Что интересного происходит в науке. Квантовая биология
Танец электронов в живой материи
А.Л.Чижевский уже в 1917 году считал, что электроны играют важную роль в процессах внутри живой клетки. Позже он писал, что из квантовой физики и квантовой химии должна будет в итоге родиться квантовая биология и медицина. Джим Эль-Хулили рассказывает, что происходит в квантовой биологии сегодня.
Сегодня я бы хотел поговорить о перспективной области науки, области спорной, но чрезвычайно интересной и, безусловно, стремительно развивающейся. Квантовая биология пытается ответить на вопрос: могут ли законы квантовой механики этой удивительной теории о поведении субатомных частиц, атомов и молекул, лежащей в основе многих направлений современной физики и химии, действовать также внутри живой клетки? Говоря иначе, происходят ли в живых организмах такие явления, которые можно было бы объяснить только с помощью квантовой механики?
Итак, квантовая биология не новое направление. Она возникла в начале 30-х. И лишь недавно в ходе экспериментов с применением спектроскопии было доказано, что некоторые явления объясняются с помощью квантовой механики. Квантовая биология интересует квантовых физиков, биохимиков, молекулярных биологов — эта область объединяет много дисциплин. Я занимаюсь квантовой физикой, я физик-ядерщик. Мне потребовалось более 30 лет, чтобы освоить принципы квантовой механики.
Один из основателей квантовой механики, Нильс Бор, сказал: «Если она не потрясла тебя — ты её ещё не понял». Так что я рад, что она до сих пор восхищает меня. Это здорово. Я исследую мельчайшие частицы во Вселенной, кирпичики реального. Чтобы представить себе размеры изучаемого, давайте возьмём, к примеру, теннисный мяч. Затем представим предметы меньшего размера: игольное ушко, клетку, бактерию, фермент, — это и будет мир размера «нано».
Вероятно, слово «нанотехнологии» вам о чём-нибудь говорит. Нанометр — миллиардная часть метра. Моя область исследований — ядро, крохотная точка внутри атома. Оно ещё меньшего размера. Таков предмет изучения квантовой механики, физики и химики давно пытаютсяпривыкнуть к этому. Биологам, по-моему, ещё повезло. Они не нарадуются на палочки-шарики пластиковых моделей молекул.
Шар представляет собой атом, а палочка — связь между атомами. И если они не могут построить модель в лаборатории, то сегодня в их распоряжении мощные компьютеры для создания модели молекул. Вы видите модель белка, состоящего из 100 000 атомов. Чтобы объяснить его свойства, не требуются уравнения квантовой теории. Квантовая механика зародилась в 1920-х. Это теория точных и ёмких математических уравнений, которые описывают явления микромира. И этот мир не похож на нашу обыденную реальность, состоящую из триллионов атомов. Это мир, балансирующий между возможностью и вероятностью. Мир неопределённости. Это мир фантомов, где частицы могут вести себя, как волны.
Если учесть, что квантовая механика, или квантовая физика, объясняет основополагающие явления реальности вообще, логично предположить, что квантовая физика объясняет явления органической химии. Ведь она объясняет, как атомы образуют органические молекулы. Органическая химия, в свою очередь, связана с молекулярной биологией, а она — с живыми организмами. Так что в каком-то смысле это неудивительно. Почти обыденно. Вы скажете: «Конечно, жизнь должна объясняться законами квантовой механики». Но не только живая материя, также всё остальное, например, неорганическое вещество, состоящее из триллионов атомов.
В итоге на квантовом уровне нам придётся иметь дело с этой странной теорией. А в обыденной жизни мы можем о ней забыть. Потому что стоит собрать воедино триллионы атомов, как вся загадка исчезает. Но квантовая биология не об этом. Квантовая биология не так проста.Квантовая механика описывает свойства живых организмов на молекулярном уровне. Квантовая биология рассматривает странные и противоречащие логике идеи квантовой механики и пытается понять, действительно ли они применимы к описанию процессов, происходящих внутри живой клетки.
Перед вами идеальный пример такого парадокса квантового мира. Квантовый лыжник. Кажется, что он цел и невредим, и тем не менее он умудрился одновременно проехать по обе стороны дерева. «Такие следы на снегу, должно быть, какой-то трюк», — подумаете вы. Но в мире квантов это обычное дело. Частицы могут быть в двух местах одновременно. Они способны выполнять сразу несколько задач. Частицы иногда демонстрируют свойства хаотичных волн. Это почти волшебство.
Вот уже почти столетие физики и химики пытаются освоиться с этим загадочным миром. Биологи не виноваты в том, что они не хотели или не хотят изучать квантовую механику.
Её принципы крайне сложно наблюдать. И мы, физики, стараемся изо всех сил, чтобы воссоздать нужные условия. Мы охлаждаем наши системы почти до абсолютного нуля, проводим эксперименты в вакууме, пытаемся изолировать их от любого внешнего воздействия, что совсем не похоже на тёплую, хаотичную среду живой клетки. Кажется, что биология как таковая, молекулярная биология, стройно описывает процессы, происходящие внутри живой клетки в терминах химии — химическими реакциями. И это упрощённые химические реакции,доказывающие, что живые клетки созданы из того же материала, что и всё остальное. Если мы можем не учитывать квантовую теорию в макромире, то можно забыть про неё и в биологии.
Один человек не согласился с этой идеей. Эрвин Шрёдингер, известный своим котом Шрёдингера, — австрийский физик. В 1920-х он стал одним из основателей квантовой механики. В 1944-м он написал книгу под названием «Что такое жизнь?». Эта работа стала настоящим прорывом. Она повлияла на Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, открывших структуру двойной спирали ДНК. В своей книге он пишет: «На молекулярном уровне в живых организмах есть определённый порядок, строй, присущий только им и отличающийся от термодинамического хаоса атомов и молекул в неживой материи такой же сложности.
Похоже, что живая материя обнаруживает тот же порядок, структуру, что и неживая, но охлаждённая до абсолютного нуля, где большую роль играют квантовые эффекты. Есть что-то необычное в структуре, в порядке внутри живой клетки». Шрёдингер предположил, что квантовая механика распространяется и на живую материю. Это спорная, многообещающая гипотеза, не оправдавшая, как оказалось, возложенных надежд.
Но, как я уже говорил в начале, последние десять лет проводились эксперименты, подтверждающие, что некоторые биологические процессы объясняются квантовой теорией.
