Czym jest życie? Fizyczne aspekty żywej komórki. Umysł i materia. Szkice autobiograficzne – książka popularnonaukowa Erwina Schrödingera, współtwórcy mechaniki kwantowej (zob. równanie Schrödingera), która była inspiracją dla wielu naukowców – przyszłych twórców biologii molekularnej i teorii dziedziczenia. Książka, napisana „z tęsknoty za spójną wiedzą o świecie”Fragment wstępu: Odziedziczyliśmy po przodkach tęsknotę za spójną wiedzą o świecie. …od dawnych czasów najwyższym zaufaniem cieszyły się teorie o zasięgu uniwersalnym., zawiera: esej Czym jest życie? z analizą stanu wiedzy na ten temat w połowie XX wieku, zgromadzonej w różnych dziedzinach nauki rozprawę Umysł i materia na temat świadomości (umysł w świetle fizyki i biologii) wspomnienia autora o jego życiu i pracy
Informacje bibliograficzne Erwin Schrödinger, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1933, wygłosił w lutym 1943 roku serię wykładów w Trinity College w Dublinie. Ich tekst ukazał się nakładem Cambridge University Press w roku 1944 () jako esej pod tytułem What is life? (Czym jest życie?), zadedykowany: Pamięci moich rodziców. W roku 1967 praca została wydana ponownie – wraz z drugą rozprawą Schrödingera – jako: What is life? The Physical Aspect of the Living Cell with Mind and Mater, a do wydania z roku 1992 dołączono Autobiographical Sketches oraz Przedmowę, którą w sierpniu 1991 roku napisał Roger Penrose (wydawnictwo jw.).
Książka ukazała się w języku polskim w serii wydawniczej Klasycy Nauki w roku 1998 nakładem wydawnictwa Prószyński i S-ka, Warszawa (), w przekładzie Stefana Amsterdamskiego (zamieszczono rysunki Krzysztofa Białkowskiego, wykonane na podstawie wydania angielskiego).
Treść książki Spis rzeczy thumb|Erwin Schrödinger, Sztokholm 1933 thumb|Homo liber nulla de re minus de morte cogitat; et ejus sapientia non mortis sed vitae mediatio est.Człowiek wolny o niczym innym nie myśli mniej niż o śmierci, a mądrość jego jest rozmyślaniem nie o śmierci, lecz o życiuBaruch Spinoza, Etyka(przełożył Ignacy Myślicki)
Czym jest życie? Fizyczne aspekty żywej komórki Przedmowa Wstęp Ujęcie zagadnienia na gruncie fizyki klasycznej Mechanizm dziedziczenia Mutacje Świadectwa mechaniki kwantowej Omówienie i sprawdzenie modelu Delbrücka Porządek, bezład i entropia Czy podstawą życia są prawa fizyki? Epilog: O determinizmie i wolnej woli Umysł i materia Fizyczne podstawy świadomości Przyszłość poznania Zasada obiektywizacji Paradoks arytmetyczny: jedyność umysłu Nauka a religia Tajemnica jakości doznań zmysłowych Szkice autobiograficzne
Czym jest życie? Przedmowa • Wstęp • Ujęcie zagadnienia na gruncie fizyki klasycznej • Mechanizm dziedziczenia • Mutacje We wstępie do pierwszego wydania What is life? Erwin Schrödinger napisał m.in. : … dopiero teraz zaczynamy zdobywać niezbędne dane, pozwalające połączyć wszystko, co wiemy, w jedną całość. Jednocześnie jednak niemożliwością stało się niemal, by umysł jednostki ogarnął więcej niż niewielki jej, wyspecjalizowany fragment. […] …niektórzy z nas próbować będą syntezy faktów i teorii na podstawie wiedzy z drugiej ręki, nawet gdyby związane z tym było ryzyko ośmieszenia się (Dublin 1944). Schrödinger podjął to ryzyko w czasie wykładu, wygłoszonego w Trinity College w Dublinie dla grona 400 biologów i fizyków, a następnie pisząc tekst adresowany do czytelników spoza środowiska naukowego (językiem zrozumiałym bez przygotowania np. w zakresie fizyki, chemii fizycznej, biochemii, biologii). Mimo tak dużych uproszczeń książka spotkała się z wielkim zainteresowaniem również wśród naukowców. thumb|Przemieszczanie się granicy układu makroskopowego na skutek dyfuzji mechanika statystyczna wyjaśnia na gruncie teorii prawdopodobieństwa: wszystkie cząstki przemieszczają się tak samo często w prawo, jak w lewo, ale po lewej stronie jest ich więcejAnimacja jest odpowiednikiem szkiców, zamieszczonych w omawianej książce (s. 26–27)..
