Читать онлайн «Новая наука о жизни». Страница 14

Подобным же образом, когда эмбрион животного растет и развивается, происходит возрастание энтропии термодинамической системы, состоящей из эмбриона и окружения, из которого он получает питание и в которое он отдает тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчеркивает эту зависимость живых организмов от внешних источников энергии, но он никак не может объяснить их специфические формы.

Используя наиболее общие термины, можно сказать, что форма и энергия обратно пропорциональны друг другу: энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определенную стабильность и сопротивление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещества существуют в кристаллических формах, в которых организация молекул демонстрирует высокую степень регулярности и порядка. Когда температура повышается, тепловая энергия в некоторой точке вызывает разрушение кристаллической формы, твердое вещество плавится. В жидком состоянии молекулы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменяются. Силы между молекулами создают поверхностное натяжение, которое придает простые формы жидкости в целом, как в сферических каплях. При дальнейшем повышении температуры жидкость испаряется; в газообразном состоянии молекулы изолированы и ведут себя более или менее независимо друг от друга. При еще более высоких температурах сами молекулы распадаются на атомы, а при дальнейшем повышении температуры даже атомы распадаются с образованием газа из смеси электронов и атомных ядер или плазмы.

Если эта последовательность рассматривается в обратном порядке, то по мере понижения температуры появляются все более сложные и организованные структуры, вначале наиболее стабильные и в конце наименее стабильные. Когда плазма охлаждается, соответствующие количества электронов собираются вокруг атомных ядер на своих орбиталях. При более низких температурах атомы соединяются в молекулы. Затем, по мере того как газ конденсируется в капли, в игру вступают супрамолекулярные[95] силы. Наконец, когда жидкость кристаллизуется, устанавливается высокая степень супрамолекулярного порядка.

Эти формы появляются самопроизвольно. Их нельзя объяснить на языке внешней энергии, кроме как в негативном смысле — что они могут возникнуть и существовать только ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до той степени, что из всех возможных структур будет стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия, поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно такую структуру.

Квантовая механика может описать в деталях электронные орбитали и энергетические состояния простейшей из всех химических систем — атома водорода. Для более сложных атомов и даже для простейших химических молекул ее методы уже не столь точны, сложность вычислений становится непреодолимой и могут использоваться только приближенные методы. Для сложных молекул и кристаллов детальные вычисления невозможны, по крайней мере на практике. Структуры молекул и расположение атомов внутри кристаллов могут быть определены эмпирическим путем, химическими и кристаллографическими методами; эти структуры действительно могут быть более или менее предсказуемы химиками и кристаллографами на основе эмпирических законов. Но это сильно отличается от фундаментального объяснения химических структур с помощью волнового уравнения Шредингера.

Важно осознать это серьезное ограничение квантовой механики. Конечно, она помогает достичь качественного или полуколичественного понимания химических связей и некоторых аспектов кристаллов, таких как различие между изоляторами и проводниками. Но она, исходя из своих начальных принципов, не позволяет предсказать формы и свойства даже простых молекул и кристаллов. Ситуация становится еще хуже для жидкого состояния, для которого до сих пор нет удовлетворительного количественного описания. И не стоит строить иллюзии относительно того, что квантовая механика может дать детальное и точное объяснение форм и свойств очень сложных молекул и агрегатов макромолекул, изучаемых биохимиками и молекулярными биологами, не говоря уже о гораздо большей сложности форм и свойств даже простейшей живой клетки.

Сейчас настолько распространено убеждение в том, что химия может обеспечить прочное основание для механистического понимания жизни, что кажется необходимым подчеркнуть, насколько шатки основы физической теории, на которые опирается сама химическая наука. По словам Лайнуса Полинга:

«Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов — решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедшие с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчетов свойств веществ, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент».[96]

Хотя это было опубликовано двадцать лет назад и с тех пор были достигнуты значительные успехи в совершенствовании приближенных методов вычислений в квантовой химии, положение по существу не изменилось и сегодня.

Тем не менее можно возразить, что детальные расчеты в принципе могут быть сделаны. Но, даже допустив ради дискуссии, что такие расчеты можно осуществить, нельзя утверждать заранее, что они будут верными, то есть будут согласовываться с эмпирическими наблюдениями. Так что в настоящее время нельзя считать доказанным традиционное допущение о том, что сложные химические и биологические структуры могут быть полностью объяснены в рамках существующей физической теории.

Рис. 7. Возможные комбинации различных количеств строительных блоков, которые можно соединять друг с другом либо концами, либо боками

Причины того, что трудно, если вообще возможно, предсказать форму сложной химической структуры, исходя из свойств составляющих ее атомов, может быть, можно сделать более понятными с помощью простой иллюстрации. Рассмотрим элементарные строительные блоки, которые можно добавлять друг к другу по очереди либо с концов, либо сбоку (рис. 7). С двумя строительными блоками имеем 2=4 возможные комбинации; с тремя — 2 = 8; с четырьмя — 24 = 16; с пятью — 25 = 32; с десятью — 2 ° = 1024; с двадцатью — 220 = 1 048 576; с тридцатью — 230 = 1 073 741 824 и так далее. Число возможностей вскоре становится огромным.

Рис. 8. Диаграммы, представляющие возможные структуры систем с возрастающей степенью сложности. В случае А есть единственная структура с минимумом энергии, а в случае D возможно несколько одинаково стабильных структур

В химической системе различные возможные расположения атомов имеют разные потенциальные энергии вследствие электрических и других взаимодействий между ними; система будет самопроизвольно стремиться обрести структуру с минимальной потенциальной энергией. В простой системе всего лишь с несколькими возможными структурами одна из них может иметь заметно меньшую энергию, чем остальные; на рис. 8 А такая ситуация представлена минимумом на дне «потенциального колодца»; другие менее стабильные возможности представлены локальными минимумами на сторонах «колодца». В системах возрастающей сложности число возможных структур увеличивается (рис. 8 В, С, D); при этом вероятность существования уникальной структуры с минимумом энергии уменьшается. В ситуации, представленной на рис. 8 D, несколько различных структур будут одинаково стабильными с энергетической точки зрения. Если бы оказалось, что система принимает любую из этих возможных структур наугад или если бы она колебалась между ними, тогда проблемы бы не было. Но если бы она неизменно принимала только одну из этих структур, это означало бы, что какой-то другой фактор, отличный от энергии, определяет, что реализуется именно эта особенная структура из всех других возможных. Но существование такого фактора физикой сегодня не признается.

Хотя химики, кристаллографы и молекулярные биологи и не могут проводить детальные расчеты, необходимые для предсказания для данной системы структуры или структур с минимальной энергией a priori, но они могут использовать различные приближенные методы в сочетании с эмпирическими данными по структурам подобных веществ. Обычно эти вычисления не позволяют предсказывать уникальные структуры (кроме как для простейших систем), но позволяют получать лишь ряд возможных структур с более или менее равными минимальными энергиями. Таким образом, оказывается, что эти приближенные результаты подтверждают идею о том, что энергетические соображения недостаточны для объяснения уникальной структуры сложных химических систем. Но этого вывода всегда можно избежать, утверждая, что уникальная стабильная структура должна иметь энергию более низкую, чем любая другая возможная структура. Это утверждение никогда не может быть опровергнуто, поскольку на практике для расчетов могут быть использованы только приближенные методы; поэтому уникальная структура, реализованная в действительности, всегда может быть приписана тонким энергетическим эффектам, которые ускользают при вычислениях.