Чем биология отличается от химии и физики
В аннотации к своей статье "XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики" (Успехи физических наук, 2010, том 180, номер 4, стр. 337-369) бывший директор Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН член-корреспондент РАН Г.Р. Иваницкий пишет: "Рассмотрена эволюция биофизической парадигмы в течение 65-ти лет после выхода книги Э. Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1944 г.). На основе успехов молекулярной генетики показано, что все признаки, которыми характеризуются живые системы, встречаются в системах неживой природы (Л.А. - эта эта чрезвычайно "глубокая" мысль выделена мною). Рассмотрены десять логико-физических парадоксов, которые позволяют дать определение жизни в терминах пространственно-временнóй иерархии структур и комбинаторной вероятностной логики. Жизнь с точки зрения физики можно определить как результат процесса игры взаимодействий материи, в которой одна её часть приобрела свойство запоминать вероятности появления удач и неудач в предыдущих раундах этой игры, повышая тем самым свой шанс на существование в последующих раундах. Эту часть материи сегодня называют живой материей." Этот жанр художественной литературы применительно к научным темам возник не из собственных изысканий Генриха Романовича, а вытекает из почти столетних безуспешных попыток объяснить, чем биология фундаментально отличается от химии и физики.
Наверняка, будучи многолетним директором Института биофизики АН СССР, Иваницкий неоднократно задумывался над этим фундаментальным вопросом академической науки, с которым непосредственно связан чисто профессиональный вопрос "является ли биофизика наукой?". Над этим вопросом безуспешно задумывались и десятки выдающихся деятелей науки, включая нобелевских лауреатов. Ответ на этот фундаментальный вопрос фундаментально прост. Его даже нет необходимости обосновывать и доказывать, он включает в себя всего несколько слов, что полностью соответствует древнеримской поговорке "Argumenta ponderantur, non numerantur (Сила аргументов не в числе, а в их весомости)". Но всё по порядку.
Прежде всего нужно сказать, что величайший учёный Эрвин Шрёдингер (1887-1961), лауреат нобелевской премии по физике (1933, совместно с П.А.М. Дираком), разработавший квантовую механику и волновую теорию материи, сформулировавший её основное уравнение (уравнение Шрёдингера), автор трудов по кристаллографии, теории относительности, математической физике и пр., три четверти века назад, когда писал свою книгу, имел очень приблизительные представления о биологии и биохимии. Достаточно сказать, что первый фермент "уреаза" был выделен Д. Самнером всего 18 лет до написания книги, а аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) была открыта всего за 15 лет до написания книги. Этим Г.Р. Иваницкий сильно отличается от Эрвина Шрёдингера, поскольку знал о ферментах и об АТФ ещё в школе. Указанными обстоятельствами можно объяснить тот факт, что Э. Шрёдингер не сумел объяснить, что такое жизнь с точки зрения физики, вопреки тому, что на этот счёт думает Г.Р. Иваницкий.
Ко времени написания Э. Шрёдингером своей книги уже были сформулированы законы термодинамики в качестве раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. Были хорошо известны свойства катализаторов. Но совершенно не были известны основные законы биологии, не было известно, например, строение ферментов, не было известно, что в отличие от небелковых катализаторов, ускорящих реакции в сотни и тысячи раз, белковые катализаторы - ферменты - ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз, не было ничего известно об их феноменальной специфичности.
Кстати говоря, Э. Шрёдингер прекрасно понимал неполноценность существующих данных для объяснения того, что такое жизнь с точки зрения физики. В своей книге он писал: "Принято считать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки, и поэтому ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается как noblesse oblige. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и поэтому прошу освободить меня от вытекающих отсюда обязательств... Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если только кое-кто из нас не рискнет взяться за синтез фактов и теорий, хотя наше знание в некоторых областях неполно и получено из вторых рук и хотя мы можем подвергнуться опасности показаться невеждами."
