Записано в коде: мутации днк

 

Может ли квантовая механика быть одним из инструментов эволюции? Этот вопрос уже несколько лет интересует двух сотрудников Университета Суррея – биолога Джонджо Макфаддена и физика Джима Аль-Халили.

Эволюция работает через создание вариаций в цепочке ДНК посредством мутаций. Фактически неправильное звено вставляется в молекулу ДНК во время ее репликации. Затем естественный отбор берет на себя фильтрацию полезных мутаций.

В основе двуспиральной структуры молекулы ДНК лежат водородные связи, удерживающие спирали вместе и основанные на отдельных протонах, поделенных между парами звеньев двойной спирали. Это означает, что молекула ДНК, этот схематический план жизни, написана на языке квантовой механики. В 70-е годы XX века шведский физик Пер-Олаф Лоудин предположил, что квантовое туннелирование кодирующих протонов может стимулировать мутации в ДНК. Множество проведенных исследований показало, что теоретически это осуществимо; но до сих пор никто не реализовал этот механизм на практике.

 

 

Может ли квантовая биология привести к новому определению жизни?

Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии» (2014) утверждают, что способность поддерживать когерентные квантовые состояния длительное время является обязательным условием для жизни и что определение жизни должно включать квантовые фокусы, которые проделывают клетки. Они заявляют, что именно это делает жизнь отличающейся от чего-либо другого. Макфадден признает, что на данный момент это лишь гипотетическое утверждение, не имеющее реальных подтверждений, но он надеется, что в конце концов будет найден способ его проверки с помощью достижений синтетической биологии, где новые формы жизни создаются искусственно.

 

 

Где мы окажемся?

 

Случайный молекулярный шум обычно разрушает квантовые эффекты в неживых системах. Как тогда они выживают в горячих, сырых и к тому же живых клетках с молекулярным шумом? Одной из наиболее удивительных и интригующих особенностей квантовой биологии является то, что жизнь, кажется, обнаружила способы использования молекулярного шума для поддержания, а не разрушения квантовой когерентности. Это на самом деле может быть одним из фундаментальных атрибутов жизни. Благодаря молекулярному шуму жизнь может существовать на границе между квантовым и классическим мирами.

 

 

В поисках квантового мозга

 

Использует ли мозг квантовую механику? С одной стороны, конечно, да. Мозг состоит из атомов, а атомы подчиняются законам квантовой физики. Но как быть со смежным вопросом о том, могут ли странные свойства квантовых объектов – нахождение в двух местах одновременно, внешне мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии и т. д. – объяснить все еще до конца не изученные аспекты познавательной способности человека? Это, оказывается, и в самом деле довольно спорный вопрос.

 

Главное возражение исходит от «бритвы Оккама» – утверждения, что наилучшее объяснение обычно самое простое. С этой точки зрения нынешние неквантовые идеи о работе мозга прекрасно справляются со всеми вопросами, и у нас нет необходимости прибегать к квантовой физике для объяснения познания. Однако физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) в этом не так уверен и указывает на то, что имеющиеся представления о воспоминаниях отнюдь не безупречны. Например, они хранятся в архитектуре нейронных сетей или в соединениях между нейронами? Почему бы не поискать квантовые объяснения получше?

Возможно, все дело в том, что где-то мы это уже видели. В 1989 году Роджер Пенроуз, математик из Оксфордского университета, предположил, что никакая стандартная классическая модель вычислений не сможет объяснить, как мозг порождает мышление и сознательный опыт. Его идея заинтриговала многих, особенно работающего в Университете штата Аризона анастезиолога Стюарта Хамероффа, предложившего особый способ вовлечения квантовых эффектов.

 

Одновременные ответы

 

Суть этой идеи коренилась в микротрубочках – белковых трубках, составляющих скелет нейронов, – использующих квантовые эффекты, чтобы одновременно существовать в «суперпозициях» двух разных форм. Каждая из этих форм равносильна биту классической информации, так что этот меняющий форму квантовый бит, или кубит, может хранить в два раза больше информации, чем его классический аналог.