Мне бы хотелось поделиться некоторыми из этих удивительных идей. Это одно из самых известных явлений квантового мира — туннельный эффект. В левой части камеры находится волнообразное, рассеянное распределение пучка квантов — частицы, например, электрона, и она отличается от мячика, отскакивающего от стены. Это волна, с определённой вероятностью проходящая сквозь сплошную преграду, словно фантом, перескакивающий на другую сторону. Вы можете наблюдать бледное пятно света в правой части камеры. Туннелирование — это когда микрочастица отскакивает от непроницаемого барьера, и при этом, как по волшебству, исчезает с одной стороны и появляется с другой. Лучше всего объяснить этот эффект так: если вы хотитеперебросить мяч через стену, вы должны дать мячу достаточно энергии, чтобы он мог перелететь через неё. В квантовом мире необязательно перекидывать мяч через стену, можно кинуть его в стену, и с какой-то вероятностью, не равной нулю, он исчезнет с одной стороны и появится с другой.
И, кстати, это вовсе не гипотеза. Мы с удовольствием — слово «удовольствие» тут не очень подходит — мы хорошо изучили это явление.
Тунннельный эффект происходит сплошь и рядом. Без него у нас бы не было солнечного света.Частицы соединяются, и Солнце с помощью туннельного эффекта превращает водород в гелий. В 70-х–80-х мы поняли, что квантовое туннелирование происходит также и в живых клетках.Ферменты, «рабочие лошадки» живых систем, катализаторы химических реакций, ферменты — биомолекулы, ускоряющие химические реакции в живых клетках во много-много раз. Но как они это делают, всегда оставалось загадкой.
Итак, удалось обнаружить, что один из приёмов, который используют ферменты, — перемещение субатомных частиц, таких, как электроны и протоны, из одной части молекулы в другую посредством квантового туннелирования. Это эффективно, быстро, он может исчезнуть, протон может исчезнуть из одного места и появиться в другом. Ферменты способствуют этому.
Это выводы научной работы, проведённой в 80-х годах исследовательской группой в Беркли под руководством Джудит Клинман. Британские учёные сегодня также подтверждают выявленные факты о ферментах.
Исследование, проведённое моей группой, — как я уже говорил, я физик-ядерщик, и я понял, что могу использовать принципы квантовой механики и в других областях науки. Мы хотели, например, понять, имеет ли место туннельный эффект в мутациях ДНК. Опять же, идея не новая: впервые она прозвучала ещё в 60-х. Две нити ДНК, структура двойной спирали, связаны вместе ступеньками, словно винтовая лестница. И ступеньки этой лестницы — водородные связи,протоны, как клей, скрепляющие нити ДНК. Так что если увеличить изображение, окажется, что они связывают эти большие молекулы, нуклеотиды, вместе. Увеличим ещё немного. Это компьютерная модель. Два белых шарика в середине — протоны, это двойная водородная связь.Один предпочитает находиться с одной стороны, второй — по другую сторону двух вертикальных нитей, уходящих вниз, на модели этого не видно. Бывает, что два протона меняются местами.Следите за белыми шариками. Они могут перескочить на другую сторону. Если две нити ДНК затем разделяются, что приводит к репликации, и два протона находятся не на своих местах,может случиться мутация.
Мы знаем об этом уже полвека. Вопрос вот в чём: какова вероятность, что они поменяются, и если да — то каким образом? Они перескакивают, как мяч через стену? Или используют туннельный эффект, даже если у них недостаточно энергии? Первые исследования предполагают, что здесь имеет место туннельный эффект. Мы не знаем, насколько важную роль он играет; пока этот вопрос остаётся без ответа. Это лишь гипотеза, но это один из тех особенно важных моментов, ведь если квантовая механика причастна к мутациям, разумеется, это значительным образом повлияет на наше понимание отдельных видов мутаций, возможно, даже мутаций, которые делают клетку раковой.
Ещё один пример квантовой механики в биологии — квантовая когерентность, сопутствующая важнейшему процессу в биологии — фотосинтезу: растения и бактерии поглощают свет и используют его энергию, чтобы производить биомассу. При квантовой когерентности пучки квантов выполняют сразу несколько задач. Например, как квантовый лыжник. Объект ведёт себя как волна, так что он не просто движется в том или ином направлении, а может одновременно передвигаться несколькими траекториями.
Пару лет назад научное сообщество было поражено работой, которая предоставляла экспериментальные доказательства того, что квантовая когерентность происходит внутри бактерии и так сопутствует процессу фотосинтеза. Суть в том, что фотон, частица света, солнечного света, квант света, захваченный хлорофилльной молекулой, затем переносится в так называемый «реакционный центр», где он преобразуется в химическую энергию. На пути в этот центр он следует не по одному маршруту, а сразу по нескольким, чтобы максимально быстро достигнуть реакционного центра, не растратив при этом избыточное тепло. Квантовая когерентность может происходить внутри живой клетки. Удивительная идея, и доказательства этой гипотезы публикуются почти еженедельно и подтверждают, что наши догадки верны.
Третий и последний пример — идея прекрасная и изумительная. Тоже пока на уровне домысла, но мне бы хотелось поделиться ей с вами. Зарянки каждую осень мигрируют из Скандинавии в Средиземноморье, и, как и многие морские животные и даже насекомые, они ориентируются в пространстве по магнитному полю Земли. Однако магнитное поле Земли очень-очень слабое, в 100 раз слабее, чем у магнита на холодильнике, но оно неким образом влияет на химические процессы в живом организме. Это факт — в 1970-х немецкие орнитологи, супруги Вольфганг и Росвита Вилчко, подтвердили, что зарянка действительно ориентируется в пространстве по магнитному полю Земли, как будто у неё есть встроенный компас.
Загадка вот в чём: как она это делает! Единственная имеющаяся у нас теория — мы не знаем, верна ли она, но других у нас нет — что это связано с таким явлением, как квантовая запутанность. В сетчатке зарянок — я не шучу — в сетчатке зарянок есть криптохром, светочувствительный белок. Внутри криптохрома пара электронов квантово запутаны. При квантовой запутанности две частицы находятся далеко друг от друга, и тем не менее они взаимозависимы. Даже Эйнштейну это явление не нравилось. Он называл его «жутким дальнодействием».
Уж если Эйнштейну оно не нравилось, то нам тем более может не нравиться. Два квантово запутанных электрона внутри одной молекулы танцуют изящный танец в зависимости от того, в какую сторону летит птица относительно магнитного поля Земли.
Мы не знаем, верно ли это предположение, но разве не здорово, если окажется, что птицы действительно находят дорогу с помощью квантовой механики. Квантовая биология пока только начинает развиваться. Пока что всё на уровне гипотез. Но я уверен, что они построены на бесспорных научных фактах. Я также полагаю, что в ближайшее десятилетие мы поймём, что квантовые явления повсеместно встречаются в живой материи, что в живых организмах происходят квантовые явления. Следите за ними.
