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

Де-волт и Чанс провели совместный эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал короткую вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. Ученые обнаружили, что при снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Это и ожидалось в случае, если процесс переноса электронов зависел только от количества тепловой энергии. Тем не менее, когда Де-волт и Чанс установили температуру реакции ниже 100 К, произошло нечто странное. Скорость процесса переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и продолжала оставаться неизменной, пока температура не упала до 35° выше абсолютного нуля (–238 °C). Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов, описанных выше. За ответом вновь следует отправиться в квантовый мир, а именно рассмотреть такое явление, как квантовое туннелирование, которое мы упоминали в главе 1.

Квантовое туннелирование

Из главы 1 вы, должно быть, помните, что квантовое туннелирование – это процесс, в ходе которого частицы преодолевают непреодолимые барьеры с той же легкостью, с какой звук проходит сквозь стены. Квантовое туннелирование было открыто в 1926 году немецким физиком Фридрихом Хундом и вскоре после этого было успешно использовано Георгием Гамовым, Рональдом Гернеем и Эдвардом Кондоном для объяснения понятия радиоактивного распада, причем все трое применили при этом новую в то время математику квантовой механики. Квантовое туннелирование стало одним из главных понятий ядерной физики, а впоследствии нашло широкое применение в материаловедении и химии. Как мы уже говорили, этот эффект имеет огромное значение для земной жизни, поскольку именно благодаря ему пары положительно заряженных ядер водорода, находящиеся внутри Солнца, сливаются воедино, начиная тем самым процесс превращения водорода в гелий, при котором выделяется огромное количество солнечной энергии. И все же до недавнего времени никто не предполагал, что квантовое туннелирование как-то связано с процессами, протекающими в живой материи.

Квантовое туннелирование можно понимать как способ, с помощью которого частицы, находящиеся сначала по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону, причем здравый смысл подсказывает, что этот способ невозможен. Под «барьером» мы подразумеваем физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства – что-то похожее на силовые поля из научной фантастики. Такой барьер может представлять собой узкий участок изоляционного материала, разделяющего проводники, или пустое пространство, например расстояние между двумя ферментами в дыхательной цепи. Он также может быть чем-то вроде энергетического «холма», который мы описывали выше, и ограничивать скорость протекания химических реакций (см. рис. 3.1). Представьте себе мячик, который толкнули вверх по склону невысокого холма. Для того чтобы мячик докатился до вершины, а затем скатился вниз по другому склону, необходимо толкнуть его достаточно сильно. Поднимаясь по склону, мяч будет замедлять движение и без необходимого количества энергии (полученной при достаточно сильном толчке) просто остановится и скатится туда, откуда его толкнули. Согласно классической механике Ньютона, единственный способ заставить мяч преодолеть барьер в виде вершины холма заключается в том, чтобы придать ему достаточное количество энергии для преодоления этой «энергетической» вершины. Но если бы на месте мяча оказался, скажем, электрон, а холм представлял бы собой барьер энергии отталкивания, существовала бы вероятность того, что электрон преодолел бы этот барьер в виде волны, прокладывая себе альтернативный и более эффективный путь. Это и есть квантовое туннелирование (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Квантовое туннелирование сквозь энергетический ландшафт

Важной особенностью квантового мира является то, что чем легче частица, тем легче она преодолевает энергетический барьер. Следовательно, ничего удивительного нет в том, что, как только стало понятно, что этот процесс – обычное явление для внутриатомного мира, ученые быстро обнаружили, что наиболее распространено в квантовом мире именно туннелирование электронов, поскольку они представляют собой чрезвычайно легкие элементарные частицы. Эмиссия электронов из металлов под действием электрического поля была описана в конце 1920-х годов именно как туннельный эффект. Квантовое туннелирование объяснило и то, как именно происходит радиоактивный распад: ядра определенных атомов, например урана, вдруг выбрасывают частицу. Этот пример считается первым успешным применением квантовой механики для решения проблем ядерной физики. В современной химии также подробно описано квантовое туннелирование электронов, протонов (ядер водорода) и даже более тяжелых атомов.

Важной особенностью квантового туннелирования является его зависимость (как и многих других квантовых явлений) от волновой природы частиц вещества. Однако тело, состоящее из большого количества частиц, которым необходимо преодолеть барьер, должно поддерживать такие условия, в которых волновые аспекты всех его составляющих подходили бы друг другу (например, совпадали бы длины волн). Иными словами, тело должно представлять собой то, что мы назвали бы когерентной системой или попросту системой, работающей «в унисон». Декогеренция описывает процесс, в ходе которого множество квантовых волн стремительно выбиваются из общего ритма и нарушают общее когерентное поведение, лишая тело способности к квантовому туннелированию. Частица может участвовать в квантовом туннелировании, только если она сохраняет волновые свойства, необходимые для преодоления барьера. Вот почему крупным объектам, например футбольным мячам, не свойственно квантовое туннелирование: они состоят из триллионов атомов, поведение и волновые свойства которых невозможно скоординировать и превратить в когерентную систему.

