Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Романы, где язык играет одну из главных ролей, построены на том, что автор играет с языком – создает некий конструктор, который чем-то похож на кусочки реальности, но в реальность эту модель воплотить невозможно. У Оруэлла новояз отличался от других языков тем, что словарный запас его с каждым годом не увеличивался, а уменьшался. В реальности же язык расширяется хотя бы за счет тех же «слов ненависти». В жизни власть проводит с языком эксперименты, вводя разного рода политические слова и выражения, но все же главная работа власти происходит с коммуникацией, потому что коммуникацию гораздо легче ограничить, усечь. Запретить в коммуникации гораздо легче, чем запретить в языке. Ограничивается общение между властью и обществом, исчезает возможность общественного диалога и обмена мыслями. В результате оппозиция, противник, вытесняется из средств массовой информации и публичного пространства.

Запретить что-то в языке в полной мере вообще невозможно. Власть контролирует публичное пространство, но запрещенные в публичном пространстве слова могут функционировать в каких-то сообществах. Все попытки сильных тоталитарных государств менять язык ограничивались контролем над языком в публичном пространстве. Вне публичного пространства люди используют те слова, которые хотят.

Лев Патрушев. Геном и жизнь: почему мы такие разные?

Лев Патрушев – Доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии ФГБУН Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН.

Наш геном[6] – это совокупность всех генов нашего организма, причем точная копия генома содержится в каждой клетке человека. Следовательно, каждая клетка заключает в себе все наши гены. Гены, в свою очередь, образованы длинными линейными молекулами ДНК. У человека около двадцати тысяч генов. Поскольку они управляют всеми биохимическими процессами организма от рождения до смерти, положение генома в организме человека привилегированное. Геном можно сравнить с жестким диском компьютера, на котором записаны файлы-гены. Каждый ген имеет индивидуальную метку, благодаря которой другой ген может его найти и заставить работать или замолчать. По мере развития человека через взаимодействие файлов-генов происходит выполнение генетической программы, заложенной в геноме. Взаимодействующие друг с другом гены, как компьютеры, работающие в интернете, образуют сложные сети.

Тело человека построено из самых разных клеток, общее число которых приближается к ста триллионам. Благодаря работе генов образуется все разнообразие клеток человека: например, клетки мозга – нейроны, клетки печени – гепатоциты или клетки соединительной ткани – фибробласты. Такое разнообразие обеспечивается работой определенных групп генов в клетках разных типов. Высокая надежность функционирования генома обеспечивается тем, что в каждой клетке он представлен двумя копиями – одну копию мы получаем от матери, а другую (в момент оплодотворения яйцеклетки) от отца. Действительно, в том случае, если одна копия гена повреждается и начинает хуже работать, другая копия берет на себя выполнение функций, утраченных первым геном.

Как устроен наш геном?

Огромный геном человека, образованный молекулами ДНК, заключен в ядре каждой клетки. Общая длина молекул ДНК генома человека, если их вытянуть в одну линию, составляет около двух метров, тогда как диаметр ядра не превышает нескольких десятков микрометров. Следовательно, геном человека в ядре плотно упакован. Геном человека представлен не одной огромной нитью молекулы ДНК, а разделен на отрезки разной длины, которые называют хромосомами. Так же, как и весь геном, каждая хромосома представлена двумя копиями (парой хромосом), полученными от отца и от матери. У здоровых людей 46 хромосом: по 23 от каждого из родителей.

Гигантские молекулы ДНК, составляющие геном человека, построены всего из четырех строительных блоков – нуклеотидов, которые обозначают латинскими буквами A, T, G и C. Нуклеотиды, как буквы в тексте, чередуются в молекуле ДНК в строго определенном порядке, образуя осмысленный текст – множество уникальных последовательностей, формирующих гены. Каждую из таких последовательностей нуклеотидов, составляющих отдельный ген, можно сравнить с конкретным словом или предложением нашего языка. Суммарно все молекулы ДНК генома человека построены из трех миллиардов нуклеотидов. Прочитав заключенный в геноме текст из трех миллиардов букв, можно оценить многие биологические особенности конкретной личности: сделать вывод о здоровье человека и его психических особенностях. Поэтому изучение последовательностей нуклеотидов очень важно, но из-за гигантского размера генома человека это чрезвычайно сложно.

Почему геномы разные?

