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

Эпитет «таинственный» чаще других используется для описания мира, где действуют законы квантовой механики. Этот мир на самом деле таинственен. Разве можно назвать обычной теорию, описывающую мир, где объекты способны преодолевать непроницаемые барьеры, находиться в двух местах одновременно или образовывать «призрачные связи»? Тем не менее математические основы квантовой механики логичны и непротиворечивы. Они очень точно описывают мир элементарных частиц и сил, действующих в нем. Таким образом, квантовая механика — это основание физической реальности. Дискретные энергетические уровни, корпускулярно-волновой дуализм, когерентность, запутанность и туннелирование — не просто интересные идеи, которые касаются только ученых, работающих в физических лабораториях со сложным оборудованием. Они так же реальны и обычны, как яблочный пирог, испеченный бабушкой, и, кстати говоря, все эти процессы протекают внутри яблочного пирога. Квантовая механика — обычное явление. Таинственным является тот мир, который она описывает.

Тем не менее, как мы уже говорили, большинство особенностей вещества, противоречащих здравому смыслу и присущих квантовому миру, теряются в структуре больших объектов, для которой характерна весьма неспокойная термодинамика. Утрата квантовых свойств происходит в процессе, который мы называем декогерентностью. За чертой декогерентности лежит знакомый нам мир, в котором действуют законы классической физики. Итак, мы можем изобразить структуру физической реальности в виде трех уровней (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Три уровня реальности. На верхнем уровне находится мир видимых объектов — например, падающих яблок, пушечных ядер, поездов и самолетов. Движение видимых объектов описывается законами ньютоновской механики. Ниже расположен уровень, где действуют термодинамические законы, описывающие взаимодействие частиц, движущихся в структуре вещества беспорядочно, подобно бильярдным шарам. Этот уровень отвечает также за действие принципа «порядок из неупорядоченности», который распространяется на объекты видимого мира, например паровые двигатели. Еще ниже находится уровень элементарных частиц — сфера действия стройных квантовых законов. Свойства объектов видимого мира, поддающиеся наблюдению, обусловлены особенностями либо ньютоновского, либо термодинамического уровня. Свойства живых организмов связаны с квантовой основой нашей реальности

На верхнем уровне находятся макроскопические объекты, с которыми мы имеем дело каждый день (например, футбольные мячи, поезда, планеты). Поведение таких объектов подчиняется законам ньютоновской механики, основные понятия которой всем вам знакомы: скорость, ускорение, инерция, сила. На среднем (термодинамическом) уровне находятся жидкости и газы, к описанию которых также применимы классические законы Ньютона. Тем не менее, как отметил Шредингер и как мы с вами узнали из главы 2, термодинамические законы, описывающие, например, расширение газа при нагревании или работу парового двигателя, толкающего поезд вверх по склону холма, основаны на принципе «порядка из неупорядоченности». Этот хаос, как вы помните, создается беспорядочным толканием миллиардов атомов и молекул, напоминающих бильярдные шары. На третьем, самом глубоком уровне расположена основа физической реальности — квантовый мир. В этом мире поведение атомов и молекул, а также частиц, из которых они состоят, подчиняется точным и упорядоченным правилам не классической, а квантовой механики. Однако большинство квантовых странностей скрыто от человеческого глаза. Кое-что открывается лишь тогда, когда мы наблюдаем отдельные молекулы, как в случае эксперимента с двумя щелями: мы можем увидеть глубоко сокрытые квантовые законы в действии. Поведение объектов, описываемое этими законами, кажется нам непонятным, поскольку мы видим реальность сквозь призму декогерентности, лишающей большие объекты таинственных свойств.

Большинство живых организмов являются относительно большими объектами. Их движение, как и движение поездов, футбольных мячей и пушечных ядер, надежно описывается законами Ньютона: человек, запущенный из пушки, будет лететь примерно по той же траектории, что и ядро. На более глубоком уровне — на уровне физиологии тканей и клеток — работают термодинамические законы: расширение и сжатие легкого, в сущности, не отличается от расширения и сжатия воздушного шарика. На первый взгляд вам может показаться (как долгое время казалось ученым), что квантовые свойства исчезают в организмах малиновки, рыбы, динозавра, в яблонях, бабочках и в нас с вами, как и в любых объектах, управляемых законами классической физики. Однако мы убедились, что в случае живой ткани этот принцип срабатывает не всегда — жизнь словно пускает свои корни с поверхности мира ньютоновских законов, просачиваясь сквозь мир жидкостей, структуру которых составляют подвижные турбулентные молекулы, подчиняющиеся законам термодинамики, к самому дну, к квантовому основанию реальности. Так жизнь достигает квантового «дна» и присваивает себе некоторые из его загадочных свойств — когерентность, суперпозицию, туннелирование и запутанность (см. рис. 10.1). Каким образом она это делает? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей последней главе.

Частично мы уже ответили на него. Более 60 лет назад Эрвин Шредингер отметил, что жизнь отличается от неорганического мира тем, что она структурированна и упорядоченна на молекулярном уровне. Этот порядок, пронизывающий структуру жизни насквозь, наделяет ее своего рода четким, надежным механизмом, связывающим ее молекулярный уровень с макроскопическим. Так, квантовые свойства, наблюдаемые в поведении отдельных биомолекул, имеют важные последствия для всего организма — то самое усиление воздействия квантового уровня на макроскопический, о котором говорил Паскуаль Йордан, пионер квантовой механики.

Не стоит забывать о том, что, когда Шредингер и Йордан писали о биологии, никто еще не знал, из чего состоит ген, как работают ферменты и фотосинтез. Затем последовали 50 лет интенсивных и плодотворных исследований в области молекулярной биологии, результатом которых стало поразительно подробное описание структуры биомолекул на уровне отдельных атомов в связях ДНК и белков. И, как мы с вами убедились, дальновидные предсказания пионеров квантовой механики оказались точными, пусть их подтверждение немного и затянулось. В структуре фотосистем, ферментов, дыхательных цепей и генов имеет значение даже положение отдельных элементарных частиц, а их квантовые перемещения на самом деле влияют на процесс дыхания, поддерживающий жизнь, на работу ферментов, обеспечивающих целостность организмов, на фотосинтез, производящий практически всю биомассу на нашей планете.

И все же многие вопросы остаются неясными. В основном они касаются того, каким образом жизни удается сохранять свойство квантовой когерентности в теплой и влажной среде биомолекул внутри живой клетки. Белки и ДНК вовсе не являются стальными конструкциями с угловатыми элементами, как те приборы, которые используются для обнаружения квантовых эффектов во время экспериментов в физических лабораториях. Белки и ДНК имеют вязкую, гибкую структуру, которая постоянно испытывает воздействие тепловых колебаний, выдерживает удары окружающих молекулярных бильярдных шаров и молекулярный шум[174]. Казалось бы, эти случайные вибрации и молекулярные столкновения должны разрушать тонко организованные атомы и молекулы, частицам которых необходимо сохранять квантовые свойства. Остается загадкой то, каким образом в биологии поддерживается квантовая когерентность. Тем не менее, как мы с вами узнаем, завеса тайны начинает приоткрываться, позволяя ученым проникать в самую сущность жизни. Возможно, эти новые знания будут использованы для разработки квантовых технологий будущего.

Приятные, приятные, приятные, приятные вибрации (боп-боп)[175]

Не многие научно-популярные книги нуждаются в дополнениях во время написания. Тем не менее в последней главе данной книги мы расскажем о результатах исследований, которые проводятся в настоящий момент. Квантовая биология развивается очень быстро, и направления ее развития настолько многочисленны, что к моменту выхода этой книги ее содержание рискует стать неактуальным. Наиболее неожиданные результаты были получены в ходе недавних исследований взаимодействия жизни с молекулярными вибрациями, или шумом.

