Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

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.