Добавьте в эту смесь запутанность – квантовую особенность, позволяющую состояниям кубитов оставаться переплетенными, даже когда они не находятся в контакте, – и вы сможете быстро собрать квантовый компьютер, способный гораздо эффективнее взаимодействовать с информацией, чем любой классический. Фактически Пенроуз предположил, что именно принцип, по которому такой компьютер может приходить к нескольким ответам одновременно и комбинировать эти ответы разными способами, как раз объяснит исключительный талант мозга (см. рис. 6.2).

 

Рис. 6.2. Принцип работы квантового компьютера сравнивают с принципом работы мозга.

 

Пенроуз и Хамерофф совместно работали над этой идеей: они, как и некоторые другие ученые, одно время считали ее разумной. Но вскоре начали появляться проколы. С точки зрения физика самой фундаментальной проблемой было время когерентности. Суперпозиция, как и запутанность, является чрезвычайно хрупким явлением. Представьте себе живую пирамиду из каскадеров, проезжающих по высокому канату на одноколесном велосипеде, и вы поймете, о чем идет речь. Малейший дисбаланс – и пирамида рассыпается. Если говорить о квантовой системе, то она будет «декогерировать» к классическому состоянию при возмущении теплотой, механическими колебаниями или чем-то еще. Информация, хранящаяся в квантовых состояниях, в результате чаще всего рассеивается в окружающую среду.

В течение двух десятилетий эта проблема препятствовала попыткам физиков, включая Фишера, сконструировать квантовый компьютер хоть сколько-то значительного размера. Даже при криогенном охлаждении и механической изоляции сложно поддерживать когерентность сетей из кубитов достаточно долго, чтобы сделать что-то, превосходящее возможности классических компьютеров. В теплом сыром мозге с его бульоном из подрагивающих, толкающихся молекул это становится почти невозможным. Нейроны удерживают информацию всего несколько микросекунд во время ее обработки, но вычисления показывают, что суперпозиции микротрубочек будут длиться всего лишь от 10–13 до 10–10 секунд.

 

Эволюция

 

Фишер, как и многие другие, разделял этот скептицизм. Но вместе с тем он размышлял, не было бы ли странным, что эволюция это просто не проработала? У нее были миллиарды лет, чтобы «открыть» квантовую механику, к тому же изящный молекулярный механизм позволяет жизни ее использовать. Даже если электрические импульсы, идущие по нейронам внутри мозга, – что хорошо описывается классической физикой – являются непосредственной основой мышления и памяти, спрятанный квантовый уровень может определять, в частности, как эти нейроны связываются друг с другом и срабатывают.

Личный интерес к теме возник у Фишера довольно опосредованно, когда он размышлял над устойчивостью психических расстройств близких ему людей и над эффективностью лекарств, используемых для их лечения. Изначально предметом интереса Фишера был литий – ингредиент многих стабилизаторов настроения. Изучая научную литературу, он наткнулся на один подробный доклад 1986 года, который заставил его задуматься. В этом документе был описан опыт, в котором крысы получали один из двух устойчивых изотопов лития – литий-6 и литий-7. Когда наступала пора ухаживаний, заботы о крысятах, постройки жилища и других мероприятий брачного сезона, получившие литий-6 были гораздо активнее, чем их соплеменники из контрольной группы или накормленные литием-7.

Именно эта статья навела Фишера на мысль, что, возможно, настало время вновь обратиться к столь волнующей его проблеме квантового сознания. Все атомные ядра, как и составляющие их фундаментальные частицы, имеют квантово-механическое свойство, называемое спином. Грубо говоря, спин является количественной мерой того, насколько ядро «чувствует» электрические и магнитные поля: чем больше спин, тем сильнее взаимодействие. Ядро с минимально возможным значением спина 1/2 практически не чувствует электрическое поле и очень слабо взаимодействует с магнитным. В окружающей среде вроде мозга, где электрические поля изобилуют, ядра со спином 1/2 будут странно изолированы от возмущений.

