Так что же составляет «квантовую часть» квантовой биологии

Каждую отдельную биомолекулу, которая существует или когда-либо существовала в любой живой клетке, создали и разрушили ферменты. Ферменты как никакая другая субстанция близки к понятию «движущих сил жизни». Открытие того, что некоторые (а возможно, и все) ферменты функционируют на основе дематериализации частиц в одном месте пространства и мгновенной их материализации в другой точке, позволяет нам по-новому взглянуть на загадку жизни. Несмотря на то что многие вопросы, связанные с функционированием ферментов, пока не до конца понятны (например, роль перемещения белков), нет сомнений в том, что квантовое туннелирование играет большую роль в механизме их работы.

Несмотря на это, мы не можем не принимать во внимание критических замечаний, высказываемых многими учеными. Они признают открытия Клинман, Скраттона и других исследователей, однако утверждают, что квантовые эффекты играют в биологии такую же роль, как и в работе паровозов: их можно наблюдать, однако они в целом никак не способствуют пониманию того, как функционирует вся система. Данный аргумент нередко звучит в спорах о том, научились ферменты извлекать выгоду из квантовых явлений вроде туннелирования в ходе эволюции или нет. Критики отстаивают мнение, что возникновение квантовых явлений в ходе биологических процессов неизбежно благодаря тому, что большинство биохимических реакций попросту протекают на атомном уровне. Квантовое туннелирование вовсе не волшебство; это явление происходит в нашей Вселенной с самого ее возникновения. Разумеется, то, что является результатом «изобретательности» жизни, не может быть фокусом. И все же мы склонны полагать, что возникновение туннельного эффекта на фоне активности фермента не является неизбежным, учитывая условия внутриклеточной среды — те самые высокие температуры, влажность и сумбурную толкотню молекул.

Как вы помните, пространство живой клетки характеризуется теснотой. Клетка буквально набита молекулами со сложной структурой, которые непрерывно находятся в состоянии волнения и турбулентности, а именно в состоянии хаотичного движения. Напомним, молекулы похожи на разлетающиеся в разные стороны и отталкивающиеся друг от друга бильярдные шары (об этом мы говорили в предыдущем разделе в связи с тем, что заставляет паровоз ехать вверх по склону холма). Как вы помните, именно это хаотичное движение частиц рассеивает и разрушает хрупкую квантовую когерентность, благодаря чему привычный для нас мир кажется нам «нормальным». Ученые не ожидали, что квантовая когерентность может сохраняться при молекулярной турбулентности, поэтому наблюдение таких квантовых эффектов, как туннелирование, в бурном море живой клетки стало удивительным открытием. Каких-то десять или чуть больше лет назад большинство ученых отказались от мысли о том, что туннелирование и другие неустойчивые квантовые явления могут наблюдаться в биологических процессах. Факт, что эти явления были обнаружены в биологических средах, говорит о том, что жизнь принимает особые меры, чтобы извлечь максимальную выгоду из квантового мира и поддерживать работу своих клеток . Но какие именно меры принимает жизнь? Каким образом жизни удается держать основного врага квантового поведения частиц — декогерентность — на расстоянии? Это одна из величайших тайн квантовой биологии, к разгадке которой ученые постепенно продвигаются. Об этом мы поговорим в последней главе нашей книги.

