Меню Рубрики

Что такое жизнь с точки зрения физики краткое содержание

Главная ≫ Инфотека ≫ Физика ≫ Книги ≫ Что такое жизнь с точки зрения физики? // Эрвин Шрёдингер

Эрвин Шрёдингер

Комментарии: 2

Erwin Schrödinger. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер — австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике. Один из разработчиков квантовой механики и волновой теории материи. В 1945 г. Шредингер пишет книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Основополагающим является вопрос: «Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?» Прочтение этой книги даст не только обширный теоретический материал, но и заставит задуматься над тем, что же в сущности есть жизнь?

Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: РИМИС, 2009. 176 с.
Скачать: [pdf 10,3 MB]

Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Атомиздат, 1972. 62 с.
Скачать: [pdf 2,2 MB]

Источник текстовой версии: Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Атомиздат, 1972. 62 с.

Реферат: Что такое жизнь с точки зрения физики

ГОУ Гимназия №1505

«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»

Что такое жизнь с точки зрения физики

ученица 9 класса «А» Береснева Алина

2. Жизнь с точки зрения физики. 6

2.1. Эксперимент с котом. 6

2.2. Размер атомов. 7

2.3. Развитие организма. 8

2.4. Особенности и понятие жизни. 8

3. Жизнь с точки зрения биологии. 10

3.1. Роль живых организмов. 10

3.3. Живое вещество. 11

3.4. Роль энергии для живых организмов. 11

4. Заключение. 13

5. Список литературы. 15
Введение

В существующей вокруг нас суете, мы не обращаем внимания на катастрофически мчащуюся жизнь и воспринимаем её как должное, но стоит нам вырваться куда-нибудь в лес, в горы, к реке, оглядеться и сразу в голове возникает множество вопросов: как это все появилось? какое место в природе занимает человек? почему сейчас мир устроен именно так, как мы его видим? И, пожалуй, самый главный вопрос: что такое жизнь? Как легко может выяснить любой думающий и читающий человек, вопрос «Что такое жизнь?» волнует людей с давних пор. Над ним рассуждали и продолжают рассуждать биологи и философы, генетики и врачи, художники и поэты. Мир движется и совершенствуется, и люди думающие, независимо от своей профессиональной принадлежности, всегда старались совершенствоваться и прогрессировать вместе с ним. А знания, процесс их генерирования или получения – это и есть основная часть прогресса. Именно поэтому нас, людей думающих и стремящихся к совершенству, всегда так притягивает что-нибудь неизвестное и загадочное, окутанное тайнами и порой невероятное – то есть то, что мы пока не знаем, что нам еще предстоит узнать, изучить, осмыслить или даже изобрести.

Но вернемся к тому самому главному вопросу, который мы здесь обозначили: «Что такое жизнь?» В ХХ веке вопрос о жизни достиг пика своей популярности, и многие учёные и исследователи начали искать ответ на этот вроде бы лёгкий, с одной стороны, но и очень-очень сложный, с другой стороны, вопрос. Мне кажется, такой всплеск интереса именно в ХХ веке произошел потому, что во многих отраслях науки уже был к тому времени накоплен огромный багаж знаний, который позволял ученым, в том числе и выдающимся ученым того времени, рассуждать о жизни на очень высоком уровне. Многие их труды и постулаты, которые они вывели, мы используем и сейчас. Например, биологи задолго до ХХ века начали исследовать клеточное строение растений и животных, их жизнедеятельность, различные взаимосвязи в живой природе, эволюцию организмов, применяли для этого различные приборы, производили химические анализы, ставили множество экспериментов, вели длительные наблюдения за животными и растениями. И, несмотря на то, что жизнь – понятие, на первый взгляд, больше биологическое, чем какое-либо другое, биологи не были одиноки. Немало и других ученых рассматривало деятельность живых организмов на планете. Географы достаточно давно поняли и признали огромную роль растений и животных на Земле, в том числе и в становлении сегодняшнего понятия «Жизнь», а геологи — в создании некоторых горных пород и минералов. К ХХ веку полностью оформилась наука о следах древней жизни — палеонтология.

Но все же именно великий русский ученый-биолог и мыслитель Владимир Иванович Вернадский первым начал исследовать жизнь, как единое целое, как геологически своеобразное вещество, единую субстанцию. Его идеи сыграли большую роль в становлении современной научной картины мира. Он также первым взглянул на проблему жизни глазами других наук. Ведь один и тот же сложный объект выглядит по-разному, если рассматривать его с разных точек зрения.

Одно из самых интересных альтернативных мнений на тему жизни — мнение австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, тоже жившего и творившего в одно время с Владимиром Ивановичем Вернадским. Интересно оно уже потому, что о жизни рассуждает ученый-физик! Возможно, Эрвин-Шредингер вообще был первым из своих коллег-физиков, который с таким размахом начал рассуждать о жизни. Это очень смелый шаг сам по себе, Шредингер как бы бросил вызов ученым биологам и философам, и самое фантастическое в этом вызове то, что его книга «Что такое жизнь с точки зрения физики» очень известна и популярна и сейчас, спустя многие десятилетия после ее написания!. Это уже означает о полном признании Шредингера как ученого научным сообществом и ХХ, и ХХI веков.

