Что такое жизнь?

В результате атомные ядра с их электронными оболочками, оказываясь в непосредственной близости друг к другу и формируя систему, не могут принять любую произвольную конфигурацию. По своей природе они выбирают из многочисленного, но дискретного числа состояний[29]. Обычно мы называем их уровнями, или энергетическими уровнями, поскольку энергия играет важную роль в данной характеристике. Но следует понимать, что полное описание включает не только энергию. По сути надо говорить о состоянии как об определенной конфигурации всех частиц.

Переход из одной конфигурации в другую является квантовым переходом. Если вторая конфигурация обладает большей энергией («более высокий уровень»), для перехода необходимо снабдить систему извне количеством энергии, хотя бы равным разнице между двумя уровнями. Переход на низший уровень может происходить самопроизвольно, а избыток энергии будет рассеян в виде излучения.

Молекулы

Среди дискретных состояний некой выборки атомов может существовать самый нижний уровень, соответствующий близкому расположению ядер относительно друг друга. В таком состоянии атомы формируют молекулу. Следует подчеркнуть, что молекула поневоле будет обладать определенной стабильностью. Ее конфигурация остается неизменной, если извне нет притока энергии, равной хотя бы разнице, необходимой для «подъема» на более высокий уровень. Таким образом, эта разница между уровнями, имеющая количественное выражение, количественно определяет степень стабильности молекулы. Мы увидим, как тесно данный факт связан с самими основами квантовой теории – с дискретностью энергетических уровней.

Я вынужден просить читателя принять на веру то, что этот набор идей полностью подтверждается химическими фактами – и успешно объясняет основополагающую концепцию химической валентности и многие детали молекулярной структуры, энергию связи, стабильность при различных температурах и т. п. Я говорю о теории Гайтлера – Лондона, которую, как я уже упоминал, невозможно рассмотреть здесь подробно.

Их стабильность зависит от температуры

Мы должны удовлетвориться рассмотрением вопроса, представляющего важность для нашего биологического исследования, а именно стабильности молекулы при различных температурах. Предположим, что наша система атомов вначале находится в состоянии с минимальной энергией. Физик назовет это молекулой при абсолютном нуле температуры. Чтобы перевести ее на следующий более высокий уровень, необходим приток определенного количества энергии. Простейший способ предоставить его – «нагреть» молекулу, перенести ее в окружающую среду с большей температурой (термостат), тем самым позволив другим системам (атомам, молекулам) сталкиваться с нашей молекулой. Поскольку тепловое движение хаотично, не существует температурного порога, при котором «подъем» произойдет обязательно и немедленно. Скорее при любой температуре, отличной от абсолютного нуля, существует бо́льшая или меньшая вероятность такого «подъема», и она, разумеется, растет с ростом температуры в термостате. Лучший способ выразить эту вероятность – указать среднее время, которое придется ждать перехода, – «время ожидания».

Из эксперимента, согласно М. Полани[30] и Ю. Вигнеру[31], следует, что «время ожидания» преимущественно зависит от соотношения двух энергий: собственно энергетической разницы, необходимой для достижения желаемого эффекта, (обозначим ее W) и энергии, характеризующей интенсивность теплового движения при рассматриваемой температуре (обозначим абсолютную температуру T, а характеристическую энергию – kT)[32]. Очевидно, что чем выше переход в сравнении со средней тепловой энергией – то есть чем выше отношение W: kT, – тем меньше его вероятность и, соответственно, больше время ожидания. Удивительно, насколько сильно время ожидания зависит от сравнительно небольших изменений отношения W: kT. Приведу следующий пример (из Дельбрюка): если W в 30 раз больше kT, время ожидания составит 0,1 секунды, но вырастет до 16 месяцев при W в 50 раз больше kT – и до 30 000 лет при W в 60 раз больше kT!

Математическая интерлюдия

Возможно, следует выразить математическим языком – для читателей, которым это нравится, – причину столь высокой чувствительности к изменениям энергетической разницы или температуры, а также добавить несколько физических комментариев по этому поводу. Причина заключается в том, что время ожидания – обозначим его t – экспоненциально зависит от отношения W/kT:

где τ – некая малая константа порядка 10^–13 или 10^–14 c. Данная экспоненциальная функция возникла не случайно. Она вновь и вновь появляется в статистической теории и, так сказать, составляет ее основу. Это мера невероятности того, что количество энергии, равное W, случайно соберется в некой части системы, и именно эта невероятность возрастает столь сильно, когда данное количество многократно превышает «среднюю энергию» kT.