Спасибо.
Читайте также:
fastsalttimes.com
Физика жизни: рассвет квантовой биологии
Ключ к практическому квантовому вычислению и высокоэффективным солнечным элементам может лежать в беспорядочном зеленом мире, лежащем вне физических лабораторий.
На первый взгляд, кажется, что квантовые эффекты и живые организмы занимают совершенно разные жизненные ниши. Первые обычно наблюдаются в нанометровом измерении, окруженные глубоким вакуумом, при ультранизких температурах и в условиях четкого контроля при помощи лабораторного оборудования. Последние населяют макроскопический мир, теплый, беспорядочный и лишенный какого-либо контроля. Квантовые феномены, такие как когерентность, когда волновые колебания каждой части системы следуют согласованно, не просуществовали бы и микросекунды в беспокойных условиях клетки.
Или так многие думали. Но открытия, совершенные в последние годы, указывают, что природа знает несколько фокусов, неизвестных физикам: когерентные квантовые процессы вполне могут проявляться и в мире природы. Известные или предполагаемые примеры включают явления от способности птиц к навигации с использованием магнитного поля Земли до внутреннего механизма фотосинтеза – процесса, когда растения и бактерии превращают солнечный свет, углекислоту и воду в органическую материю, который, возможно, является наиважнейшей биохимической реакцией на Земле.
Биология умеет использовать то, что работает, говорит Сет Ллойд, физик Массачусетского института технологии в Кембридже. По его словам, если это означает «квантовые фокусы», то это действительно они и есть. Некоторые исследователи даже начали говорить о слиянии дисциплин для создания квантовой биологии, подчеркивая, что квантовые эффекты – это жизненно важные, чтоб не сказать больше, составляющие работы природы. И лабораторные физики, заинтересованные в практической технологии, уделяют этому большое внимание. «Мы надеемся, что сможем узнать больше от квантового искусства биологических систем», - говорит Ллойд. Он объясняет, что понимание того, как квантовые эффекты происходят в живых организмах, может помочь исследователям достичь сложной цели квантовых вычислений. Или же, возможно, мы сможем создать улучшенные устройства для хранения энергии или высокоэффективные органические солнечные элементы.
Определение пути для энергии
Исследователи давно подозревали, что в основе фотосинтеза лежит что-то необычное. Частицы света под названием фотоны, исходящие от Солнца, бессистемно попадают в молекулы хлорофилла и другие поглощающие свет антенные пигменты, которые концентрируются внутри клеток каждого листа, а также внутри каждой фотосинтезирующей бактерии. Но как только энергия фотона внесена, он перестает быть бессистемным. Тем или иным образом он направляется в постоянный поток, идущий по направлению к фотосинтетическому реакционному центру клетки, где в дальнейшем используется с максимальной эффективностью для превращения углекислоты в сахарозы.
С 1930-х годов ученые признавали, что этот путь следует описывать при помощи квантовой механики, которая указывает, что частицы, такие как электроны, часто действуют как волны. Фотоны, ударяясь об антенные молекулы, поднимают рябь из заряженных электронов – экситонов, как камень, разбрызгивающий воду в луже. Эти экситоны далее передаются от одной молекулы следующей, пока не достигают реакционного центра. Но является ли их путь бессистемными и неконтролируемыми скачками, как изначально полагали ученые? Может ли их движение быть более организованным? Некоторые современные исследователи указали, что экситоны могут быть когерентными, и их волны могут распространяться на более чем одну молекулу, при этом они продолжают следовать согласованно и усиливать друг друга.
Если действительно так, то в этом есть поразительный вывод. Когерентные квантовые волны могут существовать в двух состояниях в одно и то же время, таким образом, когерентные экситоны могут двигаться через лес антенных молекул одним или двумя маршрутами одновременно. Фактически они могут синхронно находить множество возможных вариантов и автоматически выбирать самый эффективный путь к реакционному центру.
Четыре года назад двум группам ученых под руководством Граама Флеминга, химика в Калифорнийском университете Беркли, удалось получить экспериментальное подтверждение этой гипотезы. Одна группа использовала последовательность очень коротких лазерных пульсаций, чтобы испытать фотосинтетический аппарат зеленой серобактерии Chlorobium tepidium. Исследователи должны были охладить образцы до 77К при помощи жидкого азота, но данные лазерных испытаний продемонстрировали явное доказательство когерентных состояний экситона. Вторая группа проводила схожее испытание пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides и обнаружила ту же электронную когерентность при температуре до 180К.
В 2010 году исследователи первой группы обнародовали доказательства квантовой когерентности в бактериальном комплексе при температуре окружающей среды, и это продемонстрировало, что когерентность не только не искусственный продукт, создаваемый лишь в криогенных лабораторных условиях, но может в действительности быть важным для фотосинтеза в реальном мире. Примерно в то же время группа под руководством Грегори Шолеса, химика Университета Торонто, Канада, также сообщала об эффектах когерентности при температуре окружающей среды, и в этот раз не в бактериях, а в фотосинтетических водорослях-криптофитах, эволюционно отдельных организмах, тесно связанных с растениями и животными и использующих совершенно другие поглощающие свет химические группы.
Но как может квантовая когерентность длиться достаточно долго, чтобы быть полезной при фотосинтезе? Большинство физиков предположили бы, что при температуре окружающей среды окружающий молекулярный хаос в клетке почти мгновенно разрушает когерентность.
Компьютерное моделирование, проведенное Ллойдом и некоторыми из его коллег, предлагает ответ: бессистемный шум в окружающей среде может скорее увеличить эффективность передачи энергии в фотосинтезе, чем уменьшить. Оказалось, что экситон может иногда попадать в ловушку в определенных местах фотосинтетической цепи, но моделирование указывает, что шум окружающей среды может достаточно аккуратно его встряхнуть, не уничтожая когерентность. Таким образом, по словам Ллойда, окружающая среда освобождает экситон и дает ему возможность продолжить путь.
Фотосинтез – не единственный пример квантовых эффектов в природе. Например, исследователи уже в течение нескольких лет знают, что в некоторых реакциях, катализированных ферментами, протоны двигаются от одной молекулы к другой с помощью квантово-механического феномена туннелирования, когда частица проходит сквозь энергетический барьер вместо необходимости концентрации энергии, чтобы «перепрыгнуть» через него. И спорная теория распространения запаха утверждает, что запах идет от биохимического ощущения молекулярных вибраций – процесс, который подразумевает туннелирование электрона между молекулой, ответственной за запах, и рецептором, где он связывается в носу.Хотя распространены ли такие примеры достаточно широко, чтобы оправдать создание целой новой дисциплины? Роберт Бланкеншип, исследователь фотосинтеза в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, Миссури, и соавтор Фелиминга в докладе о C. tepidium, допускает некоторый скептицизм. «Я думаю, что вполне может быть несколько случаев, как те, о которых нам уже известно, где эти эффекты важны, - говорит он, - но многие, если не все биологические системы не станут использовать такие квантовые эффекты». Но Шолес уверен, что есть основания для оптимизма, если понятию квантовой биологии будет дано достаточно широкое определение. По его словам, точно есть другие примеры в биологии, где понимание на квантово-механическом уровне поможет нам глубже оценить работу процесса.
