Квантовая биология: жизнь на границе бури

Эпитет «таинственный» чаще других используется для описания мира, где действуют законы квантовой механики. Этот мир на самом деле таинственен. Разве можно назвать обычной теорию, описывающую мир, где объекты способны преодолевать непроницаемые барьеры, находиться в двух местах одновременно или образовывать «призрачные связи»? Тем не менее математические основы квантовой механики логичны и непротиворечивы. Они очень точно описывают мир элементарных частиц и сил, действующих в нем. Таким образом, квантовая механика — это основание физической реальности. Дискретные энергетические уровни, корпускулярно-волновой дуализм, когерентность, запутанность и туннелирование — не просто интересные идеи, которые касаются только ученых, работающих в физических лабораториях со сложным оборудованием. Они так же реальны и обычны, как яблочный пирог, испеченный бабушкой, и, кстати говоря, все эти процессы протекают внутри яблочного пирога. Квантовая механика — обычное явление. Таинственным является тот мир, который она описывает.

Тем не менее, как мы уже говорили, большинство особенностей вещества, противоречащих здравому смыслу и присущих квантовому миру, теряются в структуре больших объектов, для которой характерна весьма неспокойная термодинамика. Утрата квантовых свойств происходит в процессе, который мы называем декогерентностью. За чертой декогерентности лежит знакомый нам мир, в котором действуют законы классической физики. Итак, мы можем изобразить структуру физической реальности в виде трех уровней (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Три уровня реальности. На верхнем уровне находится мир видимых объектов — например, падающих яблок, пушечных ядер, поездов и самолетов. Движение видимых объектов описывается законами ньютоновской механики. Ниже расположен уровень, где действуют термодинамические законы, описывающие взаимодействие частиц, движущихся в структуре вещества беспорядочно, подобно бильярдным шарам. Этот уровень отвечает также за действие принципа «порядок из неупорядоченности», который распространяется на объекты видимого мира, например паровые двигатели. Еще ниже находится уровень элементарных частиц — сфера действия стройных квантовых законов. Свойства объектов видимого мира, поддающиеся наблюдению, обусловлены особенностями либо ньютоновского, либо термодинамического уровня. Свойства живых организмов связаны с квантовой основой нашей реальности

На верхнем уровне находятся макроскопические объекты, с которыми мы имеем дело каждый день (например, футбольные мячи, поезда, планеты). Поведение таких объектов подчиняется законам ньютоновской механики, основные понятия которой всем вам знакомы: скорость, ускорение, инерция, сила. На среднем (термодинамическом) уровне находятся жидкости и газы, к описанию которых также применимы классические законы Ньютона. Тем не менее, как отметил Шредингер и как мы с вами узнали из главы 2, термодинамические законы, описывающие, например, расширение газа при нагревании или работу парового двигателя, толкающего поезд вверх по склону холма, основаны на принципе «порядка из неупорядоченности». Этот хаос, как вы помните, создается беспорядочным толканием миллиардов атомов и молекул, напоминающих бильярдные шары. На третьем, самом глубоком уровне расположена основа физической реальности — квантовый мир. В этом мире поведение атомов и молекул, а также частиц, из которых они состоят, подчиняется точным и упорядоченным правилам не классической, а квантовой механики. Однако большинство квантовых странностей скрыто от человеческого глаза. Кое-что открывается лишь тогда, когда мы наблюдаем отдельные молекулы, как в случае эксперимента с двумя щелями: мы можем увидеть глубоко сокрытые квантовые законы в действии. Поведение объектов, описываемое этими законами, кажется нам непонятным, поскольку мы видим реальность сквозь призму декогерентности, лишающей большие объекты таинственных свойств.

Большинство живых организмов являются относительно большими объектами. Их движение, как и движение поездов, футбольных мячей и пушечных ядер, надежно описывается законами Ньютона: человек, запущенный из пушки, будет лететь примерно по той же траектории, что и ядро. На более глубоком уровне — на уровне физиологии тканей и клеток — работают термодинамические законы: расширение и сжатие легкого, в сущности, не отличается от расширения и сжатия воздушного шарика. На первый взгляд вам может показаться (как долгое время казалось ученым), что квантовые свойства исчезают в организмах малиновки, рыбы, динозавра, в яблонях, бабочках и в нас с вами, как и в любых объектах, управляемых законами классической физики. Однако мы убедились, что в случае живой ткани этот принцип срабатывает не всегда — жизнь словно пускает свои корни с поверхности мира ньютоновских законов, просачиваясь сквозь мир жидкостей, структуру которых составляют подвижные турбулентные молекулы, подчиняющиеся законам термодинамики, к самому дну, к квантовому основанию реальности. Так жизнь достигает квантового «дна» и присваивает себе некоторые из его загадочных свойств — когерентность, суперпозицию, туннелирование и запутанность (см. рис. 10.1). Каким образом она это делает? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей последней главе.