 

Дело в спине

 

Ядра со спином 1/2 не часто встречаются в природе, и вот в чем дело. Значение спина лития-6 равно 1, но известно, что в химической среде, наподобие мозга или соляного раствора в воде, наличие дополнительных протонов молекул воды заставляет литий-6 вести себя как ядро со спином 1/2. Опыты, проведенные еще в 70-е годы XX века, отметили, что ядра лития-6 могут удерживать свой спин в течение аж пяти минут. Если есть элемент квантового контроля над операциями мозга, рассуждал Фишер, то успокаивающие эффекты лития могут быть связаны с внедрением этих необычайно когерентных ядер в химию мозга.

И это еще не все. Литий-6 не встречается в мозге в естественных условиях, но одно ядро со спином 1/2 в нем все же имеется и является активным участником многих биохимических реакций – это фосфор.

После изнурительных вычислений времени когерентности различных молекул с фосфором в биологических средах Фишер публично заявил, что нашел кандидата в кубиты – это структура с фосфатом кальция, известная как молекула Познера, или кластер Познера. В 1975 году она была обнаружена в костной ткани, а также плавала около нее, когда искусственно созданную биологическую жидкость – то есть воду с добавлением биологических молекул и минеральных солей – подготавливали в лаборатории.

Измерив время когерентности для этих молекул, Фишер получил результат в колоссальные 105 секунд – целые сутки. Он также определил по крайней мере одну химическую реакцию в мозге, которая, по его мнению, будет производить запутанные, когерентные состояния ядерных спинов внутри молекулы Познера. Этот процесс также участвует в поглощении кальция и метаболизме жиров, который использует энзим под называнием «пирофосфатаза». Данный энзим разрушает структуру, состоящую из двух ионов фосфата, производя два отдельных иона. Теоретически ядерные спины по крайней мере в этих двух ионах должны быть квантово запутанными. Выпустите их в жидкость, окружающую клетки, и они смогут соединяться с ионами кальция, образуя молекулы Познера.

Если все выполнено верно, внеклеточная жидкость мозга может быть заполнена сложными кластерами высокозапутанных молекул Познера. Как только они попадают внутрь нейронов, эти молекулы могут начать менять характер сигнала и ответа клеток, начиная формировать мысли и воспоминания (см. рис. 6.3).

 

Рис. 6.3. Кластеры Познера, которые, как считается, имеются в мозге и содержат шесть атомов фосфора, спиновые состояния которых могут быть квантово-запутанными – возможно, именно они влияют на наше мышление и запоминание.

 

Фишер опубликовал подробности своего исследования в журнале «Анналы физики» в 2015 году. Существенная часть данных, признает он, еще не проходила должную проверку. Целью первого испытания будет выяснить, существуют ли молекулы в реальных внеклеточных жидкостях. Если да, то могут ли они быть запутанными? И это всего лишь один из множества спорных вопросов в этой области.

 

Сознание

 

Пенроуз – что вполне предсказуемо – по-прежнему увлечен этой идеей. Однако ему все еще импонирует его гипотеза микротрубочек, а новое предположение кажется всего-навсего дополнением, допускающим долговременную память. С точки зрения Пенроуза, сознание связано с гравитацией, действующей на квантовые состояния и тем самым вызывающей их декогеренцию; микротрубочки гораздо тяжелее ядер, а значит, являются более вероятной причиной этого взаимодействия, говорит он.

Вопросы продолжают поступать. Может ли причиной потери памяти после удара по голове стать декогеренция, к которой он привел? Является ли ядерный спин условием, допускающим изменение состояния мозга трансчерепной магнитной стимуляцией, запускающей магнитное поле по мозгу?

