Квантовый компас: магниторецепция
Самым известным предлагаемым примером квантовой биологии является система навигации зарянки (см. рис. 6.1). Каждую зиму эта птица улетает на юг, подальше от замерзающего севера; чтобы помочь себе ориентироваться, она использует особый тип встроенного компаса, который может измерять угол между магнитным полем Земли и ее поверхностью.
Рис. 6.1. Зарянка (Erithacus rubecula) в полете. В миграции зарянкам, возможно, помогает квантовый компас.
Как работает этот «угловой компас»? В 2000 году у Торстена Ритца из Калифорнийского университета возникла идея, что этот процесс может зависеть от специфических особенностей квантовой запутанности. Когда две запутанные частицы имеют электрические заряды, они могут измерять угол между отрезком, их соединяющим, и магнитным полем Земли. Ритц предложил модель птичьей магниторецепции: свет создает пару запутанных частиц в глазу зарянки, которые становятся компасом, способным измерять угол наклона магнитного поля Земли. Согласно одному из предсказаний этой теории, компас, основанный на квантовой запутанности, разрушается высокочастотными радиоволнами – те же результаты продемонстрировали и тесты.
Это не доказывает, что компас зарянки имеет квантово-механическую природу, но до сих пор никто так и не смог дать альтернативное объяснение результатам экспериментов Ритца.
Осуществление: энзимы
Энзимы – это двигатели жизни. Они управляют электронами, протонами, атомами и молекулами, и именно им мы обязаны созданием каждой биомолекулы в наших телах. Энзимы обладают поразительными каталитическими свойствами, которые ускоряют протекание химических реакций в 1020 раз. Если бы подобный толчок придавался вашей ходьбе, то вы могли бы перепрыгнуть в другую галактику.
Как и в случае с фотосинтезом, трудно объяснить это поразительное ускорение одними классическими законами. Однако сегодня становится ясно, что такое громадное химическое ускорение энзимы достигают управлением квантово-механической природой вещества – ключевое место в этой цепочке занимает процесс, называемый квантовым туннелированием. Во время его протекания частица может проходить через кажущийся непроницаемым барьер, используя свои волновые свойства, фактически дематериализуясь в одной точке пространства и материализуясь в другой, никак не взаимодействуя с любым из участков, находящихся между ними.
Если вернуться в 70-е годы XX века, то можно увидеть исследование, которое показало, что энзимы, вовлеченные в процесс дыхания, переносят электроны квантовым туннелированием. Этот процесс не вызывает удивления, ведь электроны достаточно малы для его осуществления, но более поздние исследования показали, что энзимы также содействуют «перескакиванию» гораздо более массивных протонов из одного атома в другой – тоже в результате квантового туннелирования. Так что вполне возможно, что и наши тела существуют в квантовом мире.
Что-то пахучее: обоняние
Наше чувство обоняния необычайно сильно. Оно может детектировать мельчайшее содержание химических веществ, даже отдельные молекулы. При этом обоняние удивительно избирательно и позволяет нам различать тысячи запахов. Но как оно работает?
Классическое объяснение состоит в том, что оно работает с помощью своего рода механизма замков и ключей. Молекула пахучего вещества летит по воздуху и захватывается белком обонятельного рецептора в носу. Считается, что молекулы пахучего вещества и рецептора подбираются друг к другу как ключ к замку. Но в этой теории довольно много белых пятен, например тот факт, что пахучие молекулы почти одинаковой формы, фактически представляющие собой набор одинаковых ключей, часто воспринимаются как совершенно разные запахи. И наоборот, молекулы совершенно разной формы часто пахнут одинаково. Химик Малкольм Дайсон разработал в 20-е годы XX века альтернативную теорию, в которой предположил, что детектируется не форма пахучих молекул, а их колебания.
Но тогда не было возможности узнать, как работал бы в носу детектор молекулярных колебаний. Гораздо позже, в 90-е годы XX века, биохимик Лука Турин предположил, что нос использует детектор колебаний, работающий на квантовом туннелировании. Теория предсказала, что пахучие вещества, состоящие из разных изотопов химических элементов, будут пахнуть по-разному. Эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что плодовые мушки на самом деле различают пахучие вещества с разными изотопами, как и было предсказано теорией.
Записано в коде: мутации ДНК
Может ли квантовая механика быть одним из инструментов эволюции? Этот вопрос уже несколько лет интересует двух сотрудников Университета Суррея – биолога Джонджо Макфаддена и физика Джима Аль-Халили.
Эволюция работает через создание вариаций в цепочке ДНК посредством мутаций. Фактически неправильное звено вставляется в молекулу ДНК во время ее репликации. Затем естественный отбор берет на себя фильтрацию полезных мутаций.
В основе двуспиральной структуры молекулы ДНК лежат водородные связи, удерживающие спирали вместе и основанные на отдельных протонах, поделенных между парами звеньев двойной спирали. Это означает, что молекула ДНК, этот схематический план жизни, написана на языке квантовой механики. В 70-е годы XX века шведский физик Пер-Олаф Лоудин предположил, что квантовое туннелирование кодирующих протонов может стимулировать мутации в ДНК. Множество проведенных исследований показало, что теоретически это осуществимо; но до сих пор никто не реализовал этот механизм на практике.
Может ли квантовая биология привести к новому определению жизни?
Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии» (2014) утверждают, что способность поддерживать когерентные квантовые состояния длительное время является обязательным условием для жизни и что определение жизни должно включать квантовые фокусы, которые проделывают клетки. Они заявляют, что именно это делает жизнь отличающейся от чего-либо другого. Макфадден признает, что на данный момент это лишь гипотетическое утверждение, не имеющее реальных подтверждений, но он надеется, что в конце концов будет найден способ его проверки с помощью достижений синтетической биологии, где новые формы жизни создаются искусственно.
Где мы окажемся?
Случайный молекулярный шум обычно разрушает квантовые эффекты в неживых системах. Как тогда они выживают в горячих, сырых и к тому же живых клетках с молекулярным шумом? Одной из наиболее удивительных и интригующих особенностей квантовой биологии является то, что жизнь, кажется, обнаружила способы использования молекулярного шума для поддержания, а не разрушения квантовой когерентности. Это на самом деле может быть одним из фундаментальных атрибутов жизни. Благодаря молекулярному шуму жизнь может существовать на границе между квантовым и классическим мирами.
