Квантовая жизнь

Возможны ли квантовые процессы в живой материи и зачем они там нужны?

Изображение: RayHennesy/ФОТОДОМ/Shutterstock

Законы квантовой механики отлично описывают электроны, атомы и молекулы, но выглядят бессильными перед живой материей, которая из них слагается. Наши слова, инстинкты, движения — вряд ли мы сейчас готовы даже допустить мысль, что они обусловлены какими-то непредсказуемыми квантовыми явлениями, но, кажется, времена меняются. Ученые уже показали, что на квантовой механике замешан фотосинтез растений и навигация растений, а теперь задумываются о большем.

Микроскопический мир живет по законам квантовой физики. Электроны вращаются вокруг атомных ядер, атомы собираются в молекулы, а фотоны взаимодействуют с материей, и все это — в соответствии с какими-то загадочными правилами, которые разрешают одной частице быть сразу в нескольких местах. В большом мире такого не происходит. Здесь кот всегда либо жив, либо мертв, метро приходит с интервалом в 2−3 минуты (по вечерам — до 10), а зубы рекомендуют чистить хотя бы два раза — утром и вечером, и это даже странно. Все макроскопические объекты построены из тех же самых атомов и частиц, но квантовые законы для них не властны, они как будто теряют силу где-то в зазоре между микро и макро.

Во многом именно поэтому мы можем жить вполне размеренно и надежно — рассчитывать на гарантированные и предсказуемые результаты своих действий, знать, что метр всегда остается метром, сколько бы его не измеряли, и чувствовать, что пространство вокруг не выкинет фокусов, не породит из небытия какую-нибудь виртуальную частицу. И тем удивительней, что иногда жизнь все-таки использует законы квантового мира.

Квантовая проводка

Нас учат восторгаться фотосинтезу со школы. Еще бы: берем немного света, немного воды, углекислый газ и получаем глюкозу. Настоящее чудо. Человек давно пытается отдаленно воспроизвести этот фокус в солнечных батареях, но получается пока не очень уверенно: хотя они и должны превращать фотоны света всего лишь в электроны, а не органическое топливо, эффективность работы коммерческих фотоэлементов не превышает 30—40%.

Такому низкому КПД есть масса разных причин, и одна из них — это ненадежный транспорт энергии внутри солнечных батарей. Дело в том, что фотоны солнечного света никогда не превращаются напрямую в электроны, питающие наши ноутбуки и телефоны, а проходят вместо этого много промежуточных этапов, сопряженных с неминуемыми потерями.

Однако не менее сложна и логика фотосинтеза: там фотоны улавливаются молекулами хлорофилла и порождают энергетические возбуждения, которые по хитросплетению органических молекул должны добраться к отдаленному реакционному центру, где их энергия пойдет на построение органических веществ. Но только в природе такой запутанный перенос заряда идет почти со 100-процентной эффективностью, а в солнечных батареях все гораздо скромнее.

Кроме этого, передача энергии в фотосинтезе происходит не только аномально эффективно, но еще и аномально быстро — настолько, что ученые разглядели в этом след квантовых процессов, а именно квантовой когеренции, сохраняющейся на уровне всего светособирающего комплекса, состоящего из десятков молекул.

Светособирающий комплекс I у высших растений. Вид сверху. Изображение: Wikipedia.

Многие скептики тогда не поверили в квантовость фотосинтеза. Живая материя кажется слишком «теплой и влажной», чтобы в ней проявлялись квантовые эффекты: тепловые движения молекул должны вызывать декогеренцию — сбивать своим хаосом все тонкие и гармоничные сонастройки, но в реальности такого не происходит. В 2007 году американские и чешские ученые показали когерентность энергетических возбуждений в фотосинтетических мембранах бактерий: они существуют в виде согласованных, не мешающих друг друг волн, «ищущих» оптимальный путь до реакционного центра и как будто обнюхивающих все возможные траектории.

Эксперименты, показали что когерентные состояния живут в фотосинтезирующих молекулах порядка пикосекунд, что вполне сопоставимо с характерными временами колебаний атомов, которые почему-то не разрушают этой гармонии. Более того, дальнейшие работы уже на фотосинтетических системах растений показали, что колебания атомов даже помогают сохранить квантовую когерентность и увеличивают эффективность передачи энергии: живой природе удается преодолеть эту пропасть между микро и макромиром. Как умелый капитан корабля, она не слепо сопротивляется молекулярному шторму, а умеет подстраиваться под него.

Квантовый компас

Люди тоже пытаются приручить квантовую механику, и с каждым годом это получается все лучше, но пока квантовые компьютеры или устройства квантового шифрования существуют только в условиях сверхнизких температур или глубокого вакуума, снижающих шум теплых и влажных условий. Природа справляется с этими задачами куда смелей: ей даже удалось встроить в птиц квантовые компасы, позволяющие чувствовать геомагнитные поля настолько хорошо, что это дает возможность ориентироваться на масштабах в тысячи километров.