Один из самых поразительных результатов был получен в ходе очередного исследования процесса фотосинтеза. В главе 4 мы говорили о том, что в микробах и листьях растений содержится огромное количество хлоропластов, которые заполнены молекулами пигмента хлорофилла, а также о том, что первой стадией фотосинтеза является захват фотона света молекулой пигмента и его преобразование в вибрирующий экситон, который пробирается сквозь хлорофилльный лес к реакционному центру. Как вы помните, было обнаружено, что этот процесс переноса энергии имеет признаки когерентности — квантового биения, и почти со стопроцентной точностью доказано, что он в принципе возможен благодаря квантовому перемещению экситона к реакционному центру. До сих пор оставалось загадкой, каким образом экситонам удается поддерживать когерентные волновые свойства, прокладывая путь сквозь пространство живой клетки, наполненное молекулярным шумом. К настоящему моменту установлено, что разгадка, вероятнее всего, заключается в следующем: живые системы не пытаются избежать молекулярного шума; напротив, они пытаются подстроиться под его ритм.

В главе 4 мы описали квантовую когерентность при фотосинтезе как своего рода молекулярный оркестр, в составе которого музыканты — когерентные молекулы пигмента — демонстрируют очень четкую и слаженную игру. Однако система, элементы которой работают в унисон, сталкивается с одной проблемой: во внутриклеточном пространстве слишком шумно. Молекулярный оркестр исполняет свою программу не в тихом концертном зале, а в месте, напоминающем деловой центр города, — посреди какофонии молекулярного шума. Этот шум мешает музыкантам исполнять партии — вибрации экситона, которые то и дело выбиваются из общего ритма, что приводит к нарушению и без того хрупкого состояния квантовой когерентности.

С этой проблемой постоянно сталкиваются физики и инженеры, работающие над созданием таких приборов, как квантовые компьютеры. Специалисты используют две основные стратегии сдерживания молекулярного шума. Во-первых, когда это возможно, они стараются охлаждать системы практически до абсолютного нуля. При таких низких температурах молекулярные колебания затихают, что, в свою очередь, приводит к затиханию молекулярного шума. Во-вторых, внутри молекулярной студии звукозаписи они создают вокруг своих систем своего рода стеклянный щит, сквозь который не проникает шум окружающей среды. Разумеется, внутри живых клеток нет никаких студий звукозаписи, а растения и бактерии живут в теплой среде. Так как же фотосистемам удается так долго поддерживать мелодию оркестра квантовой когерентности?

Дело в том, что реакционные центры фотосинтеза используют две разновидности молекулярного шума для поддержания, а вовсе не нарушения когерентности. К первой разновидности относится более или менее слабый, низкий шум, который иногда называют белым шумом. Он напоминает теле- или радиопомехи, улавливаемые на всех частотах[176]. Белый шум исходит из термальных столкновений окружающих молекул и частиц, например молекул воды с ионами металлов, которыми заполнено пространство живой клетки. Ко второй разновидности относится цветной шум, более громкий. Этот шум характеризуется ограниченным диапазоном частот, подобно тому как окрашенный (видимый глазом) свет ограничен узким диапазоном частот электромагнитного спектра. Источником цветного шума являются колебания более крупных молекулярных структур в составе хлоропластов, например молекул пигмента (хлорофилла) и белковых структур, обеспечивающих их целостность. Белки, в свою очередь, представляют собой нити, на которые нанизаны аминокислотные бусины. Аминокислотные бусы закручены так, что на них легко держатся молекулы хлорофилла. Их изгибы и связи отличаются гибкостью, и они могут совершать колебания, но только на определенных частотах, подобно гитарным струнам. В свою очередь, молекулы пигмента также имеют собственную частоту колебаний. Эти колебания и производят цветной шум, который, как музыкальный аккорд, строится всего из нескольких нот. Фотосинтетическая реакционная система использует белый и цветной шум для продвижения когерентного экситона к реакционному центру.

К разгадке того, как живая клетка использует данные разновидности молекулярных колебаний, одновременно (в 2008–2009 годах) и независимо пришли две группы исследователей. Одну из них возглавляли супруги Мартин Пленио и Сюзана Хуэльга, на тот момент работавшие в Великобритании. Их давно интересовало влияние внешнего шума на динамику квантовых систем, поэтому они не были сильно удивлены, когда услышали об эксперименте с фотосинтезом, который в 2007 году провел Грэм Флеминг (об этом эксперименте мы говорили в главе 4). Сразу после этого они опубликовали несколько статей (не так уж широко цитируемых), в которых предлагалась модель того, что, по их мнению, происходит в ходе данного эксперимента[177]. Они предположили, что шумная среда живой клетки придает импульс квантовой динамике и скорее поддерживает, чем нарушает квантовую когерентность фотосинтетических комплексов и других биологических систем.

Другая группа ученых работала над той же проблемой по другую сторону Атлантики: коллектив специалистов по квантовой информации из МТИ под руководством Сета Ллойда, который ранее, как вы помните, считал наличие квантово-механических механизмов в растениях «бредовой идеей». Вместе с коллегами из соседнего Гарварда Ллойд внимательно исследовал фотосинтетический комплекс водорослей, в котором Флеминг и Энгель обнаружили квантовые биения[178]. Они показали, что замедлению или ускорению квантового продвижения когерентного экситона способствует шум внутриклеточного пространства. Все зависит от того, насколько громким является этот шум. Если температура системы достаточно низкая и сама система находится в состоянии покоя, экситон бесцельно колеблется, не стремясь никуда продвинуться. При относительно высокой температуре и шумной среде возникает так называемый квантовый эффект Зенона, задерживающий квантовое перемещение. Между этими двумя полярными состояниями находится зона Златовласки — совокупность условий, при которых возникают колебания, способствующие квантовому перемещению экситона.

Квантовый эффект Зенона назван именем древнегреческого философа Зенона Элейского, сформулировавшего философские проблемы в форме серии парадоксов, один из которых известен как апория о полете стрелы. Рассуждая о летящей стреле, Зенон отметил, что в каждый момент времени она занимает определенное положение. Если бы стрелу можно было наблюдать в какое-то определенное мгновение, то мы бы увидели, что в это мгновение она неподвижна и находится над землей в состоянии покоя. Парадокс заключается в том, что полет стрелы представляет собой последовательность застывших моментов времени, в которых стрела не движется. Если все эти моменты сложить, стрела летит. Как же последовательность моментов покоя образует движение? Дело в том, что определенный промежуток времени не состоит из последовательности неделимых промежутков отсутствия времени. Однако этот вывод ожидал своего часа, пока в XVII веке не был разработан математический анализ — спустя более двух тысячелетий с тех пор, как Зенон сформулировал свои апории. И все же парадокс Зенона сохранился по крайней мере в названии одного из самых оригинальных эффектов квантовой механики. Квантовые стрелы действительно способны замереть в полете благодаря акту наблюдения за ними.

В 1977 году физики из Техасского университета опубликовали статью о том, что в квантовом мире может происходить нечто, напоминающее апорию Зенона о полете стрелы[179]. Квантовый эффект Зенона (как впоследствии было названо данное парадоксальное явление) заключается в том, что частые наблюдения предотвращают некоторые квантовые события. К примеру, если постоянно наблюдать за радиоактивным атомом, то он никогда не распадется — этот эффект можно описать старой пословицей «Кто над чайником стоит, у того он не кипит». В реальности чайник в конце концов закипает, наблюдаете вы за ним или нет, однако, если вас одолевает жажда и вам очень хочется чаю, вам кажется, что чайник закипает целую вечность, — время будто бы замедляется. Однако, как указывал Гейзенберг, в квантовом мире акт наблюдения (или измерения) неизбежно влияет на поведение наблюдаемого объекта.

Чтобы понять, как относится парадокс Зенона к реальной жизни, обратимся снова к одной из стадий фотосинтеза — стадии переноса энергии. Давайте представим, что молекула хлорофилла внутри зеленого листочка захватила фотон солнечного света и преобразовала его энергию в экситон. В классическом понимании экситон — это частица, локализованная в пространстве и времени. Однако, как показал опыт с двумя щелями, квантовые частицы обладают также свойствами волны, позволяющими им пребывать в состоянии квантовой суперпозиции — во многих местах одновременно. Именно волновые свойства экситона играют ключевую роль в квантовом переносе энергии, поскольку благодаря этим свойствам экситон, как и волна воды, может распространяться одновременно в нескольких направлениях. Тем не менее квантовая волна может разбиться о рифы молекулярного шума внутри листа. Вследствие декогерентности экситон теряет волновые свойства и вновь превращается в локализованную частицу, занимающую одно определенное положение. Таким образом, молекулярный шум действует на частицу как своего рода постоянное измерение, и, если он достаточно интенсивен, декогерентность будет происходить очень быстро и у квантовой когерентности не остается шансов помочь экситону достичь пункта назначения. В этом и заключается квантовый эффект Зенона: волны из мира квантовой механики постоянно разбиваются о преграды из мира классической физики.

