Квантовые аспекты функционирования биологических структур

                КВАНТОВЫЕ АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР




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








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

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


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

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

ISBN 978-5-91559-100-3

ISBN 978-1-84816-267-9 (англ.)

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

        ОГЛАВЛЕНИЕ















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

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

—I Оглавление

Глава 3

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

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

Оглавление —I 5

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

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

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

—I Оглавление

Глава 7

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

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

Оглавление J\r 7

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

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

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

-Ц, Оглавление

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

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

ГЛАВА

1

 КВАНТОВОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ?





Пол Ч.В. Дэвис




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

¹⁰ -V

Глава 1. Квантовое происхождение жизни?

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