Роланд Глазер Биология в новом свете

Перевод с немецкого канд. биол. наук К. М. Близник и С. В. Беневоленского

под редакцией д-ра биол. наук Ю. Г. Капульцевича

ИЗДАТЕЛЬСТВО "МИР" МОСКВА 1978

ИБ № 1010

Редактор А. Кондрашова

Художник Ф. Инфанте

Художественный редактор Л. Безрученков

Технический редактор Н. Манохина

Корректор Н. Матюхина

Предисловие редактора перевода

Последние два-три десятилетия биология переживает период бурного развития. Замечательные успехи, достигнутые во многих областях этой науки, привели к "информационному взрыву". Количество биологической литературы лавинообразно растет с каждым годом, так что даже специалисты, непосредственно занимающиеся биологией, не в состоянии уследить за развитием всех многочисленных биологических дисциплин. Представители других наук чувствуют себя еще более беспомощными перед этим морем информации. В особенно трудном положении оказывается молодежь, желающая посвятить себя науке. Современная наука, и биология в частности, многогранна, а в учебниках находят отражение лишь твердо установленные факты и теории, выдержавшие проверку временем. Как же выбрать свой путь? Здесь на помощь должна прийти научно-популярная литература.

За последние годы наши издательства выпустили немало научно-популярных книг по биологии, но все они были посвящены каким-то отдельным ее разделам, в основном вопросам генетики, молекулярной биологии и микробиологии.

Предлагаемая вниманию читателя книга Роланда Глазера, профессора Берлинского университета им. Гумбольдта, выгодно отличается от других научно-популярных изданий на эту тему по крайней мере в двух отношениях.

Во-первых, автор рассматривает биологию как науку в целом, а не какие-то отдельные ее области. Читатель знакомится с различными процессами, протекающими на разных уровнях биологической организации, — от молекул до животного и даже целых сообществ живых организмов, так называемых биоценозов.

Во-вторых, основное внимание в книге уделено вопросам, которые в научно-популярной биологической литературе, как правило, вообще не обсуждаются, а в обширных курсах по общей биологии упоминаются лишь мимоходом. Это вопросы, связанные с использованием в биологии физики и математики. Книгу Р. Глазера можно было бы назвать "Жизнь с точки зрения физика", если бы сходное название не было уже использовано выдающимся австрийским физиком Э. Шредингером для своей известной книги, носящей более специальный характер^[1].

Глазер предлагает взглянуть на биологию по-новому. Он обращает внимание читателя на целый ряд биологических явлений и процессов, механизмы которых можно понять и объяснить, привлекая на помощь математический аппарат, физические законы и теории. Проблемы эти довольно сложны, многое в их решении остается неясным и по сей день, но автор ведет свой рассказ увлекательно, в доступной для непосвященного читателя форме. И это, несомненно, большое достоинство книги.

Первые же ее страницы буквально интригуют читателя: автор приводит удивительные результаты сопоставления биологических и технических объектов. Телевизионная башня кажется нам очень высокой и стройной. Как, наверное, трудно спроектировать и построить такое сооружение! Отношение высоты башни к ее диаметру составляет примерно 20. Много это или мало? Оказывается, не так уж много, ибо у обыкновенного тростника это отношение равно 200! Муха-журчалка за одну секунду пролетает расстояние, в 1000 раз превышающее длину ее тела. Если бы скорость самолета находилась в таком же соотношении с его длиной (равной, скажем, 30 м), то она должна была бы достигать 30 км/с — в 100 раз больше скорости звука! Значит ли это, что технические объекты безнадежно отстают от живых организмов? Прочитав книгу, читатель получит ответ и на этот, и на многие другие вопросы, подчас совершенно неожиданные.

Наивные детские "почему?", от которых столь часто с досадой отмахиваются взрослые! Почему из мухи нельзя сделать слона? Почему слон не больше, а мышь не меньше, чем они есть на самом деле, и т. д. Автор призывает не бояться таких вопросов. Часто они помогают нам взглянуть на привычный мир иначе и увидеть в нем что-то новое...