Не нужно быть генетиком, чтобы сделать вывод о том, что двух одинаковых людей не бывает. Сегодня хорошо известно, что большинство этих особенностей определяется различиями в последовательностях «букв», составляющих гены конкретных людей.

От родителей потомству передается по одной копии генома, которые, объединившись в яйцеклетке, запускают работу генов и формируют личность. Чтобы это стало возможным, геном родителей должен копироваться при делении половых клеток. Поскольку точность копирования ограничена, возникают ошибки в последовательности «букв», составляющих гены. Одна или несколько «букв» могут меняться на другие. Из-за таких ошибок меняется и смысл всего слова, а вместе с тем эффективность и корректность работы измененного гена. Ошибки в последовательностях нуклеотидов называют мутациями.

Помимо ошибок копирования генома источником мутаций могут быть мутагены, химические вещества, резко повышающие частоту возникновения мутаций. Физические факторы окружающей среды – ультрафиолетовый свет, радиоактивное излучение – также приводят к повышенному накоплению мутаций.

Удивительно, но основным источником мутаций у человека являются все же внутренние причины. В здоровом организме человека протекают биохимические процессы, в результате которых образуются вещества, повреждающие его гены. К таким веществам, в частности, относятся активные формы кислорода. Под действием этих веществ в каждой клетке человека ежедневно возникает до двухсот тысяч повреждений ДНК, большая часть которых исправляется многочисленными защитными механизмами. Нарушение защитных механизмов приводит к развитию у человека тяжелых патологий, включая рак, диабет и аутоиммунные заболевания. Наличие таких внутренних отравляющих веществ – один из основных факторов, ограничивающих продолжительность нашей жизни.

Непрерывно возникающие в геноме человека мутации накапливаются в обществе из поколения в поколение в виде большого генетического груза и служат источником генетического разнообразия человечества.

«Хотя число индивидов, составляющих нацию, можно пересчитать, генетическое разнообразие генофонда бесконечно: в нем непрерывно возникают новые варианты генов и их сочетаний».

Лев Патрушев

Нейтральные и вредные мутации в геноме

Несмотря на большой размер, геном человека содержит не очень много генов. Исследования структуры генома последних лет показали, что ДНК генов составляет лишь 3 % всей геномной ДНК. Функции остальной части генома в настоящее время неизвестны. Изменения в части генома человека, относящейся к генам, чаще всего приводят к заболеваниям. Бывают сильные мутации, которые полностью выключают работу отдельных генов. Если ребенку и от отца, и от матери достается поврежденный ген, у него неотвратимо развивается патологический процесс.

Возникновение таких распространенных заболеваний, как рак, диабет, ожирение, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные болезни, так просто не объясняется. Развитие этих заболеваний обусловлено действием на организм человека двух групп факторов: генетических и факторов окружающей среды. На сегодняшний день обнаружено большое число широко распространенных мутаций, иначе называемых полиморфизмами, которые ассоциированы с такими заболеваниями. Человек с этими мутациями в геноме попадает в группу риска – вероятность развития соответствующей патологии у него выше, но только вероятность, которая может и не реализоваться.

На основании данных о таких мутациях никогда нельзя предсказать с полной уверенностью, заболеет человек или нет. То есть тестировать геном внешне здорового человека на наличие в нем таких мутаций бессмысленно. В современной медицине сложилась неопределенная ситуация с прогнозом развития сложных многофакторных заболеваний у внешне здорового человека.

Несмотря на то что набор генов у всех людей почти один и тот же, каждый конкретный ген в популяциях человека представлен очень большим числом вариантов из-за разных мутаций, накопленных в нем в процессе эволюции. Этим обеспечивается неповторимость генома каждого человека. Также уникальны и формирующиеся сети взаимодействующих генов. При внесении в такую сеть нового мутантного варианта гена она перестраивается и достигает нового равновесия. В результате предсказать влияние отдельной распространенной мутации на здоровье человека в настоящее время практически невозможно. Такие мутации нельзя рассматривать изолированно от остального генома – они являются его неотъемлемой частью и на уникальном генетическом фоне конкретного человека могут и не проявиться. Теоретически выявить опасность можно было бы, определив полную структуру всего генома, то есть установив полную последовательность «букв» его ДНК, а это исключительно сложно.

