В рамках совместного проекта Высшей школы менеджмента ВШЭ и интеллектуального клуба Open Lectures с лекцией «Чего не знает физика о жизни?» выступил директор Центра теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН, заведующий лабораторией физической биохимии Гематологического научного центра и лабораторией биофизики Центра детской гематологии, онкологии и иммунологии Минздрава Фазли Атауллаханов. Лектор рассказал о неравновесных системах в биологии. Slon публикует фрагменты его выступления.

1. На моих глазах произошел удивительный переворот в сознании ученых – оказалось, что о некоторых разделах физики, которые виделись нам полностью изученными (это заблуждение даже затормозило развитие ряда наук о живом, важных для нас с вами), мы совсем ничего не знаем. И речь идет об области, не имеющей отношения к микромасштабам или, наоборот, галактикам. Это наша обычная жизнь, мир вокруг нас. Причина в том, что здесь мы сталкиваемся с такой же серьезной наукой, несмотря на кажущуюся простоту предмета ее изучения. 

Классическая физика сегодня – это физика равновесных систем. Исследования неравновесных систем шли со значительным опозданием и начали развиваться серьезно только во второй половине XX века. Сейчас в этой сфере появились интересные результаты.

2

. Равновесие все мы хорошо себе представляем. Возьмем банку с неким раствором и нальем туда столько же воды. Как бы аккуратно мы ни наливали, в итоге жидкость придет в состояние равновесия, раствор смешается с водой и станет менее концентрированным.

Или, например, в комнате есть некоторое количество воздуха, молекулы, естественно, постоянно движутся. Раз они движутся, может ли случиться так, что они все соберутся в одном углу, а на оставшемся пространстве комнаты возникнет вакуум?

Это неравновесный процесс, его реализация маловероятна. 

На понятиях равновесности и неравновесности строятся статистическая физика и термодинамика. Однако попытки в лоб применить такие схемы к живым организмам терпели крах – оказывалось, что они не так уж и равновесны. Если взять живой объект, например мышь, и оставить ее под колпаком в стандартных не изменяющихся условиях, она умрет через какое-то время. Все биологические системы живы до тех пор, пока у них есть еда, вода, воздух. Это один из показателей неравновесности биологической системы. Если же привести их в равновесие, они погибнут. 

Физики пришли к выводу, что равновесность и неравновесность связаны с энергией – энергию можно потратить и совершить работу. Однако если энергия уже распределилась равномерно, то ничего нельзя изменить. Например, если в комнате стоит нагретый утюг, физика знает, что утюг будет охлаждаться, а комната нагреваться, пока температура не сравняется. Обратный же процесс невозможен. Термодинамика придумала слово «энтропия», которое позволяет количественно выражать такого рода явления. 

Сформулировав такие законы, физики ужаснулись – из-за того, что энергия стремится равномерно распределиться повсюду, в конце концов должна наступить тепловая смерть Вселенной. Солнце должно остыть. Успокаивало, что это произойдет не так скоро. Пока мы можем тратить энергию, мы находимся в состоянии неравновесности.
Представьте лунку и шар. После попадания в лунку шар так или иначе оказывается на дне. Физики говорили, что это пример равновесия. Если же шарик находится на краю лунки и мы не хотим, чтобы он упал, нужен источник энергии. Это может быть ветер, тепло или что-то еще. Вся точки в данном вопросе, казалось, были расставлены к 1920-м годам.
3. Но это не всегда реализуется в жизни – возьмем камень и бросим его в воду. Пойдут круги, но через какое-то время поверхность вернется в прежнее состояние. Но стоит взять другую среду, скажем, сухое поле, и бросить туда спичку – все изменится. Система перейдет в активное состояние, побежит волна горения. И она будет двигаться, пока есть чему гореть. Выделившаяся энергия просто несоизмерима с той, что была привнесена спичкой, хотя волны, бегущие от камня, пропорциональны его размерам и той энергии, что он приносит. В 30-е годы прошлого века такого рода системы были неизвестны. Впервые представления о них сформулировали в 1950-е годы. 

