Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Как и при фолдинге белков, здесь мы наблюдаем в действии крайне эффективный принцип самосборки: простые физические требования движут формированием структуры, позволяя молекулам самим выстраиваться в нужном порядке. Эксплуатация самосборки не только удобна природе, но и полезна в качестве примера для всех, кто природу изучает: этот феномен свидетельствует, что жизнь не обязательно устроена так замысловато, как кажется на первый взгляд, и в основе биологической сложности вполне может лежать физическая простота.
Итак, мы познакомились с важнейшими молекулами, из которых состоят все организмы на Земле: ДНК, РНК, белками и липидами. Это, конечно, не полный набор ингредиентов жизни – важный вклад в нее вносят ионы, сахара, гормоны и другие молекулы, – но характеристики этой группы универсальных компонентов сообщают нам многое о том, как устроена жизнь и как в живой природе кодируется информация. Выстраиваясь и взаимодействуя множеством разных способов, эти молекулы порождают все многообразие жизни вокруг нас. Мы продолжим изучать разные типы биологических структур и физические силы, которые задают рамки при их формировании, но сначала погрузимся в важную биофизическую тему, до этого затронутую лишь вскользь, – поговорим о предсказуемой случайности.
  
Глава 6. Предсказуемая случайность
 
Ничто никогда не пребывает в покое. Все наши картинки белков, ДНК и любых других молекул принципиально нереалистичны. Так, например, любой липид нужно изображать размытым в движении, а не замершим на месте.
В движении пребывают не только биологические молекулы. Если я решу изучить под микроскопом плавающий в воде стеклянный шарик размером с бактерию, то за несколько секунд он преодолеет расстояние, в несколько раз превышающее его диаметр. Его перемещения обусловлены не течениями в воде и не неровностью предметного столика микроскопа. Это неизбежный естественный танец, который исполняют все тела. Такое движение, вытекающее из фундаментальных физических законов, служит фоном для всех природных процессов – фоном, глубоко чуждым нашей макроскопической интуиции и управляемым, по сути, случайностью. Как ни парадоксально, в этом хаосе есть структура, и многие механизмы жизни можно понять, вскрыв взаимосвязи между случайностью и предсказуемостью в мелкомасштабном мире.
Физика пыльцы
Непрерывный танец малых частиц называют броуновским движением: его наблюдал и описал в 1827 году ботаник Роберт Броун. Изучая под микроскопом пыльцевые зерна полевых цветов, Броун заметил, что они постоянно пребывают в движении. Это движение беспорядочно: в среднем зерна совершают одинаковое количество перемещений вправо и влево, вверх и вниз, но при этом меняют направление движения без какой-либо закономерности. Такую динамику под микроскопом наблюдали и раньше, но Броун установил, что это движение обусловлено не живым началом, не биологической природой участвующих в нем элементов, не течениями в окружающей их жидкости и не потоками от испарения этой жидкости, а скорее универсальными законами физики. Например, чтобы проверить, не порождается ли движение испарением, Броун смешал масло с водой, содержащей пыльцу, и взболтал получившийся состав: масло теперь защищало воду от испарения, но зерна пыльцы все равно хаотично перемещались.
Броун выяснил, что все беспрестанно колеблется и блуждает. Но почему? Что побуждает к этому микроскопическому движению? Без ответа мы оставались не один десяток лет, пока в самом начале XX века Альберт Эйнштейн в Швейцарии, Мариан Смолуховский в Польше и Уильям Сазерленд в Австралии независимо друг от друга не нашли простое, понятное и точное объяснение1. Первый шаг в нужном направлении они сделали тогда, когда решили всерьез рассмотреть собранные в XIX веке (преимущественно химиками) косвенные свидетельства того, что вещество состоит из отдельных единиц, атомов. Сегодня это кажется банальным – мы ведь так привыкли говорить об атомах и молекулах, – а в начале XX века представление о веществе как совокупности дискретных строительных элементов, а не как о бесконечно делимом континууме считали спорным и признавать не спешили. Эйнштейн и остальные отметили, что множественные беспорядочные столкновения молекул воды с броуновскими зернами или моими стеклянными шариками вызвали бы ровно такое движение, какое наблюдали в экспериментах.
 
Следующим шагом стало выяснение роли температуры в этом процессе. Температуру в грубом приближении можно считать мерой пронизывающей нас тепловой энергии. Чем выше температура, тем больше тепловой энергии у тела. Эйнштейн, Смолуховский и Сазерленд поняли, что сочетание движущей силы тепловой энергии с вязкостным сопротивлением, создаваемым жидкостью, которая окружает тело, позволяет построить прогностическую модель случайного движения, идеально соответствующую экспериментальным наблюдениям. Более того, лежащие в ее основе законы универсальны и неизбежны, и где есть температура, есть и беспорядочное движение. (Покой наступает только при недостижимом абсолютном нуле, –273,15 °C.) Чтобы оценить биофизический смысл этой модели, нам нужно поточнее описать броуновское движение. Мы назвали его беспорядочным. Тем не менее оно постижимо.
Вычисление случайности
Допустим, вы 10 секунд идете по прямой и преодолеваете расстояние в 9 метров. Вас, конечно, не удивит, если за 20 секунд вы пройдете 18 метров, за 100 секунд – 90 и так далее. Мы говорим, что расстояние пропорционально времени: чтобы вдвое увеличить пройденное расстояние, нужно вдвое увеличить время ходьбы. График зависимости расстояния от времени представляет собой прямую, а угол ее наклона отражает вашу скорость (в нашем случае – около метра в секунду).
Если зарисовать пути, которые мой блуждающий микроскопический шарик мог бы пройти за 10 секунд, мы получим всевозможные запутанные траектории. Ни маршрут шарика, ни конечную точку его пути невозможно спрогнозировать. Его движение случайно.
Но с этой случайностью сосуществует своего рода предсказуемость. Я не могу заранее сказать, какой стороной упадет подброшенная монетка, но знаю, что если подбросить ее много раз, то примерно в половине случаев выпадет решка, а в половине – орел. Точно так же и со статистикой броуновского движения: если я понаблюдаю за несколькими десятками 10-секундных скитаний шарика, который всякий раз движется от центра страницы, и отмечу конечную точку каждого его пути, у меня получится набор точек типа темного облака, изображенного на рисунке.
Хотя конечные положения случайны, среднее расстояние от начальной точки четко определено. Каким образом оно зависит от времени в пути? Если вы сейчас испытываете дежавю, отлично! По сути своей это эквивалентно вопросу о размере клубка ДНК из главы 3. Там мы узнали, что случайное блуждание на N шагов в среднем оканчивается на расстоянии N2 шагов от начальной точки. Здесь же в каждое мгновение бомбардировки атомами жидкости наша броуновская частица получает случайный толчок, заставляющий ее «шагнуть» в случайном направлении. Следовательно, в среднем расстояние, которое проходит частица, пропорционально квадратному корню времени ее движения. График зависимости типичного расстояния от времени здесь представляет собой уже не прямую, а изогнутую линию.
Если частица будет двигаться в четыре раза дольше, в среднем она будет проходить лишь вдвое большее расстояние. Чтобы переместиться в среднем в три раза дальше, ей нужно двигаться в девять раз дольше.