Компас птичьего глаза
Одной из самых давних биологических загадок, которая может объясняться экзотическими квантовыми эффектами, является способ, с помощью которого некоторые птицы могут ориентироваться, ощущая магнитное поле Земли.Известно, что птичий магнитный датчик активизируется легким воздействием на сетчатку глаза птицы. В настоящее время самой удачной догадкой ученых об этом механизме является гипотеза, что энергия, заложенная каждым входящим фотоном, создает пару свободных радикалов – молекул с высокой реакционной способностью, каждая из которых с неспаренным электроном. Каждый из этих неспаренных электронов обладает собственным кинетическим моментом, или вращением, направление которого можно изменить магнитным полем. После разделения радикалов на неспаренный электрон на одном из них, прежде всего, влияет магнитное поле близлежащего атомного ядра, в то время как неспаренный радикал на другом, дальше от ядра, и попадает под влияние только магнитного поля Земли. Разница в полях сдвигает радикальную пару между двумя квантовыми состояниями с различной химической активностью.
По словам Симона Бенджамина, физика Оксфордского университета, одна версия подразумевает, что в клетках сетчатки птицы синтезируется какое-то химическое вещество, когда система в одном состоянии, но это не происходит при другом состоянии. Его концентрация отражает ориентировку поля Земли. Обоснованность этой идеи была продемонстрирована в 2008 году в искусственной фотохимической реакции, в которой магнитные поля влияли на жизненный цикл радикальной пары.
Бенджамин и его коллеги предложили, чтобы два неспаренных электрона, созданные поглощением единственного фотона, существовали в состоянии квантовой сцепленности - форме когерентности, когда ориентация одного вращения остается взаимосвязанной с ориентацией другого, при этом нет разницы, насколько далеко движутся радикалы. Сцепленность обычно довольно чувствительна при температуре окружающей среды, но исследователи подсчитали, что она поддерживается в птичьем компасе в течение не менее десяти микросекунд – гораздо дольше, чем возможно в настоящее время в любой искусственной молекулярной системе.
Эта способность ощущать магнитное поле при помощи квантовых эффектов может быть широко распространена. Не только птицы, но и некоторые насекомые и даже растения демонстрируют физиологические ответы на магнитные поля. Например, препятствующее росту влияние синего света на цветущее растение арабидопсис смягчается магнитными полями таким способом, который может также использовать механизм радикальной пары. Но по словам Бенджамина, чтобы окончательно доказать именно такое действие, необходимо узнать, какие основные молекулы привлечены к этому процессу, а затем изучить их в лаборатории.
Преимущества отбора
Кажется, что квантовая когерентность в фотосинтезе полезна для использующих ее организмов. Но развилась ли способность использовать квантовые эффекты в результате естественного отбора? Или квантовая когерентность – это всего лишь случайный побочный эффект того, как структурированы отдельные молекулы? «Есть много предположений о вопросах эволюции и много неверных толкований, - Шолес абсолютно не уверен относительно этого вопроса. – Мы не можем сказать, является ли этот эффект в фотосинтезе результатом отбора, также неизвестно, предусмотрен ли вариант, когда когерентность не используется для передачи энергии движения электронов. Нет данных даже для того, чтобы исследовать этот вопрос».
Он подчеркивает, что нет очевидных причин, почему отбор стал бы поддерживать когерентность. По мнению Бенджамина, почти все фотосинтетические организмы проводят большую часть времени, стараясь умерить поглощение света. Ограниченность в освещении – редкий случай. Каковы же тогда причины для эволюционного давления, направленного на регулирование эффективности поглощения света? Флеминг соглашается, он подозревает, что квантовая когерентность не адаптивна, а является просто побочным продуктом большого накопления хромофор, необходимых для оптимизации поглощения солнечных лучей. Шолес надеется исследовать этот вопрос путем сравнения антенных белков, выделенных из образцов водорослей-криптофитов, которые развивались в разное время.
Но, как считает Флеминг, даже если квантовая когерентность в биологических системах является случайным эффектом, ее последствия исключительны тем, что делают систему нечувствительной к беспорядочному распределению энергии. Кроме того, она приводит в действие одностороннюю передачу энергии, действуя как выпрямитель тока, обеспечивает самый высокий коэффициент передачи энергии, нечувствительна к температурам, а также, возможно, есть ряд и других неучтенным преимуществ.
Эти эффекты предполагают и практическое использование. По словам Шолеса, понимание того, как биологические системы совершают квантовую когерентность в условиях окружающей среды, изменит наши знания об устройстве собирающих свет структур. Это позволит ученым создать такие технологии, как солнечные элементы с высокой эффективностью накопления энергии. Сет Ллойд считает это разумным и, в частности, надеется, что его открытия о позитивной роли шума в окружающей среде будут полезными для проектирования фотонных систем с использованием материалов, как квантовые точки (нанокристаллы) или полимеры с очень разветвленной структурой, густо покрытые поглощающими свет химическими группами, которые могут служить как искусственные направленные антенные системы.
Еще одной возможной сферой применения является квантовое вычисление. Давней целью физиков и инженеров, работающих в этой сфере, является манипулирование данными, закодированными в квантовых битах (кубитах) атомного ядра или информации, такие как состояния электрона, когда он начинает или прекращает вращаться. Кубиты могут существовать в обоих состояниях в одно и то же время, давая тем самым возможность одновременного изучения всех возможных ответов на вычислительные операции, которые они кодируют. В принципе это даст квантовым компьютерам возможность искать наилучшее решение проблемы гораздо быстрее, чем могут делать современные компьютеры, но только если кубиты смогут поддерживать свою когерентность без шума в окружающей среде.
Но биология каким-то образом решила эту проблему: в сущности, квантовая когерентность позволяет фотосистеме действовать как оптимальная квантовая вычислительная машина. Бенджамин, чьи основные интересы лежат в создании материальных систем для квантового вычисления и информационных технологий, считает, что птичий компас, работающий при температуре окружающей среды, является возможной подсказкой. По его словам, если нам удастся узнать, как компас птицы защищает себя от потери когерентности, это может дать нам несколько ключей к созданию квантовых технологий. Обучаться у природы – эта идея стара, как мифология, но до сих пор никто не мог представить, что мир природы может научить нас чему-либо о квантовом мире.
