1. От кварков и струн до клеток и китов

Прежде чем мы займемся некоторыми из упомянутых великих вопросов, я хочу сделать небольшое отступление и описать ту последовательность счастливых случайностей, которая привела меня от исследования фундаментальных проблем физики к фундаментальным проблемам биологии, а затем и к фундаментальным проблемам социально-экономических наук, касающимся основополагающих вопросов глобальной жизнеспособности.

В октябре 1993 г. конгресс США с согласия президента Билла Клинтона официально закрыл крупнейший из когда-либо задуманных научный проект, на реализацию которого уже было потрачено почти три миллиарда долларов. Этот необычайный проект предполагал создание гигантского Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider, SSC). Некоторые считали этот ускоритель в совокупности с детекторами, которые планировалось установить на нем, величайшей инженерной задачей в истории. SSC должен был быть гигантским микроскопом, предназначенным для исследования расстояний до сотен триллионных микрона с целью выявления структуры и динамики фундаментальных составляющих элементов материи. Он мог дать жизненно важные свидетельства для проверки предсказаний, полученных из нашей теории элементарных частиц, возможно, привести к открытию новых явлений и заложить основы так называемой теории Великого объединения всех фундаментальных сил природы. Этот грандиозный проект мог не только дать нам более глубокое понимание того, из чего состоит весь окружающий нас мир, но и открыть важные аспекты эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. Во многих отношениях этот проект олицетворял высочайшие идеалы человечества как единого существа, обладающего достаточно высоким уровнем сознания и разумности для проявления интереса к бесконечной задаче раскрытия некоторых из глубочайших тайн Вселенной – а может быть, даже и для определения самого смысла нашего существования, роли человека как проводника самопознания Вселенной.

Масштаб SSC был огромен: он должен был иметь более 80 км в длину и разгонять протоны до энергии 20 триллионов электрон-вольт; стоимость проекта превышала 10 миллиардов долларов. Чтобы получить представление об этом масштабе, нужно вспомнить, что характерная энергия химических реакций, на которых основана жизнь, составляет порядка одного электрон-вольта. Энергия протонов в SSC должна была быть в восемь раз больше, чем в Большом адронном коллайдере, работающем сейчас в Женеве и оказавшемся недавно в центре внимания общественности в связи с открытием бозона Хиггса.

Кончина SSC была связана с несколькими разными, почти предсказуемыми причинами, в том числе с неизбежными финансовыми проблемами, состоянием экономики, негативным политическим образом Техаса, в котором строился ускоритель, недостаточным вдохновением руководства и так далее. Но одной из главных причин краха этого проекта был рост негативных взглядов на традиционную «большую науку» вообще и физику в частности[44]. Они принимали множество разных форм, но особенно часто многим из нас приходилось сталкиваться с одним высказыванием, которое я уже цитировал выше: «Если XIX и XX века были веками физики, то XXI век будет веком биологии».

Даже самому высокомерному и фанатичному физику трудно спорить с мыслью о том, что в XXI в. биология, по всей вероятности, должна затмить физику в качестве «главной науки». Но особенно раздражал многих из нас делавшийся из этого вывод (который часто высказывался прямым текстом) о том, что дальнейшие фундаментальные исследования в физике такого рода больше не нужны, так как мы уже знаем все, что нужно знать. К сожалению, жертвой именно такого ошибочного провинциального мышления и пал проект SSC.

В то время я руководил в Лос-Аламосской национальной лаборатории программой физики высоких энергий, в рамках которой мы принимали значительное участие в создании одного из двух крупных детекторов для SSC. Поясню для тех, кто не знаком с этой терминологией, что «физикой высоких энергий» называют раздел физики, занимающийся решением фундаментальных вопросов об элементарных частицах, взаимодействии между ними и их влиянии на космологические процессы. Я был (и остаюсь до сих пор) физиком-теоретиком, и мои основные исследовательские интересы были в то время сосредоточены именно в этой области. Моя рефлекторная реакция на такие провокационные заявления относительно расхождения путей физики и биологии сводилась к тому, что биология почти наверняка будет главенствующей наукой XXI в., но, чтобы достичь настоящего успеха, она должна будет усвоить некоторые из элементов численной, аналитической, предсказательной культуры, которые уже принесли такой успех физике. Биология должна будет интегрировать в свой традиционный подход, опирающийся на статистические, феноменологические и качественные аргументы, более теоретическую систему, основанную на фундаментальных математических или вычислительных принципах. К стыду своему, должен признать, что в то время я знал о биологии очень мало, и эти выступления проистекали в основном из высокомерия и невежества.

