Search our Site

logo

Разделението между науките се разпада. Природата не признава дисциплинарните граници и ведно със задълбочаването на познанието ни, откриваме допирните точки в традиционното разделение между науките. Въпреки това се намират любопитни изключения.


Физиката разглежда основните свойства на материята и енергията, както и тяхното взаимодействие. Химията се занимава основно с атомите и техните образувания - сложните молекули и тяхното влияние върху субстанциите. Това, което е общо и за двете, е че се занимават с неодушевената материя. Биологията, от друга страна, проучва живите организми. Тук се сблъскваме с основната пречка, която ни спира да разгледаме науките като неразривно цяло. Неживата материя изглежда се подчинява на законите на природата без изключение. За разлика от тях, живите неща изглежда сякаш притежават свои собствени закони. Те биват дефинирани най-лесно чрез това, което може да се нарече функционално предназначение или целесъобразност. Организмите вършат неща, които макар да не нарушават законите на природата, то със сигурност ги употребяват за целите си. Никой не би казал същото за неживата материя.

Нищо чудно тогава, че връзката между физиката и химията е много по-тясно установена, отколкото на което и да е от двете научни полета с биологията. Много малко учени биха отрекли, че законите на квантовата физика (нашата най-прецизна теория към момента) също така изцяло обясняват химичните процеси. Може би е трудно да се изчислят всички детайли от даден набор от въздействия само чрез физиката, но повечето изследователи са съгласни, че химията следва целостта на квантовата теория. Биологията е друга история. Някои аспекти от нея изглеждат откъснати от химията, да не говорим за квантовата физика. Да вземем теорията за еволюцията. Нека си представим някакъв примитивен жив организъм, способен да се възпроизвежда. Неговото потомство ще доведе до определен набор от случайни мутации, като някои реакции спрямо средата, в която се намира, биха засили едни мутации, за сметка на други. Взети заедно, тези условия ни позволяват да очакваме появата на по-сложни организми (въпреки че най-простите от тях вероятно ще преобладават). Идеята на Дарвин е без съмнение най-доброто обяснение за сложността на живота, който наблюдаваме и който сме. Знаем, че видовете се променят в резултат на генетични мутации, както и това, че новите видове оцеляват поради приспособимостта си спрямо средата, за разлика от конкурентите си. Но нима "законът" за оцеляване на най-приспособения следва, както химията, от фундаменталните закони на квантовата физика?

Някои птици използват квантовите ефекти за да долавят измененията в магнитното поле на земята по време на миграция.


Преди да се захвана с този въпрос, е важно да изясним нещо. Не питам дали живите организми могат да използват чудатостите на квантовата физика за да подобрят шансовете си за оцеляване. Отговорът на това е - разбира се, че го правят. Имаме основания да смятаме, че дори най-чудатият от квантовите ефекти - квантовото преплитане - се използва от фотосинтезиращите растения за насочване на светлинната енергия към техните произвеждащи енергия части по най-ефективен начин. Някои птици използват квантовите ефекти за да долавят измененията в магнитното поле на земята по време на миграция. Предимството, което квантовата физика дава на подобни живи организми, се крие в това, че им позволява да извършват няколко задачи едновременно - нещо, което програмистите наричат паралелна обработка на информация. Малцина очакваха, че целият репертоар на квантовата физика може да оцелее в макроскопични, топли, влажни и шумни среди, като тези на птиците и растенията. Изненадата и вълнението доведе до бързо разрастващото се поле на квантовата биология, което завладя както голям брой учени, така и широката публика. Но това не е свързано с редуцирането на биологията до физика. Живите организми се възползват и от класическата механика, както и от гравитацията, което не означава, че с някоя от тях можем да обясним еволюцията. Животът може да е в съответствие с всички закони на физиката и въпреки това да се нуждаем от допълнения, за да го обясним. В действителност много биолози биха се съгласили, че той е в съответствие със законите на физиката. В смисъл, че трябва да се подчинява на всеки от тях. Животът не само се подчинява на физиката, но също така е пропит от нея. За всички е очевидно, че средата влияе върху живите същества.

Тук обаче ние продължаваме да мислим в термините на две области - живата и неживата природа – които макар и действащи една на друга запазват своята индивидуалност. За нас е важно да разберем дали това разграничение устоява. Въпросът е дали еволюцията, един от стълбовете на биологията, е изцяло следствие от физиката? И по-специално - дали е следствие от квантовата физика, която обяснява всичко, което знаем за атомите и молекулите? На пръв поглед това изглежда малко вероятно. Дядото на квантовата физика, датчанина Нилс Бор отива дори по-далеч в известната си лекция от 1932 година "Светлина и живот". Той твърди, че не можем, дори по принцип, да изследваме живота така, че да го разберем. По думите на Бор, "съществуването на живота трябва да се разглежда като елементарен факт, който не може да бъде обяснен". Също както константата на Планк - която според Бор се появява като ирационален елемент от гледна точка на класическата физика - образува несводима до атомната теория основа, така и животът трябва да се приеме като отправна точка в областта на биологията.

Квантовата механика използва случайността за да обясни поведението и събитията на микроскопично ниво в отделните атоми и молекули.


Мнението на Бор е крайно песимистично. Други не го споделят и имат високи очаквания за евентуалното обединение на научните сфери. Ето една възможност за изследване според тях. Квантовата механика използва случайността за да обясни поведението и събитията на микроскопично ниво в отделните атоми и молекули. Бихме могли да обвържем това прозрение в биологични понятия за да обясним случайните генетични мутации. Въпреки че "биологичните случайности" и "квантовите случайности" могат да се окажат твърде различни. Но има очевидна разлика в еволюционния принцип на естествения подбор, който не притежава никакъв физически аналог - различните състояния на неживата материя не се подбират спрямо тяхната приспособимост.

Или не? Състоянията на равновесие в неживата материя - т.е. устояващите във времето непроменливи състояния - са проучени в микроскопична перспектива за пръв път от австрийския физик Лудвиг Болцман. През 1870г. той дава обяснение на втория закон на термодинамиката, който гласи, че нивото на нарушение в изолираните системи винаги нараства. Според неговата логика, макроскопичното състояние, което материята възприема, е просто едно от най-ясно изразените микросъстояния. Представете си, че хвърляте две нормални зарчета. Ако трябва да заложите на определен резултат би трябвало да изберете числото седем, по простата причина, че има шест различни комбинации, които биха довели до него. Всеки друг резултат има по-малък брой от възможни комбинации. Освен това, произволните и колебливи системи от частици водят до безредие, защото - ако трябва да го кажем просто - начините, по които могат бъдат разхвърляни, превъзхождат онези, в които могат да бъдат подредени. Как можем да свържем това разбиране с живите системи?

Не е случайно, че първият човек, който се изказва относно живите организми в рамките на втория закон на термодинамиката е отново Болцман. Ето какво казва той: "Борбата за съществуване при живите същества не е борба за суровини - при организмите въздуха, водата и почвата са на разположение, нито пък е за енергия, която съществува във всяко тяло под формата на топлина - а борба за [отрицание] на ентропията, която е възможна благодарение на прехвърлянето на енергия от топлото слънце върху студената земя." За Болцман животът прави опит да стои далеч от равновесието, далеч от неживата (мъртва) материя. Той прави това чрез консумирането на нещата с ниски нива на ентропия от околната среда, като по този начин поддържа собствените си нива далеч от максимума.

Друг пионер в квантовата физика, австриецът Ервин Шрьодингер, също набляга на идеята, че животът се опитва да употреби енергията, даваща възможност да се извърши полезна работа. Това е още един начин да се каже, че той се опитва да стои настрана от равновесието. В това си отношение животът се различава от камъка например, който предоставен на самия себе си, просто си стои както и където е.

Може би в това се крие нашата неуловима пригодност? Ако е така, то би трябвало да се намери начин да се преформулира принципът за оцеляване на най-приспособимите. Нека да пробваме с тази версия: колкото по-бързо можем да достигнем до състояние далеч от равновесието, толкова по приспособими сме. В действителност този начин на мислене беше предложен от нобеловия лауреат от 1977г., химикът Иля Романовин Пригожин. Той счита, че природата избира онези адаптации, които увеличават производството на ентропия, т.е. онези, които генерират по-бързо безредие. Отвъд някои чисто теоретични аргументи в негова полза, не съществуват достатъчно експериментални доказателства потвърждаващи думите му. За сметка на това има доказателства за противното. Това може да се дължи на трудностите да се измери производството на ентропия с точност. Но може да означава също така и че има нещо нередно с принципа.

Динамичното устойчиво състояние е нестабилно и се нуждае от постоянно възстановяване.


На Ади Прос дължим последната глава от опитите да изведем биологията от физиката. Според него, също както неживата материя съответства на термодинамиката в повишаването на ентропията, така и живите същества се стремят да максимизират това, което той нарича "кинетична стабилност". Това не е същото като максимизиране на производството на ентропия. Вместо да постигне пасивното състояние на равновесие както се случва с неживата материя според втория закон, живите организми достигат до динамично устойчиво състояние, за удържането на което трябва да продължат да се трудят. Динамичното устойчиво състояние е нестабилно и се нуждае от постоянно възстановяване. Представете си птица, която пляска с крилете си за да остане на едно място във въздуха - това изисква внимателно балансиране и въпреки очевидната динамика води до неподвижно състояние.

Ако Прос е прав, то ние притежаваме необходимите съставки за да сведем еволюционната биология до химия. Изглежда сякаш бихме могли да извървим този път щом химията от своя страна се свежда до квантовата физика. Това би било голямо постижение. Както всяко голямо постижение обаче, то повдига въпроси. Ние започнахме с това, че отличаващото живата от неживата система е целесъобразността. Ако биологията се свежда до квантовата физика, а характерното за квантовите обекти - атоми и молекули - е да не показват никакви признаци за целесъобразност, къде се случва това различие? Откъде се появява желанието да се достигне до "кинетична стабилност"? Това, разбира се, ни връща в началото. Един прост изход от тази главоблъсканица е да заключим, че целесъобразността е илюзия. Прос вероятно би казал, че това е свойство, което се появява когато химичните процеси станат достатъчно сложни. Но като се има предвид, че това чувство за ангажираност и целесъобразност ни помага да дефинираме живота изобщо, може би трябва да устоим на заключенията, които лесно се сбогуват с него.

Не претендирам да притежавам отговорите на всички тези въпроси. Скоростта, с която напредват области, които преодоляват границите на естествените науки - не само квантовата биология - ме правят оптимист, че рано или късно ще получим отговори на някои от тях. Като живи същества не ни остава нищо друго освен да продължаваме да опитваме. Изглежда сякаш ни се удава.

Еднократно
 EUR

случайни статии




Всички материали са част от
Creative Commons Attribution
No Derivatives 4.0 Int. License

Получавайте новини всяка седмица.