В ходе изучения влияния молекулярного шума (колебаний) на работу фотосинтетического комплекса бактерий команда ученых из МТИ обнаружила, что для квантового переноса оптимальными являются температуры, при которых бактерии и растения осуществляют фотосинтез. Идеальное совпадение оптимальных условий для квантового переноса энергии и температур, при которых протекает жизнедеятельность живых организмов, является примечательным фактом. Этот факт, по утверждению ученых, говорит о том, что квантовое эволюционное проектирование процесса перемещения экситона совершенствовалось на протяжении трех миллиардов лет действия естественного отбора и привело к созданию идеальных условий для самой важной биохимической реакции в биосфере. Как было отмечено авторами данного исследования в одной из поздних статей, «естественный отбор дает импульс квантовым системам для достижения ими той степени квантовой когерентности, которая „как раз хороша“ для максимальной эффективности»[180].

И все же благоприятные молекулярные колебания не ограничиваются такой разновидностью, как белый шум. В настоящее время считается, что ключевую роль в сдерживании декогерентности играет также цветной шум, производимый ограниченным диапазоном колебаний молекул хлорофилла или окружающих их белков. Если проводить аналогии, то белый тепловой шум можно представить как шум радиопомех, производимых плохо настроенным радиоприемником, а колебания цветного шума — как простой ритм вроде повторяющегося «боп-боп» в песне Good Vibrations («Приятные вибрации») группы The Beach Boys. Однако не следует забывать о том, что экситон также способен вести себя как волна и производить когерентные квантовые биения, которые были описаны Грэмом Флемингом и его коллегами. В двух статьях, опубликованных в 2012 и 2013 годах учеными из группы Мартина Пленио, работающей в Ульмском университете (Германия), говорится о том, что, когда когерентный экситон сбивается со своего ритма вследствие воздействия белого шума, настроить его на «верную мелодию» может цветной шум, если колебания экситона и окружающих его молекул белков (собственно цветной шум) войдут в один и тот же ритм[181]. Уже в 2014 году в журнале Nature появилась статья Александры Олайа-Кастро, в которой автор изложила результаты блестящего теоретического исследования. Оказалось, что экситон и колебания окружающих молекул (цветной шум) имеют общий квант энергии — явление, которое не может быть описано без обращения к теории квантовой механики[182].

Чтобы в полной мере оценить роль двух рассмотренных нами разновидностей молекулярного шума в процессе перемещении экситона, предлагаем вам вернуться к метафоре из мира музыки, которую мы приводили выше, и вновь представить фотосистему в виде оркестра. На этот раз музыкантами являются молекулы пигмента (хлорофилла), а исполняемой мелодией — экситон. Представьте, что мелодия начинается с соло скрипки — так молекула хлорофилла захватывает фотон и преобразует его энергию в колебания экситона. Затем мелодию-экситон подхватывают остальные струнные инструменты, затем духовые, и наконец вступают ударные, чей ритм символизирует реакционный центр. Кроме того, в нашем воображении оркестр исполняет эту мелодию в театре, где слушатели в зале постоянно производят белый шум — шуршат пакетами, ерзают в креслах, кашляют и чихают. Дирижер в нашей метафоре исполняет роль цветного шума.

Для начала представим, что мы оказались в зале и в этот вечер публика особенно расшумелась — музыканты с трудом слышат своих коллег и самих себя. Посреди громкого гула первая скрипка начинает свою партию, однако остальные музыканты не слышат ее и, следовательно, не могут вовремя подхватить мелодию. Это и есть ситуация, в которой возникает квантовый эффект Зенона: слишком интенсивный шум препятствует квантовому переносу энергии. Однако при очень низком уровне шума, скажем в пустом зале без единого зрителя, музыканты слышат только игру друг друга, поэтому все подхватывают первую партию, словно никак не могут избавиться от мелодии, застрявшей в голове, и сыграть каждый свою партию. Это обратная ситуация избытка квантовой когерентности, в которой экситон постоянно колеблется в пределах системы, однако так и не останавливается в каком-либо определенном месте.

В зоне Златовласки из зала не раздается лишних звуков — воспитанные зрители контролируют себя. Если и есть какие-либо помехи, то они лишь помогают музыкантам отвлечься от монотонного повторения одной партии и сыграть в полную силу и с правильным ритмом. Некоторые инструменты, бывает, все же сбиваются с общего ритма, однако лишь в том случае, если в зале какой-то невежа вдруг зашуршит пакетом. Но дирижер одним взмахом палочки возвращает их в общий ритм, и оркестр продолжает исполнять слаженную мелодию фотосинтеза.

Размышления о движущих силах жизни

В главе 2 мы заглянули внутрь парового двигателя и выяснили, что его движущей силой является обуздание беспорядочного движения молекул, толкающихся, словно бильярдные шары, и воздействие силой молекулярной турбулентности на поршень внутри цилиндра. Затем мы задались вопросом, может ли механизм жизни работать на том же термодинамическом принципе «порядка из неупорядоченности», на котором работает паровая машина. Возможно, жизнь — это всего лишь усовершенствованный паровой двигатель?

Многие ученые уверены, что так оно и есть, однако все не так просто, как кажется. Теория сложности изучает тенденцию определенных форм хаотического движения к упорядоченности благодаря феномену самоорганизации. Например, как мы уже говорили, молекулы жидких веществ движутся абсолютно хаотично, однако, когда вы открываете сливное отверстие в ванне, вода вдруг начинает двигаться вокруг него в строго определенном порядке — по часовой стрелке или против нее. В видимом мире подобный «порядок неупорядоченности» можно также наблюдать в формах конвекционных потоков нагреваемой воды, в ураганах и торнадо, в красном пятне на Юпитере и во многих других природных явлениях. Самоорганизация является неотъемлемым признаком некоторых биологических явлений, например роения насекомых и образования стай у птиц и рыб, рисунка полосок на шкуре зебры, сложной фрактальной структуры листьев некоторых растений.

Все упомянутые выше системы примечательны тем, что их видимый «порядок из неупорядоченности» не отражается на молекулярном уровне. Если бы у вас был мощный микроскоп, с помощью которого вы могли посмотреть на молекулы в воронке воды, стекающей в слив, вы бы с удивлением обнаружили, что их движение хаотично, хоть в нем и присутствует едва уловимое смещение от хаотичности к тенденции двигаться по часовой стрелке или против нее. На молекулярном уровне остается лишь хаос, однако это хаос с небольшим смещением в сторону упорядоченности, которое на макроскопическом уровне может выглядеть как упорядоченное движение, то есть «порядок из хаоса», как иногда называют этот принцип[183].

Концептуально принцип «порядок из хаоса» напоминает «порядок из неупорядоченности» Эрвина Шредингера. Принцип Шредингера, как мы уже говорили, лежит в основе движущей силы парового двигателя. Однако, как мы с вами обнаружили, жизнь основывается на других механизмах. Несмотря на то что внутри живой клетки происходит беспорядочное движение молекул, механизм жизни связан с упорядоченным движением — отточенной хореографией элементарных частиц внутри ферментов, фотосинтетических систем, молекул ДНК и других веществ. Жизнь обладает упорядоченностью на молекулярном уровне. Таким образом, нельзя объяснить фундаментальные признаки живой материи только принципом «порядок из хаоса». Жизнь не имеет ничего общего с паровой машиной.

Тем не менее недавние исследования показали, что механизм жизни, возможно, действует именно по образцу квантовой версии парового двигателя.

Принцип работы паровой машины был впервые описан в XIX веке французским ученым Саади Карно. Его отцом был известный государственный деятель, военный министр при Наполеоне Лазар Карно, который еще при Людовике XVI служил в инженерных войсках. После смещения короля Лазар Карно не покинул Францию, как это сделали многие дворяне, а поддержал революцию. Как военный министр, он взял на себя ответственность за формирование французской революционной армии, которая давала отпор прусским войскам. Однако Лазар Карно был не только блестящим военным стратегом, но и математиком, любителем музыки и поэзии (он назвал сына в честь средневекового персидского поэта Саади Ширази) и инженером. Он также написал книгу о том, как машины превращают одну форму энергии в другую.

В Саади проявился революционный и националистический пыл отца, когда он в 1814 году, будучи студентом, принимал участие в обороне Парижа от прусской армии, взявшей город в осаду. Он также унаследовал инженерный талант отца. Саади Карно является автором замечательной книги «Размышления о движущей силе огня» (1823 год), которая считается основополагающей работой по термодинамике.

Одним из источников вдохновения Карно было изучение устройства паровых машин. Он был убежден, что поражение Франции в наполеоновских войнах было напрямую связано с тем, что его страна не успела укротить силу пара и направить ее на создание тяжелой промышленности, как это успешно сделала Англия. Несмотря на то что паровая машина была изобретена и поставлена на производство в Англии, ее устройство было далеко не совершенно. В сущности, оно представляло собой результат проб, ошибок и во многом интуитивных решений шотландского изобретателя Джеймса Уатта. Несовершенство устройства объяснялось недостаточной теоретической базой. Карно стремился исправить ситуацию. Он провел математические расчеты и описал, как необходимо использовать тепловую машину (такую, какие приводили в движения поезда), чтобы ее работа представляла собой круговой процесс, получивший в науке название «цикл Карно».

Цикл Карно описывает принцип, согласно которому тепловая машина переносит энергию из тепла в холод и использует некоторое количество этой энергии для выполнения определенной работы, а затем возвращается в исходное положение. Например, паровая машина переносит горячий пар (теплоту) из нагревателя в конденсатор, где пар охлаждается, но в процессе переноса использует некоторое количество энергии пара для механической работы: энергия передается поршню, а следовательно, и колесам локомотива. Охлажденная вода снова возвращается из конденсатора в нагреватель, и весь процесс (цикл Карно) вновь повторяется по кругу.

Принцип цикла Карно применим ко всем типам двигателей, использующих тепловую энергию для выполнения любой механической работы, — от паровых машин, положивших начало промышленной революции, до современных бензиновых двигателей и электронасосов, поддерживающих низкую температуру в холодильниках. Карно показал, что эффективность любого двигателя, или, как он сам говорил, «любой тепловой машины, какую только можно вообразить», зависит от нескольких фундаментальных принципов. Кроме того, он доказал, что КПД любой классической тепловой машины не может превышать теоретически выведенного максимума, известного как предел Карно. Например, КПД электромотора, который тратит 100 Вт электроэнергии на производство механической силы 25 Вт, составляет 25 %. Классические тепловые машины не отличаются высокой эффективностью.

Принципы работы и ограничения возможностей тепловых машин, описанные Карно, настолько универсальны, что могут быть применимы к описанию, например, размещенных на крышах некоторых зданий фотоэлементов, которые улавливают энергию света и превращают ее в электроэнергию. Те же принципы подходят и к описанию действия биологических фотоэлементов, заключенных в хлоропласты, содержащиеся в листьях растений (мы уже говорили о них в этой книге). Подобная квантовая тепловая машина выполняет работу, схожую с работой классической тепловой машины, с той лишь разницей, что пар здесь уступает место электронам, а источник теплоты — фотонам света. Сначала электроны поглощают фотоны и получают энергию. Они могут отдать эту энергию, если требуется, на проведение полезной химической работы. Данная идея была сформулирована в одной из работ Альберта Эйнштейна, а гораздо позднее легла в основу разработки лазера. Проблема заключается в том, что большое количество электронов, захвативших фотоны, растрачивают энергию и теряют теплоту еще до того, как успевают применить ее с пользой. Таким образом, у квантовой тепловой машины также есть предел КПД.

Как вы помните, в фотосинтетических комплексах конечным пунктом назначения движущихся и колеблющихся экситонов является реакционный центр. До сих пор мы уделяли внимание только процессу переноса энергии, однако сам акт фотосинтеза происходит внутри реакционного центра. Именно здесь хрупкая энергия экситонов превращается в устойчивую химическую энергию молекулы белка — переносчика электронов. Эту энергию растения и бактерии используют для выполнения полезной работы, в частности для создания новых растений и бактерий.

Происходящее в реакционном центре не менее удивительно, чем стадия перемещения экситона. Во всяком случае, таинственности здесь явно больше. Окисление представляет собой химический процесс, в ходе которого происходит отдача электронов одними атомами другим. Бывает, что электроны быстро и легко передаются одним атомом (который становится окисленным) другому (окислителю). Однако в некоторых случаях (например, при сжигании угля, древесины или любого углеродного вида топлива) электроны, которые изначально относятся к одному атому, становятся общими для нескольких атомов (в данном случае донор электрона все равно теряет электрон, когда делится им, подобно тому как вы лишаетесь шоколадки, если делитесь ею). Так, если на воздухе горит углерод, его атомы делятся электронами, находящимися на внешних орбитах, с атомами кислорода. Эти электроны образуют молекулярные связи углекислого газа. В реакциях горения внешние электроны атомов углерода являются относительно слабо связанными, поэтому атомы отпускают их сравнительно легко. Однако в фотосинтетическом реакционном центре растения или бактерии необходима энергия, чтобы выдернуть электроны из молекул воды, в которых электроны связаны гораздо прочнее. Фактически происходит распад двух молекул воды H₂O с образованием одной молекулы O₂, четырех положительно заряженных ионов водорода и четырех электронов. Итак, поскольку молекулы воды теряют электроны, можно сказать, что реакционный центр фотосинтеза — это единственное место в природе, где возможно окисление воды.

В 2011 году американский физик Марлан Скалли, в настоящее время профессор одновременно Техасского университета A & M и Принстона, совместно с коллегами из нескольких университетов США предложил интересный способ спроектировать гипотетическую квантовую тепловую машину таким образом, что предел КПД стандартной квантовой тепловой машины будет значительно превышен[184]. Для достижения такого результата необходимо использовать способность молекулярного шума ввести электрон в суперпозицию, когда он пребывает одновременно в двух энергетических состояниях. Когда такой электрон поглощает энергию фотона и переходит в возбужденное состояние, он продолжает сохранять суперпозицию двух энергий (энергии теперь становится больше). В этом случае вероятность того, что электрон вернется в свое изначальное состояние и потеряет энергию в виде растраченной теплоты, снижается благодаря квантовой когерентности его энергетических состояний, что напоминает пример с рисунком интерференции в эксперименте с двумя щелями, который мы описывали в главе 4. Как вы помните, некоторые положения на заднем экране, доступные атомам при одной открытой щели, становятся недоступными вследствие деструктивной интерференции при двух открытых щелях. В случае с нашим электроном аккуратное взаимодействие молекулярного шума и квантовой когерентности настраивает квантовую паровую машину так, чтобы снизить неэффективные растраты тепловой энергии и, следовательно, повысить квантовый предел Карно.

Но возможны ли такие тонкие настройки на квантовом уровне? Для этого нам придется проектировать и контролировать количество энергии и положение отдельных электронов, точно рассчитывать интерференцию, чтобы ускорить передачу энергии по продуктивным маршрутам и не допустить ее растрат. Придется также настраивать в квантовой среде молекулярный белый шум таким образом, чтобы возвращать в общий ритм выбившиеся электроны, но делать это нужно не слишком активно, поскольку электроны могут подхватить новые ритмы и когерентность будет утрачена. Так есть ли во Вселенной такое место, где мы могли бы обнаружить подобные тонкие настройки молекулярной упорядоченности, при которых бы наблюдались эффективные результаты квантовых явлений в мире частиц?

Статья Скалли 2011 года является теоретической работой. Никому еще не удалось построить квантовую паровую машину, которая обладала высоким КПД, преодолев предел Карно. Однако в 2013 году вышла еще одна статья авторства той же группы ученых, в которой был отражен любопытный факт, касающийся фотосинтетических реакционных центров[185]. Все они содержат не одну молекулу хлорофилла, способную приводить в движение возможную квантовую паровую машину, а пару молекул хлорофилла, названную учеными специальной парой.

