1. Современная наука о природе, законы механики - Ричард Фейнман

Структура ДНК долго изучалась сперва химически (состав­ные части), затем рентгенографически (пространственная струк­тура). В результате пришли к следующему знаменательному открытию: молекула ДНК — это пара цепочек, навитых друг на друга. Скелет каждой цепочки, хотя и похожий на белко­вые цепи, но химически отличный от них,— это ряд сахарных и фосфатных групп, как пока­зано на фиг. 3.2.

Фиг. 3.2. Схема ДНК.

Из этой схемы видно, как в цепи может хра­ниться инструкция, ибо, разняв цепочку на две нитки, вы полу­чаете ряд веществ BAADC...; не исключено, что этот ряд у каждого организма свой. Зна­чит, можно думать, что каждый особый ряд ДНК содержит в себе особые указания, как про­изводить белки.

На схеме видны пары попе­речных звеньев, присоединен­ных к сахарным группам и стя­гивающих между собой две нити. Эти звенья неодинаковы; есть четыре сорта звеньев — аденин, тимин, цитозин, гуанин, обозна­чаемые А, В, С и D. Интересно, что не всякие звенья спариваются. Например, возможны пары АВ или CD; они размещены на двух нитях так, что «подходят друг к другу», обладают сильной энергией взаимодействия. Но С к А или В к С не подходит; если в цепи стоит С, то в дру­гой цепи в этом месте должно быть только D. Каждой букве в одной цепи соответствует определенная буква в другой.

Как же мыслится при этом воспроизведение? Пусть цепь рас­щеплена на две. Как сделать другую такую же? Если в веществе клетки есть фабрика, вырабатывающая фосфат, сахар и звенья А, В, С, D (пока не привязанные к цепи), то к нашей половинке цепочки присоединятся только подходящие звенья, дополняю­щие BAADC, т. е. ABBCD... . При делении клетки цепь разни­мается посредине на две нитки, каждая переходит в свою клет­ку и там набирает себе дополнение.

Наконец, последний вопрос: как порядок следования А, В, С, D в ДНК определяет расстановку аминокислот в белках? Ответа пока нет. Это основная нерешенная проблема современ­ной биологии. Пока мы располагаем только какими-то обрыв­ками информации об этом. В клетке имеются мельчайшие частички — микросомы; сейчас известно, что в них и вырабаты­ваются белки. Но микросомы находятся не в ядре, не там, где находится ДНК со своими инструкциями. По-видимому, в этом есть какой-то смысл. Известно, однако, что от ДНК отры­ваются кусочки молекул, не такие длинные, как ДНК, несущая в себе всю информацию, а нечто вроде некрупных ее долек. Называют их РНК, но не в этом дело. Это нечто вроде умень­шенной копии ДНК. Известно, что РНК как-то переносит в микросому сообщение о том, какой сорт белка нужно изгото­вить. (Этот факт уже известен.) После этого в микросоме обра­зуется белок. Это тоже известно. Но различные детали того, как аминокислоты входят в белки и как они располагаются в согласии с кодом, зашифрованным в РНК, пока не известны. Мы не умеем читать этот код. Если «написано», например, АВССА, то мы не знаем, какой белок будет приготовлен.

Право же, ни одна наука, ни одна отрасль знаний не дви­жутся так бурно по всем направлениям вперед, как биология. Но если б мы должны были назвать то самое главное, что ведет нас сейчас все вперед и вперед в наших попытках понять явление жизни, мы обязаны были бы сказать: «все тела состоят из ато­мов», всё, что происходит в живых существах, может быть по­нято на языке движений и покачиваний атомов.

§ 4. Астрономия

В нашем стремительном обзоре всей Вселенной очередь до­шла до астрономии. Астрономия — старше физики. Фактически физика и возникла из нее, когда астрономия заметила порази­тельную простоту движения звезд и планет; объяснение этой простоты и стало началом физики. Но самым выдающимся от­крытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля. Как это было доказано?

