Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Поясню, что я имею в виду под «почему», на примере плавательного пузыря – чаще всего двух заполненных газом камер, которыми обладают многие виды рыб. Сравнение современных и вымерших организмов позволяет нам связать эволюционную историю этого органа с появлением легких у дышащих воздухом животных, что отмечал еще сам Дарвин. Но чтобы понять, как работает плавательный пузырь, нам нужно обратиться к физике: низкая плотность заполняющего его газа компенсирует высокую плотность костей у костных рыб, благодаря чему средняя плотность их тела сравнивается с плотностью окружающей воды, и рыбам без труда удается плавать на любой желаемой глубине. Плавательный пузырь – лишь одно из решений проблемы разницы плотностей. В других случаях в организме рыбы может содержаться большое количество низкоплотностного жира или ее скелет может состоять из хрящей, а не из костей – обе эти стратегии используют акулы, у которых нет плавательного пузыря. Последний общий предок хрящевых и костных рыб жил более 400 миллионов лет назад. С тех пор эволюция этих групп шла разными путями, наделив их разными способами преодоления одних и тех же физических трудностей маневрирования в воде. Можно утверждать, что, поняв, почему возникли анатомические характеристики, имеющие отношение к контролю над плотностью, мы обнаружим неявное единство всех рыб за пределами плоскости их эволюционного расхождения. (Подобным углом зрения мы воспользуемся в этой книге еще не раз.) Не стоит, однако, забывать, что формы, которые мы наблюдаем сейчас, ковались с помощью таких инструментов, как изменчивость и естественный отбор: они обеспечивали растущие из поколения в поколение шансы выжить особям, лучше приспособленным к передвижению по своему водному миру.

Помимо биохимии и теории эволюции есть и другие ракурсы для изучения многообразия жизни. Впрочем, вместо того чтобы перечислять все подходы, к которым мы не станем прибегать, давайте обратимся к тому, что нас интересует.

Я уже намекал, что в этой книге буду рассматривать природу с ракурса, который называю биофизическим. Это понятие объединяет в себе биологию и физику и подразумевает, что вещества, формы и действия, из которых складывается жизнь, управляются и сдерживаются универсальными законами физики и что, проливая свет на связи между физическими законами и биологическими проявлениями, мы обнажаем каркас поразительного многообразия жизни. Утилитарность и популярность физики объясняются именно ее универсальностью. Один и тот же закон гравитации применим как к яблоку, падающему с дерева, так и к планетам, которые вращаются вокруг Солнца, и сейчас ведется работа по расширению сферы его действия даже на странное поведение квантового мира. Биофизика привносит в живой мир стремление к единству, лежащее в основе физики.

Утверждение, что живые организмы подчиняются законам физики, может показаться банальностью. В конце концов, организмы состоят из тех же элементарных частиц, что и все остальное, и, следовательно, подчиняются тем же правилам. Но можно было бы подумать, что после того, как под действием физических сил образуются атомы и молекулы, явная роль физики заканчивается, дальнейшие же молекулярные перестроения определяются сложной химией, а более заметные особенности – характерной предрасположенностью клеток и организмов. Это, однако, не так. Подобно тому как физические силы руководят замысловатым ветвлением морозных узоров на окне и определяют ритмику изгибов огромных песчаных дюн, не вынуждая нас обращаться к субатомным частицам для объяснения механики этих процессов, физические механизмы придают жизни форму на любых уровнях. Одним из величайших триумфов физики, особенно за последние полвека, стало выяснение того, как общие правила задействованы во всевозможных природных явлениях, этакая расчистка дебрей сложности ради обнажения глубинных принципов. Магниты, например, теряют магнетизм при нагревании до определенной «критической» температуры[1], и хотя их можно изготавливать из множества разных элементов и сплавов с уникальным атомным строением, паттерн[2] ослабления их магнитного поля при приближении к критической температурной отметке будет неизменным. Оказывается, трехмерного расположения взаимодействующих атомов достаточно для определения последствий их взаимодействия, каким бы ни было атомное строение вещества. Вот другой пример: представьте, что вы многократно встряхиваете банку с разными видами орехов. Как правило, более крупные орехи оказываются наверху, почему этот феномен и назвали эффектом бразильского ореха. Разумеется, он наблюдается при встряхивании не только орехов, но и зерен, гальки и любых других смесей неоднородных объектов. Чтобы объяснить его, нужно прибегнуть к общему понятию «потоки в зернистых средах» и показать, как сталкивающиеся частицы в любой смеси создают и заполняют пустоты, благодаря которым и могут перемещаться.