Несмотря на то что молекулы хлорофилла в специальной паре являются идентичными, их окружают и удерживают в центре различные белки, что обусловливает их колебания на незначительно отличающихся частотах. Иными словами, они «звучат» немного не в тон. В более поздней статье Скалли и его коллеги отметили, что благодаря такой структуре фотосинтетический реакционный центр характеризуется точной молекулярной архитектурой, необходимой для его превращения в квантовую паровую машину. Исследователи показали, что специальная пара молекул хлорофилла настраивается на общий ритм и использует квантовую интерференцию, чтобы препятствовать переносу энергии по непродуктивным маршрутам, на которых высока вероятность ее растраты. В таком случае молекула-акцептор получит энергии на 18–27 % больше, чем предполагает предел, просчитанный математиком Карно более 200 лет назад. Может показаться, что это не такой уж большой показатель. Однако, если мы обратимся к прогнозам, согласно которым мировое потребление энергии вырастет с 2010 до 2040 года на 56 %, станет понятно, что разработка технологии, благодаря которой можно получить энергию сравнимых объемов, имеет стратегическое значение.

Этот удивительный результат является еще одним ярким примером того, что живые организмы, получающие жизненные силы из квантового мира, обладают способностями, которые отсутствуют у неодушевленных макроскопических объектов. Безусловно, для того, чтобы такой смелый проект осуществился, необходима квантовая когерентность. Однако совсем недавно, в июле 2014 года, команда ученых из Нидерландов, Швеции и России опубликовала сенсационные результаты. Они обнаружили квантовое биение в растительном фотосинтетическом реакционном центре II[186] и заявили, что эти центры функционируют как «квантовые световые ловушки»[187]. Не забывайте о том, что фотосинтетические реакционные центры появились между двумя и тремя миллиардами лет назад. Похоже на то, что на протяжении почти всей истории нашей планеты растения и бактерии пользовались встроенными квантовыми паровыми машинами (процесс настолько сложный и хитроумный, что нам еще очень далеко до его искусственного воспроизведения), чтобы передавать энергию углероду. Так была создана вся биомасса Земли, в которой сформировались бактерии, растения, динозавры и, разумеется, мы. На самом деле мы до сих пор пользуемся древнейшей квантовой энергией в виде энергетических ресурсов, которые греют наши дома, заводят машины и поддерживают всю современную промышленность. Невозможно переоценить преимущества, которые современные технологии человечества получают от древнейших природных технологий квантового мира.

Итак, в фотосинтезе шум, вероятно, используется как для повышения эффективности перемещения экситонов к реакционному центру, так и для захвата энергии солнечного света, как только он попадает в реакционный центр. Однако способность превратить молекулярный порок (шум) в квантовую добродетель присуща не только фотосинтезу. В 2013 году группа исследователей из Манчестерского университета под руководством Найджела Скраттона (об экспериментах, проведенных этой командой, связанных с туннелированием протона в ферментах, мы говорили в главе 3) заменила обычные атомы в ферменте на более тяжелые изотопы. В результате цепочки молекул белка потяжелели и стали совершать колебания (производить цветной шум) на разных частотах. Ученые обнаружили, что туннелирование протона и активность фермента в целом нарушены в ферменте с тяжелыми изотопами[188], из чего следует, что в обычном состоянии при наличии более легких атомов колебания белковой цепи способствуют эффективному туннелированию и активности фермента. Похожие результаты (в экспериментах с другими ферментами) были получены группой ученых под руководством Джудит Клинман из Калифорнийского университета[189]. Итак, молекулярный шум не только активно участвует в фотосинтезе, оказывая влияние на его протекание, но и, по всей видимости, играет важную роль в побуждении фермента к активности. Напомним, что ферменты являются движущими силами жизни, благодаря которым возможно существование любой отдельно взятой молекулы из тех, что содержатся в клетках всех живых организмов нашей планеты. Вполне вероятно, что ключевое значение для поддержания жизни на Земле имеют «приятные» молекулярные вибрации.

Жизнь на квантовом краю классической бури

Корабль на море. Буря, гром и молния.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Можно ли использовать результаты исследований квантовой биологии для создания новых технологий на основе жизни

Возможно, шторм не может поднять со дна затонувшее судно, однако это под силу людям. Изобретательный ум человека способен на гораздо большее, нежели случайные силы. В главе 9 мы говорили о том, насколько ничтожно мала вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо вдруг соберет «Боинг». А вот авиаинженеры умеют собирать самолеты. Можем ли мы подобным образом собрать жизнь? На страницах этой книги мы уже не раз упоминали о том, что никому еще не удалось создать жизнь из инертных химических веществ. Согласно известному высказыванию Ричарда Фейнмана, это означает, что мы пока не до конца поняли сущность явления жизни. Однако, возможно, новые открытия квантовой биологии могут обеспечить нас тем самым средством, с помощью которого нам удастся создать жизнь, — новой, революционной формой технологии, основанной на жизни.

Мы, разумеется, знакомы с подобными технологиями и всецело от них зависим, особенно в сфере сельского хозяйства и производства пищевых продуктов. Мы питаемся продуктами, которые являются результатом таких технологий: хлеб, сыр, пиво и вино получаются в результате переработки муки, молока, зерна и сока фруктов дрожжами и бактериями. Подобным образом весь современный мир пользуется неживыми результатами деятельности некогда живых клеток, такими, например, как ферменты, которые Мэри Швейцер использовала для расщепления кости динозавра. Похожие ферменты применяются для расщепления природных волокон и изготовления тканей. Кроме того, они входят в состав моющих и чистящих средств. Биотехнологическая и фармакологическая индустрия, в которую вложены миллионы долларов, выпускает сотни продуктов (в том числе антибиотики), защищающих нас от инфекций. В энергетической промышленности применяется способность бактерий превращать избыточную биомассу в биотопливо. Многие материалы, без которых невозможно представить современную жизнь, например древесина и бумага, некогда были живой материей, как и те топливные ресурсы, которыми мы обогреваем дома и заправляем автомобили. Даже в XXI веке мы всецело зависимы от тысячелетней технологии, основанной на жизни. Если у вас остаются какие-либо сомнения на этот счет, прочтите роман-антиутопию Кормака Маккарти «Дорога». В этой книге описывается суровый мир, в котором окажется человечество, беспечно уничтожившее технологии жизни.

Однако у существующих технологий жизни есть свои ограничения. Например, несмотря на невероятно высокую энергетическую эффективность некоторых стадий процесса фотосинтеза, о которых мы говорили выше, большинство из них эффективными не являются. В целом эффективность превращения солнечной энергии в химическую (это превращение мы применяем в сельском хозяйстве) очень невысока. Дело в том, что собственные планы растений и бактерий отличаются от тех планов, которые строим мы с вами. Например, они производят растения и семена — казалось бы, рутинная работа, не требующая особых энергетических затрат, но тем не менее невероятно важная для выживания этих организмов. Так, бактерии, участвующие в производстве антибиотиков, ферментов и лекарственных средств, также делают это весьма неэффективно, поскольку их собственная программа, опирающаяся на эволюцию, заставляет их тратить силы на «ненужную» деятельность, например на производство новых бактериальных клеток.

Можем ли мы создать жизнь, которая действовала бы по нашей программе? Разумеется, можем. Мы уже давно пользуемся результатом успешного одомашнивания человеком диких растений и животных: выращивание злаков и разведение домашнего скота тоже является технологией, основанной на жизни. Однако искусственный отбор, благодаря которому мы имеем растения с более крупными семенами и послушных животных, удобных для разведения, все же имеет свои рамки. Например, миллиарды долларов ежегодно тратятся на удобрения, восполняющие утрату почвой азота вследствие интенсивного использования ее в земледелии. Бобовые культуры, например горох, не нуждаются в азотных удобрениях, поскольку в их корнях живут бактерии, захватывающие необходимый растению азот прямо из воздуха. Эффективность сельского хозяйства значительно возросла бы, если бы мы сумели вывести и зерновые культуры, которые могли бы сами добывать себе азот из воздуха, как это делает гороховое растение. Однако пока злаки с таким полезным свойством вывести не удалось.

Тем не менее даже такое ограничение преодолимо, по крайней мере частично. Генетические манипуляции с растениями, бактериями и даже животными (генная инженерия) получили широкое распространение в конце XX века. В наши дни большую часть урожая основных сельскохозяйственных культур, например сои, мы получаем с генетически модифицированных растений, невосприимчивых к болезням и воздействию гербицидов. Современные ученые работают над внедрением в геном злаков генов, отвечающих за получение азота из воздуха. Современную биотехнологическую промышленность невозможно представить без генетически модифицированных бактерий, которые широко применяются для производства антибиотиков и других лекарственных препаратов.

И все же в этой сфере не обойтись без ограничений. Генная инженерия в основном занимается тем, что перемещает гены из одного вида живых организмов и растений в другой. Например, листья, но не зерна рисового растения содержат витамин A (бета-каротин), поэтому в одном из ведущих продуктов питания развивающихся стран мира едва ли найдется один из самых полезных витаминов. От витамина A зависит нормальное функционирование нашей иммунной системы и зрения. Его нехватка в самых бедных регионах планеты, где основным продуктом питания является рис, приводит к тому, что ежегодно в этих странах миллионы детей теряют зрение или умирают от инфекций. В 1990-х годах Питер Бейер из Фрайбургского университета и Инго Потрикус из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе внедрили в геном рисового растения два гена (один из генома нарцисса, другой — из бактерии), отвечающих за выработку витамина A, чтобы получить рис с высоким содержанием витамина A в зернах. Генетически модифицированный сорт «Золотой рис», как его назвал Бейер за золотисто-желтый цвет зерен, способен обеспечить детей развивающихся стран необходимым витамином A. Однако, несмотря на то что генная инженерия является довольно успешной технологией, она только начинает серьезные эксперименты с живой материей. Развивающаяся научная дисциплина — синтетическая биология — занимается разработкой революционных технологий на основе жизни, благодаря которым станет возможным появление новых ее форм.

Существует два взаимодополняющих подхода к синтетической биологии. О научном подходе «сверху вниз» мы уже упоминали, когда говорили о том, как известный генетик, пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер создал так называемую синтетическую жизнь, заменив геном бактерии микоплазмы синтетической копией того же генома. Замена генома живого организма сопровождалась незначительными изменениями в последовательности генов, и все же новый организм был настоящей бактерией микоплазмы: своим вмешательством ученые не сильно повлияли на биологию бактерии. В ближайшие годы Вентер и его команда планируют внести в геном синтетического организма радикальные изменения, однако согласно научному подходу «сверху вниз» эти изменения будут вводиться постепенно, шаг за шагом. Команда Вентера не создала новую жизнь — они лишь модифицировали одну из существующих ее форм.

Второй подход в синтетической биологии — принцип «снизу вверх» — является более радикальным. В рамках данного подхода ученые отдают предпочтения не модификации уже существующих живых организмов, а созданию новых форм жизни на основе инертных химических соединений. Многие посчитают подобные эксперименты опасными и даже кощунственными. Осуществимы ли такие проекты? Что ж, живые организмы вроде нас с вами — это удивительно сложно устроенные механизмы. Чтобы понять принципы их действия, как и в случае с любыми другими механизмами, необходимо провести инженерный анализ и так называемое обратное проектирование. Впоследствии можно использовать выявленные принципы для построения более совершенных механизмов.

Создание жизни по принципу «снизу вверх»

Сторонники принципа синтетической биологии «снизу вверх» мечтают о создании новых форм жизни, которые могли бы изменить наш мир. Например, одно из самых важных понятий для современной архитектуры — экоустойчивость: архитекторы проектируют экоустойчивые дома, офисы, заводы и целые города. И тем не менее, несмотря на то что современные здания и города часто характеризуются как «самодостаточные», их функционирование всецело зависит от усилий и навыков действительно самодостаточных существ — людей, способных поддерживать необходимые условия данных объектов: когда ветер срывает черепицу с крыши вашего дома, вы вызываете строителя, который забирается на крышу и покрывает ее новой черепицей; когда у вас протекает труба, вы вызываете сантехника; когда ломается ваш автомобиль, вы обращаетесь за помощью к механику. В сущности, человек до сих пор своими руками исправляет тот ущерб, который наносят его вещам, машинам, домам ветер, дождь и другие природные явления, в основе которых лежит знакомое нам хаотичное движение молекул, напоминающее движение беспорядочно сталкивающихся бильярдных шаров.

Жизнь устроена по-другому. Живые организмы способны поддерживать сами себя, обновляя, заменяя или «ремонтируя» поврежденные или изношенные ткани. До тех пор пока мы живы, мы действительно самодостаточны. Современная архитектура попыталась наделить многие знаковые здания, построенные в последние годы, определенными свойствами живых организмов. Например, башня Мэри-Экс, или «огурец», построенная в Лондоне в 2003 году по проекту Нормана Фостера, имеет уникальную поверхность из шестигранников, что позволяет небоскребу успешно выдерживать ветровые нагрузки. Такая особенность покрытия придает зданию сходство с морской губкой Euplectella aspergillum, известной также как цветочная корзиночка Венеры. Система кондиционирования воздуха, обеспечивающая вентиляцию и охлаждение здания Eastage Centre, построенного по проекту архитектора Мика Пирса в столице Зимбабве Хараре, устроена по принципу вентиляционной системы термитника. Рэйчел Армстронг, одна из руководителей исследовательской группы архитекторов AVATAR Гринвичского университета, придерживается еще более смелых взглядов — она считает возможным создание биометрической архитектуры и полностью самодостаточных зданий. Наряду с некоторыми другими архитекторами — мечтателями и единомышленниками, она увлечена идеей проектирования зданий из искусственно созданных живых клеток, которые будут способны сами поддерживать функционирование, устранять ущерб и самовоспроизводиться[190]. Подобные «живые» здания будут способны оценить степень ущерба, нанесенного им ветром, дождем или, скажем, наводнением, и, как любой живой организм, использовать внутренние ресурсы для самовосстановления.

Идеи Армстронг можно развить и подумать, как можно еще использовать свойства живых организмов в синтетической биологии. Материалы, созданные на основе жизни, можно использовать в протезировании, например в производстве искусственных конечностей и суставов, которые имели бы способность к самовосстановлению и защите самих себя от воздействия микробов, то есть обладали бы некоторыми важными свойствами живой ткани. Искусственные формы жизни можно было бы внедрять в человеческий организм, например, для поиска и уничтожения раковых клеток. Лекарственные препараты, топливо и продукты питания можно было бы создавать на основе синтетических форм жизни, не обремененных эволюционной историей. Можно также вполне серьезно говорить о будущем, в котором всю «черную» работу за людей будут выполнять живые роботы — андроиды. Они также могли бы заняться терраформированием Марса, созданием на красной планете условий для жизни людей, а также строительством космических кораблей, которые могли бы исследовать нашу Галактику.

Идеи создания синтетических форм жизни по принципу «снизу вверх» возникли еще в начале XX века, когда французский биолог Стефан Ледюк написал: «Подобно тому как синтетическая химия начиналась с искусственного создания простейших органических продуктов, синтетическая биология должна поначалу довольствоваться созданием форм, напоминающих низшие организмы»[191]. В главе 9 мы говорили о том, что даже современные «низшие организмы» — это сложнейшим образом организованные бактерии, состоящие из нескольких тысяч частей, которые невозможно синтезировать даже за очень длительный промежуток времени в рамках какого бы то ни было научного подхода. Жизнь, несомненно, начиналась с более простой формы, чем бактерия. Как мы уже говорили в этой главе, современные представления о нашем древнейшем предке связаны с молекулами самореплицирующейся ферментативной РНК (рибозимами) или белка, скопившимися в некоем пузырьке и таким образом сформировавшими простейшую клеточную структуру — протоклетку, способную к самовоспроизведению. Природа первых протоклеток, если они на самом деле существовали, остается полнейшей загадкой. Многие ученые полагают, что первые формы жизни сохранились в микроскопических порах древнейших пород (например, в горах Исуа, о которых мы говорили в главе 9), заполненных простыми биохимическими соединениями, способными поддерживать жизнь. Другие считают, что протоклетки представляли собой пузырьки или капельки биохимических соединений, связанных чем-то наподобие мембраны, плавающей в «первичном бульоне».

