Эксперименты в физических лабораториях обещают принести в нашу жизнь такие чудеса как квантовые компьютеры, высокоэффективные солнечные элементы, сверхскоростные и надежные поезда на магнитной подушке, – но пока все это отделено от нас глубоким вакуумом и сверхнизкими температурами, в пределах которых только и можно с уверенностью наблюдать квантово-механические явления. С этих позиций весьма удивительно, что в теплом и хаотичном мире живой материи квантовые явления играют важную роль и даже могут научить нас эксплуатировать капризные «кванты» за пределами лаборатории.
На первый взгляд, мир квантовых эффектов и мир живой материи никоим образом не пересекаются. Первый существует исключительно в субнанометровом масштабе под глубоким вакуумом и при сверхнизких температурах – в общем, в тщательно контролируемых лабораторных условиях. Жизнь же «заселяет» макроскопическую теплую область, наполненную всем чем угодно, но только не контролируемыми условиями. Любой физик скажет, что такое загадочное состояние как квантовая когерентность (и, тем более, квантовая сцепленность) не сможет просуществовать и секунды в постоянно движущейся среде живой клетки.
Ну а как же на второй взгляд? Исследования последних лет намекают на то, что природе известны приемы, которыми не владеют физики: когерентные квантовые процессы могут играть весьма заметную роль и в нашем, макроскопическом мире. Среди примеров – способность перелетных птиц к навигации с использованием линий магнитного поля Земли и тонкости работы фотосинтеза – одной из самых важных биохимических реакций на планете.
Постепенно осознавая роль квантовых эффектов в жизненных процессах, некоторые исследователи даже поговаривают о рождении новой дисциплины – квантовой биологии. Физики же интересуются возможными практическими выгодами «подглядывания» за биологией: «Хотелось бы научиться эксплуатировать квантовые явления так же эффективно, как это делает биология», – говорит Зет Ллойд (Seth Lloyd), физик из Массачусетского технологического института в Кембридже (США). – «Если бы удалось понять, каким образом чрезвычайно «капризные» квантовые состояния не разрушаются в живых организмах, это, может быть, приблизило бы нас к туманной пока перспективе квантовых компьютеров. Или научило делать солнечные батареи, намного более эффективные, чем сейчас».
Ученым давно известно, что в фотосинтезе существуют какие-то квантовые хитрости – ведь световой поток, состоящий из хаотично движущихся фотонов, перестает быть беспорядочным после поглощения квантов света молекулами-«антеннами», в бесчисленном множестве расположенными в фотосинтетических мембранах каждого зеленого листа и в бактериях, способных использовать световую энергию. Теперь поток энергии имеет строгую ориентацию – на реакционные центры, что позволяет эффективно запасать ее, конвертируя углекислый газ воздуха в сахарá.
Ещё с 1930-х годов было понятно, что такой перенос энергии следует описывать с помощью квантовой механики, одно из главных положений которой гласит, что элементарные частицы – такие, как электроны, – обладают одновременно и свойствами волны. Фотоны, поглощающиеся молекулами хлорофилла, исполняющего роль «антенн», порождают всплески возбуждения, передающиеся в виде квазичастиц экситонов, которые путешествуют в фотосинтетической мембране от одной «антенны» к другой, пока не попадут в реакционный центр, использующий их энергию по назначению. Но случайны ли их блуждания, как предполагалось ранее? Некоторые исследователи полагают, что экситоны могут быть когерентны в квантовом смысле, и тогда возбуждение можно представить в виде волны, которая сама находит оптимальный путь к реакционному центру. Другими словами, экситоны одновременно исследуют все возможные пути к реакционному центру, автоматически останавливаясь на самом эффективном.
Несколько лет назад были получены первые подтверждения этой гипотезы – две группы ученых в Беркли (Калифорния, США) с использованием лазерной техники показали наличие когерентности экситонов в фотосинтетических мембранах бактерий, хоть их и пришлось охладить для этого до температуры жидких газов. Впрочем, не заставляя никого долго ждать, в 2010 году эти же исследователи продемонстрировали тот же результат уже при комнатной температуре, окончательно подтвердив, что когерентность – это не лабораторный артефакт, а реально используемое природой явление. Чуть позже когерентность фотосинтетических мембран нашли уже не у бактерий, а у водорослей.
