Жизнь на квантовом краю классической бури

Корабль на море. Буря, гром и молния.

Уильям Шекспир. Буря. Акт I, сцена I, описание места действия

Дают ли все эти новые открытия ответ на вопрос о природе жизни, который несколько десятков лет назад сформулировал Шредингер? Мы приняли во внимание его тезис о том, что жизнь — это система, в которой преобладает порядок, пронизывающий все ее уровни — высокоорганизованных макроскопических организмов, бурного термодинамического океана молекул, из которых состоят макроскопические объекты, и, наконец, квантового уровня — самого основания жизни (см. рис. 10.1). Ключевое значение имеет тот факт, что механизм жизни настроен и сбалансирован настолько тонко, что последствия событий, происходящих на квантовом уровне, могут проявляться в мире видимых объектов, как и предсказывал Паскуаль Йордан еще в 1930-е годы. Подобная чувствительность макроскопического уровня к явлениям квантового мира характерна только для живой материи и позволяет механизму жизни использовать квантовые явления (туннелирование, когерентность, запутанность частиц) в наших с вами интересах.

Но (и это очень большое НО) подобное использование квантового мира в интересах жизни возможно лишь при одном условии — при сдерживании декогерентности. В противном случае система утрачивает квантовые свойства и начинает вести себя строго по законам классической физики или термодинамики, по принципу «порядка из неупорядоченности». В ходе экспериментов ученым удавалось препятствовать декогерентности путем ограждения квантовых реакций от деструктивного шума. В данной главе мы показали, что жизнь, судя по всему, избрала иную стратегию. Жизнь не только не позволяет шуму нарушить когерентность, но и использует его для поддержания связи с миром квантовых явлений. В главе 6 мы метафорично представили жизнь в виде гранитного блока, балансирующего в положении, в котором он может сохранять связь с явлениями квантового мира. По причинам, которые скоро вам станут понятны, в дальнейшем повествовании мы заменим в нашей метафоре гранитный блок парусником.

Для начала представим, что наш парусник стоит в доке, а его киль представляет собой тонкую линию, на которой расположен ряд атомов. В этом достаточно неустойчивом положении наш корабль, как и живая клетка, имеет связь с квантовыми событиями, протекающими на его атомном киле. Туннелирование протона, электронное возбуждение или запутанность частицы могут иметь последствия для всего корабля, например изменить его положение в доке. Однако представим теперь, что капитан нашего судна придумал замечательный хитроумный способ использовать квантовые явления, происходящие на киле (когерентность, туннелирование, суперпозицию, запутанность), для упрощения навигации, когда парусник выходит в открытое море.

И все же не забывайте, что мы все еще находимся в доке и пока корабль никуда не отправляется. Несмотря на то что в таком неустойчивом состоянии парусник может использовать последствия квантового уровня, это состояние подвержено воздействию легчайшего бриза — для корабля, киль которого представляет собой линию атомов, достаточно даже не дуновения ветерка, а прикосновения одной молекулы воздуха, чтобы перевернуться. Инженерный подход к проблеме поддержания корабля на плаву и, следовательно, сохранения связи с квантовыми явлениями, происходящими на киле, подразумевает возведение вокруг корабля защитной камеры, из которой необходимо будет выкачать весь воздух, чтобы ни одна молекула, словно бильярдный шар, не нарушила его равновесие. Инженеру придется также охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы исключить фактор влияния молекулярных колебаний. Однако опытные капитаны знают, что существует еще один способ поддерживать наш парусник на плаву: его нужно отпустить в плавание в бурные термодинамические воды.

Мы принимаем как должное тот факт, что легче поддерживать равновесие судна на воде, а не на суше. Тем не менее, если говорить о молекулярном уровне, мы увидим, что причины более стабильного положения корабля на воде не так уж и очевидны. Мы только что выяснили, что, с точки зрения инженера, сохранить корабль с узким килем в положении равновесия в доке можно лишь в том случае, если нам удастся предотвратить воздействие на него отдельных атомов и молекул. Но море ведь как раз и является средой, которая заполнена атомами и молекулами, хаотично ударяющимися друг о друга и о киль любого корабля, словно бильярдные шары, сталкивающиеся друг с другом и сдвигающие планку, о которых мы говорили в главе 2. Так почему же наш корабль в доке может перевернуться от легчайшего удара крошечной молекулы, а в море остается невосприимчивым к множеству таких ударов?

Ответ на этот вопрос следует искать, снова опираясь на принцип «порядок из неупорядоченности», описанный Шредингером. Корабль действительно будет испытывать триллионы молекулярных ударов по обе стороны борта. Разумеется, в море сохранение равновесия нашего корабля будет зависеть не только от ультратонкого киля, но и от подъемной силы воды. Учитывая многочисленные удары об оба борта корабля, сила воздействия на нос, корму, равно как и на правый и левый борт, будет примерно одинаковой. Итак, плывущие корабли не переворачиваются, поскольку их равновесие сохраняется благодаря триллионам хаотичных ударов молекул о все его борта: это и есть порядок (вертикальное положение судна) из неупорядоченности (триллионы хаотичных ударов молекул, которые бьются о его борта, словно бильярдные шары).