Математика поистине всесильна. Оказывается, она помогает нам описать форму живого организма и проследить ее изменение в процессе эволюции. В настоящее время много говорится о теории оптимальных процессов, которая позволяет решать сложные вопросы экономики, управления народным хозяйством. Но эта же теория находит широкое применение и в биологии.

Современная биология использует и термодинамику. Законы термодинамики позволяют объяснить, откуда живые организмы берут необходимую энергию, как эта энергия преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов, в каких формах она накапливается в биологических системах и как расходуется ими.

Читатель вместе с автором совершает увлекательное путешествие в царство молекул, где перед ним открывается совершенно иной, не знакомый ему мир — мир, в котором многие привычные представления теряют смысл. Читатель узнает, как происходит синтез белковых молекул в клетке, какое важное значение имеет хаотическое тепловое движение молекул для протекания биохимических реакций, для самой жизни.

В книге Р. Глазера затронут чрезвычайно широкий круг вопросов, и вполне естественно, что отнюдь не на все из них автор мог дать исчерпывающие ответы. Подробное изложение всех этих вопросов потребовало бы чрезмерного увеличения объема книги. Кроме того, многие из них еще ждут своего решения. Однако главная задача автора — пробудить у читателя интерес к тем проблемам биологии, для решения которых необходимо знание физики и математики.

И нам кажется, что с этой задачей он удачно справился.

Книга "Биология в новом свете" адресована в первую очередь школьникам старших классов, перед которыми стоит большая и трудная проблема — найти свой путь в жизни" И мы надеемся, что, ознакомившись с этой книгой, многие школьники с математическим складом ума поймут, что и в биологии перед ними открываются широкие возможности для применения своих способностей, Эту книгу с интересом прочтут и специалисты — как биологи, так и представители других наук, а преподавателям биологии она несомненно принесет особую пользу.

Ю. Капульцевич

Введение. Тем, кто хочет изучать биологию, хотя и не собирается стать директором зоопарка

Биология вчера, сегодня, завтра. Кто такой биолог? Нужны ли ему математика и физика? Является ли биология точной наукой? Должен ли биолог только собирать и сравнивать или можно подойти к изучению биологии как-то иначе?

Итак, кто же такой биолог? Разные люди наверняка ответили бы на этот вопрос по-разному. "Биолог — человек с ботанизиркой и сачком для ловли бабочек, чудак, работа которого больше похожа на хобби", — сказал бы один. "Биолог — это исследователь, который выращивает в реторте людей, людей с выдающимися способностями, сверхлюдей будущего", — заявил бы другой. Оба этих крайних суждения одинаково абсурдны; между ними, вероятно простирается широкий спектр мнений. И это не удивительно, поскольку ни в одной науке за последние десятилетия не произошли такие революционные изменения, как в биологии. Сейчас биология находится где-то в середине этого этапа развития, и вряд ли кто-нибудь возьмется дать долгосрочный прогноз на будущее. Часто даже самим биологам нелегко бывает уследить за новыми направлениями, возникающими в той огромной области науки, которая связана с познанием жизни — высшей формы движения. Насколько же трудно должно быть юноше, школьнику, когда ему приходится решать, в какой области работать, какой профессии больше всего соответствуют его способности и интересы! Для чего изучают биологию? Чтобы стать директором зоопарка? Не зря ли стараются заработать пятерки по математике и физике те, кто собирается заниматься "всего лишь" биологией? Можно ли отнести биологию к "точным" наукам?

Издавна человек, видя перед собой изобилие биологических форм — растений и животных, — испытывал потребность разобраться во всем этом многообразии, систематизировать его. С этого и началась биология. В наше время кое-кто склонен недооценивать биологов, занимающихся сбором растений и наблюдением за животными: "Гербариями и коллекциями бабочек пристойно заниматься юным натуралистам или взрослым в свободное время!" Но не следует забывать, что любые успехи современной биологии — будь то новые нейрофармакологические препараты и антибиотики, знания о наследственных болезнях или новые сорта и породы полезных растений и животных и многое другое — были бы невозможны без работ наших неустанно коллекционировавших и классифицировавших предшественников. Что делали бы мы сейчас без детальнейших сведений о многообразии биологических форм и их систематизации! И хотя центр тяжести биологических исследований находится теперь не в области систематики, многие вопросы в ней остаются по-прежнему открытыми и продолжают служить предметом научных дискуссий.

Наряду с исследованием видов, их морфологического и анатомического строения ученые изучают механизмы жизнедеятельности. Эту область биологии называют физиологией. Почему бьется сердце? У всех ли животных оно есть? Как оно работает у тех или иных животных? Как связан образ жизни живого существа с функциями его органов? В физиологии аспект сравнения, систематизации выражен еще достаточно сильно и играет заметную роль, хотя главным здесь, конечно, является вопрос о принципах строения организма. Элементы сравнения можно обнаружить даже в одном из самых современных направлений биологии — биохимии. Из каких химических кирпичиков сложен организм? Какие в нем протекают химические реакции и зачем они нужны? Что общего или различного между реакциями у разных организмов?

"В настоящее время все более возрастает стремление выявить функциональные связи между отдельными элементами живых организмов, разобраться в механизмах биологических процессов; неуклонно расширяется использование в биологии химических методов исследования. Но вместе с тем все чаще напрашивается мысль: а нельзя ли применить в биологии физические законы, справедливые для неживой природы? Не пригодится ли физическая наука с ее столь солидной аналитической базой для познания функциональных схем животных и растений?

В сущности, эта мысль такая же древняя, как сами биология и физика. На каждой ступени развития науки люди снова и снова пытались приложить физические знания к исследованию биологических систем. Но каждая такая попытка проникнуть в тайны живого кончалась неудачей. Попробуйте, пренебрегая этим опытом, бездумно применить недопустимо упрощенные физические постулаты для объяснения биологических явлений, и вы обязательно натолкнетесь на противоречия. А отсюда неизбежно следовал вывод: законы живого мира, — очевидно, законы особого рода. Живые организмы, вероятно, не подчиняются законам, действующим в неживых системах. И вот вследствие незрелости естественной науки на этой почве расцвели философские учения, утверждавшие некую жизненную силу — vis vitalis^[2].

Повсюду вода течет сверху вниз. Но в деревьях она движется снизу вверх, от корней к листьям. Значит ли это, что здесь нарушен закон тяготения? К такому заключению неизбежно пришел бы естествоиспытатель, если бы он применил к биологической системе исключительно законы гидростатики. И только обратившись к термодинамике, мы можем понять, что никакая таинственная vis vitalis не противостоит здесь физическим законам. Просто в данном случае мы имеем дело с обычным осмотическим давлением, наблюдаемым, кстати, и в неживой природе; это давление противодействует силе тяготения, конечно, действующей и в растениях, и вызывает подъем воды в стволе.

Если при изучении биологических процессов не ограничиваться простым описанием их, а стремиться выяснить управляющие ими механизмы (в физическом смысле этого слова), то, учитывая сложность биологических систем, следует обратиться к физике. Но, поскольку физика также находится в процессе развития, она к сожалению, не в состоянии объяснить многие явления жизни. Действительно, для объяснения некоторых даже простейших биологических явлений приходится прибегать к очень сложным физическим понятиям. И не только физика, но и связанная с ней математика подчас не способны нам помочь. Даже большие успехи в области электронно-вычислительной техники, позволившие произвести кое-какие расчеты биологических систем, еще недостаточны для решения сложных систем уравнений, описывающих поведение живых систем.

Но не будем унывать, а попытаемся прикинуть, что же все-таки могут дать нам здесь современные физика и математика. "Выжимая" из этих небиологических дисциплин все возможное, мы тем самым подтолкнем их развитие. Во многих случаях уже сейчас использование в биологии физических и математических методов приносит успех. Наши знания, наши научно-технические достижения, по-видимому, находятся на том уровне, который позволяет осмысленно использовать физику и математику для изучения жизни. К этим достижениям относятся прежде всего такие крупные теоретические дисциплины, как волновая механика, статистическая физика, термодинамика; высокочувствительные электронные устройства, позволяющие с очень высокой точностью определять чрезвычайно малые электрические и магнитные потенциалы биологических макромолекул, клеток и организмов, и, наконец, электронные вычислительные машины, производящие с фантастической скоростью счетные операции, для выполнения которых человеку с карандашом и бумагой в руках понадобились бы годы и даже десятки лет.

Таким образом, не удивительно, что в последние десятилетия бурно развиваются биофизика и биоматематика. Все шире становится круг исследователей, работающих в этих смежных областях, все больше появляется научных статей. Но что знает об этом развитии небиолог?

Так попытаемся задуматься над некоторыми из их проблем и теорий. Попробуем взглянуть на биологию не в традиционном плане, а с иной точки рения. Для этого, несомненно, необходим весь комплекс знаний физики и математики, которым читатель, может быть, и не обладает. Поэтому в нашей книге мы рассмотрим такие примеры, которые позволят даже несведущему в естественных науках человеку понять основные принципы. Мы начнем с повседневного, с того, что нас окружает, познакомимся с удивительными свойствами и особенностями растений и животных. Скоро мы убедимся, что физическое объяснение форм и функций возможно только в результате очень серьезных размышлений. Так, переходя со ступени на ступень, от живых организмов вплоть до молекулярного уровня, мы узнаем, на чем основана в биологии причинная связь между функцией и формой, между временем и пространством.

Большое и малое в сравнении

Былинка и телевизионная башня! Муха-журчалка и реактивный самолет! Жужелица и гоночный автомобиль! Есть ли смысл в этих сравнениях? Чему может поучиться инженер у живых организмов? Почему деревья не растут до неба и почему из мухи нельзя сделать слона? Почему слон не больше, а землеройка не меньше, чем они есть? Длина прыжка блохи во много раз превышает длину ее тела. Почему же так не может прыгнуть кенгуру? Теория подобия в фармакологии, медицине и спорте.

С удивлением смотрят посетители на телевизионную башню. Высокая и тонкая, тянется она к небу. Внутри бетонной башни проложены различные коммуникации, а скоростной лифт перевозит людей и материалы. Вверху на головокружительной высоте башня расширяется. Здесь инженеры разместили аппаратуру; отсюда же, со смотровых площадок и из окон ресторана, перед посетителями открывается красивая панорама. Не правда ли, чудо техники?!

Однако кто же в наш век, когда мы буквально осыпаны всевозможными техническими достижениями, еще способен удивляться? И все-таки она удивительна, эта новая башня, и поражает нас своей высотой и стройностью. Но действительно ли башня так тонка, как кажется?

Посмотрим в рекламных проспектах, каковы высота и диаметр башни, и вычислим их отношение. Оно равно примерно 18, т. е. высота башни в 18 раз больше ее ширины. Много ли это?

Для сравнения вспомним тростник, который достигает в высоту 2 м, имея в диаметре лишь 1 см.

Отношение высоты h к среднему диаметру d у телевизионной башни значительно меньше, чем у стебля. Свидетельствует ли это о превосходстве биологической организации?

Следовательно, у тростника отношение длины стебля к его диаметру равно 200. А ведь стебель травы может быть еще тоньше! Выходит, телевизионная башня не "чудо техники", а всего лишь несовершенная копия того, что уже давно создано природой? Но не будем спешить с заключениями.

