на уровне оптического микроскопа. Применительно к электронному микроскопу, обладающему самой высокой разрешающей способностью, более подходит понятие 'отображать'

Что, собственно говоря, представляет собой биология? С этого вопроса мы начали разговор. Но ответ на него не был целью нашей книги. Напротив, возможно, что после ее чтения читателю гораздо большее покажется неясным, чем было прежде. Должен ли биолог быть одновременно химиком, специалистом в области кибернетики, квантовой физики, электроники, термодинамики и т. д.? Возможно ли это? Может быть, по этой причине биологов вообще больше не существует, а есть только физики, химики, математики, инженеры, занимающиеся вопросами живого?

Эти вопросы серьезны и важны. И простыми "да" или "нет" на них не ответишь. У нас осталось еще множество нерешенных проблем, которые мы попытаемся как-то упорядочить и обсудить последовательно.

Бесспорно, в наше время дальнейшее развитие биологии невозможно без помощи других естественных, а также математических и технических наук. Современный студент-биолог более половины своего учебного времени посвящает изучению небиологических, смежных дисциплин. Это необходимо ему независимо от того, в какой области биологии он будет работать в будущем. Бели он стремится попробовать свои силы на стыке наук, то он специализируется в соответствии с этим и становится биофизиком или биохимиком.

Наши знания в области естественных наук сейчас настолько велики, что надеяться на успех в основном могут только достаточно узкие специалисты. Теперь уже не встретишь физика или химика, который, хорошо разбираясь во всех тонкостях собственного предмета изучения, был бы в то же время знаком со всеми специальными проблемами и новейшими результатами исследований в других разделах науки. В равной степени это относится и к биологу — ученому, объектом исследования которого являются в высшей степени развитые и сложные живые структуры. Дробление специальных наук продолжается, область знаний, которую в состоянии охватить один человек, становится все уже.

Покажем это на примере. Согласно грубой оценке, ежедневно в мире выходит около десятка научных публикаций, посвященных новейшим исследованиям биологических мембран. Даже если объем каждой из статей пять страниц — а многих из них больше, — специалист, занимающийся изучением этой проблемы, должен ежедневно прочитывать и перерабатывать пятьдесят страниц научного текста. А это отнюдь не роман!Это описание, как правило, весьма лаконичное, опытных установок, вывод математических формул, анализ полученных кривых; кроме того, все это часто написано на иностранном языке. Если бы ученый взялся читать все это, он, конечно, знал бы, что делают другие исследователи в данной области, но у него не осталось бы ни минуты времени для собственной исследовательской работы.

Выход один: из десятка статей в день отбирается одна-две, наиболее тесно связанные с собственной узкой темой исследования. Биология мембран слишком обширна. Ее подразделяют на биохимию активного транспорта через мембрану, электрохимические проявления потенциала действия, транспорт Сахаров через мембрану клеток кишечника и т. д. Если ограничить себя узкими рамками, то можно успеть не только следить за текущей литературой, но и самому заниматься научными изысканиями.

Но не приводит ли такая специализация в конце концов к специалисту-невежде, человеку, который все более сужает область своих научных интересов, пока наконец не приходит к тому, что ничего не знает обо всем другом. Эта опасность сегодня велика!

Характерной особенностью современных исследований является сотрудничество ученых разных специальностей при решении одной общей проблемы. Специалисты по электронике разрабатывают и конструируют сложные измерительные приборы, биологи препарируют биологический объект, химики анализируют его состав, физики и математики обрабатывают полученные данные. И совместная работа всех этих специалистов строится довольно непросто.

Научные исследования — не производство предметов широкого потребления. Любой из предметов нашего обихода, прежде чем попасть к потребителю, проходит через руки многих специалистов. При этом рабочий не обязательно должен представлять себе вид готовой продукции. Например, рабочий, изготовляющий шарниры, не знает, будут ли их встраивать в шкаф, радиолу, футляр для прибора или пианино. Это его не интересует, ему вполне достаточно знать, что шарниры данного размера где-то используются.

В отличие от этого каждый член исследовательского коллектива должен представлять себе проблему в целом. Специалисту по электронике нужно знать электрические параметры изучаемого биологического объекта, чтобы эффективно и безошибочно применять измерительную технику. Физик должен иметь представление о множестве биологических явлений, которые могут повлиять на результаты измерений. Биолог в соответствии с требованиями своих коллег должен уметь выбрать наиболее подходящий объект для изучения. Но главное — всем нужно знать проблему, знать, что сделано в мире в этой области, как наиболее рационально подойти к решению задачи, чтобы достаточно быстро добиться эффективных результатов. Далее необходимо проанализировать результаты и. сформулировать в виде рабочих гипотез или теорий новые задачи. Итак, все заняты биологией! Значит ли это, что все, работающие над этой темой, — биологи?

Если называть биологом исследователя, который изучает живую систему, тогда действительно все сотрудники исследовательской группы — биологи независимо от полученного ими образования. Если же считать биологом ученого, усвоившего известные в настоящее время общие взаимосвязи и закономерности, присущие такому явлению, как жизнь, и не учитывать, в какой области он в настоящее время работает, то на поставленный выше вопрос следует ответить отрицательно.

Здесь мы подошли к следующей проблеме: действительно ли существует собственно биология со своим специфическим образом мышления, типичными закономерностями и т. д. или она разделяется на физику и химию живого? Снова приведем конкретный пример.