В отличие от настоящего учёного, каким является Э. Шредингер, множество других представителей этой профессии, включая нобелевских лауреатов и многочисленных профессоров-академиков, желающих объяснить применимость законов термодинамики к функционированию живых существ, не демонстрировали и следов скромности. В этом разделе книги я не задаюсь целью привести перечень всех знаменитостей, которые претендовали на объяснение законов биологии с помощью физики и (что ещё страшнее и нелепее) математики. Я не собираюсь цитировать нобелевские и ненобелевские открытия новых идей, объясняющих феноменальные особенности биологических объектов (Людвиг фон Берталанфи, Илья Пригожин, многочисленные герои безумной идеи о происхождении жизни из капелек бульона и из умных нуклеиновых кислот). Моя задача намного проще. В этом разделе я попытаюсь показать, что для объяснения того, чем биология отличается от химии и физики, в принципе достаточно образования, которым владеет умный старшеклассник, читающий чуть больше того, что ему задают по школьным учебникам.
Прежде всего необходимо дать определение понятиям. Наука биология призвана объяснить механизмы функционирования живых организмов. Но вопрос о том, что из себя представляет феномен живого, как он возник и по каким причинам существует на Земле, больше относится к науке о происхождении жизни на Земле, которая по идее должна была бы занимать место четвёртой фундаментальной науки наряду с физикой, химией и биологией, но которая на сегодняшний день представляет собой совокупность мало вразумительных домыслов, которая, однако, на мой взгляд в будущем обретёт полагающийся ей по важности статус. Итак ответа на свой вопрос ожидают два глобальных компартмента знания: "Что такое жизнь?" и "Что такое феномен биологии?".
Вне зависимости от первичных механизмов, лежавших в основе возникновения жизни на Земле, возникшие живые существа существовали на основе использования энергии Солнца в реакции восстановления двуокиси углерода с помощью водородных атомов воды с выделением в атмосферу молекулярного кислорода. В результате процесса восстановления двуокиси углерода на Земле образовывались частично восстановленные (глюкоза) или полностью восстановленные (углеводороды) продукты. Таким образом, жизнь представляет собой диверсификацию процесса усвоения энергии Солнца с помощью восстановления углекислоты и окисления первичных продуктов биосинтеза, в которых эта энергия Солнца аккумулирована. Понятно, что этот биосферный процесс извлечения энергии Солнца с помощью восстановления углекислоты в органические продукты и окисления органических продуктов происходит с участием углекислоты атмосферы и атмосферного молекулярного кислорода, который выделялся в процессе восстановления двуокиси углерода с помощью водородных атомов воды. В этих процессах участвует азот атмосферы, сера, фосфаты, магний, кальций и т.д. Таким образом, жизнь представляет собой механизм аккумулирования, консервации и траты энергии Солнца.
Теперь перейдём к ответу на вопрос о том, в чём заключается феномен биологии, т.е. мехнизм аккумулирования, консервации и траты энергии Солнца. Ответ на этот вопрос элементарно прост: феномен биологии заключается в индивидуальном подводе энергии к реагирующим молекулам. Ничего подобного не существует в явлениях неживой природы, описываемых химическим и физическим знаниями. Поддержание функциональных возможностей живых организмов требует одновременного протекания огромного числа химическизх реакций, называемых обменом веществ или же метаболизмом. В условиях неживой природы одновременное протекания различных процессов невозможно. Результатом подобного совмещения может быть лишь смола, не содержащая индивидуальных веществ, необходимых для поддержания жизнеспособности организмов. С целью осуществления возможности одновременного биосинтеза огромного множества веществ Природа "придумала" белковые катализаторы и АТФ, являющуюся универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах, в частности и в реакциях, приводящих к образованию ферментов.
Подобно неорганическим катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Эта специфика связи белковых катализаторов с подвергающимся химическим превращениям субстратами позволяет осуществлять процессы, отсутствующие в неживой природе: доставлять энергию с помощью АТФ непосредственно к каждой реагирующей молекуле.
Тривиальный вопрос о том, что раньше: курица или яйцо, здесь даже не стоит, поскольку без АТФ ферменты синтезироваться не могут, как впрочем и нуклеиновые кислоты. Значит в самом начале было не слово, как полагают некоторые религиозные верующие, а аденозинтрифосфорная кислота, гипотезу о спонтанном происхождении её предшественника на предбиологической Земле - макроэргического соединения окиси магния - я опубликовал 36 лет тому назад (https://systemity.livejournal.com/4659992.html, https://systemity.livejournal.com/4661364.html, https://systemity.livejournal.com/1237317.html).