Однако каким же образом квантовая когерентность не разрушается при температурах, столь далеких от абсолютного нуля и условиях, ничуть не напоминающих вакуум? Физикам-экспериментаторам еще ни разу не удалось сконструировать квантовую систему, существующую в столь приближенных к «нормальным» условиях. Расчеты, проведенные Ллойдом и его коллегами, показали достаточно неожиданную вещь: «шум» окружения (являющийся следствием высокой температуры и общей подвижности системы) скорее увеличивает эффективность энергопереноса, чем снижает ее. «Подвижное окружение способствует дальнейшей передаче экситонов, не давая им застрять в чаще фотосинтетических антенн», – поясняет результаты расчетов Ллойд.
Фотосинтез – не единственный пример «макроскопического» процесса, где мир квантовой механики дает о себе знать. Многие ферментативные реакции осуществляются при помощи туннелирования, когда частица «просачивается» под энергетическим барьером вместо того, чтобы «штурмовать» его. А одна из дискуссионных теорий обоняния даже утверждает, запах – это чувствительность к молекулярным вибрациям, возникающим при туннелировании между молекулой этого запаха и обонятельным рецептором.
Не менее удивительное объяснение с помощью квантовых феноменов недавно получила издавна удивлявшая людей способность перелетных птиц ориентироваться в сторонах света, каким-то образом определяя направление линий магнитного поля Земли.
Уже известно, что действие этого «компаса» начинается с поглощения света сетчаткой птичьего глаза. По-видимому, за поглощением фотонов следует образование пары свободных радикалов – реакционноспособных молекул, несущих каждая по неспаренному электрону. Каждый из этих электронов обладает собственным магнитным моментом (спином), способным улавливать внешнее магнитное поле. По мере отдаления радикалов друг от друга, спин одного из них остается главным образом под действием близлежащего атомного ядра, а спин другого – «свободного» – ориентируется в поле Земли. Эта разница магнитных полей способна переводить радикалы в различные энергетические состояния, отличающиеся в том числе и химическими свойствами.
Основная гипотеза заключается в том, что какое-то соединение синтезируется при определенном расположении относительно линий поля, и не синтезируется – при другом. Различие концентраций, таким образом, отражает ориентацию магнитного поля Земли. Это предположение было проверено на искусственной фотохимической реакции с использованием магнитных полей, которые влияли на время жизни пары радикалов. Было высказано предположение, что два неспаренных электрона в этой паре, порожденные поглощением одного фотона, пребывают в состоянии квантовой сцепленности (или запутанности), при котором спины двух частиц остаются взаимосвязанными, какое бы расстояние не разделяло эти частицы. Квантовая сцепленность – чрезвычайно «капризное» состояние, очень легко разрушаемое любыми воздействиями извне, особенно при температурах, существенно превышающих абсолютный ноль. Однако расчеты показали, что в птичьем «компасе» этот феномен может оставаться устойчивым десятки микросекунд, что намного дольше того, что удается получить в лаборатории при аналогичной температуре.
Не исключено, что это «квантовое магнитное чувство» распространено и за пределами перелетных птиц, – ведь и у некоторых насекомых и растений также наблюдается магнитная чувствительность. Однако чтобы добыть доказательство тому, необходимо понять, какие именно молекулы участвуют в этом процессе и тщательно изучить их свойства в лаборатории.
Фотосинтезирующие организмы, несомненно, получают выгоду от квантовой когерентности в своих фотосистемах. Однако появилась ли способность использовать это явление в результате естественного отбора или же зафиксировалась случайно, как побочный эффект плотной упаковки антенных молекул? Точно это еще предстоит выяснить, но даже если речь идет о втором варианте, последствия «приручения» квантовой когерентности огромны: это позволяет эффективно концентрировать энергию солнца в направлении реакционных центров, не требуя при этом высокой упорядоченности передающей среды (антенного комплекса) и не завися от температуры.
