Квантовые аспекты функционирования биологических структур


                КВАНТОВЫЕ АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР




Монография под редакцией
Д. Эбботта, П. Дэвиса, А. Пати
Перевод с английского
А.Д. Калашникова








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

Д. Эбботт, П. Дэвис, А. Пати (ред.)
  Квантовые аспекты функционирования биологических структур. Монография: Пер. с англ.: Научное издание / Д. Эббот, П. Дэвис, А. Пати (ред.) — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 320 с.
  ISBN 978-5-91559-100-3


  Книга представляет собой коллективную монографию авторов, являющих специалистами в самых различных областях, связанных с биологией и биотехнологиями, квантовыми вычисле

ниями и нанотехнологиями.
  В ней представлены различные мнения относительно горячо обсуждаемого ныне вопроса, играет ли квантовая механика нетривиальную роль в биологии. Такие вещи, как нанотехнологии, биотехнологии, квантовые технологии в настоящее время тесно переплетаются. Живая клетка представляет собой систему, реплицирующую и обрабатывающую информацию. Эти действия совершаются с помощью природных наномашин, достигших определённого уровня совершенства в процессе эволюции. Эти наномашины неизбежно потребуют квантовомеханического описания.
  Книга предназначена для студентов и научных сотрудников, область интересов которых затрагивает нанотехнологии, биоинформатику, молекулярную биологию и генетику.

ISBN 978-5-91559-100-3

ISBN 978-1-84816-267-9 (англ.)

   © 2008 by Imperial College Press
                                     © 2014, 000 Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ















Глава 1
КВАНТОВОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ? (Пол Ч.В.Дэвис) .......................................9
   1.1. Химия и информация........................... 11
   1.2. Q-жизнь...................................... 13
   1.3. Проблема декогерентности..................... 16
   1.4. Жизнь как «решение» квантового алгоритма поиска........................................... 18
   1.5. Квантовая хореография.........................22
   Благодарности......................................25
   Об авторе..........................................25

Глава 2
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ВОЗНИКНОВЕНИЕ СЛОЖНОСТИ ( Сет Ллойд)................................27
   2.1. Биты..........................................28
   2.2. Перевороты монеты.............................29
   2.3. Вычислительная вселенная......................31
   2.4. Порождение сложности......................... 34
   2.5. Человеческая перспектива......................38
   2.6. Квантовая перспектива.........................39
   Об авторе..........................................40

—I Оглавление

Глава 3

КВАНТОВАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ И ПОИСК ПЕРВОГО РЕПЛИКАТОРА (Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден)........41
   3.1. Когда началась жизнь?............................41
   3.2. Где началась жизнь?..............................42
   3.3. Откуда взялись биомолекулы?......................43
   3.4. Какова природа самого первого саморепликатора?...45
   3.5. Гипотеза РНК-мира................................47
   3.6. Квантово-механическое происхождение жизни........49
       3.6.1. Динамическая комбинаторная библиотека..... 50
       3.6.2. Модель двойной потенциальной ямы.......... 53
       3.6.3. Декогеренция.............................. 54
       3.6.4. Репликация как измерение.................. 55
       3.6.5. Обход декогеренции........................ 56
   3.7. Выводы........................................... 58
   Об авторах............................................58

Глава 4
МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАНТОВОЙ ДЕКОГЕРЕНЦИИ
В БИОМОЛЕКУЛАХ (Жак Ботма, Джоэл Гилмор и Росс МакКензи) ........................................60
   4.1. Введение.........................................60
   4.2. Масштабы  времен и энергий.......................62
   4.3. Модели квантовых термостатов и декогеренции......64
       4.3.1. Спин-бозонная модель...................... 65
       4.3.2. Модель независимых бозонов................ 67
       4.3.3. Гамильтониан Калдейры—Леггетта............ 68
       4.3.4. Спектральная плотность.................... 69
   4.4. Спектральная плотность в различных непрерывных моделях окружения.....................................71
   4.5. Получение спектральной плотности по экспериментальным данным...........................74
   4.6. Аналитическое решение для временной эволюции матрицы плотности.....................................78
   4.7. Ядерное квантовое туннелирование в ферментах и критическая температура.............................81
   4.8. Выводы...........................................84
   Об авторах............................................85