Резюмируя сказанное:
- Жизнь представляет собой процесс диверсификации поставляемой Земле энергии Солнца в виде её аккумулирования, консервации и траты с помощью катаболизма и анаболизма химических (преимущественно органических) веществ.
- Феномен биологии, отсутствующий в явлениях неживой природы, состоит в индивидуальной доставке энергии к каждой реагирующей молекуле.
- Признаки, которыми характеризуются живые системы (доставка энергии к каждой реагирующем молекле персонально), не встречаются в системах неживой природы, соответственно, не описываются законами физики и не существуют в химических превращениях, осуществляемых в условиях неживой природы.
Наверняка, будучи многолетним директором Института биофизики АН СССР, Иваницкий неоднократно задумывался над этим фундаментальным вопросом академической науки, с которым непосредственно связан чисто профессиональный вопрос "является ли биофизика наукой?". Над этим вопросом безуспешно задумывались и десятки выдающихся деятелей науки, включая нобелевских лауреатов. Ответ на этот фундаментальный вопрос фундаментально прост. Его даже нет необходимости обосновывать и доказывать, он включает в себя всего несколько слов, что полностью соответствует древнеримской поговорке "Argumenta ponderantur, non numerantur (Сила аргументов не в числе, а в их весомости)". Но всё по порядку.
Прежде всего нужно сказать, что величайший учёный Эрвин Шрёдингер (1887-1961), лауреат нобелевской премии по физике (1933, совместно с П.А.М. Дираком), разработавший квантовую механику и волновую теорию материи, сформулировавший её основное уравнение (уравнение Шрёдингера), автор трудов по кристаллографии, теории относительности, математической физике и пр., три четверти века назад, когда писал свою книгу, имел очень приблизительные представления о биологии и биохимии. Достаточно сказать, что первый фермент "уреаза" был выделен Д. Самнером всего 18 лет до написания книги, а аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) была открыта всего за 15 лет до написания книги. Этим Г.Р. Иваницкий сильно отличается от Эрвина Шрёдингера, поскольку знал о ферментах и об АТФ ещё в школе. Указанными обстоятельствами можно объяснить тот факт, что Э. Шрёдингер не сумел объяснить, что такое жизнь с точки зрения физики, вопреки тому, что на этот счёт думает Г.Р. Иваницкий.
Ко времени написания Э. Шрёдингером своей книги уже были сформулированы законы термодинамики в качестве раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. Были хорошо известны свойства катализаторов. Но совершенно не были известны основные законы биологии, не было известно, например, строение ферментов, не было известно, что в отличие от небелковых катализаторов, ускорящих реакции в сотни и тысячи раз, белковые катализаторы - ферменты - ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз, не было ничего известно об их феноменальной специфичности.
Кстати говоря, Э. Шрёдингер прекрасно понимал неполноценность существующих данных для объяснения того, что такое жизнь с точки зрения физики. В своей книге он писал: "Принято считать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки, и поэтому ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается как noblesse oblige. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и поэтому прошу освободить меня от вытекающих отсюда обязательств... Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если только кое-кто из нас не рискнет взяться за синтез фактов и теорий, хотя наше знание в некоторых областях неполно и получено из вторых рук и хотя мы можем подвергнуться опасности показаться невеждами."
В отличие от настоящего учёного, каким является Э. Шредингер, множество других представителей этой профессии, включая нобелевских лауреатов и многочисленных профессоров-академиков, желающих объяснить применимость законов термодинамики к функционированию живых существ, не демонстрировали и следов скромности. В этом разделе книги я не задаюсь целью привести перечень всех знаменитостей, которые претендовали на объяснение законов биологии с помощью физики и (что ещё страшнее и нелепее) математики. Я не собираюсь цитировать нобелевские и ненобелевские открытия новых идей, объясняющих феноменальные особенности биологических объектов (Людвиг фон Берталанфи, Илья Пригожин, многочисленные герои безумной идеи о происхождении жизни из капелек бульона и из умных нуклеиновых кислот). Моя задача намного проще. В этом разделе я попытаюсь показать, что для объяснения того, чем биология отличается от химии и физики, в принципе достаточно образования, которым владеет умный старшеклассник, читающий чуть больше того, что ему задают по школьным учебникам.
