Текст книги "Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии"

Итак, если бы частицы не умели танцевать джайв и вальс, наша Вселенная так и осталась бы бульоном из газообразного водорода и ничем более. Не было бы сияющих звезд, не сформировались бы никакие другие химические элементы, и вы сейчас не читали бы эти строки. Мы существуем благодаря способности протонов и нейтронов к такому парадоксальному квантовому поведению.

Последний пример снова возвращает нас в мир технологий. Знание законов квантового мира можно использовать не только для того, чтобы разглядеть крошечные объекты вроде вирусов, но и для того, чтобы заглянуть внутрь самих себя. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод исследования мягких тканей, позволяющий получать поразительно четкие изображения. МРТ-сканирование регулярно используется для подтверждения диагнозов и для обнаружения опухолей внутренних органов. В нетехнических описаниях МРТ, как правило, не упоминается тот факт, что этот метод основан на таинственных законах, действующих в квантовом мире. В МР-томографе используются мощнейшие магниты, способные изменять магнитный момент (спин) протона в ядре атомов водорода, находящихся в организме человека. Затем на ядра, протоны которых поменяли параметры спинов, воздействуют радиочастотным импульсом, что приводит к тому самому странному квантовому состоянию, когда частицы внутри ядра существуют одновременно в двух противоположных фазах. Бесполезно пытаться представить себе, как это выглядит, поскольку это невообразимо отличается от нашего повседневного опыта! Важно то, что, когда атомные ядра возвращаются в исходное положение (положение, в котором они пребывали до состояния квантовой суперпозиции, обусловленного воздействием магнитного поля), выделяется энергия, которую регистрирует электронная система сбора данных МР-томографа. Именно благодаря этой энергии мы получаем невероятно точные изображения внутренних органов пациента.

Если вы когда-нибудь окажетесь внутри МР-томографа, слушая приятную музыку через наушники, подумайте о парадоксальном квантовом поведении частиц, благодаря которому работает это удивительное диагностическое устройство.

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[5]5
  Следует оговориться, что специалисты в области квантовой физики не пользуются таким упрощенным языком. Правильнее будет сказать, что две удаленные, но запутанные частицы сохраняют нелокальную взаимозависимость потому, что являются частями одного и того же квантового состояния. Однако такая формулировка мало что проясняет, не правда ли?


[Закрыть]. 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[6]6
  Поскольку свет – это не только частицы, но и волна, поляризацию (в отличие от квантового спина) гораздо проще понимать как направление, в котором распространяется волна.


[Закрыть]. 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?[7]7
  И вновь мы во многом упрощаем язык изложения, чтобы читатель мог себе представить описываемое максимально ясно. Измерение определенного свойства квантовой частицы (например, ее положения) означает, что у нас больше нет неопределенности относительно этого свойства – оно попадает в центр нашего внимания и перестает быть туманным, неясным. Однако это не означает, что отныне, с измеренным и описанным нами свойством, частица начинает вести себя традиционно, в рамках классической физики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга частица больше не имеет фиксированной скорости. На самом деле частица в определенном положении будет в тот момент времени находиться в состоянии суперпозиции, двигаясь одновременно со всеми возможными скоростями и во всех возможных направлениях. Что касается квантового спина, поскольку это свойство присуще только объектам микромира, его измерение точно не заставит частицу вести себя подобно объекту классической механики.


[Закрыть] 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

Если квантовая механика – обычное дело, к чему такая шумиха вокруг квантовой биологии?

