Чтобы легче было работать с цифрами, давайте представим себе, что есть в общей сложности 64 протона и электрона в пределах воображаемого протофермента, каждый из которых способен к квантовому туннелированию в одну из двух разных позиций. Общее количество структурных вариаций, имеющихся в нашем воображаемом протоферменте, по-прежнему огромно: 264 — просто тьма возможных конфигураций. Теперь представьте, что только одна из этих конфигураций имеет то, что требуется, чтобы стать самовоспроизводящимся ферментом. Вопрос заключается в том, насколько легко найти конкретную конфигурацию, которая может привести к возникновению жизни? Появится ли вообще саморепликатор в нашем небольшом теплом пруду?
Рассмотрим сначала протофермент в качестве совершенно классической молекулы, не способной на какие-либо квантовые фокусы вроде суперпозиции или туннелирования. Молекула должна в любой момент времени быть только в одной из 264 возможных различных конфигураций, тогда вероятность того, что этот протофермент будет самовоспроизводящимся, равняется 1 к 264 — действительно чрезвычайно маленькая вероятность. В неравной борьбе с превосходящими силами противника классический протофермент просто застрял бы в одной из тех скучных конфигураций, которые не способны к самовоспроизведению.
Конечно, молекулы изменяются в результате общего термодинамического износа, но в классическом мире такое изменение происходит относительно медленно. Для того чтобы изменить одну молекулу, исходное расположение атомов должно быть разобрано, а составляющие его частицы перестроены в новую молекулярную конфигурацию. Как мы выяснили в главе 3 на примере долгоживущего коллагена динозавра, химические изменения иногда могут происходить в геологических масштабах времени. В классическом мире нашему протоферменту потребуется очень много времени, чтобы изучить даже малую долю этих 264 химических конфигураций.
Однако ситуация в корне меняется, если рассмотреть 64 ключевые частицы протофермента как электроны и протоны, которые способны к туннелированию между альтернативными позициями. Будучи квантовой системой, протофермент может существовать во всех возможных конфигурациях одновременно (квантовая суперпозиция). Причина нашего выбора числа 64 теперь становится яснее: это то же самое число, которое мы использовали, когда рассказывали в главе 8 о грубой шахматной ошибке китайского императора, чтобы проиллюстрировать возможности квантовых вычислений. Только здесь роль шахматных клеток или кубитов (квантовых битов. — Примеч. пер.) играют частицы. Наш протосаморепликатор, если он существовал достаточно долго, мог выступать в качестве 64-кубитного компьютера; и мы уже открыли для себя, насколько мощным будет такое устройство. Вероятно, он может использовать свои огромные квантовые вычислительные ресурсы для выяснения ответа на вопрос: какова правильная молекулярная конфигурация для саморепликаторов? В таком виде проблема и ее возможное решение становятся более ясными. Представим, что протофермент находится в такой квантовой суперпозиции, и тогда задача по поиску одной из 264 возможных структур, которая будет являться саморепликатором, становится разрешимой.
Но существует загвоздка. Вы, наверное, помните, что кубиты должны оставаться когерентными и запутанными для выполнения квантовых вычислений. После того как в дело вступает декогерентность, суперпозиция из 264 различных состояний разрушается и остается только одно. Помогает ли это? На первый взгляд, нет, поскольку вероятность того, что квантовая суперпозиция сколлапсирует в единственное самовоспроизводящееся состояние, такая же, как и раньше, — ничтожная (1 к 264), такая же, как шанс выбросить «решку» 64 раза подряд. Но что происходит дальше, когда квантовые процессы отклоняется от своих классических аналогов?
Если молекула не ведет себя квантово-механически и обнаруживает (почти наверняка так и будет) у себя неправильное расположение атомов, которые не в состоянии самовоспроизводиться, то для того, чтобы попробовать другую конфигурацию, ей придется включать геологически медленный процесс «разборки» и «перестройки» молекулярных связей. Но после декогерентности в квантовой молекуле каждый из 64 электронов и протонов нашего протофермента будет почти сразу же снова готов к туннелированию в суперпозицию двух возможных состояний, чтобы восстановить первоначальную квантовую суперпозицию из 264 различных конфигураций. В своем 64-кубитном состоянии квантовая молекула-протосаморепликатор сможет повторять свой поиск пути к самовоспроизведению в квантовом мире непрерывно.
Декогерентность будет быстро разрушать суперпозицию снова, но почти в тот же момент молекула окажется в другой из 264 различных классических конфигураций. И снова декогерентность разрушит суперпозицию, и снова система найдет себя в другой конфигурации; и этот процесс будет продолжаться до бесконечности. По существу, в этой относительно защищенной среде разрушение и восстановление состояния квантовой суперпозиции является обратимым процессом: «квантовая монета» постоянно «подбрасывается» процессами декогерентности и восстановления суперпозиции — а это процессы, которые идут гораздо более быстрыми темпами, чем классические образование и разрушение химических связей.