Понимание того, как светособирающие комплексы достигают квантовой когерентности при комнатной температуре, может отразиться на судьбе всего человечества. Ни у кого не вызывает сомнения, что когда-нибудь неизбежно придется отказаться от сжигания минерального топлива и перейти к массовому использованию альтернативных источников энергии. Солнечный свет – самая заметная «дармовая» энергия на Земле, но человечество пока не научилось ее эффективно эксплуатировать. Существующие солнечные элементы слишком малоэффективны и слишком дороги, чтобы обеспечивать хоть сколько-нибудь заметный вклад в глобальную выработку энергии даже в отдаленной перспективе. Если же человек сумеет «приручить» квантовую когерентность, новое поколение фотонных систем (например, с антеннами на основе квантовых точек) станет основой электроэнергетики будущего.
Еще одной заманчивой перспективой являются квантовые вычисления. Давней мечтой физиков и инженеров является способность манипуляции данными, закодированными в квантовых битах (кубитах), являющихся, например, спиновым состоянием («вверх»/«вниз») электрона или атомного ядра. Вся экзотика квантовых вычислений в том, что кубиты одновременно принимают значения 0 и 1 (с определенной вероятностью). Если кубиты квантового компьютера, запрограммированные на квантовый алгоритм, «запутать» между собой, то, измерив состояние системы, мы мгновенно получим решение интересующей задачи. Проблема, однако, заключается в том, что квантовые состояния очень «хрупкие», и когерентность между даже всего двумя (!) кубитами не удается удержать дольше, чем в течение мизерных долей секунды. На данный момент квантовые алгоритмы на практике применяются лишь для таких сравнительно скромных задач как генератор случайных чисел или распределитель секретного ключа (в криптографии).
Однако, как мы уже убедились, биология обошла это препятствие: фотосинтетическая антенна является, по сути, квантовым компьютером, вычисляющим оптимальный путь передачи энергии до реакционного центра, причем – вычисляющим динамически. Тоже самое и с «квантовым компасом» птиц: если в деталях разобраться с тем, как работают эти системы, и квантовые компьютеры станут чем-то большим, чем просто зыбкими миражами за толстыми лабораторными стеклами.
Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать.
Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой – и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК – переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии.
Квантовое туннелирование
Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты – катализаторы реакций в клетке – используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.
Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности.
Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК – это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так.
Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание.
Квантовая когерентность
Фотосинтез – один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его.
При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.
Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация – изменение в структуре фотонного рецептора – происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют.
Квантовая запутанность
Запутанность – одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция – способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии».
Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние – то, как мы чувствуем запахи – может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки.
КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ – раздел биофизики, изучающий квантовые явления в биологических системах и применение квантовой механики для анализа биологических структур и их функций. Квантовая биология тесно связана с квантовой биохимией, фотобиологией и фотохимией.
Наиболее непосредственно квантовые закономерности проявляются в фотобиологических процессах, таких как зрение, фотосинтез, фотомутагенез, деструктивное и стимулирующее действие ультрафиолетового излучения, а также в явлениях фотолюминесценции, биолюминесценции, биохемилюминесценции. Квантовая биология рассматривает свойства переходов при возбуждении хромофоров светом, характеристики возбужденных состояний молекулы (энергии, длительность жизни и др.), определяющие их реакционноспособность, а также механизмы процессов, идущих с образованием свободных радикалов, разделением зарядов, и явления передачи (миграции) энергии между молекулами. Квантовая теория служит основой биоспектроскопии, объясняет оптические и спектроскопические характеристики молекул, их изменение в биологической структуре при межмолекулярных взаимодействиях, образовании комплексов, кристаллических упаковок и т.д.
Методами квантовой биологии изучают «темновые» биологические, процессы с целью анализа структуры и функции нуклеиновых кислот, белков, ферментов, макроэргических соединений и в особенности электронно-донорных и электронно-акцепторных свойств биомолекул, окислительно-восстановительных реакций, переноса заряда в растворе и сложноорганизованных структурах. Особый интерес представляет проблема полупроводниковых свойств биополимеров, агрегатов пигментов, мембран. Сделаны попытки объяснения фармакологической активности, канцерогенных и других свойств биологических соединений. Вместе с тем сложные биологические явления не могут быть сведены только к квантовомеханическим, а расчеты сложных процессов, протекающих в биологических системах, встречают принципиальные трудности. Тем не менее применение методов и подходов квантовой биологии несомненно обогатит и углубит понимание наиболее тонких механизмов биологических процессов.