Прежде всего необходимо дать определение понятиям. Наука биология призвана объяснить механизмы функционирования живых организмов. Но вопрос о том, что из себя представляет феномен живого, как он возник и по каким причинам существует на Земле, больше относится к науке о происхождении жизни на Земле, которая по идее должна была бы занимать место четвёртой фундаментальной науки наряду с физикой, химией и биологией, но которая на сегодняшний день представляет собой совокупность мало вразумительных домыслов, которая, однако, на мой взгляд в будущем обретёт полагающийся ей по важности статус. Итак ответа на свой вопрос ожидают два глобальных компартмента знания: "Что такое жизнь?" и "Что такое феномен биологии?".
Вне зависимости от первичных механизмов, лежавших в основе возникновения жизни на Земле, возникшие живые существа существовали на основе использования энергии Солнца в реакции восстановления двуокиси углерода с помощью водородных атомов воды с выделением в атмосферу молекулярного кислорода. В результате процесса восстановления двуокиси углерода на Земле образовывались частично восстановленные (глюкоза) или полностью восстановленные (углеводороды) продукты. Таким образом, жизнь представляет собой диверсификацию процесса усвоения энергии Солнца с помощью восстановления углекислоты и окисления первичных продуктов биосинтеза, в которых эта энергия Солнца аккумулирована. Понятно, что этот биосферный процесс извлечения энергии Солнца с помощью восстановления углекислоты в органические продукты и окисления органических продуктов происходит с участием углекислоты атмосферы и атмосферного молекулярного кислорода, который выделялся в процессе восстановления двуокиси углерода с помощью водородных атомов воды. В этих процессах участвует азот атмосферы, сера, фосфаты, магний, кальций и т.д. Таким образом, жизнь представляет собой механизм аккумулирования, консервации и траты энергии Солнца.
Теперь перейдём к ответу на вопрос о том, в чём заключается феномен биологии, т.е. мехнизм аккумулирования, консервации и траты энергии Солнца. Ответ на этот вопрос элементарно прост: феномен биологии заключается в индивидуальном подводе энергии к реагирующим молекулам. Ничего подобного не существует в явлениях неживой природы, описываемых химическим и физическим знаниями. Поддержание функциональных возможностей живых организмов требует одновременного протекания огромного числа химическизх реакций, называемых обменом веществ или же метаболизмом. В условиях неживой природы одновременное протекания различных процессов невозможно. Результатом подобного совмещения может быть лишь смола, не содержащая индивидуальных веществ, необходимых для поддержания жизнеспособности организмов. С целью осуществления возможности одновременного биосинтеза огромного множества веществ Природа "придумала" белковые катализаторы и АТФ, являющуюся универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах, в частности и в реакциях, приводящих к образованию ферментов.
Подобно неорганическим катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Эта специфика связи белковых катализаторов с подвергающимся химическим превращениям субстратами позволяет осуществлять процессы, отсутствующие в неживой природе: доставлять энергию с помощью АТФ непосредственно к каждой реагирующей молекуле.
Тривиальный вопрос о том, что раньше: курица или яйцо, здесь даже не стоит, поскольку без АТФ ферменты синтезироваться не могут, как впрочем и нуклеиновые кислоты. Значит в самом начале было не слово, как полагают некоторые религиозные верующие, а аденозинтрифосфорная кислота, гипотезу о спонтанном происхождении её предшественника на предбиологической Земле - макроэргического соединения окиси магния - я опубликовал 36 лет тому назад (https://systemity.livejournal.com/4659992.html, https://systemity.livejournal.com/4661364.html, https://systemity.livejournal.com/1237317.html).
Резюмируя сказанное:
- Жизнь представляет собой процесс диверсификации поставляемой Земле энергии Солнца в виде её аккумулирования, консервации и траты с помощью катаболизма и анаболизма химических (преимущественно органических) веществ.
- Феномен биологии, отсутствующий в явлениях неживой природы, состоит в индивидуальной доставке энергии к каждой реагирующей молекуле.
- Признаки, которыми характеризуются живые системы (доставка энергии к каждой реагирующем молекле персонально), не встречаются в системах неживой природы, соответственно, не описываются законами физики и не существуют в химических превращениях, осуществляемых в условиях неживой природы.