Одиноки ли мы во Вселенной? Ведущие учёные мира о поисках инопланетной 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.