Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии Аль-Халили Джим

Шведский физик Пер-Улоф Левдин первым указывал на то, что сейчас, ретроспективно, кажется очевидным: порядок протонов регулируется не классическими, а квантовыми законами. Так, генетический код, благодаря которому возможно существование жизни, бесспорно, является квантовым кодом. Шредингер был прав: гены записаны квантовыми буквами, а надежность наследственности обеспечивается квантовыми, а не классическими законами. Подобно тому как форма кристалла регулируется в основном квантовыми законами, форма вашего носа, цвет глаз и черты характера подчиняются квантовым законам, действующим внутри структуры молекулы ДНК, которую вы наследуете от матери или отца. Как и предсказывал Шредингер, жизнь поддерживается порядком, который пронизывает весь организм — от его структуры и поведения до распределения протонов вдоль цепей ДНК. Это и есть «порядок из порядка», обеспечивающий надежность передачи наследственной информации.

Но даже квантовые репликаторы, способные создавать собственные копии, иногда ошибаются.

Ненадежность

Жизнь вряд ли бы могла сохраниться на нашей планете и выдержать многие испытания, уготованные ей окружающей средой, если бы процесс копирования генетического кода всегда протекал идеально, без единой ошибки. Например, бактерии, обитавшие в умеренных водах антарктических озер несколько тысячелетий назад, лучше и быстрее приспособились бы к жизни в относительно теплой и светлой среде. Когда над их миром сомкнулся ледяной купол, бактерии, чьи геномы на протяжении поколений копировались со стопроцентной точностью, скорее всего, вымерли. Однако многие бактерии допускали небольшое количество ошибок в процессе копирования генетической информации, в результате чего на свет появлялись особи-мутанты, слегка отличавшиеся от родителей. Эти отличия способствовали более успешному приспособлению к холодной и темной среде обитания, поэтому именно бактерии-мутанты стали размножаться активнее. Постепенно, спустя несколько тысяч поколений и многочисленных неточных копий наследственной информации, потомки бактерий, попавших в ледовый плен, приспособились к жизни в подледном озере.

Повторимся: процесс адаптации к новым условиям жизни посредством мутации (ошибок репликации ДНК) в среде озера Восток — это модель процесса, протекающего в каждом уголке нашей планеты на протяжении миллиардов лет. За долгое время своего существования Земле пришлось пережить множество глобальных катастроф: извержения крупных вулканов, ледниковые периоды, столкновения с небесными телами. Жизнь не смогла бы сохраниться, не приспособившись к изменениям через копирование ошибок. Не менее важен и тот факт, что мутации привели к генетическим изменениям, которые создали из простейших бактерий — первых живых организмов нашей планеты — удивительное многообразие современной биосферы. Небольшая неточность в копировании проходит длинный и интересный путь развития, особенно на долгом временном отрезке.

Кроме идеи о том, что квантовая механика объясняет надежность передачи наследственной информации, Эврин Шредингер высказал еще одно смелое предположение в своей книге «Что такое жизнь?», опубликованной в 1944 году. Он рассуждал о том, что мутации представляют собой своего рода квантовый скачок внутри гена. Насколько это правдоподобно? Чтобы ответить на этот вопрос, нам с вами необходимо разобраться в одном противоречии, которое уходит своими корнями в теорию эволюции.

Жираф, боб и дрозофила

Мы привыкли к утверждению о том, что эволюция была «открыта» Чарльзом Дарвином. Тем не менее по крайней мере за 100 лет до Дарвина ученым-натуралистам, изучавшим окаменелости, было известно, что организмы меняются на протяжении геологических эпох. Так, еще дед Чарльза Эразм Дарвин был настоящим эволюционистом. Однако самая известная протоэволюционистская теория, предвосхитившая теорию Дарвина, была создана французским ученым, дворянином по происхождению, носившим красивое имя Жан-Батист Пьер Антуан де Моне Шевалье Ламарк.

Ламарк родился в 1744 году. Он учился в иезуитском колледже, где его готовили к духовному сану, однако после смерти отца он получил деньги, которых хватило на покупку лошади. На этой лошади он и уехал воевать в Семилетней войне против Пруссии. Он был ранен, и его военная служба прервалась. Он вернулся в Париж, где стал работать клерком, а все свободное время посвящал изучению ботаники и медицины. Вскоре он получил место помощника ботаника в Королевском ботаническом саду и проработал там до тех пор, пока директора сада не казнили во время революции. Ламарк пережил кровавые события. После революции он получил кафедру в Парижском университете. В это время он переключил свое внимание с ботаники на зоологию и стал с увлечением изучать беспозвоночных.

Ламарк является одним из величайших ученых, вклад которых в науку недооценивается современниками, по крайней мере в англосаксонском мире. Помимо того что он ввел в обращение термин «биология» (от греческого корня bios — «земля»), Ламарк создал теорию эволюции, которая по крайней мере давала правдоподобное объяснение механизму эволюционных изменений. Это было сделано за полвека до теории Дарвина. Ламарк указал на то, что организмы способны изменять некоторые признаки, приспосабливаясь к окружающей среде. Так, например, у фермеров, привыкших к тяжелому физическому труду, развиваются гораздо более крепкие мышцы, чем у банковских клерков. Ламарк утверждал, что подобные приобретенные признаки могут наследоваться потомками, а следовательно, привести к эволюционным изменениям. Наиболее известен пример с жирафами, который чаще других подвергался насмешкам и критике современников. Ламарк полагал, что неким антилопам часто приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих на верхних ветвях деревьев. Постепенно их шеи вытягивались, и этот приобретенный признак унаследовали их потомки, которые также продолжали тянуться за верхними листьями и передавать признак вытянутой шеи по наследству, в результате чего антилопы данного вида эволюционировали и постепенно превратились в жирафов.

Теория Ламарка, особенно его идеи о наследовании приобретенных признаков, не получила поддержки современников и была подвержена жесткой критике, особенно в англосаксонском мире. Ученые располагали многочисленными доказательствами того, что характеристики, приобретенные особью на протяжении жизни, обычно не передаются по наследству потомству. Например, несколько сотен лет назад в Австралию хлынул поток светлокожих переселенцев из Северной Европы. Кожа людей, проводящих много времени под палящим солнцем, покрывается загаром. Тем не менее у потомков европейцев в Австралии рождаются такие же светлокожие дети, как и их предки. Очевидно, что кожный загар — приобретенный признак-реакция на постоянное воздействие солнечных лучей — не передается по наследству. Итак, эволюционная теория Ламарка окончательно ушла в тень теории естественного отбора Дарвина, изложившего основные ее положения в книге 1859 года «Происхождение видов»[121].

В наши дни особо подчеркивается следующий аспект теории Дарвина: выживает сильнейший, более приспособленный к жизни в неумолимой природе, не принимающей слабых, менее совершенных. Однако естественный отбор — это не полная история эволюции. Чтобы эволюция протекала успешно, естественный отбор нуждается в источнике изменений, на которых и оттачивается его «мастерство». Для Дарвина это была одна из величайших загадок, поскольку, как мы уже говорили, передача наследственной информации характеризуется высокой степенью надежности. Это не так уж и очевидно в случае эукариот — организмов, для которых характерно половое размножение, поскольку потомство данных организмов значительно отличается от родителей. Однако при половом размножении черты родителей всего лишь перемешиваются в особи-потомке. К слову, в начале XIX века повсеместно считалось, что смешение признаков родителей при половом размножении происходит примерно так же, как смешение красок. Если вы возьмете несколько сотен оттенков-образцов различных красок, смешаете половину образца одного цвета с половиной образца другого и повторите то же самое с другими образцами несколько тысяч раз, в результате получится несколько сотен оттенков серой краски: индивидуальные различия оттенков будут стираться и все образцы будут иметь схожие, усредненные признаки. Однако перед Дарвином стояла задача иного рода: объяснить постоянное сохранение индивидуальных различий у особей и, более того, приращение индивидуальных различий (в том случае, если в них кроется источник эволюционных изменений).

Дарвин был убежден в том, что эволюция происходила постепенно, медленно, поскольку естественный отбор «проверял» малейшее изменение признака, передававшееся по наследству: «Естественный отбор действует только путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций, каждая из которых выгодна для сохраняемого существа; и как современная геология почти отбросила такие воззрения, как, например, прорытие глубокой долины одной делювиальной волной, так и естественный отбор изгонит веру в постоянное творение новых органических существ или в какую-либо большую и внезапную модификацию»[122]. Однако источник этого исходного материала для эволюции, а именно «малых наследственных модификаций», оставался необъяснимой загадкой. Странные сбои, а точнее, мутации наследуемых признаков были хорошо известны биологам века. Так, например, в конце XVIII века на одной из ферм Новой Англии (в штате Массачусетс) на свет появился ягненок с короткими кривыми ногами. Он вырос в здорового барана и принес потомство, похожее на него. Так было положено начало анконовой породе овец. Их было удобно и легко разводить, поскольку коротконогие овцы не могли перепрыгивать через короткие изгороди. Однако Дарвин считал, что подобные мутации не могут быть движущей силой эволюции, поскольку организм особи подвергается слишком значительным изменениям, в результате чего на свет появляются весьма странные существа, зачастую не способные выжить в дикой природе. Чтобы его теория заработала, Дарвину необходимо было найти источник менее значительных наследуемых изменений, вызывающих «малые наследственные модификации». Ученому так и не удалось решить эту задачу. К слову, в поздних изданиях «Происхождения видов» он даже обращался к некоторым аспектам эволюционной теории Ламарка, в частности, чтобы сформулировать идею о наследуемых малых модификациях.

Частично тайна загадки, которую никак не мог разгадать Дарвин, была раскрыта еще при его жизни. Это удалось австрийскому монаху и ботанику Грегору Менделю, о котором мы уже говорили в главе 2. Эксперименты Менделя, проведенные на горохе, показали, что незначительные модификации формы горошин или цвета лепестков растения наследовались стабильно и прочно. Это означает, что модифицированные признаки не смешивались, а, наоборот, передавались из поколения в поколение, иногда, правда, пропуская одно или два из них, если признак был рецессивным, а не доминантным. Мендель предположил, что дискретные наследственные «факторы», которые мы называем генами, кодируют биологические признаки и являются источниками биологических вариаций. Итак, половое размножение следует сравнивать скорее не со смешиванием различных оттенков, а со смешиванием бусин различных цветов и форм, наполняющих два горшочка. В каждом поколении перемешивается половина бусин из одного горшочка с половиной бусин из второго. Важно то, что даже через тысячи поколений каждая отдельная бусинка сохраняет свой изначальный цвет, то есть признаки могут передаваться без изменений на протяжении сотен или даже тысяч поколений. Таким образом, гены являются постоянным источником вариаций, опираясь на которые и действует механизм естественного отбора.

Научные результаты Менделя были проигнорированы его современниками, а после его смерти и вовсе забыты. Насколько известно, Дарвин не был знаком с теорией Менделя о «наследственных факторах» и скрывавшемся в данной теории ключом к разгадке тайны смешивания признаков. Проблема с поисками источника наследственных изменений, управляющих эволюцией, привела к тому, что к концу XIX века и теория эволюции Дарвина заметно сдала свои позиции в науке. Но в начале XX века об идеях Менделя вспомнили ученые-ботаники, занимавшиеся скрещиванием растений и открывшие законы, управляющие наследованием изменений. Как и подобает настоящим ученым в случае, когда они считают, что открыли что-то новое, они просмотрели имеющуюся литературу перед тем, как публиковать результаты своей работы. Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что открытые ими законы наследственности были описаны Менделем за несколько десятилетий до этого.

Повторное открытие менделевских факторов, получивших название «гены»[123], подвело ученых и к разгадке тайны смешения признаков, которую так и не смог раскрыть Дарвин. И все же ученые не сразу решили проблему поиска источника генетических изменений, управляющих длительным процессом эволюции, поскольку предполагалось, что гены наследуются без изменений. Естественный отбор может перемешать бусинки-гены в каждом следующем поколении, однако не в силах создать новые бусинки. Выход из сложившейся тупиковой ситуации обнаружил один из ботаников, вернувших генетику Менделя из забвения. Хуго де Фриз шел по картофельному полю и заметил растения ослинника Ламарка (Oenothera lamarckiana) непривычной разновидности — выше обычного, с овальной формой лепестков (как правило, у ослинника лепестки имеют форму сердца). Он отметил, что данное растение является «мутантом», и, что еще важнее, показал, что мутация наблюдается и у следующего поколения растений, то есть наследуется.

Генетик Томас Хант Морган познакомился с работами де Фриза, посвященными мутациям, в начале 1900-х годов в Колумбийском университете, где проводил эксперименты с плодовыми дрозофилами. Команда ученых под его руководством подвергала дрозофил воздействию сильных кислот, рентгеновского излучения и токсинов с целью создать мушек-мутантов. Наконец в 1909 году из куколки появилась мушка с белыми глазами. Ученым удалось доказать, что, как и в случае со странной формой лепестков ослинника, которую заметил де Фриз, мутировавший признак мушки передавался по наследству, как и любой менделевский ген.

Синтез теории естественного отбора Дарвина, генетики Менделя и теории мутации привел к тому, что в науке сложилась новая синтетическая теория эволюции, или неодарвинизм. Мутация понималась как конечный источник наследуемых генетических изменений, которые в основном имели небольшое воздействие и иногда были абсолютно безвредными, а в некоторых случаях даже полезными — мутировавшее потомство оказывалось более приспособленным к условиям окружающей среды, чем родители. Затем в игру вступает естественный отбор, отсеивающий менее приспособленных мутантов из популяции, способствуя выживанию и размножению сильнейших. В конце концов, приспособленные к условиям жизни мутанты становятся нормой для данного вида, и эволюция идет «путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций».

Одним из ключевых аспектов синтетической теории эволюции является принцип, согласно которому мутации случайны: вариация в геноме не возникает как ответ на эволюционные изменения. Так, при изменении условий окружающей среды вид не развивает мутационный признак — он должен дождаться необходимой мутации, которая возникает случайно и помогает последующим поколениям приспособиться к изменениям. Это противоречит представлениям Ламарка об эволюции, согласно которым наследуемая адаптация вида (например, длинная шея у жирафа) возникает как реакция на вызов со стороны изменяющейся окружающей среды и, соответственно, приобретается всеми последующими поколениями.

В начале XX века ученым еще не было известно, происходят наследуемые мутации случайно, как предполагали неодарвинисты, или возникают как ответ на изменения окружающей среды, как утверждали сторонники идей Ламарка. Напомним, что Морган подвергал дрозофил воздействию токсичных веществ и излучения, чтобы добиться мутаций. Возможно, в ответ на этот «вызов» окружающей среды у дрозофил возникли новые мутации, которые помогли им справиться с тяжелыми испытаниями. Как и жирафы Ламарка, они, метафорично выражаясь, вытянули свои шеи, а затем передали этот адаптивный признак своим потомкам в виде наследуемой мутации.

В 1943 году Сальвадор Лурия, научный руководитель Джеймса Уотсона, и Макс Дельбрюк поставили серию экспериментов, ставших классикой генетики. Одной из целей экспериментов была проверка конкурирующих теорий. К тому времени дрозофилы уступили место бактериям, которые наилучшим образом подходили на роль подопытных организмов в эволюционных исследованиях благодаря легкости их выведения в лаборатории и краткой продолжительности генерации. Ученым было известно, что бактерии можно поражать вирусами, однако, если это делать регулярно, бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость к вирусам благодаря мутациям. Эти условия идеально подходили для проверки конкурирующих теорий — неодарвинизма и теории мутаций Ламарка. Лурия и Дельбрюк хотели проверить, способны бактерии-мутанты противостоять вирусной инфекции, уже существовавшей в популяции (согласно идеям неодарвинизма), или они возникают как ответ на вызов окружающей среды, в данном случае на воздействие вируса (согласно идеям ламаркизма). Ученые обнаружили, что мутации в популяции возникают одинаково регулярно независимо от наличия вируса или его отсутствия. Иными словами, регулярность мутаций не зависела от селективного давления окружающей среды. Именно за эти эксперименты Лурия и Дельбрюк были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1969 год, а сформулированный ими принцип случайного возникновения мутаций стал ключевым аспектом современной эволюционной биологии.

Но даже тогда, в 1943 году, когда Лурия и Дельбрюк проводили свои эксперименты, ученым все еще не было известно, из чего состоят гены-бусинки и благодаря каким физическим механизмам возникает мутация — превращение одной бусинки в другую. Ситуация прояснилась в 1953 году, когда Уотсон и Крик открыли двойную спираль. Было показано, что гены-бусины строятся на основе материала ДНК. Принцип случайного возникновения мутаций лишний раз подтвердился: излучение и мутагенные вещества повреждают молекулу ДНК на случайно выбранном участке цепи, вызывая мутации случайных генов, независимо от того, кодируют ли они признаки, важные для выживания вида в условиях конкретных изменений окружающей среды.

Во второй статье, посвященной структуре ДНК[124], Уотсон и Крик высказали предположение о том, что процесс таутомеризации, подразумевающей движение протонов внутри молекулы в определенном порядке, возможно, является причиной мутаций. Мы уверены, что, дойдя до этого места в книге, наши читатели прекрасно понимают, что любой процесс, подразумевающий движение элементарных частиц, например протонов, относится к квантово-механическим процессам. Значит ли это, что Шредингер был прав? Действительно ли мутации являются своего рода квантовым скачком?