Tekst rozpoczyna fragment wprowadzający biologów w obszar pojęć, stosowanych przez fizyków i fizykochemików, zwłaszcza w dziedzinie mechaniki statystycznej. Zdaniem Schrödingera ten statystyczny punkt widzenia pozwala wyjaśnić procesy przebiegające w świecie nieożywionym, jednak nie jest właściwy dla organizmów żywych. Ilustrując rolę statystyki, autor przedstawia przykład paramagnetyzmu – namagnesowanie ciała makroskopowego jako udział dipoli ułożonych zgodnie z kierunkiem linii pola w różnych temperaturach. Drugim z przykładów jest dyfuzja i ruchy Browna, np. ukierunkowane przemieszczanie się czoła strefy mgły, mimo chaotycznych ruchów wszystkich kropelek. Wspominając m.in. prawo Curie oraz prace P. Langevina i F. Donnana, wyjaśnia zależność ścisłości, z jaką spełniane są prawa fizyki, od wielkości układu – liczby obserwowanych cząstek. Dowodzi, że zachowania układów wieloatomowych mogą być stosunkowo poprawnie przewidywane tylko wówczas, gdy zawierają bardzo dużą liczbę atomów (reguła √n, zob. reguła pierwiastka kwadratowego)Omawiany problem prawdopodobieństwa zdarzeń nie jest tu ilustrowany przykładem z dziedziny mechaniki kwantowej – kopenhaskiej interpretacji funkcji falowej (rozwiązanie równania Schrödingera), nazywanej interpretacją probabilistyczną.. W organizmach żywych ta liczba wydaje się zbyt mała (wstępne oszacowania, dotyczące wielkości i niezmienności genu, wykonali m.in. C.D. Darlington i John B.S. Haldane, na podstawie badań chromosomów muszki owocowej).
W kolejnych fragmentach tekstu Schrödinger definiuje podstawowe pojęcia z dziedziny genetykiUważano wówczas, że w komórkach człowieka występują 24 pary chromosomów. Struktura DNA została odkryta dopiero 10 lat później. – w latach 40. XX w. jeszcze mało znane, zwłaszcza w środowisku fizyków – m.in. mitoza, mejoza, haploid i diploid, dziedziczenie recesywne i dominujące, crossing-over, fenotyp, mutacja.
Najwięcej uwagi autor poświęcił problemowi mutacji. Stwierdził, m.in. że teoria Darwina zachowuje aktualność, gdy słowem „mutacje”, zastąpi się określenie „drobne, przypadkowe zmiany”, przypomniał spostrzeżenia Mendla z roku 1866 (na długo zapomniane), odkrycie jego publikacji w roku 1900 przez H. de Vriesa, C. Corrensa i Tschermaka oraz badania N.W. Timofiejewa, M. Delbrücka i , dotyczące mutacji zachodzących pod wpływem promieniowania rentgenowskiego.
Świadectwa mechaniki kwantowej • Omówienie i sprawdzenie modelu Delbrücka • Porządek, bezład i entropia • Czy podstawą życia są prawa fizyki?
Mała liczba atomów, z których zbudowany jest gen, odbierała ówczesnemu „naiwnemu fizykowi”Określenie „naiwny fizyk” jest często używane przez Schrödingera., próbującemu wyjaśnić trwałość informacji genetycznej, argumenty z dziedziny probabilistyki. Musiał on przyznać, że za trwałość są odpowiedzialne wiązania chemiczne, czyli że odpowiedź należy do chemików. Rozwój mechaniki kwantowej, utworzonej m.in. przez Planca (1900), Schrödingera, Heisenberga, pozwolił wykazać, że rola probabilistyki jest podstawowa również w tej skali. Dystans między stanowiskami „naiwnych fizyków” i „naiwnych chemików” zmniejszył się dzięki rozwojowi badań fizykochemicznych, np. wyjaśniania charakteru wiązań kowalencyjnych. Pionierami w tym zakresie byli Walter Heitler i Fritz London, którzy w roku 1927 opisali wiązanie między atomami wodoru w dwuatomowej cząsteczce (zob. The chemists’ electron).