Сейчас ученые считают, что в основе птичьей магниторецепции лежит явление квантовой запутанности — взаимосвязанности и взаимозависимости характеристик некоторых квантовых объектов, сохраняющейся даже на макроскопических расстояниях.

Работает все это следующими образом: квант света попадает на сетчатку глаза, что запускает каскад реакций, в конце концов приводящих к образованию двух свободных радикалов — очень реакционноспособных молекул, каждая из которых обладает неспаренным электроном. При этом так получается, что эти два электрона перепутаны между собой и чувствуют состояние друг друга даже через расстояние.

Когда спин — собственный магнитный момент одного из этих электронов — ориентируется в направлении внешнего геомагнитного поля, спин второго электрона тоже меняет свою ориентацию, а поскольку от ориентаций спинов зависят и химические свойства радикалов, дальше вступающих в различные биохимические реакции, внешнее магнитное поле, получается, определяет химический состав этой магниточувствительной биосистемы.

Эксперименты показывают, что подобные синтетические системы способны реагировать на магнитные поля вплоть до 50 миллитесла, что сопоставимо с магнитным полем Земли. Никакие искусственные квантовые сенсоры подобной чувствительности пока не добились. Поэтому многие ученые считают, что квантовые явления в живой природе стоит очень внимательно изучать хотя бы для того, чтобы перенести самые удачные наработки в наши несовершенные солнечные батареи, квантовые компьютеры и другие устройства.

Квантовый нос

Общепринятая теория обоняния считает, что запахи рождаются ароматическими молекулами, которые входят в подходящие обонятельные рецепторы по принципу «ключ—замок» и запускают нервные импульсы, убегающие до обонятельных центров головного мозга. У этой теории много подтверждений и сильных сторон, но также есть и свои слабости: например, непонятно, почему очень похожие по своему строению молекулы часто могут обладать совершенно разными запахами, хотя, казалось бы, они должны попадать в одни и те же рецепторы.

Биофизик Лука Турин решил, что здесь замешана квантовая механика: живые организмы, по его мнению, действительно реагируют на летучие ароматические вещества, но только считывают их структуру не за счет взаимодействий по принципу «ключ—замок» (то есть с формы молекулы), а за счет туннельного эффекта, позволяющего живому чувствовать положение электронных уровней молекул.

В 2011 году эта вибрационная теория обоняния даже получила серьезное подтверждение: эксперименты показали, что мухи способны различать легкие и тяжелые изотопы одного и того ароматического вещества, ацетофенона (в легких изотопах были атомы водорода, в тяжелых — атомы дейтерия). Однако работы других научных групп противоречили этим результатам, и в конце концов команда Турина признала свою экспериментальную ошибку.

Квантовое мышление

В индустриальный век люди сравнивали мозг со сложной, запутанной машиной. Потом он стал компьютером, теперь — нейрокомпьютером, и дальше, вероятно, нас ждут все новые сравнения: человеку от природы свойственно уподоблять себя сложной технике, что его окружает. Что-то похожее произошло и с известным английским математиком сэром Роджером Пенроузом. Он долго занимался общей теорией относительности и квантовой теорией, а потом задумался над проблемой сознания и решил, что мышление не может быть только продуктом биохимических вычислений нашей нервной системы, и «методом исключения» дошел до понимания, что сознание может порождаться только квантовыми процессами.

Логика этого построения совершенно туманна, но дальше события развивались примерно следующим образом. Пенроуз предположил, что сознание рождается в акте объективной редукции волновых функций — том самом схлопывании волновой функции, ломающей согласованность квантовых колебаний, и стал искать, где именно это происходит в мозге. Дальше в его веру обратился Стюарт Хамерофф, известный анестезиолог, уверенный, что сознание человека порождается работой микротрубочек — внутриклеточных белковых структур, входящих в состав цитоскелета, и вместе они решили, что сознание и память есть продукт квантовых вычислений, проходящих в этих самых микротрубочках внутри нейронов головного мозга.

Большинство современных ученых считают эту теорию абсолютно маргинальной, но Пенроуз и Хамерофф уверены в своей правоте: микротрубочки, по их мнению, есть очень сложный квантовый компьютер, что-то наподобие фотосинтетического комплекса, но только вычисляют они не оптимальный путь электронного возбуждения до реакционного центра, а всю работу нашего сознания, диктующую в том числе и обычные нервные импульсы, бегущие по нейронам. Никаких надежных экспериментальных подтверждений этой теории пока нет, но последователи Пенроуза уже идут дальше: следы квантовых вычислений они находят уже в шизофрении или в депрессии и даже выпускают свой научный журнал.

Подобные предположения о квантовой сути природных явлений будут звучать еще очень долго — до тех пор, пока передний фронт науки и технологий не переместится еще куда-нибудь, и какие-то из них окажутся верными, какие-то наверняка помогут нам развить свою технику, а большинство, наверное, так и останутся только смелыми идеями, рожденными научной модой.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: