Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| clavicula
— ключик, втулка). Точно так же никто не понимал, как устроена у человека система кровообращения, как капилляры соединяют артерии и вены, пока в XVII в. Уильям Гарвей не провел серию педантичных опытов по ис- следованию сердца и кровеносной сети у животных и человека. Гар- вей, хотя и был англичанином, изучал медицину в Университете Падуи. Там он многому научился у своего наставника Иеронима Фабриция, который тоже живо интересовался кровотоком, но не- верно интерпретировал роль венозных сосудов и клапанов в них. 108 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА Гарвей не просто изменил представления о том, какие объекты задействованы в кровеносной системе, — он показал, что в теле человека есть две системы — артерии и вены, которые по ветвя- щейся сети доставляют кровь ко все более мелким капиллярам, — но и открыл совершенно новый процесс. Оказалось, что кровь до- ставляется к клеткам таким образом, какого никто не мог пред- угадать, пока не всмотрелся внимательно в происходящее. Гарвей обнаружил в теле человека не просто набор различных органов — он обнаружил целую неизвестную систему. Однако у Гарвея еще не было инструментов, которые позво- лили бы ему обнаружить капилляры; это удалось сделать только Марчелло Мальпиги в 1661 г. Гарвей же выдвинул несколько гипо- тез, которые получили экспериментальное подтверждение значи- тельно позже. Хотя Гарвей оставил подробные рисунки, он не мог добиться той детальности, которая стала доступна пользователям микроскопа, например Антони ван Левенгуку. Система кровообращения человека содержит эритроциты — красные кровяные тельца. Длина этих элементов составляет все- го лишь семь микрометров — это одна стотысячная доля длины метровой линейки. Это в сто раз меньше толщины кредитной карты — примерно такой же размер имеют капли тумана. Самые мелкие объекты, которые способен различить невооруженный че- ловеческий глаз, немного меньше толщины человеческого волоса и крупнее эритроцита примерно в десять раз. Разумеется, кровь и кровообращение — не единственные процессы в человеческом теле, о которых ученым удалось со вре- менем узнать. Кроме того, исследование внутренней структуры тела не ограничивается микронными размерами. После Гарвея были открыты еще более мелкие и совершенно новые элементы и системы как в человеческом организме, так и в неодушевленных физических системах. Дойдя до размеров в одну десятую микрона — длин, которые примерно в десять миллионов раз меньше длины метровой линей- ки, — мы обнаруживаем ДНК, фундаментальный строительный элемент любого живого существа, хранящий генетическую инфор- мацию. Объекты такого размера все еще в 1000 раз крупнее атома, ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 109 но это уже уровень, где важную роль играет молекулярная физика (то есть химия). Молекулярные процессы, протекающие внутри ДНК, до сих пор понятны не до конца; ясно, однако, что они лежат в основе невероятно широкого спектра жизненных форм, заво- евавших земной шар. Молекулы ДНК содержат миллионы нукле- отидов, и квантово-механические атомные связи играют на этом уровне очень существенную роль. Молекулы ДНК также делятся по величине на несколько кате- горий. Структура ДНК очень сложна, а молекулы так перекручены, что полная длина человеческой ДНК может измеряться метрами. Но ширина двойной цепочки ДНК составляет всего лишь около двух тысячных долей микрона — примерно два нанометра. Это немного меньше самого маленького на сегодняшний день тран- зисторного ключа в микропроцессоре, размеры которого состав- ляют около 30 нм. Длина одного нуклеотида составляет примерно 0,33 нм; он сравним по размеру с молекулой воды. Средний ген представляет собой цепочку из 1000–100 000 нуклеотидов. Самое информативное и полезное описание гена основано как ответ на совершенно другие вопросы, чем те, которые мы стали бы за- давать в отношении единичного нуклеотида. Таким образом, ДНК на разных линейных масштабах работает по-разному, а ученые ищут при этом ответы на разные вопросы и используют разные ее описания. Биология схожа с физикой в том, что структуры, которые мы видим на крупных масштабах, всегда состоят из более мелких эле- ментов. Но в биологии мало разобраться в отдельных элементах, чтобы