Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

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 просто интересные идеи, которые касаются только ученых, работающих в физических лабораториях со сложным оборудованием. Они так же реальны и обычны, как яблочный пирог, испеченный бабушкой, и, кстати говоря, все эти процессы протекают внутри яблочного пирога. Квантовая механика — обычное явление. Таинственным является тот мир, который она описывает.

Тем не менее, как мы уже говорили, большинство особенностей вещества, противоречащих здравому смыслу и присущих квантовому миру, теряются в структуре больших объектов, для которой характерна весьма неспокойная термодинамика. Утрата квантовых свойств происходит в процессе, который мы называем декогерентностью. За чертой декогерентности лежит знакомый нам мир, в котором действуют законы классической физики. Итак, мы можем изобразить структуру физической реальности в виде трех уровней (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Три уровня реальности. На верхнем уровне находится мир видимых объектов — например, падающих яблок, пушечных ядер, поездов и самолетов. Движение видимых объектов описывается законами ньютоновской механики. Ниже расположен уровень, где действуют термодинамические законы, описывающие взаимодействие частиц, движущихся в структуре вещества беспорядочно, подобно бильярдным шарам. Этот уровень отвечает также за действие принципа «порядок из неупорядоченности», который распространяется на объекты видимого мира, например паровые двигатели. Еще ниже находится уровень элементарных частиц — сфера действия стройных квантовых законов. Свойства объектов видимого мира, поддающиеся наблюдению, обусловлены особенностями либо ньютоновского, либо термодинамического уровня. Свойства живых организмов связаны с квантовой основой нашей реальности

На верхнем уровне находятся макроскопические объекты, с которыми мы имеем дело каждый день (например, футбольные мячи, поезда, планеты). Поведение таких объектов подчиняется законам ньютоновской механики, основные понятия которой всем вам знакомы: скорость, ускорение, инерция, сила. На среднем (термодинамическом) уровне находятся жидкости и газы, к описанию которых также применимы классические законы Ньютона. Тем не менее, как отметил Шредингер и как мы с вами узнали из главы 2, термодинамические законы, описывающие, например, расширение газа при нагревании или работу парового двигателя, толкающего поезд вверх по склону холма, основаны на принципе «порядка из неупорядоченности». Этот хаос, как вы помните, создается беспорядочным толканием миллиардов атомов и молекул, напоминающих бильярдные шары. На третьем, самом глубоком уровне расположена основа физической реальности — квантовый мир. В этом мире поведение атомов и молекул, а также частиц, из которых они состоят, подчиняется точным и упорядоченным правилам не классической, а квантовой механики. Однако большинство квантовых странностей скрыто от человеческого глаза. Кое-что открывается лишь тогда, когда мы наблюдаем отдельные молекулы, как в случае эксперимента с двумя щелями: мы можем увидеть глубоко сокрытые квантовые законы в действии. Поведение объектов, описываемое этими законами, кажется нам непонятным, поскольку мы видим реальность сквозь призму декогерентности, лишающей большие объекты таинственных свойств.