Революция в исследовании генома человека

Первая полная усредненная структура генома человека была расшифрована к 2000 году. В этой грандиозной работе принимали участие две группы исследователей. С одной стороны, до 1997 года такими исследованиями занимался большой международный консорциум, деятельность которого координировал Фрэнсис Коллинз, ныне занимающий пост директора Национального института здоровья США. В 1997 году, когда работа была близка к завершению, а все полученные результаты были опубликованы, к исследованиям независимо подключился американец Джон Крейг Вентер. На пожертвования он организовал фирму Сelera Genomics, которая проводила исследования структуры генома преимущественно самого Вентера. В итоге обе группы одновременно пришли к финишу. Затраты на расшифровку генома человека и с той и с другой стороны составили приблизительно по 3 миллиарда долларов. Расшифровка генома Вентера оказалась первой опубликованной структурой персонального генома человека.

Фрэнсис Коллинз – р. 1950 – Американский генетик, получивший всемирную известность как руководитель проекта по расшифровке генома человека.

Джон Крейг Вентер – р. 1946 – Американский биолог и предприниматель. Президент компании Celera Genomics, занимавшейся параллельной коммерческой версией проекта «Геном человека». Первоначально предполагалось платное использование данных, однако позже Вентер опубликовал свои результаты и включил их в проект «Геном человека». В 2000 г. Вентер и Коллинз вместе доложили президенту США о составлении карты человеческого генома.

На сегодняшний день благодаря методической революции в определении последовательности нуклеотидов стоимость прочтения персонального генома снизилась с трех миллиардов до 3–5 тысяч долларов. Новые методы стали пригодны для проведения широких клинических исследований. Были сконструированы приборы нового поколения, работающие на совершенно иных принципах. Одна современная машина для определения структуры генома человека заменяет по производительности сотни старых приборов, использовавшихся в первых экспериментах по расшифровке генома. Последним достижением в этой области является разработка английских ученых – прибор, который помещается на ладони, подключается к ноутбуку через разъем USB и, как обещают, будет стоить около 900 долларов. Если этот прибор выйдет на рынок, то расшифровка по крайней мере значительной части генома человека в скором времени может стать общедоступной.

Одним из результатов использования в исследованиях генома приборов нового поколения было завершение в 2012 году международной программы «1000 геномов». В ходе программы были расшифрованы персональные геномы тысячи человек, относящихся к разным расам и популяциям, а также геномы отдельных семей: мать – отец – ребенок. Полученные данные подтвердили прогнозы и накопленную ранее информацию об исключительном разнообразии геномов: у каждого обследованного человека количество отличий от стандартного генома составило около 3,5 миллиона однобуквенных замен. При этом в каждом персональном геноме здорового человека обнаруживали до пятисот тысяч ранее неизвестных мутаций. Было также выявлено большое количество мутаций, ассоциированных с тяжелыми заболеваниями. Доказанный факт, что геном каждого человека является уникальным и неповторимым, лег в основу новой концепции терапии больного человека.

Концепция персонализированной медицины и ее возможные последствия

В соответствии с новой концепцией современные методы лечения должны основываться на учете генетических особенностей организма пациента. Для каждого лекарства в организме имеется биологическая мишень в виде белка-рецептора или фермента – больших молекул, структура которых закодирована в генах человека. Поскольку в геномах людей могут встречаться различные варианты конкретных генов, различаться будут и белки-мишени, которые ими кодируются. В результате одно лекарство может по-разному взаимодействовать с мишенями: если для одного человека лекарство эффективно, для другого оно может быть бесполезно. Выходит, каждому пациенту для эффективного лечения нужно подбирать лекарственный препарат с учетом его индивидуальных генетических особенностей. Хорошо известным примером является терапия лекарством варфарин, применяемым для предотвращения избыточного свертывания крови. В зависимости от вариантов конкретных генов, участвующих в реализации его действия, пациентам требуется разная эффективная доза лекарства. Известны клинические случаи, когда в силу особенностей строения генома варфарин на пациента не действует вообще. Для подбора правильной дозы лекарства пациентам, принимающим варфарин, рекомендовано генетическое тестирование.