В 1951 году ученый Борис Белоусов открыл странно ведущую себя реакцию – колебательную. Обычно в химии реакция протекает по той же схеме, которая реализуется в примере с чаем, в который налили воду, – процесс идет в одну сторону, к итоговому равновесию. Белоусов же обнаружил реакцию с двусторонним движением: жидкость попеременно меняла цвет от темного к светлому, и наоборот. К равновесию система не двигалась. Ученый получил резко отрицательные отзывы научного сообщества, однако при повторном эксперименте, когда эти же реагенты были смешаны снова, процесс шел так же – вопреки, казалось, всем законам физики. Затем стало известно об опытах Уильяма Брея, который в 1901 году получил колебательную реакцию, соединив пероксид водорода с иодатом калия. Анатолий Маркович Жаботинский, великий ученый, который занимался позднее темой колебательных реакций, высказал мысль о некой неполноте в термодинамике: она не работает в системах с несколькими равновесными состояниями. 

4. Вспомним траву в поле – вещество может гореть, переходить из одного состояния в другое. При этом выделяется энергия, которая существовала в траве в нереализованном виде. Опыты химиков демонстрируют, что система или вещество может располагать большим количеством энергии, которая не распространяется, а долго находится в неактивном состоянии. Если перейти некую грань, система начинает двигаться к равновесию. И этот процесс идет по совершенно другим законам. Они активно формулировались наукой в 1960-е годы. 

Впоследствии стало ясно, что неравновесные системы не всегда стремятся к равновесию. У любых биосистем существуют множественные состояния, которые достаточно энергоемки, но энергия не расходуется зря. 

Один пример – наша нервная система. Некоторые «провода» в ней тянутся от головы к ногам, то есть они достаточно длинные. Встает вопрос, насколько они хороши и, так сказать, рентабельны.

Из физики известно, что лучший провод – металлический. Если мы измерим электропроводность нейрона, то окажется, что она очень плоха – значит, «провод» тоже неважный. Если бы они работали как обычные провода, импульс из головы приходил бы в пятку ослабленным в тысячу раз! При измерении импульса внутри нервной системы было установлено, что амплитуда не меняется вообще: «плохие провода» оказались сверхпроводниками. При этом они не требуют сверхтемператур и особых законов. 

Выяснилось, что электричество распространяется не по самому проводнику, а по его стенке – в ней есть особые белки, работающие на усиление и дальнейшую передачу приходящего к ним сигнала. Можно снова провести аналогию с травой – при воздействии распространяется волна возбуждения с постоянной амплитудой, в результате которой все сгорает. Так и здесь – некие вещества, исходно распределенные неравновесно, переходят в новое состояние. При этом генерируется электрический сигнал, и происходит его распространение. Это закономерность перехода из одного устойчивого состояния в другое. 

5

. Многие процессы в биологии оказались структурно близки прохождению электрического сигнала. Свертывание крови – один из них. Мы знаем, что бывает с сосудами, если в них сделать отверстие: жидкость вытечет. Такой риск есть всегда. Природа придумала систему, которая быстро нейтрализует опасность потери крови – это как раз и есть система свертывания.

Мы вспоминаем слово «тромб» как нечто ужасное, пугающее, но если все работает правильно, тромбы формируются только в нужных местах.

Когда начинается свертывание, оно распространяется на всю поврежденную поверхность – вся кровь там переходит в твердое состояние. Если это как пожар или нервный импульс, то процесс должен распространяться на организм в целом, на те его участки, где есть подходящие условия, – ведь трава не может догореть до какого-то места и остановиться. Выходит, что кровеносная система совмещает две модели поведения – свертывание происходит, но лишь на каком-то участке, иначе мы бы имели один большой сгусток крови вместо жидкости внутри нас. Для нас важно не то, как тромб растет, а тот факт, что рост его останавливается. 

Вы видите, что приходится придумывать новую физику, когда мы беремся за биологические задачи. И пусть в приведенным случаях удалось понять, что происходит, остается огромное количество явлений, где мы, к сожалению, еще не можем сформулировать тех или иных закономерностей.