Роль протонов в кодировании информации

Посмотрите еще раз на нижнюю часть рис. 7.1. Вы заметите, что мы изобразили водородную связь (которая, как вы помните, представляет собой общий для двух оснований протон) в виде пунктирной линии, соединяющей два атома (кислород (O) и азот (N)) спаренных оснований. Но ведь протон является частицей, не так ли? Почему же он изображен в виде линии, а не одиночной точки? Разумеется, потому, что протоны представляют собой квантовые сущности, обладающие свойствами частицы и волны. Так, внутри молекулы ДНК протон делокализован; он ведет себя как нечто размытое, как волна, накатывающая то на одно, то на другое основание. Водород (H) на рис. 7.1 (наиболее вероятное положение протона) во всех связях изображен не на одинаковом расстоянии от парных оснований, а ближе к одному из них, к одной из двух цепочек спирали. Такая асимметрия обусловливает одно из важнейших свойств ДНК.

Давайте рассмотрим одну из возможных пар оснований, а именно A — T. A находится на одной цепочке спирали, T — на другой. Основания держатся в паре благодаря двум водородным связям (протонам): один протон изображен ближе к атому азота основания A, а другой — ближе к атому кислорода основания T (рис. 7.2, а).

Рис. 7.2. Пары оснований A — T: а — стандартный вид связи пары оснований A — T с обычным расположением протонов; б — протоны поменяли положение на двойной спирали, образовав таутомерическую форму соединений A и T

Эти протоны и образуют водородную связь A — T. Однако не следует забывать, что для квантового мира понятие «ближе» является очень скользким: здесь частицы не имеют фиксированных положений, а характеризуются спектром возможностей пребывания одновременно в разных положениях, включая и те, что возможны только при условии эффекта туннелирования. Если бы протоны, связывающие две буквы генетического кода, вдруг совершили скачок к обратным концам соответствующих водородных связей, они оказались бы ближе к атомам противоположных оснований. Возможность протонов менять свое положение в связи обусловливает существование альтернативных форм соединений оснований — таутомеров (см. рис. 7.2, б). Так, каждое из оснований ДНК может существовать в обычной (канонической) форме, которая представлена в модели структуры двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, и в редкой таутомерической форме, при которой связывающие основания протоны сдвигаются и меняют позицию в связи.

Напомним, что протоны, формирующие водородные связи в молекуле ДНК, обусловливают специфические свойства пары оснований, важные при репликации генетического кода. Так, если пара протонов движется (в противоположных направлениях), это означает, что они успешно переписывают генетический код. Например, если на одном из участков цепи ДНК находится генетическая буква T (тимин), то напротив будет стоять A (в канонической форме пары оснований). Однако при двойном скачке протонов T и A принимают таутомерические формы. Разумеется, протоны могут совершить и обратный скачок, если они оказываются в связи таутомерической формы[125] в тот момент, когда происходит копирование цепи ДНК. В этом случае в новую цепочку ДНК могут быть встроены неправильные основания. Таутомер T образует пару скорее с G, а не с A, поэтому в новую цепочку напротив T (туда, где в старой цепи стоит A) будет вставлено основание G. Подобным образом, если A приобретает таутомерическую форму в момент репликации ДНК, образуется пара A — C, а не A — T, поэтому в новой цепи напротив A (туда, где в старой цепи стоит T) будет вставлено основание C (рис. 7.3). В обоих случаях в новых цепочках ДНК будут наблюдаться мутации — изменения в последовательностях ДНК, которые будут переданы последующим поколениям.

Рис. 7.3. Таутомер T в енольной форме (на рисунке обозначается T*) ошибочно образует пару с G, а не со своим постоянным партнером A. Подобным образом таутомер A (на рисунке A*) ошибочно образует пару с C, а не с T. Если эти пары образуются в процессе репликации ДНК, возникает мутация

Несмотря на очевидную правдоподобность данной гипотезы, было очень сложно подтвердить ее прямыми доказательствами. Однако в 2011 году, почти через 60 лет после того, как Уотсон и Крик опубликовали статью о двойной спирали ДНК, команде ученых из Медицинского центра Университета Дьюка (США) удалось доказать, что неправильные пары оснований ДНК с таутомерическими положениями протонов в связях действительно могут встраиваться в активный центр ДНК-полимеразы (фермент, образующий новую ДНК), а точнее, в новые цепочки ДНК в процессе репликации и обусловливать мутации[126].

Таким образом, таутомеры с альтернативным расположением протонов являются причиной мутаций, а следовательно, и движущей силой эволюции. Однако что же заставляет протоны менять положение? Согласно одному из «классических» объяснений, протоны время от времени «встряхиваются» из-за постоянных молекулярных вибраций, окружающих их. Тем не менее это возможно только при условии достаточного количества тепловой энергии, которая дает толчок, «встряску» молекуле. Как и в реакциях, катализируемых ферментами, о которых мы говорили в главе 3, для смены положения протону необходимо преодолеть достаточно высокий энергетический барьер. К тому же протоны могут получать толчок после столкновений с соседними молекулами воды, однако вблизи протонов, формирующих водородные связи внутри молекулы ДНК, нет молекул воды, способных передать такой толчок другим частицам.

Однако есть еще один фактор — тот, который играет важную роль в переносе электронов и протонов ферментами. Благодаря волновой природе элементарные частицы, такие как электроны и протоны, могут участвовать в квантовом туннелировании. Нестабильность положения какой бы то ни было частицы позволяет ей просачиваться через энергетический барьер. В главе 3 мы говорили о том, как ферменты обеспечивают возможность туннелирования электронов и протонов, подводя молекулы ближе друг к другу. Спустя десятилетие после публикации фундаментальной статьи Уотсона и Крика шведский физик Пер-Улоф Левдин, которого мы уже упоминали в этой главе, предположил, что протоны внутри водородных связей перемещаются посредством квантового туннелирования, в результате чего образуются таутомерические — мутационные — формы нуклеотидов.

Важно отметить, что мутации ДНК могут быть обусловлены действием множества различных механизмов, в том числе воздействием химических веществ, ультрафиолетового излучения, частиц, выпускаемых в результате радиоактивного распада, и даже космического излучения. В результате воздействия этих факторов изменения происходят на молекулярном уровне, а значит, они неизбежно сопровождаются квантово-механическими процессами. Пока не получены доказательства того, что все эти источники мутаций связаны с таинственными аспектами квантовой механики. Тем не менее доказано, что квантовое туннелирование играет большую роль в образовании таутомерических форм ДНК-оснований. Значит, мистическая природа других квантовых процессов, возможно, играет определенную роль в возникновении мутаций, движущих эволюцией.

И все же таутомеры ДНК-оснований составляют лишь 0,01 % всех ДНК-оснований. Их образование приводит к ошибкам одного порядка. Такое соотношение гораздо выше, чем показатель всех мутаций в природе, — одна на миллиард случаев, поэтому, если таутомеры действительно присутствуют в двойной спирали, потенциальных сбоев легко избежать путем различных процессов исправления ошибок (проверочных процессов), призванных обеспечивать высокую надежность репликации ДНК. Однако ошибки, возникающие благодаря квантовому туннелированию, не поддаются корректировке проверочных механизмов и продолжают быть источником природных мутаций, которые обеспечивают эволюцию всех земных форм жизни.

Открытие механизмов, лежащих в основе мутации, важно не только для понимания эволюции. Оно может пролить свет на то, как возникают генетические заболевания, как здоровые клетки становятся раковыми (доказано, что генетические и онкологические заболевания обусловлены мутациями). Однако не так легко проверить, основан ли механизм конкретной мутации на эффекте туннелирования, поскольку, в отличие от некоторых других видов воздействия на клетку, например химических веществ или излучения, этот эффект нельзя просто «включить» и «выключить». Следовательно, пока мы не имеем возможности сравнить соотношение мутаций, обусловленных квантовым туннелированием и не обусловленных квантовым процессом, и посмотреть, чем они отличаются друг от друга.

Есть еще один способ подтвердить квантово-механический аспект генетических мутаций. Он основывается на различиях между информацией в классическом понимании и квантовой информацией. Классическая информация может считываться и перечитываться снова и снова, при этом не меняя своего содержания, в то время как информация квантовых систем искажается при попытке измерений. Когда фермент ДНК-полимераза изучает ДНК-основание и пытается определить положение протонов в водородной связи, он осуществляет квантовое измерение, ничем не отличающееся от измерений, проводимых над теми же протонами ученым-физиком в лаборатории. Оба этих процесса и их измерения влияют на квантовую систему: с точки зрения квантовой механики вовсе не важно, выполняется измерение ферментом ДНК-полимеразой внутри клетки или счетчиком Гейгера в лаборатории, — в любом случае положение измеряемой частицы изменится. Если состояние частицы соответствует определенной букве генетического кода, означает ли это, что измерения, особенно частые, регулярные, будут способствовать изменению кода и вызывать мутации? Есть ли тому доказательства?

Несмотря на то что весь геном человека копируется во время репликации ДНК, считывание большей части информации генома осуществляется в ходе двух процессов, при которых генетическая информация используется для обеспечения синтеза белков. Первый из этих процессов — транскрипция — подразумевает перенос генетической информации с ДНК в РНК. РНК химически родственна ДНК. Скопировав информацию ДНК, РНК отправляется к механизму синтеза белков и инициирует их производство, или второй из упомянутых процессов, известный также как трансляция. Чтобы отличать эти процессы от репликации ДНК (копирования генетической информации), мы будем называть их процессами считывания ДНК-кода.

Ключевая особенность процесса считывания ДНК-кода заключается в том, что некоторые гены считываются чаще, чем другие. Если считывание ДНК-кода во время транскрипции является квантовым измерением, можно предположить, что наиболее часто считываемые гены будут подвержены более серьезным изменениям, обусловленным измерениями, а следовательно, будут содержать большее количество мутаций. Некоторые исследователи утверждают, что их эксперименты доказывают это предположение. Так, например, Абхиджит Датта и Сью Джинкс-Робертсон из Университета Эмори (Атланта, США) воздействовали на один и тот же ген дрожжевой клетки таким образом: сначала ген был считан несколько раз для получения небольшого количества белка, а затем — множество раз для получения больших объемов белка. Ученые обнаружили, что количество мутаций гена возросло в 30 раз после того, как участились случаи считывания его информации[127]. В ходе эксперимента с клетками мыши были получены схожие результаты[128], а недавние исследования генов человека показали, что наиболее часто считываемые гены чаще подвергаются мутациям[129]. Такие результаты согласуются с наличием квантово-механического измерения, однако они не доказывают связи образования мутаций с квантовой механикой. Считывание ДНК-кода сопровождается биохимическими реакциями, которые могут изменить или даже разрушить молекулярную структуру генов различными способами, также вызывая мутации, к которым квантовая механика не имеет никакого отношения.

Чтобы проверить, связан ли биологический процесс с квантовой механикой, необходимы данные, которые очень трудно или вовсе невозможно интерпретировать, не прибегая к основам квантовой механики. К слову, именно этот парадокс пробудил в нас интерес к определению роли квантовой механики в биологии.

Совершают ли гены квантовые скачки

В сентябре 1988 года в журнале Nature была опубликована статья, посвященная генетике бактерий. Автором статьи был выдающийся генетик Джон Кейрнс, сотрудник Гарвардской школы общественного здоровья (Бостон)[130]. Идеи, высказанные в статье, противоречили фундаментальному принципу неодарвинистской эволюционной теории, согласно которому мутации, источники генетических вариаций, происходят случайно, а направление эволюции определяется естественным отбором — «выживанием сильнейших».

Кейрнс получил образование в Оксфорде, затем работал в Австралии и Уганде. В 1961 году он, будучи сотрудником лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (штат Нью-Йорк), взял творческий отпуск. С 1963 по 1968 год Кейрнс возглавил лабораторию в Колд-Спринг-Харбор, которая в то время была местом, где зарождалась новая наука — молекулярная биология. В 1960-е и 1970-е годы лаборатория переживала настоящий золотой период, поскольку здесь работали такие выдающиеся ученые, как Сальвадор Лурия, Макс Дельбрюк и Джеймс Уотсон. Кейрнс, кстати, познакомился с Уотсоном за много лет до этого, когда молодой и немного неопрятный будущий нобелевский лауреат делал довольно бессвязный доклад на конференции в Оксфорде и не произвел на Кейрнса большого впечатления. По правде говоря, первое впечатление Кейрнса от одного из величайших ученых за всю историю человечества сводилось к следующему: «Я подумал, что он абсолютно ненормальный»[131].

В лаборатории Колд-Спринг-Харбор Кейрнс провел несколько эпохальных исследований. Так, например, он показал, как репликация ДНК начинается в одной конкретной точке и продвигается вдоль хромосомы подобно поезду, который движется по рельсам. Он наверняка стал намного лучше относиться к Уотсону, поскольку в 1966 году вышла их совместная книга о роли бактериальных вирусов в развитии молекулярной биологии. Позднее, в 1990-е годы, он заинтересовался ранним исследованием нобелевских лауреатов Лурии и Дельбрюка, которое, казалось, доказывало случайный порядок мутаций в организме, не подвергаемом воздействию мутагенных факторов. Кейрнс заметил, что в плане эксперимента Лурии и Дельбрюка был один слабый момент, который не был учтен и «помог» ученым доказать, что бактерии-мутанты, устойчивые к вирусу, существуют в популяции всегда, а не возникают в результате воздействия вируса на популяцию.

Кейрнс отметил, что бактериям, не имеющим устойчивости к вирусу, не хватило бы времени на развитие адаптивных мутаций в ответ на вызов окружающей среды, поскольку вирус, являющийся этим самым вызовом, уничтожил бы их. Он предложил альтернативный план эксперимента, в ходе которого бактериям предоставлялась более удобная возможность мутировать в ответ на вирус. Вместо того чтобы ожидать появления у бактерий мутаций, благодаря которым у них развивается устойчивость к вирусу, он подверг бактерии голоданию с целью выявить мутации, позволяющие бактерии выжить и расти в условиях нехватки питательных веществ. Кейрнс показал (как, впрочем, Лурия и Дельбрюк до него), что некоторые бактерии продолжили расти и нормально развиваться в условиях голода, что доказывало наличие у них изначальной устойчивости к нехватке питательных веществ. Однако, в отличие от исследования Лурии и Дельбрюка, в ходе эксперимента Кейрнса выявилось гораздо больше бактерий-мутантов, появившихся в популяции намного позже, а именно как ответ на воздействие голоданием.

Результаты эксперимента Кейрнса противоречили общепринятому принципу случайного возникновения мутаций; наоборот, они свидетельствовали о том, что мутации возникают тогда, когда для их возникновения создаются благоприятные условия. Открытие Кейрнса, казалось, доказывало поставленную под сомнение состоятельность теории эволюции Ламарка: голодающие бактерии не «отращивали длинные шеи» — они, подобно вымышленной антилопе Ламарка, реагировали на вызов, брошенный окружающей средой, развитием наследуемых модификаций организма — мутаций.

Экспериментальные открытия Кейрнса очень скоро подтвердились в ходе исследований других ученых. И все же данному феномену не находилось приемлемого объяснения в рамках современной генетики и молекулярной биологии. Науке не было известно о механизме, который позволял бактерии (или любому другому живому организму) выбирать, какие гены должны подвергнуться мутации и в какой именно момент. Открытие Кейрнса, на первый взгляд, также противоречило центральной догме молекулярной биологии, согласно которой во время транскрипции информация передается только в одном направлении: от ДНК белкам и далее во внутреннюю среду клетки или организма. Если Кейрнс оказался прав, клетки должны обладать способностью менять направление передачи генетической информации, позволяя среде влиять на то, что записано в ДНК.

Публикация статьи Кейрнса вызвала массу споров и лавину писем в редакцию журнала Nature: научная общественность стремилась понять смысл открытия. Будучи специалистом в области бактериальной генетики, Джонджо заинтересовался явлением «адаптивных мутаций», как все их стали называть. В то время он как раз читал популярную работу Джона Гриббина о значении квантовой механики «В поисках кота Шредингера»[132] и не мог не задуматься над тем, не кроется ли объяснение результатов Кейрнса в этой таинственной области, а именно в загадочных процессах квантовых измерений. Джонджо был также знаком с утверждением Левдина о том, что генетический код записан квантовыми буквами. Итак, если Левдин был прав, геном бактерий, исследуемых Кейрнсом, должен рассматриваться как квантовая система. Если это так, то попытка узнать, произошла ли мутация, будет представлять собой квантовое измерение. Может ли эффект квантового измерения объяснить довольно странные результаты исследования Кейрнса? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо подробнее рассмотреть модель его эксперимента.

Кейрнс поместил миллионы бактерий кишечной палочки E. coli[133] на поверхность желе в емкости, где из питательных веществ бактериям была доступна лишь лактоза. У бактерий одного из штаммов E. coli, которые использовал Кейрнс, был генетический сбой, из-за которого бактерии не принимали лактозу, а следовательно, подвергались голоданию в ходе данного эксперимента. Однако они не погибли; они оставались на поверхности желе. Затем произошло нечто, что очень удивило Кейрнса и вызвало множество споров среди ученых впоследствии, когда результаты эксперимента были опубликованы. Через некоторое время после начала эксперимента Кейрнс исследовал новые колонии, появившиеся на поверхности желе. В каждой колонии были бактерии-мутанты — потомки одной-единственной клетки, в которой мутация исправила ошибку в ДНК-коде дефектного гена, отвечающего за усваивание лактозы. Колонии мутантов продолжали расти на протяжении нескольких дней, пока желе из лактозы полностью не исчезло с тарелок.

Согласно одному из принципов классической теории эволюции, подтвержденному экспериментами Лурии и Дельбрюка, для эволюции одноклеточных E. coli требовалось изначальное присутствие в популяции бактерий-мутантов. Некоторые из них действительно появились в колонии в самом начале эксперимента, однако их было недостаточно для возникновения новых колоний, способных усваивать лактозу, спустя лишь несколько дней после того, как дефективные бактерии были помещены в лактозную среду (в которой мутации могли стать адаптивным преимуществом клетки, отсюда и название «адаптивные мутации»).

