Редукционизм не работает: почему физика никогда не сможет объяснить, как возникла жизнь
Если всё живое состоит из атомов, значит можно объяснить его специфику на основе физических закономерностей? Вовсе нет. Главный научный сотрудник Технологического института Джорджии, биофизик Джереми Ингланд на сайте журнала Nautilus рассказывает, почему физика не только не в силах определить, что такое жизнь, но и не способна выразить частные живые процессы в цифрах и всегда будет уступать в понимании живого биологии.
Если всё живое состоит из атомов, поведение которых описывается известными нам уравнениями, то и само существование жизни должно быть следствием этих законов. Такой образ мыслей уже во многом помог нам понять, как устроен мир.
Благодаря биофизику Максу Дельбрюку количественный анализ перекочевал из физики в биологию, породив механистический, молекулярный подход в цитологии и биохимии, который привел к множеству революционных открытий. Методы медицинской визуализации — рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия и микроскопия сверхвысокого разрешения — позволили тщательно изучить ДНК, белки и прочие микроскопические структуры.
Получив более подробную картину того, как простейшие элементы образуют целое, мы невольно начали думать, что величайшие загадки биологии можно разгадать исключительно с помощью физики. Но такой подход неизбежно обернется разочарованием по двум причинам.
Редукционизм не работает
Во-первых, из-за редукционизма. Редукционизм исходит из убеждения, что Вселенная — это огромный часовой механизм, и, зная устройство отдельных его частей, мы сможем понять, как устроено целое.
Ученые долгое время надеялись, что смогут понять устройство всего на основе нескольких простых законов. И, справедливости ради, стоит признать, что многие научные открытия действительно были сделаны благодаря редукции того или иного явления.
В конце концов, некоторые вещи и правда можно объяснить на основе их составляющих: приливы и отливы под воздействием гравитационного поля Луны, развитие некоторых генетических болезней вследствие изменений структуры белка — иногда то, что мы изучаем, является суммой его частей.
Но в ХХ веке от надежд разгадать загадки науки при помощи редукционизма не осталось и следа. Ни законы Ньютона, ни законы квантовой механики не помогают прогнозировать изменения на рынке ценных бумаг или даже более простые явления вроде турбулентности или поведения сверхпроводящего магнита.
Во всех этих случаях действует множество неизвестных факторов, которые мы не можем ни предсказать, ни измерить.
Мы не знаем, что такое жизнь
Вторая причина связана с ошибочным разграничением между понятиями живой и неживой материи, которое бытует и сегодня. Многие люди считают, что рано или поздно мы сможем объяснить феномен жизни подобно тому, как мы сейчас можем объяснить, почему замерзает и закипает вода. Более того, они надеются, что физика сможет дать ответ, что живое, а что — нет.
Однако люди забывают, что мы даем названия явлениям, даже несмотря на то, что точно не знаем, что такое жизнь. Физик, работающий над теорией возникновения жизни, должен сначала перевести характеристики известных нам примеров жизни на язык физики.
В определенной степени вопрос о зарождении жизни уже содержит в себе намек на редукционизм.
Наблюдая за живыми организмами, мы невольно задаемся вопросом: есть ли в этих механизмах нечто большее, чем сумма их отдельных частей? Если нет, значит ли это, что мы рано или поздно поймем, как устроено всё живое? Не подразумевает ли любое возможное объяснение происхождения жизни определение отдельных стадий, каждая из которых предсказуемо следует из предыдущей? Если так, то чем это отличается от сведения жизни к набору простых и понятных законов физики?
Сложные системы ведут себя иначе
Нужно признать, что физикам удалось обнаружить некоторые законы, обеспечивающие очень точные прогнозы в отношении систем, которые когда-то казались необъяснимо сложными. Благодаря Кеплеру и Ньютону движение небесных тел для нас — открытая книга. А теперь представьте себя натурфилософом прошлого, который ломает голову над перемещениями солнца, луны и звезд в течение года. Сама мысль о том, что эту тайну можно объяснить парой простых уравнений, должна была казаться ему невероятной. Поэтому значение революции, начатой Ньютоном и его современниками, невозможно переоценить.
