10. 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.