 

 

Больше нечеткой логики

Эрвин Шрёдингер предполагал, что человеческий разум находится за пределами нашего понимания, – но квантовая механика может помочь нам понять, как именно мы думаем.

Человеческое мышление, как многие знают, часто отказывается следовать принципам классической логики. Имея дело, например, с вероятностями, мы систематически допускаем ошибки. Но недавние исследования показали, что эти ошибки на самом деле являются частью более масштабной логики, основанной на квантовой механике. Эта логика, видимо, вполне естественно согласуется с тем, как люди связывают идеи вместе, часто на основании смутных ассоциаций и расплывчатых границ. Вследствие этого поисковые алгоритмы, основанные на квантовой логике, могут находить смысл в массивах текста гораздо эффективнее классических.

Может показаться нелепым обращение к математике квантовой теории за объяснением природы человеческого мышления. Это вовсе не означает, что в мозге обязательно должно происходить что-то квантовое. На самом деле эта «квантовая» математика совсем не подчиняется физике и лучше классической математики улавливает нечеткий и гибкий алгоритм, использующийся человеком для интерпретации идей.

Один из примеров вызова, брошенного классической логике человеческим мышлением, был продемонстрирован в 90-е годы XX века психологами Эймосом Тверски из Стэнфордского университета и Эльдаром Шафиром из Принстонского университета в ходе двухэтапного игорного эксперимента. Они показали, что, даже если исход второго этапа не зависит от первого, решение испытуемого принять участие во втором розыгрыше зависит от самого факта того, сообщили ли ему об итогах первого, причем зачастую не имеет значения, победил он или нет. Но этот результат нарушает классическую логику.

Этот и другие эксперименты доказывают, что люди нелогичны, по крайней мере по классическим стандартам. Но квантовая теория предлагает более широкое восприятие логики и может стать эффективной основой для моделирования принятия решения человеком. Кажущиеся алогичными решения, продемонстрированные, к примеру, Тверски и Шафиром, можно объяснить с использованием моделей, основанных на квантовой интерференции.

Но есть и другая проблема: как обучить компьютеры находить значение данных аналогично тому, как это делают люди? Если вы хотите исследовать такую тему, как, например, story of rock, подразумевая геофизику и образование скал, то вам не понравится искать нужную информацию среди миллионов сайтов, посвященных рок-музыке, которые выдаст поисковая система. Один из способов – включить в поисковый запрос -songs, чтобы убрать все страницы с упоминанием песен. Этот знак называется оператором отрицания, его использование основано на классической логике. И хотя ситуация улучшилась, на поисковой странице по-прежнему будет множество сайтов о рок-музыке, в которых просто не упоминалось слово songs. Исследование Доминика Виддоуса, специалиста в области компьютерных наук, показало, что отрицание, основанное на квантовой логике, работает гораздо лучше.

Это согласуется с точкой зрения некоторых психологов, утверждающих, что строгая классическая логика играет не слишком существенную роль в человеческой интеллектуальной деятельности, где бóльшая часть нашей умственной деятельности в основном работает на бессознательном уровне, а мышление следует менее строгой логике и образует свободные ассоциации между понятиями.

 

 

В поисках реальности

 

При всей своей феноменальной точности квантовая теория в ее нынешнем виде остается далеко не полной. Она была создана главным образом для того, чтобы объяснить таинственные результаты опытов, но ее математические основания шатки и обрывочны. Есть ли способ сделать их монументальными или же нам все же придется снести это сооружение в пользу чего-то нового?

 

Щупая таинственность

 

Квантовая теория – это наша наиболее фундаментальная физическая теория, имеющая на своем счету множество экспериментальных и практических успехов (см. главы 4 и 5). Однако многие замечают, как сильно возросло количество нерешенных проблем, что вынуждает воспринимать ее скорее как приблизительную схему реальности, чем нечто бÓльшее. Наиболее сложная из них поднимает вопрос масштабов, оставленный квантовой теорией открытым: где кончается квантовый мир и начинается классический? Благодаря новому поколению экспериментов, разрабатываемых сегодня, мы наконец-то обладаем достаточной чувствительностью, чтобы узнать ответ.