Источник: Nature
www.facepla.net
2. Квантовая биология
Физикам уже более ста лет известно о квантовых эффектах, например, способности квантов исчезать в одном месте и появляться в другом, или же находиться в двух местах одновременно. Однако поразительные свойства квантовой механики применимы не только в физике, но и в биологии.
Лучший пример квантовой биологии — фотосинтез: растения и некоторые бактерии используют энергию солнечного света, чтобы построить нужные им молекулы. Оказывается, фотосинтез на самом деле опирается на поразительное явление — маленькие массы энергии «изучают» все возможные пути для самоприменения, а затем «выбирают» самый эффективный. Возможно, навигация птиц, мутации ДНК и даже наше обоняние так или иначе опираются на квантовые эффекты. Хотя эта область науки пока весьма умозрительна и спорна, учёные считают, что однажды почерпнутые из квантовой биологии идеи могут привести к созданию новых лекарств и биомиметических систем (биомиметрика — ещё одна новая научная область, где биологические системы и структуры используются для создания новых материалов и устройств).
3. Экзометеорология
Наряду с экзоокеанографами и экзогеологами, экзометеорологи заинтересованы в изучении природных процессов, происходящих на других планетах. Теперь, когда благодаря мощным телескопам стало возможно изучать внутренние процессы на близлежащих планетах и спутниках, экзометеорологи могут следить за их атмосферными и погодными условиями. Юпитер и Сатурн со своими невероятными масштабами погодных явлений — первые кандидаты для исследований, так же как и Марс с регулярными пылевыми бурями. Экзометеорологи изучают даже планеты за пределами нашей Солнечной системы. И что интересно, именно они могут в итоге найти признаки внеземной жизни на экзопланетах путём обнаружения в атмосфере органических следов или повышенного уровня углекислого газа — признака индустриальной цивилизации.
4. Нутригеномика
Нутригеномика — это изучение сложных взаимосвязей между пищей и экспрессией генома. Учёные, работающие в этой области, стремятся к пониманию роли генетических вариаций и диетических реакций на то, как именно питательные вещества влияют на геном. Еда действительно оказывает огромное влияние на здоровье — и начинается всё в буквальном смысле на молекулярном уровне. Нутригеномика работает в обоих направлениях: изучает, как именно наш геном влияет на гастрономические предпочтения, и наоборот. Основной целью дисциплины является создание персонализированного питания — это нужно для того, чтобы наша еда идеально подходила нашему уникальному набору генов.
5. Клиодинамика
Клиодинамика — это дисциплина, сочетающая в себе историческую макросоциологию, экономическую историю (клиометрику), математическое моделирование долгосрочных социальных процессов, а также систематизацию и анализ исторических данных. Название происходит от имени греческой музы истории и поэзии Клио. Проще говоря, клиодинамика — это попытка предугадать и описать широкие социальные связи истории — и для изучения прошлого, и как потенциальный способ предсказать будущее, например, для прогнозов социальных волнений.
studfiles.net
КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ — Большая Медицинская Энциклопедия
КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ - раздел биофизики, изучающий квантовые явления в биологических системах и применение квантовой механики для анализа биологических структур и их функций. К. б. тесно связана с квантовой биохимией (см.), фотобиологией (см.) и фотохимией (см.).
Наиболее непосредственно квантовые закономерности проявляются в фотобиологических процессах, таких как зрение (см.), фотосинтез (см.), фотомутагенез, деструктивное и стимулирующее действие ультрафиолетового излучения (см.), а также в явлениях фотолюминесценции (см. Люминесценция), биолюминесценции, биохемилюминесценции (см.). К. б. рассматривает свойства переходов при возбуждении хромофоров светом, характеристики возбужденных состояний молекулы (энергии, длительность жизни и др.), определяющие их реакционноспособность (см. Молекула), а также механизмы процессов, идущих с образованием свободных радикалов (см.), разделением зарядов, и явления передачи (миграции) энергии между молекулами. Квантовая теория служит основой биоспектроскопии (см. Спектроскопия), объясняет оптические и спектроскопические характеристики молекул, их изменение в биол, структуре при межмолекулярных взаимодействиях, образовании комплексов, кристаллических упаковок и т. д.
Методами квантовой биологии изучают «темновые» биол, процессы с целью анализа структуры и функции нуклеиновых к-т, белков, ферментов, макроэргических соединений и в особенности электронно-донорных и электронно-акцепторных свойств биомолекул, окислительновосстановительных реакций, переноса заряда в р-ре и сложноорганизованных структурах. Особый интерес представляет проблема полупроводниковых свойств биополимеров, агрегатов пигментов, мембран. Сделаны попытки объяснения фармакол. активности, канцерогенных и других свойств биол, соединений. Вместе с тем сложные биол, явления не могут быть сведены только к квантовомеханическим, а расчеты сложных процессов, протекающих в биол, системах, встречают принципиальные трудности. Тем не менее применение методов и подходов К. б. несомненно обогатит и углубит понимание наиболее тонких механизмов биол, процессов. См. также Биофизика.
Ф.Ф. Литвин.
xn--90aw5c.xn--c1avg
Существует ли квантовая биология? | Нанотехнологии Nanonewsnet
Протекают ли квантовые процессы в живых организмах? И есть ли смысл задаваться подобным вопросом?
Группа под руководством Нила Ламберта (Neill Lambert) из Института физико-химических исследований (RIKEN, Япония) попыталась выяснить, насколько современный уровень науки позволяет нам говорить об использовании квантовых процессов в биологии. Нет, речь не об известной концепции квантового дарвинизма. Учёных интересовало то,
применяются ли конкретные квантовые механизмы живыми существами в процессе их жизнедеятельности.
Рис. 1. Эрвин Шрёдингер и не подозревал, что животные могут послужить для квантовой механики не только объектами эксперимента, но и активными эксплуатантами. (Фото OSU Library).
Учёные проанализировали выдвигавшиеся в последние годы примеры возможного использования квантовой механики живыми существами. Более всего авторов заинтересовали малиновки, ставшие недавно яблоком раздора и центром нешуточной дискуссии.
Если верить опытам, эти птички ориентируются по линиям магнитного поля Земли, только пока видят свет (мы не умеем организовывать такие системы не квантово), что заставляет говорить об использовании пернатыми квантовой запутанности для выявления линий магнитного поля Земли.
Стараясь быть объективными, исследователи упомянули о главной проблеме такой эксплуатации запутанности: по расчётам, она длится радикально дольше того, что получается сделать в лучших физических лабораториях. Хотя гипотеза, объясняющая такое затягивание, уже выдвинута, отношение к ней в научном сообществе пока критическое: мало кому по душе предположение, что физика XXI века уступает по способности управлять квантовыми состояниями обычной малиновке.
Напомним, что именно квантовая декогеренция, якобы преодолеваемая малиновкой, при нормальных температурных условиях является одним из самых существенных технических препятствий на пути создания квантовых компьютеров.
Другая возможная область применения квантовой механики биологическими организмами зовётся… фотосинтезом. По всем признакам его эффективность — до расхода энергии на транспирацию и другие служебные процессы, протекающие в организмах растений, — намного выше, чем следовало бы ожидать, будь фотосинтез классическим (неквантовым) процессом.
Учёные утверждают: ряд химических экспериментов, начатых в 2007 году, показывает, что эта подозрительно высокая эффективность может быть объяснена квантовой механикой.
Полученные данные якобы указывают на наличие квантовой когерентности в различных молекулах пигмента в момент электронного переноса. Определённо, когда электроны в разных атомах ведут себя скоординировано, как единая система, это отвечает критериям квантовых процессов.
Однако наиболее чёткие результаты такого рода были получены для температур (77 К), не слишком распространённых при фотосинтезе. Другие опыты, между тем, показали когерентное поведение электронов и при комнатных условиях.
Правда, как отмечают авторы обзора, наблюдать квантовые эффекты в пигментах, используемых для фотосинтеза в лаборатории, это одно, а доказать их реальное протекание в живых организмах — совсем-совсем другое.
Рис. 2. Согласно сторонникам квантовой биологии, пресловутый шрёдингеровский кот мог пользоваться туннельным эффектом. Если это так, то в макроскопических системах квантовые явления не ограничиваются сверхпроводимостью. (Илл. Wikipedia).
Туннельный эффект, имеющий, предположительно, место при использовании живыми существами обоняния, также считается одной из сфер, где живые организмы подозреваются в эксплуатации квантовой механики. Напомним: согласно не так давно выдвинутой гипотезе, нос воспринимает не форму и размеры молекул (построенные на таком принципе искусственные обонятельные детекторы никогда не давали удовлетворительных результатов), а непосредственный перенос электронов при помощи туннельного эффекта (как в туннельном диоде) от молекул вдыхаемого вещества в нервную клетку обонятельного рецептора.
Вторым «подозреваемым» по делу о туннельном эффекте является зрение, в том числе человеческое. По одной из гипотез, фотон вызывает в молекуле, связанной с белком в сетчатке, быстрые изменения структуры, которые впоследствии становятся причиной вторичных изменений непосредственно в белковой молекуле-хозяине. Дело в том, что объяснить работу зрения с использованием классических механизмов пока не удаётся: в частности, искусственные глаза, построенные на очень продвинутой электронике, имеют несравнимо худшее разрешение и цветочувствительность, чем человеческие, что заставляет искать в этом некий квантовый заговор, повышающий эффективность зрения в целом.
Эксперимент, который мог бы подтвердить это, очень сложен в организации, хотя и запланирован (на не слишком близкое будущее).
Конечно, вздыхают авторы эссе, мы пока так мало знаем обо всех упомянутых процессах, что все эти «нестыковки» могут объясняться рядом не учтённых нами классических процессов. И тем не менее «основания для подозрений» есть, а разрешить вопрос можно только специальными экспериментами в области, которую исследователи предлагают назвать (возможно, чересчур оптимистично) квантовой биологией.
Кстати. С точки зрения квантового дарвинизма, протекание макроскопических квантовых процессов нормально, а потому не очень ясно, отчего бы им не бытовать в живых организмах. Но вот вопрос: насколько квантовым процессам удаётся пройти пороговый отбор именно в живых существах?..
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.
www.nanonewsnet.ru
Нетривиальные квантовые эффекты в биологии
Первое впечатление, возникшее после её прочтения -- удивление тем, как много, оказывается, существует попыток "притянуть за уши" квантовые явления для функционирования биологических систем. Причем зачастую эти попытки во многом базируются на обычной неграмотности, поскольку уже простые оценки по порядку величины закрывают некоторые предложения. В этой статье терпеливо и довольно подробно объясняется — по-честному, по-физическому, — почему те или иные предложения либо неверны, либо сверхспекулятивны.
Вначале, чтобы не было недоразумения, авторы четко очерчивают предмет критики. Конечно, квантовые эффекты в молекулярной (!) биологии важны -- это и динамика возбуждения биомолекул, туннелирование протонов и электронов и т.д. (например, есть основания считать, что обоняние использует, кроме всего прочего, и резонансное туннелирование электронов в рецепторах). Это все "очевидные" — тривиальные — квантовые эффекты, и относятся они скорее не к биологии, а к молекулярной физике.
Утверждение авторов статьи состоит в том, что никаких предпосылок для более нетривиальных квантовых проявлений в живых системах нет.
Ниже перечислены некоторые из попыток привлечь квантовую механику в биологических системах и их критика авторами статьи.
1. Возникновение наследственности
С "наивно-химической" точки зрения возникновение живых (а точнее, скажем проще, размножающихся и адаптирующихся) систем кажется чрезвычайно маловероятным. (Этот аргумент, кстати, любят использовать и проповедники религии.) Как из таких простых начальных соединений могли возникнуть такие сложные и высоко специфические молекулы как, например, ДНК? Как природа "нашла" удобные молекулы для передачи наследственной информации?
При попытке ответить на этот вопрос возникло предложение "как-то приплести" квантовую механику -- ведь в ней можно осуществить "сверхэффективный квантовый перебор вариантов" и относительно быстро найти молекулы, удобные для передачи информации.
На самом деле, это лишь ничем не подкрепленное желание, не более того. Никаких конкретных механизмов возникновения в системе тенденции к возникновению химической реакции синтеза какой-то редчайшей молекулы никто не предложил. И более того, это пока и не требуется, поскольку спонтанное усложнение хим. состава происходит в определенных условиях само собой. Самоорганизация -- спонтанное возникновение относительно устойчивых структур, гораздо более сложных, чем можно было бы получить за то же время случайным конструированием -- хорошо известное в физике явление.
В дополнение к этому авторы отдельно обсуждают распространенное заблуждение, что якобы квантовый компьютер позволяет осуществить быстрый поиск в классической базе данных. Это неверно: быстрый поиск работает только в квантовой базе данных, т.е. база данных уже должна находится в когерентном состоянии. Если этого нет, то квантовый компьютер не дает никакого ускорения.
2. Туннелирование сквозь промежуточные формы
Другой вариант той же идеи: оптимизация естественного отбора при эволюции простейших форм жизни в более сложные.