Кейрнс отказался от тривиальных объяснений данного явления, как, например, общая тенденция повышения частотности мутаций. Кроме того, ученый продемонстрировал, что адаптивные мутации возникают лишь в той среде, где от данной мутации будет преимущество. И все же результаты эксперимента Кейрнса не находили объяснения в рамках классической молекулярной биологии: мутации возникали с одинаковой частотой в присутствии и отсутствии лактозы. Однако в том случае, если (как утверждал Левдин) гены представляют собой квантовые информационные системы, наличие лактозы подразумевает потенциальное квантовое измерение, поскольку благодаря ему выявляется, мутирует ДНК клетки или нет, — перед нами не что иное, как явление квантового уровня, зависящее от положения одиночных протонов. Объясняются ли различия в частотности мутаций, выявленные Кейрнсом, именно наличием квантовых измерений?

Джонджо решил высказать свои соображения на одной из открытых лекций на физическом факультете Университета Суррея. Джим был среди слушателей и, несмотря на скептическое отношение к высказываемым идеям, заинтересовался ими. Мы решили работать вместе и выяснить, есть ли у предположений Джонджо квантовая подоплека. В конце концов нам удалось разработать достаточно «шаткую»[134] модель, которая, как нам кажется, способна объяснить механизм адаптивных мутаций. Описание объяснительной модели было опубликовано нами в журнале Biosystems в 1999 году[135].

Описание модели начинается с допущения того, что протонам свойственно квантово-механическое поведение. Следовательно, протоны в ДНК голодающих бактерий E. coli могут время от времени совершать скачок в таутомерическое (мутагенное) положение путем квантового туннелирования и с такой же легкостью возвращаться в исходное положение. С точки зрения квантовой механики такая система считается находящейся в суперпозиции, или одновременно в двух состояниях — туннелированном и нетуннелированном. Протон описывается в терминах волновой функции, распространяющейся в обе стороны, однако асимметрично: вероятность того, что протон находится в обычной (не мутагенной) позиции, гораздо выше, чем вероятность его перемещения в таутомерическое положение. В этой ситуации у нас нет никакого экспериментального измерительного прибора, который зафиксировал бы положение протона; процесс измерения, о котором мы подробно говорили в главе 4, осуществляется окружающей средой. Этот процесс происходит непрерывно: например, считывание ДНК механизмом синтеза белков заставляет протон «определиться», с какой стороны водородной связи ему находиться — обычной или таутомерической. В большинстве случаев протон выбирает обычное положение.

Давайте представим себе тарелку Кейрнса с бактериями кишечной палочки в виде коробочки с монетами, где каждая монета будет символизировать протон одного из связанных оснований гена, отвечающего за усвоение лактозы[136]. Протон может существовать в двух положениях: положении «орла», соответствующего обычному, не таутомерическому положению частицы, и «решки», соответствующей более редкой таутомерической позиции. Представьте, что все наши монеты лежат вверх «орлами», что соответствует началу эксперимента, когда все протоны находятся в обычном положении. Однако с точки зрения квантовой механики протон постоянно находится в суперпозиции — в обычном и таутомерическом положении одновременно, поэтому наши воображаемые квантовые монеты тоже будут находиться в суперпозиции — одновременно и «орлами» и «решками» вверх, однако вероятность того, что они лежат вверх «орлами», будет выше. В то же время положение протона постоянно измеряется внутренней средой клетки, заставляя его выбирать, в каком месте находиться: представьте себе, что наши монетки постоянно подбрасываются вверх и в подавляющем большинстве случаев выпадает «орел». Иногда выбор протона осуществляется во время копирования ДНК[137], однако каждая новая цепочка будет кодировать только ту генетическую информацию, которая записана в изначальной цепи и в большинстве случае содержит код дефектного фермента. Это означает, что бактерия будет продолжать испытывать голод, не будучи способной усвоить лактозу.

Не забывайте, однако, что в нашей аналогии монета символизирует квантовую частицу — протон в водородной связи на цепочке ДНК. Квантовая частица способна вернуться в исходное положение и восстановить суперпозицию даже после измерения. Итак, после того, как монета была подброшена и легла «орлом» вверх, ее будут подбрасывать снова и снова. Рано или поздно выпадет «решка». В этом положении может повториться попытка копирования ДНК, и на этот раз в геноме будет закодирована информация об активном ферменте. В отсутствие лактозы это не будет иметь никакого значения, поскольку от гена, кодирующего активный фермент, не будет никакой пользы: бактерия по-прежнему будет испытывать голод.

Ситуация изменится, если бактерии будет доступна лактоза, поскольку исправленный ген позволит клетке усваивать это питательное вещество, а значит, расти и воспроизводиться путем деления. Возвращение в квантовую суперпозицию будет невозможным. Система клетки-мутанта навсегда станет частью мира, в котором действуют законы классической физики. Что же происходит с нашими воображаемыми монетами в присутствии фактора включения исправленного гена (для бактерий этот фактор — присутствие лактозы)? Переложим те немногочисленные монеты, что после подбрасываний легли вверх «решками», в другую коробочку и пометим их как «мутировавшие». В первой коробке оставшиеся монеты (бактерии кишечной палочки) будут подбрасываться снова и снова, и каждый раз монеты, на которых выпадут «решки», будут изыматься и перемещаться в коробку с «мутировавшими» экземплярами. Постепенно вторая коробочка будет заполняться монетами. Это означает, что в ходе эксперимента количество бактерий-мутантов, способных усваивать лактозу, будет расти, что и показал Кейрнс.

Мы опубликовали описание нашей модели в 1999 году, однако сторонников у нас едва ли прибавилось. Не остановившись перед неудачей, Джонджо написал книгу «Квантовая эволюция»[138], в которой говорится о значительной роли квантовой механики в биологии и эволюции. Однако книга вышла до того, как признание роли туннелирования протонов в реакциях с участием ферментов стало общепринятым, и до открытия квантовой когерентности при фотосинтезе. Неудивительно, что ученые скептически отнеслись к идее о причастности к мутациям каких-то странных квантовых явлений. К тому же мы упустили несколько важных тем[139]. Кроме того, поднялась неразбериха вокруг феномена адаптивных мутаций. Было обнаружено, что подвергавшиеся голоданию бактерии E. coli питались микроэлементами мертвых и умирающих клеток и иногда копировали ДНК и даже обменивались ими. Стали появляться результаты новых исследований адаптивных мутаций, согласно которым учащение мутаций было обусловлено совокупностью различных процессов: общего учащения мутаций всех генов, гибели клеток и высвобождения мутировавшей ДНК мертвых клеток и, наконец, выборочного поглощения и распространения мутировавшего гена, отвечающего за усвоение лактозы, выжившими клетками, которым удалось встроить ген в собственный геном[140].

Пока неясно, способны ли подобные «общепринятые» объяснения полностью описать механизм адаптивных мутаций. Спустя 25 лет после публикации результатов Кейрнса адаптивные мутации остаются во многом загадочным явлением. Об этом свидетельствует постоянное появление в научных изданиях статей, посвященных исследованию механизма адаптивных мутаций[141] на примере не только кишечной палочки, но и других бактерий. На данный момент ситуация обстоит так: мы не исключаем возможности того, что возникновение адаптивной мутации сопровождается квантовым туннелированием, однако не можем утверждать, что это единственное объяснение механизма таких мутаций.

В отсутствие первостепенной необходимости связывать квантовую механику с механизмом адаптивных мутаций мы решили вернуться на шаг назад и рассмотреть более фундаментальный вопрос: сопровождаются ли любые мутации, не только адаптивные, квантовым туннелированием. Как вы помните, первое теоретическое обоснование роли квантового туннелирования в возникновении адаптивных мутаций было предложено Левдином и с тех пор подтверждалось несколькими теоретическими исследованиями[142], а также экспериментами с «моделями пар оснований» — химическими соединениями, синтезированными специально для лабораторных опытов и характеризующимися свойствами оснований ДНК. Тем не менее никому еще не удалось доказать, что квантовое туннелирование обусловливает мутацию. Проблема в том, что квантовое туннелирование влияет на возникновение мутации только в совокупности с другими факторами, обусловливающими мутации и включение механизма их исправления, что усложняет задачу определения роли квантового явления (туннелирования) в биологическом процессе (мутации).

Чтобы разобраться в этой проблеме, Джонджо обратился к результатам экспериментов с ферментами, описанных в главе 3. Как вы помните, предположение о роли туннелирования протонов в реакциях с ферментами было высказано после того, как был обнаружен «кинетический изотопный эффект». Если ускорение реакции с участием фермента обусловлено квантовым туннелированием, то при замене ядра атома водорода (одиночного протона) на ядро дейтерия (содержащего протон и нейтрон) реакция замедлится, поскольку масса частицы, совершающей туннелирование, удвоится. В настоящий момент Джонджо пытается выяснить, действует ли тот же принцип при возникновении мутации, проверяя его на частоте мутаций в дейтерированной воде D2O. Пока мы писали эту книгу, эксперименты показали, что после замены обычного ядра водорода ядром дейтерия частота мутаций возросла. Однако следует проделать еще немало работы, чтобы подтвердить обусловленность данного эффекта квантовым туннелированием, поскольку замена обычного водорода дейтерием может воздействовать на многие другие биомолекулярные процессы, что, в свою очередь, может вызвать мутации, не обусловленные квантовомеханическими явлениями.

Джим сосредоточился на изучении того, насколько возможно, исходя из теоретических обоснований, квантовое туннелирование протонов в двойной спирали ДНК. Когда физик-теоретик берется за рассмотрение сложной проблемы, он обычно создает ее упрощенную модель, поддающуюся математическому описанию и сохраняющую основные свойства исследуемой системы или процесса. Такие модели могут со временем достигать высокой степени сложности, поскольку ученый постоянно дополняет их новыми данными, достраивает новые элементы с целью достичь максимального сходства с реальной моделируемой ситуацией.

В нашем случае модель, построенная для первоначального математического анализа, представляет собой шарик (символизирующий протон), подвешенный на пружинах, прикрепленных к стенам (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Протон в водородной связи, соединяющей два парных основания ДНК, можно представить в виде шарика на двух пружинах, качающегося из стороны в сторону. Он имеет два возможных стабильных положения, смоделированных на основе явления двойной потенциальной ямы. Левая яма (соответствующая обычному положению протона при отсутствии мутации ДНК) немного глубже правой (соответствующей таутомерическому положению), поэтому протон предпочитает находиться в левой яме

Каждая из пружин тянет шарик на себя. Шарик пытается найти положение, в котором тянущая сила обеих пружин уравновешивается. Если одна из пружин натянута туже (менее упругая), то шарик будет находиться ближе к той стене, к которой закреплена эта тугая пружина. И все же в тугой пружине должен быть некий «задел упругости», необходимый для того, чтобы шарик мог оказаться в менее стабильном положении у другой стены. Это соответствует явлению, которое в квантовой физике известно как двойная потенциальная яма, и поведению протона в водородной связи на цепочке ДНК: яма, изображенная на диаграмме слева, соответствует обычному положению протона, а правая — его редкой таутомерической позиции. С точки зрения классической физики, несмотря на то что протон почти всегда будет находиться в левой яме, если он получит сильный энергетический заряд от внешнего источника, он может переместиться и на другую сторону цепи — в таумерическое положение. Однако в определенный момент времени он всегда будет находиться либо в одной яме, либо в другой. Согласно квантовой механике протон может в любой момент спонтанно туннелировать, даже если энергии для преодоления барьера будет не хватать — для этого протону вовсе не обязательно получать энергетический толчок извне. Кроме того, в этом случае протон будет находиться в состоянии суперпозиции, то есть в левой и правой яме одновременно.

Безусловно, нарисовать картинку гораздо проще, чем разработать математическую модель, которая точно описывала бы исследуемую ситуацию. Чтобы понять поведение протона, необходимо очень точно представлять форму потенциальной ямы, или карту энергетической поверхности. Это не такая простая задача, поскольку форма потенциальной ямы зависит от многих переменных. Дело не только в том, что водородная связь является элементом огромной, сложной структуры — молекулы ДНК, состоящей из сотен или даже тысяч атомов. Следует также учитывать и то, что протон погружен в теплую ванну — внутри клетки его окружают молекулы воды и другие жидкие химические соединения. Кроме того, молекулярные вибрации, тепловые флуктуации, химические реакции с участием ферментов, а также ультрафиолетовое и радиоактивное излучение могут напрямую и косвенно влиять на состояние и поведение водородных связей ДНК.

Аспирант Джима Аль-Халили Адам Годбир при изучении проблем такого уровня сложности придерживается подхода, который подразумевает использование мощного математического метода — теории функционала плотности. Этот метод широко используется современными физиками и химиками для моделирования сложных структур. Теория функционала плотности позволяет рассчитать форму энергетической ямы, в которую попадает водородная связь, настолько точно, насколько это возможно в вычислительном отношении, учитывая сложность структурной информации пар ДНК-оснований. Представьте себе, что этот метод создает карту всех воздействий на водородную связь, в том числе притягивающих и отталкивающих сил атомов ДНК, окружающих протон. Затем информация обо всех этих силах используется для просчитывания возможного квантового туннелирования и поведения протона на продолжительном отрезке времени. Дополнительную сложность для расчетов создает присутствие окружающих атомов ДНК, а также молекул воды, которые оказывают постоянное воздействие на поведение протона и на его способность совершать туннелирование из одной цепи ДНК в другую. Однако подобное воздействие внутренней среды может также учитываться в квантово-механических уравнениях. Сейчас, когда мы пишем эту книгу (лето 2014-го), предварительные результаты исследований Адама таковы: несмотря на то что оба протона водородной связи между основаниями A и T могут перемещаться в таутомерические положения посредством квантового туннелирования, вероятность такого скачка крайне мала. В то же время теоретические модели показывают, что воздействие внутриклеточной среды, окружающей протоны, вовсе не препятствует процессу туннелирования, а активно ему способствует.

Что же на данный момент мы можем сказать о связи квантовой механики с генетикой? Безусловно, квантовая механика играет важную роль в копировании и передаче наследственной информации, поскольку наш с вами генетический код записан квантовыми частицами. Как и предсказывал Эрвин Шредингер, квантовые гены кодируют структуру и функции всех бактерий, растений и животных, которые когда-либо жили на Земле. Это вовсе не случайность. Более того, это очень важная особенность живых организмов, поскольку процесс копирования генетической информации не характеризовался бы такой высокой степенью надежности, если бы гены представляли собой структуры, подчиняющиеся законам классической физики: они слишком малы, чтобы не подчиняться законам квантовой механики. Именно квантовая природа генов позволила бактериям, обитавшим в озере Восток, успешно копировать геном на протяжении нескольких тысяч лет, а нашим предкам — передавать генетический код на протяжении миллионов и даже миллиардов лет, а именно с тех самых пор, когда на нашей планете зародилась самая первая форма жизни. Жизнь не могла бы зародиться и сохраниться на Земле, если бы много миллионов лет назад не «обнаружила» способ кодировать информацию на квантовом уровне[143]. С другой стороны, науке только предстоит выяснить, имеет ли квантовая механика непосредственное отношение к генетическим мутациям — сбоям в копировании генетической информации, имеющей первостепенное значение для эволюции.

8. Разум

Жан-Мари Шове родился в старинной французской провинции Овернь. Когда ему было пять, его родители переехали на юго-восток, в Ардеш, живописный край рек, ущелий и каньонов, врезавшийся в известняковые скалы. В 12 лет Жан-Мари обнаружил увлечение всей своей жизни — вместе с друзьями в касках времен Второй мировой войны отправившись изучать многочисленные полости и пещеры в долине большой реки Ардеша. Он бросил школу в 14 лет; работал сначала каменщиком, потом клерком в хозяйственном магазине и, наконец, смотрителем. Вдохновленный книгой Норбера Кастере «Моя жизнь под землей», Жан-Мари посвящал по возможности каждые выходные своему детскому увлечению, взбираясь по отвесным скалам или копаясь в темных пещерах, мечтая однажды первым найти клад в неизвестной пещере. «Неизведанное всегда влечет. Когда вы идете по пещере, вы не знаете, что найдете. Закончится все за следующим поворотом, или вы откроете нечто фантастическое?»[144]

В субботу 18 декабря 1994 года начинались обычные выходные для 42-летнего Жана-Мари и двух его друзей-спелеологов, Элиет Брюнель и Кристиана Иллэра, бродивших по ущельям в поисках чего-нибудь нового. Минул полдень, воздух становился холоднее, и они решили исследовать область, известную как Cirque d’Estre, незначительно освещенную полуденным солнцем и, как правило, чуть более теплую в холодный зимний день, чем теневые участки долины.

Друзья шли протоптанной мулами тропинкой вдоль скалы между порослей вечнозеленого дуба, самшита и вереска, с прекрасным видом на Понт Д’Арк у входа в ущелье. Пробираясь через мелколесье, они заметили небольшую полость в горной породе, примерно 25 сантиметров в ширину и 75 в высоту.

Это было в буквальном смысле открытое приглашение для спелеологов, и вскоре они, протиснувшись через пролом, попали в небольшую камеру несколько метров в длину и по высоте едва позволявшую стоять в полный рост. Почти сразу они заметили слабое дуновение из дальнего конца камеры. Любой, кто исследовал пещеры, знаком с ощущением теплого ветерка из невидимого туннеля. Большинство скрытых проходов хорошо известны опытным спелеологам; они просто лежат за пределами узкого участка, освещенного фонариком. Но движение воздуха в этой крошечной камере не исходило из какой-либо известной пещеры. Команда по очереди убирала камни из конца камеры, пока не обнаружила источник воздуха: воздуховод уходил вертикально вниз. Элиет, самую миниатюрную из команды, первой опустили на веревке в темноту, в узкую шахту, куда она могла пролезть. Ход сначала вел вниз, затем повернул обратно вверх и раскрылся — в этот момент Элиет увидела, что она висит в десяти метрах над глиняным полом. Ее фонарь светил слабо, не освещал дальнюю стену, но эхо от ее крика в темноте дало понять, что она была в большой пещере.