Но есть одно событие, которое остановит подбрасывание квантовой монеты. Если квантовая молекула проторепликатора в конечном счете окажется в состоянии саморепликатора, она начнет копировать сама себя и так же, как и клетки голодающих E. coli, которые мы обсуждали в главе 7, репликация заставляет систему совершить необратимый переход в классический мир. «Квантовая монета» будет необратимо «брошена», и первый саморепликатор будет рожден в классическом мире. Конечно, эта репликация будет задействовать какие-то биохимические процессы внутри молекулы или между молекулами и ее окружением. Это заметно отличается от того, что имело место до того, как состояние проторепликатора было найдено. Другими словами, должен быть механизм, который закрепляет эту особую конфигурацию в классическом мире, прежде чем она будет потеряна и молекула перейдет к следующей квантовой конфигурации.
Как выглядел первый саморепликатор
Предположение, которое мы обозначили выше, конечно, сугубо теоретическое. Но если поиск первого саморепликатора проводить в квантовом, а не классическом мире, то проблема, по крайней мере потенциально, решаема.
Для того чтобы этот сценарий работал, первичные биомолекулы-протосаморепликаторы должны были быть способны исследовать множество различных структур с помощью квантового туннелирования частиц в разные позиции. Знаем ли мы, какие молекулы могли быть способны на подобные фокусы? Ну, в определенной степени, знаем. Как мы уже выяснили, электроны и протоны в ферментах остаются относительно свободными, что позволяет им легко туннелировать в различные положения. Протоны в ДНК и РНК также способны к туннелированию, по крайней мере по водородным связям. Таким образом, мы могли бы представить себе наши первичные саморепликаторы чем-то вроде белков или молекул РНК, которые слабо удерживаются вместе водородными и слабыми электронными связями, позволяющими его частицам — протонам и электронам — свободно передвигаться по их структуре, чтобы сформировать суперпозицию из триллионов различных конфигураций.
Есть ли какие-либо доказательства такого сценария? Апурва Д. Пател, физик из Центра физики высоких энергий Индийского научного института Бангалора, является одним из ведущих мировых экспертов по квантовым алгоритмам — программному обеспечению квантовых компьютеров. Апурва предполагает, что аспекты генетического кода (последовательности оснований ДНК, которые кодируют ту или иную аминокислоту) выдают свое квантовое происхождение[173]. Здесь не самое подходящее место, чтобы вдаваться в технические подробности (а то мы слишком глубоко закопаемся в математику квантовой теории информации), но его идеи не должны нас сильно удивить. В главе 4 мы видели, как в процессе фотосинтеза энергия фотона передается в реакционный центр, следуя по нескольким путям сразу — квантовым случайным блужданием. Затем, в главе 8, мы обсуждали идею квантовых вычислений и вопрос, могла ли жизнь использовать квантовые алгоритмы для повышения эффективности определенных биологических процессов. Аналогичным образом сценарии происхождения жизни, связанные с квантовой механикой, пусть и теоретические, являются не более чем продолжением этих идей: велика вероятность того, что квантовая когерентность в биологии играла такую же роль в происхождении жизни, какую она в настоящее время играет в живых клетках.
Конечно, любой сценарий о происхождении жизни около трех миллиардов лет назад с участием квантовой механики остается весьма теоретическим. Но, как мы уже говорили, и классические объяснения происхождения жизни сталкиваются с проблемами: не так-то легко начать жизнь с чистого листа! Обеспечивая более эффективные стратегии поиска, квантовая механика, возможно, сделала задачу по созданию саморепликатора немного легче. Это почти наверняка не вся история, но квантовая механика может сделать возникновение жизни в тех древних породах Гренландии намного более вероятным.
10. Квантовая биология: жизнь на границе бури
Эпитет «таинственный» чаще других используется для описания мира, где действуют законы квантовой механики. Этот мир на самом деле таинственен. Разве можно назвать обычной теорию, описывающую мир, где объекты способны преодолевать непроницаемые барьеры, находиться в двух местах одновременно или образовывать «призрачные связи»? Тем не менее математические основы квантовой механики логичны и непротиворечивы. Они очень точно описывают мир элементарных частиц и сил, действующих в нем. Таким образом, квантовая механика — это основание физической реальности. Дискретные энергетические уровни, корпускулярно-волновой дуализм, когерентность, запутанность и туннелирование — не п