У концепции персонализированной медицины есть и темная сторона – возможное злоупотребление генетическими данными. Если концепцию применить к токсинам, то она может превратиться в свою противоположность и лечь в основу разработки биологического оружия персонального действия. В зависимости от генетических особенностей люди могут быть разделены на группы, чувствительные и устойчивые к токсину. Примером такого избирательного действия лекарств может быть повышенная чувствительность отдельных людей к конкретным распространенным лекарственным препаратам. Современные технологии модификации химических веществ достигли такого уровня, что с их помощью можно создавать вещества, действующие на конкретные генетические варианты мишеней в организме человека. Необходимо помнить об опасности такого использования данных о структуре генома. В этой связи распространение генетических данных о полной структуре персональных геномов должно быть четко регламентировано.

Генетическая дискриминация

Конфиденциальность при обмене данными о геномах отдельных людей необходимо соблюдать также из-за возможной дискриминации. Уникальность сочетаний вариантов генов говорит о том, что люди по своим биологическим возможностям не равны между собой. Основываясь на данных генетических тестов, некоторые социальные институты дискриминируют людей по генетическим признакам. Прежде всего речь идет о страховых компаниях, которые при страховании жизни или здоровья человека пытаются получить от врачей данные об особенностях его генома. Смысл заключается в том, чтобы снизить сумму страховки при наличии у человека генетической предрасположенности к каким-либо заболеваниям. Дискриминационный подход был отмечен и у некоторых работодателей: фирмы отказывали в приеме на работу людям на основании результатов их генетического тестирования. Такие же явления встречались и в семейных отношениях: открывающиеся данные о наличии вредных вариантов генов у здоровых супругов создают напряженность и могут стать причиной распада семьи. При усыновлении детей люди начинают требовать данные генетических тестов ребенка. Согласно опросам, до 50 % бессимптомных людей с предрасположенностью к болезни Хантингтона[7] подвергались дискриминации во всех трех вышеперечисленных сферах социальной жизни, причем не где-нибудь, а в США, Западной Европе и Австралии.

В настоящее время в большинстве развитых стран генетическая дискриминация ограничена или полностью запрещена на законодательном уровне. Основным научным аргументом, запрещающим генетическую дискриминацию, является неопределенность действия потенциально вредных вариантов гена на здоровье человека. Бессимптомный носитель таких вариантов попадает в группу риска, но сама патология у него может так и не развиться. Как уже упоминалось, возможная причина такой неопределенности – сложные сети взаимодействующих генов, уникальные для каждого человека.

Несмотря на то что генетическое тестирование в нашей стране получает все большее распространение, в Российской Федерации нет законов, запрещающих генетическую дискриминацию и бесконтрольное распространение персональных генетических данных. Эта проблема требует быстрого юридического разрешения.

Как сохранить генофонд?

В современной популяционной генетике и популярной литературе часто употребляют термин «генофонд». Под генофондом понимают совокупность всех вариантов генов, которые встречаются у людей, проживающих на конкретной территории. Среди таких вариантов могут быть как вредные, так и внешне нейтральные или даже полезные мутации. Из-за ограниченности наших знаний о взаимодействиях вариантов генов мы не можем однозначно отнести тот или иной вариант к вредным, нейтральным или полезным. Хотя число индивидов, составляющих нацию, можно пересчитать, генетическое разнообразие генофонда бесконечно. В генофонде непрерывно возникают новые варианты генов и их сочетаний. Состояние генетического равновесия автоматически поддерживается в генофонде природными силами. Наиболее вредные мутации сами выбраковываются естественным отбором: например, на стадии раннего развития зародыша при спонтанных абортах.

Поскольку большинство вновь возникающих в генофонде мутаций либо нейтральные, либо вредные, необходимо защищать человека от неблагоприятных воздействий внешней среды, которые повышают вероятность возникновения вредных вариантов генов. С теми же целями человек может, например, отказаться от некоторых вредных привычек. Для сохранения генофонда необходимо усилиями всего общества развивать науку, которая помогает понять многочисленные последствия от взаимодействия бесконечных вариантов генов. На мой взгляд, было бы ошибочным пытаться улучшить генофонд путем подбора семейных пар по внешним признакам психического и физического здоровья, как это делают селекционеры домашних животных и сельскохозяйственных растений. В обществе, где в результате такого отбора все люди стали бы высокими и голубоглазыми, никогда не были бы написаны ни «Война и мир», ни «Братья Карамазовы», не появились бы ни Гленн Гульд, ни Святослав Рихтер.

Святослав Рихтер – 1915–1997 – Крупнейший музыкант XX века, советский и российский пианист. Семья Рихтера жила на территории Украины и сочетала в себе немецкие и русские национальные корни.