Команда была заинтригована, но им пришлось вернуться в свой фургон, припаркованный у подножия скалы, чтобы принести лестницу. Придя обратно в пещеру, они развернули лестницу, и Жан-Мари первым достиг пола. Это была действительно большая пещера, по крайней мере 50 метров в высоту и столько же в ширину, с великолепными колоннами белого кальцита. Троица осторожно продвигалась сквозь темноту, ступая след в след, не нарушая первозданной среды, мимо огромных сводов и занавесей перламутра и среди костей и зубов давно вымерших медведей, разбросанных в древней спячке по ячейкам в глиняном полу.

Осветив стену, Элиет расплакалась. Ей открылись рисунки красной охрой, изображавшие силуэт мамонтенка. Молча друзья прошли вдоль стены, освещая один за другим очертания медведя, льва, хищных птиц, еще одного мамонта, даже носорога и обрисованных рук человека. «Я все думал: „Это сон. Это сон“», — вспоминал ШовеChauvet J.-M., Brunel-Deschamps E., Hillaire C. and Clottes J. Dawn of Art. The Chauvet Cave: The Oldest Known Paintings in the World. — N.Y.: Harry N. Abrams, 1996..

В фонарях садились батарейки, поэтому команда повернула обратно, они выбрались из пещеры и поехали обратно к дому Элиет, чтобы поужинать с ее с дочерью Кэрол. Но их эмоциональные, несвязные и во многом неясные рассказы об увиденном так заинтриговали Кэрол, что она настояла, чтобы они взяли ее с собой в пещеру — увидеть чудеса собственными глазами.

Уже стемнело, когда они снова вошли в пещеру, уже с более мощными фонарями, свет которых показал все великолепие их открытия. Несколько пещер, украшенных чудесным набором животных: лошади, утки, сова, львы, гиены, пантеры, олени, мамонты, горные козы и бизон. Большинство выполнены в прекрасном натуралистическом стиле, с нарисованными углем тенями, перекрывающимися в перспективе головами, и в позах, имеющих реальную эмоциональную окраску. Там был ряд спокойных, задумчивых лошадей, милый мамонтенок с большими круглыми ногами, а также пара дерущихся носорогов. Был даже носорог, чьи семь ног предположительно изображали бег.

Пещера Шове, как она теперь называется, сегодня признана одним из самых важных мест в мире первобытного искусства. Сохраненная в первозданном виде — там даже есть следы древних жителей, — она опечатана и охраняется для безопасности ее хрупкой среды. Доступ строго контролируется, и лишь немногим счастливчикам было позволено войти в пещеру. Один из них — немецкий режиссер Вернер Херцог, чей фильм 2011 года «Пещера забытых снов» является для большинства из нас наилучшей возможностью насладиться замечательным наскальным искусством охотников ледникового периода, которые укрывались в этих пещерах 30 тысяч лет назад.

Цель этой главы — исследовать не наскальные изображения сами по себе, а загадку, вероятно лучше, чем где-либо, поставленную названием фильма Херцога. Как видно из любого обзора тех рисунков, они не просто плоские, одномерные представления о том, что видит глаз. Они подчас абстрагированы и дают ощущение движения, они используют изгибы и закругления в скалах, наделяя изображенных животных почти трехмерным видом[145]. Художник(и) не просто рисовал(и) объекты — это были идеи. Те, кто расписывал стены пещеры Шове, были, как и мы, людьми, думавшими о мире и своем месте в нем; они обладали сознанием.

Но что есть сознание? Это, конечно, вопрос, который волновал философов, художников, нейробиологов, да и всех нас, возможно, все время, которое мы были в сознании. В этой главе мы пойдем легким путем, не пытаясь давать каких-либо строгих определений. В самом деле, мы считаем, что стремление понять это чрезвычайно странное биологическое явление часто сдерживается придирчивостью в его определении. Биологи не могут даже договориться о едином определении самой жизни; но это не остановило их от исследования вопросов клетки, двойной спирали ДНК, фотосинтеза, ферментов и множества других явлений живой природы, в том числе тех, что подчиняются квантовой механике, толкующей сейчас многое из того, что значит быть живым.

Мы исследовали многие из этих открытий в предыдущих главах, но все то, что мы до сих пор обсуждали — от магнитных компасов до действия ферментов, от фотосинтеза до наследственности и обоняния, — может обсуждаться с точки зрения обычной химии и физики. Хотя квантовая механика может быть нам незнакома, но, в частности, в ракурсах многих биологов она все равно полностью вписывается в рамки современной науки. И хотя мы не можем иметь интуитивного или осмысленного понимания того, что происходит в эксперименте с двумя щелями или квантовой запутанности, математика, как фундамент квантовой механики, является точной, логичной и невероятно мощной.

Но сознание — это другое. Никто не знает, где и как оно вписывается в ту науку, которую мы обсуждали до сих пор. Нет (авторитетных) математических формул, которые включают в себя термин «сознание», и в отличие, скажем, от катализа или переноса энергии оно до сих пор не было обнаружено в чем-либо неживом. Свойство ли это всего живого?

Большинство людей так не думают и наделяют сознанием те существа, которые обладают нервной системой; но тогда насколько развитая нервная система необходима? Скучает ли рыба-клоун по родному рифу? Неужели наш европейский дрозд действительно так хочет лететь на юг зимой; или он действует на автомате, как беспилотный летательный аппарат? Большинство владельцев собак, котов или лошадей убеждены, что их питомцы обладают сознанием; значит, сознание возникает у млекопитающих? Многие владельцы волнистых попугайчиков и канареек в равной степени уверены, что их любимцы также обладают индивидуальностью и столь же сознательны, как кошки, их караулящие. Но если сознание является общим для птиц и млекопитающих, то и те и другие, вероятно, унаследовали его от общего сознательного предка, возможно, кого-то вроде примитивной рептилии — амниота, который жил более 300 миллионов лет назад и представляется предком птиц, млекопитающих и динозавров. Ну а чувствовал ли тираннозавр из главы 3 страх, погружаясь в болото триасового периода? А более примитивные животные на самом деле не обладают сознанием? Многие владельцы аквариумов будут настаивать на том, что рыбы или моллюски вроде осьминогов имеют сознание; но, чтобы найти предка для всех этих групп, мы должны вернуться к возникновению позвоночных в кембрийский период 500 миллионов лет назад. Неужели сознание действительно такое древнее?

Конечно, мы не знаем точно. Даже владельцы домашних животных высказывают только догадки, ведь никто не знает, как отличить поведение, подобное человеческому, от истинного сознания. Не зная, что такое сознание, мы никогда не узнаем, какие формы жизни им обладают. И при таком наивном подходе мы будем избегать всех споров и дискуссий и оставаться полностью в неведении о том, когда же возникло сознание на нашей планете или кто из наших родственников в животном царстве обладает самосознанием. Мы принимаем в качестве отправной точки утверждение, что те из наших предков, кто рисовал медведей, бизонов или диких лошадей на стенах древних пещер, были определенно сознательными. Так, в период между приблизительно тремя миллиардами лет назад, когда микробы возникли из первобытной грязи, и десятками тысяч лет назад, когда первые современного вида люди украшали пещеры изображениями животных, в живой материи появилось необычное свойство: эта материя осознала себя. Наша цель в этой главе — рассмотреть, как и почему это получилось, а также рассмотреть спорное предположение, что квантовая механика играет ключевую роль в возникновении сознания.

Во-первых, в свете наших предыдущих глав зададимся вопросом, нужно ли нам прибегать к квантовой механике, чтобы объяснить этот самый загадочный из человеческих феноменов. Конечно же, недостаточно принять распространенную точку зрения, что сознание загадочно и трудноопределимо и квантовая механика загадочна и трудноопределима, поэтому наверняка они должны быть как-то связаны.

Насколько необычно сознание

Пожалуй, самое необычное, что мы знаем о Вселенной, — то, что мы знаем очень много о ней благодаря удивительному ее свойству, заключенному в наших собственных черепах: нашим сознательным умам. Это действительно весьма необычно, и не в последнюю очередь потому, что функция данного странного свойства не совсем ясна.

Философы часто исследуют этот вопрос, представляя существование зомби. Они функционируют как человеческие существа, выполняют какие-то действия вроде росписи стен пещер или чтения книг, но все это без какой-либо внутренней жизни; ничего не происходит у них в головах, кроме механических расчетов, которые управляют движением конечностей или двигательными функциями, приводят в действие язык. Зомби — автоматоны, не имеющие осознания или ощущения того, что они делают. То, что такие существа по крайней мере теоретически возможны, подтверждается фактом, что многие наши действия — ходьба, езда на велосипеде, движения во время игры на музыкальном инструменте и т. д. — могут быть выполнены бессознательно (в том смысле, что наше сознание может быть в другом месте при выполнении этих задач), без осознания или воспоминания о проделанном. Действительно: когда мы начинаем думать об этом, нам, как ни парадоксально, становится труднее проделывать эти действия. Казалось бы, они несущественны для сознания. Но если существуют действия, которые могут быть выполнены без участия сознания, то возможно ли представить себе создание, осуществляющее все виды человеческой деятельности на автопилоте?

Казалось бы, нельзя; есть виды деятельности, где без сознания, как представляется, не обойтись, например естественный язык. Очень трудно представить себе общение на автопилоте. Так же трудно было бы на автомате произвести хитрый расчет или решить кроссворд. Мы не можем представить себе нашу первобытную художницу (будем условно считать ее женщиной) в состоянии нарисовать бизона, если она имеет только стену пещеры перед собой, без участия сознания. Все эти непременно сознательные действия объединяет то, что ими движут идеи, такие как идея, стоящая за словом, решение для проблемы или понимание того, чем является бизон и что он значит для первобытных людей. Действительно, стены пещеры Шове дают много доказательств самого мощного применения идей: соединения их вместе для формирования нового понятия. На нависающем камне, например, нарисована выдуманная фигура, обладающая верхней частью тела бизона, но нижней человеческой половиной. Такой объект мог быть создан только в сознании.

Тогда чем являются идеи? Учитывая наши цели, допустим, что идеи представляют собой сложную информацию, которая соединяется в нашем сознании, чтобы сформировать понятия, которые имеют смысл для нас, например, что бы мог значить образ получеловека-полубизона на стене пещеры Шове для людей, населявших эти пещеры. Такое сжатие сложной информации в особую идею упоминалось применительно к Моцарту, описывавшему, как целостная музыкальная композиция может быть «закончена в моей голове, хотя она и долгая. Тогда мой ум захватывает ее, как будто я ее вижу… Процесс идет непоследовательно, с детальной доработкой различных частей до того вида, в каком они будут потом, уже в целостном произведении»[146]. Сознательный ум способен «захватить» сложную информацию «в различных частях» так, что ее значение воспринимается как «целостное произведение». Сознание позволяет нашему уму работать на идеях и понятиях, а не просто на раздражителях.

Но как сложная нейронная информация соединяется в нашем сознании, формируя идею? Этот вопрос является одним из аспектов первой головоломки сознания — тем, что часто называют проблемой связи: как информация, закодированная в разрозненных областях нашего мозга, связывается в нашем сознании? Проблема связи обычно формулируется в терминах визуальной или иной сенсорной информации. Вспомним, например, как Лука Турин описывал по памяти аромат духов Shiseido Nombre Noir: «Это было нечто между розой и фиалкой, но без следов их сладости — скорее, доведенные до строгости, с тонкой кедровой основой, как у коробки с сигарами». Турин воспринимал аромат не как смесь разных запахов, каждый из которых связан с раздражением конкретного обонятельного рецептора, но как единый аромат с диапазоном основных запоминающихся нот и тонов, в том числе целого ряда вспомогательных понятий, таких как сигары и фиалки. Точно так же виды и звуки воспринимаются не как отдельные пропорции цветов, текстур или нот, а в качестве интегрированных сенсорных впечатлений, воспоминаний и понятий, как, например, бизон, дерево или человек.

Представьте себе нашу художницу из палеолита, наблюдающую за настоящим бизоном. Ее глаза, нос, уши и, если бы это был убитый бизон, тактильные рецепторы в пальцах захватили бы множество сенсорных впечатлений от животного, в том числе его запах, очертания, цвет, текстуру, движение и звук. В главе 5 мы обсуждали, как запахи улавливаются нашим обонянием. Вспомните, что молекулы пахучих веществ, которые связываются с каждым обонятельным нейроном, заставляют клетку «сработать», то есть послать электрический сигнал вдоль аксона (пучкообразный отросток клетки) от обонятельного эпителия в задней части носа до обонятельной луковицы в головном мозге. Мы изучим детали этого возбудительного процесса далее в этой главе, поскольку это ключ к пониманию возможного участия квантовой механики в наших мыслях. Сейчас, однако, мы представим себе молекулу запаха, доносящегося от нашего бизона до носа нашей художницы, где он связывается с обонятельным рецептором и запускает цепь электрических импульсов, чтобы двигаться по проводящему аксону, подобно телеграфному сигналу, содержащему только точки, или импульсы, а не точки и тире, как в телеграмме.

Когда обонятельный нервный сигнал прибыл в мозг нашей художницы, это вызвало раздражение (усиление импульсов) еще большего числа нервов на его пути: импульсный сигнал прыгал от одного нерва к другому, и каждый из них действовал как своего рода ретранслятор. Другие сенсорные данные были также захвачены в импульсные сигналы. Например, палочки и колбочки (специализированные нейроны наподобие обонятельных, но реагирующие на свет, а не на запах), которыми выложена сетчатка глаза, послали потоки импульсных сигналов с помощью оптических нервов к зрительной коре мозга художницы. И точно так же, как обонятельные нейроны отреагировали на отдельные молекулы запаха, оптические нервы отреагировали лишь на некоторые черты образа, который попал на ее сетчатку: одни реагировали на определенный цвет или оттенок серого, другие — на контуры, линии или отдельные текстуры. Слуховые нервы в ее внутреннем ухе так же отреагировали на звук — возможно, тяжелое дыхание раненого бизона; а прикосновение к его меху было зафиксировано механочувствительными нервами в коже. Во всех этих случаях каждый сенсорный нейрон отозвался бы только на некоторые особенности сенсорного воздействия. Например, отдельный слуховой нейрон возбуждался бы только, если звук, дошедший до ушей художницы, включал определенную частоту. Но, независимо от источника, сигнал, создаваемый каждым нервом, был бы точно такой же: электрические импульсы, проходящие от органа чувств к соответствующим областям мозга художницы. Там эти сигналы могут вызвать сиюминутные двигательные реакции; но они могут также и модифицировать связь между нейронами, чтобы ее наблюдения запоминались по принципу «нейроны, которые срабатывают вместе, связываются вместе», что иллюстрирует, как воспоминания кодируются в головном мозге.

Важным моментом является то, что нигде среди примерно 100 миллиардов нейронов человеческого мозга не существует участка, где этот обширный сенсорный импульсный поток объединяется, формируя осознанное впечатление от бизона. На самом деле «поток» не совсем правильное слово здесь, потому что оно предполагает некоторое объединение информации внутри себя, чего не происходит в нейронах. Вместо этого каждый нервный сигнал остается блокированным в отдельно взятом нерве. Таким образом, вместо потока вы должны представлять информацию, проходящую через мозг в виде последовательности сигналов — импульс за импульсом, — проходящих вдоль отдельных нитей огромного клубка из триллионов нейронов. Проблема связи — это проблема понимания того, как вся эта информация, закодированная в неизмеримом числе импульсов, генерирует унифицированное восприятие бизона.

И связываются ведь не только чувственные впечатления. Сырьем для сознания являются не сенсорные данные, лишенные контекста, а значимые понятия — в случае с бизоном это «шерстистый», «пахнущий», «страшный» или «великолепный», — каждое из которых содержит множество сложной информации. Весь этот дополнительный багаж должен быть связан с чувственными впечатлениями, чтобы обеспечить впечатление шерстистого, пахнущего, страшного, но великолепного бизона, которого наша первобытная художница в дальнейшем вспомнит и нарисует[147].

Формулирование проблемы связи с точки зрения идей, а не чувственных впечатлений подводит нас к сути проблемы сознания — загадке того, как идеи могут двигать умы и тем самым тела. Мы никогда не узнаем, что именно было в сознании первобытной художницы, что побудило ее нанести рисунок на камень. Может быть, она думала, что изображение бизона украсило бы темный угол; или, может, она считала, что, нарисовав животное, она улучшает шансы своих друзей-охотников на успех. Но в чем мы можем быть уверены, так это в том, что художница могла верить, что решение рисовать бизона было ее идеей.

Но как идея может двигать материю? Мозг, рассматриваемый как вполне авторитетный объект, получает информацию через один из сенсорных входов, а затем обрабатывает эту информацию, генерируя выходные сигналы так же, как компьютер (или зомби). Но где же в том переплетении импульсов кроется наше сознание, то чувство «я», которое, по нашему убеждению, управляет нашими намеренными действиями? Чем именно это сознание является и как оно взаимодействует с материей нашего мозга, чтобы двигать наши руки, ноги или язык? Сознание, или свободная воля, даже не фигурирует в полностью детерминистской вселенной, потому что законы причинности допускают только поочередный порядок вещей в бесконечной цепи причин и следствий, простирающейся от той пещеры Шове обратно к Большому взрыву.