Оглавление —I 5

Глава 5
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ: РОЛЬ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ В ДИНАМИКЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИН, КОТОРЫЕ СЧИТЫВАЮТ И ЗАПИСЫВАЮТ ДНК
(Анита  Гоэль).............................................86
    5.1. Введение..........................................86
    5.2. История вопроса...................................87
    5.3. Подход............................................90
        5.3.1. Мощность молекулярного мотора, обрабатывающего информацию........................................ 92
        5.3.2. Оценка времени декогеренции комплекса мотор—ДНК......................................... 94
       5.3.3. Выводы и обсуждение......................... 95
    Об авторе..............................................97

Глава 6
КВАНТОВЫЙ МЕТАБОЛИЗМ И АЛЛОМЕТРИЧЕСКИЕ СКЕЙЛИНГОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В БИОЛОГИИ
(Ллойд Деметриус)..........................................98
    6.1. Введение..........................................98
    6.2. Квантовый метаболизм: история вопроса............ 103
       6.2.1. Квантование излучения осцилляторов.......... 103
       6.2.2. Квантование материальных осцилляторов ...... 104
       6.2.3. Квантование молекулярных осцилляторов....... 105
        6.2.4. Аналогия материальные осцилляторы—молекулярные осцилляторы ....................................... 108
    6.3. Метаболическая энергия и время цикла............. 108
       6.3.1. Средняя энергия............................. 110
       6.3.2. Полная метаболическая энергия............... 111
    6.4. Скейлинговые соотношения......................... 113
       6.4.1. Уровень метаболизма и размеры клетки........ 113
       6.4.2. Уровень метаболизма и масса тела............ 114
    6.5. Эмпирические рассуждения......................... 115
       6.5.1. Показатель степени скейлингового закона..... 116
       6.5.2. Коэффициент пропорциональности ............. 118

Об авторе.............................................. 118

—I Оглавление

Глава 7

СПЕКТРОСКОПИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА (Джим Д. Башфорд и Питер Д. Джарвис) .................. 119
   7.1. Основы: систематика генетического кода......... 119
       7.1.1. РНК-трансляция........................... 121
       7.1.2. Природа кода............................. 125
       7.1.3. Обработка информации и код............... 128
   7.2. Симметрии и суперсимметрии генетического кода... 130
       7.2.1. Модель si(6/1): схема UA + S............. 134
       7.2.2. Модель si(6/1): схема 3СИ.................137
       7.2.3. Дробление динамических симметрий и неоднозначность третьего основания............................. 140
   7.3. Визуализация генетического кода................ 146
   7.4. Квантовые аспекты распознавания кодонов........ 153
       7.4.1. Конформационная симметрия N(34) ......... 154
       7.4.2. Дробление динамической симметрии и неоднозначность третьего основания............................. 158
   7.5. Выводы......................................... 161
   Благодарности....................................... 161
   Об авторах.......................................... 162

Глава 8
К ПОНИМАНИЮ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ (АпоорваД. Пател)............................... 163
   8.1. Общий смысл.................................... 163
   8.2. Уроки эволюции................................. 167
   8.3. Генетические языки............................. 170
   8.4. К пониманию белков............................. 173
   8.5. К пониманию ДНК................................ 179
   8.6. Что было до оптимальных языков?................ 183
   8.7. Сыграла ли свою роль квантовая механика?....... 192
   8.8. Перспективы.................................... 198
   Об авторе............................................200

Оглавление J\r 7

  Глава 9
  ПОЛУКВАНТОВАЯ ВЕРСИЯ ИГРЫ «ЖИЗНЬ» (Адриан П. Флитни и Дерек Эбботт)........................201
      9.1. Основы и мотивация............................. 201
          9.1.1. Классические клеточные автоматы.......... 201
          9.1.2. Правила Конвея игры «Жизнь».............. 204
          9.1.3. Квантовые клеточные автоматы............. 204
      9.2. Полуквантовая игра «Жизнь»......................207
          9.2.1. Идея..................................... 207
          9.2.2. Модель первого приближения............... 208
          9.2.3. Полуквантовая модель..................... 212
          9.2.4. Обсуждение .............................. 214
      9.3. Выводы......................................... 217
      Об авторах...........................................218

