Новая жизнь старых вещей - [4]

То, что звучит для нас как абсурд, в природе оказывается естественным процессом: поврежденные системы восстанавливаются. Вспомните хотя бы такой яркий пример, как заживление ран: мы восстанавливаем себя сами, у нас включается процесс самозаживления. Это принцип самоорганизации, встречающийся прежде всего в неорганическом мире.

Горные кристаллы – замечательные однородные тела – растут, потому что составляющие их атомы самоорганизуются по законам физики. Сначала атомы беспорядочно плавают в маточном растворе, о котором писал Томас Манн в романе «Волшебная гора». Они ищут свои места в трех измерениях пространства, пока не найдут идеальное. Кристалл растет «правильно», только если составляющие его секстиллионы атомов занимают правильную позицию.

И тут возникает вероятность ошибки, случающейся из-за неправильного соединения атомов и молекул. Отдельные атомы пристыковываются на неверном расстоянии, «встают» в некорректном положении. В маточном растворе мог находиться неправильный атом или молекула с призывом: «Помогите, я не туда приземлился!» В большинстве случаев такая ошибка будет исправлена. Иначе не существовало бы прекрасного горного хрусталя, состоящего из числа атомов 10 в 23-й степени. Да, да, вы не ошиблись, читая «единица с двадцатью тремя нулями». Эту цифру нереально представить.

«Ремонт неисправностей» работает на основе самоорганизации. Так как в природе все происходит по принципу минимизации энергии, кристалл определяет, что для отдельных атомов существуют энергетически выгодные позиции, и «ставит» их именно на эти позиции.

Минимизация энергии – это высший естественный принцип: так, если я брошу апельсины в ящик и потрясу его, то фрукты плотно улягутся на свои места. Это мы наблюдаем на овощном рынке. Оптимальный способ упаковки достигается тем, что после тряски энергетически неблагоприятные позиции смещаются, и плоды занимают упорядоченное положение. Аналогично в растворе из-за теплового движения частиц «трясет» и растущий кристалл, который, однако, «запоминает» выгодные позиции. Кристаллы возникли на Земле около 3,8 миллиарда лет назад, став первой упорядоченной структурой планеты и первым шагом к развитию жизни. Таким образом, атомное конструирование – физический принцип, а кристаллы – «шаблон», на поверхности которого зародилась жизнь.

Будучи студентом инженерного факультета, я проходил практику в компании Siemens, где выращивал кристаллы кремния. Передо мной стояла задача физическим методом запустить природные процессы, чтобы удалить весь «мусор» – ненужные, неправильные атомы, еще присутствующие в кристаллах. Смысл такого процесса, называемого очисткой методом зонной плавки, заключался в том, чтобы исправлять ошибки при выращивании и в результате получать чистые кристаллы кремния. Полупроводниковая электроника, элементы солнечной батареи, кристаллы транзистора и другая техника – все работает только потому, что в процессе производства удаляют «грязные» атомы, а затем добавляют посторонние, но нужные.

Принцип энергетической минимизации и самоорганизации применяется и для подгонки определенных свойств материалов. Вспомним легирование[6] полупроводниковых кристаллов, сделавшее возможным создание всей полупроводниковой электроники.

Важно, что природа делает ошибки, которые, однако, сама частично исправляет.

Поскольку всякая неживая материя использует принцип «ремонта» дефекта, такое развитие свойственно всем веществам на нашей планете. Без функции самовосстановления не смогла бы образоваться Земля, а в отсутствие принципа минимизации энергии, самоорганизации и восстановления после ледникового периода не возникло бы человечество.

Возникновение жизни

Как и у неорганических молекул горного хрусталя, молекулы в живых системах тоже связаны друг с другом. В так называемом первичном бульоне самоорганизуются исходные молекулы, такие как аминокислоты и молекулы ДНК.

Таким образом и был создан простой генетический код и первые полипептиды, затем отделившиеся и образовавшие трехмерные системы из кодов ДНК и белков.

Но все-таки как именно возникла жизнь?

Этим вопросом задавался Гёте. Его волновало, как из мертвого материала возникает живой: почему, к примеру, из разлагающейся материи через некоторое время выползают черви? Гёте верил в vis vitalis – жизненную силу, присущую и неодушевленным материалам. Ее существование позже опроверг французский химик Луи Пастер, доказав, что в стерильной среде не могут возникнуть живые организмы. За это он удостоился почетной премии французской Академии наук, что якобы раз и навсегда сняло вопрос о самозарождении жизни из неживой материи. Как хотите, но Пастер несправедливо получил награду, ведь жизнь на молодой планете Земля зародилась спонтанно, и Пастер не сумел объяснить данный факт.

Давайте в поисках «жизненных сил» взглянем на дерево. Откуда оно знает, что наступила весна и пора пускать ростки? Может, дело в том, что на улице становится светлее и теплее? Есть ли у дерева термометр? И почему, например, эдельвейс растет в скудной гористой местности? В земле в беспорядочном виде находятся различные молекулы, а в воздухе хаотично витает углевод в виде молекул диоксида углерода. Можно сказать, что эдельвейс способен поглощать молекулы из воздуха – углекислый газ – и молекулы из почвы – воду и минералы, – и это все наполняет цветок жизненными силами. Какой будет у растения цвет, какое количество листьев, решает не один атом, а комбинация нескольких. Как все это происходит у деревьев? Можно подумать, что такая информация заложена в их ДНК, но генетика дает лишь грубые инструкции, а остальное зависит от удивительной способности к самоорганизации. Гены не определяют, какое именно место должен занять каждый атом в трехмерном пространстве. Генетический код – это нечто большее, чем готовая копия. Он заранее определяет, что клеточная мембрана, например, поднимется наверх, но не диктует, куда точно направится каждая молекула жира и белка.