Что такое жизнь? Восемьдесят лет спустя после вопроса Шрёдингера
В феврале 1943 года в аудитории Тринити-колледжа в Дублине пожилой австрийский физик начал цикл лекций, которые сам называл «довольно трудными» и «отнюдь не популярными». Зал был переполнен – более четырёхсот слушателей. Лектор был не биологом, а лауреатом Нобелевской премии по физике, одним из создателей квантовой механики – Эрвином Шрёдингером. Он пытался ответить на вопрос, казалось бы, простой и одновременно бездонный: могут ли физика и химия объяснить всё, что происходит внутри живой клетки?
Через год эти лекции вышли отдельной тонкой книжкой под названием «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки». Её место в истории науки странное: научно-популярная работа, о которой специалисты говорили, что она «не оригинальна и не передовая», напрямую вдохновила Уотсона, Крика, Уилкинса и целое поколение физиков перейти в биологию и породила молекулярную биологию. А в той зоне, где психология соприкасается с психоанализом, её неожиданный философский эпилог оставил скрытую линию мысли, которая продолжает отзываться и сегодня.
Спустя восемьдесят с лишним лет, открывая эту маленькую книгу заново, нужно различить три вещи: какие её прозрения выдержали проверку временем, какие были исправлены наукой и какие — как раз самые «ненаучные» — до сих пор продолжают работать.
I. Междисциплинарная авантюра «дилетанта»
Само написание этой книги было случайностью.
Эрвин Шрёдингер родился в Вене в 1887 году и был одним из создателей квантовой механики. В первой половине 1926 года в Цюрихе он с поразительной творческой продуктивностью опубликовал четыре статьи подряд, заложив волновую механику, ядром которой стало знаменитое уравнение Шрёдингера — до сих пор основной инструмент описания микромира. В 1933 году он разделил с Дираком Нобелевскую премию по физике. В том же году к власти пришёл Гитлер, Шрёдингер покинул Берлин и начал более чем десятилетнюю эмиграцию — Оксфорд, Грац, и наконец в 1939 году Дублин, где премьер-министр Ирландии де Валера специально для него создал Институт высших исследований, а Шрёдингер стал его директором.
Именно в эти относительно спокойные дублинские годы он познакомился с людьми, изменившими ход его мысли. Ключевым среди них был Макс Дельбрюк — молодой учёный, перешедший из физики в генетику, а также советский генетик Николай Тимофеев-Ресовский. В 1943 году Дельбрюк вместе с Тимофеевым-Ресовским и Карлом Циммером опубликовал работу о мутациях и структуре гена, из которой Шрёдингер и почерпнул основной экспериментальный материал. Он позже признавался, что его физическое обоснование механизма наследственности почти целиком опиралось на работу Дельбрюка.
Отправной точкой Шрёдингера было профессиональное недоумение физика. Уже в начале лекций он поставил коренной вопрос: «Как физика и химия объясняют те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живой клетки?» Он признавал, что наука того времени ещё далека от ответа, но настаивал: «То, что современная физика и химия явно не в состоянии объяснить эти явления, не даёт никаких оснований сомневаться в том, что эти науки способны их объяснить.» Этот оптимистический настрой пронизывает всю книгу.
II. Основной ход рассуждений
Аргументацию Шрёдингера можно свести к одному слову: порядок.
Сначала он спрашивает: почему живые организмы так велики? Почему ген не может состоять всего из нескольких атомов? Ответ — в логике статистической физики. Законы физики по своей природе статистичны: они точно выполняются лишь в коллективном поведении огромного числа атомов. Система из немногих атомов оказывается во власти случайных тепловых флуктуаций, её поведение непредсказуемо. Следовательно, чтобы получить надёжный механизм наследственности, жизнь должна опираться на большое число атомов.
Но настоящая проблема — в масштабе. По оценке Шрёдингера, ген содержит примерно тысячу атомов. По меркам статистической физики это опасно мало. Столь крошечная структура, казалось бы, должна быть разорвана тепловым движением при комнатной температуре — как же она может устойчиво передавать наследственную информацию столетиями, как, например, габсбургская нижняя губа, переходившая из поколения в поколение?