Как известно, одно из первых возражений к дарвиновскому принципу естественного отбора состояло в том, что не наблюдаются промежуточные формы. Как природа умудряется пропустить их и сразу "слепить новое существо"?
Этот вопрос уже не является каким-то принципиальным препятствием для современного эволюционного учения, но есть и более экзотические предложения, основанные, в частности, на том же квантовом поиске.
Пропоненты "квантовой идеи" говорят, что этот процесс можно представить как квантовый поиск живучей мутации. Однако -- кроме очевидного возражения о квантовой когерентности -- возникает и такой вопрос: непонятно, что именно должна искать природа. Мутация закрепится, если она окажется более приспособлена к выживанию во внешних условиях. Но на выживаемость надо проверить хотя бы пару-тройку поколений -- только после этого можно сказать, удачная мутация или нет. Т.е. получается, нужно чтоб квантовая когерентность поддерживалась не только в течение жизни одной особи, но и сохранялась между потомками. Но поскольку они будут взаимодействовать с окружающим миром, то это кажется совершенно невероятным.
3. Квантовый мозг
Есть попытки описать деятельность мозга как работу некоторого "квантового компьютера". Предполагается, что нейроны играют роль кубитов, между которыми поддерживается квантовая когерентность. При всей своей будоражащей воображение привлекательности это предложение сразу наталкивается на возражение: декогеретность объектов размером с клетку в обычных условиях (ведь нейроны в мозг находятся вовсе не в вакууме при сверхнизких температурах!) составляет порядка 10^(-20) сек. За это время не только не успеет пройти никакой сигнал, но и даже электронные облака едва успеют шелохнутся в самых активных химических реакциях.
Контрвозражение, что есть-де есть механизм коррекции квантовых ошибок, позволяющий устранить разрушающее действие декогеренции, несостоятелен, потому что порог, при котором этот механизм начинает действовать очень высокий. Ориентировочно, требуется, чтобы в каждом единичном акте квантовых вычислений вероятность ошибка составляла не более, чем доли процента, только тогда их можно скорректировать. Но для этого требуется, чтобы время когерентности было существенно больше хотя бы единичного акта квантового вычисления, что конечно в мозге не выполняется.
4. Квантовое сознание
Наконец, есть предложение, восходящее к Пенроузу, о том, что внутри полых трубочек, формирующих цикоскелет нейрона, происходит вызванный гравитацией(!) коллапс волновой функции. Этот коллапс, предполагается, приводит к ощущение самоосознания у высших жизненных форм.
Авторы эту идею, по-настоящему, не критикуют, замечая только, что она опирается на чрезвычайно спекулятивную, никак не проверенную связь между квантовой механикой и гравитацией. Авторы уделяют этому моменту много места, считая, по-видимому, что среди биологов (или просто не-физиков, интересующихся описанными вопросами) нет четкого понимания статуса разных теорий в фундаментальной физике.
Я тут замечу лишь то, что и в обычной нейронауке есть механизмы (связанные с незатухающими нелокализованными возбуждениями с сети нейронов, специфические для мозга с большой поверхностью коры головного мозга), могущие объяснить самоосознание. Конечно, эти предположения требуется проверять экспериментально, но по крайней мере они основаны на "кондовой" физиологии, а не на идеях о квантовой гравитации.
В общем, многие скептические утверждения, приведенные в статье, мне кажутся очевидными, но раз есть группа энтузиастов, которые их не учитывают, то подробное перечисление действительно полезно.
[Комментарии на Элементах]
igorivanov.blogspot.com
Квантовая биология - Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден - rutlib2.com
Квантовая биология
Так какое же отношение имеет вся эта квантовая таинственность к долгому перелету малиновки через всю Европу и ее способности легко ориентироваться в пространстве и запоминать путь? Напомню, что в начале 1970-х годов супруги-ученые Вильчко установили: механизм магниторецепции у малиновки напоминает принцип работы иклинометра. В то время это открытие оставалось удивительной загадкой, ведь никто из ученых не мог предположить, каким образом может работать биологический компас отклонения. Однако приблизительно в те же годы немецкий ученый Клаус Шультен заинтересовался тем, как происходит перемещение электронов в химических реакциях, в которых участвуют свободные радикалы. Свободными радикалами называются молекулы, имеющие неспаренные электроны во внешней электронной оболочке (большинство электронов в молекулах спарены на атомных орбиталях). Об этом важно помнить, рассуждая о таинственном квантовом свойстве спина, ведь спаренные электроны обычно имеют различные (противоположные) спины и их суммарный спин равен нулю. Однако, не имея электрона-близнеца, обнуляющего момент импульса, неспаренные электроны в свободных радикалах имеют спин, наделяющий их свойством парамагнетизма: их спин может изменяться под воздействием магнитного поля.
Шультен предположил, что в парах свободных радикалов, образующихся в процессе быстрой триплетной реакции, неспаренные электроны находятся в состоянии квантовой запутанности. По малопонятным причинам, которые прояснятся позже, два неспареных электрона, находящиеся в таком необычном квантовом состоянии, становятся сверхчувствительными к воздействию любого внешнего магнитного поля. В дальнейшем Шультен высказал предположение о том, что функционирование загадочного птичьего компаса, возможно, также основано на явлении квантовой запутанности.
Мы не говорили о квантовой запутанности до этого момента, поскольку она представляет собой, вероятно, одну из самых странных особенностей квантовой механики. Она позволяет частицам, некогда находившимся во взаимодействии, сохранять постоянную, можно сказать, магическую взаимозависимость, даже если эти частицы разнесены в пространстве на огромные расстояния. Так, частицы, когда-то находившиеся рядом, а впоследствии разнесенные в разные концы Вселенной, могут (по крайней мере теоретически) сохранять связь между собой. Фактически воздействие на частицу будет моментально вызывать реакцию на это воздействие у удаленной частицы, связанной с первой. Пионеры квантовой физики показали, что наличие такого явления, как запутанность, логически вытекало из их уравнений. Тем не менее оно казалось настолько неправдоподобным, что сам Эйнштейн, благодаря которому мы знаем о черных дырах и искривлении пространства-времени, отказался признать это явление, назвав его жутким дальнодействием. Именно это жуткое дальнодействие будоражит умы околонаучных «мистиков», которые идут на нелепые заявления о квантовой запутанности, в частности о том, что она способна объяснить такие паранормальные явления, как телепатия. Эйнштейн относился к этой идее скептически потому, что она противоречила его теории относительности, согласно которой никакое воздействие и никакой сигнал не могут передаваться в пространстве быстрее чем со скоростью света. По Эйнштейну, между частицами, находящимися друг от друга на большом расстоянии, не может быть никакой таинственной мгновенной связи. Эйнштейн ошибался. В наше время наличие такой связи между квантовыми частицами подтверждено эмпирически. На случай, если вы все-таки задумались над этим, скажем: квантовая запутанность никак не связана с телепатией и объясняет ее.