Жан-Мари описывает момент, когда он и его друзья впервые осмотрели картины в пещере Шове: «На нас давило чувство, что мы были не одни — нас окружали духи художников. Казалось, мы чувствовали их присутствие»[148]. Очевидно, что исследователи получили глубокий, как некоторые назвали бы, духовный опыт. Когда мы смотрим внутрь черепа человека или животного, все, что мы находим, — влажная мягкая плоть, не особенно отличающаяся по составу от бизоньего стейка. Но когда эта плоть находится внутри нашего собственного черепа, она осознает себя и усваивает опыт, понятия, которые, думается, не существуют в материальном мире. И каким-то образом этот неосязаемый материал осознания и опыта — наше сознание — движет нашим материальным мозгом, обусловливая наши действия (или по крайней мере мы так это воспринимаем). Эта головоломка, по-разному называемая то психофизической проблемой, то трудной проблемой сознания, безусловно, самая глубокая тайна всего нашего существования.

В этой главе мы зададимся вопросом, может ли квантовая механика дать какие-то разгадки этой глубокой тайны. Следует подчеркнуть прежде всего, что любые доводы о сознании остаются весьма спекулятивными по своей природе, так как никто не знает, что это такое и как это работает. Среди неврологов, психологов, компьютерщиков и исследователей искусственного интеллекта даже нет консенсуса по поводу необходимости чего-то еще, помимо очевидной сложности человеческого мозга, для объяснения сознания.

Нашей отправной точкой будут мозговые процессы, которые привели к тому, что на скале в Ардеше появился силуэт бизона.

Механика мышления

В этом разделе мы будем следовать причинно-следственной цепочке в обратном направлении от появления линии красной охры на стене пещеры 30 тысяч лет назад. Этот путь поведет нас от сокращений мышц в руке художника, рисовавшего ту линию, обратно к нервным импульсам, заставившим мышцы сокращаться, далее к импульсам в мозге, возбудившим эти нервы, и сенсорному воздействию, которое запускает цепь событий. Наша цель — установить, где сознание вносит свой вклад в эту причинно-следственную цепочку, чтобы исследовать роль квантовой механики в этом событии.

Мы можем представить себе картину, как тысячи лет тому назад неизвестная художница, одетая, возможно, в медвежьи шкуры, всматривалась в темноту пещеры Шове. Рисунки были обнаружены глубоко внутри пещеры, и у нее, наверное, кроме емкостей с красками, был с собой в пещере факел. Затем в какой-то момент художница обмакнула палец в плошку с окрашенным углем и нанесла краску на стену, изображая контур бизона.

Движение руки художницы по стене пещеры инициировал мышечный белок миозин. Миозин — фермент, который использует химическую энергию для подпитки мышечных сокращений, по сути заставляя мышечные волокна скользить друг по другу. Детали этого механизма сокращений вычислялись сотнями ученых в течение нескольких десятилетий, и это замечательный пример биологической инженерии и динамики на наноуровне. Но в этой главе мы опустим увлекательные молекулярные подробности сокращения мышц, сосредоточившись на том, как некая эфемерная идея может заставить мышцы сокращаться (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Нервные сигналы идут от головного мозга по спинному, достигая мышечных волокон и заставляя мышцы сокращаться и двигать конечность — руку

Ответ в данном случае — никак. Сокращения мышечных волокон художницы фактически запустились, когда положительно заряженные ионы натрия направились в ее мышечные клетки. Мышечные клетки имеют больше ионов натрия на внешней стороне их мембраны, чем внутри, что приводит к разнице напряжения на их мембране, и это немного напоминает крошечную батарейку.

Однако в этих мембранах есть поры, называемые ионными каналами, которые, открываясь, впускают ионы натрия в клетку. Именно этот процесс электрической разрядки и вызвал сокращение мышц художницы.

Следующим шагом к началу нашей цепочки причинно-следственных связей будет вопрос: что заставило ионные каналы в мышцах открыться в тот момент? Ответ заключается в том, что двигательные нервы, присоединенные к мышцам руки художницы, высвободили химические вещества, называемые нейротрансмиттерами, которые и открыли ионные каналы. Но что же тогда заставило эти двигательные нервы выпустить дозу нейротрансмиттеров? Нервные окончания выпускают нейротрансмиттеры всякий раз, когда появляется электрический сигнал, называемый потенциалом действия (рис. 8.2). Потенциалы действия имеют основополагающее значение для всех сигналов нервной системы, поэтому нам нужно более внимательно взглянуть на то, как они работают.

Рис. 8.2. Нервы посылают электрические сигналы от тела клетки вдоль аксона к нервным окончаниям, где они вызывают высвобождение нейротрансмиттера в синапсах. Нейротрансмиттер попадает в тело следующего по цепочке нейрона, возбуждая его и тем самым передавая нервный сигнал от одного нейрона к другому

Нервная клетка, или нейрон, — чрезвычайно длинная, тонкая змеевидная клетка, состоящая из трех частей. На головном конце у нее паукообразное клеточное тело, где и берет начало потенциал действия. Затем он проходит вдоль тонкой средней части под названием «аксон» («пучкообразный отросток» обонятельного нейрона) к нервному окончанию, где молекулы нейротрансмиттеров высвобождаются (см. рис. 8.2). Хотя аксон напоминает маленький электрический кабель, способ передачи в нем электрического сигнала гораздо сложнее, чем процесс прохода потока отрицательно заряженных электронов через медный провод.

Нервная клетка так же, как мышечные клетки, как правило, имеет больше положительно заряженных ионов натрия снаружи, чем внутри. Эта разница поддерживается с помощью насосов, которые выталкивают положительно заряженные ионы натрия из нервной клетки через мембрану. Избыток внешних положительных зарядов обеспечивает разницу напряжения на клеточной мембране около одной сотой доли вольта. Хотя это с виду немного, вы должны помнить, что клеточные мембраны толщиной всего несколько нанометров, так что это напряжение возникает на очень коротком расстоянии. Это означает, что мы имеем разность потенциалов (чем и является напряжение на самом деле) на клеточной мембране в миллион вольт на метр. Это эквивалентно ошеломляющим десяти тысячам вольт на отрезке один сантиметр и почти достаточно, чтобы создать искру, какая, например, требуется свече зажигания вашего автомобиля для воспламенения топлива.

Головной отдел двигательного нерва художницы, или тело нервной клетки, соединяется со скоплением структур, называемых синапсами (см. рис. 8.2), которые являются своего рода распределительными коробками между нервами. Верхние нервы высвобождают молекулы нейротрансмиттера в эти распределители в таком количестве, в каком их высвобождается в нервно-мышечном соединении; это вызывает открытие ионных каналов в мембране тела нервной клетки и позволяет тем самым положительно заряженным ионам устремляться внутрь, вызывая резкое падение напряжения.

Большинство падений напряжения, вызванных открытием нескольких ионных каналов в синапсе, не будут иметь практически никакого эффекта. Но если поступает большое количество нейротрансмиттера, то и множество ионных каналов будет открываться. Последующее движение положительных ионов в клетку приводит к снижению напряжения ее мембраны ниже критического порога, около –0,04 В. Когда это происходит, вступает в дело другой набор ионных каналов. Это потенциалозависимые ионные каналы, то есть они чувствительны не к нейротрансмиттерам, а к разности напряжений на мембране. В примере нашей художницы, когда напряжение в теле клетки упало ниже критического порога, целое скопление этих каналов открылось, чтобы позволить большему количеству ионов устремиться в нерв, после чего их участок мембраны замкнулся. От последующего падения напряжения открылось еще больше потенциалозависимых каналов, позволяя еще большему числу ионов двинуться внутрь клетки, вызывая больше замыканий на мембране. Длинный проводящий элемент нерва, аксон, выстлан этими потенциалозависимыми каналами, и как только короткое замыкание произошло в теле клетки, это вызвало своего рода эффект домино в замыканиях на мембране — потенциал действия, — который быстро пошел вниз по нерву, пока не достиг нервного окончания (см. рис. 8.3). Там он стимулировал высвобождение нейротрансмиттера в нервно-мышечное соединение, в результате чего мышцы руки художницы сократились так, чтобы очертить контур бизона на стене пещеры (см. рис. 8.1).

Рис. 8.3. Потенциалы действия перемещаются по аксонам посредством работы потенциалозависимых ионных каналов в мембранах нервных клеток. В состоянии покоя мембрана имеет больше положительных ионов на внешней стороне, чем на внутренней. Тем не менее изменение напряжения, вызванное верхним потенциалом действия, вызовет открытие ионных каналов, и волна положительно заряженных ионов натрия — потенциал действия — устремится в клетку, временно изменяя напряжение мембраны. Этот электрический импульс откроет нижние ионные каналы эффектом домино, что обусловит всплеск электричества, идущий по нерву, до нервных окончаний, где он вызывает высвобождение нейротрансмиттера. После того как потенциал действия спадает, ионные насосы возвращают мембрану в обычное состояние покоя

Из описания видно, как отличаются нервные сигналы от электрического сигнала, перемещающегося по проводу. Скажем, ток, как движение зарядов, идет не по всей длине нервных проводов по направлению нервного сигнала, а перпендикулярно к направлению потенциала действия — извне внутрь, с помощью тех самых ионных каналов в клеточной мембране. Кроме того, когда потенциал действия инициируется открытием первых ионных каналов, они немедленно снова захлопываются и ионные насосы начинают работать на восстановление исходного напряжения по всей мембране. Так что еще один способ исследования нервного сигнала состоит в волнообразном открытии и закрытии ионных дверей мембран с перемещением от тела клетки к нервным окончаниям: движущийся электрический импульс.

Нерв-нервные соединения большинства двигательных клеток располагаются в спинном мозге, где они получают нейротрансмиттерные сигналы от сотен или даже тысяч верхних нервов (см. рис. 8.1). Некоторые верхние нервы выбрасывают нейротрансмиттеры в распределительную коробку (синапс), открывающую ионные каналы в теле клетки, для увеличения вероятности возбуждения двигательного нерва, в то время как другие, как правило, каналы закрывают. Таким образом, тело каждой нервной клетки действует подобно логическому элементу компьютера, генерируя выход — срабатывающий или нет — на основании входов. И если нейрон похож на логический элемент, то мозг, состоящий из миллиардов нейронов, может рассматриваться как своего рода компьютер; по крайней мере это предположение большинства когнитивных нейробиологов, присоединившихся к так называемой вычислительной теории разума.

Но мы забегаем слишком далеко вперед — мы еще не достигли мозга. Двигательный нерв нашей художницы должен был получить множество нейротрансмиттеров в его нерв-нервных распределительных коробках, чтобы возбудиться. Эти входящие сигналы пришли из верхних нервов, которые в основном возникали в ее мозге. Если вернуться по причинно-следственной связи назад, головные отделы этих нервов могли принять свои решения о том, возбуждаться ли им, на основании многочисленных входных сигналов, а также входов для этих входных сигналов и так далее все дальше и дальше в обратном направлении через причинно-следственную цепь, пока мы не достигнем нервов, получивших входные сигналы от глаз, ушей, носа и тактильных рецепторов художницы, а также центров памяти, которые получили бы сенсорные сигналы от предыдущих наблюдений за живым и мертвым бизоном. Между сенсорными входами и двигательным выходом стоит нейронная сеть мозга, которая выполняла вычисления, определяющие решение о генерировании на выходе точного движения для рисования контуров бизона.

И вот что мы имеем: полная цепочка событий, приведших к сокращению мышц, двигавшему руку художницы вдоль стены. Мы что-нибудь пропустили? То, что мы описали, является полностью механистической причинно-следственной цепью от сенсорного входа к двигательному выходу, с некоторой информацией, поступающей через центры памяти. Это своего рода механизм, о котором Декарт говорил, когда заявил (обсуждено в главе 2), что животные суть просто машины; все, что мы сделали, — это заменили его блоки и рычаги нервами, мышцами и логическими элементами.

Но помните, что Декарт отвел роль и духовной сущности, душе, как первоочередному двигателю человеческих поступков. Где находится душа среди входов и выходов в этой цепи событий? До сих пор мы описывали художницу только как зомби. Где же ее сознание, ее идея о том, что она должна изобразить что-то значащего бизона на стене пещеры, вошли в цепь событий между входом и выходом? Это остается самой большой загадкой науки о мозге.

Как разум движет материей

Так или иначе, большинство людей, вероятно, на стороне дуализма — убеждения, по которому ум/душа/сознание есть не что иное, нежели физическое тело. Но дуализм утратил уважение в научных кругах в XX веке, и большинство нейробиологов теперь предпочитают идею монизма — убеждение, что ум и тело суть одно и то же. Например, нейрофизиолог Марсель Кинсборн утверждает: «Осознавать — значит иметь нейронную схему для каждого интерактивного функционального состояния»[149]. Но логические элементы компьютера, как мы уже отмечали, весьма похожи на нейроны, и непонятно, почему множество связанных компьютеров, как во Всемирной сети, где около миллиарда интернет-хостов (хотя это все равно меньше по сравнению с 100 миллиардами нейронов мозга), не проявляют никаких признаков сознания. Почему кремниевые компьютеры — зомби, тогда как компьютеры из плоти — сознательны? В сложности ли дело и полной «взаимоподключенности» наших клеток мозга при непохожести этого на Всемирную паутину[150] или же в том, что сознание — это совершенно иного рода вычисления?

Конечно, есть множество толкований сознания, которые изложены в целом ряде книг по этой теме. Но в нашем случае мы сосредоточим внимание на весьма спорном, но увлекательном утверждении, которое имеет самое непосредственное отношение к нашей теме, а именно, что сознание является феноменом квантовой механики. В этом отношении наиболее известен пример оксфордского математика Роджера Пенроуза, который в своей книге 1989 года «Новый ум короля» утверждал, что человеческий разум — это квантовый компьютер.

Вы, наверное, помните разговор о квантовых компьютерах в главе 4, где мы вспоминали статью из New York Times 2007 года, в которой утверждалось, что растения — это квантовые компьютеры. Исследователи Массачусетского технологического института в конце концов пришли к мысли, что системы фотосинтеза у микробов и растений действительно могут выполнять своего рода квантовые вычисления. Но могут ли их собственные умы так же работать в квантовой сфере? Для того чтобы изучить этот вопрос, мы сначала должны более внимательно взглянуть на то, что такое квантовые компьютеры и как они работают.

Расчеты с квантовыми битами

Когда мы думаем о компьютере сегодня, мы имеем в виду электронное устройство, способное выполнять инструкции по манипулированию и обработке информации при помощи совокупности электрических переключателей во включенном или выключенном состоянии, каждый из которых способен кодировать двоичное число (или бит) как 1 или 0. Совокупность таких переключателей может организовываться для построения схем, выполняющих логические инструкции, которые могут быть объединены и использованы для выполнения арифметических операций, таких как сложение и вычитание, или в действительности для открытия и закрытия каналов, описанных нами применительно к нейронам. Большим преимуществом этого электронного цифрового компьютера является то, что такие расчеты намного быстрее, чем любой ручной способ выполнения такой же задачи, будь то подсчет на пальцах, в уме или на бумаге.

Но в то время, как электронные компьютеры могут чрезвычайно быстро высчитывать суммы, даже они не могут уследить за сложностью квантового мира с множеством пересекающихся вероятностей. Чтобы преодолеть эту проблему, лауреат Нобелевской премии физик Ричард Фейнман придумал возможное решение. Он предложил выполнять вычисления в квантовом мире с помощью квантового компьютера.

Чтобы увидеть, как квантовые компьютеры могли бы работать, полезно будет в первую очередь представить бит классического компьютера в виде сферического компаса, стрелка которого может указывать либо на 1 (северный полюс), либо на 0 (южный полюс) и может вращаться на 180°, переключаясь между этими двумя состояниями (рис. 8.4, а). Центральный процессор (ЦПУ) компьютера состоит из многих миллионов этих однобитовых переключателей, поэтому весь вычислительный процесс может быть представлен как применение сложного набора коммутационных правил (алгоритмов), которые могут поворачивать множество сфер на 180°.

Рис. 8.4. Бит классического компьютера в виде сферического компаса: а — классический бит, переключаемый с 1 на 0, представлен как вращение классической сферы на 180°; б — кубит (квантовый бит), переключаясь, может быть представлен как вращение сферы через любой произвольный угол. Тем не менее когерентный кубит может быть также в суперпозиции для множества вращений; в — три когерентных кубита в состоянии запутанности, как будто воображаемые нити соединяют поверхности каждой сферы. Натяжение этих нитей, следуя вращениям, иллюстрирует квантовые вычисления

Эквивалент бита из квантовых вычислений называется кубитом. Он похож на классическую сферу[151], но его движение не ограничивается 180°. Вместо этого он может поворачиваться на любой произвольный угол в пространстве и, будучи элементом квантовой механики, может ориентироваться на множество направлений одновременно в квантовой когерентной суперпозиции (см. рис. 8.4, б). Эта повышенная гибкость позволяет кубиту кодировать больше информации, чем классический бит. Но реальным толчком для наращивания вычислительной мощности будет помещение кубитов вместе.

В то время как состояние одного классического бита не влияет на состояние соседних, кубиты могут быть также в квантовой запутанности. Возможно, вы помните из главы 6, что запутанность является квантовым шагом от когерентности, где квантовые частицы теряют свою индивидуальность, и то, что происходит с одним, затрагивает их все мгновенно. С точки зрения квантовых вычислений запутанность можно визуализировать, как если бы каждая сфера-кубит была соединена эластичными нитями[152] с любой другой (см. рис. 8.4, в). Теперь давайте представим себе, что мы вращаем только одну из сфер. Без запутанности вращение не будет влиять на соседние кубиты. Но если наш кубит спутан с другими, то вращение изменяет натяжение во всех соединительных нитях между этими связанными кубитами. Вычислительный ресурс всех этих связующих нитей возрастает по экспоненте с увеличением числа кубитов, а это означает, что растет он в самом деле очень быстро.

