Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

А как насчет жизни? Можно ли объяснить ее «упорядоченное» поведение, например действие законов наследственности, статистическими законами? Размышляя над этим вопросом, Шредингер пришел к выводу о том, что принцип «порядок из хаоса», лежащий в основе термодинамики, не может управлять живой материей, поскольку, как он это понимал, по крайней мере некоторые из самых крошечных биологических механизмов действительно ничтожно малы, чтобы подчиняться классическим законам.

К примеру, во время работы над книгой «Что такое жизнь?» (а это было время, когда ученым уже было известно о том, что наследственность связана с генами, однако природа генов оставалась научной загадкой) Шредингер задался простым вопросом: достаточно ли гены велики для того, чтобы точность, с которой они воспроизводят информацию, зависела от статистических законов, основанных на принципе «порядок из хаоса»[24]? По расчетам ученого, приблизительный размер гена не превышал размера куба, грани которого равны 300 ангстремам (1 ангстрем равен 10–7 миллиметрам). В таком кубике содержится примерно миллион атомов. Количество может показаться огромным, но вот квадратный корень из миллиона — это тысяча, а значит, погрешность в передаче информации или «помехи» наследственности должны иметь место в одном случае из тысячи, то есть в 0,1 % случаев. Итак, если механизм наследования информации опирается на классические статистические законы, следовательно, он должен порождать ошибки (отклоняться от законов) с частотой один раз на тысячу случаев. Однако на тот момент было известно, что на миллиард случаев нормальной передачи гена приходится меньше одного случая мутации (ошибки). Такая необычайно высокая степень надежности убедила Шредингера в том, что законы наследственности не могут опираться на тот же принцип «порядок из хаоса», что и классические законы. Ученый предположил, что гены скорее напоминали отдельные атомы или молекулы тем, что подчинялись не классическим, но удивительно строгим законам науки, к развитию которой он имел самое прямое отношение, — квантовой механики. Шредингер высказал идею о том, что механизм наследственности основывается на совершенно ином принципе — «порядок из порядка».

Впервые он изложил свою теорию в цикле лекций, прочитанных в дублинском Тринити-колледже в 1943 году, а через год — в опубликованной на их основе книге «Что такое жизнь?», в которой он писал: «Живой организм представляется макроскопической системой, частично приближающейся в своих проявлениях к чисто механическому… поведению, к которому стремятся все системы, когда температура приближается к абсолютному нулю и молекулярная неупорядоченность снимается». Мы скоро поговорим о причинах, по которым при абсолютном нуле все объекты подчиняются скорее квантовым, нежели термодинамическим законам. По утверждению Шредингера, жизнь — это явление квантового уровня, способное летать по воздуху, ходить на двух или четырех ногах, плавать в океане, произрастать из почвы и, добавим, читать данную книгу.

Через несколько лет после выхода книги Шредингера была открыта двойная спираль ДНК, и молекулярная биология стала развиваться невероятными темпами, причем без всякой связи с квантовыми явлениями. Клонирование генов, генная инженерия, генетическая дактилоскопия и секвенирование генома разрабатывались биологами, которые в основном с удовольствием и даже с мотивированным оправданием уклонялись от погружения в сложнейшую математику квантового мира. Безусловно, иногда исследования заводили ученых на границу биологии и квантовой механики, но лишь случайно. Большинство ученых уже и не помнили о смелом заявлении Шредингера. Более того, многие из них открыто выступали против идеи о том, что для объяснения феномена жизни необходимо обратиться к квантовой механике. Так, в 1962 году британский химик и когнитивист Кристофер Лонге-Хиггинс писал: «Я помню, что несколько лет назад имела место некоторая дискуссия о возможном наличии действующих на расстоянии квантово-механических связей между ферментами и их субстратами. Данная идея совершенно справедливо была воспринята с осторожностью не только из-за бездоказательности экспериментальных данных, но и из-за тех больших трудностей, которые возникают при попытке подогнать ее под общую теорию межмолекулярных сил»[25]. Даже в книге «Что такое жизнь? Пятьдесят лет спустя», объединившей работы участников дублинского симпозиума через 50 лет после публикации Шредингера (1993), квантовая механика едва ли вообще упоминалась.

В то время заявление Шредингера было воспринято скептически еще и потому, что в научных кругах господствовали представления о том, что хрупкие квантовые состояния не могут поддерживаться в теплой, влажной и суетливой молекулярной среде внутри живых организмов. Как мы уже говорили, подобные представления являются основной причиной, по которой многие ученые ставили (а многие продолжают ставить) под сомнение тот факт, что внутренний птичий компас, возможно, работает на основе квантовых процессов и явлений. Вероятно, вы помните, что в главе 1 мы описывали квантовые свойства материи и говорили о том, что они «тонут» в хаотичном расположении молекул в больших объектах. После небольшого экскурса в термодинамику мы теперь можем точно назвать причину «растворения» этих свойств (или, по Шредингеру, причину, по которой работает принцип статистических законов «порядок из хаоса») — беспорядочные столкновения молекул, напоминающих бильярдные шары. Рассеянные частицы могут менять свое поведение и обнаруживать квантовые свойства, но лишь при определенных условиях и на очень короткий период времени. Например, мы с вами увидели, как ядра атомов водорода, содержащихся внутри нашего организма, способны выстраиваться в линию и генерировать когерентные сигналы об изменениях квантовых свойств спина, фиксируемые МР-томографом. Однако это возможно лишь при воздействии на атомы водорода сильнейшего магнитного поля, создаваемого мощнейшим магнитом и только во время такого воздействия: как только магнитное поле исчезает, частицы вновь начинают двигаться хаотично под воздействием общего молекулярного разрозненного движения, а квантовый сигнал рассеивается и становится недоступным для обнаружения. Процесс нарушения когерентности квантово-механической системы под воздействием хаотичного движения молекул макроскопической системы называют декогеренцией. Она является причиной исчезновения странных квантовых состояний частиц, из которых состоят большие неодушевленные объекты.

При повышении температуры тела увеличивается скорость молекул и сила их столкновений, поэтому декогеренция быстрее и легче происходит при высоких температурах. Но не думайте, что «высокие температуры» означают «жаркие». Даже при комнатной температуре декогеренция происходит почти мгновенно. Вот почему идея о том, что в теплых живых организмах возможны квантовые состояния, считалась, по крайней мере первоначально, крайне неправдоподобной. Только при снижении температуры объекта до абсолютного нуля (–273 °C) молекулярное движение прекращается, декогеренция сдерживается и квантовая механика наконец имеет возможность проявить себя. Значение высказывания Шредингера, которое мы привели выше, становится немного яснее. Физик имел в виду то, что жизнь каким-то образом умудряется функционировать по инструкции, которая обычно предназначена для объектов градуса на 273 холоднее, чем любой живой организм.