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

Обратимся в последний раз к нашей музыкальной аналогии, в которой гитара исполняет роль молекулы запаха, а струны выступают в качестве молекулярных связей, которые нужно дернуть, чтобы вызвать колебания. Эрик Клэптон и Джими Хендрикс, как вы помните, символизируют обонятельные рецепторы. Оба могут сыграть одни и те же молекулярные «последовательности нот», однако лево- и правосторонние молекулы должны захватываться соответствующими рецепторами. Иными словами, правша должен играть на правосторонней гитаре. Итак, несмотря на то, что лимонен и дипентен характеризуются одинаковым спектром колебаний, их молекулы захватываются разными рецепторами. Сигналы разных рецепторов обрабатываются разными отделами мозга, поэтому у нас и возникают разные образы запахов. Подобное сочетание теории замка и ключа и теории квантовой вибрации предлагает наконец описание такой модели обоняния, которая не противоречит результатам экспериментов.

Безусловно, факт, что новая модель согласуется с данными экспериментов, сам по себе не является доказательством того, что в основе обоняния лежит квантовый механизм. Как видим, любая теория обоняния, принимающая во внимание форму молекул и рецепторов, а также колебания молекулярных связей, находит экспериментальное подтверждение. Еще ни один эксперимент не доказал напрямую возникновение эффекта квантового туннелирования при обработке запаха. Однако на сегодняшний день механизм улавливания белками колебаний молекулярных связей наиболее правдоподобно и непротиворечиво объясняется только наличием квантового туннелирования «неупруго» рассеянных электронов.

Мы близки к разгадке тайны обоняния, и все же для решения данной головоломки нам не хватает важнейшего фрагмента, а именно описания структуры обонятельных рецепторов. Наличие данного фрагмента облегчило бы поиски ответов на ключевые вопросы, связанные с обонянием. Скроены ли связывающие карманы рецепторов под каждую отдельно взятую молекулу запаха? Захватываются ли зеркальные изомеры одними и теми же рецепторами? Делится ли молекула рецептора на область-донор и область-акцептор и идеально ли подходят эти области для неупругого туннелирования электронов? Несмотря на многолетний труд ведущих специалистов в области структурной биологии, ни одному из них пока не удалось выделить молекулу обонятельного рецептора и проверить экспериментальным путем, функционирует ли она на основе квантово-механического механизма, как это было возможно в случае ферментов (см. главу 3) и белков фотосинтетических пигментов (см. главу 4). Проблема заключается в том, что в обычном состоянии обонятельный рецептор заключен в клеточную мембрану, как медуза, плавающая в морской воде. Изъятие белка рецептора из мембраны будет иметь примерно такие же последствия, как и изъятие медузы из воды, — он, как и медуза, не сохранит своей первоначальной формы. До сих пор структура белков обоняния никем не описана, поскольку они продолжают скрываться в клеточных мембранах.

Итак, при всей противоречивости единственной теорией, способной объяснить принцип различения мушками и человеком запахов обычных и дейтеризованных веществ, является теория, в основе которой лежит описание квантово-механического явления — неупругого туннелирования электронов. Эксперименты последних лет показали, что не только мушки и люди, но и некоторые другие виды насекомых и даже рыб способны различать запахи химических связей с обычным водородом и дейтерием. Если квантовое обоняние обнаружено у таких разных существ, возможно, оно распространено шире, чем мы думаем. Люди, плодовые мушки, рыбы-клоуны и представители многих других видов, вероятно, используют способность электронов исчезать из одной точки пространства и тут же материализоваться в другой для получения важных «посланий материальной действительности», помогающих найти пищу, партнера для продолжения рода или путь домой.

Фред Уркухарт родился в 1912 году в Канаде, в городе Торонто. Там он учился в школе, расположенной вблизи рогозовых болот. Он проводил бессчетные часы, наблюдая за насекомыми, особенно за бабочками, населявшими камышовые заросли. Он очень любил раннее лето, когда на болота слетались тысячи монархов, знаменитых североамериканских бабочек с узнаваемой черно-оранжевой раскраской. Монархи остаются здесь на все лето, питаясь местным молочаем, а осенью улетают снова. