Ервин Шрьодингер за физиката на живота

Ервин Шрьодингер. „Какво е животът?” ИК Бард, цена 16.99 лв., електронна книга 9.00 лв.

 

Встъпителни бележки

– Стана традиция научната общност да отбелязва годишнини на значителни интелектуални събития. Например, през 2001 г. математиците-логици отбелязаха стогодишнината от знаменитото писмо на Бъртранд Ръсел до Годфрид Фреге, в което се посочват някои парадокси на теорията на множествата, и така е дадена радикално нова насока на развитие в математиката. А годината 2005 беше официално приета за Световна година на физиката в чест на Айнщайновата ANNUS MIRABILIS (Чудодейна година) 1905, бележита с три фундаментални теории на Айнщайн.

– През 1943 г. създателят на вълновата механика и Нобелов лауреат за 1933 г. Ервин Шрьодингер (1887-1961) изнася в Дъблин цикъл лекции, озаглавен „Какво е животът? Физическият аспект на живата клетка”. Веднага след това, през 1944 г., Cambridge University. Press прави първото печатно издание на лекциите. Книгата е малка, състои се от 7 глави и епилог и е около 80 страници. Епилогът, озаглавен „Детерминизъм и свободна воля”, е развит и разширен в лекции, прочетени от Шрьодингер през 1956 г. в колежа Тринити, Кеймбридж, под заглавието „Разум и материя”. През 1958 г. излиза книга с това заглавие. Тя съдържа 6 глави и е с обем 70 страници. След многобройни отделни преиздавания на двете книги от 1967 г., те вече излизат в едно книжно тяло (и претърпяват над 20 издания).

Българската научна общност познава главно руските издания (1947 и 1972 г.), при това без епилога (съображенията на руския издател са, че „като философ, Шрьодингер допуска сериозни грешки” и че „епилогът не представлява научна ценност”).

– Оценката на едно интелектуално постижение се прави както в ретроспекция, така и в прогнозите за неговото място в бъдещото развитие на човешката мисъл. Като се абстрахираме от предните столетия, дори само през началните десетилетия на ХХ в. не са малко предшествениците на Шрьодингер, които са създали значителни трудове по теоретична биология (Д’Арси Томсън, 1917 г., Алфред Лотка, 1924 г., Джон Холдейн, 1924 г., Вито Волтера, 1931 г., Ъруин Бауър, 1935 г., Н. Рашевски, 1938 г. и др. Но след като излага доста подробно тази предистория, американският биолог Харолд Мороуиц подчертава, че Шрьодингер с присъщата му проницателност посочва връзката между статистическата и квантовата механика с функционирането на клетката и предаването на наследствените фактори… един от първите заговаря за генетичен код и с книгата си изиграва значителна роля физиците да почнат да се интересуват от биологичните проблеми.

За стимулиращото значение на „Какво е животът?” свидетелства в автобиографичната си книга „Двойната спирала” Джеймс Уотсън, който през 1962 г. подели Нобеловата награда с Френсис Крик и Морис Уилкинс за откриването на генната структура. Уотсън казва, че Крик, физик теоретик от Кеймбридж, се увлякъл от проблема за строежа и функциите на гените, след като през 1946 г. прочел книгата „Какво е животът?”. Увлякла го идеята на Шрьодингер, че за да разберем живата материя, трябва да изясним как функционират гените.

Нека да споменем още, че в своите забележителни прогнози за бъдещето на физическата проблематика изтъкнатият руски учен Виталий Гинзбург особено подчертава посочения от Шрьодингер преди повече от половин век проблем за връзката на физиката с биологията като един от централните проблеми в науката на XX век.

 

Обстоятелства и мотиви за създаването на книгата

– Годината 1933 е съдбовна в живота на Шрьодингер. Тогава той получава (заедно с Пол Дирак) Нобеловата награда („за откриването на нови продуктивни форми на атомната теория”), но наред с това започва емигрантската му одисея. През 1939 г. той се установява в Дъблин, където ирландското правителство създава специално за него Институт за перспективни изследвания. Това е плодовит за Шрьодингер 17-годишен период. В Института го посещават много физици, с които той обсъжда изследвания по квантова теория, теория на гравитацията и особено по единна теория на полето.

– На фона на тази поглъщаща дейност, на пръв поглед странно и неочаквано възникват лекциите му през 1943 г. върху физическите основи на живота. Би могло да се предполага, че това е естествено продължение на ранните му изследвания върху цветното зрение (и също кратък отдих от изнурителните размисли върху единната теория). А бихме могли да си обясним този внезапен завой в научните интереси с подчертаната склонност на Шрьодингер към универсализма на древните гърци, които, по думите му (в книгата „Природата и гърците”, 1955 г.), съумяха да изградят съвършено и хармонично здание на мисълта и знанието и така да избегнат фаталното деление на знанията, което днес става непоносимо.

– Макар че в книгата се цитират имена на биолози, химици, физици и философи, от текста става ясно, че основна роля в нея са изиграли две работи: тази на руския генетик Николай Тимофеев-Ресовски (1934) и съвместната работа на немския физик теоретик Макс Делбрюк с Тимофеев-Ресовски и с немския физик експериментатор Карл Цимер (1935). В първата работа се изследва връзката между честотата на мутациите и дозата на рентгеновото лъчение; втората работа, озаглавена „Върху природата на генната мутация и на генната структура”, е обсъдена в две от главите на книгата на Шрьодингер. През 1932 г. Делбрюк присъства на лекцията на Нилс Бор „Светлина и живот” и тя толкова го вдъхновява, че решава да се заеме с биология. По-късно аспирантът на Делбрюк, Джеймс Уотсън, става носител на Нобелова награда(1962), а Делбрюк получава Нобеловата награда през 1969 г. за откриването на механизма на репликация и генетичната структура на вирусите.

Самият Шрьодингер пише, че основната причина да напише тази книга е един извод, който произтича от общото описание на структурата и функционирането на генния механизъм.

Можем да кажем, че прекият мотив за написването на книгата е забележителният по своята интелектуална смелост и сила опит на Шрьодингер да отговори на въпроса за физическата същност на живота. Нека се опитаме да проследим (съвсем схематично) пътя, по който Шрьодингер върви към отговора на този въпрос.

 

Компендиум на книгата „Какво е животът?”

– Първото впечатление е, че книгата е популярна. Но липсата на математически апарат все още не означава популярност – по-скоро предметът е толкова сложен, че не се поддава на математическа интерпретация. Лекотата и даже изяществото на стила прикрива огромната плътност на мисълта. Книгата прилича на Моцартова миниатюра – най-добре се възприема в своята цялост.

– Още в гл. 1 „Подходът на класическия физик” Шрьодингер заявява категоричното си убеждение, че пространствено-времевите явления вътре в живия организъм могат да бъдат обяснени от физиката и химията. Посочва се пътят към това обяснение: това е хипотезата на автора, че материалният носител на живота е апериодичен кристал – такава пространствена подреденост, която е наситена с много по-сложен смисъл от простата периодичност. Аргументацията си Шрьодингер започва с поясняването на статистическата същност на закономерностите в живия организъм: те са толкова по-детерминирани (по-определени), колкото по-голям е броят на участващите частици (за разлика от динамичната детерминираност, при която колкото по-малко са причините, толкова по-точно е следствието).

– Но веднага във втората глава („Наследственият механизъм”) Шрьодингер посочва, че сам по себе си статистическият механизъм е невалиден за живия организъм, в който (по данните на генетиката) един малък агрегат, а именно генът, съставен от само 10⁶ атома, – съдържа целия кодиран план за структурата и функциите на бъдещия зрял индивид. Голямата устойчивост на генотипа в продължение на стотици и хиляди години показва, че класическата физика е безсилна да обясни устойчивостта на веществото, носещо наследствеността.

– В гл. 3 „Мутации” се подчертава дискретният характер на този механизъм на естествения отбор (Де Фриз, 1902), както и влиянието на рентгенови и g лъчи върху него. В гл. 4, след като дава някои необходими сведения от квантовата механика, Шрьодингер подчертава, че както дискретността на мутациите, така и устойчивостта на гените се определят от квантовомеханичната дискретност на молекулните енергетични нива.

– Този извод изразява същността на модела на Делбрюк, на който е посветена гл. 5. Тук именно Шрьодингер прави смело обобщение: сложната органична молекула – генът (и дори цялата хромозомна нишка) – е апериодичен кристал. На пръв поглед, това съчетание е чист оксиморон, защото кристалът по дефиниция е периодичен. Този огромен интуитивен скок започва да се прояснява едва в днешно време: апериодичният кристал е носител не само на устойчивост, но и на онази максимална ефективна сложност, която е възможна само между двете крайности на ред (периодичен кристал) и безредие (аморфно тяло). Апериодичният кристал е носител на устойчива и осмислена подреденост. Тя се намира в различни текстове, съставени от символи; такива са както писмените текстове, така и кодът на наследствеността. Забележително е, че откритите неотдавна квазикристали (Дан Шехтман,1986) също са апериодични, но с далечен порядък.