Большинство сторонников принципа «снизу вверх» черпают вдохновение из различных теорий происхождения жизни и пытаются создать живые протоклетки, способные выживать в искусственно созданном в лаборатории первичном океане. Возможно, простейший вариант такой протоклетки — пузырек или капелька масла в воде или, наоборот, воды в масле. Получить такую протоклетку несложно: вы и сами миллион раз ставили этот эксперимент, например заправляя салат маслом. Известно, что вода и масло не вступают в реакции, поэтому быстро отделяются друг от друга. Однако, если вы добавите к ним вещество, молекулы которого займут место между молекулами воды и масла (этим веществом — сурфактантом — может послужить, например, горчица), и хорошенько перемешаете все три компонента, у вас получится густая, однородная заправка для салата. На самом деле полученная смесь только на вид густая и однородная: в ее структуре сохраняются триллионы отдельных стабильных капелек масла.

Мартин Ханцик, профессор Университета Южной Дании, получил удивительно правдоподобные протоклетки из капель масла в воде, которые он стабилизировал при помощи синтетического компонента моющих средств. Его протоклетки имеют очень простую структуру и состоят в основном только из пяти соединений. Если соблюдать правильные пропорции, эти соединения самоорганизуются в маслянистые капельки. Химия таких капелек очень проста: подобные протоклетки приходят в движение благодаря конвекции (передаче тепла) и подобным химическим силам, благодаря которым масляные капельки объединяются в более крупные пузырьки. Они также характеризуются способностью к простейшей форме роста и самовоспроизведения. Протоклетки способны поглощать «сырье» из окружающей среды и распадаться на две части[192].

Сравнение протоклеток Ханцика с живыми клетками как бы вывернуто наизнанку: протоклетки характеризуются маслянистой внутренней средой, а окружает их водная среда. Большинство исследователей все же склоняются к созданию протоклеток с внутренней водной средой. Это позволит заполнить протоклетки готовыми биомолекулами, растворимыми в воде. Так, в ходе эксперимента, проведенного в 2005 году, генетик Джек Шостак заполнил протоклетки рибозимами РНК[193]. Как вы помните (из главы 9), рибозимы — это молекулы РНК, кодирующие генетическую информацию, как и ДНК, и обладающие ферментативной активностью. Команда ученых продемонстрировала, что заполненным рибозимами протоклеткам свойственна простейшая форма наследственности: они, как и протоклетки Ханцика, в конце концов распадаются на две протоклетки. В 2014 году группа исследователей под руководством Себастиана Лекоммандо (Университет Неймегена имени святого Радбода, Нидерланды) создала еще один вид протоклетки, многочисленные ячейки которой были заполнены ферментами, способными, как и живые клетки, поддерживать простейший метаболизм, передающийся от одной ячейки к другой[194].

Эти динамичные, химически активные протоклетки представляют собой удивительные, впечатляющие конструкты. Но являются ли они простейшей формой жизни? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо сформулировать рабочее определение жизни. На первый взгляд, в определении должен присутствовать один из очевидных признаков живой клетки — способность к саморепликации, однако в некоторых случаях он не является обязательным. Большинство клеток взрослого организма, например красные кровяные тельца или нервные клетки, не реплицируются, однако они, несомненно, являются живыми клетками. Более того, некоторые люди, состоящие из миллиарда клеток, например буддийские монахи или католические священники, не заботятся (в большинстве случаев) о самовоспроизведении и все же являются очень даже живыми организмами. Итак, саморепликация, безусловно, является необходимой способностью для длительного существования любого вида живых организмов, однако она не представляет собой обязательное свойство жизни.

О другом свойстве жизни, еще более фундаментальном, чем самовоспроизведение, мы уже говорили, когда упоминали биомиметический подход в современной архитектуре: самодостаточность. Жизнь способна сама поддерживать себя в «живом состоянии». Таким образом, нашим минимальным требованием к протоклетке, созданной в лабораторных условиях в рамках синтетического подхода «снизу вверх», будет способность поддерживать жизнь в бурной термодинамической среде — тогда протоклетку можно будет классифицировать как живую.

К сожалению, согласно такому упрощенному определению ни одно из существующих поколений искусственно полученных протоклеток нельзя отнести к формам жизни. Даже протоклетки, способные на некоторые чудеса вроде простейшей формы репликации (деление на две части), производят дочерние клетки, которые на самом деле не похожи на клетки старшего поколения: в них содержится гораздо меньше компонентов (рибозимов или ферментов), поэтому на дальнейших стадиях репликации эти компоненты в конце концов растрачиваются полностью. Подобным образом, несмотря на то что протоклетки, полученные группой под руководством Лекоммандо, способны поддерживать метаболизм, свойственный простейшим живым организмам, их нужно постоянно заполнять активными биомолекулами, без которых протоклетки теряют самодостаточность. Существующие поколения протоклеток, полученных в лабораторных условиях, напоминают механические часы с заводным механизмом: они способны сохранять химическую активность при поддержке готовых ферментов и субстратов, пока запасы этих поддерживающих веществ не иссякнут. Затем под воздействием хаотичных ударов окружающих молекул структура протоклеток постепенно разрушается, их поведение становится все более случайным и беспорядочным, и в конце концов они растворяются в окружающей их среде. Таким образом, искусственные протоклетки, в отличие от живых, не способны «заводить» собственный механизм жизни.

Возможно, в протоклетках отсутствует какой-то важный компонент? Синтетическая биология — очень молодая дисциплина. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия специалисты в этой области совершат немало новых открытий. В последней части нашей книги мы бы хотели поговорить о том, что квантовая механика может предоставить ту самую недостающую искру жизни, необходимую для того, чтобы искусственные формы жизни стали по-настоящему живыми. Создание синтетической жизни на основе квантовой механики могло бы предоставить человечеству не только революционно новые технологии и возможности, но и наконец дать подсказку, которая приведет нас к ответу на вопрос, который мы задавали на протяжении всей книги: что есть жизнь?

Мы, как и многие другие исследователи, считаем, что описание механизма жизни в рамках термодинамики является неполным, поскольку оно не учитывает способности живой материи управлять явлениями квантового мира. Мы уверены, что жизнь зависит от законов квантовой механики. Но правы ли мы? Как мы уже говорили, данное предположение едва ли возможно проверить с помощью современных технологий, поскольку мы не имеем возможности проникнуть в живую клетку так глубоко, чтобы отключать и снова включать действующий в ней квантовый механизм. Тем не менее мы выдвигаем гипотезу о том, что жизнь, естественная или искусственная, невозможна без тех таинственных свойств квантового мира, о которых мы говорили в этой книге. Единственный способ проверить нашу гипотезу заключается в том, чтобы создать синтетические формы жизни с квантовыми свойствами и, если это возможно, без них и проверить, какие из них являются более жизнеспособными.

Первичная квантовая протоклетка

Давайте представим, что нам необходимо создать простую живую клетку из неживой материи; возможно, это будет клетка, способная выполнять простые задачи, например найти себе пищу в своего рода «первичном море», также созданном в лабораторных условиях. Наша задача заключается в том, чтобы создать две такие модели. Одна клетка должна использовать таинственные свойства квантовой механики (назовем ее квантовой протоклеткой), а другая не будет их использовать (мы будем называть ее классической протоклеткой).

Хорошим отправным пунктом для обеих моделей могли бы стать протоклетки Себастиана Лекоммандо, состоящие из многочисленных ячеек, связанных мембранами. Мы можем использовать различные ячейки протоклетки для разграничения различных функций жизни. Затем мы должны обеспечить нашу протоклетку источником энергии — для этого мы будем использовать неограниченную энергию протонов — частиц солнечного света. Заполним одну из ячеек протоклетки молекулами пигмента и каркасного белка — таким образом мы получим одну из форм солнечной батареи, способной улавливать протоны и превращать их энергию в экситоны. Иными словами, мы получим искусственный хлоропласт. Однако беспорядочно перемешанные молекулы пигмента вряд ли смогут обеспечить высокоэффективную передачу энергии, которая характеризует процесс фотосинтеза. В подобной молекулярной неразберихе невозможно поддерживать квантовую когерентность, необходимую для эффективного переноса энергии. Чтобы получить квантовые биения, мы должны заставить молекулы пигмента двигаться так, чтобы когерентная волна прошла через всю систему клетки.