Итак, вы уже знаете, что квантовое туннелирование и квантовая суперпозиция – явления, которые происходят как внутри Солнца, так и в технических устройствах, например в электронном микроскопе или МР-томографе. Так что же удивительного в том, что квантовые явления могут происходить и в биологии? Биология, если уж на то пошло, представляет своего рода прикладную химию, а химию можно считать разновидностью прикладной физики. А если докапываться до глубин и основ, не является ли все вокруг, включая нас с вами и всех живых существ, сплошной физикой? На этот аргумент ссылаются многие ученые, считающие, что квантовую механику необходимо внедрять в биологию на очень глубоком уровне. При этом они настаивают, что ее роль в биологии ничтожно мала. Под этим они подразумевают следующее: поскольку законы квантовой механики управляют поведением атомов, а биология в конечном счете и есть не что иное, как взаимодействие атомов, то они же – законы квантового мира – должны действовать и на нижележащих уровнях организации жизни, изучаемых биологией. Однако эти законы действуют лишь в тех пределах, в которых они не оказывают значительного влияния на процессы жизнедеятельности, характерные для более высоких уровней организации жизни.

Разумеется, эти ученые правы лишь отчасти. Биомолекулы (например, молекулы ДНК или ферментов) состоят из таких элементарных частиц, как протоны и электроны, взаимодействие которых регулируется законами квантовой механики. Но, с другой стороны, из тех же частиц состоит и книга, которую вы читаете, и стул, на котором вы сидите. Наконец, и то, как вы ходите, говорите, едите или спите, зависит от тех же квантовых сил, которые управляют поведением электронов, протонов и других частиц, не говоря уже о том, что от квантовой механики напрямую зависит функционирование вашей машины или тостера. По большому счету, вам не обязательно знать обо всем этом. Автомеханики не должны посещать лекции и сдавать экзамен по квантовой механике, а в большинстве университетских курсов по биологии не упоминаются ни туннельный эффект, ни квантовая запутанность, ни суперпозиция. Люди прекрасно живут, ничего не зная о том, что в квантовом мире действуют законы, кардинально отличающиеся от привычных законов окружающего нас мира. Те квантовые странности, которыми наполнен микромир, никак не отражаются на функционировании машин или тостеров – видимых предметов, которыми мы пользуемся каждый день.

Почему не отражаются? Да, футбольные мячи не летают сквозь стены, между людьми не существует мистических связей на расстоянии (если не считать выдумки о телепатии) и, к большому сожалению, вы не можете одновременно находиться и в офисе, и дома. Но ведь элементарные частицы, находящиеся внутри футбольного мяча или человека, могут творить все эти чудеса. Почему же существует рубеж, непереходимая граница между видимым миром и тем миром, который, согласно утверждениям физиков, кроется за пределами видимого? Это одна из самых глубоких проблем в современной физике, и связана она с явлением квантовых измерений, о которых мы говорили выше. Когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором (например, с поляризованной линзой, как в эксперименте Аспе), она теряет чудесные квантовые свойства и начинает вести себя как объект классической механики. Но измерения, проводимые физиками, не могут обусловливать проявления видимого, окружающего нас мира больших объектов. Что же тогда заставляет объекты отказываться от квантового поведения за пределами физической лаборатории?

Ответ на этот вопрос связан с тем, как организованы частицы в атомах и как они движутся внутри больших (макроскопических) объектов. Внутри твердых тел атомы и молекулы обычно распределены беспорядочно и совершают неравномерные колебания около собственных состояний равновесия; внутри жидкости или газа атомы и молекулы постоянно находятся в состоянии беспорядочного движения. Эти факторы – беспорядочное распределение, колебание и движение – обусловливают быструю утрату частицами их волновых квантовых свойств. Иными словами, совокупность внутренних факторов и без физиков совершает «квантовое измерение» каждой из частиц, из которых состоит какое-либо вещество, заставляя их менять свое поведение и придавая миру, который нас окружает, привычные формы и краски. Чтобы увидеть квантовые чудеса частиц, вам нужно оказаться в очень необычном месте (например, внутри Солнца), заглянуть в самые глубины микромира (с помощью таких приборов, как электронный микроскоп) или аккуратно выставить в одну линию квантовые частицы так, чтобы они прошлись у вас перед глазами стройным маршем (как это делают спины ядер водорода внутри вашего тела, когда вы лежите внутри МР-томографа, пока не выключат магниты и ориентация спина ядра снова не станет случайной, вновь нейтрализуя квантовые связи). Благодаря подобной молекулярной рандомизации мы и можем обходиться без квантовой механики большую часть времени: квантовые чудеса не работают внутри окружающих нас видимых объектов, которые состоят из случайно ориентированных молекул, находящихся в постоянном движении.