Частично мы уже ответили на него. Более 60 лет назад Эрвин Шредингер отметил, что жизнь отличается от неорганического мира тем, что она структурированна и упорядоченна на молекулярном уровне. Этот порядок, пронизывающий структуру жизни насквозь, наделяет ее своего рода четким, надежным механизмом, связывающим ее молекулярный уровень с макроскопическим. Так, квантовые свойства, наблюдаемые в поведении отдельных биомолекул, имеют важные последствия для всего организма — то самое усиление воздействия квантового уровня на макроскопический, о котором говорил Паскуаль Йордан, пионер квантовой механики.

Не стоит забывать о том, что, когда Шредингер и Йордан писали о биологии, никто еще не знал, из чего состоит ген, как работают ферменты и фотосинтез. Затем последовали 50 лет интенсивных и плодотворных исследований в области молекулярной биологии, результатом которых стало поразительно подробное описание структуры биомолекул на уровне отдельных атомов в связях ДНК и белков. И, как мы с вами убедились, дальновидные предсказания пионеров квантовой механики оказались точными, пусть их подтверждение немного и затянулось. В структуре фотосистем, ферментов, дыхательных цепей и генов имеет значение даже положение отдельных элементарных частиц, а их квантовые перемещения на самом деле влияют на процесс дыхания, поддерживающий жизнь, на работу ферментов, обеспечивающих целостность организмов, на фотосинтез, производящий практически всю биомассу на нашей планете.

И все же многие вопросы остаются неясными. В основном они касаются того, каким образом жизни удается сохранять свойство квантовой когерентности в теплой и влажной среде биомолекул внутри живой клетки. Белки и ДНК вовсе не являются стальными конструкциями с угловатыми элементами, как те приборы, которые используются для обнаружения квантовых эффектов во время экспериментов в физических лабораториях. Белки и ДНК имеют вязкую, гибкую структуру, которая постоянно испытывает воздействие тепловых колебаний, выдерживает удары окружающих молекулярных бильярдных шаров и молекулярный шум [174]. Казалось бы, эти случайные вибрации и молекулярные столкновения должны разрушать тонко организованные атомы и молекулы, частицам которых необходимо сохранять квантовые свойства. Остается загадкой то, каким образом в биологии поддерживается квантовая когерентность. Тем не менее, как мы с вами узнаем, завеса тайны начинает приоткрываться, позволяя ученым проникать в самую сущность жизни. Возможно, эти новые знания будут использованы для разработки квантовых технологий будущего.

Приятные, приятные, приятные, приятные вибрации (боп-боп)[175]

Не многие научно-популярные книги нуждаются в дополнениях во время написания. Тем не менее в последней главе данной книги мы расскажем о результатах исследований, которые проводятся в настоящий момент. Квантовая биология развивается очень быстро, и направления ее развития настолько многочисленны, что к моменту выхода этой книги ее содержание рискует стать неактуальным. Наиболее неожиданные результаты были получены в ходе недавних исследований взаимодействия жизни с молекулярными вибрациями, или шумом.

Один из самых поразительных результатов был получен в ходе очередного исследования процесса фотосинтеза. В главе 4 мы говорили о том, что в микробах и листьях растений содержится огромное количество хлоропластов, которые заполнены молекулами пигмента хлорофилла, а также о том, что первой стадией фотосинтеза является захват фотона света молекулой пигмента и его преобразование в вибрирующий экситон, который пробирается сквозь хлорофилльный лес к реакционному центру. Как вы помните, было обнаружено, что этот процесс переноса энергии имеет признаки когерентности — квантового биения, и почти со стопроцентной точностью доказано, что он в принципе возможен благодаря квантовому перемещению экситона к реакционному центру. До сих пор оставалось загадкой, каким образом экситонам удается поддерживать когерентные волновые свойства, прокладывая путь сквозь пространство живой клетки, наполненное молекулярным шумом. К настоящему моменту установлено, что разгадка, вероятнее всего, заключается в следующем: живые системы не пытаются избежать молекулярного шума; напротив, они пытаются подстроиться под его ритм.