В 2013 году группе ученых из Чикагского университета под руководством Грега Энджела, пионера в области квантового фотосинтеза, удалось решить эту проблему, объединив молекулы в фиксированную группу с помощью химических связей. Как и в случае с комплексом FMO, в котором Энджел впервые обнаружил квантовые биения (см. главу 4), искусственно созданная система молекул пигмента также произвела когерентные квантовые биения, которые продолжались несколько десятков фемтосекунд, причем при комнатной температуре[195]. Итак, чтобы обеспечить солнечную батарею нашей квантовой протоклетки экситонами, чья эффективность будет зависеть от когерентности, мы заполним ее молекулами пигмента, связанными способом, предложенным Энджелом. Классическая протоклетка будет содержать те же пигменты, однако они будут располагаться в ней в случайном порядке, так что экситону придется с большим трудом прокладывать путь через всю систему. Таким образом мы смогли бы проверить, зависит эффективность продвижения экситона от фотосинтеза или нет.

Однако, как мы уже говорили, захват частиц света является только первой стадией фотосинтеза. Затем нам необходимо преобразовать нестабильную энергию экситона в стабильную химическую форму. Ученые уже добились результатов в этом направлении. После того как в 2013 году группа ученых под руководством Скалли опубликовала статью о том, что фотосинтетический реакционный центр является не чем иным, как квантовой паровой машиной, исследователи пришли к мысли о том, что биологические квантовые паровые машины могут стать образцом для создания более эффективных фоточувствительных клеток[196]. Позже в том же году ученые из Кембриджского университета, ухватившись за эту идею, создали подробную модель искусственной фоточувствительной клетки, которая должна функционировать как квантовая паровая машина[197]. Группа исследователей смоделировала искусственный реакционный центр из молекулы пигмента, связанной с другими молекулами способом Энджела, и показала, что при данном расположении молекул перенос экситона к молекуле-акцептору осуществляется с эффективностью, превышающей предел Карно, как и в эксперименте Скалли с естественным процессом фотосинтеза.

Итак, давайте представим, что наша квантовая солнечная батарея оснащена искусственным реакционным центром, устроенным по модели команды ученых из Кембриджа, который способен улавливать электроны высокой энергии в виде стабильной химической энергии. Мы снова создадим систему, которую будем противопоставлять классической фоточувствительной клетке, осуществляющей подобный перенос энергии без преодоления предела Карно. Захваченная клеткой энергия солнечного света может использоваться для создания сложных биомолекул, например молекул пигмента.

Однако, как и электроны, биосинтетические реакции нуждаются в дополнительном количестве энергии, которое в наших клетках (см. главу 3) обеспечивается клеточным дыханием. «Вдохновившись» дыханием, мы переместим несколько высокоэнергетических электронов в ячейку клетки, которая выполняет функцию электростанции. Здесь электроны туннелируют от одного фермента к другому, как и в естественной дыхательной цепи, и образуют АТФ — носитель молекулярной энергии клетки. Перед нами стоит новая задача: сконструировать в клетке дыхательный центр и оценить роль квантовой механики в этом важнейшем биологическом процессе.

Оснащенная источником электронов и дополнительной энергии, наша квантовая фоточувствительная клетка способна производить собственные биомолекулы. Однако для этого она нуждается в источнике сырья для биомолекул, а попросту — в пище. Итак, мы обеспечиваем нашу клетку таким источником — простым сахаром, а точнее, глюкозой, растворенной в нашем лабораторном «первичном океане» (среде, в которой пребывает наша клетка). Нам потребуется встроить в клетку работающие на энергии АТФ станции переработки сахара, закачивающие глюкозу в клетку и при помощи других ферментов, способных управлять отдельными атомами молекул глюкозы (здесь мы имеем дело уже с квантовой инженерией), образующие более сложные биомолекулы. Многие из этих ферментов обычно используют туннелирование электронов и протонов (об этом мы говорили в главе 3), однако наша задача снова будет заключаться в том, чтобы смоделировать два варианта клеток (один — с возможностью использовать свойства квантового мира, другой — без), чтобы проверить, действительно ли квантовая механика обеспечивает эти движущие силы жизни необходимой энергией.

Проектируя нашу квантовую протоклетку, мы должны будем предусмотреть еще одно ее свойство — способность укрощать разрушительные силы молекулярного шума, чтобы поддерживать квантовую когерентность. В настоящее время нам слишком мало известно о том, каким образом это удается живой клетке, поэтому мы едва ли способны искусственно создать клетку с таким свойством. Здесь могут быть задействованы многие факторы: например, известно, что избыточное количество молекул в среде живой клетки влияет на ход многих биохимических реакций[198], а также способствует сдерживанию разрушительного влияния молекулярного шума. Поэтому нам придется заполнить протоклетку биомолекулами практически «под завязку», чтобы создать подобие заполненной молекулами среды живой клетки в надежде, что это поможет направить силу термодинамических шквалов и порывов на поддержание квантовой когерентности.

И все же наша квантовая протоклетка представляет собой слишком капризное судно — на его борту заранее должны присутствовать все необходимые ферменты. Чтобы она обладала самодостаточностью, мы должны создать в одной из ее ячеек центр управления. В центр управления необходимо поместить геном из искусственно созданной ДНК, способной кодировать все необходимые клетке белки, а также механизм, превращающий код, основанный на квантовых протонах, в белки. Это напоминает эксперимент Крейга Вентера в рамках синтетического подхода «сверху вниз» с той лишь разницей, что наш геном будет встроен в неживую протоклетку. И последнее: мы могли бы обеспечить нашу протоклетку системой навигации. В этом случае протоклетка будет обладать молекулярным нюхом, способным определять расположение питательных веществ посредством обонятельного рецептора, действующего на основе квантовой запутанности (принцип действия обонятельного рецептора описан в главе 5), а также молекулярным мотором, который будет обеспечивать движение протоклетки по «первичному океану». Возможно, мы могли бы создать в клетке квантовую навигационную систему, которой обладает описанная нами в начале книги малиновка. Подобная система позволила бы протоклетке без труда ориентироваться в лабораторном «первичном океане».

Описанный нами проект представляет собой эпизод из области научной фантастики. Он не более реален, чем шекспировский Ариэль. В описании мы опустили огромное количество подробностей и, в целях простого и ясного изложения, не упомянули о многих других колоссально трудных задачах, с которыми сталкиваются ученые, берущиеся за проект на основе принципа «снизу вверх» синтетической биологии. Если бы какая-нибудь группа ученых и взялась за подобный проект, стало бы ясно, что невозможно запустить все необходимые процессы одновременно, как это предусматривает наш воображаемый алгоритм. Для начала в протоклетке необходимо обеспечить самый простой или самый понятный процесс, возможно фотосинтез. Этот первый шаг уже будет огромным достижением, а полученная протоклетка — идеальной моделью для исследования роли квантовой когерентности в процессе фотосинтеза. Если бы создание такой протоклетки было возможным, следующие этапы эксперимента заключались бы в усложнении ее строения. В конце концов, мы, возможно, могли бы получить синтезированную живую клетку. Мы предполагаем, что подобный проект осуществим при условии тесного сотрудничества синтетической биологии с квантовой механикой. Мы уверены, что механизм жизни не работает, если не имеет связи с квантовым миром.

Итак, если взяться за детальную разработку описанного нами проекта, возможно, в результате ученым удастся создать новую форму жизни, а значит, дать человечеству поистине революционную технологию — искусственную жизнь, функционирующую на краю квантового и видимого миров. Синтезированные живые клетки могли бы стать строительным материалом для экоустойчивых и самодостаточных «живых» зданий. Такие клетки могли бы выполнять задачи микрохирургов, внедряемых в организм человека для замены или восстановления поврежденных или изношенных тканей. Фантастические возможности квантовой биологии, которые мы рассмотрели в данной книге (фотосинтез и действие ферментов, квантовые обонятельные рецепторы и геномы, квантовые компасы и, возможно, даже квантовый мозг), могут однажды быть использованы для создания дивного нового мира синтезированных живых организмов, которые избавили бы своих создателей от рутинной работы по удовлетворению большинства потребностей.

Однако самое важное, на наш взгляд, заключается в следующем: возможность создать жизнь с нуля ответит наконец на главный вопрос биологии «Что есть жизнь?» и утверждение Фейнмана «Мы не понимаем того, чего не можем создать» больше не будет относиться к таинственному феномену жизни. Если нам удастся создать искусственную жизнь, мы наконец сможем утверждать, что понимаем жизнь и ее удивительную способность укрощать силы хаоса и плыть на всех парусах по узкому проливу — границе видимого и квантового миров.