Главным вопросом его книги является вопрос о том, как могут точные науки физика и химия описать те явления, которые происходят внутри живого организма. Шредингер не только обнаружил, но и сумел доказать и простым языком донести до широкого круга читателей тот факт, что многие признаки, которыми характеризуются живые системы, встречаются и в системах неживой природы. Более того, по мнению Эрвина Шредингера, в живых организмах не обнаруживается никаких свойств, какими не обладали бы различные неживые объекты. В те годы такое открытие и логичное объяснение этому, данное Шредингером, явилось если не революцией в науке, то уж точно дало мощный толчок развитию таких наук, как биофизика и молекулярная биология. Исследования и труды Шредингера быстро стали близки и понятны физикам и биологам, именно этот факт и послужил толчком к быстрому развитию вышеназванных наук. Вот, например, только один пример в подтверждение этому: в 1953 году была выдвинута теория о двойной структуре ДНК. Эта научная работа и изданная книга основана на лекциях, читаемых Э.Шредингером десятилетием ранее, в Тринити-колледже в Дублине в феврале 1943 года.

В своей работе я попытаюсь сравнить научные взгляды на жизнь В.И. Вернадского и Э.Шредингера. Для этого я возьму по одной работе этих великих ученых: книгу Вернадского «Живая материя» и работу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика».

Сначала я опишу некоторые положения и мысли Эрвина Шредингера, затем попробую выделить основные моменты в его объяснении жизни и живого у Вернадского. Я просто попробую найти что-то общее в их работах и, наконец, ответить на вопрос: кто ближе приблизился к ответу на вопрос что такое жизнь.
Жизнь с точки зрения физики

Главный вопрос, ответ на который Э. Шредингер дал в своей книге, заключается в следующем: как могут точные науки физика и химия объяснить те биологические явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?

Работа живого организма и процессы, происходящие в мозге каждого индивидуума, подчиняются точным физическим законам, – считает Э. Шредингер. И эти законы вполне сопоставимы с теми строгими физическими законами, согласно которым происходят процессы физического взаимодействия между различными системами. Э. Шредингер доказал, что с определённой степенью точности это верно как для атомных, так и для макроскопических систем. Для этого он использовал мысленный эксперимент с котом, которого теперь так и зовут – Кот Шредингера[1] .

Суть эксперимента в следующем. В закрытый ящик помещён кот. В ящике есть механизм, со держащий радиоактивное ядро, и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за 1 час, составляет 1/2. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике (то есть точной физической науке), если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Цель этого эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязательно будет либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Э. Шредингер на примере этого эксперимента и других опытов утверждает, что физические законы основаны на атомной статистике и поэтому все они только приблизительны, ведь все атомы совершают хаотические движения. Только в соединении огромного числа атомов статистические законы начинают действовать с точностью, возрастающей с увеличением количества атомов.

Один из примеров для иллюстрации, который приводит в своей книге австрийский физик – броуновское движение. Его суть в следующем. Если наполнить нижнюю часть закрытого сосуда туманом, то можно заметить, что верхняя граница тумана будет постепенно понижаться с определённой скоростью, то есть мы увидим, что молекулы воды стремятся опуститься. Но, если проследить за одной из капелек через микроскоп, то можно увидеть, что она не опускается с постоянной скоростью, а выполняет хаотичное движение, только в среднем соответствующее постоянному снижению. Это происходит из-за того, что эти капельки, хоть и не являются атомами, но уже достаточно малы и легки, чтобы чувствовать толчки единичных молекул. В отношении живого организма и жизни в целом данный пример показывает, какие удивительные и беспорядочные впечатления получали бы мы, если бы наши органы чувств были восприимчивы к ударам немногих молекул. И мы можем представить, насколько бесполезны они были бы, если бы стали слишком чувствительны.

Но всё-таки как определить грань, в каких системах физические и другие статистические законы уже действуют, а в каких еще нет, или почему же атомы так малы? На самом деле и тот, и другой вопрос не совсем корректны. Атомы малы относительно наших единиц измерений (например миллиметров, сантиметров, метров). Оба эти вопроса касаются не одного размера, а отношения двух размеров – тела и атома. Э. Шредингер говорит, что для идеальной работы любой системы такая система обязательно должна иметь многоатомную структуру. В особенной степени это касается живого организма. Организмы с огромным количеством протекающих в них биологических процессов должны иметь «многоатомную» структуру, потому что для них необходимо, чтобы случайные «одноатомные» явления не играли в их жизни слишком большой роли. И на самом деле не только тело любого взрослого человека, но и каждая его клетка содержит огромное число атомов.

Итак, человеческий организм – высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Вот что доказал нам Э. Шредингер.