Но прежде, чем начать новую тему нашего разговора, давайте вернемся к тому месту, где мы оставили нашу наноподлодку, а именно в активный центр фермента коллагеназы внутри исчезающего хвоста головастика. Мы быстро покидаем активный центр, как только «челюсти» фермента раскрываются, высвобождая коллагеновую цепочку (и нас с вами). Мы прощаемся с молекулой фермента, похожей на моллюска, который отправляется к следующей пептидной связи в цепи, чтобы разрушить ее. Затем мы совершаем короткое путешествие по организму головастика и наблюдаем обычную работу некоторых других ферментов, которая так же важна для жизнедеятельности организма, как и работа коллагеназы. Следуя за клетками, покидающими исчезающий на глазах хвост головастика и направляющимися в развивающиеся задние конечности, мы наблюдаем возникновение новых коллагеновых волокон, которые прокладываются, словно новые железнодорожные пути, для ускорения формирования организма взрослой лягушки. Зачастую они возникают из тех самых клеток исчезающего хвоста. Новые волокна образуются благодаря ферментам, которые захватывают блоки аминокислот, освобожденные коллагеназой, и сплетают их в новые коллагеновые волокна. У нас нет времени на то, чтобы погрузиться в эти ферменты, однако стоит сказать, что в их активных центрах мы наблюдали бы тот же тщательно поставленный танец, что и в коллагеназе, только с обратной последовательностью движений. Биомолекулы, от которых зависит жизнь, — будь то жиры, ДНК, аминокислоты, белки, сахара — формируются и разрушаются различными ферментами. Кроме того, любое действие, которое совершает молодая лягушка, обусловлено деятельностью ферментов. Например, когда животное замечает муху, электрические импульсы передаются от глаз в мозг посредством особых ферментов-нейромедиаторов, содержащихся в нервных клетках. Когда лягушка выбрасывает свой длинный язык, его мышечные сокращения, благодаря которым лягушка ловит муху и тянет добычу в рот, контролируются другим ферментом — миозином, содержащимся в мышечных клетках. Когда муха попадает в желудок лягушки, в дело вступает целая группа ферментов, ускоряющих переваривание и всасывание питательных веществ. Другие ферменты отвечают за то, чтобы эти питательные вещества трансформировались в ткани организма. Ферменты дыхательной цепи, содержащиеся в митохондриях, помогают трансформировать питательные вещества в необходимую для организма энергию.

Любой этап жизнедеятельности лягушек и всех остальных живых организмов, любой процесс, поддерживающий их и нашу с вами жизнь, поддерживается и ускоряется ферментами — настоящими двигателями жизни. Их каталитические свойства обусловлены способностью некоторых элементарных частиц исполнять отточенные хореографические номера, а значит, и соприкасаться с квантовым миром и использовать в жизненных целях его странные законы.

Однако туннелирование частиц далеко не единственное явление квантового мира, из которого жизнь извлекает для себя выгоды. В следующей главе мы поговорим о том, что в важнейшей химической реакции биосферы участвует еще одно загадочное явление квантового мира.

Квантовые биения

Дерево состоит из углерода, но откуда же он взялся? Он берется из воздуха; точнее, из воздуха берется диоксид углерода. Человек смотрит на дерево и думает, что оно [субстанция дерева] появляется из почвы; растения вырастают из почвы. Но если вы задумаетесь, откуда появляется вещество, окажется… что деревья рождаются из воздуха… Диоксид углерода из воздуха попадает внутрь дерева, и дерево меняет его, вытесняя кислород… Мы знаем, что атомы кислорода и углерода [в молекуле диоксида углерода] очень тесно связаны между собой… Как же дереву удается разрывать эти связи?.. Падающий на дерево солнечный свет разбивает связи между кислородом и углеродом… оставляя в субстанции дерева углерод и воду!

Ричард Фейнман[47]

Массачусетский технологический институт, более известный как МТИ, является одним из мировых научных центров. Он был основан в 1861 году в Кембридже, штат Массачусетс. Из тысячи его нынешних профессоров девятеро являются лауреатами Нобелевской премии (данные за 2014 год). Среди его студентов были астронавты (в трети космических полетов НАСА участвовали выпускники МТИ), политики (в том числе Кофи Аннан, бывший Генеральный секретарь ООН, лауреат Нобелевской премии мира за 2001 год), предприниматели (например, Уильям Реддингтон Хьюлетт, соучредитель компании «Хьюлетт-Паккард») и, конечно, многие ученые, среди которых — создатель квантовой электродинамики, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Однако самым известным обитателем института является вовсе не человек, а растение — яблоня, растущая в Президентском саду в тени купола одного из корпусов МТИ. Она была отчеренкована от другого дерева, растущего в Королевском ботаническом саду в Англии, прямого потомка той самой яблони, под которой, предположительно, сидел Исаак Ньютон и наблюдал падение знаменитого яблока.