Затем наступил ХХ век. Эйнштейн разгадал загадку движения Меркурия — единственную, которую не мог постичь Ньютон, а уравнение Шрёдингера раскрыло загадку атома и объяснило природу цветного излучения, возникающего при протекании электрического тока через газы. В свете этих великих научных побед можно простить некоторых ученых, считавших, что все тайны рано или поздно будут разгаданы.
Однако при ближайшем рассмотрении достижений редукционизма обнаруживается ошибка. Все подобные теории оказываются эффективными лишь применительно к относительно простым системам: одной планете Солнечной системы, одному атому водорода и т. д. Во всех этих случаях теория работает потому, что явление изолируется от остального мира и используются уравнения, которые описывают отношения между ограниченным количеством физических величин.
Заядлый редукционист, вооруженный мощным суперкомпьютером, неизменно ошибется, если попытается вычислить поведение целого на основе законов, описывающих отдельные его части. Как говорил американский физик и нобелевский лауреат Филип Уоррен Андерсон: «Больше — значит иначе».
Без сомнения, благодаря многочисленным исследованиям молекул, клеток, тканей и целых организмов, нам теперь известно, что разнообразие функций живых организмов зависит от физических свойств их частей.
Но это не значит, что редукционизм победил — совсем наоборот.
Взять, к примеру, кровь. Способность крови поглощать и выделять кислород можно вывести из атомной структуры гемоглобина — белка красных кровяных клеток. В то же время вязкость крови точно вычислить невозможно — из-за огромного количества разных факторов, обусловливающих то, как молекулы взаимодействуют друг с другом в такой неоднородной субстанции.
Физика смотрит на мир совсем не так, как биология
Жизнь — это царство частного. Конкретные свойства достигаются при определенном сочетании компонентов, и любые изменения в этой комбинации вызвали бы катастрофические последствия. Малейшее изменение скорости, с которой кровь течет по сосудам, или последовательности ДНК, кодирующей структуру определенного белка, может существенно отразиться на функционировании всего организма.
Данной проблемы невозможно избежать, так как взгляд с точки зрения физики всегда будет отличаться от взгляда с точки зрения биологии.
Физика основана на измерении конкретных величин: расстояния, массы, длительности, заряда, температуры и т. п. Физические законы выражают то, как одни измеримые величины меняются под влиянием других измеримых величин. Гениальность второго закона Ньютона не столько в том, что он устанавливает зависимость между силой, массой и ускорением, а в том, что он показывает: все эти величины можно измерить по отдельности.
В биологии всё иначе. Хотя биологические исследования и подразумевают работу с числами (например, статистические методы помогают подтвердить закономерности, обнаруженные в ходе наблюдений), изучение жизни не связано с вычислениями. В биологии категории живого и неживого даны изначально. Биологам нет нужды убеждать человечество в том, что природа делится на живую и неживую — это разграничение уже заложено в языке.
Другими словами, биология не существовала бы без понятия жизни.
Биология, в отличие от физики, не основана на математике. Понимание того, что растения нуждаются в солнечном свете, чтобы жить, или что рыба умрет, если вытащить ее из воды, не требует вычислений.
Само собой, можно узнать больше, рассчитав, сколько именно солнечного света нужно растениям или как долго рыба может прожить без воды, но это не так важно, как знание того, какие условия способствуют или препятствуют комфортной жизни — а наше представление о комфортной жизни берет начало не в науке, а в нашем собственном опыте.
Когда мы изобрели слово «жизнь», физики еще не было, поэтому было бы странно, если бы сейчас физики вдруг начали диктовать нам, как мы должны понимать это слово.