Что такое жизнь? Различные аспекты этого труднейшего вопроса относятся к областям физики и химии, математики и кибернетики, биологии и философии. Классический образец подхода физика демонстрирует книга основоположника квантовой механики Э. Шредингера «Что такое жизнь?» Обсуждая возможные наименьшие размеры живых существ, Шредингер устанавливает важный для теоретической биологии результат. Оказывается, имеется определенная граница, предел для миниатюризации живых систем. Априори жизнь невозможна на атомарном («одноатомарном») уровне, поскольку действие квантово-механических флуктуации в этом случае почти немедленно разрушает необходимую для жизнедеятельности укладку атомов.- Иное дело макромолекулы, собранные в огромных ансамблях внутри клеток: здесь вступает в силу закон больших чисел, и усредненное по ансамблю поведение молекул согласуется с законами классической механики.
Однако при более придирчивом рассмотрении оказывается, что не так все легко и просто. «Организм контролируется в высшей степени хорошо, упорядоченной труппой атомов, которая составляет только очень незначительную часть общей массы каждой клетки. Более того, ...перемещение всего лишь немногих атомов внутри ...зародышевой клетки достаточно для того, чтобы вызвать весьма определенное изменение наследственных признаков большого масштаба». Почему флуктуации не действуют на эти небольшие группы атомов?
Другой подход к данной проблеме связан с деятельностью Дж. фон Неймана, создателя фундаментального труда «Математические основания квантовой механики» (1933 г.). Вскоре после завершения работы над книгой Нейман приступил к анализу взаимосвязи между квантовым поведением молекулярных систем и строгим наследованием генетических признаков. Нейман вводит принцип дублирования как способ построения надежных систем из «ненадежных» элементов (частным случаем которых могут быть подчиняющиеся законам квантовой механики группы атомов и молекул). Новые идеи послужили основой общей теории автоматов и привели к построению в 1952 г. первой электронной вычислительной машины. Однако преждевременная смерть помешала Нейману закончить второй капитальный труд — «Теорию самовоспроизводящихся автоматов».
Hаботу Неймана завершили и издали его ученики — радиоинженеры, придав ей более узкую, «машинную» направленность. Как бы в ответ на готовящееся издание (фактически вышедшее несколькими годами позже) в 1961 г. публикуется работа крупнейшего авторитета в области квантовой механики Е. Вигнера под названием «Вероятность существования самовоспроизводящейся системы». Строгие вычисления позволили Вигнеру утверждать, что такая вероятность равна пулю, - вопреки очевидному факту самовоспроизведения одно- и многоклеточных организмов, подходящих под определение неймановского самовоспроизводящегося и самопрограммирующегося автомата.
Доказательство Вигнера основано на известной теореме о «расплывании» волновых пакетов. Наличие строгого самовоспроизведения означало бы принципиальную возможность существования «нерасплывающихся» волновых пакетов, что противоречит основным положениям квантовой механики.
Негативный результат, полученный Вигнером, привел некоторых биофизиков к неконструктивному предположению, что жизнь существует вечно в форме особой, пронизывающей космос Панспермии. Другие полагают, что Вигнер просто «ошибался» так как не учитывал способности биополимеров (нуклеиновых кислот) играть роль биосинтетических матриц». Подчеркивается, что живой организм — открытая неравновесная система, в которой может накапливаться информация за счет оттока энтропии за пределы организма. Последнее возможно в связи с существованием так называемой параметрической неустойчивости квантово-механических систем.
Для построения молекулярной теории самовоспроизводящегося автомата важное значение может иметь связь между скоростью диффузии в среде и скоростью расплывания волнового пакета. Известный физик Ф. Андерсон показал, что скорость расплывания пропорциональна скорости диффузии. Но из независимых теоретических и экспериментальных данных известно, что диффузия в критической точке замедляется, следовательно, может замедляться и рассасывание информационных атомных структур. Таким образом, намечается некая связь между одной из центральных проблем биологии — передачей наследственной информации — и физическим поведением расслаивающихся систем вблизи критических точек.