Сидя под деревом на ферме своей матери в Линкольншире, Ньютон задавался одновременно простым и сложным вопросом: почему яблоки падают ? Нелепо будет предположить, что ответ Ньютона на этот вопрос, перевернувший физику и всю науку в целом, мог быть неправильным. Но у этой знаменитой сцены есть один аспект, ускользнувший от внимания Ньютона и остававшийся незамеченным до сих пор: что вообще яблоко делало на дереве? Если ускоренное падение яблока на землю так озадачило ученого, то насколько более непонятным было соединение воздуха и воды Линкольншира с образованием сферического предмета на ветвях дерева? Почему Ньютон заинтересовался сравнительно тривиальной причиной воздействия земного притяжения на яблоко и не заметил совершенно непостижимую загадку первичного образования плода?

Одной из причин, объясняющих недостаток любопытства Ньютона, было общепринятое в XVII веке мнение о том, что, несмотря на основанную на законах физики механистичность всех объектов, включая живые существа, их собственная внутренняя динамика (и та, что обеспечивает рост яблок) приводится в движение жизненной силой, или élan vital , исходящей из сверхъестественного источника, не поддающегося сухим математическим уравнениям. Но, как мы уже знаем, витализм не устоял перед последующими открытиями в области биологии, генетики, биохимии и молекулярной биологии. Ни один серьезный ученый сегодня не сомневается, что жизнь объяснима с научной стороны; но остается открытым вопрос, какая наука может предоставить тому доказательство. Несмотря на альтернативные заявления таких ученых, как Шредингер, большинство биологов все еще опираются на классические законы, в которых ньютоновские силы воздействуют на шаростержневые биомолекулы, чье поведение напоминает, скажем так, поведение шаров и стержней. Даже Ричард Фейнман, один из последователей Шредингера, описывал фотосинтез (в отрывке, представленном в начале главы) в строго классических терминах, например «солнечный свет падает и отрывает кислород от углерода», словно свет — это клюшка для гольфа, способная ударить по кислородному шару и оторвать его от молекулы углеводорода.

Молекулярная биология и квантовая механика развивались скорее параллельно, чем совместно. Биологи редко посещали лекции по физике, а физики уделяли мало внимания биологии. Однако в апреле 2007 года группа физиков и математиков МТИ, работавших в загадочной сфере под названием «квантовая теория информации», собралась на очередное заседание публицистического кружка (каждый член по очереди представлял новую статью, которую он нашел в научной литературе). Один из участников принес экземпляр New York Times со статьей, в которой было выдвинуто предположение о том, что растения являются квантовыми компьютерами (подробности об этих замечательных механизмах — в главе 8). Группа взорвалась хохотом. Один из членов команды, Сет Ллойд, так вспоминает о первом впечатлении от подобного «квантового жульничества»: «Нам казалось, что это настоящая истерия… В голове прозвучало как „О Боже, это самая безумная вещь, которую я слышал в жизни“»[48]. Причиной их недоверия стал тот факт, что многие наиболее выдающиеся и финансируемые исследовательские группы в мире могли потратить десятилетия, пытаясь выяснить, как построить квантовый компьютер, машину, которая может проводить определенные расчеты намного быстрее и эффективнее, чем самые мощные современные компьютеры (вместо использования цифровых битов информации, выраженных в виде 0 или 1, новый компьютер позволит информации быть и нулем, и единицей одновременно, таким образом, производить все возможные расчеты синхронно — высшая степень параллельной обработки данных). В статье из New York Times говорилось о том, что ничтожная былинка способна проводить своего рода квантовые фокусы, которые лежат в основе квантовых вычислений. Неудивительно, что исследователи из МТИ были настроены скептично. Они, возможно, не могут построить работающий квантовый компьютер, но если статья правдива, то они могут съесть такой компьютер с салатом на ланч!

Тем временем недалеко от аудитории, где члены кружка хохотали над статьей от всей своей квантовой души, фотон света со скоростью почти 300 тысяч километров в секунду стремился к дереву со знаменитой родословной.