Тем не менее я решил подкрепить слово делом и начал думать о том, как парадигма и культура физики могла помочь в решении интересных задач биологии. Разумеется, уже существовали физики, совершавшие чрезвычайно успешные экскурсы в область биологии, и самым замечательным из них был, пожалуй, Фрэнсис Крик, определивший вместе с Джеймсом Уотсоном структуру ДНК, что произвело настоящую революцию в нашем понимании генома. Другим был великий физик Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики, прекрасная книжка которого, вышедшая в 1944 г. под названием «Что такое жизнь?», оказала на биологию большое влияние[45]. Эти примеры доказывали самым вдохновляющим образом, что в физике может найтись нечто интересное для биологии, и стимулировали слабый, но постоянно набирающий силу поток физиков, переходящих границу между этими двумя науками, который привел к зарождению новой дисциплины – биофизики.

К моменту кончины SSC мне было слегка за пятьдесят и, как я уже говорил в начале этой книги, я все более остро осознавал неизбежное разрушительное воздействие старения и ограниченность жизни. С учетом неблестящих результатов, показанных мужчинами прошлых поколений моей семьи в области долголетия, мне казалось естественным начать свои размышления о биологии с изучения старения и смертности. Поскольку эти свойства относятся к наиболее универсальным и фундаментальным характеристикам всего живого, я наивно полагал, что о них должно быть известно почти все. Однако, к большому своему удивлению, я не только узнал, что не существует общепринятой теории старения и смертности, но и сама область исследования этих вопросов оказалась маленькой и довольно застойной. Более того, выяснилось, что изучались лишь немногие из тех вопросов, постановка которых казалась бы физикам совершенно естественной, – например, тех, которые я задавал в первой главе. В частности, я имею в виду вопросы о том, откуда берется характерный масштаб продолжительности человеческой жизни в сто лет и какой могла бы быть численная, обладающая предсказательной силой теория старения.

Смертность – важное свойство жизни. Собственно говоря, она неявным образом является значимым элементом теории эволюции. Один из необходимых компонентов процесса эволюции состоит в том, что особи рано или поздно умирают, что позволяет их потомству распространять новые комбинации генов и в конце концов приводит к адаптации новых черт и вариантов в процессе естественного отбора и к росту многообразия видов. Все мы должны умереть, чтобы нечто новое могло расцветать, исследовать, приспосабливаться и развиваться на нашем месте. Эту идею красноречиво выразил Стив Джобс[46]:

Никто не хочет умирать. Даже те, кто мечтает попасть на небо, не готовы ради этого умереть. И тем не менее всем нам суждена смерть. Ее не избежал никто, и так оно и должно быть, потому что смерть – это, по всей вероятности, самое лучшее из всех изобретений жизни. Это проводник изменений жизни. Она убирает старое, чтобы расчистить дорогу новому.

Учитывая огромное значение смерти и ее предшественника, процесса старения, я рассчитывал, что, взяв какой-нибудь учебник вводного курса биологии, я найду в нем целую главу, посвященную смерти в рамках обсуждения основных черт жизни, подобного обсуждениям рождения, роста, воспроизводства, обмена веществ и так далее. Я ожидал встретить дидактическое изложение механистической теории старения, которое содержало бы простой расчет, показывающий, почему мы живем именно около ста лет, и отвечающий на все заданные выше вопросы. Не тут-то было. Я вообще не нашел ни каких-либо упоминаний о такой теории, ни какого-либо намека на то, что эти вопросы кого-либо интересуют. Это было весьма удивительно, особенно с учетом того, что, если не считать рождения, смерть является наиболее выдающимся событием биологической жизни человека. Будучи физиком, я засомневался, до какой степени биологию можно считать «настоящей» наукой (имея в виду, конечно же, ее сходство с физикой!) и как она собирается стать главной наукой XXI в., если не занимается такого рода фундаментальными вопросами.

Кажущееся общее отсутствие интереса к проблеме старения и смертности в биологическом сообществе, не считая сравнительно небольшого числа исследователей, посвятивших свою работу именно им, побудило меня задуматься над этими вопросами. Поскольку казалось, что практически никто не применял к ним численного или аналитического подхода, применение в этой области физических методов, наверное, могло привести к небольшому прогрессу. Поэтому в свободное от возни с кварками, глюонами, темной материей и струнами время я начал думать о смерти.

В самом начале своих исследований в этом новом направлении я получил неожиданную поддержку своим раздумьям о биологии как точной науке и ее отношениях с математикой из довольно неожиданного источника. Я узнал, что идеи, казавшиеся мне бунтовщическими, уже высказывал, к тому же более глубоко и красноречиво, почти за сто лет до того один выдающийся и несколько эксцентричный биолог, сэр Дарси Уэнтворт Томпсон, в своей книге «О росте и форме», опубликованной в 1917 г.[47]. Эта замечательная книга оставалась с тех пор предметом негромкого поклонения не только в биологии, но и в математике, искусстве и архитектуре. Она оказала влияние на многих мыслителей и художников, от Алана Тьюринга и Джулиана Хаксли до Джексона Поллока. О ее неизменной популярности свидетельствует тот факт, что она все еще переиздается. Выдающийся биолог сэр Питер Медавар, пионер пересадки органов, получивший Нобелевскую премию за свою работу по реакциям на пересадку тканей и приобретенной иммунотолерантности, считал, что «О росте и форме» – это «величайшее литературное произведение в анналах науки, записанных на английском языке».