Живые организмы за миллионы лет эволюции действительно нашли такие решения различных технических задач, что у них могли бы поучиться и уже учатся инженеры. Внедрением подобных решений в технику занимается теперь специальная наука. Ее назвали бионикой, соединив таким образом воедино два слова: "биология" и "техника". Использовать в технике то, что уже создала природа, — такая задача стоит сейчас перед многочисленными группами исследователей во всем мире. На счету специалистов по бионике уже есть некоторые успехи. К их числу, несомненно, относится описанная нами телевизионная башня. И все же не будем торопиться с выводами, поскольку здесь сразу возникает множество разнообразных вопросов, которые ждут ответа. Прежде чем пытаться ответить на них, вновь обратимся к примерам.

Мухи-журчалки могут неподвижно висеть в воздухе и мгновенно исчезать, с большой скоростью срываясь с места

Наверное, каждый из нас, гуляя в спокойный и теплый летний день за городом, замечал насекомых, которые, подобно вертолету, неподвижно висят в воздухе. Но когда мы, желая их получше рассмотреть, приближаемся к ним, они мгновенно исчезают. Мы удивленно озираемся и обнаруживаем, что они мерцают уже где-то в метре от нас. Это мухи-журчалки, названные зоологами сирфидами (Syrphidae). Журчалки могут недвижно висеть на одном месте, а при малейшей опасности тотчас его менять. Они летят по прямой да так быстро, что мы даже не в состоянии проследить за ними глазами: мы лишь замечаем, что насекомое, только что бывшее здесь, уже находится в Другом месте и снова, точно вертолет, висит в воздухе.

Предположим, муха меняет свое местоположение всего за какую-нибудь десятую долю секунды, и за это время она пролетает около метра. Это значит, что ее скорость равна 10 м/с. (Вероятно, эта цифра несколько приуменьшена, но сейчас для нас это не существенно.) Следовательно, муха пролетает за секунду расстояние, в 1000 раз большее длины ее тела, которая составляет примерно 1 см.

А теперь представим себе самолет, длина корпуса которого, скажем, около 30 м. Если бы он мог покрыть за секунду расстояние, в 1000 раз превышающее эту длину, то его скорость должна была бы равняться 30 км/с, что в 100 раз больше скорости звука. В таком случае наш воображаемый самолет обогнал бы любую ракету. Но чтобы выдержать сравнение с мухой-журчалкой, он одновременно должен был бы обладать способностью неподвижно висеть в воздухе, подобно вертолету.

Этот пример еще поразительнее, чем сравнение былинки с телевизионной башней. Неужели действительно биологические системы настолько совершеннее технических? Уж не правы ли виталисты, говорящие о существовании некой "чудодейственной силы" (vis vitalis), которая присуща биологическим системам и непостижима для естественных наук?

Таких примеров сколько угодно. Читатель мог бы понаблюдать за проворной жужелицей и сравнить ее с автомобилем, подобно тому как мы сравнивали муху и самолет, или вспомнить водомерок, стремительно бегущих по поверхности пруда. Все эти сравнения удивительны. Как их понять?

Однако продолжим наши расчеты. Итак, муха пролетает за секунду расстояние, в 1000 раз большее длины ее тела. Поистине природа творит чудеса! А как быстро летают птицы? Способны ли они достичь такой же скорости?

Жужелица — один из самых проворных 'бегунов'. Сравнится ли с ней гоночный автомобиль, если сопоставить для них отношения скорости движения к длине (v/l)? Есть ли смысл в таком сравнении?

Один из самых быстрых наших "летунов" — ласточка. Длина ее тела около 10 см, следовательно, если использовать прежние соотношения, ее скорость должна быть 100 м/с, или 360 км/ч. Ласточка действительно летает очень быстро, но все же ее скорость по крайней мере в 4 раза меньше рассчитанного нами значения.

Что же тогда можно сказать о Скорости полета крупных птиц: лебедя, орла или аиста?

