Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология.
«Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял». © Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики
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 (см. картинку).
Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson
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.
Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili
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».
Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li
Что же дальше?
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.
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.
