Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Недавно в команду Шультена пришел работать талантливый аспирант Торстен Ритц. Еще будучи студентом Франкфуртского университета, Ритц посещал лекции Шультена. На одной из них он услышал о птичьем магнитном компасе и очень заинтересовался этой гипотезой. После окончания университета он не упустил возможность писать диссертацию на получение докторской степени именно в лаборатории Шультена. Сначала его работа была связана с фотосинтезом. Когда началась вся эта история с криптохромом, Ритц переключился на исследования магниторецепции. В 2000 году он в соавторстве с Шультеном написал статью под названием «Модель магниторецепции птиц, основанной на фоторецепторе», в которой описывалось, каким образом криптохром может снабдить глаз птицы квантовым компасом (более подробно мы рассмотрим этот вопрос в главе 6). Четыре года спустя Ритц совместно с супругами Вильчко провел исследование с участием европейских малиновок, в ходе которого были получены первые доказательства использования птицами механизма квантовой запутанности в целях успешной навигации. Казалось, Шультен был прав с самого начала. Их статья 2004 года, опубликованная в авторитетнейшем журнале Nature (издается в Великобритании), вызвала огромный интерес ученых всего мира, а птичий квантовый компас стал символом новой научной дисциплины — квантовой биологии (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Участники симпозиума по квантовой биологии (Суррей, 2012), слева направо: авторы данной книги Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден; Влатко Ведрал, Грег Энгель, Найджел Скраттон, Торстен Ритц, Пол Дэвис, Дженнифер Брукс и Грег Скоулз

Итак, вы уже знаете, что квантовое туннелирование и квантовая суперпозиция — явления, которые происходят как внутри Солнца, так и в технических устройствах, например в электронном микроскопе или МР-томографе. Так что же удивительного в том, что квантовые явления могут происходить и в биологии? Биология, если уж на то пошло, представляет своего рода прикладную химию, а химию можно считать разновидностью прикладной физики. А если докапываться до глубин и основ, не является ли все вокруг, включая нас с вами и всех живых существ, сплошной физикой? На этот аргумент ссылаются многие ученые, считающие, что квантовую механику необходимо внедрять в биологию на очень глубоком уровне. При этом они настаивают, что ее роль в биологии ничтожно мала. Под этим они подразумевают следующее: поскольку законы квантовой механики управляют поведением атомов, а биология в конечном счете и есть не что иное, как взаимодействие атомов, то они же — законы квантового мира — должны действовать и на нижележащих уровнях организации жизни, изучаемых биологией. Однако эти законы действуют лишь в тех пределах, в которых они не оказывают значительного влияния на процессы жизнедеятельности, характерные для более высоких уровней организации жизни.

Разумеется, эти ученые правы лишь отчасти. Биомолекулы (например, молекулы ДНК или ферментов) состоят из таких элементарных частиц, как протоны и электроны, взаимодействие которых регулируется законами квантовой механики. Но, с другой стороны, из тех же частиц состоит и книга, которую вы читаете, и стул, на котором вы сидите. Наконец, и то, как вы ходите, говорите, едите или спите, зависит от тех же квантовых сил, которые управляют поведением электронов, протонов и других частиц, не говоря уже о том, что от квантовой механики напрямую зависит функционирование вашей машины или тостера. По большому счету, вам не обязательно знать обо всем этом. Автомеханики не должны посещать лекции и сдавать экзамен по квантовой механике, а в большинстве университетских курсов по биологии не упоминаются ни туннельный эффект, ни квантовая запутанность, ни суперпозиция. Люди прекрасно живут, ничего не зная о том, что в квантовом мире действуют законы, кардинально отличающиеся от привычных законов окружающего нас мира. Те квантовые странности, которыми наполнен микромир, никак не отражаются на функционировании машин или тостеров — видимых предметов, которыми мы пользуемся каждый день.