Каждый атом испускает свет определенных частот, подобно тому как у каждого музыкального инструмента есть свое зву­чание — определенный набор частот, или высот, звука. Слыша одновременно несколько тонов, мы можем разделить их; но способности нашего глаза в этом отношении далеко не столь велики, он не может разделить смесь цветов на составляющие части. Однако с помощью спектроскопа становится возмож­ным анализ частот световых волн, он позволяет видеть истинные тона атомов различных звезд. Ведь два химических элемента были даже обнаружены на звездах прежде, чем на Земле: гелий (он был открыт на Солнце, потому он так и наз­ван) и технеций (его обнаружили на некоторых холодных звездах). Но раз звезды состоят из тех же атомов, что и Земля, то это сильно продвигает нас вперед в понимании сущности звезд. Нам хорошо известно поведение атомов при высоких температурах и невысоких плотностях, и это позволяет при помощи статистической механики анализировать поведение звездного вещества. Даже не умея воспроизводить звездное состояние на Земле, но опираясь на основные физические зако­ны, мы часто указываем совершенно точно (а иногда почти точ­но), что происходит на звездах. Так физика помогает астроно­мии. Это может показаться странным, но распределение вещества внутри Солнца мы знаем куда лучше, чем его распределе­ние внутри Земли. Казалось бы, что можно узнать, взглянув сквозь телескоп на пятнышко света? Однако недра звезд известны нам гораздо лучше, чем этого можно было бы ожи­дать, ибо мы умеем рассчитывать, что произойдет с атомами звезд при многих обстоятельствах.

Одно из наиболее впечатляющих открытий астрономии — это открытие источника энергии звезд, поддерживающего их горение. Один из тех, кто открыл это, отправился на прогулку с девушкой как раз в ночь после того, как понял, что на звез­дах происходит ядерная реакция, что в этом причина их све­чения. Она сказала: «Взгляни, как чудесно сияют звезды!» А он ответил: «Да. Чудесно. А ведь сегодня я — единственный человек в мире, который знает, почему они сияют!» Она только рассмеялась. На нее не произвело впечатления, что он — единственный человек, понимающий, почему звезды светят. Что ж, как это ни печально, быть одиноким и непонятым — это в порядке вещей.

Так вот, Солнце получает энергию от ядерного «сгорания» водорода, который переходит при этом в гелий. Из водорода в глубинах звезд вырабатываются далее другие химические эле­менты. Вещество, из которого сделаны мы, было когда-то «ис­печено» в звезде и выплеснуто наружу. Но откуда это извест­но? А вот откуда. Содержание различных изотопов в веще­стве С12, С13 и т. д.— никогда не меняется при химических превращениях, ибо для обоих изотопов С химические реак­ции одинаковы. Эти пропорции есть результат лишь ядерных реакций. Изучая пропорцию изотопов в остывшей, мертвой золе, каковой являемся мы, можно догадаться, на что была по­хожа печь, в которой сформировалось наше вещество. Она была похожа на звезды, и поэтому очень вероятно, что элементы «сделаны» в звездах и выброшены оттуда при взрывах, называе­мых нами Новыми и Сверхновыми звездами. Астрономия столь близка к физике, что еще не один раз в этом курсе мы обратимся к ней.

§ 5. Геология

Перейдем теперь к так называемым наукам о Земле, или гео­логии. К ним относятся прежде всего метеорология, или наука о погоде. Метеорологическая аппаратура — это физические приборы, так что метеорология снабжена приборами благода­ря развитию экспериментальной физики (мы уже об этом гово­рили). Иное дело теория метеорологии, она никогда не была удовлетворительно разработана никем из физиков. «Странно,— скажете вы,— ведь это всего лишь воздух, разве мы не знаем уравнений движения воздуха?» Да, знаем. «Почему же, зная, в каком состоянии воздух сегодня, мы не можем предсказать его состояние на завтра?» Во-первых, мы не знаем, каково на самом деле сегодня состояние воздуха, ибо он то и дело где-то завихряется и струится. Воздух очень чувствителен к любым изменениям и попросту неустойчив. Чтобы понять, о какой неустойчивости я говорю, взгляните, как вода спокойно течет над плотиной и вдруг, падая, превращается во множество пузырьков и капель. Вы знаете состояние воды в момент, ког­да она переваливает через плотину,— она совершенно спокой­на; откуда же берутся капли в момент падения? От чего зависит, на какие струи разобьется поток, где они возникнут, куда упадут? Все это неизвестно, потому что течение воды неустой­чиво. Точно так же даже спокойный поток воздуха, проходя между гор, прихотливо распадается на отдельные вихри. Во многих областях науки мы сталкиваемся с тем, что носит наз­вание турбулентное течение, не поддающееся пока нашему анализу. Так что давайте лучше от темы «погода» перейдем по­быстрей к геологии!