И пусть твой дух как пламя вознесен, подобьями довольствуется он.
И. В. Гёте. Prooemion
Итак, с помощью чудесного тонкого инструмента – рентгеновских лучей, благодаря которым, как помнят физики, тридцать лет назад была детально изучена атомная решетка кристаллов, биологи и физики, объединив усилия, опустили верхний предел размера микроскопических структур, отвечающих за определенные крупномасштабные признаки особи – «размер гена». Теперь перед нами встал серьезный вопрос: как с точки зрения статистической физики примирить те факты, что структура генов включает сравнительно небольшое число атомов (порядка 1000, а то и меньше), но тем не менее проявляет в высшей степени регулярную и упорядоченную активность, с постоянством и стабильностью, граничащими с чудом?
Позвольте мне еще раз подчеркнуть эту удивительную ситуацию. Несколько представителей династии Габсбургов обладают странной деформацией нижней губы – «габсбургской губой». Под покровительством императорского семейства Венская императорская академия тщательно изучила ее наследование и опубликовала результаты, вместе с историческими портретами. Судя по всему, этот признак является истинно менделевской «аллелью» по отношению к нормальной форме губы. Сосредоточившись на портретах члена семейства, жившего в XVI веке, и его потомка, жившего в XIX веке, можно смело предположить, что материальная структура гена, ответственная за эту аномальную черту, передавалась из поколения в поколение, воспроизводимая при каждом из не слишком многочисленных клеточных делений, разделяющих этих двух людей. Более того, число атомов, вовлеченных в соответствующую генную структуру, скорее всего, имеет тот же порядок, что и в случаях, изученных с помощью рентгеновского излучения. Все это время ген находился при температуре около 98 °F[25]. Как объяснить, что за столетия разупорядочивающее тепловое движение не нарушило его целостности?
В конце прошлого века физик не смог бы ответить на данный вопрос, если бы опирался только на законы природы, которые был способен истолковать и действительно понимал. Поразмыслив о статистической ситуации, он бы сказал (как мы заметим, совершенно верно): этими материальными структурами могут быть только молекулы. К тому времени химия уже обладала обширными знаниями о существовании, а иногда и очень высокой стабильности таких атомных ассоциаций. Однако эти знания были чисто эмпирическими. Природа молекул оставалась загадкой – крепкая связь между атомами, поддерживающая форму молекулы, ставила всех в тупик. Да, это был бы верный ответ, однако его ценность была бы ограничена до тех пор, пока загадочная биологическая стабильность сводилась бы лишь к не менее загадочной химической стабильности. Свидетельство того, что два признака со схожим проявлением основаны на одном принципе, всегда шатко, если этот принцип неизвестен.
В данном случае объяснение дает квантовая теория. Согласно современным знаниям, механизм наследственности тесно связан – нет, основывается на самом базисе квантовой теории. Теорию эту открыл Макс Планк[26] в 1900 году. Современную генетику можно датировать подтверждением де Фризом, Корренсом и Чермаком статьи Менделя (1900) и статьей де Фриза о мутациях (1903). Таким образом, две великие теории возникли почти одновременно, и неудивительно, что обеим следовало достичь определенной зрелости, прежде чем между ними проявится связь. Квантовой теории на это потребовалось более четверти века, пока в 1926 году В. Гайтлер[27] и Ф. Лондон[28] не разработали общие принципы квантовой теории химической связи. Теория Гайтлера – Лондона включает тонкие и сложные концепции последних достижений квантовой теории (квантовую механику, или волновую механику). Представить ее без вычислений практически невозможно или потребует отдельной небольшой книги. Но, к счастью, теперь, когда вся работа по прояснению нашего мышления проделана, можно прямо обозначить связь между квантовыми переходами и мутациями, выделить наиболее примечательную черту. Этим мы и займемся.
Величайшим откровением квантовой теории стало открытие дискретности в природе, в контексте, где, согласно сложившимся взглядам, что-либо кроме непрерывности выглядит абсурдным.