Если бы мы продолжили подобные сопоставления, то пришли бы к ошеломляющим результатам: слоны с огромной скоростью мчались бы по саваннам; кенгуру, соревнуясь с блохами, совершали бы километровые прыжки. А могли ли бы мы, подобно водомеркам, бежать по поверхности воды, если бы у нас было много ног? Конечно, нет! Мы должны признать, что простое сравнение, учитывающее только пропорции, себя не оправдывает. Почему? Ведь правило углов справедливо для треугольников любых размеров, и законы геометрии применимы как для расчета модели атома, так и для определения расстояния между Землей и Луной. Все это действительно так, но в науке следует остерегаться скороспелых обобщений.

Если природа творит чудеса, почему же слон не бежит быстрее? С какой скоростью он должен мчаться, чтобы отношение v/l было у него таким же, как у жужелицы. По-видимому, мы что-то не то сравниваем

Любая домашняя хозяйка по собственному опыту знает, что килограмм крупной картошки можно очистить быстрее, чем килограмм мелкой. Как известно из математики, поверхность шара увеличивается пропорционально квадрату его диаметра, а объем шара связан с диаметром кубической зависимостью, и потому в килограмме мелкой картошки кожуры больше, чем в килограмме крупной. Даже такой несложный геометрический пример показывает, что в расчетах не всегда можно исходить из простой пропорциональности. Инженерам это давно известно, и какой-нибудь сведущий в технике читатель уже на первом примере сморщил бы нос: "Телевизионную башню, тонкую как стебелек, я бы мог построить, но пусть она будет не выше травинки". Или: "Почему же в природе трава не вырастает до 200 м?" Последний вопрос заставляет о многом задуматься, и мы еще не раз к нему вернемся.

Каждый мальчуган, который когда-либо строил модель самолета, знает, что ее можно смастерить двумя способами. Можно построить уменьшенную копию настоящего большого самолета — серебристую птицу с двигателями, окошечками кабины и другими деталями. Однако подобная модель годится только для того, чтобы повесить ее над письменным столом, и, конечно, не следует ожидать, что она сможет летать. Если же мы хотим иметь летающую модель такого же размера, ее надо делать иначе, и в первую очередь следует изменить размеры и профиль крыла. В результате модель будет мало похожа на настоящий самолет.

За этим примером стоят серьезные проблемы техники и биологии.

Начнем с техники. Здесь на основе анализа сравнительно простых систем удалось выявить важные теоретические закономерности, которые использует и развивает сейчас биофизика.

Остановимся на авиации. Чтобы проверить расчеты конструкций и при необходимости исправить их, инженеры испытывают модели новых самолетов в аэродинамической трубе. При этом в большинстве случаев поневоле приходится обращаться к уменьшенным копиям, а для того чтобы результаты модельных испытаний можно было использовать на практике, ученые разработали теорию подобия.

Очень скоро выяснилось, что некоторые величины характеризуют различные движущиеся тела и позволяют сравнивать их между собой гораздо лучше, чем использованные нами ранее коэффициенты пропорциональности. Примером такой величины может служить так называемое число Рейнольдса (Re), которое играет огромную роль в авиации и судостроении; его рассчитывают по следующей формуле:

Форма потока, обтекающего шар, при различных числах Рейнольдса (Re). Поведение потока определяется не размерами тела, а только числом Рейнольдса, которое, правда, зависит от размеров

Кинематический коэффициент вязкости — это параметр, характеризующий "густоту" среды. Мы не будем подробно на нем останавливаться, а лишь отметим, что, если выразить скорость и длину в метрах и секундах, то кинематический коэффициент вязкости равен для воды 1,06⋅10^-6, а для воздуха — 14,9⋅10^-6.

Практический смысл числа Рейнольдса заключается в следующем: поведение потока жидкости или газа, обтекающего тело определенной формы при постоянном значении числа Рейнольдса, не зависит от размеров тела. ...