В главе 4 мы описали квантовую когерентность при фотосинтезе как своего рода молекулярный оркестр, в составе которого музыканты — когерентные молекулы пигмента — демонстрируют очень четкую и слаженную игру. Однако система, элементы которой работают в унисон, сталкивается с одной проблемой: во внутриклеточном пространстве слишком шумно. Молекулярный оркестр исполняет свою программу не в тихом концертном зале, а в месте, напоминающем деловой центр города, — посреди какофонии молекулярного шума. Этот шум мешает музыкантам исполнять партии — вибрации экситона, которые то и дело выбиваются из общего ритма, что приводит к нарушению и без того хрупкого состояния квантовой когерентности.

С этой проблемой постоянно сталкиваются физики и инженеры, работающие над созданием таких приборов, как квантовые компьютеры. Специалисты используют две основные стратегии сдерживания молекулярного шума. Во-первых, когда это возможно, они стараются охлаждать системы практически до абсолютного нуля. При таких низких температурах молекулярные колебания затихают, что, в свою очередь, приводит к затиханию молекулярного шума. Во-вторых, внутри молекулярной студии звукозаписи они создают вокруг своих систем своего рода стеклянный щит, сквозь который не проникает шум окружающей среды. Разумеется, внутри живых клеток нет никаких студий звукозаписи, а растения и бактерии живут в теплой среде. Так как же фотосистемам удается так долго поддерживать мелодию оркестра квантовой когерентности?

Дело в том, что реакционные центры фотосинтеза используют две разновидности молекулярного шума для поддержания, а вовсе не нарушения когерентности. К первой разновидности относится более или менее слабый, низкий шум, который иногда называют белым шумом . Он напоминает теле- или радиопомехи, улавливаемые на всех частотах[176]. Белый шум исходит из термальных столкновений окружающих молекул и частиц, например молекул воды с ионами металлов, которыми заполнено пространство живой клетки. Ко второй разновидности относится цветной шум , более громкий. Этот шум характеризуется ограниченным диапазоном частот, подобно тому как окрашенный (видимый глазом) свет ограничен узким диапазоном частот электромагнитного спектра. Источником цветного шума являются колебания более крупных молекулярных структур в составе хлоропластов, например молекул пигмента (хлорофилла) и белковых структур, обеспечивающих их целостность. Белки, в свою очередь, представляют собой нити, на которые нанизаны аминокислотные бусины. Аминокислотные бусы закручены так, что на них легко держатся молекулы хлорофилла. Их изгибы и связи отличаются гибкостью, и они могут совершать колебания, но только на определенных частотах, подобно гитарным струнам. В свою очередь, молекулы пигмента также имеют собственную частоту колебаний. Эти колебания и производят цветной шум, который, как музыкальный аккорд, строится всего из нескольких нот. Фотосинтетическая реакционная система использует белый и цветной шум для продвижения когерентного экситона к реакционному центру.

К разгадке того, как живая клетка использует данные разновидности молекулярных колебаний, одновременно (в 2008–2009 годах) и независимо пришли две группы исследователей. Одну из них возглавляли супруги Мартин Пленио и Сюзана Хуэльга, на тот момент работавшие в Великобритании. Их давно интересовало влияние внешнего шума на динамику квантовых систем, поэтому они не были сильно удивлены, когда услышали об эксперименте с фотосинтезом, который в 2007 году провел Грэм Флеминг (об этом эксперименте мы говорили в главе 4). Сразу после этого они опубликовали несколько статей (не так уж широко цитируемых), в которых предлагалась модель того, что, по их мнению, происходит в ходе данного эксперимента[177]. Они предположили, что шумная среда живой клетки придает импульс квантовой динамике и скорее поддерживает, чем нарушает квантовую когерентность фотосинтетических комплексов и других биологических систем.