Идея о том, что странное квантовое свойство запутанности проявляется в обычных химических реакциях, считалась нелепой даже в начале 1970-х годов. В то время многие ученые, подобно Эйнштейну, ставили под сомнение факт существования запутанных частиц, поскольку они еще не были обнаружены экспериментальным путем. Но спустя несколько десятилетий многочисленные блестящие эксперименты подтвердили реальность этой «жуткой» связи между частицами. Один из самых известных таких экспериментов был выполнен в 1982 году командой французских физиков под руководством Алена Аспе в Университете Париж-Юг XI.
Команда Аспе получала пары фотонов (частиц света) со связанным состоянием поляризации. Поляризация света знакома тем, кто когда-нибудь носил поляроидные солнечные очки. Каждый фотон характеризуется величиной, сравнимой с направленностью – углом поляризации. Это понятие связано с понятием спина частицы, о котором мы говорили выше. В потоке солнечного света попадаются фотоны со всеми возможными углами поляризации, однако поляроидные очки пропускают только фотоны с определенным углом поляризации. Аспе получал пары фотонов не только с различными поляризационными направлениями (скажем, один из них был направлен вверх, а другой – вниз), но и со связанным состоянием поляризации. Как и в случае описанной выше танцующей пары протона и нейтрона, ни один из связанных (запутанных) партнеров не имел какого-то определенного направления – они оба имели два направления одновременно, но только до тех пор, пока за ними велось экспериментальное наблюдение.
Эксперименты, пожалуй, один из самых загадочных и уж точно один из самых обсуждаемых аспектов квантовой механики. Именно после того, как стали возможны экспериментальные измерения микромира, у многих из нас возник вопрос: почему же все объекты, которые мы видим, не совершают тех таинственных, чудесных действий, на какие способны квантовые частицы? Ответ состоит в том, что там, в микроскопическом квантовом мире, частицы способны совершать такие странные действия – находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно, проходить сквозь стены и сохранять связь на таких расстояниях, которые и представить-то жутко, – только в том случае, когда за ними никто не наблюдает. Как только появляется наблюдатель, как только их начинают измерять каким-либо образом, они теряют свою странность и начинают вести себя как все видимые объекты, которые нас окружают. Тогда возникает очередной, вполне закономерный вопрос: что же такого особенного в наших экспериментах и наблюдениях? Что заставляет частицы менять квантовое поведение на классическое? Ответ на этот вопрос является самым важным моментом данной книги, поскольку как раз экспериментальные измерения лежат на границе квантового и видимого миров, на той линии, за которой начинается микромир, за которой, по нашему мнению (и вы, должно быть, уже поняли это из названия книги), тоже есть жизнь.
Мы будем говорить о квантовых измерениях на протяжении всей книги и надеемся, что вам постепенно станут понятны все тонкости этого таинственного процесса. Сейчас мы остановимся на самом простом объяснении этого явления. Скажем только, что, когда квантовое свойство частицы, например состояние поляризации, измеряется научными приборами, частица в тот же миг будто бы вынужденно забывает о своих квантовых способностях (например, о способности двигаться одновременно во многих направлениях) и вынужденно же приобретает свойства объекта, описываемого классической механикой (например, способность двигаться лишь в одном направлении). Так, когда Аспе измерял состояние поляризации одной из запутанных частиц, наблюдая за тем, сможет ли она пройти сквозь поляризованную линзу, она немедленно теряла мистическую связь с другой частицей и сохраняла единственное направление поляризации. Точно таким же образом ведет себя вторая частица, на каком бы расстоянии она ни находилась, – во всяком случае, такой результат предсказывали уравнения квантовой механики, что, разумеется, заставляло Эйнштейна изрядно волноваться.
Аспе и его команда проводили свой знаменитый эксперимент с парами фотонов, разнесенных друг от друга на несколько метров в пределах лаборатории ученого. Это расстояние было достаточно велико для того, чтобы некое взаимодействие, пусть даже распространяющееся со скоростью света (а согласно теории относительности ничто не может распространяться быстрее скорости света), произошло между ними и повлияло на угол поляризации. И все же в измерениях запутанных фотонов наблюдалась корреляция: если поляризация одной частицы была направлена вверх, то поляризация другой оказывалась направленной вниз. С 1982 года данный эксперимент повторялся много раз, в том числе на частицах, разнесенных в пространстве на сотни километров, но и в этом случае между ними сохранялась мистическая связь, существование которой никак не мог признать Эйнштейн.
До эксперимента Аспе оставалось несколько лет, когда Шультен предположил, что явление квантовой запутанности лежит в основе работы внутреннего птичьего компаса, но существование данного явления оставалось под сомнением. Кроме того, Шультен не имел понятия, каким образом таинственная химическая реакция позволяла малиновке видеть магнитное поле Земли. Мы говорим «видеть», имея в виду еще одну особенность, открытую супругами Вильчко. Несмотря на то что европейская малиновка совершает длительные перелеты в ночное время, для активации магнитного компаса ей требуется небольшое количество света (из синей линии видимого спектра). Это говорит о том, что глаза птицы играют важную роль в работе ее внутреннего механизма магниторецепции. Но что же в ее глазах, кроме зрения, могло быть связано с восприятием изменений магнитного поля? Даже если в них и был встроен механизм, использующий запутанные радикальные пары, принцип его работы оставался загадкой.
Гипотеза о том, что птичий магнитный компас работает на основе квантового механизма, пылилась на научном чердаке идей более 20 лет. Шультен вернулся в США, где возглавил весьма успешную исследовательскую группу специалистов-теоретиков в области химической физики (Иллинойский университет в Урбана-Шампейне). Тем не менее он не забывал о своей, можно сказать, бредовой идее и постоянно переписывал статьи на эту тему, предлагая очередные биомолекулы (молекулы, синтезирующиеся живыми организмами) на роль поставщиков радикальных пар для быстрой триплетной реакции. Ни одна молекула так и не подошла на эту роль: одни не образовывали радикальных пар, другие просто отсутствовали в глазах птиц. Однако в 1998 году в одном из научных журналов Шультен прочитал о том, что в глазах животных был обнаружен криптохром – загадочный рецептор света. Эта информация немедленно заставила ученого вернуться к своему давнему научному интересу, поскольку известно, что криптохром – это белок, который теоретически может продуцировать радикальные пары.
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
rutlib2.com