Очень интересны рассуждения Эрвина Шредингера на тему развития организма. Весь процесс развития организма определяется структурой всего одной клетки. Этой клеткой является оплодотворённое яйцо, точнее, речь идет даже не о целой клетке, а только об одной небольшой части этой клетки, её ядре. Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями (митозом). В митозе хромосомы удваиваются. При этом две дочерние клетки получают два набора хромосом, сходных с родительской клеткой.

Этот процесс Э. Шредингер сравнивает с образование кристалла. Небольшую молекулу можно назвать «зародышем твердого тела». Этот «зародыш» может строиться «путём повторения снова и снова одной и той же структуры в трёх направлениях, именно так растет кристалл»[2] . Если периодичность установилась, то уже нет определенного предела для размера такого агрегата. Другой путь — построение все более и более увеличивающегося агрегата без механизма повторения. Это случай все более и более сложной органической молекулы, в которой каждый атом и группа атомов играет индивидуальную роль. Это можно назвать образованием апериодического кристалла или твердого тела. Из этого Э. Шредингер делает вывод, что «ген или, возможно, целая хромосомная нить представляет собой апериодическое твердое тело.»[3]

Характерной особенностью жизни является стремление не перейти в состояние равновесия (энтропии). Ведь материю мы считаем живой, когда она продолжает что-то делать (двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях. Опираясь на эти размышления, Э. Шредингер заключил, что жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

И всё-таки, хоть деятельность живой материи и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор другим неизвестным законам физики.

Жизнь с точки зрения биологии

Владимир Иванович Вернадский был одним из выдающихся академиков-естествоиспытателей, который посвятил себя изучению протекающих в биосфере процессов. Он стал основоположником научного направления — биогеохимии, которое легло в основу современного учения о биосфере.

До появления работ В. И. Вернадского большинство учёных считали, что роль живых организмов на Земле очень мала. Действительно, казалось бы, какая может быть связь между последствиями их жизнедеятельности и мощью внутренних сил планеты, образующих высочайшие горы и перемещающих целые континенты.

В. И. Вернадский доказал, что все организмы, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий огромную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется в следствии некоторых из их особенностей: во-первых, они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена энергией. В итоге суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных отрезков времени (в сотни миллионов лет).

В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты полностью находится под влиянием живых организмов, с деятельностью которых связано перемещение химических элементов в биосфере.

Биосфера представляет собой сложнейшую оболочку жизни, населенную организмами, составляющими живое вещество. Это самая крупная экосистема Земли – область взаимодействия живого и косного вещества на планете. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни[4] «. Биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и живого вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности.

Разрабатывая учение о биосфере, В. И. Вернадский пришел к выводу, что зеленое вещество растений является главным преобразователем солнечной энергии. Только они способны поглощать эту энергию и синтезировать органические соединения.

В. И. Вернадский попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И, занимаясь этим вопросом, он заметил и рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле. Поэтому в природе нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить от неживого.

Одним из центральных звеньев понимания биосферы является учение о живом веществе. «Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом»[5] . Главное его функция – накопление свободной энергии в биосфере. В. И. Вернадский писал, что между косной (безжизненной) частью биосферы и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергии. Так же оно выполняет светообразующую функцию. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И. Вернадский задумался над вопросом о происхождении химических элементов в земной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Затем он пришел к выводу, что «нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества».

Для живого вещества характерно наличие эволюции и то, что составляющие его химические соединения устойчивы только в живых организмах. После смерти организма исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей.

Первичным звеном поглощения солнечной энергии являются растения. Они преобразуют ее в энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы. Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением солнечной энергии. Энергия любого живого организма также может быть рассеяна в тепловой форме, из-за чего достигается состояние термодинамического равновесия, при этом дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило это состояние, организм или система должны постоянно извлекать энергию из окружающей среды и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. Иначе организм погибнет.

Таким образом, жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии невозможно было бы существование самой жизни. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами.

Итак, что же такое жизнь? Этот вопрос неоднократно обсуждался на всех уровнях науки и ответы в соответствии с существующими представлениями были разными. Мне кажется, и сейчас современная наука не может дать окончательного ответа на вопрос, что такое жизнь. Это вовсе не означает, что не существует возможных вариантов ответов. Они, безусловно, есть, и я попыталась дать ответ на этот вопрос в своем реферате словами и взглядами на жизнь великого австрийского физика Эрвина Шредингера и великого русского биолога – естествоиспытателя Владимира Ивановича Вернадского, живших в ХХ веке.

В своих работах оба ученых использовали энергетический подход к объяснению жизненных процессов. Э. Шредингер представляет, что «жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время[6] » . Это понятие схоже с точкой зрения Владимира Ивановича Вернадского, который утверждал, что для того, чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма.

Итак, «жизнь, с точки зрения физики – это борьба живого с энтропией»[7] . Но Э. Шредингер утверждает, что многие жизненные процессы не полностью подчиняются законам физики, точнее к физическим законам нужны поправки, чтобы точно описать жизненные процессы. Вернадский, в свою очередь, для описания жизненных процессов, как мы видим, тоже использовал не только биологические принципы. Он нередко обращался к термодинамике и другим разделам физических наук.

И, тем не менее, мне кажется, что мы уже получили главный ответ на вопрос что же такое жизнь с точки зрения современной науки. Ответ заключается в следующем: на этот вопрос самостоятельно и обособленно от других наук не может ответить ни физика, ни биология, ни один другой раздел науки. Это слишком сложное понятие, глубинный вопрос, и очень здорово, что будет сделано еще немало открытий в разных отраслях науки в поиске ответа на этот вопрос.

1. Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978

2. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009

1. Интернет энциклопедия «Википедия»

2. Статья об эксперименте с котом Шредингера. http://www.uralweb.ru/pages/article.php? >

3. Образовательный портал МГУП

[1] Статья об эксперименте с котом Шредингера http://www.uralweb.ru/pages/article.php? > [2] Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 108 [4] Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978 [5] Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978 [6] Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 120

KONSPEKTY.NET

Саморазвитие в любом формате!

  • Конспект книги: Эрвин Шредингер — Что такое жизнь с точки зрения физики

    Глава I. Подход классического физика к предмету

    Наиболее существенная часть живой клетки — хромосомная нить — может быть названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.

    Почему атомы так малы? Было предложено много примеров, чтобы уяснить этот факт широкой публике, но не было ни одного более выразительного примера, чем тот, который привел когда-то лорд Кельвин: предположите, что вы можете поставить метки на все молекулы в стакане воды; после этого вы выльете содержимое стакана в океан и тщательно перемешаете океан так, чтобы распределить отмеченные молекулы равномерно во всех морях мира; если вы далее возьмете стакан воды где угодно, в любом месте океана, — вы найдете в этом стакане около сотни ваших отмеченных молекул.

    Все наши органы чувств, составленные из неисчислимых атомов, оказываются слишком грубыми, чтобы воспринимать удары отдельного атома. Мы не можем ни видеть, ни слышать, ни чувствовать отдельных атомов. Обязательно ли должно быть так? Если бы дело обстояло не так, если бы человеческий организм был столь чувствителен, что несколько атомов или даже отдельный атом мог бы произвести заметное впечатление на наши органы чувств, на что была бы похожа жизнь!

    Имеется только одна и единственная вещь, представляющая особый интерес для нас в нас самих, — это то, что мы можем чувствовать, думать и понимать. В отношении тех физиологических процессов, которые ответственны за наши мысли и чувства, все другие процессы в организме играют вспомогательную роль, по крайней мере, с человеческой точки зрения.

    Все атомы все время проделывают совершенно беспорядочные тепловые движения. Только в соединении огромного количества атомов статистические законы начинают действовать и контролировать поведение этих объединений с точностью, возрастающей с увеличением числа атомов, вовлеченных в процесс. Именно этим путем события приобретают действительно закономерные черты. Точность физических законов основана на большом количестве участвующих атомов.

    Степень неточности, которую надо ожидать в любом физическом законе – √n. Если некоторый газ при определенном давлении и температуре имеет определенную же плотность, то я могу сказать, что внутри какого-то объема имеется n молекул газа. Если в какой-то момент времени вы сможете проверить мое утверждение, то вы найдете его неточным, и отклонение будет порядка √n. Следовательно, если n = 100, вы нашли бы отклонение равным приблизительно 10. Таким образом, относительная ошибка здесь равна 10%. Но если n = 1 миллиону, вы бы, вероятно, нашли отклонение равным примерно 1000, и таким образом относительная ошибка равняется 0,1%.

    Организм должен иметь сравнительно массивную структуру для того, чтобы наслаждаться благоденствием вполне точных законов как в своей внутренней жизни, так и при взаимодействии с внешним миром. Иначе количество участвующих частиц было бы слишком мало и «закон» слишком неточен.

    Глава II. Механизм наследственности

    Выше мы пришли к заключению, что организмы со всеми протекающими в них биологическими процессами должны иметь весьма «многоатомную» структуру, и для них необходимо, чтобы случайные «одноатомные» явления не играли в них слишком большой роли. Теперь мы знаем, что такая точка зрения не всегда верна.

    Разрешите мне воспользоваться словом «план» (pattern) организма, обозначая этим не только структуру и функционирование организма во взрослом состоянии или на любой другой определенной стадии, но организм в его онтогенетическом развитии, от оплодотворенной яйцеклетки до стадии зрелости, когда он начинает размножаться. Теперь известно, что весь этот целостный план в четырех измерениях (пространство + время) определяется структурой всего одной клетки, а именно — оплодотворенного яйца. Более того, ее ядром, а еще точнее – парой хромосом: один набор приходит от матери (яйцевая клетка) и один — от отца (оплодотворяющий сперматозоид). Каждый полный набор хромосом содержит весь шифр, хранящийся в оплодотворенной яйцеклетке, которая представляет самую раннюю стадию будущего индивидуума.

    Но термин шифровальный код, конечно, слишком узок. Хромосомные структуры служат в то же время и инструментом, осуществляющим развитие, которое они же предвещают. Они являются и кодексом законов и исполнительной властью или, употребляя другое сравнение, они являются и планом архитектора и силами строителя в одно и то же время.

    Как хромосомы ведут себя в онтогенезе? Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями. Такое клеточное деление называется митозом. В среднем достаточно 50 или 60 последовательных делений, чтобы произвести количество клеток, имеющихся у взрослого человека.

    Как ведут себя хромосомы в митозе? Они удваиваются, удваиваются обанабора, обе копии шифра. Каждая, даже наименее важная отдельная клетка обязательно обладает полной (двойной) копией шифровального кода. Существует единственное исключение из этого правила – редукционное деление или мейоз.

    Один набор хромосом происходит от отца, один — от матери. Ни случайность, ни судьба не могут помешать этому. Но когда вы проследите происхождение вашей наследственности вплоть до ваших дедов и бабок, то дело оказывается иным. Например, набор хромосом, пришедших ко мне от отца, в частности хромосома № 5. Это будет точная копия или того № 5, который мой отец получил от своего отца, или того № 5, который он получил от своей матери. Исход дела был решен (с вероятностью 50:50 шансов). Точно та же история могла бы быть повторена относительно хромосом № 1, 2, 3… 24 моего отцовского набора и относительно каждой из моих материнских хромосом.

    Но роль случайности в смешении дедушкиной и бабушкиной наследственности у потомков еще больше, чем это могло показаться из предыдущего описания, в котором молчаливо предполагалось или даже прямо утверждалось, что определенные хромосомы пришли как целое или от бабушки, или от дедушки; другими словами, что единичные хромосомы пришли неразделенными. В действительности это не так или не всегда так. Перед тем как разойтись в редукционном делении, скажем в том, которое происходило в отцовском теле, каждые две «гомологичные» хромосомы приходят в тесный контакт одна с другой и иногда обмениваются друг с другом значительными своими частями. Явление кроссинговера, будучи не слишком редким, но и не слишком частым, обеспечивает нас ценнейшей информацией о расположении свойств в хромосомах.

    Максимальный размер гена. Ген – материальный носитель определенной наследственной особенности – равен кубу со стороной в 300 А̊. 300 А̊ — это только около 100 или 150 атомных расстояний, так что ген содержит не более миллиона или нескольких миллионов атомов. Согласно статистической физике такое число слишком мало (с точки зрения √n), чтобы обусловить упорядоченное и закономерное поведение.

    Глава III. Мутации

    Мы теперь определенно знаем, что Дарвин ошибался, когда считал, что материалом, на основе которого действует естественный отбор, служат малые, непрерывные, случайные изменения, обязательно встречающиеся даже в наиболее однородной популяции. Потому что было доказано, что эти изменения не наследственны. Если вы возьмете урожай чистосортного ячменя и измерите у каждого колоса длину остей, а затем вычертите результат вашей статистики, вы получите колоколообразную кривую (рис. 3). На этом рисунке количество колосьев с определенной длиной остей отложено против соответствующей длины остей. Другими словами, преобладает известная средняя длина остей, а отклонения в том и другом направлении встречаются с определенными частотами. Теперь выберите группу колосьев, обозначенную черным, с остями, заметно превосходящими среднюю длину, но группу достаточно многочисленную, чтобы при посеве в поле она дала новый урожай. Проделывая подобный статистический опыт, Дарвин ожидал бы, что для нового урожая кривая сдвинется вправо. Другими словами, он ожидал бы, что отбор произведет увеличение средней величины остей. Однако на деле этого не случится.

    Отбор не дает результата, потому что малые, непрерывные различия не наследуются. Они, очевидно, не обусловлены строением наследственного вещества, они случайны. Голландец Хугоде-Фриз открыл, что в потомстве даже совершенно чистосортных линий появляется очень небольшое число особей — скажем, две или три на десятки тысяч – с малыми, но «скачкообразными» изменениями. Выражение «скачкообразные» означает здесь не то, что изменения очень значительны, а только факт прерывистости, так как между неизмененными особями и немногими измененными нет промежуточных форм. Де-Фриз назвал это мутацией. Существенной чертой тут является именно прерывистость. Физику она напоминает квантовую теорию — там тоже не наблюдается промежуточных ступеней между двумя соседними энергетическими уровнями.

    Мутации наследуются так же хорошо, как первоначальные неизмененные признаки. Мутация определенно является изменением в наследственном багаже и должна обусловливаться каким-то изменением наследственной субстанции. В силу их свойства действительно передаваться потомкам, мутации служат также подходящим материалом и для естественного отбора, который может работать над ними и производить виды, как это описано Дарвином, элиминируя неприспособленных и сохраняя наиболее приспособленных.

    Определенная мутация вызывается изменением в определенной области одной из хромосом. Мы твердо знаем, что это изменение происходит только в одной хромосоме и не возникает одновременно в соответствующем «локусе» гомологичной хромосомы. У мутантной особи две «копии шифровального кода» больше уже не одинаковы; они представляют два различных «толкования» или две «версии».

    Версия, которой следует особь, называется доминантной, противоположная — рецессивной; другими словами, мутация называется доминантной или рецессивной в зависимости от того, проявляет ли она свой эффект сразу или нет. Рецессивные мутации даже более часты, чем доминантные, и бывают весьма важными, хотя они не сразу обнаруживаются. Чтобы изменить свойства организма, они должны присутствовать в обеих хромосомах.

    Версия шифровального кода — будь она первоначальной или мутантной, — принято обозначать термином аллель. Когда версии различны, как это показано на рис. 4, особь называется гетерозиготной в отношении этого локуса. Когда они одинаковы, как, например, в немутировавших особях или в случае, изображенном на рис. 5, они называются гомозиготными. Таким образом, рецессивные аллели влияют на признаки только в гомозиготном состоянии, тогда как доминантные аллели производят один и тот же признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии.

    Особи могут быть совершенно подобны по внешности и, однако, различаться наследственно. Генетик говорит, что у особей один и тот же фенотип, но различный генотип. Содержание предыдущих параграфов может быть, таким образом, суммировано в кратком, но высоко техническом выражении: рецессивная аллель влияет на фенотип, только когда генотип гомозиготен.

    Процент мутаций в потомстве — так называемый темп мутирования — можно увеличить во много раз по сравнению с естественным мутационным темпом, если освещать родителей х-лучами или γ-лучами. Мутации, вызванные таким путем, ничем (за исключением большей частоты) не отличаются от возникающих самопроизвольно.

    Глава IV. Данные квантовой механики

    В свете современного знания механизм наследственности тесно связан с основой квантовой теории. Величайшим открытием квантовой теории были черты дискретности. Первый случай этого рода касался энергии. Тело большого масштаба изменяет свою энергию непрерывно. Например, начавший качаться маятник постепенно замедляется вследствие сопротивления воздуха. Хотя это довольно странно, но приходится принять, что система, имеющая размер атомного порядка, ведет себя иначе. Малая система по самому своему существу может находиться в состояниях, отличающихся только дискретными количествами энергии, называемыми ее специфическими энергетическими уровнями. Переход от одного состояния к другому представляет собой несколько таинственное явление, обычно называемое «квантовым скачком».

    Среди прерывистой серии состояний системы атомов необязательно, но все же может существовать наиболее низкий уровень, предполагающий тесное сближение ядер друг с другом. Атомы в таком состоянии образуют молекулу. Молекула будет иметь известную устойчивость; конфигурация ее не может изменяться, по крайней мере до тех пор, пока она не будет снабжена извне разностью энергий, необходимой, чтобы «поднять» молекулу на ближайший, более высокий уровень. Таким образом, эта разница уровней, представляющая собой совершенно определенную величину, характеризует количественно степень устойчивости молекулы.

    При всякой температуре (выше абсолютного нуля) имеется определенная, большая или меньшая, вероятность подъема на новый уровень, причем эта вероятность, конечно, увеличивается с повышением температуры. Наилучший способ выразить эту вероятность — это указать среднее время, которое следует выждать, пока не произойдет подъем, то есть указать «время ожидания». Время ожидания зависит от отношения двух энергий: энергетической разности, какая необходима для подъема (W), и интенсивности теплового движения при данной температуре (обозначим через Т абсолютную температуру и через kТ эту характеристику; k – постоянная Больцмана; 3/2kTпредставляет собой среднюю кинетическую энергию атома газа при температуре Т).

    Удивительно, насколько сильно время ожидания зависит от сравнительно малых изменений отношения W:kT. Например, для W, которое в 30 раз больше, чем kТ, время ожидания будет всего 1/10 секунды, но оно повышается до 16 месяцев, когда W в 50 раз больше kТ, и до 30000 лет, когда W в 60 раз больше kТ.

    Причина чувствительности в том, что время ожидания, назовем его t, зависит от отношения W:kТ как степенная функция, то есть

    τ— некоторая малая константа порядка 10–13 или 10–14 секунды. Этот множитель имеет физический смысл. Его величина соответствует порядку периода колебаний, все время происходящих в системе. Вы могли бы, вообще говоря, сказать: этот множитель обозначает, что вероятность накопления требуемой величины W, хотя и очень мала, повторяется снова и снова «при каждой вибрации», т.е. около 1013 или 1014 раз в течение каждой секунды.

    Степенная функция не случайная особенность. Она снова и снова повторяется в статистической теории тепла, образуя как бы ее спинной хребет. Это — мера невероятности того, что количество энергии, равное W, может случайно собраться в некоторой определенной части системы, и именно эта невероятность возрастает так сильно, когда требуется многократное превышение средней энергии kТ для того, чтобы преодолеть порог W.

    Предлагая эти соображения как теорию устойчивости молекул, мы молчаливо приняли, что квантовый скачок, называемый нами «подъемом», ведет если не к полной дезинтеграции, то, по крайней мере, к существенно иной конфигурации тех же самых атомов — к изомерной молекуле, как сказал бы химик, то есть к молекуле, состоящей из тех же самых атомов, но в другом расположении (в приложении к биологии это может представлять новую «аллель» того же самого «локуса», а квантовый скачок будет соответствовать мутации).

    Химику известно, что одна и та же группа атомов при образовании молекул может объединиться более чем одним способом. Такие молекулы называются изомерными, т.е., состоящими из тех же частей.

    Замечателен тот факт, что обе молекулы весьма устойчивы, — обе ведут себя так, как если бы они были «нижним уровнем». Самопроизвольных переходов от одного состояния к другому не бывает. В применении к биологии нас будут интересовать переходы только такого «изомерного» типа, когда энергия, необходимая для перехода (величина, обозначаемая W), в действительности является не разностью уровней, а ступенькой от исходного уровня до порога. Переходы без порога между исходным и конечным состояниями совершенно не представляют интереса, и не только применительно к биологии. Они действительно ничего не меняют в химической устойчивости молекул. Почему? Они не дают продолжительного эффекта и остаются незамеченными. Ибо когда они происходят, то за ними почти немедленно следует возвращение в исходное состояние, поскольку ничто не препятствует такому возвращению.

    Глава V. Обсуждение и проверка модели Дельбрюка

    Мы примем, что по своей структуре ген является гигантской молекулой, которая способна только к прерывистым изменениям, сводящимся к перестановке атомов с образованием изомерной молекулы (для удобства я продолжаю называть это изомерным переходом, хотя было бы нелепостью исключать возможность какого-либо обмена с окружающей средой).Энергетические пороги, отделяющие данную конфигурацию от любых возможных изомерных, должны быть достаточно высоки (сравнительно со средней тепловой энергией атома), чтобы сделать переходы редкими событиями. Эти редкие события мы будем отождествлять со спонтанными мутациями.

    Часто спрашивали, как такая крошечная частичка вещества — ядро оплодотворенного яйца — может вместить сложный шифровальный код, включающий в себя все будущее развитие организма? Хорошо упорядоченное объединение атомов, наделенное достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности, представляется единственно мыслимой материальной структурой, в которой разнообразие возможных («изомерных») комбинаций достаточно велико, чтобы заключать в себе сложную систему «детерминаций» в пределах минимального пространства.

    Глава VI. Упорядоченность, неупорядоченность и энтропия

    Из общей картины наследственного вещества, нарисованной в модели Дельбрюка, следует, что живая материя, хотя и не избегает действия «законов физики», установленных к настоящему времени, по-видимому, заключает в себе до сих пор неизвестные «другие законы физики». Попробуем разобраться с этим. В первой главе было объяснено, что законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности.

    Но для того, чтобы примирить высокую устойчивость носителей наследственности с их малыми размерами и обойти тенденцию к неупорядоченности, нам пришлось «изобрести молекулу», необычно большую молекулу, которая должна быть шедевром высоко дифференцированной упорядоченности, охраняемой волшебной палочкой квантовой теории. Законы случайности не обесцениваются этим «изобретением», но изменяется их проявление. Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

    Что является характерной чертой жизни? Когда мы говорим про кусок материи, что он живой? Когда он продолжает «делать что-либо», двигаться, обмениваться веществами с окружающей средой и т.д., — и все это в течение более долгого времени, чем по нашим ожиданиям мог бы делать неодушевленный кусок материи при подобных же условиях. Если неживую систему изолировать или поместить в однородные условия, всякое движение, обычно, очень скоро прекращается в результате различного рода трений; разности электрических или химических потенциалов выравниваются, вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их, температура становится однообразной благодаря теплопроводности. После этого система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу материи. Достигнуто неизменное состояние, в котором не возникает никаких заметных событий. Физик называет это состоянием термодинамического равновесия или «максимальной энтропии».

    Именно в силу того, что организм избегает бы строго перехода в инертное состояние «равновесия», он и кажется столь загадочным: настолько загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль допускала, будто в организме действует какая-то специальная, не физическая, сверхъестественная сила.

    Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ прост: благодаря еде, питью, дыханию и (в случае растений) ассимиляции. Это выражается специальным термином—метаболизм (от греческого –перемена или обмен). Обмен чего? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ. Но представляется нелепостью, чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т.д. так же хорош, как любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти?

    Каждый процесс, явление, событие, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию — или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собою смерть. Он может избегнуть этого состояния, то есть оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив.

    Что такое энтропия? Это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина. При абсолютном нуле температуры (около –273°С) энтропия любого вещества равна нулю. Если вы переводите вещество в любое другое состояние, то энтропия возрастает на величину, вычисляемую путем деления каждой малой порции тепла, затрачиваемой во время этой процедуры, на абсолютную температуру, при которой это тепло затрачено.Например, когда вы расплавляете твердое тело, то энтропия возрастает на величину теплоты плавления, деленной на температуру при точке плавления. Вы видите из этого, что единица, которой измеряется энтропия, есть кал/°С. Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности, связь, открытая исследованиями Больцмана и Гиббса по статистической физике. Она также является точной количественной связью и выражается

    где k — постоянна Больцмана и D — количественная мера атомной неупорядоченности в рассматриваемом теле.