По квантовым меркам живые клетки также являются крупными объектами, поэтому с первого взгляда возможность квантового туннелирования в теплой и влажной среде живых клеток, где атомы и молекулы движутся в основном беспорядочно, кажется невероятной. Однако, как мы уже выяснили, внутренне строение фермента отличается от неупорядоченной среды клетки: движение его частиц представляет собой скорее хорошо поставленный танец, нежели суетливую толкотню. Давайте разберемся, насколько важна эта хореография частиц для жизни.

Квантовое туннелирование электронов в биологии

Де-волт и Чанс провели свой знаменитый эксперимент в 1966 году. Прошло всего несколько лет, и неожиданный температурный профиль эксперимента оказался вполне объяснимым. Джон Хопфилд – еще один американский ученый, сфера интересов которого охватывает несколько научных дисциплин – от молекулярной биологии и физики до компьютерных технологий. Хопфилд знаменит прежде всего как изобретатель ассоциативной нейронной сети, однако его всегда интересовали также и физические процессы, имеющие большое значение для биологии. В 1974 году он опубликовал работу под названием «Перенос электронов между биомолекулами путем термоактивированного туннелирования» [8], в которой предложил теоретическую модель, объясняющую результаты эксперимента Де-волта и Чанса. Хопфилд указал на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний будет недостаточно для того, чтобы поддержать ферментативную реакцию. Однако Де-волт и Чанс обнаружили, что реакция не прекращается при низких температурах. Хопфилд предположил, что при низких температурах электрон приводится в положение, при котором он оказывается на середине склона энергетического холма, при этом расстояние до вершины, которое он должен преодолеть, становится короче, а шансы на успешное осуществление квантового туннелирования – выше. И он оказался прав: перенос электронов путем туннелирования происходит даже при очень низких температурах, как и показали Де-волт и Чанс.

В наши дни не многие ученые ставят под сомнение тот факт, что электроны путешествуют по дыхательным цепям путем квантового туннелирования. Это позволяет отнести важнейшие реакции покорения энергии в живых и (нефотосинтезирующих) микробных клетках строго к сфере квантовой биологии (о фотосинтезирующих клетках мы будем говорить в следующей главе). Однако электроны очень легкие, даже по меркам квантового мира, а их поведение явно имеет волновую природу. Таким образом, их движение нельзя описывать как хаотичное толкание и отскакивание друг от друга по аналогии с классическими маленькими частицами, несмотря на то что во многих стандартных работах по биохимии, опирающихся на планетарную модель атома, их движение описывается именно так. Намного более обоснованными и подходящими являются представления об электронах в атоме как о расфокусированном волновом облаке «электронности», которое окружает крошечное ядро, – «облаке вероятности», о котором мы говорили в главе 1. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что электронные волны способны проходить сквозь энергетические барьеры, словно звуковые волны сквозь стены (см. главу 1), даже в биологических системах.

А как насчет более крупных частиц, таких как протоны или даже целые атомы? Возможно ли их участие в квантовом туннелировании в биологических системах? Скорее всего, вы думаете, что это невозможно. Даже один протон в две тысячи раз тяжелее электрона, а ведь известно, что механизм квантового туннелирования весьма избирателен в этом плане: маленькие частицы легко преодолевают барьеры, в то время как крупные частицы испытывают в этом значительные трудности до тех пор, пока расстояние до вершины барьера не становится слишком малым. Тем не менее недавние блистательные эксперименты показали, что даже относительно крупные частицы осуществляют квантовое туннелирование в ходе ферментативных реакций.

Перемещение протонов

Как вы помните, фермент коллагеназа (см. рис. 3.4) не только стимулирует перенос электронов, но и перемещает протоны с целью ускорить распад коллагеновой цепи. Как уже упоминалось, данная реакция является одним из самых распространенных типов манипулирования частицами, которое осуществляют ферменты. Перемещение атома водорода происходит в каждой третьей реакции с участием ферментов. Обратите внимание на то, что под словосочетанием «атом водорода» могут подразумеваться разные частицы: нейтральный атом водорода (Н), состоящий из электрона, окружающего ядро атома (протон); положительно заряженный ион водорода (Н+), представляющий собой голое ядро – протон без электрона; или отрицательно заряженный ион – атом водорода с дополнительным электроном (Н—).