Другая группа ученых работала над той же проблемой по другую сторону Атлантики: коллектив специалистов по квантовой информации из МТИ под руководством Сета Ллойда, который ранее, как вы помните, считал наличие квантово-механических механизмов в растениях «бредовой идеей». Вместе с коллегами из соседнего Гарварда Ллойд внимательно исследовал фотосинтетический комплекс водорослей, в котором Флеминг и Энгель обнаружили квантовые биения[178]. Они показали, что замедлению или ускорению квантового продвижения когерентного экситона способствует шум внутриклеточного пространства. Все зависит от того, насколько громким является этот шум. Если температура системы достаточно низкая и сама система находится в состоянии покоя, экситон бесцельно колеблется, не стремясь никуда продвинуться. При относительно высокой температуре и шумной среде возникает так называемый квантовый эффект Зенона , задерживающий квантовое перемещение. Между этими двумя полярными состояниями находится зона Златовласки — совокупность условий, при которых возникают колебания, способствующие квантовому перемещению экситона.

Квантовый эффект Зенона назван именем древнегреческого философа Зенона Элейского, сформулировавшего философские проблемы в форме серии парадоксов, один из которых известен как апория о полете стрелы. Рассуждая о летящей стреле, Зенон отметил, что в каждый момент времени она занимает определенное положение. Если бы стрелу можно было наблюдать в какое-то определенное мгновение, то мы бы увидели, что в это мгновение она неподвижна и находится над землей в состоянии покоя. Парадокс заключается в том, что полет стрелы представляет собой последовательность застывших моментов времени, в которых стрела не движется. Если все эти моменты сложить, стрела летит. Как же последовательность моментов покоя образует движение? Дело в том, что определенный промежуток времени не состоит из последовательности неделимых промежутков отсутствия времени. Однако этот вывод ожидал своего часа, пока в XVII веке не был разработан математический анализ — спустя более двух тысячелетий с тех пор, как Зенон сформулировал свои апории. И все же парадокс Зенона сохранился по крайней мере в названии одного из самых оригинальных эффектов квантовой механики. Квантовые стрелы действительно способны замереть в полете благодаря акту наблюдения за ними.

В 1977 году физики из Техасского университета опубликовали статью о том, что в квантовом мире может происходить нечто, напоминающее апорию Зенона о полете стрелы[179]. Квантовый эффект Зенона (как впоследствии было названо данное парадоксальное явление) заключается в том, что частые наблюдения предотвращают некоторые квантовые события. К примеру, если постоянно наблюдать за радиоактивным атомом, то он никогда не распадется — этот эффект можно описать старой пословицей «Кто над чайником стоит, у того он не кипит». В реальности чайник в конце концов закипает, наблюдаете вы за ним или нет, однако, если вас одолевает жажда и вам очень хочется чаю, вам кажется, что чайник закипает целую вечность, — время будто бы замедляется. Однако, как указывал Гейзенберг, в квантовом мире акт наблюдения (или измерения) неизбежно влияет на поведение наблюдаемого объекта.

Чтобы понять, как относится парадокс Зенона к реальной жизни, обратимся снова к одной из стадий фотосинтеза — стадии переноса энергии. Давайте представим, что молекула хлорофилла внутри зеленого листочка захватила фотон солнечного света и преобразовала его энергию в экситон. В классическом понимании экситон — это частица, локализованная в пространстве и времени. Однако, как показал опыт с двумя щелями, квантовые частицы обладают также свойствами волны, позволяющими им пребывать в состоянии квантовой суперпозиции — во многих местах одновременно. Именно волновые свойства экситона играют ключевую роль в квантовом переносе энергии, поскольку благодаря этим свойствам экситон, как и волна воды, может распространяться одновременно в нескольких направлениях. Тем не менее квантовая волна может разбиться о рифы молекулярного шума внутри листа. Вследствие декогерентности экситон теряет волновые свойства и вновь превращается в локализованную частицу, занимающую одно определенное положение. Таким образом, молекулярный шум действует на частицу как своего рода постоянное измерение, и, если он достаточно интенсивен, декогерентность будет происходить очень быстро и у квантовой когерентности не остается шансов помочь экситону достичь пункта назначения. В этом и заключается квантовый эффект Зенона: волны из мира квантовой механики постоянно разбиваются о преграды из мира классической физики.