    Если D есть мера неупорядоченности, то обратная величина 1/D может рассматриваться как мера упорядоченности. Поскольку логарифм 1/D есть то же, что отрицательный логарифм D, мы можем написать уравнение Больцмана таким образом:

    Теперь неуклюжее выражение «отрицательная энтропия» может быть заменено лучшим: энтропия, взятая с отрицательным знаком, есть сама по себе мера упорядоченности. Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (= достаточно низкому уровню энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды (для растений собственным мощным источником «отрицательной энтропии» служит, конечно, солнечный свет).

    Глава VIII. Основана ли жизнь на законах физики?

    Все известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики. И не потому, что имеется какая-нибудь «новая сила» или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, но потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор.

    Физикой управляют статистические законы. В биологии мы встречаемся с совершенно иным положением. Единичная группа атомов, существующая только в одном экземпляре, производит закономерные явления, чудесно настроенные одно в отношении другого и в отношении внешней среды, согласно чрезвычайно тонким законам.

    Мы здесь встречаемся с явлениями, регулярное и закономерное развертывание которых определяется «механизмом», полностью отличающимся от«механизма вероятности» физики. В каждой клетке руководящее начало заключено в единичной атомной ассоциации, существующей только в одной копии, и оно направляет события, служащие образцом упорядоченности. Подобное не наблюдается нигде за исключением живого вещества. Физик и химик, исследуя неодушевленную материю, никогда не встречали феноменов, которые им приходилось бы интерпретировать подобным образом. Такой случай еще не возникал, и поэтому теория не покрывает его – наша прекрасная статистическая теория.

    Упорядоченность, наблюдаемая в развертывании жизненного процесса, возникает из иного источника. Оказывается, есть два различных «механизма», которые могут производить упорядоченные явления: «статистический механизм», создающий «порядок из беспорядка», и новый механизм, производящий «порядок из порядка».

    Для объяснения этого мы должны пойти несколько дальше и ввести уточнение, чтобы не сказать улучшение, в наше прежнее утверждение, что все физические законы основаны на статистике. Это утверждение, повторявшееся снова и снова, не могло не привести к противоречию. Ибо действительно имеются явления, отличительные черты которых явно основаны на принципе «порядок из порядка» и ничего, кажется, не имеют общего со статистикой или молекулярной неупорядоченностью.

    Когда же физическая система обнаруживает «динамический закон» или «черты часового механизма»? Квантовая теория дает на этот вопрос краткий ответ, а именно — при абсолютном нуле температуры. При приближении к температуре нуль молекулярная неупорядоченность перестает влиять на физические явления. Это — знаменитая «тепловая теорема» Вальтера Нернста, которой иногда, и не без основания, присваивают громкое название «Третьего Закона Термодинамики» (первый — это принцип сохранения энергии, второй — принцип энтропии). Не следует думать, что это должна быть всегда очень низкая температура. Даже при комнатной температуре энтропия играет удивительно незначительную роль во многих химических реакциях.

    Для маятниковых часов комнатная температура практически эквивалентна нулю. Это—причина того, что они работают «динамически». Часы способны функционировать «динамически», так как они построены из твердых тел, чтобы избежать нарушающего действия теплового движения при обычной температуре.

    Теперь, я думаю, надо немного слов, чтобы сформулировать сходство между часовым механизмом и организмом. Оно просто и исключительно сводится к тому, что последний также построен вокруг твердого тела — апериодического кристалла, образующего наследственное вещество, не подверженное в основном воздействию беспорядочного теплового движения.

    Эпилог. О детерминизме и свободе воли

    Из того, что было изложено выше, ясно, что протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности, если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы. Это неприятное чувство возникает потому, что принято думать, будто такое представление находится в противоречии со свободой воли, существование которой подтверждается прямым самонаблюдением. Поэтому посмотрим, не сможем ли мы получить правильное и непротиворечивое заключение, исходя из следующих двух предпосылок:

    Мое тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.

    Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела и предвижу результаты этих действий. Эти результаты могут иметь огромное значение в определении моей судьбы, и в таком случае я чувствую и сознательно беру на себя полную ответственность за свои действия.

    Мне думается, что из этих двух предпосылок можно вывести только одно заключение, а именно, что «я», взятое в самом широком значении этого слова — то есть каждый сознательный разум, когда-либо говоривший или чувствовавший «я», — представляет собой не что иное, как субъект, могущий управлять «движением атомов» согласно законам природы.

    Полезный конспект? Скачай!

    Оцените, пожалуйста, прочитанный материал:)

    (Пока оценок нету)
    Loading.

  • Название: Что такое жизнь с точки зрения физики
    Раздел: Остальные рефераты
    Тип: реферат Добавлен 15:30:15 29 декабря 2011 Похожие работы
    Просмотров: 781 Комментариев: 0 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно Скачать
    Источники:
    • http://www.bestreferat.ru/referat-405819.html
    • http://www.konspekty.net/konspekty/konspekt-knigi-ervin-shredinger-chto-takoe-zhizn-s-tochki-zreniya-fizika.html