Чтобы получить представление об экспоненциальном росте, вспомните наверняка известный сюжет о китайском императоре, который был настолько доволен изобретением шахмат, что обещал наградить изобретателя тем, что тот выберет. Смекалистый изобретатель попросил только одно зернышко риса для первого квадрата на шахматной доске, два зернышка — для второго, четыре — для третьего и т. д., удваивая количество зерен с каждым последующим квадратом до 64-го. Император, считая это скромной просьбой, охотно согласился и приказал своим слугам принести рис. Но когда рисовые зерна отсчитали, он тут же осознал свою ошибку. Первый ряд квадратов собрал только 128 зерен (27 плюс один — помните, первый квадрат имеет только одно зерно риса) и даже к концу второго ряда квадратов вышло только 32 768 зерен, чуть менее килограмма риса. Но когда килограммы стали множиться на последующих квадратах, император встревожился, обнаруживая, что к концу третьего ряда ему пришлось выдать более 200 тонн риса. Достижение конца четвертого ряда уже разорило бы королевство! На самом деле, чтобы дойти до конца шахматной доски, потребовалось бы 9 223 372 036 854 775 808 (263 плюс один) зерен риса, или 230 584 300 921 тонна, что примерно равно всему мировому урожаю риса на протяжении всей истории человечества.

Проблемой императора была его неспособность осознать, что удвоение числа снова и снова приводит к экспоненциальному росту — другими словами, увеличение числа от одного к другому пропорционально размеру предыдущего числа. Экспоненциальный рост является взрывным, как убедился император на собственном состоянии. И точно так же, как рисовые зерна в этой истории экспоненциально множились вслед за количеством квадратов шахматной доски, и мощность квантового компьютера растет по экспоненте вслед за количеством кубитов.

Это сильно отличается от классического компьютера, мощность которого возрастает только линейно с числом битов. Например, если добавить один бит в восьмибитном классическом компьютере, мощность увеличится на одну восьмую; чтобы мощность удвоить, нужно удвоить количество битов. А добавление просто одного кубита к квантовому компьютеру удвоит его мощность, приводя все к тому же экспоненциальному росту мощности, который наблюдал император в случае с рисовыми зернами. На самом деле если квантовый компьютер может поддерживать когерентность и запутанность в пределах всего 300 кубитов, которые потенциально могут привлечь только 300 атомов, то он в определенных заданиях может превзойти классический компьютер размером с целую вселенную!

Но — и это очень большое НО — для работы квантового компьютера кубиты должны взаимодействовать только друг с другом для выполнения вычислений (с помощью своих невидимых запутанных нитей). Это означает, что они должны быть полностью изолированы от окружающей среды. Проблема в том, что любое взаимодействие с внешним миром заставит кубиты спутаться с окружающей их средой, которую мы можем рассмотреть как формацию гораздо большего числа нитей, которые тянули бы кубиты со всех сторон, конкурируя с нитями между ними и, следовательно, мешая расчетам, которые они выполняют. Это, по сути, представляет собой процесс декогеренции (рис. 8.5). Даже при очень слабом взаимодействии внешняя среда создает такой беспорядок в нитях кубитов, что они перестают вести себя слаженно относительно друг друга: их квантовые нити фактически разрываются и кубиты ведут себя как независимые классические биты.

Рис. 8.5. Декогерентность в квантовом компьютере, вызванная, как представляется, спутыванием нитей кубитов со скоплением нитей внешней среды. Это всячески сдвигает и растаскивает кубиты, и они больше не реагируют на связи в своей собственной запутанности

Квантовые физики делают все возможное, чтобы поддерживать когерентность в запутанных кубитах, работая с чрезвычайно разреженными и тщательно контролируемыми физическими системами, кодируя кубиты в небольшое количество атомов, охлаждая систему на грани абсолютного нуля и тщательно изолируя оборудование для недопущения влияния окружающей среды. При таких подходах они получили значимые результаты. В 2001 году ученым из IBM и Стэнфордского университета удалось построить семикубитный «пробирочный квантовый компьютер», который мог реализовать сложный код под названием «алгоритм Шора», названный в честь математика Питера Шора, разработавшего его в 1994 году специально для запуска на квантовом компьютере. Алгоритм Шора кодирует очень эффективный способ разложения чисел на множители (устанавливающий, какие простые числа должны быть перемножены для получения требуемого числа). Это был огромный прорыв, разошедшийся по заголовкам научных изданий всего мира; на начальном этапе работы этот квантовый компьютер-новичок смог лишь вычислить простые множители числа 15 (3 и 5, если вам интересно).

За последнее десятилетие некоторые из ведущих физиков, математиков и инженеров упорно трудились, чтобы построить более крупные и качественные квантовые компьютеры, но прогресс был скромным. В 2011 году китайские исследователи сумели факторизовать число 143 (13 11), используя только четыре кубита. Как и американцы до них, китайская команда использовала систему, в которой кубиты были закодированы в спиновых состояниях атомов. Совершенно иной подход был впервые предложен канадской компанией D-Wave — они кодируют кубиты в движении электронов в электрических цепях. В 2007 году компания заявила, что разработала первый коммерческий 16-кубитный квантовый компьютер, способный решить головоломку судоку и другие задачи по сличению с образцом и оптимизации. В 2013 году НАСА, Google и Ассоциация университетов по космическим исследованиям (USRA) сообща приобрели (за неизвестную сумму) 512-кубитную машину, построенную D-Wave, которую НАСА планирует использовать для поиска экзопланет, то есть вращающихся вокруг не нашего Солнца, а далеких звезд. Однако задачи, до сих пор решаемые компанией, все были в пределах досягаемости обычной компьютерной мощности, и многие эксперты по квантовым вычислениям не уверены, что технология D-Wave является действительно квантовым вычислением или — даже если это так — что этот проект будет работать быстрее, чем классический компьютер.

Какой бы подход экспериментаторы ни выбирали, задачи, стоящие перед ними в превращении нынешнего зарождающегося поколения квантовых компьютеров в нечто полезное, остаются тяжелыми. Самая большая проблема — наращивание. Удвоение кубитов удваивает мощность квантового вычисления, но также и удваивает сложность поддержания квантовой согласованности и запутанности. Атомы должны быть холоднее, экранирование должно быть более эффективным, и становится все труднее и труднее поддерживать когеренцию дольше, чем несколько триллионных долей секунды. Декогеренция происходит задолго до того, как компьютеру удается завершить даже простейший расчет. (Хотя на момент написания этой работы при комнатной температуре квантовая когерентность ядерных спиновых состояний достигла впечатляющих 39 минут[153].) Но, как мы обнаружили, живым клеткам действительно удается сдерживать декогеренцию достаточно долго, чтобы транспортировать экситоны в фотосинтетических комплексах, или электроны и протоны в ферментах. Можно ли подобным образом сдерживать декогеренцию в центральной нервной системе, позволяя осуществляться квантовым вычислениям в головном мозге?

Расчеты с микротрубочками?

Первоначальный аргумент Пенроуза о том, что мозг является квантовым компьютером, пришел с довольно неожиданного направления — из известного (по крайней мере в математических кругах) ряда теорем о неполноте, выдвинутых австрийским математиком Куртом Геделем. Эти теоремы вызвали сильное удивление у математиков 1930-х годов, которые уверенно приступили к программе определения действенного набора математических аксиом, способных доказать, что истинные утверждения истинны, а ложные заявления ложны — то есть вся арифметика внутренне согласованна и свободна от каких-либо внутренних противоречий. Звучит так, будто это положение волнует только математиков или философов, однако это было и остается большим вопросом для логики. Теоремы Геделя о неполноте показали, что такая попытка была обречена на провал.

Первая из его теорем показала, что логические системы, такие как естественный язык или математика, могут делать некоторые истинные утверждения, которые они не могут доказать. Это может показаться безобидным, но имеет очень далеко идущие последствия. Рассмотрим знакомую логическую систему, такую как язык, который способен рассуждать на основе утверждений, например, «Все люди смертны. Сократ есть человек», чтобы заключить, что «Сократ смертен». Легко увидеть и легко формально доказать, что последнее утверждение логически вытекает из первых двух, учитывая простой набор алгебраических правил (если A = B и B = C, то A = C). Но Гедель продемонстрировал, что любая логическая система достаточно сложна, чтобы доказать фундаментальное ограничение математических теорем: применение их правил может генерировать утверждения, которые являются истинными, но не могут быть доказаны с помощью тех же инструментов, которые первоначально использовались для их создания.

Это кажется довольно странным, и это действительно так. Тем не менее, что важно, теорема Геделя не означает, что некоторые истинные утверждения просто недоказуемы. Вместо этого один набор правил может доказать истинность утверждений, порожденных и, следовательно, недоказуемых с помощью другого набора правил. Например, истинные, но недоказуемые утверждения из языка могут быть доказуемы по правилам алгебры и наоборот.

Это, конечно, огромное упрощение, несправедливое по отношению к тонкостям темы. Заинтересованный читатель мог бы обратиться к книге 1979 года за авторством американского профессора когнитивной науки Дугласа Хофштадтера[154] и к близким к ней публикациям. Ключевым моментом здесь является то, что в своей книге «Новый ум короля» Пенроуз принимает теоремы Геделя о неполноте в качестве отправной точки для своего аргумента, указывая вначале на то, что классические компьютеры используют формальные логические системы (компьютерные алгоритмы) для формулировки утверждений. Из теоремы Геделя следует, что они также должны быть способны генерировать истинные утверждения, которые они не могут доказать. Но, как утверждает Пенроуз, люди (или по крайней мере те представители вида, которые являются математиками) могут доказать истинность этих недоказуемых, но правдивых компьютерных утверждений. Таким образом, он заявляет, что человеческий разум больше, чем просто классический компьютер, так как он способен на то, что называется невычислимыми процессами. Далее он допускает, что эта невычислимость требует чего-то большего, что может дать только квантовая механика. Сознание, как он утверждает, требует квантового компьютера.

Это, конечно, очень смелое утверждение, основанное на доказуемости или недоказуемости сложного математического утверждения, к которому мы вернемся. Но в своей более поздней книге «Тени разума» Пенроуз пошел еще дальше, предлагая физический механизм, с помощью которого мозг может вычислить свои суммы в квантовом мире[155]. Вместе со Стюартом Хамероффом[156], профессором анестезиологии и психологии Аризонского университета, он утверждает, что структуры под названием «микротрубочки», обнаруженные в нейронах, являются кубитами квантового мозга[157].

Микротрубочки— это длинные нити белка тубулина. Хамерофф и Пенроуз предположили, что эти тубулиновые частицы — бусины на нити — могут принимать по меньшей мере две различные формы: расширение и сжатие — и, самое главное, способны вести себя как квантовые объекты, существующие в суперпозиции обеих форм сразу, чтобы сформировать что-то похожее на кубиты. Более того, они предположили, что тубулиновые частицы в одном нейроне спутаны с тубулиновыми частицами белков во множестве других нейронов. Вы помните, что спутывание — это «странное действие на расстоянии», которое потенциально соединяет объекты, находящиеся очень далеко друг от друга. Если бы эти странные связи между всеми триллионами нейронов в человеческом мозге были возможны, то они вполне могли бы связать воедино всю информацию, закодированную в разделенных нервах, и таким образом решить проблему связи. Они могли бы также наделить сознательный ум неуловимыми, но необычайно мощными свойствами квантового компьютера.

Теория сознания Пенроуза — Хамероффа дополняется множеством положений, в том числе, возможно, еще более спорным моментом об участии гравитации[158]. Но насколько этому можно верить? Мы, как и почти все неврологи и исследователи квантовой физики, не уверены в этом. Одно из наиболее очевидных возражений вытекает из представленного выше описания того, как информация передается от мозга к нервам. Вы, возможно, заметили, что там мы не упоминали микротрубочки. Просто нет необходимости это делать, поскольку, как известно, они не играют ведущих ролей в обработке нервной информации.

Микротрубочки поддерживают архитектуру каждого нейрона и перемещают нейротрансмиттеры вверх и вниз по его длине; но не предполагается, что они участвуют в сетевой обработке информации и отвечают за расчеты в мозге. Вряд ли микротрубочки составляют субстрат для наших мыслей.

Но, возможно, еще более весомым является возражение, что микротрубочки мозга весьма маловероятные кандидаты на место когерентных квантовых кубитов просто потому, что они слишком большие и сложные. В предыдущих главах мы рассматривали случаи квантовой когерентности, запутанности и туннелирования в целом ряде биологических систем — от фотосинтезирующих систем до ферментов, обонятельных рецепторов, ДНК и неуловимых органов магниторецепции у птиц. Но ключевой особенностью всего этого является то, что «квантовая» часть системы (экситон, электрон, протон или свободный радикал) — проста. Она состоит либо из одной частицы, либо из небольшого числа частиц, которые делают то, что требуется, на расстояниях, исчисляемых в атомах. Это, конечно, соответствует взглядам Шредингера 70-летней давности о том, что виды живой системы, которые наверняка подпадают под квантовые правила, будут включать в себя небольшое число частиц.

Но теория Пенроуза — Хамероффа предполагает, что целые белковые молекулы, состоящие из миллионов частиц, находятся в квантовой суперпозиции и спутаны не только с молекулами в пределах одной микротрубочки, но и с микротрубочками, также состоящими из миллионов частиц, в миллиарды нервных клеток по всему объему головного мозга. Это очень далеко от истины. Хотя никто и не сумел измерить когерентность в микротрубочках мозга, расчеты показывают, что квантовая когерентность даже одиночных микротрубочек не может сохраняться дольше нескольких пикосекунд[159], что слишком скоротечно, чтобы иметь какое-либо влияние на вычисления в мозге[160].

Однако, возможно, еще более фундаментальной проблемой теории квантового сознания Пенроуза — Хамероффа является оригинальный тезис Пенроуза о мозге, являющемся квантовым компьютером. Как вы помните, здесь Пенроуз основывался на своем утверждении, что люди могут доказать утверждения по Геделю, тогда как компьютеры не могут. Но это подразумевает квантовые вычисления в мозге только тогда, когда квантовые компьютеры могут доказать геделевские утверждения лучше, чем классический компьютер; этому утверждению не только нет абсолютно никаких доказательств, но и большинство исследователей считают иначе[161].

Далее мы видим, что не обязательно человеческий мозг может работать лучше, чем классический компьютер, при доказательстве геделевских утверждений. Хотя люди могут быть в состоянии доказать истинность недоказуемых геделевских утверждений, генерируемых компьютером, в равной степени возможно, что и компьютеры могут доказать истинность недоказуемых геделевских утверждений, порожденных человеческим разумом. Теорема Геделя лишь ограничивает способность одной логической системы доказать свои собственные утверждения; и она не накладывает ограничений на способность одной логической системы доказать геделевские утверждения из другой системы.

Но означает ли это, что квантовая механика не играет никакой роли в головном мозге? Есть ли вероятность, что, при такой значительной квантовой активности в наших телах наши мысли приводятся в движение исключительно за счет классических процессов, напоминающих паровой двигатель? Может быть, и нет. Новейшие исследования показывают, что квантовая механика действительно может сыграть решающую роль в работе разума.

Квантовые ионные каналы?

Возможно, место для квантово-механических явлений в мозге отведено среди ионных каналов в клеточных мембранах нейронов. Как мы уже говорили, они выступают как посредники для потенциалов действия — нервных сигналов, — которые передают информацию в мозг и таким образом играют центральную роль в обработке нейронной информации. Длина каналов — всего одна миллиардная метра (1,2 нанометра), ширина — менее половины длины, поэтому ионы проходят через них по одному. Тем не менее они делают это на чрезвычайно высокой скорости, около 100 миллионов в секунду. Кроме того, каналы весьма избирательны. Например, канал, отвечающий за проникновение ионов калия в клетку, позволяет пройти примерно одному иону натрия на каждые десять тысяч ионов калия, несмотря на то что ион натрия немного меньше иона калия, а вы могли наивно полагать, что он легко проскользнет, ведь места достаточно для прохода крупного иона калия.

Такая высокая скорость движения в сочетании с особой избирательностью поддерживает скорость потенциалов действия и, таким образом, их способность передавать наши мысли в мозге. Но как ионы перемещаются так быстро и избирательно — остается загадкой. Может ли здесь помочь квантовая механика? Мы уже открыли для себя (в главе 4), что квантовая механика может усилить движение энергии в процессе фотосинтеза. Может ли она так же усилить движение ионов в головном мозге? В 2012 году нейробиолог Густав Бернроидер из Университета Зальцбурга совместно с Иоганном Суммхаммером из Института атома Венского технологического университета осуществили квантово-механическое моделирование прохождения иона через потенциалозависимый канал и обнаружили, что ион делокализуется (сбивается с курса), когда проходит через канал: волна более когерентна волне, чем частица. Также эта ионная волна колеблется на очень высоких частотах и передает энергию окружающему белку посредством своего рода резонансного процесса, так чтобы канал эффективно действовал в качестве ионного холодильника, который уменьшает кинетическую энергию иона примерно наполовину. Такое эффективное охлаждение иона помогает поддерживать делокализованное квантовое состояние, сдерживая декогеренцию и тем самым способствуя быстрому квантовому движению в канале. Это также благоприятствует избирательности, так как степень охлаждения будет сильно отличаться, если калий заменяется натрием: конструктивная интерференция даст иону калия двигаться, в то время как деструктивная интерференция может сдерживать перенос ионов натрия. Группа ученых пришла к выводу, что квантовая когерентность играет незаменимую роль в проводимости ионов через каналы нервов и, таким образом, так протекает существенная часть нашего мышления[162].

