Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

Таким образом, если поиск самовоспроизводящихся машин не помогает нам в нашем стремлении обнаружить, насколько проста или сложна саморепликация, мы можем отойти от материального мира и изучить этот вопрос в компьютерах, где наши беспорядочные и сложные в получении химические вещества можно заменить простыми строительными блоками цифрового мира, а именно битами, которые могут иметь только значение 1 или 0. А байт данных, состоящий из 8 бит, представляет один символ текста в компьютерном коде и может быть примерно приравнен к единице генетического кода — ДНК- или РНК-основанию. Теперь мы можем задать вопрос: среди всех возможных строк байтов насколько часто появляются те, которые могут копировать сами себя на компьютере?

Здесь у нас есть огромное преимущество, так как самовоспроизводящиеся строки байтов на самом деле являются довольно распространенным явлением: мы знаем их как компьютерные вирусы. Это сравнительно короткие компьютерные программы, которые могут заразить наши компьютеры, убедив их процессоры делать кучу копий. Эти компьютерные вирусы затем проникают в нашу электронную почту, чтобы заразить компьютеры наших друзей и коллег. Так что, если мы рассматриваем память компьютера как своего рода цифровой «первичный бульон», то компьютерные вирусы можно считать цифровым эквивалентом первичных саморепликаторов.

Один из самых простых компьютерных вирусов, Tinba, имеет длину всего 20 килобайт: он очень короткий по сравнению с большинством компьютерных программ. Тем не менее Tinba успешно атаковал компьютеры крупных банков в 2012 году, проникая в браузеры их сотрудников и воруя регистрационные данные; можно сказать, этот вирус был грозным саморепликатором. В то время как 20 килобайт — мало для компьютерной программы, это тем не менее относительно длинная последовательность цифровых данных: с 8 битами в байте он соответствует 160 тысячам бит информации. Поскольку каждый бит может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), мы можем легко вычислить вероятность случайного генерирования конкретных строк в двоичной системе. Например, шансы создания конкретной трехбитной строки, скажем, 111, составляет 1/2 × 1/2 × 1/2, или 1 к 23. Следуя той же математической логике, можно сказать, что воссоздать случайно определенную строку в 160 тысяч бит (длина вируса Tinba) можно с вероятностью 1 к 2120 000. Это умопомрачительно малое число, и это свидетельствует о том, что Tinba не мог возникнуть только благодаря случаю.

Может быть, здесь, аналогично тому как мы предполагали для молекул РНК, очень много самовоспроизводящихся кодов, которые намного проще, чем Tinba, и которые могли бы возникнуть случайно. Но если бы это было так, то, конечно, компьютерные вирусы в настоящее время возникали бы спонтанно из всех несметных гигабайтов компьютерного кода, передаваемого в Интернете каждую секунду. Большинство из этих кодов, по большому счету, просто последовательности единиц и нулей (подумайте обо всех изображениях и фильмах, которые загружаются каждую секунду). Эти коды ориентированы на то, чтобы поручать нашим процессорам выполнение основных операций, например копирования или удаления. До сих пор все компьютерные вирусы, которые когда-либо заражали чей-то компьютер, показывали безошибочные признаки человеческого вмешательства. Насколько нам известно, гигантский поток цифровой информации, который протекает по всему миру каждый день, никогда спонтанно не генерировал компьютерные вирусы. Даже в рамках благоприятной для репликации среды компьютера саморепликация сложна и, насколько нам известно, никогда не происходила спонтанно.

Сможет ли помочь квантовая механика

Этот экскурс в цифровой мир демонстрирует существенную проблему в поисках происхождения жизни, которая сводится к характеру поисковой системы, используемой для приведения необходимых ингредиентов к правильной конфигурации для формирования саморепликаторов. Независимо от химических веществ, которые были доступны в «первичном бульоне», они должны были исследовать огромное пространство возможностей, прежде чем дойти до чрезвычайно сложного самовоспроизведения. Может быть, наша проблема в том, что мы ограничились поиском по правилам классического мира? Возможно, вы помните из главы 4, что квантовые теоретики в МТИ (Массачусетском технологическом институте) изначально были весьма скептически настроены по поводу отчета New York Times о том, что растения и микробы способны к квантовому поиску. Но в конце концов они пришли к идее, что фотосинтезирующие системы действительно реализовывали квантовую стратегию поиска, или квантовое блуждание. Многие исследователи, включая нас самих[172], изучали идею о том, что происхождение жизни могло аналогичным образом быть связано с каким-то квантовым сценарием поиска.

Представьте себе крошечный первичный пруд, заключенный в полостях серпентиновых пород, изверженных из грязевого вулкана под древним морем в Исуа 3,5 миллиарда лет назад, когда формировались гнейсовые слои Гренландии. Вот он, дарвиновский «небольшой теплый пруд со всеми видами солей аммония и фосфорной кислоты, со светом, теплом, электричеством и т. д., так чтобы химически могло сформироваться белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям…». Как раз здесь оно и могло сформироваться. Теперь представьте, что одно «белковое соединение» (это с легкостью может быть и молекула РНК), полученное в ходе химических процессов, обнаруженных Стэнли Миллером, является своего рода протоферментом (или рибозимом), который имеет некоторую ферментативную активность, но пока еще не является самовоспроизводящейся молекулой. Далее представьте, что некоторые из частиц в этом ферменте могут перемещаться на разные позиции, но не имеют возможности сделать это из-за классических энергетических барьеров. Однако, как мы уже говорили в главе 3, и электроны и протоны способны к квантовому туннелированию через энергетические барьеры, которые запрещают их классическую передачу, — функция, ключевая в действии фермента. По сути, электрон или протон существуют по обе стороны барьера одновременно. Если мы представим себе, что это происходит в наших протоферментах, то сможем ожидать различные конфигурации — нахождение частицы по обе стороны от энергетического барьера, — которые связаны с различными видами деятельности ферментов, то есть способностью к ускорению различных типов химических реакций, возможно, в том числе и самовоспроизведения.

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.