Гленн Гульд – 1932–1982 – Канадский пианист, выдающийся интерпретатор Баха. Среди предков Гульда – евреи, славяне, англосаксы и норвежцы (родственники композитора Эдварда Грига).

Для сохранения генофонда нации любое цивилизованное государство должно заботиться о каждом конкретном человеке. Необходимо, чтобы каждый гражданин достойно дожил до репродуктивного возраста, оставил и воспитал уникальное и неповторимое потомство.

Сегодня мы еще слишком мало знаем о геноме, чтобы делать однозначные выводы о будущем влиянии конкретных вариантов генов на здоровье личности. Наличие вредных вариантов генов в геноме человека в большинстве случаев не является для него приговором. Необходимо отказаться от прямолинейной оценки и прогноза возможного влияния вариантов генов на организм и здоровье человека. Развитие патологического процесса зависит от многих факторов, на большинство из которых человек может повлиять сам, немного изменив свой образ жизни. Пусть впереди нас ждет только радость!

Максим Либанов. Почему наш мир таков, каков он есть

Максим Либанов – Доктор физико-математических наук, профессор МГУ.

Каждый из нас задается вопросами. Сначала, в детстве, это простые и наивные вопросы о том, почему на небе звезды, почему солнце встает, а реки текут. Ответы на большинство этих вопросов мы получаем в школе. Реже нам отвечают на вопрос «Что такое жизнь?» и совсем редко – на вопросы вроде «Зачем все это нужно?». Мы задаемся вопросами, потому что наш мозг устроен таким образом, что он постоянно строит модели, которые затем он может применять в различных ситуациях.

Основной принцип, который использует наш мозг при построении моделей, – это поиск гармонии. Энциклопедический словарь дает следующее определение: «Гармония – соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органическое целое». Другими словами, гармония – это некоторая красота, симметрия или простота. Гармоничные вещи нам гораздо проще встроить в модель, чем запоминать огромные объемы часто ненужной информации.

Бал правит симметрия

Одним из краеугольных камней гармонии является принцип симметрии. Когда говорят о симметрии, мы представляем себе «обычные» симметрии, встречающиеся в природе, такие как симметрия снежинки, кристалла или бабочки. Но симметрии могут быть и более сложными и не столь очевидными. Когда вместо геоцентрической системы Коперник предложил гелиоцентрическую систему и тем самым «симметризовал» нашу планету по отношению ко всем остальным планетам, он совершил великую революцию в физике и в нашем сознании. После этого законы физики, законы небесной механики стали значительно проще и нагляднее.

Целью науки фактически служит открытие наиболее фундаментальных законов, и эти законы должны быть органичны, просты, красивы и логичны. Все основные уравнения с виду довольно просты и по мере развития науки становятся проще. В основе птолемеевской космологии лежало представление о мире, в котором Земля являлась центром Вселенной. Описание такого мира требовало построения сложных математических конструкций. Однако стоило лишь отказаться от идеи, что Земля в центре, и описание стало значительно короче и стройнее. Краткость и простота математического описания – верный знак того, что оно правильно отражает красоту и гармонию самой Вселенной.

Сам вид уравнений Эйнштейна и Максвелла (уравнений электродинамики), а также уравнений, описывающих два других типа взаимодействий – сильного и слабого, практически однозначно фиксируется симметриями, которые существуют в природе. Можно предположить, что, знай, например, Ньютон в XVII веке те симметрии, которые знаем мы, он наверняка бы вывел и уравнение Эйнштейна, и уравнения Максвелла, что называется, на кончике пера. Однако потребовалось более двухсот лет для того, чтобы понять, какие именно симметрии лежат в основе этих теорий.

Альберт Эйнштейн – 1879–1955 – Немецкий и американский физик, создатель теории относительности. Формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию, стала самым известным среди населения земли физическим соотношением.

Исаак Ньютон – 1643–1727 – Английский физик и математик, основоположник классической механики и теории гравитации.