Большую часть времени… но не всегда. Шультен обнаружил, что скорость быстрой триплетной химической реакции находит объяснение только в том случае, если обратиться к удивительному квантовому свойству запутанности. Но ведь быстрая триплетная реакция всегда является такой – быстрой. А участвует в ней всего только пара молекул. Если бы эта реакция была причиной поразительных навигационных способностей малиновки, она бы оказывала продолжительное воздействие на весь организм птицы. Поэтому утверждение, что внутренний птичий магнитный компас работает на основе квантовой запутанности, находилось на совершенно ином уровне по сравнению с утверждением о том, что запутанность каким-то образом связана с некой замысловатой химической реакцией, в которой участвует только пара частиц. Но и это утверждение было встречено немалым скептицизмом. Считалось, что живые клетки состоят в основном из воды и биомолекул, которые находятся в состоянии возбуждения, что приводит к постоянному измерению их состояния и утрате странных квантовых свойств. Под словом «измерение» мы, разумеется, не подразумеваем того, что молекулы воды или биомолекулы выполняют измерения подобно тому, как мы измеряем вес или температуру объекта, а затем записываем эти показатели на бумагу или на жесткий диск компьютера либо просто запоминаем их. Мы говорим о том, что происходит, когда молекула воды сталкивается с одной из запутанных частиц: ее последующее движение будет зависеть от состояния этой частицы. Если бы вы исследовали движение молекулы воды после столкновения с частицей, вы бы смогли сделать вывод о некоторых свойствах этой частицы. Поэтому в каком-то смысле молекула воды выполнила экспериментальное «измерение», поскольку ее движение фиксирует состояние запутанной пары частиц независимо от того, существует ли наблюдатель их столкновения. Даже подобное случайное измерение обычно приводит к нарушению состояния запутанности. Вот почему утверждение о том, что частицы способны сохранять настолько тонко организованные квантовые состояния запутанности в теплом пространстве сложно устроенных живых клеток, принималось многими за нелепую идею, граничащую с безумием.

Тем не менее в последние годы наши познания в этой области значительно расширились, и не только в связи с изучением птиц. Было обнаружено, что такие квантовые явления, как суперпозиция и туннельный эффект, являются частью многих биологических процессов – от поглощения солнечного света растениями до синтеза биомолекул во всех клетках нашего организма. Даже чувство обоняния или набор генов, который мы наследуем от родителей, могут зависеть от таинственного квантового мира. Статьи с результатами исследований в области квантовой биологии регулярно появляются на страницах самых престижных научных журналов мира. Более того, уже существует небольшая (но постоянно растущая) группа ученых, уверенных в значительной, даже решающей роли законов квантовой механики в самом явлении жизни, а также в том, что жизнь и есть то самое состояние, которому таинственные квантовые свойства присущи на границе микро– и макромиров.

Нам стало ясно, что таких ученых пока очень мало, когда мы решили провести международный симпозиум по квантовой биологии в Университете Суррея в сентябре 2012 года: на симпозиум приехали почти все специалисты в этой области, и все они разместились в небольшом лекционном зале. Однако в сферу квантовой биологии приходит все больше ученых, вдохновленных открытиями, которые подтверждают значительную роль квантовой механики в биологических процессах. Одной из самых увлекательных исследовательских областей, способной серьезно повлиять на развитие новых квантовых технологий, является та, что с недавних пор приоткрывает ученым тайну способности мистических квантовых свойств сохраняться в теплой, влажной и беспорядочной среде живых организмов.

Чтобы в полной мере представить себе значимость этих открытий, мы должны сперва ответить на вопрос, который обманчиво может показаться вам простым: что есть жизнь?