Следует подчеркнуть, что эти исследователи не показали способность квантовых когерентных ионов действовать как нейронные кубиты, а также не показали, что они могли бы играть определенную роль в сознании; и, на первый взгляд, трудно понять, как они могли бы способствовать решению проблем сознания, таких как проблема связи. Тем не менее, в отличие от микротрубочек в гипотезе Пенроуза — Хамероффа, ионные каналы по крайней мере играют четкую роль в нейронных вычислениях — они лежат в основе потенциалов действия. Поэтому их состояние будет отражать состояние нервной клетки: если нерв возбужден, то ионы будут двигаться (помните, что они движутся как квантовые волны) быстро через каналы, в то время как, если нерв спокоен, любые ионы в каналах будут неподвижны. И поскольку общая сумма возбужденных и спокойных нейронов в нашем мозге должна каким-то образом кодировать наши мысли, то эти мысли также отражены — закодированы — в сумме всего этого квантового потока ионов, входящих и выходящих из нервных клеток.

Но как можно было бы объединить отдельные процессы мышления для создания осознанных, связных мыслей? Один когерентный ионный канал — квантовый или классический — не может кодировать всю информацию, связанную в мыслительные процессы, которые достигают высшей точки в визуализации сложного объекта, такого как бизон. Чтобы играть свою роль в сознании, ионные каналы должны быть связаны каким-либо образом. Может ли квантовая механика помочь здесь? Возможно ли, например, что ионы в канале не только когерентны по всей его длине, но когерентны или даже перепутываются с ионами в соседних каналах или даже соседних нервных клеток? Почти наверняка нет. Ионные каналы и ионы в них столкнутся с той же проблемой, что и идея Пенроуза — Хамероффа о микротрубочках. Хоть это всего лишь вероятность, что один ионный канал может быть спутан с соседним в пределах одной нервной клетки, но запутанность ионных каналов в различных нервах, которая необходима для решения проблемы связи, совершенно неосуществима в теплой, влажной, очень динамичной и декогерентно-возбудимой среде живого мозга.

Таким образом, если запутанность не может связать информацию квантового уровня в ионных каналах, есть ли что-нибудь еще, способное на это? Возможно. Потенциалозависимые ионные каналы, конечно, чувствительны к напряжению: они открывают и закрывают каналы. Напряжение — это лишь показатель разности в электрическом поле. Но мозг по всему объему заполнен своим собственным электромагнитным (ЭМ) полем, которое генерируется с помощью электрической активности всех его нервов. Это поле обычно обнаруживается технологиями сканирования мозга, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ), и простой взгляд на одно из этих сканирований расскажет вам только, насколько это поле сложное и информационно богатое. Большинство нейробиологов проигнорировали потенциальную роль, которую ЭМ-поле может играть в мозговых вычислениях, сравнивая ее с паровым гудком поезда: продукт деятельности мозга, но без влияния на эту деятельность. Тем не менее некоторые ученые, в том числе Джонджо, недавно ухватились за идею, что переход сознания из дискретных частиц мозгового вещества в единое ЭМ-поле вполне может решить проблему связи и предоставить место для сознания[163].

Чтобы понять, как это могло бы работать, мы, вероятно, должны сказать немного больше о том, что подразумеваем под полем. Термин происходит от его применения: нечто расширяющееся в пространстве, как кукурузное или футбольное поле. В физике термин «поле» имеет, по существу, то же значение, но, как правило, относится к энергетическим полям, которые способны перемещать объекты. Гравитационные поля перемещают все, что имеет массу, а электрические или магнитные поля перемещают электрически заряженные или магнитные частицы, такие как ионы в нервных каналах. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм являются двумя аспектами одного и того же явления, электромагнетизма, поэтому мы рассматриваем их как ЭМ-поля. Уравнение Эйнштейна E = mc2 с энергией по одну сторону и массой по другую лихо продемонстрировало, что энергия и материя являются взаимозаменяемыми. Поэтому электромагнитное энергетическое поле мозга — левая часть уравнения Эйнштейна — столь же реально, как и материя, связывающая свои нейроны; и поскольку оно происходит от возбуждения нейронов, то кодируется в точности такая же информация, как в моделях нейронных возбуждений мозга. Однако в то время, как нейронная информация остается в возбужденных нейронах, электрическая активность, порожденная ими, объединяет всю информацию в ЭМ-поле мозга. Это потенциально может решить проблему связи[164]. А открывая и закрывая потенциалозависимые ионные каналы, ЭМ-поле связывается с квантовыми когерентными ионами, проходящими через каналы.

Когда теории сознания, связанные с ЭМ-полем, были впервые предложены в самом начале нынешнего века, не было прямых доказательств того, что электромагнитное поле мозга может влиять на модели возбуждения нерва и двигать нашими мыслями и действиями. Однако эксперименты, проведенные в нескольких лабораториях, недавно продемонстрировали, что внешние ЭМ-поля, по прочности и структуре аналогичные тем, что создает сам мозг, действительно влияют на нервное возбуждение[165]. В самом деле, кажется, что поле координирует нервное возбуждение, то есть синхронизирует множество нейронов так, чтобы они все вместе возбуждались. Полученные данные свидетельствуют о том, что собственное ЭМ-поле мозга, порожденное нервным возбуждением, также влияет и на возбуждение, обеспечивая своего рода автореферентный цикл, являющийся, по утверждениям многих теоретиков, важным компонентом сознания[166].

Синхронизация нервного возбуждения, осуществляемая мозгом, имеет также очень важное значение в контексте разгадки головоломки сознания, потому что это одна из немногочисленных особенностей нервной активности, которые, как известно, коррелируют с сознанием. Например, все знакомы с явлением, когда мы ищем простой объект, который все время на виду, например наши очки, а затем теряем его среди множества других объектов. Пока мы смотрим на это множество, визуальная информация, кодирующая объект, проходит через наши глаза в мозг, но так или иначе мы не видим объект, который ищем: мы не осознаем его. Но потом мы его видим. Что меняется в нашем мозге между моментами, когда мы сначала не осознаем, а затем осознаем объект в пределах одного и того же поля зрения? Примечательно, что само нервное возбуждение, кажется, не меняется: одни и те же нейроны возбуждены независимо от того, видим мы очки или нет. Но когда мы не замечаем наши очки, нейроны возбуждаются асинхронно, а когда замечаем, они возбуждаются синхронно[167]. ЭМ-поле, собирающее вместе все когерентные ионные каналы в разрозненных частях мозга, чтобы они синхронно возбудились, может играть определенную роль в переходе от бессознательных к сознательным мыслям.

Подчеркнем, что мы ссылаемся на такие идеи, как идея ЭМ-полей мозга или идея квантовых когерентных ионных каналов, чтобы объяснить: сознание никоим образом не поддерживает так называемые «паранормальные явления» вроде телепатии, так как оба понятия способны только влиять на нервные процессы внутри одного мозга — они не допускают коммуникацию между различными мозгами! И, как мы уже отмечали при рассмотрении геделевского аргумента у Пенроуза, нет фактически никаких доказательств того, что квантовая механика вообще нужна для объяснения сознания — в отличие от других биологических явлений, которые мы рассмотрели в этой книге, как, например, действие фермента или фотосинтез. Но возможно ли, что странные особенности квантовой механики, которые, как мы обнаружили, участвуют в столь многих важных явлениях жизни, исключаются из самого таинственного продукта — из сознания? Мы предоставим читателю возможность решать. Представленная выше схема, включающая квантовые когерентные ионные каналы и электромагнитные поля, конечно, гипотетическая, но это по крайней мере обеспечит вероятную связь между квантовой и классической сферами в головном мозге.

Имея это в виду, осознавая это, давайте еще раз вернемся к той темной пещере на юге Франции, чтобы завершить цепочку событий, следующих от мозга к руке, когда наша художница замерла перед стеной, наблюдая за мерцанием факела над серыми контурами. Определенная игра света на камне приносит образ бизона в ее сознание. Этого вполне достаточно, чтобы создать в голове идею, возможно конкретизирующуюся вместе с колебаниями электромагнитного поля мозга, где открываются кластеры когерентных ионных каналов в множестве отдельных нейронов, заставляя их возбуждаться синхронно. Синхронные нервные сигналы пробуждают потенциалы действия по всему ее мозгу, а через синаптические связи инициируется движение сигналов, идущих по ее спинному мозгу и с помощью нерв-нервных соединений — к двигательным нервам, которые выделяют дозы нейротрансмиттеров в нервно-мышечные соединения, прикрепленные к мышцам ее руки. Эти мышцы сокращаются, осуществляя скоординированное движение ее руки, которая скользит вдоль стены пещеры, нанося угольные линии, изображающие бизона, на скалу. И, возможно, еще важнее то, что она чувствует: она инициировала действие благодаря идее в ее сознании. Она не зомби.

Тридцать тысяч лет спустя Жан-Мари Шове освещает ту же стену пещеры, и идея, воплощенная в жизнь в мозге той давно умершей художницы, в очередной раз вспыхивает в нейронах сознательного человеческого ума.

9. Как зародилась жизнь

…Если (и — о! — какое огромное если!) мы могли бы представить себе 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…

Чарльз Дарвин. Письмо Джозефу Хукеру. 1871

Гренландия, вообще, не очень-то зеленая. Около 982 года н. э. датский викинг, известный как Эрик Рыжий, был обвинен в убийстве и бежал. Он уплыл на запад от Исландии и там открыл остров. В этом Эрик не стал первопроходцем: остров уже был несколько раз обнаружен людьми каменного века, которые прибыли с востока Канады еще около 2500 года до н. э. Но окружающая среда Гренландии сурова и неумолима, и эти ранние культуры исчезли, оставив совсем мало следов. Эрику повезло больше, он прибыл во время так называемого средневекового теплого периода, когда условия были более мягкими. Поэтому Эрик дал острову нынешнее название, полагая, что зеленые пастбища заманят его соотечественников на запад. Замысел, очевидно, сработал, потому что вскоре была создана колония из нескольких тысяч человек и по крайней мере первоначально она процветала. Но по мере того, как теплый период стал заканчиваться, Гренландия вернулась к климатическим условиям, более типичным для Северной Атлантики, а центральный ледник вырос, покрыв почти 80 % острова. С переменой погоды островитяне изо всех сил старались сохранить свою скандинавскую систему земледелия на почвах отмелей тонкой прибрежной полосы, но и урожайность культур, и продуктивность домашнего скота снизились.

По иронии судьбы примерно в то же время, когда колония викингов начала испытывать трудности, еще одна волна иммигрантов, инуитов (эскимосов), начала зарабатывать на жизнь на севере острова особыми способами рыбалки и охоты, которые были хорошо приспособлены к местным условиям. Викинги могли бы спастись, если бы они заимствовали стратегии выживания у инуитов, но единственная запись, которую мы имеем о контакте между двумя народами, — это заметка одного викинга-поселенца о том, что от ножей викингов пролито было много инуитской крови. Это наблюдение едва ли указывает на готовность викингов учиться у своих северных соседей. Результатом стало то, что через некоторое время, в конце XV века, колония викингов разрушилась, а последние несколько жителей, по-видимому, даже прибегли к каннибализму.

Тем не менее датчане никогда не забывали о своем западном форпосте, и в начале XVIII века была организована экспедиция для возобновления связи с поселенцами. Но участники экспедиции нашли только остатки хуторов и кладбища. Однако визит все же привел к созданию более успешной колонии, которая вкупе с местными инуитами в конечном счете стала современной страной Гренландией. Сегодняшняя экономика Гренландии выросла из инуитских корней и основывается главным образом на рыбной ловле, но в последнее время все большее внимание привлекают потенциальные минеральные богатства острова. В 1960 году Геологическая служба Дании и Гренландии наняла молодого новозеландского геолога Вика Макгрегора провести геологическое изучение на юго-западе острова, недалеко от его столицы Готхоба (ныне переименован в Нуук).

Макгрегор провел несколько лет, путешествуя по региону, изрезанному фьордами, на маленькой, частично открытой лодке, достаточной только для него самого, экипажа, состоящего из двух местных жителей, и для случайного гостя. Все умещалось среди палаток, охотничьих и рыболовных инструментов, не особо отличавшихся от набора ранних инуитских колонистов, и геологического оборудования. Используя стандартные методы стратиграфии, он пришел к выводу, что породы в этом районе состоят из десяти последовательных слоев, из которых самый старый и самый глубокий, вероятно, «действительно очень древний» — возможно, ему даже более трех миллиардов лет.

В начале 1970-х годов Макгрегор послал образец древней породы в Оксфордскую лабораторию Стивена Мурбата, ученого, который обладал авторитетом в радиометрическом датировании пород. Метод измерения основывается на соотношении радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Например, уран-238 имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет (через цепочку нуклидов в конечном итоге до стабильного изотопа свинца); так, если возраст Земли составляет около четырех миллиардов лет, концентрация природного урана в породе за все время существования Земли сократилась в два раза. Измеряя соотношение этих изотопов в любом образце породы, ученые могут, следовательно, рассчитать, сколько времени эти породы залегают в земле. Именно этот метод Стивен Мурбат использовал в 1970 году для анализа образца породы под названием «гнейс», который Макгрегор прислал ему из прибрежной области на юго-западе Гренландии, известной как Амитсок. Удивительно, но он обнаружил, что этот гнейс содержал пропорционально больше свинца, чем любая известная доселе земная руда или горная порода. Очень высокий уровень содержания свинца означал, что гнейс из Амитсока был, как уже догадался Макгрегор, «действительно очень древним», по крайней мере 3,7 миллиарда лет — старше, чем любая порода, найденная ранее на земле.

Мурбат был настолько поражен открытием, что затем присоединился к Макгрегору в нескольких экспедициях по Гренландии. В 1971 году они вдвоем решили посетить удаленную и практически неисследованную область Исуа на краю внутреннего ледникового покрова (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Карта Гренландии с указанием местонахождения Исуа

Сначала они должны были плыть в крошечной лодке Макгрегора к началу полного айсбергов фьорда Готхоб, где поселенцы-викинги влачили свое жалкое существование в Средние века. Затем ученых подобрал вертолет, принадлежащий местной горнодобывающей компании, которая была также заинтересована в регионе, так как аэромагнитные исследования показали потенциально богатые месторождения железной руды. Ученые обнаружили, что в местных диабазах Исуа было много подушкообразных масс породы, известных как базальтовая «подушечная лава», которая были сформирована в результате извержения вулканической лавы непосредственно в морской воде из так называемых грязевых вулканов. Эти породы вновь были датированы по меньшей мере 3,7 миллиарда лет. Данное исследование ясно показало, что Земля вскоре после образования была покрыта теплыми океанами[168] с грязевыми вулканами (рис. 9.2), извергавшимися из гидротермальных жерл на дне мелких водоемов.

Рис. 9.2. Современный грязевой вулкан в Тринидаде. Могла ли первая жизнь на земле появиться в подобном грязевом вулкане, оставив следы в диабазах Исуа? Фото Майкла С. Райджела с «Викисклада»

Тем не менее настоящий сюрприз заключался в том, что получилось, когда Миник Розинг, исследователь из Геологического музея в Копенгагене, измерил соотношение изотопов углерода в диабазах Исуа. Породы содержат около 0,4 % углерода, и когда было измерено соответствующее количество двух изотопов — 13C и 12C, было установлено, что количество более тяжелого и более редкого 13C в породах было значительно меньше, чем ожидалось. Неорганические источники углерода, такие как атмосферный углекислый газ, содержат около 1 % 13C, но фотосинтез предпочитает включать более легкий изотоп 12C в растения и микробиологическую биомассу, поэтому низкий уровень 13C, как правило, является показателем наличия органического материала. Эти результаты свидетельствуют о том, что в теплых водах, окружавших грязевые вулканы Исуа, 3,7 миллиарда лет назад жили организмы, которые, как и современные растения, захватывали углерод из углекислого газа, либо из атмосферы, либо растворенный в воде и использовали его, чтобы создать на основе углерода соединения для строительства своих клеток.

Теория о породах Исуа остается спорной, и многие ученые не уверены в том, что низкий уровень найденного там 13C обязательно подразумевает такое раннее присутствие живых организмов. Большая часть скептицизма проистекает из того факта, что 3,8 миллиарда лет назад Земля подвергалась тому, что известно как «поздняя тяжелая бомбардировка». Это были регулярные удары астероидов и комет, обладающих энергией, достаточной для испарения любой воды с поверхности и, вероятно, также для стерилизации океанов. Открытие окаменелостей любых подобных древних фотосинтезирующих организмов, конечно, помогло бы подтвердить теорию, но породы Исуа были сильно деформированы на протяжении тысячелетий и любые такие окаменелости сейчас просто неузнаваемы. Мы должны отправиться вперед по крайней мере на несколько сотен миллионов лет — до того момента, с которого доказательства существования жизни явно присутствуют в породах в виде распознаваемых окаменелостей древних микробов.

Несмотря на отсутствие убедительных доказательств, многие считают, что изотопные данные пород Исуа обозначают самые ранние признаки жизни на Земле; и грязевые вулканы Исуа, конечно, создавали просто идеальные условия для возникновения жизни, с их теплыми щелочными водами, фонтанирующими из термальных вентиляционных жерл. Они были богаты растворенными неорганическими карбонатами и изверженными ультраосновными серпентиноподобными породами, которые были очень пористыми, пронизанными миллиардами крошечных полостей, каждая из которых могла бы быть микросредой, способной концентрировать и стабилизировать небольшое количество органических соединений. Возможно, жизнь действительно зародилась в грязях Гренландии. Возникает вопрос: как?