Первый подобный случай касался энергии. Крупное тело меняет энергию непрерывно. Например, раскачанный маятник постепенно замедляется благодаря сопротивлению воздуха. Странно, но следует признать, что система атомных масштабов ведет себя иначе. По причинам, в которые мы не можем здесь углубиться, нужно полагать, что маленькая система по природе своей обладает определенными дискретными величинами энергии, их называют свойственными ей энергетическими уровнями. Переход из одного состояния в другое представляет собой весьма загадочное событие, обычно называемое квантовым переходом.
Однако энергия – не единственная характеристика системы. Снова рассмотрим наш маятник, но такой, что осуществляет различные движения, – тяжелый шар, подвешенный на нитке к потолку. Он может качаться в направлении север – юг, или восток – запад, или любом ином, или описывать круг, или эллипс. Аккуратно обдувая шар мехами, можно заставить маятник непрерывно переключаться от одного вида движения к другому.
Для мелкомасштабных систем большинство этих или схожих характеристик – мы не станем вдаваться в детали – меняются дискретно. Они «квантованы», как энергия.
В результате атомные ядра с их электронными оболочками, оказываясь в непосредственной близости друг к другу и формируя систему, не могут принять любую произвольную конфигурацию. По своей природе они выбирают из многочисленного, но дискретного числа состояний[29]. Обычно мы называем их уровнями, или энергетическими уровнями, поскольку энергия играет важную роль в данной характеристике. Но следует понимать, что полное описание включает не только энергию. По сути надо говорить о состоянии как об определенной конфигурации всех частиц.
Переход из одной конфигурации в другую является квантовым переходом. Если вторая конфигурация обладает большей энергией («более высокий уровень»), для перехода необходимо снабдить систему извне количеством энергии, хотя бы равным разнице между двумя уровнями. Переход на низший уровень может происходить самопроизвольно, а избыток энергии будет рассеян в виде излучения.
Среди дискретных состояний некой выборки атомов может существовать самый нижний уровень, соответствующий близкому расположению ядер относительно друг друга. В таком состоянии атомы формируют молекулу. Следует подчеркнуть, что молекула поневоле будет обладать определенной стабильностью. Ее конфигурация остается неизменной, если извне нет притока энергии, равной хотя бы разнице, необходимой для «подъема» на более высокий уровень. Таким образом, эта разница между уровнями, имеющая количественное выражение, количественно определяет степень стабильности молекулы. Мы увидим, как тесно данный факт связан с самими основами квантовой теории – с дискретностью энергетических уровней.
Я вынужден просить читателя принять на веру то, что этот набор идей полностью подтверждается химическими фактами – и успешно объясняет основополагающую концепцию химической валентности и многие детали молекулярной структуры, энергию связи, стабильность при различных температурах и т. п. Я говорю о теории Гайтлера – Лондона, которую, как я уже упоминал, невозможно рассмотреть здесь подробно.
Мы должны удовлетвориться рассмотрением вопроса, представляющего важность для нашего биологического исследования, а именно стабильности молекулы при различных температурах. Предположим, что наша система атомов вначале находится в состоянии с минимальной энергией. Физик назовет это молекулой при абсолютном нуле температуры. Чтобы перевести ее на следующий более высокий уровень, необходим приток определенного количества энергии. Простейший способ предоставить его – «нагреть» молекулу, перенести ее в окружающую среду с большей температурой (термостат), тем самым позволив другим системам (атомам, молекулам) сталкиваться с нашей молекулой. Поскольку тепловое движение хаотично, не существует температурного порога, при котором «подъем» произойдет обязательно и немедленно. Скорее при любой температуре, отличной от абсолютного нуля, существует бо́льшая или меньшая вероятность такого «подъема», и она, разумеется, растет с ростом температуры в термостате. Лучший способ выразить эту вероятность – указать среднее время, которое придется ждать перехода, – «время ожидания».
О проекте
О подписке