Возникает вопрос: можно ли вывести все физические уравнения из единственного требования красоты и симметрии? Возможно, ответ на этот вопрос положителен, но на современном уровне понимания проблемы одной только симметрии явно недостаточно. Дело в том, что в существующих физических теориях во все уравнения входят константы, такие как заряд или масса электрона. Если эти параметры изменить, вид уравнения – а значит, его красота и симметричность – не изменится. Но как повлияет такая процедура на законы физики, на сам вид Вселенной, в которой мы живем? На этот вопрос есть два ответа: либо ничего не поменяется, либо Вселенная изменится до неузнаваемости. Я хочу продемонстрировать, что правильный ответ второй: Вселенная станет неузнаваемой, если лишь чуть-чуть подправить константы в уравнениях.

Точная настройка мира

Начнем с числа измерений нашего мира, которое тоже можно рассматривать как фундаментальную константу. Все мы хорошо представляем, что наше пространство трехмерно: для того чтобы точно задать положение тела, надо знать три числа – скажем, широту, долготу и высоту относительно Земли. Другим фактом, отражающим трехмерность нашего пространства, является то, что через одну точку можно провести ровно три взаимно ортогональные прямые. Строго говоря, необходимо также задать момент времени, когда тело находилось в данной точке, – тогда мы приходим к понятию четырехмерного пространства-времени. Но в дальнейшем мы не будем обращать внимания на эту тонкость и будем говорить о числе пространственных измерений.

Еще древние греки заметили, что геометрия двумерного и трехмерного пространств различна. Так, в двух измерениях существует бесконечное количество правильных многоугольников, а в трехмерном мире – всего пять правильных многогранников[8]. Из этого факта они делали вывод о красоте и гармоничности трехмерного пространства, а в красоте древние греки знали толк. Возникает вопрос, а что было бы (кроме отсутствия гармонии в понимании древних греков), если бы наше пространство не являлось трехмерным? Дело в том, что законы физики, то есть уравнения, о которых говорилось выше, без труда переносятся на любое число измерений. Более того, с одной стороны, справедливость этих уравнений проверена экспериментально в двумерных системах, таких как графен. А с другой стороны, некоторые современные теории, например теория суперструн или М-теория, могут быть непротиворечивым образом сформулированы в десяти– или одиннадцатимерном пространстве-времени.

«Уравнения физики красивы хотя бы потому, что они короткие. Уравнение Эйнштейна, занимающее одну строчку, описывает все в нашей Вселенной».

Максим Либанов

Рассмотрим одномерный случай, например прямую. На прямой практически любое движение двух и более тел приводило бы к столкновениям. Вряд ли в такой системе могли бы появиться сложные формы организации материи, такие как жизнь. Шуточным аргументом против существования жизни в двумерном пространстве является следующее наблюдение. У высокоорганизованных двумерных животных пищеварительный тракт должен начинаться и заканчиваться в одном месте. В противном случае животное было бы разделено на две не связанные друг с другом части. По этой же причине у такого животного были бы проблемы с кровообращением. Еще одним, более серьезным аргументом против двумерной жизни является то, что в четном числе измерений у распространяющейся волны нет четкого заднего фронта (эффект реверберации). Это привело бы к тому, что двумерное существо слышало бы не последовательный набор звуков (слов), как мы, а наряду со вторым звуком слышало бы отголоски первого. Точно такие же проблемы возникли бы и с визуализацией (поскольку свет – это волна), да и с любым способом передачи информации посредством волн. Другими словами, в четном числе измерений были бы проблемы с коммуникацией, и вряд ли в таких условиях была бы способна появиться высокоорганизованная жизнь.

Более сильный аргумент – законы Ньютона и Кулона[9] в нашем мире. Со школы мы помним, что есть закон обратных квадратов: два тела (или заряда) притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Несмотря на то что уравнения, приводящие к этому закону, выглядят одинаково в любом числе измерений, решение этих уравнений, то есть сам закон, зависит от числа измерений. Так, в двумерном мире сила была бы обратно пропорциональна расстоянию (а не квадрату расстояния) между телами. Поразительным является тот факт, что только в случае выполнения закона обратных квадратов могут существовать стационарные орбиты планет и уровни электронов в атоме. Другими словами, в любом другом пространстве с числом измерений, отличным от трех, не существовали бы ни планеты, ни даже атомы, и жизнь вообще не смогла бы существовать и даже возникнуть. Нам с тремя измерениями повезло.

Шарль Огюстен де Кулон – 1736–1806 – Французский физик и инженер, сформулировавший закон взаимодействия электрических зарядов.