В ходе изучения влияния молекулярного шума (колебаний) на работу фотосинтетического комплекса бактерий команда ученых из МТИ обнаружила, что для квантового переноса оптимальными являются температуры, при которых бактерии и растения осуществляют фотосинтез. Идеальное совпадение оптимальных условий для квантового переноса энергии и температур, при которых протекает жизнедеятельность живых организмов, является примечательным фактом. Этот факт, по утверждению ученых, говорит о том, что квантовое эволюционное проектирование процесса перемещения экситона совершенствовалось на протяжении трех миллиардов лет действия естественного отбора и привело к созданию идеальных условий для самой важной биохимической реакции в биосфере. Как было отмечено авторами данного исследования в одной из поздних статей, «естественный отбор дает импульс квантовым системам для достижения ими той степени квантовой когерентности, которая „как раз хороша“ для максимальной эффективности»[180].

И все же благоприятные молекулярные колебания не ограничиваются такой разновидностью, как белый шум. В настоящее время считается, что ключевую роль в сдерживании декогерентности играет также цветной шум, производимый ограниченным диапазоном колебаний молекул хлорофилла или окружающих их белков. Если проводить аналогии, то белый тепловой шум можно представить как шум радиопомех, производимых плохо настроенным радиоприемником, а колебания цветного шума — как простой ритм вроде повторяющегося «боп-боп» в песне Good Vibrations («Приятные вибрации») группы The Beach Boys. Однако не следует забывать о том, что экситон также способен вести себя как волна и производить когерентные квантовые биения, которые были описаны Грэмом Флемингом и его коллегами. В двух статьях, опубликованных в 2012 и 2013 годах учеными из группы Мартина Пленио, работающей в Ульмском университете (Германия), говорится о том, что, когда когерентный экситон сбивается со своего ритма вследствие воздействия белого шума, настроить его на «верную мелодию» может цветной шум, если колебания экситона и окружающих его молекул белков (собственно цветной шум) войдут в один и тот же ритм[181]. Уже в 2014 году в журнале Nature появилась статья Александры Олайа-Кастро, в которой автор изложила результаты блестящего теоретического исследования. Оказалось, что экситон и колебания окружающих молекул (цветной шум) имеют общий квант энергии — явление, которое не может быть описано без обращения к теории квантовой механики[182].

Чтобы в полной мере оценить роль двух рассмотренных нами разновидностей молекулярного шума в процессе перемещении экситона, предлагаем вам вернуться к метафоре из мира музыки, которую мы приводили выше, и вновь представить фотосистему в виде оркестра. На этот раз музыкантами являются молекулы пигмента (хлорофилла), а исполняемой мелодией — экситон. Представьте, что мелодия начинается с соло скрипки — так молекула хлорофилла захватывает фотон и преобразует его энергию в колебания экситона. Затем мелодию-экситон подхватывают остальные струнные инструменты, затем духовые, и наконец вступают ударные, чей ритм символизирует реакционный центр. Кроме того, в нашем воображении оркестр исполняет эту мелодию в театре, где слушатели в зале постоянно производят белый шум — шуршат пакетами, ерзают в креслах, кашляют и чихают. Дирижер в нашей метафоре исполняет роль цветного шума.

Для начала представим, что мы оказались в зале и в этот вечер публика особенно расшумелась — музыканты с трудом слышат своих коллег и самих себя. Посреди громкого гула первая скрипка начинает свою партию, однако остальные музыканты не слышат ее и, следовательно, не могут вовремя подхватить мелодию. Это и есть ситуация, в которой возникает квантовый эффект Зенона: слишком интенсивный шум препятствует квантовому переносу энергии. Однако при очень низком уровне шума, скажем в пустом зале без единого зрителя, музыканты слышат только игру друг друга, поэтому все подхватывают первую партию, словно никак не могут избавиться от мелодии, застрявшей в голове, и сыграть каждый свою партию. Это обратная ситуация избытка квантовой когерентности, в которой экситон постоянно колеблется в пределах системы, однако так и не останавливается в каком-либо определенном месте.

В зоне Златовласки из зала не раздается лишних звуков — воспитанные зрители контролируют себя. Если и есть какие-либо помехи, то они лишь помогают музыкантам отвлечься от монотонного повторения одной партии и сыграть в полную силу и с правильным ритмом. Некоторые инструменты, бывает, все же сбиваются с общего ритма, однако лишь в том случае, если в зале какой-то невежа вдруг зашуршит пакетом. Но дирижер одним взмахом палочки возвращает их в общий ритм, и оркестр продолжает исполнять слаженную мелодию фотосинтеза.