Квантовый мир весьма странный. В теории, да и на практике, до определенной степени, принципы квантового мира требуют, чтобы частица могла оказываться в двух местах одновременно – это парадоксальное явление известно как суперпозиция – и чтобы две частицы могли «запутываться», обмениваясь информацией через сколь угодно большие расстояния. Как именно – никто не знает в точности. Самым известным примером странности квантового мира можно назвать кота Шрёдингера, мысленный эксперимент, проведенный Эрвином Шрёдингером в 1935 году.
Австрийский физик мысленно поместил кота в ящик с потенциально смертельным радиоактивным веществом. Странные законы квантовой механики позволяли коту существовать в суперпозиции двух состояний – одновременно живому и мертвому – по крайней мере, до тех пор, пока ящик не будет вскрыт и его содержимое – обнаружено.
При всей странности, эта концепция была экспериментально подтверждена бесчисленное количество раз в квантовых масштабах. Но при масштабировании до нашего, так сказать, более простого и понятного макроскопического мира, все меняется. Никто пока не видел звезду, планету или кота в суперпозиции или в состоянии квантовой запутанности. Но с тех пор, как квантовая теория была впервые сформулирована в начале 20 века, ученые задавались вопросом, где именно пересекаются микроскопический и макроскопический миры? Насколько большой может быть квантовая реальность и будет ли она когда-нибудь достаточно большой, чтобы ее самые странные аспекты можно было тесно увязать с живыми существами? В течение последних двух десятилетий появившаяся область квантовой биологии искала ответы на эти вопросы, предлагая и проводя эксперименты над живыми организмами, которые могли бы помочь нащупать пределы квантовой теории.
Эти эксперименты уже принесли интересные, но неубедительные результаты. Недавно, например, ученые показали, что процесс фотосинтеза – когда организмы производят пищу, используя свет – может включать некоторые квантовые эффекты. Навигация птиц или наше обоняние также говорят о том, что квантовые эффекты могут проявляться у живых существ самым необычным образом. Но это лишь самый кончик айсберга квантового мира. До сих пор никому не удавалось заставить целый живой организм – даже не одноклеточную бактерию – проявить квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция.
С микроскопической точки зрения жизнь – это длинная череда огромного количества параллельно протекающих атомных и электронных процессов. Но атомы и электроны подчиняются законам квантовой механики. Отсюда возникает совершенно естественный вопрос: не использует ли жизнь, хоть в каком-то своем проявлении, квантовые эффекты?
На тему квантовых эффектов в биологии надо говорить очень аккуратно. Во-первых, надо избегать переливания из пустого в порожнее. Квантовая механика ответственна за существование и свойства атомов и молекул, а значит, определяет и свойства вещества, как живого, так и неживого. Это – тривиальное приложение квантовой механики, и непосредственно к биологии оно не относится. Во-вторых, не следует впадать и в ничем не обоснованные фантазии. Существует достаточно много попыток разной степени маргинальности привязать квантовомеханические эффекты к наследственности, к биологической эволюции и даже к природе сознания. Эти предположения спекулятивны, и они сталкиваются со стеной критики, преодолеть которую не могут.
Однако между этими двумя крайностями есть и настоящие научные вопросы. Существуют ли биологически важные молекулы или их крупные комплексы, которые реально используют нетривиальные, «негарантированные» квантовые эффекты для выполнения своих функций? «Негарантированные» они в том смысле, что они не определяются свойствами отдельных атомов, а возникают только в сложных молекулах специального вида; что их биологический эффект невозможно объяснить во всех деталях без привлечения квантовой механики.
Несколько десятилетий назад это были спорные вопросы. Сейчас мы уже знаем ответ: да, существуют, и такие молекулы реально работают в живых организмах. Этих примеров пока не так много, но тот факт, что они есть, во-первых, впечатляет сам по себе, а во-вторых, может оказаться очень полезным для разработки новых, еще более эффективных технологий.
Новое развивающееся поле науки – квантовая биология – обещает открыть нам глаза на многие квантовые процессы в природе, происходящие не только в лаборатории, и даже рассказать, как птицы могут перемещаться с помощью магнитного поля Земли.
В любом случае квантовая биология – молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области.
|