Попробуем теперь немного изменить другие физические константы. Мы знаем, что масса электрона намного меньше, чем масса нуклона. Вследствие такого соотношения электрон вращается по орбите вокруг ядра, которое практически покоится. Если массу электрона сделать порядка массы нуклона, то и электрон, и ядро будут вращаться относительно их общего центра тяжести. В результате не будет определенного положения ядра. В таком случае не было бы не только химиков и физиков, но и никого другого, потому что не было бы молекул. Существование молекул зависит от простого факта, что электрон намного легче нуклона.

Чтобы идти дальше, вспомним, откуда во Вселенной вещество. Согласно современным представлениям, все вещество во Вселенной было произведено в момент Большого взрыва – периода развития ранней Вселенной, характеризующейся огромной температурой и давлением. После Большого взрыва Вселенная начала расширяться и, подобно расширяющемуся газу, охлаждаться. Приблизительно через 300 секунд температура упала настолько, что стал возможен синтез легких элементов, таких как гелий, – произошел первичный нуклеосинтез. Было вычислено, что во Вселенной должно быть 75 % водорода и около 25 % гелия, что прекрасно согласуется с наблюдательными данными. Поразительно, что эти цифры получились за счет очень точной подстройки констант. Если константы были бы немного другими, то во Вселенной могло бы не оказаться водорода – он бы (почти) весь переработался в гелий. В такой Вселенной жизнь была бы невозможной.

Далее допустим, что массы нуклонов (протонов или нейтронов) отличались бы от известных значений на доли процента в большую или меньшую сторону, и посмотрим, как выглядел бы мир.

Известно, что протон стабилен[10]: его время жизни более 1030 лет. Это огромное число, гораздо больше возраста Вселенной, которой 10–15 млрд лет. Нейтрон, напротив, нестабилен. Свободный нейтрон распадается за 15 минут. Он распадается на протон, электрон и нейтрино, и происходит это за счет того, что масса нейтрона больше, чем сумма масс протона и электрона. Разность масс нейтрона и протона меньше, чем энергия связи нуклонов в ядре, за счет чего и существуют стабильные элементы – нейтрон не может распасться в ядре по энергетическим соображениям. Но если увеличить массу нейтрона всего на 1 %, разность масс окажется больше, чем энергия связи в ядре. Это означало бы, что нейтроны в ядрах были бы нестабильны – все ядра распались бы. Остались бы только ядра водорода – протоны. Вместо нашей разнообразной Вселенной мы получили бы просто водородный пузырь, в котором опять же жизнь была бы невозможна.

Если, напротив, уменьшить разницу в массах между протоном и нейтроном, то распад нейтрона станет куда менее вероятным. Тогда в ранней горячей Вселенной число протонов и нейтронов стало бы более или менее одинаковым. Из такой каши с большой вероятностью образовались бы ядра гелия. Гелий, как мы знаем, инертный газ – а значит, жить во Вселенной из гелия было бы скучновато. Звезды, которые могли бы в ней образоваться, были бы короткоживущими и, следовательно, не дали бы возможности зародиться жизни на окружающих их планетах (если бы такие смогли образоваться). Кроме того, в такой Вселенной не было бы водорода, столь необходимого для образования воды и органических кислот. Сложно представить, что в такой Вселенной была бы возможна жизнь.

А если еще увеличить массу протона, он станет тяжелее нейтрона и будет распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В мире останутся только нейтроны, которые не могут притягивать электроны. Не будет атомов, не будет химии, не будет химиков, не будет ничего. Таким образом, все разнообразие мира, каким мы его знаем, определяется очень точным подбором разницы масс протона и нейтрона.

Но откуда берутся такие удивительным образом подобранные константы, мы не знаем. Можно предположить, что это Великий Замысел Творца. А может быть, это фундаментальное свойство природы или счастливая случайность. Физики надеются (они почти уверены), что существует некая теория – теория суперструн или то, что называют М-теорией, – более фундаментальная, чем то, что мы имеем, и которая сможет ответить на эти вопросы, а все таким удивительным образом подобранные значения констант будут следствием некоторых простых симметрий.

