Происхождение жизни и квантовая физика Вселенной

Если разобрать человека на базовые молекулы и выставить их на открытые торги, выручить удастся от силы пару рублей. Внутри нас нет никакой редкой или магической материи. Настоящая ценность биологии заключается не в химическом «железе», а в программном обеспечении — сложнейшем коде, который природа написала миллиарды лет назад.

Теоретический физик и космолог Пол Дэвис, директор Центра фундаментальных концепций науки при Университете штата Аризона и автор книг «Что гложет Вселенную?» и «Демон в машине», утверждает, что наука отлично справляется с историей возникновения космоса. Однако появление сознания всё ещё ставит нас в тупик: мы даже не знаем, как правильно сформулировать вопрос. А вот происхождение жизни — это таинственная, но вполне решаемая задача, к ответу на которую исследователи могут приблизиться уже в ближайшие десятилетия.

Химия в поисках программного кода

Попытки отделить живое от неживого преследуют философию тысячелетиями. Аристотель, например, наделял неким подобием цели всю материю Вселенной: по его логике, брошенный камень падал не из-за гравитации, а потому что стремился к своему естественному месту на земле. Позже возник витализм — концепция, согласно которой для «оживления» материи нужна некая внешняя сила, жизненный порыв (élan vital). К счастью, подобные идеи были окончательно дискредитированы, когда наука стала опираться на физику и химию.

Чарльз Дарвин блестяще объяснил, как организмы эволюционировали на протяжении миллиардов лет, но благоразумно обходил стороной момент самого старта. Он считал, что рассуждать о зарождении жизни в его время — всё равно что пытаться объяснить происхождение самой материи.

К 1920-м годам интерес к химическому пути возникновения биологии начал расти, а в начале 1950-х годов Гарольд Юри и Стэнли Миллер провели свой знаменитый эксперимент. Они поместили смесь газов ранней атмосферы в колбу, пропустили через неё электрические разряды и получили коричневую слизь, содержащую аминокислоты — строительные блоки белков. Это был важный шаг, но он касался исключительно «аппаратной» части.

Один из создателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер в своей книге «Что такое жизнь?» заложил совершенно иной фундамент. Он понял, что ключ к биологии кроется в информации. Шрёдингер предложил красивую метафору: эта информация должна храниться в «апериодическом кристалле». Обычный кристалл соли стабилен, но слишком прост, чтобы нести сложный код. Апериодический кристалл должен был обладать стабильностью, но при этом допускать бесконечное число комбинаций своих элементов. Позже Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон доказали, что таким кристаллом является молекула ДНК.

Жизнь — это не просто набор битов. Если взять геном бактерии, перемешать в нём базовые пары и вернуть обратно, бактерия погибнет. Объем информации останется прежним, но она потеряет смысл. Это как взять слова из осмысленной книги и расставить их в случайном порядке. Главная загадка заключается в том, как именно химические молекулы научились писать свой собственный осмысленный компьютерный код.

Демоны внутри нас и законы термодинамики

Физик Рольф Ландауэр однажды произнёс фразу, ставшую манифестом: «Информация физична». Она не может парить в эфире, ей всегда нужен материальный носитель. При этом законы физики — это жесткие математические отношения, которые действуют локально. Чтобы понять биологию, нужно объединить их с глобальной организацией системы. Это похоже на компьютерные шахматы: фигуры на экране двигаются по правилам игры, но глубоко в микросхемах процессора при этом не происходит никакого конфликта между правилами шахмат и законами физики.

Многие ошибочно полагают, что жизнь нарушает второе начало термодинамики, создавая порядок из хаоса. Однако организмы — это открытые системы. Мы поддерживаем свой внутренний порядок, поедая пищу и разрушая её, тем самым экспортируя хаос в окружающую среду. С точки зрения физики обычный кухонный холодильник делает то же самое: он выкачивает тепло из холодной камеры в тёплую кухню вопреки естественному тренду, просто потому, что вы оплачиваете счета за электричество.

Один из основателей термодинамики Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент с крошечным демоном. Если бы этот демон стоял у отверстия между двумя резервуарами с газом и пропускал только быстрые молекулы в одну сторону, он смог бы создать разность температур из ничего, используя лишь информацию о скорости молекул. Но природа открыла демонов Максвелла миллиарды лет назад. Наши клетки под завязку набиты крошечными молекулярными насосами, рычагами и двигателями, которые балансируют на грани термодинамических лимитов, используя информацию как топливо.

Черви с двумя головами и диктатура генома

Сводить всё управление организмом исключительно к ДНК было бы ошибкой. Информация хранится не только в генетическом коде, но и в том, как этот код упакован и как гены включают или выключают друг друга. Этот уровень называется эпигенетическим.

В биологии долгое время шёл спор между эволюцией Дарвина и идеями Жана-Батиста Ламарка, который считал, что приобретённые при жизни признаки могут передаваться потомкам. У жирафа, тянущего шею за листьями, родятся жирафята с длинными шеями. Идея казалась несостоятельной (от кузнеца не рождаются младенцы с огромными бицепсами), однако сегодня эпигенетическое наследование вновь вызывает жаркие дискуссии. Появляются свидетельства, что стресс или определённый жизненный опыт мышей-отцов может влиять на развитие потомства через химические изменения, передаваемые со сперматозоидами.

Особенно ярко ограниченность сугубо генетического подхода демонстрируют эксперименты Майкла Левина из Университета Тафтса над планариями. Если разрезать этого плоского червя пополам, у одной половины вырастет хвост, а у другой — голова. Левину удалось химически заставить обрезки вырастать в двухголовых червей. Но самое поразительное происходит дальше: если разрезать уже двухголового червя, он не вернётся к природной форме. Обе половины сформируют новых двухголовых червей. У них абсолютно идентичная с обычными планариями ДНК, но их морфология диктуется информацией, которая хранится где-то ещё — возможно, в электрических или химических градиентах тканей.

Жизнь на задворках Солнечной системы

Поиск второй точки зарождения биологии кардинально изменит наше понимание Вселенной. Раньше считалось, что жизнь — это невероятная химическая аномалия, случившаяся лишь однажды. Сегодня, когда на Земле открыты экстремофилы, выживающие при температуре выше 50–60 градусов Цельсия, в токсичных и соленых средах, учёные заговорили о том, что космос должен кишеть обитателями.

Особое внимание приковано к ледяным лунам — Европе и Энцеладу. Космический аппарат «Кассини» пролетал сквозь шлейф гейзеров Энцелада и зафиксировал там сложные органические соединения. Но органика не означает жизнь. Чтобы найти истину, нам нужен некий «измеритель жизни» или даже «измеритель смерти» — прибор, способный отличить активный метаболизм от мертвых остатков или от сложной, но всё ещё неживой пребиотической химии.

Если отправить такой прибор на Титан, спутник Сатурна с атмосферой из фотохимического смога, он мог бы показать, что местная химия прошла «93% пути до биологии». Проблема в том, что мы не знаем, что такое «почти жизнь». Ричард Докинз сравнивал эволюцию с постепенным подъёмом на «гору Невероятности». Но был ли путь от химии к первым клеткам таким же плавным, или это произошло скачкообразно, как фазовый переход газа в пламя?

Возможно, вторая линия эволюции находится прямо у нас под носом. Гипотеза «теневой биосферы» предполагает, что на Земле жизнь могла зарождаться несколько раз. Микробы из совершенно другой ветви генезиса могут жить рядом с нами, но мы их не замечаем, потому что наши приборы настроены исключительно на поиск привычной нам биохимии.

Если же мы когда-нибудь установим контакт с внеземным разумом, это вряд ли будут существа из плоти и крови. Дарвиновский интеллект эволюционирует мучительно медленно. Цивилизация, обогнавшая нас в развитии, неминуемо переложит интеллектуальные задачи на спроектированные системы (искусственный интеллект). В какой-то момент эти системы начнут проектировать следующие поколения, сливаясь с квантовыми вычислениями. То, с чем мы можем столкнуться на просторах космоса, будет представлять собой всемогущий Q-AI (квантовый искусственный интеллект) — сущность с богоподобными возможностями, способную одновременно исследовать все вероятные альтернативы мироздания.

Загадка Златовласки и квантовая петля

Глядя на Вселенную глазами физика, Пол Дэвис обращает внимание на так называемый антропный принцип. Законы природы выглядят подозрительно идеально настроенными для нашего существования. Сделайте гравитацию чуть сильнее или электроны чуть тяжелее — и биология станет невозможной. Космос заполнился бы исключительно водородом или нейтронами, не оставив шанса углероду, дающему нам жизнь.

Эту тонкую настройку называют «Загадкой Златовласки»: всё подобрано «в самый раз». У науки есть три традиционных ответа на этот парадокс:

1. Абсолютная случайность (нам просто повезло).
2. Наличие замысла или Создателя.
3. Мультивселенная (существует бесконечное число миров с разными законами, и мы просто живём в том, где возникновение наблюдателей физически возможно).

Но Дэвис предлагает четвёртый путь. Что, если законы физики не высечены в камне с момента Большого взрыва, а обладают некой квантовой гибкостью?

Около тридцати лет назад физик Джон Уилер предложил квантовый эксперимент с отложенным выбором. Он доказал, что решения, принимаемые экспериментатором в настоящем, могут определять состояние фотона (волна или частица) в прошлом. Квантовая неопределённость окутывает само прошлое, делая историю двусмысленной, пока её не измерят.

Дэвис развивает эту мысль до невероятных масштабов. Если разумные наблюдатели своими измерениями способны фиксировать квантовое состояние реальности, возможно, существует колоссальная петля обратной связи. Жизнь и Вселенная могут быть частью единого петлевого цикла существования, где появление сознания помогает зафиксировать те самые законы физики, которые сделали это сознание возможным.

В конечном итоге, тайна нашего происхождения выходит далеко за пределы удачного намешанного химического бульона и статистического везения. Если гипотеза Пола Дэвиса и Джона Уилера о квантовой петле обратной связи верна, то мы — не случайные пассажиры в равнодушном космосе и не аномальный побочный эффект Большого взрыва. Жизнь, однажды научившись писать свой собственнный информационный код, становится полноправным соавтором реальности. Через парадоксальную гибкость квантового времени сама Вселенная обретает окончательную форму и фиксирует свои математические законы лишь тогда, когда в ней просыпается наблюдатель, способный поднять голову к звездам и задать вопрос о собственном существовании.

Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен

FAQ: Часто задаваемые вопросы

Источник: Davies, Paul. What’s Eating the Universe? And Other Cosmic Questions

Читайте также: Квантовая физика сознания и математика внутренней тишины