  Глава 10
  ЭВОЛЮЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ В КВАНТОВЫХ ИГРАХ (Ажар Икбаль и Таксу Чион).........................220
      10.1. Эволюционная теория игр и эволюционная устойчивость........................................ 222
           10.1.1. Популяционный метод эволюционной теории игр. 225
      10.2. Квантовые игры................................ 226
      10.3. Эволюционная устойчивость в квантовых играх........ 231
           10.3.1. Эволюционная устойчивость в схеме EWL.. 234
                10.3.1.1. Эволюционная устойчивость и перепутанность.......................... 237
           10.3.2. Эволюционная устойчивость в схеме MW-квантования................................. 240
                10.3.2.1. Асимметричные игры 2x2.......... 240
                10.3.2.2. Симметричные игры 2x2........... 244
                10.3.2.3. Симметричные игры 2x2x2......... 250
                10.3.2.4. Игракамень-ножницы-бумага....... 255
      10.4. Заключительные замечания.......................262

    Об авторах..........................................264

-Ц, Оглавление

Глава 11
ГЕОМЕТРИЯ ^-ЭЛЕКТРОННЫХ ОБЛАКОВ И ЖИЗНЬ (Стюарт Хамерофф)......................................265
   11.1. Что такое живое?..............................265
   11.2. Протоплазма: вода, гели и жесткие структуры вне полярных областей...............................268
   11.3. Силы Ван-дер-Ваальса..........................270
   11.4. Сон Кекуле и л-электронный резонанс ..........273
   11.5. Белки — двигатели жизни.......................277
   11.6. Анестезия и сознание..........................284
   11.7. Цитоскелетная геометрия: микротрубочки, реснички и жгутики...........................................285
   11.8. Декогеренция..................................290
   11.9. Выводы........................................293
   Благодарности...................................... 295
   Об авторе...........................................295

Список литературы......................................296

ГЛАВА

1

 КВАНТОВОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ?





Пол Ч.В. Дэвис




             Происхождение жизни — это одна из величайших нерешенных проблем в науке. В девятнадцатом веке многие ученые полагали, что жизнь является особым видом магической материи. Используемый до сих пор термин «органическая химия» — это наследие той эпохи. Предположение о том, что существует некий химический рецепт жизни, позволяло надеяться, что если бы мы только знали его детали, можно было бы смешать нужные ингредиенты в пробирке и сотворить жизнь в лабораторных условиях.
     Большинство исследователей биогенеза следовало по этому пути, полагая, что химия является мостом (впрочем, весьма длинным) от неживого к живому. Прояснение химического пути зарождения жизни было привлекательной целью, достигнутой знаменитым экспериментом Миллера—Юри в 1952 г., когда были получены аминокислоты при электрическом разряде в смеси воды и обычных газов [Miller, 1953]. Однако данная концепция привела в тупик, а последующее развитие пребиотического химического синтеза оказалось недопустимо медленным.
     В 1944 г. Эрвин Шредингер опубликовал свои знаменитые лекции под названием «Что такое жизнь?» [Schrodinger, 1944] и ввел нас в эпоху молекулярной биологии. Шредингер утверждал, что устойчивая передача генетической информации дискретными битами от поколения к поколению подразумевает квантово-механический процесс. Впрочем, он не был уверен относительно роли, а тем более особенностей, генетического кодирования. Другие основатели квантовой механики, такие как Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Эуген Вигнер разделяли уверенность Шредингера относительно того, что квантовая физика является ключом к пониманию явления жизни. В то время это было разумным предположением.

¹⁰ -V

Глава 1. Квантовое происхождение жизни?

  Чуть ранее квантовая механика решила проблему вещества, объяснив строение атомов и молекул, химическую связь и природу кристаллов. Казалось естественным, что вот-вот квантовая механика так же разрешит и загадку живой материи. Для физика живое кажется сверхъестественным, даже неестественным, по своим фундаментальным свойствам, которые не имеют практически ничего общего с другими видами физических систем. Было соблазнительно полагать, что квантовая механика обладает достаточной сверхъестественностью, чтобы объяснить живое.
      Вскоре эти ранние размышления о месте квантовой механики в живом как ветром сдуло. Молекулярная биология оказалась настолько успешной, что даже грубые модели молекул в виде шариков и палочек дали богатый урожай результатов. Однако с ростом знаний по данному вопросу всплыло то, что при функционировании определенного рода биосистем решающее значение имеют нетривиальные квантовые эффекты. Некоторые из таких эффектов рассматриваются в последующих главах данной книги. Вопрос, который поставлен мной в этой главе, состоит в том, каким образом квантовая механика играет роль в происхождении жизни. Необходимо пояснить. Существует тривиальный подход к тому, как связаны живое и квантовая механика. Функция клетки зависит от формы молекул и их взаимного расположения, свойств, для объяснения которых нужна квантовая механика. Однако я имею в виду нетривиальные квантовые эффекты, например когерентная волновая природа материи, туннельный эффект, перепутанность, внутреннее вращение, фаза Берри, обусловленная окружением постселекция и эффект наблюдателя.
      Очевидно, на каком-то уровне не удается избежать квантовой механики в описании живого, поскольку общепризнанно, что, хотя детали и остаются покрытыми завесой тайны, жизнь каким-то образом возникла в царстве молекул. Молекулярный путь к живому находится в противоречии с теориями «магической материи» девятнадцатого века, которые по сути своей являются макроскопическими. В связи с тем, что царство молекул квантовомеханично по своей природе, я собираюсь поднять вопрос о том, возникла ли классичность раньше жизни или жизнь возникла раньше классичности. Моя основная гипотеза состоит в том, что квантовая механика позволила жизни возникнуть прямо из мира атомов, минуя сложную химию. Общепринятая точка зрения состоит в том,