 

Возьмем странное явление суперпозиции. Его самое известное проявление – это двухщелевой эксперимент, в котором фотон в отсутствие наблюдения проходит через две щели одновременно и каким-то образом интерферирует сам с собой (см. главу 2). Другими словами, пока никто на него не смотрит, фотон существует в двух разных местах одновременно.

Ситуация аналогична происходящей с котом Шрёдингера. Чтобы показать, что с квантовой теорией что-то не так, Шрёдингер придумал странный сценарий. Невозможно, говорит он, чтобы что-то неквантовое, например кот, находилось в суперпозиции жизни и смерти при условии, что его наблюдают или нет. Но с тех пор исследователи доказали, что молекулы C70 тоже могут проходить через две щели одновременно. Хотя эти похожие на футбольные мячи молекулы не столь заметны, как коты, тем не менее их можно увидеть в микроскоп.

Такие эксперименты крайне полезны для объяснения нам того, что представляет собой вещество. Они показали, например, что если условия позволяют наблюдателю выяснить, через какую щель прошел фотон (скажем, в установке были случайные фотоны, которые могли оттолкнуться от исследуемого и тем самым выдать его положение), то суперпозиция исчезнет. Это разрушение, или коллапс, суперпозиции известно как декогеренция.

Исследование обстоятельств возникновения декогеренции позволило нам узнать больше о том, что заставляет крутиться шестеренки квантового мира. Однако это все еще капля в море реального знания. И здесь мы наталкиваемся на новую сложную проблему – квантовую логистику.

 

Квантовые машины

 

Преодоление границы между квантовым миром и миром классической физики означает использование все более крупных молекул, чтобы понять, на каком уровне декогеренция разрушает суперпозицию. Но чем больше молекула, тем сложнее контролировать внешние силы, не давая им разрушить хрупкое квантовое состояние молекулы. На уровне больших молекул правят неконтролируемые эффекты декогеренции, искажая само явление, которое вы хотите измерить.

Именно там оказываются полезными квантовые машины. На данный момент они, конечно, не производят впечатления мощных суперкомпьютеров будущего. Крупнейшая из них немногим больше алюминиевой полоски длиной в 50 микрометров. Она функционирует как осциллятор – так называемый квантовый камертон. Главный ее смысл – в массе. Даже сравнительно большие группы атомов углерода, использующиеся сегодня, просто пушинки в сравнении с массой, которая будет у квантовой машины (см. рис. 7.1).

 

Рис. 7.1. Масса имеет значение: квантовые машины на порядки массивнее всего, что демонстрировало квантовое поведение прежде, например электронов и молекул.

 

Масса квантового объекта играет важную роль в некоторых альтернативных объяснениях механизмов работы квантового мира. В 2003 году математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз предположил, что гравитация может привести к коллапсу суперпозиции. Он считает, что в конечном счете мы будем вынуждены объединить уравнение Шрёдингера, описывающее квантовые частицы, понимание процесса измерения и принципы теории гравитации Эйнштейна в одну теорию. По мнению Пенроуза, каждая из этих трех сторон реальности будет рассматриваться только как приближение к более глубокой фундаментальной правде (см. главу 8).

Для проверки подобных идей, однако, потребуются квантовые машины с фактически недостижимым уровнем чувствительности. Необходимый прибор включает в себя зеркала шириной в 10 микрометров и массой всего лишь в несколько триллионных долей килограмма, а также механизмы, способные регистрировать смещения менее чем в миллиардные доли миллиметра. Такие квантовые машины стали бы огромным шагом к наблюдениям подлинно макроскопических объектов в двух местах одновременно. Если мы сможем их реализовать, то у нас будет механический аналог кота – и живого, и мертвого. Но нам еще многое предстоит сделать, прежде чем мы действительно будем готовы разрешить этот парадокс.