– В следващата глава 6 („Ред, безредие, ентропия”) Шрьодингер преминава към още по-общия въпрос за физическата същност на живота. Той подчертава способността на живия организъм да поддържа трайно състоянието си на подреденост, да избягва прехода към термодинамично равновесие (с максимална ентропия). По идеята на Шрьодингер живият организъм постига това, като непрестанно извлича подреденост (отрицателна ентропия) от околната среда и се освобождава от произведената положителна ентропия. Това е стационарно (потоково) равновесие; по-късно то беше описано от неравновесната термодинамика и теорията на дисипативните структури (Иля Пригожин и брюкселската му школа).

– В последната, седма, глава Шрьодингер отговаря на въпроса, поставен в заглавието на тази глава, а именно: „Основан ли е животът върху законите на физиката?”. Отговорът му е категорично положителен. По теоремата на Нернст, при ниски температури, благодарение на квантовомеханичните закономерности, термодинамичните системи имат динамично поведение. Живият организъм може да се оприличи на часовников механизъм, тъй като и единият, и другият е при достатъчно ниски температури, за да бъде поведението им динамично. В основата и на двата механизма – на часовника и на живия организъм – лежи твърдо тяло, което не се влияе от хаотичното топлинно движение. Първият е основан върху твърдото тяло на периодичния кристал, а вторият – върху твърдото тяло на апериодичния кристал на наследственото вещество.

 

Кратки заключителни бележки

Не е възможно да се обсъжда живата материя, без да се засегне нейната фундаментална проява – разумът (съзнанието). Шрьодингер подхожда към тази тема в много общ план – в голяма степен философски – и това е напълно разбираемо. Нюансите на разсъжденията му се проследяват много трудно, но поставените от него въпроси са много ясно формулирани. Повечето от тях са без отговор – те по-скоро са били (и в голяма степен остават) адресирани към бъдещето. Нека кратко да ги разгледаме.

След като се убеждаваме, че живата материя се подчинява на определени физически закони и функционирането й може да бъде оприличено на часовников механизъм, тогава каква е ролята на разума в жизнените процеси? Може ли съзнанието да се разглежда като продължение на биологичните процеси, като част от тях, или то има свое независимо съществуване? Ако съзнанието е независимо от „телесната обвивка”, тогава има ли изобщо смисъл да се говори за множественост на съзнанието? Каква е ролята на сетивата в нашите взаимоотношения с физическия свят? Как да съгласуваме факта, че ние възприемаме света като форми и цветове, като аромати, звуци, вкусове, а в неговото описание има само електромагнитни и механични трептения, атоми и молекули? И накрая, каква е тази наука, в която картината на света е построена от разума, но самият разум е изключен от научното (физическото) описание на света?

Без да се заемам с непосилната задача да резюмирам аргументацията на Шрьодингер, ще приведа само неговия отговор на последния от горните въпроси (той се обсъжда и в двете му съчинения:

Причината разумът, съзнанието, нашето чувстващо „Аз” да не се открива никъде в нашата научна картина на света е в това, че той самият е тази картина. Той е тъждествен с цялото и затова не може да бъде негова част.

 

Заключение

Казват, че талантът решава проблеми, които другите не могат да решат, а геният – такива, които другите не виждат. Проблемите, решавани през изтеклите шест десетилетия в генетиката, в теорията на дисипативните структури и синергетиката, в теорията на информацията и кибернетиката, във физиката на квазикристалите, както и все по-настойчивото търсене на физическата същност на разума, са само част от проблемите, формулирани от Шрьодингер или основани върху неговите идеи.

А има още много други.

София, ноември 2018 г.

 –-

Цитирана литература:

1. М. Клайн. МАТЕМАТИКА.Утрата определенности. Москва, „Мир”, 1984.
2. E. Schroedinger. a) WHAT IS LIFE? The Physical Aspect of the living cell; b) MIND AND MATTER.Cambridge Univ. Press, 1998.
3. Теоретическая и математическая биология. Москва, „Мир” 1968.
4. J.Watson. The Double Helix. Signet, New York, 1968.
5. В.Л. Гинзбург. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными… на пороге XXI века? УФН 169 (1999)р № 4.
6. M. Gell-Mann. Plectics – the Study of Simplicity and Complexity. Europhys.News,33/1,2002.
7. Дж. Уотсон. Молекулярная биология гена. Москва, „Мир”, 1978.
8. П. Глансдорф, И. Пригожин. Термодинамическая теория структуры, стабильности и флуктуаций. Москва, „Мир”, 1973.
9. M. Bushev. SYNERGETICS: Chaos, Order, Self-Organization. World Scientific. Singapore, New Jersey, London, Hong Kong, 1994.
10. Р. Пенроуз. НОВИЯТ РАЗУМ НА ЦАРЯ: за компютрите, разума и законите на физиката. София, 1998
11. М. Бушев, Б. Давидков. КВАЗИКРИСТАЛИ и още нещо. Светът на физиката. № 3 (1999).