1.1. Химия и информация

Л

11

  что переходу к первым истинно автономным живущим системам (которые могли быть не отдельными клетками, а скорее клеточными конгломератами) предшествовал период усложнения химии «шариков и палочек». Философским фундаментом моих гипотез служит то, что секрет жизни состоит не в ее сложности как таковой, тем более не в ингредиентах, которые ее составляют, а в ее поразительных способностях обрабатывать информацию и воспроизводиться.



  1.1.    ХИМИЯ И ИНФОРМАЦИЯ

          Несмотря на то, что нет устоявшегося определения живого, все живые организмы являются обработчиками информации: они хранят и воспроизводят генетическую базу данных, причем со случайными ошибками, тем самым готовя почву для естественного отбора. Информация движется снизу вверх: внешний вид организма и его характеристики отбора можно проследить до молекулярный процессов. Тем самым встает вопрос: в связи с тем, что вся информация идет из квантового мира, есть ли иные следы квантовой природы, кроме наследственной случайности? Биологические молекулы играют роль как специализированных химических, так и информационных молекул, отражая дуализм фенотип-генотип. В компьютерных терминах, химия сродни «железу», а информация — «софту». Полное понимание происхождения жизни требует объяснения как «железа», так и «софта». Почти все исследования биогенеза сосредоточены на «железе». В них изыскивают убедительный химический путь от неживого к живому. Несмотря на то, что такая работа обеспечила прорыв в вопросе о том, как и где могли быть образованы простейшие строительные блоки живого, этот путь не привел к прогрессу в более значительном вопросе: как эти строительные блоки соединяются, образуя специфические и тщательно продуманные функциональные структуры, имеющиеся даже у самых примитивных автономных организмов [Davies, 2003]. Рассмотрение же жизни в терминах преобразования информации полностью трансформирует концептуальный фундамент проблемы биогенеза. Репродукция — это одна из характеристик в определении живого. Традиционно биологи рассматривают репродукцию как репликацию материальных струк

¹² Д.

Глава 1. Квантовое происхождение жизни?

  тур, будь то отдельные молекулы ДНК или целые клетки. Так или иначе, но для запуска жизни нужно реплицировать информацию. В последние годы с развитием понятий квантовых вычислений и квантового преобразования информации понимание природы информации претерпело революционные изменения. Отправной точкой изменения наших представлений об информации стало замещение классического «бита» его квантовым аналогом — «кубитом». С развитием любой квантовой системы происходит преобразование информации. Эффективность такого преобразования информации является чрезвычайно высокой, потому что квантовая суперпозиция и перепутывание представляют собой некий тип вычислительного параллелизма. При определенных обстоятельствах фактор ускорения может быть экспоненциальным, что приводит к колоссальному росту скорости и производительности вычислений по сравнению с классическим преобразованием информации. Многие исследователи уже обратили внимание на обширные последствия, к которым может привести открытие того, что живые организмы преобразуют информацию квантовомеханически, будь то на молекулярном или на клеточном/нейронном уровне [Penrose, 1989; Beck and Eccles, 1992; Hameroff, 1994; Davies, 2004; Matsuno, 1999; Patel, 2001c; Vedral, 2003; Schempp, 2003]. Биологические системы — это наиболее типичные преобразователи информации. Информационными молекулами являются РНК и ДНК. Хотя квантовая механика и играет решающую роль в объяснении структуры этих молекул, о ней обычно забывают, когда дело доходит до их функции при преобразовании информации. То есть предполагается, что биологические молекулы хранят и преобразуют классические биты, а не кубиты. В предыдущей своей работе [Davies, 2004] я обсуждал, что, во всяком случае при определенных обстоятельствах, такое предположение неверно. Будет полезно различать три интересных возможности.
      1.    Квантовая механика играла ключевую роль в возникновении жизни, но либо полностью перестала быть значимым фактором после установления жизни, либо ее роль была низведена до спорадической или побочной при последующем развитии жизни. Так или иначе, могут существовать реликты древних систем квантового преобразования информации в дошедших до наших дней организмах, точно так же, как существуют биохимические следы, дающие ключ к разгадке древних биологических, или даже пред-биологических, процессов.