Почему не отражаются? Да, футбольные мячи не летают сквозь стены, между людьми не существует мистических связей на расстоянии (если не считать выдумки о телепатии) и, к большому сожалению, вы не можете одновременно находиться и в офисе, и дома. Но ведь элементарные частицы, находящиеся внутри футбольного мяча или человека, могут творить все эти чудеса. Почему же существует рубеж, непереходимая граница между видимым миром и тем миром, который, согласно утверждениям физиков, кроется за пределами видимого? Это одна из самых глубоких проблем в современной физике, и связана она с явлением квантовых измерений, о которых мы говорили выше. Когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором (например, с поляризованной линзой, как в эксперименте Аспе), она теряет чудесные квантовые свойства и начинает вести себя как объект классической механики. Но измерения, проводимые физиками, не могут обусловливать проявления видимого, окружающего нас мира больших объектов. Что же тогда заставляет объекты отказываться от квантового поведения за пределами физической лаборатории?

Ответ на этот вопрос связан с тем, как организованы частицы в атомах и как они движутся внутри больших (макроскопических) объектов. Внутри твердых тел атомы и молекулы обычно распределены беспорядочно и совершают неравномерные колебания около собственных состояний равновесия; внутри жидкости или газа атомы и молекулы постоянно находятся в состоянии беспорядочного движения. Эти факторы — беспорядочное распределение, колебание и движение — обусловливают быструю утрату частицами их волновых квантовых свойств. Иными словами, совокупность внутренних факторов и без физиков совершает «квантовое измерение» каждой из частиц, из которых состоит какое-либо вещество, заставляя их менять свое поведение и придавая миру, который нас окружает, привычные формы и краски. Чтобы увидеть квантовые чудеса частиц, вам нужно оказаться в очень необычном месте (например, внутри Солнца), заглянуть в самые глубины микромира (с помощью таких приборов, как электронный микроскоп) или аккуратно выставить в одну линию квантовые частицы так, чтобы они прошлись у вас перед глазами стройным маршем (как это делают спины ядер водорода внутри вашего тела, когда вы лежите внутри МР-томографа, пока не выключат магниты и ориентация спина ядра снова не станет случайной, вновь нейтрализуя квантовые связи). Благодаря подобной молекулярной рандомизации мы и можем обходиться без квантовой механики большую часть времени: квантовые чудеса не работают внутри окружающих нас видимых объектов, которые состоят из случайно ориентированных молекул, находящихся в постоянном движении.

Большую часть времени… но не всегда. Шультен обнаружил, что скорость быстрой триплетной химической реакции находит объяснение только в том случае, если обратиться к удивительному квантовому свойству запутанности. Но ведь быстрая триплетная реакция всегда является такой — быстрой. А участвует в ней всего только пара молекул. Если бы эта реакция была причиной поразительных навигационных способностей малиновки, она бы оказывала продолжительное воздействие на весь организм птицы. Поэтому утверждение, что внутренний птичий магнитный компас работает на основе квантовой запутанности, находилось на совершенно ином уровне по сравнению с утверждением о том, что запутанность каким-то образом связана с некой замысловатой химической реакцией, в которой участвует только пара частиц. Но и это утверждение было встречено немалым скептицизмом. Считалось, что живые клетки состоят в основном из воды и биомолекул, которые находятся в состоянии возбуждения, что приводит к постоянному измерению их состояния и утрате странных квантовых свойств. Под словом «измерение» мы, разумеется, не подразумеваем того, что молекулы воды или биомолекулы выполняют измерения подобно тому, как мы измеряем вес или температуру объекта, а затем записываем эти показатели на бумагу или на жесткий диск компьютера либо просто запоминаем их. Мы говорим о том, что происходит, когда молекула воды сталкивается с одной из запутанных частиц: ее последующее движение будет зависеть от состояния этой частицы. Если бы вы исследовали движение молекулы воды после столкновения с частицей, вы бы смогли сделать вывод о некоторых свойствах этой частицы. Поэтому в каком-то смысле молекула воды выполнила экспериментальное «измерение», поскольку ее движение фиксирует состояние запутанной пары частиц независимо от того, существует ли наблюдатель их столкновения. Даже подобное случайное измерение обычно приводит к нарушению состояния запутанности. Вот почему утверждение о том, что частицы способны сохранять настолько тонко организованные квантовые состояния запутанности в теплом пространстве сложно устроенных живых клеток, принималось многими за нелепую идею, граничащую с безумием.