Как скажет вам любой уважающий себя химик или биохимик, перемещение атомов (хорошо, протонов) водорода внутри одной молекулы или между двумя разными не обязательно подразумевает некий квантовый эффект или по крайней мере явление, для объяснения которого мы должны обращаться к замысловатым процессам квантового мира, например к туннелированию. В самом деле, считается, что в большинстве реакций, протекающих при температурах, при которых возможна жизнь, протоны перемещаются от молекулы к молекуле в основном неквантовыми тепловыми скачками. Однако туннелирование протонов происходит в ходе нескольких реакций, для которых характерна относительная независимость от температуры – реакций, похожих на ту, которую провели Де-волт и Чанс, чтобы продемонстрировать туннелирование электронов.

Жизнь возможна при высоких температурах (по меркам квантового мира). Поэтому на протяжении почти всей истории биохимии ученые полагали, что перенос протонов в ферментативных реакциях обусловлен исключительно неквантовым механизмом скачка через энергетический барьер[28]28
  Возможно, у вас возникнет вопрос: зачем объяснять процессы слияния протонов внутри Солнца в терминах квантового туннелирования? Однако даже невероятно высокой внутрисолнечной температуры и давления недостаточно для того, чтобы два положительно заряженных протона преодолели электрическое отталкивание и слились в одно ядро. В таком случае на помощь приходит квантовая механика.


[Закрыть]. Уверенность биохимиков пошатнулась в 1989 году, когда Джудит Клинман и ее коллеги из Беркли впервые доказали участие протонов в квантовом туннелировании в ходе ферментативных реакций [9]. Клинман давно указывала на большое значение туннелирования протонов для молекулярного механизма жизни. Более того, она утверждала, что это один из самых важных и наиболее распространенных механизмов во всей биологии. Открытие было совершено ею в ходе изучения конкретного фермента, а именно алкогольдегидрогеназы (АДГ), чья функция заключается в переносе протона из молекулы спирта в другую небольшую молекулу НАД+ и образовании НАДН (никотинамидадениндинуклеотида, молекулы, о которой мы уже говорили как об основном энергетическом барьере клетки). Команде ученых под руководством Клинман удалось подтвердить возможность туннелирования протонов, используя искусную технику кинетического изотопного эффекта. Эта идея хорошо известна в химии и заслуживает нашего с вами внимания, поскольку она доказывает едва ли не главное предположение квантовой биологии. На протяжении книги мы еще много раз будем обращаться к кинетическому изотопному эффекту.

Кинетический изотопный эффект

Вы когда-нибудь пробовали заехать на вершину холма на велосипеде? Если пробовали, то вас наверняка обгоняли пешеходы. На ровной дороге вы, управляя велосипедом, без труда обогнали бы всех пешеходов и даже бегунов. Так почему же езда на велосипеде по склону холма становится менее продуктивной?

Теперь представьте себе, что вы слезли с велосипеда и идете пешком, ведя его за собой по ровной дороге или по склону холма. Сейчас все очевидно. Идя по склону, вы не только должны сами подниматься, но и толкать вверх велосипед. Вес велосипеда, который не имел особого значения при езде по горизонтальной поверхности, теперь работает против вас, когда вы пытаетесь подняться на вершину холма: вы тянете на себе велосипед, на протяжении многих метров преодолевая силу притяжения Земли. Вот почему производители гоночных велосипедов придают большое значение тому, насколько легкой будет модель велосипеда. Безусловно, вес объекта имеет большое значение в том случае, если его придется двигать человеку, однако наш пример с велосипедом скорее говорит о том, что важен не только вес объекта, который приходится толкать, но и тип движения.

А сейчас вообразите, что вам хочется узнать, какая между двумя городами, скажем А и Б, пролегает местность: ровная или холмистая. При этом у вас не было возможности поехать в эти города и проверить это лично. Если вам известно, что между этими городами есть почтовое сообщение, причем почтальоны используют легкие и тяжелые велосипеды, один из вариантов выяснить особенности рельефа таков: необходимо отправить наборы одинаковых посылок из одного города в другой, при этом половину посылок передать с почтальонами на легких велосипедах, а вторую – с почтальонами на тяжелых. Если выяснится, что доставка всех ваших посылок заняла примерно одинаковое время, вы можете сделать вывод о том, что между городами местность скорее ровная. Если же доставка посылок на тяжелых велосипедах заняла гораздо больше времени, вы поймете, что местность между А и Б скорее холмистая. Таким образом, наши почтальоны-велосипедисты занимаются зондированием неисследованных территорий.