1.2. Q-жизнь

Дг ¹³

      2.   Жизнь началась классически, но развивала какие-то повышающие производительность «квантовые трюки». Например, если бы биологические системы могли преобразовывать информацию квантовомеханически, они получили бы заметное преимущество в скорости и силе, так что можно было бы ожидать, что естественный отбор открыл бы и усилил такие возможности, если они есть.
      3.    Жизнь собиралась начаться как классическая сложная система, но затем достигла «квантового порога», за которым квантовая неопределенность накладывает ограничения на производительность биомолекулярных процессов.
      Поскольку мало сомнений в том, что некоторые клеточные механизмы (например, фотосинтез) действительно основаны на квантовомеханических явлениях [Engel, 2007], то остается выяснить является ли квантовое улучшение продуктом эволюции (как в п. 2) или следом квантового происхождения жизни (как вп. 1).



  1.2.     Q-ЖИЗНЬ

            Отправной точкой моей гипотезы является существование квантового репликатора. Такой репликатор представляет собой квантовую систему, способную копировать информацию почти без ошибок [Wigner, 1961; Pati, 2004]. Информация могла бы быть инстанцирована в виде кубитов, но в этом нет необходимости, поскольку квантовой репликации классических битов достаточно (см. ниже). Квантовому репликатору нет необходимости быть клонирующей себя атомной системой. На самом деле существует теорема квантового неклонирования, которая запрещает репликацию волновых функций [Wooters and Zurek, 1982; Pati, 2004]. Наоборот, более или менее интактно должна копироваться информационная составляющая атомных систем, необязательно в одну стадию, может быть в результате последовательности взаимодействий. Такая информация могла бы иметь двоичное представление, например, с помощью ориентации спина электрона или атома. Тем самым, квантовая механика предоставляет дискретизацию генетической информации автоматически. Квантовые репликаторы несомненно существуют в Природе. Простейшим случаем является вынужденная эмиссия фотонов. Другим — рост решетки кристалла атом-за-атомом. Впрочем, эти примеры информацион

—I Глава 1. Квантовое происхождение жизни?

  но ненасыщены. Они не удовлетворяют дополнительному требованию высокой алгоритмической сложности, предъявляемому биологией, поскольку и одинаковые фотоны, и одинаковые атомы кристалла несут в себе крайне мало битов информации. Так что, мы ищем природную систему, в которой за короткое время происходит высокопроизводительная репликация информационно насыщенной совокупности квантовых объектов. Впредь я буду именовать эту гипотетическую систему Q-жизнь.
       Оставив в стороне нелепые предположения вроде жизни в нейтронных звездах [Forward, 1980], местомдействия Q-жизни вполне правдоподобно может быть конденсированное вещество, затвердевшее при низкой температуре. Например, таким веществом могла бы быть корка обледенелого блуждающего планетезималя в межзвездном пространстве.
       Проиллюстрирую это примитивное представление о Q-жизни простым и не совсем удачным примером. Рассмотрим цепочку атомных спинов, закрепленных в системе из конденсированной материи, спроецированных на какое-то выбранное направление. Исходный образец А можно представить в виде вектора состояния следующим образом:
|TUUWUTTUTWT>.

       Затем данный образец вступает во взаимодействие с произвольной системой спинов В, допустим

|ТТФФТФТТТФТТФТФТ>.