Его ответ приходит из квантовой механики. Ген — не обычная химическая молекула, а «апериодический кристалл»: в отличие от обычного кристалла, где атомы расположены периодически и повторяются, здесь атомы уложены уникальным, неповторяющимся образом, и сама эта укладка кодирует информацию. Шрёдингер описывает эту структуру словом «шифр» (code-script). Более того, дискретные энергетические уровни квантовой механики объясняют устойчивость гена: молекула может находиться лишь в определённых энергетических состояниях, а переход из одного в другое требует преодоления энергетического барьера. При обычной температуре энергия теплового движения намного ниже этого барьера, поэтому ген может долго оставаться стабильным. А редкие квантовые переходы — события, когда барьер всё-таки преодолевается, — это и есть мутации.
Самое знаменитое положение этого рассуждения — сформулированная Шрёдингером фраза, которую с тех пор цитировали бесчисленное множество раз: жизнь питается «отрицательной энтропией». Он заметил, что изолированная физическая система самопроизвольно стремится к максимуму энтропии — то есть к термодинамическому равновесию, состоянию покоя, «смерти». Но живой организм постоянно поддерживает порядок, движение, обмен веществ. Ответ Шрёдингера: организм извлекает порядок из среды, чтобы противостоять собственному росту энтропии. В пище ценно не само вещество и не сама энергия, а именно отрицательная энтропия.
Логическая цепочка ясна и изящна, но самое глубокое в ней — предсказание «новой физики». Шрёдингер писал: «Живая материя, хотя и не избегает установленных до сих пор законов физики, вероятно, involves ещё неизвестные „другие законы физики“, которые, будучи однажды открытыми, станут такой же неотъемлемой частью этой науки, как и предыдущие.» Он не намекал на какую-то мистическую «жизненную силу» — он говорил, что способ устройства живых организмов, апериодический кристалл, есть тип системы, которого физика никогда не изучала, и потому он может открыть новые грани физических законов.
III. Поворот в эпилоге
На этом основная часть книги заканчивается. Но Шрёдингер добавил эпилог под названием «О детерминизме и свободе воли».
В научном отношении этот эпилог почти «инороден». Шрёдингер здесь откладывает инструменты физического рассуждения и переходит к почти мистической спекуляции. Он выдвигает два, казалось бы, несовместимых положения: первое — моё тело функционирует как чистый физический механизм; второе — я из непосредственного опыта знаю, что я направляю его движения и несу за них полную ответственность.
Его решение таково: «Я» — в самом широком смысле, то есть каждый сознательный разум, когда-либо говоривший или чувствовавший «я», — и есть та инстанция, которая согласно законам природы управляет «движением атомов». Он выражает эту мысль формулой, обладающей огромной ударной силой: «АТМАН = БРАХМАН» — личное «я» тождественно вездесущему, вечному «я». Формула прямо взята из древних Упанишад, и Шрёдингер признаёт, что в христианском контексте она звучит как «я есть всемогущий Бог» — кощунственно и безумно. Но он настаивает: западные мистики независимо приходили к той же формуле — DEUS FACTUS SUM («я стал Богом»).
Ещё важнее его аргумент о неделимости сознания. Шрёдингер указывает: сознание всегда переживается только в единственном числе, никогда во множественном. Даже при раздвоении личности два «я» чередуются, но никогда не проявляются одновременно. Откуда же тогда берётся идея «множества душ»? Из связи сознания с ограниченным материальным телом — тел много и они похожи, отсюда и возникает иллюзия множественности.
Этот эпилог вызвал споры уже тогда. Католический издатель в Дублине отказался публиковать книгу из-за намёков на Упанишады и пантеизм, и Шрёдингеру пришлось искать другого издателя. Поздние критики часто называют его «худшей частью» книги, потому что он внезапно перескакивает от строгих физических рассуждений к восточной метафизике, и логического моста между ними нет.
IV. Что подтвердилось, а что было исправлено
Восемьдесят лет научного прогресса дают нам достаточную дистанцию, чтобы оценить эту маленькую книгу.
Самое точное предсказание — несомненно, понятие «апериодического кристалла» и «шифра». Шрёдингер не знал, что наследственное вещество — это ДНК, а не белок, но его описание функциональных свойств наследственного материала — твёрдая структура с нерегулярным расположением атомов, несущая информацию, — почти точно соответствует последовательности оснований в двойной спирали ДНК. Уотсон и Крик, строя модель ДНК, действительно вдохновлялись шрёдингеровским понятием «шифра». Крик в письме Шрёдингеру публично признал влияние этой книги на его переход в молекулярную биологию.
Наиболее радикально исправлена термодинамическая часть. Понятие «отрицательной энтропии» физики позже уточнили: точнее говорить о свободной энергии Гиббса — той части, которую система при постоянных температуре и давлении может превратить в работу. Ещё важнее: Шрёдингер считал, что жизнь «противостоит» второму началу термодинамики, тогда как Илья Пригожин в 1960-х годах разработал теорию диссипативных структур, показавшую, что открытые системы вдали от равновесия могут самопроизвольно порождать упорядоченные структуры — и это не нарушает второе начало, а прямо из него следует. Упорядоченность жизни не нужно «противопоставлять» физическим законам: она возникает из них. Этот сдвиг парадигмы означает, что для объяснения упорядоченности жизни «новая физика» на этом уровне не требуется.
Теория «квантовых мутаций» тоже не подтвердилась в полном виде. Шрёдингер считал мутацию прямым результатом квантового перехода; эта картина вдохновила Дельбрюка, но позднейшая молекулярная биология показала, что частота мутаций регулируется активностью ферментов, системами репарации ДНК, точностью репликации и множеством других факторов — куда сложнее, чем «тепловая флуктуация, преодолевающая энергетический барьер». Линейная дозовая кривая рентгеновских мутаций — центральное экспериментальное основание модели Шрёдингера — позже оказалась экспериментальным артефактом.
А самое долговечное наследие — это, пожалуй, как раз та часть, которую критиковали больше всего: сама установка рассматривать жизнь как междисциплинарную проблему. Шрёдингер не дал ответа на вопрос «что такое жизнь»; он дал форму вопроса — вопроса, который не принадлежит ни физике, ни биологии, а лежит в ничейной зоне между ними. Именно эта установка заставила целое поколение физиков поверить, что в биологии есть задачи, достойные физического ума.
V. Скрытое влияние на психологию и психоанализ
Связь книги Шрёдингера с психологией лежит не в её основном содержании, а в двух её краях.
Первый край — эпилог. Когда Шрёдингер писал, что «сознание всегда переживается только в единственном числе», он коснулся темы, которая позже не раз всплывала в науках о сознании. Единство сознания — почему наш опыт есть единое «поле», а не набор параллельных процессов? — до сих пор не имеет окончательного ответа. Аргумент Шрёдингера о «сознании в единственном числе» перекликается с более поздней критикой Дэниела Деннета в адрес «картезианского театра» и с «нейрофеноменологией» Франсиско Варелы. Его вывод — индивидуальное сознание есть локальное проявление «большого Я» — остаётся метафизикой, но его наблюдение о структурных чертах сознания было трезвым.
Второй край — более прямое влияние на психоанализ. Чилийский психоаналитик Игнасио Матте Бланко (1911–1995) в 1970-х годах разработал теорию «Би-Логики», попытавшись формализовать фрейдовское понятие бессознательного средствами математической логики и теории множеств. Его ключевое различение таково: сознание подчиняется асимметричной логике (есть отрицание, закон противоречия, иерархия часть-целое), а бессознательное — симметричной логике (любое отношение можно обратить без изменения истинности, часть тождественна целому, время и противоречие исчезают). Бессознательное, таким образом, можно описывать как структуру бесконечных множеств.
Эта линия связана с Шрёдингером косвенно, но не случайно. Теорию Матте Бланко позже — например, в работах Джулии Баттилотти — связали с квантовой логикой, указав, что «симметричная логика» бессознательного формально изоморфна чистому состоянию в квантовой механике до измерения: отрицание и классическое логическое следование здесь «коллапсируют», уступая место неклассическим связям. Сам Шрёдингер этой линии не предвидел, но его эпилог — с его тезисом о «единичности сознания» и тождестве индивидуального и всеобщего сознания — дал физический авторитет более поздним попыткам перекинуть мост между исследованиями сознания и восточной философией.
Шире говоря, книга Шрёдингера представляет собой установку, оказавшую на психологию косвенное, но глубокое влияние: высвободить самые коренные вопросы — сознание, порядок, информацию, границу — из дисциплинарной раздробленности и рассматривать их как общие вопросы природы. Эта установка отозвалась позже в когнитивной науке, воплощённом познании, теории предсказывающего кодирования. Когда Карл Фристон объясняет, как мозг минимизирует неожиданность и поддерживает собственное упорядоченное состояние через «принцип свободной энергии», его логика — живая система через активное выведение сопротивляется росту энтропии — по духу родственна шрёдингеровскому аргументу об «отрицательной энтропии», хотя термины и математический аппарат полностью иные.