Однако корабли, разумеется, тонут и в открытом море. Представьте, что капитан повел корабль в море в сильный шторм, но экипаж не успел поднять паруса. Теперь волны бьются о борт судна вовсе не в случайном порядке — с обеих сторон на корабль может обрушиться вал, который легко перевернет парусник. Но наш умный капитан знает, как удержать равновесие корабля: он приказывает поднять паруса, чтобы сила ветра удерживала корабль на ровном киле (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Жизнь лавирует на краю квантового и видимого миров. Живая клетка напоминает корабль, киль которого достигает квантового уровня реальности и, следовательно, может использовать последствия таких явлений, как туннелирование или квантовая запутанность, для сохранения собственной жизни. Подобная связь с квантовым миром поддерживается живыми клетками благодаря укрощению термодинамических бурь — молекулярного шума, что помогает поддерживать, а вовсе не нарушать квантовую когерентность

На первый взгляд, подобный маневр капитана кажется противоречивым. Легко предположить, что резкий ветер и непредсказуемые порывы скорее перевернут корабль, нежели будут способствовать поддержанию его хрупкого равновесия — это ведь будут не единичные, а повторяющиеся порывы ветра, которые будут все с большей силой обрушиваться то на правый, то на левый борт. Однако капитан знает, как рассчитать угол между парусом и штурвалом, чтобы ветер и течение действовали против самих себя и сами исправляли крен. Таким образом, он укрощает бурю, чтобы удержать корабль в равновесии.

Жизнь имеет много общего с нашим воображаемым кораблем, плывущим по бушующим волнам видимого мира с опытным капитаном на борту: генетическая программа, которая совершенствовалась на протяжении четырех миллиардов лет эволюции, работает на любых глубинах квантового и видимого уровней жизни. Вместо того чтобы прятаться от бурь, жизнь смело встречает их и укрощает молекулярные шквалы и порывы, чтобы наполнить паруса и удерживать равновесие своего корабля на узком киле, который, опускаясь глубже в термодинамические воды, держит связь с квантовым миром (см. рис. 10.2). Жизнь пускает корни так глубоко, что достигает края квантового мира и использует в своих интересах последствия происходящих там таинственных явлений.

Помогает ли нам данная метафора лучше понять, что есть жизнь? Что ж, мы предлагаем рассмотреть еще одно предположение. Подчеркнем: это лишь предположение, однако мы не можем не высказать его, зайдя так далеко в нашем повествовании о механизмах жизни. Помните вопрос, который мы обсуждали в главе 2? Это был вопрос о различии между живым и неживым. Наши предки считали, что это различие заключается в наличии у живого души. Смерть, полагали они, связана с тем, что душа покидает тело. Механистическая философия Декарта пошатнула позиции витализма и отказалась от понятия души (по крайней мере обосновала ее отсутствие у растений и животных). Тем не менее различие между живым и неживым так и не было сформулировано. Может ли наше новое понимание жизни заменить понятие души понятием «квантовая искра жизни»? Многие могут посчитать, что подобная постановка вопроса является подозрительной и даже в какой-то степени дискредитирует традиционную науку, сближая ее с псевдонаукой и эзотерикой. Мы вовсе не имеем в виду такое сближение. Наоборот, мы предлагаем вашему вниманию идею, которая, как мы надеемся, могла бы стать крупицей научной теории, способной сокрушить мистические и метафизические представления о жизни.

В главе 2 мы сравнили способность жизни сохранять высокую степень организованности с тем хитроумным порядком на бильярдном столе, который поддерживается неупорядоченным движением. Как вы помните, в центре стола находятся шары, уложенные пирамидой, а другие шары беспорядочно катаются по столу, сталкиваясь друг с другом, выбивая шары из пирамиды и тут же ставя на место выбитого новый шар. Наш воображаемый бильярдный стол напоминает термодинамическую систему. Теперь, когда вы узнали много нового о том, как устроена жизнь, вы понимаете, что ее самодостаточность поддерживается сложным молекулярным механизмом ферментов, пигментов, ДНК, РНК и других биомолекул, многие свойства которых зависят от квантово-механических явлений — туннелирования, когерентности и запутанности частиц.

Результаты недавних научных исследований, о которых мы говорили в данной главе, говорят о том, что некоторые из всех многообразных явлений, связанных с квантовым миром (те явления, которые происходят с нашим воображаемым кораблем во время шторма), во многом возможны благодаря удивительной способности жизни укрощать термодинамические бури и поддерживать связь с квантовой реальностью. Однако что происходит в том случае, если термодинамическая буря слишком сурова? Представим, например, что во время бури сломалась мачта нашего метафорического корабля. Что тогда? Не в состоянии управлять порывами термодинамического ветра и ударами волн (белым и цветным шумом) и удерживать киль ровно, корабль-клетка без парусов будет сокрушен бурей. Его будет подбрасывать на волнах, и постепенно он потеряет связь с миром квантовых явлений (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Возможно, смерть живого организма есть не что иное, как разрыв его связи с высокоупорядоченным квантовым миром, после утраты которой организм бессилен сопротивляться случайному воздействию хаотичных термодинамических сил

Когда эта связь будет нарушена, когерентность, запутанность частиц, туннелирование или суперпозиция не смогут влиять на функционирование клетки в макромире, поэтому без опоры на квантовые явления клетка утонет, словно потерявший равновесие корабль, в бушующих термодинамических волнах, превратившись в обычный объект видимого мира, не имеющий спасительных квантовых свойств. Если корабль затонул, ни один шторм не сможет вернуть его на поверхность воды. Возможно, тот же принцип работает и с живым организмом: как только он теряет равновесие в бурном молекулярном океане, никакая буря не сможет восстановить его утраченную связь с миром таинственных квантовых явлений.