Допустим, биолог, слабо знакомый с математикой, узнаёт, что некоторые проблемы можно решить с помощью дифференциальных уравнений. Поскольку эти проблемы его интересуют, он хочет ознакомиться с данным методом ближе. Он покупает учебник по дифференциальным уравнениям и сразу же обнаруживает, что его знания в области дифференциального исчисления недостаточны, чтобы понять эту книгу. Он приобретает .новый учебник. На первых же страницах он сталкивается со значком "lim". Что это такое? Он обращается к исчислению бесконечно малых величин, пределам сходимости рядов. Снова учебники! Затем следуют функции, векторы — очень скоро человек оказывается окруженным горой учебников и приходит к выводу: помочь ему может только систематическое изучение математики в вузе с самого начала!

Подобную же картину мы увидим, если вместо математики обратимся к физике. Для понимания специальных физических проблем также необходим надежный фундамент, который дает только систематическое образование. Вот почему биологи так редко находят путь в физику и математику. У кого хватит времени и терпения начать систематическое обучение с самых азов?

Теперь рассмотрим обратную ситуацию. Физик, химик или математик заинтересовались какой-то специальной проблемой, скажем ростом бактерий. Здесь любому из этих специалистов придется легче, чем биологу, хотя в учебнике по микробиологии каждый из них также встретит множество незнакомых терминов. Об одних ему придется где-то справиться, другие он может просто пропустить. При некотором усердии через относительно короткое время он узнает о бактериях достаточно для того, чтобы применять свои математические, физические или любые другие специальные знания.

Стал ли он при этом биологом? Конечно, он может многое сделать, работая в содружестве с "классическим" биологом, ведь теперь он лучше разбирается в биологической проблематике. Его аналитический, натренированный в другой области знаний ум может оказаться здесь очень полезным. Но может случиться и так, что он поведет себя в биологии как слон в посудной лавке. Наивное невежество будет побуждать его строить самые невероятные гипотезы, которые не выдерживают биологической проверки или попросту представляют собой умствование, лишенное смысла. Подобных примеров великое множество. Нередко пытаются стрелять из пушек по воробьям, которые притом и сидят где-то совсем близко. И если математический аппарат достаточно сложен, биолог не в состоянии сразу раскусить подобный обман.

Биология в отличие от математики и физики не заходит за их границы, которые абсолютно неприступны для любого чужака. Но в биологии, так же как в физике и математике, творческая работа возможна только после ознакомления с основами этой науки. Микробиолог должен знать и клетки животных. В своих изысканиях он должен учитывать эволюцию, а следовательно, ему необходимы некоторые знания о формах. В современном представлении эволюция — это сравнение не только форм, но и функций. Как развивались те или иные ферментные системы? Где и как впервые возникли определенные механизмы биологических реакций?

Итак, биология существует! Внедрение в нее методов и идей смежных дисциплин не ведет к дроблению общей картины этой науки. Напротив, в результате сотрудничества с другими науками современная биология значительно обогатилась возможностями, перспективами и знаниями. Расширился и круг ученых, работающих в биологии. Приведенный нами пример ни в коем случае не должен отпугивать физика от биологии, принижать его успехи в этой области. Огромный вклад, который физики внесли в биологию, подчеркивает и список лауреатов Нобелевской премии за последнее десятилетие. Во многих лабораториях мира физики работают бок о бок с биологами, и многие из них стали биологами в истинном смысле этого слова. То же можно сказать о химиках, математиках, инженерах. Современная биология, как и любая другая наука, не боится богатства идей.

Наша книга, разумеется, не претендует на изложение всех представлений современной биологии. Это всего-навсего попытка взглянуть на биологию с иной точки зрения. Мы лишь мимоходом коснулись здесь различных проблем и суждений. Большинство рассмотренных нами примеров относятся к той области, которую в настоящее время определяют понятием "биофизика", хотя такое определение ограниченно и неточно. Мы хотели обратить внимание читателя на то, что развитие этого специального направления значительно обогатило биологию, что современную общую биологию невозможно представить без учета вклада, сделанного биофизикой. И если затронутые здесь проблемы пробудили у читателя интерес, автор считает свою задачу выполненной.

Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика; М., Атомиздат, 1972.

Витализм (от латинского vitalis — жизненный, животворный, живой) — идеалистическое течение в биологии, согласно которому во всех живых организмах существует особая нематериальная жизненная сила. Витализм берет начало от первобытного представления об одушевленности всех тел природы. — Прим. ред.

Обширный отряд вымерших головоногих моллюсков; они обладали наружной раковиной, завитой в плоскую спираль с плотно налегающими оборотами. — Прим. ред.

Изотоническими называются растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление. В данном случае имеется в виду, что внутри клетки осмотическое давление такое же, как во внешней среде. — Прим. рeд.

Отдельные компоненты динамических систем можно маркировать, т. е. метить, по-разному. Например, при анализе молекулярных систем используют радиоактивные изотопы, при анализе популяций микроорганизмов — генетические метки и т. д. — Прим. ред.

Автотрофам для их существования достаточно наличия воды, двуокиси углерода, неорганических солей и подходящего источника энергии. В отличие от автотрофов гетеротрофные организмы не способны синтезировать питательные вещества из неорганических соединений. Поэтому гетеротрофы (сюда относятся животные, грибы, многие бактерии) вынуждены жить за счет автотрофов. — Прим. ред.

Флуоресценция (от названия минерала "флюорит", у которого впервые была обнаружена флуоресценция, и латинского escent — суффикс, означающий слабое действие) — световое излучение, очень быстро затухающее после окончания возбуждения (время затухания около 10^-8 с). Флуоресценция возникает в результате самопроизвольных переходов возбужденных молекул (атомов) в нормальное состояние. По спектрам флуоресценции можно судить о свойствах молекул. — Прим. ред.

Здесь имеется в виду разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны. — Прим. ред.

Персонажи трагедии И. Гёте "Фауст" (пер. с нем. Н. Холодковского, часть первая, сцена 1). — Прим. ред.