Атомы любого химического элемента бывают, как и велосипеды, разного веса. Возьмем, к примеру, водород – самый простой элемент, который тем не менее представляет для нас с вами большой интерес. Каждый элемент определяется количеством протонов в ядре, которое совпадает с количеством электронов, окружающих ядро. Так, в ядре водорода находится один протон, в ядре гелия – два, лития – три и т. д. Однако ядра атомов содержат не только протоны, но и нейтроны, о которых мы упоминали в главе 1, когда говорили о слиянии ядер водорода внутри Солнца. Если в ядро попадают нейтроны, он становится тяжелее и его физические свойства меняются. Атомы одного элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Обычный изотоп водорода – самый легкий, поскольку состоит только из одного протона и электрона. Это самая распространенная форма водорода. Существует еще два более редких изотопа водорода: дейтерий (D), имеющий один лишний электрон, и тритий (Т), у которого два лишних электрона.

Поскольку химические свойства элементов обусловливаются в основном количеством электронов в атомах, разные изотопы одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов в атомных ядрах, будут иметь очень сходные, однако не идентичные химические свойства. Кинетический изотопный эффект показывает, насколько чувствительна химическая реакция к замене атомов в молекуле реагирующего вещества на более тяжелые изотопы. Он определяется как отношение скоростей реакции, протекающей с тяжелыми и легкими изотопами. Например, если в реакции участвует вода, тогда атомы водорода в молекулах H₂O могут заменяться своими более тяжелыми собратьями – дейтерием и тритием, образуя соответственно молекулы D₂O или T₂O. Точно как наши почтальоны на велосипедах, реакция может отреагировать на изменение веса атомов, а может и не отреагировать – все зависит от пути, который выберут вещества, вступающие в реакцию, чтобы в итоге стать ее продуктами.

Существует несколько механизмов, обеспечивающих сильные кинетические изотопные эффекты. Одним из этих механизмов является квантовое туннелирование – процесс, который, как и езда на велосипеде, зависит от массы частицы, пытающейся преодолеть барьер. Чем больше масса частицы, тем меньше проявляются ее волновые свойства, а следовательно, тем ниже вероятность того, что частица преодолеет энергетический барьер. Поэтому увеличение массы атома вдвое, например, в случае замены обычного изотопа водорода дейтерием резко снижает вероятность его участия в квантовом туннелировании.

Таким образом, наличие сильного кинетического изотопного эффекта может свидетельствовать о том, что механизм реакции – путь от реагирующих веществ до продуктов – подразумевает квантовое туннелирование. Однако это не единственно возможный вывод, поскольку эффект может быть обусловлен и классическими химическими явлениями, не связанными с законами квантовой механики. Но если в ходе реакции имеет место именно квантовое туннелирование, реакция должна определенным образом отреагировать на изменение температуры: ее темп перестает ускоряться и выравнивается при низкой температуре, как и показал опыт Де-волта и Чанса в случае туннелирования электронов. То же самое показали опыты Клинман и ее команды для фермента АДГ, причем в ходе экспериментов были получены строгие доказательства того, что квантовое туннелирование было в данном случае частью механизма реакции.

Команде ученых под руководством Клинман удалось получить важные доказательства того, что туннелирование протонов часто происходит в ходе ферментативных реакций при температурах, при которых также протекают жизненные процессы. Другие коллективы ученых, в том числе и группа под руководством Найджела Скраттона из Манчестерского университета, проводили подобные эксперименты с другими ферментами и наблюдали кинетические изотопные эффекты, указывающие на то, что реакция сопровождается квантовым туннелированием [10]. И все же вопрос о том, каким образом ферменты поддерживают квантовую когерентность и способствуют возникновению туннельного эффекта, остается противоречивым. Некоторое время считалось, что ферменты не статичны, что в ходе реакций они постоянно совершают колебания, движутся. Например, «челюсти» коллагеназы открываются и захлопываются каждый раз, когда они разрывают коллагеновую связь. Ученые полагали, что подобные движения, наблюдающиеся в ходе реакции, являются случайными либо призваны захватить субстраты и выровнять и упорядочить все атомы, вступающие в реакцию. Однако в наше время специалисты в области квантовой биологии утверждают, что подобные колебания – так называемые «приводные двигатели» и основная их функция – максимально близко подвести друг к другу атомы и молекулы, чтобы квантовое туннелирование частиц (электронов и протонов) стало возможным [11]. К этой теме – одной из самых захватывающих и быстроразвивающихся в квантовой биологии – мы вернемся в последней главе нашей книги.