Первичный квантовый бульон

Имеется одна смелая идея, которая может объяснить стремительное возникновение первого репликатора. Эта идея опирается на одну из самых контринтуитивных и в то же время эффективных научных теорий — квантовую механику. Поэтому, прежде чем переходить, собственно, к возможной разгадке, нужно познакомиться (вкратце, я обещаю!) с некоторыми положениями этой теории, которая обычно применяется только для описания поведения «обитателей» атомного и субатомного мира. К услугам интересующихся читателей — множество прекрасных научно-популярных книг, где эта тема освещается более глубоко и подробно (в том числе недавние работы о роли квантовой механики в биологии Джима Аль-Ха лили и мои). Квантовая механика знаменита своей парадоксальностью. Частица может пребывать одновременно в двух или более состояниях (так называемая суперпозиция), необъяснимым образом иметь связь с другими, удаленными частицами (квантовая запутанность), без проблем проходить через непроницаемые барьеры (квантовое туннелирование). В настоящее время делается очень многое, чтобы научиться пользоваться этими уникальными возможностями и создать на их основе новые технологии, например квантовый компьютер.

Смысл квантового компьютера в том, что он позволяет решать очень сложные задачи при помощи малого числа частиц. Эквивалентом обычного бита в нем является квантовый бит, или кубит, использующий упомянутую суперпозицию — способность частицы в один момент времени находиться в двух состояниях, иметь две разные энергии или даже два разных спина. Составление строки кубитов в квантовом компьютере дает нам абсолютный параллельный процессор, способный быть одновременно во всех комбинациях состояний 0 и 1.

Какое отношение это имеет к биологии и первому репликатору? В настоящее время наибольшей поддержкой ученых в качестве решения проблемы зарождения жизни является гипотеза РНК-мира. Согласно этому сценарию, живые клетки происходят от более ранней и простой фазы химической эволюции. Первый репликатор не являлся клеткой — это была самовоспроизводящаяся химическая молекула. Она могла напоминать базовую версию биомолекулы, которая, как мы теперь знаем, играет исключительно важную роль в живой клетке, — РНК. Хотя синтезировать такую реплицирующуюся молекулу до сих пор никому не удалось, в большинстве своем это относительно простые структуры, представляющие собой последовательность примерно из сотни химических блоков, так называемых оснований.

Итак, представим себе уникальную молекулу из 100 оснований, обладающую фантастическим свойством — способностью к самокопированию в подходящем по составу первичном бульоне, причем «подходящий» означает «содержащий все необходимые химические ингредиенты». Теперь будущей жизни предстоит решить гораздо менее сложную проблему, чем построение самокопирующейся клетки. Достаточно сконструировать реплицирующуюся протомолекулу, а дальше естественный отбор разгонит на ее основе эволюцию более сложных форм жизни.

Молекула РНК устроена гораздо проще целой клетки, что облегчает математическое моделирование. Каждая цепочка РНК состоит из четырех видов азотистых оснований, которые могут соединяться друг с другом в любых комбинациях. И каждое из четырех оснований может находиться в молекуле в любой из 100 позиций, что дает 4100 возможных структур. Это чудовищно много — это единица с шестьюдесятью нулями, так что в любом первичном пруду может быть лишь крохотная часть всех возможных РНК-последовательностей, и вероятность того, что среди них окажется тот самый проторепликатор, крайне мала. Жизнь все так же «тяжела на подъем».

Чтобы понять, как могла бы справиться с этой проблемой квантовая механика, представим каждую возможную молекулярную цепочку оснований как последовательность нулей и единиц — или как серию бросков монеты, при каждом из которых может выпасть орел или решка. Искомая протомолекула-репликатор — это уникальная последовательность орлов и решек в серии. Теперь запишем первичную цепочку кубитами, а не битами. Это проще, чем кажется, поскольку кодирующая способность такой молекулы обеспечивается определенным типом химической связи — водородной связью, которая, в сущности, представляет собой протон, соединяющий два атома. Как заметил больше 50 лет назад физик Пер Олов Левдин, генетический код ДНК или РНК в таком случае представляет квантовый код позиций протона. Самое главное, протоны, как и другие квантовые частицы, могут туннелировать (как вы помните, это одно из удивительных свойств квантового мира, позволяющее частицам проникать через непреодолимые, в понимании классической физики, барьеры) из одной кодовой позиции (нуль, орел) в другую (единица, решка).