       В результате взаимодействия (которое может даже состоять из многих промежуточных стадий) происходит следующее превращение
|ТТФТФФФТФТТТФТФФТ>|ТТФФТФТТТФТТФТФТ> >
> |ТТХТШТФТТТХТФФТ>|ТТФТШТХТТТФТИТ>.
       Символически превращение этого состояния целиком записывается АВ > АА. Поскольку данный переход стирает информацию, содержащуюся в состоянии В, процесс репликации является асимметричным и необратимым, то есть сопровождается возрастанием энтропии. Тем самым для проведения данной реакции система нуждается в источнике энергии. Он может иметь вид экситона,

1.2. Q-жизнь

Дг ¹⁵

    который перескакивает вдоль цепочки атомов, переворачивая один за другим спин в системе В там, где это необходимо, и оставляя спины А неизменными.
       Вышеупомянутая модель слишком упрощена. Взаимодействие выглядело бы более реалистично, и ближе к аналогичной репликации ДНК, если бы сначала образец А создавал комплиментарную цепочку
|ггтгтттгтгггтгттг>.
    которая затем воспроизводила бы исходную систему путем «спариваний оснований». Дополнительным упрощением является то, что описанная ранее модель пренебрегает взаимодействием соседних спинов. Такое взаимодействие приводит к усложнению, и тем самым увеличивает возможности кодирования алгоритмически несжимаемой информации.
       Скорость репликации цепочки спинов будет зависеть от того преобразуется ли последовательность линейно, тем же способом, что и ДНК, или вся сразу. Она также будет зависеть от доступности необходимой комплиментарной структуры. Но если две структуры вступили во взаимодействие, каждый переворот бита происходит чрезвычайно быстро (менее чем за одну фемтосекунду). Сравните это с невысокой скоростью около 100 пар оснований в секунду, характерной для обычной репликации ДНК ферментом полимеразой, и это при условии неограниченности ресурсов [Goel et al., 2003]. Так что, в подходящих квантовых условиях Q-жизнь могла бы реплицироваться и развиваться по меньшей мере на 12 порядков быстрее, чем привычная жизнь! Однако на деле идеальные условия в природе встречаются редко. Более реалистичной является модель репликации, в которой процесс управляется каталитической структурой, аналогичной ферменту репликазе при репликации ДНК. Целью такой гипотетической структуры могло бы быть приведение нужных компонентов во взаимодействие, возможно на защищенном от агрессивного окружения «центре взаимодействия». В этом случае скорость репликации будет лимитироваться производительностью этой «Q-репликазы». В частности, Q-репли-каза наверняка соответствует возможностям и ограничениям квантовой механики. К последним относятся фундаментальные ограничения хореографии, задаваемые принципом неопределенности, тема, которую я собираюсь обсудить в заключительном разделе.

¹⁶ д.

Глава 1. Квантовое происхождение жизни?

     В таком случае, как же на самом деле возникла привычная органическая жизнь? Информация может легко переноситься с одного носителя на другой. В какой-то момент Q-жизнь могла бы вовлечь большие органические молекулы для резервной памяти, совсем как компьютер использует жесткий диск. Процессор компьютера (аналог Q-жизни) работает значительно быстрее жесткого диска (аналог РНК и ДНК), однако более уязвим и требует бесперебойной подачи энергии. Устойчивые вычислительные системы всегда требуют чего-то вроде жесткого диска. В конце концов, органическая молекулярная система буквально зажила своей жизнью. Потеря скорости преобразования была с лихвой компенсирована большей сложностью, изменчивостью и устойчивостью органических молекул, что позволило органической жизни захватить множество сред, недоступных Q-жизни (например, выжить в условиях высоких температур).
     Обратите внимание, что хотя используемый мной в качестве простой иллюстрации репликатор по своей фундаментальной природе квантовомеханичен, описанный процесс репликации не копирует ни перепутываний, ни фазовой информации, то есть в этом процессе реплицируются скорее биты, чем кубиты. По этой причине на стадии репликации декогерентность будет не важна. Однако до сих пор оставался в стороне вопрос о том, как квантовый репликатор возник впервые. Природа перехода от произвольной квантовой системы к реплицирующейся квантовой системе далека от понимания, но процесс наверняка пойдет быстрее, если он будет хотя бы частично когерентным. Так что, позвольте мне сделать несколько общих замечаний относительно декогерентности в биосистемах.



  1.3. ПРОБЛЕМА ДЕКОГЕРЕНТНОСТИ

          Когерентность влечет за собой точное сохранение взаимоотношений фаз между различными компонентами волновой функции. Взаимодействие между квантовой системой и ее окружением ведет к декогеренции волновой функции: шумы окружения быстро перемешивают фазы. Будучи же декогерированной, квантовая система во многих отношениях ведет себя как классическая [Zurek, 1982]. Скорость декогеренции зависит от природы