е, например, как маленькая курочка вылупляется из яйца, как затем она впервые взмахивает крыльями, как стучит ее сердце при виде лисы и как пища и вода внутри нее превращаются в ее собственные яйца. Можно ли уместить все это в какой-то одной интеллектуальной рамке?
Поиск ответа на этот вопрос – поиск какого-то единства в разнообразии жизни – отражается в нашем исконном стремлении к категоризации живых существ на основе сходств в их внешнем виде и поведении. Аристотель делил животных на группы по таким признакам, как яйце- и живорождение. В древнеиндийских текстах применялся целый ряд критериев, включая и способ появления на свет: «те, что из яйца; те, что из зародыша; те, что из влаги; те, что из ростка»1. Современная таксономия выросла из трудов Карла Линнея, ученого XVIII века, который систематизировал названия живых существ и разработал применяемую по сей день иерархическую систему классификации на основе общих характеристик организмов. И все же одной классификации недостаточно. Мы хотим понимать, почему появляются общие черты, объединяющие организмы, а не только знать, каковы они.
В этой книге мы будем рассматривать то самое «почему» сквозь призму физики и прольем свет на удивительную изящность и упорядоченность биологии. Разумеется, это не единственный ракурс, позволяющий заглянуть в глубины жизни. С позиции биохимии, например, можно увидеть, как из атомов формируются молекулярные компоненты органического вещества, как энергия запасается в химических связях и извлекается из них и как из постоянного преобразования вещества и энергии в ходе химических реакций выстраивается метаболизм живых организмов. Но с помощью одной лишь химии сложно переключаться с масштаба молекул на масштаб окружающих нас животных, растений и даже отдельных клеток, а также постигать концепцию формы.
Столь же всеобъемлющую картину рисует и теория эволюции. С середины XIX века, когда на Чарльза Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса снизошло озарение, мы видим в тех или иных чертах живых существ проявления более глубоких исторических процессов. Сходства – что в видимых анатомических характеристиках, что в скрытой от глаз структуре ДНК – могут говорить о происхождении от общих предков, и это позволяет нам строить дерево взаимосвязей, объединяющее все живое на планете. Различия возникают по воле случая и закрепляются под давлением неодинаковых факторов среды – опять же в современных формах жизни отражается история. Теория эволюции дает нам прекрасную систему координат для изучения жизни, однако не займет в этой книге центральное место. Отчасти потому, что ей посвящено немало популярной литературы. Но важнее другое: сама по себе теория эволюции больше отвечает на вопрос как, чем почему.
Поясню, что я имею в виду под «почему», на примере плавательного пузыря – чаще всего двух заполненных газом камер, которыми обладают многие виды рыб. Сравнение современных и вымерших организмов позволяет нам связать эволюционную историю этого органа с появлением легких у дышащих воздухом животных, что отмечал еще сам Дарвин. Но чтобы понять, как работает плавательный пузырь, нам нужно обратиться к физике: низкая плотность заполняющего его газа компенсирует высокую плотность костей у костных рыб, благодаря чему средняя плотность их тела сравнивается с плотностью окружающей воды, и рыбам без труда удается плавать на любой желаемой глубине. Плавательный пузырь – лишь одно из решений проблемы разницы плотностей. В других случаях в организме рыбы может содержаться большое количество низкоплотностного жира или ее скелет может состоять из хрящей, а не из костей – обе эти стратегии используют акулы, у которых нет плавательного пузыря. Последний общий предок хрящевых и костных рыб жил более 400 миллионов лет назад. С тех пор эволюция этих групп шла разными путями, наделив их разными способами преодоления одних и тех же физических трудностей маневрирования в воде. Можно утверждать, что, поняв, почему возникли анатомические характеристики, имеющие отношение к контролю над плотностью, мы обнаружим неявное единство всех рыб за пределами плоскости их эволюционного расхождения. (Подобным углом зрения мы воспользуемся в этой книге еще не раз.) Не стоит, однако, забывать, что формы, которые мы наблюдаем сейчас, ковались с помощью таких инструментов, как изменчивость и естественный отбор: они обеспечивали растущие из поколения в поколение шансы выжить особям, лучше приспособленным к передвижению по своему водному миру.
Помимо биохимии и теории эволюции есть и другие ракурсы для изучения многообразия жизни. Впрочем, вместо того чтобы перечислять все подходы, к которым мы не станем прибегать, давайте обратимся к тому, что нас интересует.
Я уже намекал, что в этой книге буду рассматривать природу с ракурса, который называю биофизическим. Это понятие объединяет в себе биологию и физику и подразумевает, что вещества, формы и действия, из которых складывается жизнь, управляются и сдерживаются универсальными законами физики и что, проливая свет на связи между физическими законами и биологическими проявлениями, мы обнажаем каркас поразительного многообразия жизни. Утилитарность и популярность физики объясняются именно ее универсальностью. Один и тот же закон гравитации применим как к яблоку, падающему с дерева, так и к планетам, которые вращаются вокруг Солнца,