Мир для нас

Физики и философы сформулировали так называемые антропные принципы[11]. Один из них – сильный антропный принцип – гласит: «Законы Вселенной должны быть таковы, чтобы допускать развитие разумной жизни, которая эти законы формулирует». В действительности в такой формулировке этот принцип не несет никакой гносеологической нагрузки, то есть устанавливает границы нашего познания и эквивалентен признанию существования Великого Замысла или Великой Случайности. На мой взгляд, гораздо интереснее и содержательнее слабый антропный принцип: «Наблюдение данного набора значений мировых констант тем вероятнее, чем с большей вероятностью этот набор констант приводит к возникновению наблюдателей».

По сути слабый антропный принцип допускает, что во Вселенной могут быть разные места с разными значениями констант. То есть набор констант может отличаться от места к месту. Возможно, существует много вселенных, в каждой из которых реализуется свой набор констант. В таком случае наблюдатель существует только в той вселенной, где константы подобраны так, как было описано выше. Если бы значения констант были другие, такая вселенная была бы пуста, в ней не было бы наблюдателя – а значит, такие константы никто не может наблюдать, и мы в том числе. Выходит, что мир, который мы видим, потому таков, что в нем существуем мы. Это следствие того, что константы в нашей Вселенной подобрались единственно правильным образом. Соседняя вселенная, где константы будут чуть-чуть отличаться, окажется пустой. Без наблюдателя там некому будет задумываться и читать лекции о физических константах.

На самом деле существуют наблюдательные данные (хотя и не вполне подтвержденные), что постоянная тонкой структуры[12] изменилась за время существования Вселенной на стотысячные доли. Это может означать, что за космологическим горизонтом она тоже может отличаться, и гораздо сильнее.

Интересно, что слабую формулировку антропного принципа можно применять для того, чтобы что-то предсказывать, используя факт нашего существования как одно из наблюдательных данных.

Рассмотрим один пример. Ядра большинства химических элементов (все, что тяжелее гелия) образуются в звездах. Эти реакции происходят примерно так. При слиянии ядер водорода (термоядерной реакции) образуется гелий. Три ядра гелия сливаются в углерод. Концентрация гелия при этом падает, соответственно, падает и температура, и давление, противостоящее гравитации. Далее гравитация начинает сжимать звезду, и температура снова растет. Начинается следующий этап реакции, и возникает новый элемент: слияние углерода и гелия дает кислород. Такие звездные циклы повторяются в звезде много раз и вырабатывают все вещество, которое мы видим. Считается, что когда-то на месте нашего Солнца была другая, более крупная звезда, которая перегорела, взорвалась как сверхновая, а из рассеянного взрывом вещества образовались Солнце и наши планеты. Все наше богатство химических элементов – продукт жизнедеятельности этой древней звезды. Железо, кислород и кремний, из которых в основном состоит Земля, – просто наиболее энергетически выгодный финальный продукт слияния ядер в недрах этой протозвезды.

Если взглянуть на график зависимости энергии ядерной связи от порядкового номера элемента в таблице Менделеева, видно, что железо – действительно наиболее вероятный продукт звездного горения. Золото куда дальше от оптимума, поэтому золото в нашей Вселенной будет редким элементом.

В описанном достаточно стройном сценарии образования химических элементов есть одна проблема: для того чтобы образовались тяжелые элементы, необходимо, чтобы образовался углерод – так называемое углеродное горлышко. Но реакция слияния гелия в ядро углерода идет очень плохо. Чтобы пошла эта реакция, нужно, чтобы три ядра гелия одновременно оказались в одной точке. Интуитивно ясно, что это очень маловероятно. Вероятность того, что два ядра окажутся в одной точке, велика, но практически невероятно, что и третье ядро окажутся в той же точке. К 1952 году стало ясно, что эта реакция крайне маловероятна, а других реакций, приводящих к образованию углерода, просто не было. С другой стороны, мы существуем: наше существование можно рассматривать как экспериментальный факт, из которого следует, что углерод должен существовать. Исходя из этого факта, Фред Хойл в 1953 году предсказал, что должен быть резонансный энергетический уровень ядра углерода, благодаря которому реакция становится возможной. В предсказании фигурировало значение 7,7 МэВ, а уже год спустя этот уровень действительно был открыт, и оказался чуть меньше, 7,66 МэВ, – поразительное совпадение (МэВ = 106 эВ – единица измерения энергии в ядерной физике).

Фред Хойл – 1915–2001 – Британский астроном, внесший большой вклад в представления об эволюции звезд. Первым употребил термин «Большой взрыв», хотя сам придерживался альтернативной – стационарной – модели Вселенной.