Konsekwencją uznania zasady kwantowania energii, która obowiązuje w mikroświecie, było przyjęcie założenia, że cząsteczki (wśród nich te, które przenoszą informację genetyczną) charakteryzuje zbiór „dyskretnych poziomów energii”. Polanyi i Wigner (zob. funkcja Wignera, „przyjaciel Wignera”) wykazali, że „czas oczekiwania” na przeskok na poziom wyższy (wyrażający prawdopodobieństwo tego przeskoku) zależy od wartości stosunku W/kT, gdzie W jest różnicą energii między poziomami, a kT – miarą energii ruchu cieplnegoSymbol k oznacza stałą Boltzmanna. Wyrażenie 3/2 kT określa energię kinetyczną ruchów cieplnych cząstki gazu w temperaturze T K (zob. rozkład Boltzmanna, funkcja rozkładu, kinetyczno-molekularna teoria gazów).. Zależność czasu oczekiwania (t) od W/kT jest bardzo silna – ma charakter funkcji wykładniczej. Czynnik przedwykładniczy ma wartość rzędu 10−13 – 10−14 s (rząd okresu drgań, zachodzących w układzie):
Max Delbrück zwrócił uwagę na wynikający stąd ważny wniosek, dotyczący m.in. trwałości informacji genetycznej. Gdy W/kT = 30, 50 i 60, czas oczekiwania wynosi odpowiednio ok. 1/10 sekundy, 16 miesięcy i 30 000 lat. Schrödinger sugerował, że w przypadkach dużych cząsteczek niosących informację genetyczną „przeskok kwantowy” mógłby polegać np. na zachodzącej sporadycznie reakcji izomeryzacji (rodzaj mutacji spontanicznej), przy czym między oboma izomerami powinna istnieć bariera potencjału (duża energia aktywacji reakcji biegnących w obu kierunkach).
W dwóch kolejnych podrozdziałach, zatytułowanych Porządek, bezład i entropia i Czy prawa fizyki są podstawą życia, Erwin Schrödinger przedstawia własne wnioski, wynikające z analizy stanu badań życia przez fizyków, chemików i biologów. Mottem pierwszego z tych podrozdziałów jest myśl Spinozy:
Schrödinger przyznaje, że potwierdzenie modelu Delbrücka nie oznacza wyjaśnienia mechanizmu dziedziczenia cech, a tylko możliwość długotrwałego przechowywania wielu informacji genetycznych w dużej cząsteczce związku organicznego, której struktura ulega zmianom tylko sporadycznie (najczęściej nieodwracalnie). Wyraża przekonanie, że tego mechanizmu nie wyjaśnią fizycy, lecz biochemicy, wspólnie z fizjologami i genetykami. Zadaniem fizyków pozostaje wyjaśnienie problemów termodynamicznych, m.in. interpretacja procesów życiowych w świetle drugiej zasady termodynamiki (cytat: tylko dlatego zdecydowałem się napisać tę książeczkę). Rozwijając opis II zasady termodynamiki, autor definiuje pojęcie entropii i stanu równowagi termodynamicznej, który – zgodnie z koncepcjami Boltzmanna i Gibbsa (statystyczna interpretacja entropii) – jest stanem o najmniejszym uporządkowaniu. Wprowadza też pojęcie „ujemnej entropii” (organizmy „sycą się ujemną entropią”, pobieraną z bardziej „uporządkowanego” otoczenia, zob. negentropia). To pojęcie wzbudziło kontrowersje, które skłoniły Schrödingera do dołączenia uwagi. Wyjaśnił w niej, że pojęcie wprowadził jako bardziej zrozumiałe od określeń specjalistycznych (uważał, że operowanie terminem energia swobodnaZob. m.in. stan termodynamiczny układu i funkcje stanu, termodynamika chemiczna, proces termodynamiczny, proces samorzutny. mogłoby prowadzić do nieporozumień – entropia nie jest rodzajem energii)Termodynamika procesów nieodwracalnych, w tym struktury dyssypatywne i samoorganizacja molekularna, były później przedmiotem badań, za które Nagrodę Nobla otrzymał w roku 1977 Ilya Prigogine (1917–2003), współtwórca teorii chaosu. Z problemem samoorganizacji wiąże się też mniej znana koncepcja chemotonu, której autor kładzie nacisk na bezpośredni związek życia z zamknięciem cykli reakcji, tj. cykl Calvina lub cykl Krebsa (Tibor Gánti, 1933–2009)..
W podrozdziale pt. Czy podstawą życia są prawa fizyki? Erwin Schrödinger zamieścił uwagi o niektórych filozoficznych konsekwencjach mechaniki kwantowej, odnoszonej do problemu istnienia życia. Stwierdził, że probabilistyczny charakter wielu praw fizyki wyklucza ich zastosowanie do udzielenia odpowiedzi na pytanie o istotę życia, jednak równocześnie napisał:
Przytoczył przykład uporządkowanego ruchu planet. Szerzej opisał mechanizm zegara, który: „ze statystyką nie ma też nic wspólnego”. Wspomniał opinię Plancka, że prawa statystyczne mogą mieć deterministyczne podłoże.
Epilog; O determinizmie i wolnej woli