Попробуем использовать эту схему для решения проблемы зарождения жизни. Представим протогенетический материал в виде последовательности кубитов, а не битов, покидая, таким образом, область сложного поиска химических соединений и переходя к задаче, решаемой с помощью квантовых вычислений. Вспомним, что каждая цепь кубитов, соответствующая отдельной молекуле, может существовать в виде квантовой суперпозиции всех возможных конфигураций. Очень малый компонент этой громадной квантовой суперпозиции и будет той особой молекулой — искомым репликатором. Так что он обязательно встретится даже в крохотном первичном прудике — если, конечно, это квантовый пруд.

Разумеется, квантовое состояние очень неустойчиво и быстро сводится лишь к одной определенной конфигурации, которая почти гарантированно не имеет правильной последовательности молекул, чтобы самореплицироваться. Казалось бы, мы ничего не выигрываем по сравнению с классическим представлением о случайном переборе возникающих и распадающихся молекулярных структур. Но все дело в том, что проба очередной конфигурации без участия квантовой механики всякий раз задействует чрезвычайно медленный процесс разрушения и перестройки молекулярных связей. Напротив, после коллапса квантового состояния молекулы каждый ее протон практически сразу готов к очередному туннелированию в суперпозицию обеих позиций и восстановлению исходной квантовой суперпозиции всех возможных кодирующих структур. Квантовая протомолекула-репликатор способна повторять поиск механизма создания собственных копий в квантовом мире непрерывно и невероятно быстро.

Итак, пока система может вернуться в квантовый мир, обретение и разрушение состояния квантовой суперпозиции является процессом обратимым и намного более быстрым, чем классический процесс образования и разрушения химических связей.

Непрерывную квантовую орлянку прерывает одно событие. Как только квантовая реплицирующаяся протомолекула коллапсирует в то самое — редчайшее — требуемое состояние, она начинает делать свои копии — и это невозвратно переводит всю систему из квантового в классический мир. Это тонкий момент: в терминологии отца квантовой механики Нильса Бора — «необратимый акт амплификации». Создав свою копию, квантовая монета навсегда лишается возможности восстановить исходное состояние, и первая автокопия возникает уже в классическом мире.

Таким образом, благодаря квантовой механике немыслимо трудный поиск протомолекулы-репликатора становится несравненно более эффективным, чем в рамках классической химии. Чтобы сработал квантовый сценарий, первичная биомолекула — искомый проторепликатор — должна обладать способностью исследовать великое множество различных структур посредством квантового туннелирования своих частиц в разные позиции. Знаем ли мы молекулу, владеющую этим умением? Да, знаем! Это биомолекулы живых клеток, электроны и протоны которых до сих пор отличаются относительно слабой связью, что и позволяет им туннелировать в различные позиции. Как я уже говорил, протоны ДНК и РНК также способны туннелировать. Следовательно, первичный репликатор должен был напоминать молекулу РНК, собранную в нежесткую конструкцию водородными связями и слабыми электронными связями, позволяющими частицам вольно перемещаться по всей структуре и формировать суперпозицию триллионов возможных конфигураций.

Разумеется, и этот сценарий сопряжен со многими трудностями. Но, как уже было отмечено, большие трудности испытывают любые попытки раскрыть тайну происхождения жизни. Зато квантовая теория способна объяснить, каким образом жизнь могла развиться на Земле так быстро. И если квантовая механика действительно отвечает на вопрос, откуда взялся первый земной репликатор, тогда нет причин считать, что она не могла бы сыграть такую же роль на других планетах. Конечно, в инопланетных мирах могут быть другие условия — в плане атмосферы, химического состава океанов, геологических циклов и т.д. Но возникновение самокопирования — универсальное правило, которое в иных мирах могло породить уникальные решения в соответствии с местными условиями и ресурсами. Способность квантовой механики одновременно опробовать множество вариантов решения в принципе решает проблему создания репликатора в любом мире. Инопланетная жизнь, одной ногой стоящая в квантовом мире, действительно может оказаться нормой во Вселенной.