Томпсон был одним из последних «людей Возрождения», представителем той породы много- и междисциплинарных ученых, которая сейчас практически исчезла. Хотя свой основной вклад он внес в биологию, он также был весьма крупным специалистом по классическим языкам и математике. Он был избран президентом Британской ассоциации антиковедов и президентом Королевского географического общества, а его математические таланты позволили ему стать почетным членом Эдинбургского математического общества. Он происходил из шотландского рода с богатыми интеллектуальными традициями и, подобно Изамбарду Кингдому Брюнелю, носил имя, которое отлично подошло бы второстепенному персонажу викторианского романа.

Томпсон начинает свою книгу с цитаты из знаменитого немецкого философа Иммануила Канта, сказавшего, что современная ему химия была «eine Wissenschaft, aber nicht Wissenschaft». В переводе Томпсона это означает, что химия – это «некая наука, но не Наука», причем он уточняет, что «критерием подлинной науки является ее отношение к математике». Далее Томпсон говорит о том, что в его время существует обладающая предсказательной силой и основанная на фундаментальных принципах «математическая химия», что возвышает химию из положения «некой науки» до «Науки» с большой буквы. В то же время биология остается дисциплиной качественной, не имеющей математических основ или принципов, и потому по-прежнему является лишь «наукой» с маленькой буквы. Она сможет стать «Наукой» лишь тогда, когда включит в себя выражаемые математически физические принципы. Я начал понимать, что, несмотря на необычайные успехи, достигнутые за прошедшее с тех пор столетие, суть той провокационной характеристики, которую Томпсон дал биологии, до некоторой степени остается верной и сейчас.

Хотя в 1946 г. Королевское общество наградило Томпсона престижной медалью Дарвина, он критически относился к общепринятой дарвиновской теории эволюции, так как считал, что биологи преувеличивают роль естественного отбора и «выживания наиболее приспособленных» в качестве фундаментальных факторов, определяющих формы и строение живых организмов, недооценивая ту важную роль, которую играют в процессе эволюции физические законы и их математическое выражение. По-прежнему остается без ответа основополагающий вопрос, заложенный в это утверждение: существуют ли «универсальные законы жизни», которые можно было бы выразить математически, чтобы сформулировать биологию в виде численной, предсказательной Науки? Вот как формулировал эту идею сам Томпсон:

Нам надлежит всегда помнить, что для открытия простых вещей в физике потребовались великие мужи. ‹…› Никто не может предвидеть, до какой степени математика сможет описать, а физика – объяснить строение тела. Может оказаться так, что все законы энергии, все свойства материи и вся химия всех коллоидов столь же бессильны объяснить тело, сколь они не в состоянии понять душу. Но лично я так не думаю. Физическая наука не рассказывает мне, как именно душа воплощается в теле; то, как живая материя влияет на разум и испытывает его влияние, остается неразрешимой тайной. Все нервные каналы и нейроны физиологии не позволяют мне понять сознания; и я не ищу в физике объяснений того, почему лицо одного человека светится добром, а в лице другого проступает зло. Но в том, что касается строения и роста и работы тела, как и всего другого, сущего на Земле, единственным нашим учителем и руководителем, по моему скромному мнению, может быть лишь физическая наука.

Это довольно точно выражает кредо современной «науки о сложности», включая даже тот вывод, что сознание есть эмерджентное системное явление, а не результат простого сложения всех «нервных каналов и нейронов» мозга. Книга эта написана в ученом, но чрезвычайно легком для чтения стиле и содержит на удивление мало математики. В ней нет провозглашения грандиозных принципов, за исключением убеждения в том, что физические законы природы, записанные на языке математики, являются одним из главных определяющих факторов биологического роста, формы и развития.

Хотя книга Томпсона не касалась ни старения, ни смерти и не была особенно полезной или сложной с технической точки зрения, ее философия обеспечила поддержку и вдохновение для рассмотрения и приложения взятых из физики идей и методик к самым разнообразным проблемам биологии. Что касается моих собственных размышлений, она побудила меня рассматривать наше тело в виде метафорической машины, которую необходимо подпитывать, обслуживать и ремонтировать, но которая постепенно изнашивается и «умирает» – в точности как наши автомобили и стиральные машины. Однако, чтобы понять, как нечто стареет и умирает, будь то животное, автомобиль, компания или цивилизация, сначала нужно понять, какие процессы и механизмы поддерживают в нем жизнь, а затем выяснить, как они деградируют с течением времени. Это соображение естественным образом приводит нас к рассмотрению энергии и ресурсов, необходимых для поддержки и возможного роста, и их расходования на содержание и восстановление для борьбы с производством энтропии, вызванным разрушительными силами, которые связаны с повреждениями, распадом, износом и так далее. Это направление мысли заставило меня прежде всего сосредоточиться на центральной роли метаболизма в поддержании нашей жизни. Только рассмотрев эту роль, можно задаться вопросом о том, почему метаболизм не может поддерживать ее вечно.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.