Проблема «гадости»

Три самые большие загадки в науке — это происхождение Вселенной, происхождение жизни и происхождение сознания. Квантовая механика тесно участвует в первой, и мы уже обсуждали ее возможную связь с третьей загадкой; как мы скоро выясним, она может также помочь объяснить и вторую загадку. Но мы должны сначала изучить вопрос о том, способны ли неквантовые объяснения представить полный отчет о происхождении жизни.

Ученые, философы и теологи, которые веками размышляли о происхождении жизни, придумали множество разнообразных теорий, начиная от Божественного творения до привнесения на нашу планету жизни из космоса (так называемая теория панспермии). Более строгий научный подход был инициирован в XIX веке учеными, такими как Чарльз Дарвин, который предположил, что химические процессы, происходящие в каком-то «небольшом теплом пруду», возможно, привели к созданию живой материи. Официальная научная теория, которая построена на предположениях Дарвина, была выдвинута независимо друг от друга русским ученым Александром Опариным и англичанином Дж. Б. С. Холдейном в начале XX века и в настоящее время широко известна как гипотеза Опарина — Холдейна. Оба предположили, что атмосфера ранней Земли была богата водородом, метаном и водяным паром, которые под воздействием молний, солнечной радиации или вулканического тепла могли образовывать смеси простых органических соединений. Они предположили, что эти соединения затем накапливаются в первичном океане, образуя теплый разбавленный органический «бульон», который существовал в течение миллионов лет, возможно омывая грязевые вулканы Исуа, пока какое-то случайное сочетание его составных частей в конечном счете не дало новые молекулы с необычным свойством: способностью копировать самих себя.

Холдейн и Опарин предположили, что появление первичного репликатора было ключевым событием, которое привело к возникновению жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Ее последующий успех будет обеспечиваться дарвиновским естественным отбором. Будучи простым объектом, репликатор порождал множество ошибок или мутаций в репликации. Эти мутантные репликаторы тогда конкурировали с немутировавшими формами за химические материалы, из которых можно построить больше репликаторов. Те, которые оказывались наиболее успешными, оставили наибольшее количество потомков, и молекулярный процесс дарвиновского естественного отбора способствовал выживанию репликаторов большей эффективности и большей сложности. Репликаторы, захватившие дополнительные молекулы, например пептиды, которые ферментативно катализируют их репликацию, получили преимущество, и некоторые из них оказались даже заключенными в пузырьках (крошечных, заполненных жидкостью или воздухом мешочках), ограниченных жирными мембранами, подобно современным живым клеткам, что защищало их от воздействия внешней среды. После того как возникла оболочка, внутренняя часть клетки стала способна поддерживать биохимические превращения — метаболизм — и создавать свои собственные биомолекулы, не допуская их утечки. Благодаря способности сохранять и поддерживать свое внутреннее состояние, оставаясь при этом изолированной от внешней среды, и родилась первая живая клетка.

Гипотеза Опарина — Холдейна научно описывает, как могла возникнуть жизнь на Земле. Тем не менее в течение нескольких десятилетий теорию никто не проверял, пока интерес к ней не проявили два американских химика.

К 1950 году Гарольд Юри был выдающимся, но весьма противоречивым ученым. Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году за открытие дейтерия, изотопа водорода, который, как вы помните из главы 3, был использован для изучения кинетического изотопного эффекта в ферментах, продемонстрировав, что их деятельность связана с квантовым туннелированием. Опыт Юри в очистке изотопов привел его к назначению в 1941 году главой части Манхэттенского проекта по обогащению урана (Манхэттенский проект — проект по созданию атомной бомбы). Тем не менее Юри со временем разочаровался в целях Манхэттенского проекта и его секретности и попытался отговорить президента США Гарри Трумэна сбрасывать бомбу на Японию. После Хиросимы и Нагасаки Юри написал статью для популярного журнала Collier’s под названием «Я испуганный человек», где предупреждал об опасности, исходящей от атомного оружия. На своей должности в Университете Чикаго он также активно выступал против антикоммунистической «охоты на ведьм» Маккарти в 1950-е годы, писал письма президенту Трумэну в поддержку Юлиуса и Этель Розенберг, которые предстали перед судом за шпионаж и в конце концов были казнены за передачу атомных секретов в СССР.

Стэнли Миллер, другой американский химик, участвовавший в проверке гипотезы Опарина — Халдейна, поступил в Университет Чикаго в качестве аспиранта в 1951 году, где занимался в первую очередь проблемами нуклеосинтеза элементов внутри звезд под руководством ученого Эдварда Теллера, известного как «отец водородной бомбы». Жизнь Миллера изменилась, когда в октябре 1951 года он посетил лекцию Гарольда Юри о происхождении жизни, в которой Юри обсуждал возможность реализации сценария Опарина — Холдейна и предполагал, что кто-то должен провести эксперименты. Очарованный идеей, Миллер перевелся из лаборатории Теллера в лабораторию Юри и принялся убеждать того стать его научным руководителем и позволить ему проводить эксперименты. Юри изначально скептически относился к полным энтузиазма студенческим планам Миллера по проверке теории Опарина — Халдейна: он прикидывал, что неорганическим химическим реакциям понадобились миллионы лет для генерации достаточного количества органических молекул, в то время как у Миллера будет всего три года, чтобы защитить кандидатскую! Тем не менее Юри был готов дать ему место и ресурсы, необходимые тому, на полгода-год. Таким образом, если эксперименты не дадут результатов, у Миллера еще будет время, чтобы перейти к более безопасному научно-исследовательскому проекту.

В своей попытке повторить условия, в которых возникла жизнь на Земле, Миллер имитировал первичную атмосферу, просто заполнив бутылку водой для имитации океана, добавил газы, которые, по его мнению, присутствовали в атмосфере: метан, водород, аммиак и водяной пар. Затем он смоделировал молнию, прокаливая смесь, которая начинала искрить. К собственному удивлению и ко всеобщему удивлению научного мира, Миллер обнаружил, что после всего недели действия искусственных молний на воссозданную первичную атмосферу в бутылке уже содержалось значительное количество аминокислот, строительных блоков для белков. Статья с описанием этого эксперимента была опубликована в журнале Science в 1953 году[169] — с Миллером в качестве единственного автора. Гарольд Юри занял очень необычную позицию, настаивая, чтобы честь открытия досталась целиком и полностью его аспиранту.

Эксперимент Миллера — Юри — как его обычно называют сегодня, несмотря на благородный жест Юри — был провозглашен первым шагом на пути создания жизни в лаборатории и остается очень важным событием в биологии. Несмотря на то что самовоспроизводящиеся молекулы не были получены в «первичном бульоне» Миллера, считалось, что аминокислоты полимеризовались бы с образованием пептидов и сложных белков и в конечном счете получились бы репликаторы Опарина — Холдейна, если бы было достаточно много времени и имелся достаточно большой объем.

С 1950-х годов десятки ученых повторяли эксперимент Миллера — Юри множеством способов с использованием различных смесей химических веществ, газов и разных источников энергии, чтобы получить не только аминокислоты, но и сахара и даже небольшие количества нуклеиновых кислот. И все же до сих пор (а прошло уже более полувека) ни одной лаборатории не удалось воссоздать «первичный бульон», который дал бы первичный репликатор Опарина — Халдейна. Чтобы понять почему, нам нужно более внимательно изучить эксперименты Миллера.

Первый момент — это сложность химической смеси, созданной Миллером. Большая часть полученного органического материала представляла собой сложные смолы наподобие тех, что хорошо знакомы химикам-органикам. Они часто видят такие вещества, когда их процедуры сложного химического синтеза нестрого контролируются и получаются побочные продукты. На самом деле легко приготовить аналогичную смолу на вашей собственной кухне, просто передержав ужин: та черновато-коричневая гадость, которую потом так трудно отмыть от дна кастрюли, довольно близка по составу к смоле Миллера. Проблема с такими химическими смесями в том, что они, как известно, не производят ничего больше, кроме такой же смолоподобной «гадости». С химической точки зрения их не назовешь «продуктивными» — они настолько сложны, что какие-то конкретные химические вещества, например аминокислоты, начинают взаимодействовать с таким количеством других различных соединений, что просто теряются в «лесу» непоследовательных химических реакций. Миллионы поваров, а также тысячи студентов-химиков производили подобные органические маслянистые смолы в течение многих столетий, однако результатом становилось лишь сложное мытье посуды.

От «гадости» к клеткам

Представьте себе, что, пытаясь приготовить первичный бульон, вы очищаете всю «гадость» со дна всех подгоревших кастрюль во всем мире, а затем растворяете все эти триллионы сложных органических молекул в океане. Теперь добавьте немного гренландских грязевых вулканов в качестве источника энергии и, возможно, искру молнии — и перемешайте. Как долго вы должны размешивать суп, прежде чем создадите жизнь? Миллион лет? Сто миллионов лет? Сто миллиардов лет?

Даже самая простая жизнь, такая как наша химическая «гадость», чрезвычайно сложна. В отличие от «гадости», однако, она также высоко-организованна. Проблема с использованием смол в качестве исходного материала для создания организованной жизни состоит в том, что случайные термодинамические силы, которые действовали на молодой Земле, — молекулярные движения, подобные движениям бильярдных шаров, о которых мы говорили в главе 2, — как правило, нарушают порядок, а не создают его. Вы бросаете курицу в кастрюлю с водой, нагреваете ее, перемешиваете, варите и получаете куриный бульон. Но вы не выливаете бульон из банки в кастрюлю в надежде получить курицу.

Конечно, жизнь не началась с курицы (или яйца). Самые простые самовоспроизводящиеся живые организмы сегодня — это бактерии, которые гораздо проще, чем любая птица[170]. Самая простая из бактерий называется микоплазма (бактерия, которая была предметом эксперимента Крейга Вентера по синтезированию жизни). Но даже эти существа являются чрезвычайно сложными формами жизни. Их геном содержит около 500 генов, которые кодируют примерно такое же количество сложных белков, и они, наряду с ферментами, создают липиды, сахара, ДНК, РНК, клеточную мембрану, хромосомы и тысячи других структур, каждая из которых гораздо сложнее, чем двигатель вашего автомобиля. На самом деле микоплазма — это не совсем полноценная бактерия, она не может выживать самостоятельно и должна получать многие биомолекулы от своего хозяина: она является паразитом и как таковая не смогла бы выжить в любом реальном «первичном бульоне». Более вероятным кандидатом можно назвать другой одноклеточный организм — цианобактерию, которая способна к фотосинтезу и, таким образом, может обеспечивать свои потребности. Если цианобактерии присутствовали на ранней Земле, они могли быть потенциальным источником низких уровней 13C, обнаруженных в породах Исуа в Гренландии (возрастом 3,7 миллиарда лет). Но эта бактерия является гораздо более сложной, чем микоплазма, с геномом из почти двух тысяч генов. Как долго вы должны размешивать свой океан «первичного бульона», чтобы «приготовить» цианобактерии?

Британский астроном, который ввел термин «Большой взрыв», сэр Фред Хойл, все время проявлял интерес к происхождению жизни. Вероятность того, что в результате случайных химических процессов зародилась жизнь, по его словам, столь же высока, как и вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо соберет «Боинг». Дело в том — и Хойл это ярко демонстрирует, — что клеточная жизнь, какой мы ее знаем сегодня, является слишком сложной и организованной для того, чтобы возникнуть только по воле случая; ей должны были предшествовать более простые саморепликаторы.

Мир РНК

Так какими были эти ранние саморепликаторы? И как же они действовали? Поскольку они не дожили до наших дней, по-видимому не выдержав конкуренции со своими более успешными потомками, знания об их природе в основном строятся на догадках. Одна из них заключается в экстраполяции назад от сегодняшних простейших форм жизни, чтобы представить себе более простой саморепликатор, своего рода «урезанную» бактерию, которая, возможно, является предшественником всей жизни на Земле.

Проблема заключается в том, что не представляется возможным выделить простые саморепликаторы из живых клеток, так как ни один из компонентов клеток не способен к самовоспроизведению сам по себе. Гены ДНК не копируют себя, это работа фермента ДНК-полимеразы. В свою очередь, эти ферменты не воспроизводят себя, потому что они должны быть сначала закодированы в цепочках ДНК и РНК.

РНК будет играть важную роль в этой главе, так что полезно напомнить, что это такое и что она делает. РНК (рибонуклеиновая кислота) проще своей химической «сестры» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), и здесь речь идет об одинарной спирали по сравнению с двойной спиралью ДНК. Несмотря на это различие, РНК имеет сходный со своей «сестрой» потенциал кодирования генетической информации — у нее просто нет дополнительной копии этой информации. И так же, как и у ДНК, ее генетическая информация записана четырьмя различными буквами, так что гены могут быть закодированы в РНК так же, как и в ДНК. На самом деле многие вирусы, такие как вирус гриппа, например, обладают РНК-, а не ДНК-геномами. Но в живых клетках — бактериальных, животных или растительных — РНК играет роль, отличную от ДНК: генетическая информация, записанная в ДНК, сначала копируется в РНК в процессе считывания гена, который мы обсуждали в главе 7. А поскольку, в отличие от относительно массивной и неподвижной ДНК, короткие части РНК могут свободно перемещаться по клетке, они могут нести генетические сообщения генов от хромосом к аппарату синтеза белка. При этом последовательность РНК считывается и переводится в последовательность аминокислот, которые входят в белки, например ферменты. Таким образом, в современных клетках по крайней мере, РНК является ключевым посредником между генетическим кодом, написанным на ДНК, и белками, которые идут на то, чтобы создавать остальные компоненты наших клеток.

Возвращаясь к нашему вопросу происхождения жизни, заметим, что, хотя живая клетка в целом является самовоспроизводящейся сущностью, отдельные ее компоненты таковыми не являются; подобно тому как женщина является самовоспроизводящимся организмом (с небольшой «помощью»), но ее сердце или печень — нет. Это создает проблему при попытке экстраполировать назад от сегодняшней сложной клеточной жизни к ее более простым доклеточным предкам. Если сформулировать вопрос иначе: что появилось первым — ДНК, РНК или ферменты? Если сначала были ДНК или РНК, то что их создало? Если сначала был фермент, то как он был закодирован?

Одно из возможных решений было предложено американским биохимиком Томасом Чехом, который открыл в 1982 году, что наряду с кодированием генетической информации некоторые молекулы РНК могли взять на себя функцию ферментов по катализации реакций (работа, за которую он разделил в 1989 году Нобелевскую премию по химии с Сиднеем Альтманом). Первые примеры этих рибозимов, как они были названы, нашли в генах крошечных одноклеточных организмов тетрахимен (Tetrahymena), которые являются одним из видов простейших, найденных в пресноводных водоемах; однако с тех пор выяснилось, что рибозимы играют важную роль во всех живых клетках. За их открытие быстро ухватились как за возможное решение головоломки в стиле «яйцо или курица» о происхождении жизни. Гипотеза мира РНК (такое название она получила) предполагает, что изначально химический синтез привел к образованию молекул РНК, которые могли выступать в качестве как генов, так и ферментов и, таким образом, могли одновременно кодировать свою собственную структуру (как ДНК) и делать копии самих себя (как ферменты) из биохимикатов, имеющихся в «первичном бульоне». Этот процесс копирования был первоначально достаточно бессистемным, что приводило к большому количеству мутантных версий, которые конкурировали друг с другом в «дарвиновской» молекулярной конкуренции, рассмотренной ранее. С течением времени эти репликаторы РНК привлекли белки, чтобы повысить эффективность репликации, что привело к появлению ДНК и в конце концов первой живой клетки.

Идея о том, что мир самовоспроизводящихся молекул РНК предшествовал возникновению ДНК и клеток, теперь стала почти догмой в исследованиях о происхождении жизни. Было доказано, что рибозимы могут выполнять все основные функции, которых можно ожидать от любой самовоспроизводящейся молекулы. Например, один класс рибозимов может соединить две молекулы РНК вместе, в то время как другой может разделить их. Еще одна форма рибозимов может делать копии коротких отрезков (всего лишь небольших участков) РНК-оснований. Из этих простых действий мы можем представить себе более сложные рибозимы, способные катализировать полный набор реакций, необходимых для самовоспроизведения. После того как саморепликация начала действовать, в силу вступил и естественный отбор; так что мир РНК пошел по пути конкуренции и привел в конце концов (по крайней мере так считается) к первой живой клетке.

Страницы: «« 12345 »»

Читать бесплатно другие книги:

Автономное выживание в экстремальных условиях и автономная медицина
Автономное выживание в экстремальных условиях и автономная медицина
Молодан Игорь
Самый полезный и компактный прикладной справочник по автономному выживанию без специального снаряжен...
Меч мёртвых
Меч мёртвых
Семёнова Мария
Кто сказал, что в эпоху викингов жизнь была бесхитростной и простой?.. Можно было, оказывается, съез...
Джентльмены-мошенники (сборник)
Джентльмены-мошенники (сборник)
Андерсон Фредерик
В сборник “Джентльмены-мошенники” вошли рассказы Гая Бутби, Эрнеста Уильяма Хорнунга и Фредерика Ирв...
Я расскажу тебе 7 раз…
Я расскажу тебе 7 раз…
Морган Оливер
Она повстречала незнакомца в уютном кафе. Решила рассказать ему семь историй из своей жизни, но знал...
5…скрываемой в иудаизме
5…скрываемой в иудаизме
Бурлаков Владимир
Пятый очерк: «Об Истине Я ЕСМЬ…5 …скрываемой в иудаизме». Авраам и все последующие патриархи и проро...
Стратегии тоже нужна стратегия
Стратегии тоже нужна стратегия
Ривз Мартин
Партнеры всемирно известной компании BCG Мартин Ривз, Кнут Хаанес и Джанмеджая Синха написали книгу ...