понять принципы работы более крупных структур в жи- вых системах. Да и цели у биологии гораздо более амбициозны. Мы считаем, что на самом базовом уровне именно законы фи- зики определяют процессы, протекающие в человеческом теле, но функциональные биологические системы сложны и запутанны, к тому же часто порождают трудно предсказуемые последствия. Распутать структуру из базовых элементов и разобраться в слож- нейших механизмах обратных связей необычайно трудно, а ком- бинаторика генетического кода еще и усложняет эту задачу. Даже если мы узнаем все о базовых элементах, останутся еще эмер- 110 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА джентные структуры и эмерджентное же поведение, в которых, по всей видимости, и кроется тайна жизни. Физики тоже не всегда могут разобраться в процессах, протека- ющих на более крупных масштабах, при помощи знаний о структу- ре отдельных «кирпичиков», но физические системы в большинстве своем проще в этом отношении, чем биологические. Хотя структура материи сложна и может иметь совершенно иные свойства, чем со- ставляющие ее элементы, механизмы обратной связи и эволюцион- ные процессы, как правило, не играют здесь столь заметной роли. Для физиков поиск самого простого, самого элементарного компо- нента представляет собой важную цель. АТОМНЫЙ МАСШТАБ Уйдя от механики биосистем и опускаясь глубже по шкале линей- ных размеров, чтобы разобраться уже в базовых физических эле- ментах, мы остановимся ненадолго на размере атома — около 100 пикометров, что в 10 тысяч миллионов (10 10 ) раз меньше метра. Точный размер атома определить трудно, поскольку в его соста- ве присутствуют электроны, которые циркулируют вокруг ядра, но никогда не застывают на месте. Традиционно, однако, в каче- стве размера атома указывают среднее расстояние от электрона до ядра. Говоря о физических процессах, протекающих на этих крошеч- ных расстояниях, нередко прибегают к наглядным изображениям, но необходимо помнить, что все они основаны на аналогиях. У нас нет другого выхода, и для описания непривычных структур, кото- рые ведут себя странно с точки зрения здравого смысла, приходит- ся привлекать описания объектов, с которыми мы сталкиваемся в обычной жизни. Корректно изобразить внутреннее строение атома невозмож- но — ведь рассчитывать при этом мы можем лишь на собственные физиологические качества, а именно чувства и двигательные спо- собности, применимые только в человеческом масштабе. Челове- ческое зрение, к примеру, опирается на явления, которые види- мыми делает свет, то есть электромагнитное излучение. Световые ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 111 волны — те, что попадают в оптический диапазон — имеют длину волны примерно от 380 до 750 нм. Это намного больше размера атома, который составляет примерно одну десятую нанометра (рис. 14). Атом ~100 пм Фиолетовый свет ~380 нм (или 380 000 пм) РИС . 14. Отдельный атом — всего лишь крохотная точка по сравне- нию даже с самой маленькой длиной волны видимого света Это означает, что исследовать внутреннюю структуру ато- ма при помощи видимого света, пытаясь увидеть его глазами, так же бесполезно, как вдевать нитку в иголку в варежках. Длины волн, о которых идет речь, буквально «размывают» объекты бо- лее мелких размеров, и получить с их помощью четкую картин- ку невозможно, не хватит разрешения. Поэтому, когда мы хотим по-настоящему «увидеть» кварки или даже протон, мы хотим не- возможного. У нас просто нет инструмента, который позволил бы точно визуализировать то, что происходит внутри атома. Но путать способность человека увидеть некие явления и нашу уверенность в том, что эти явления существуют, — серьез- ная ошибка, которую ученые не могут себе позволить. Тот факт, что мы не только не видим эти явления, но и не имеем их мыслен- ного образа, не означает, что мы не можем логически вычислить физические элементы и процессы, которые имеют место на соот- ветствующих масштабах. Гипотетически в масштабе атома окружающий мир показал- ся бы нам невероятным, потому законы физики в этом мире резко отличаются от тех, к которым мы привыкли и которые действуют там, где мы бодро отмеряем расстояния при помощи линеек. Мир атома совершенно не похож на тот образ, что возникает в нашем сознании при мысли о материи (рис. 15). |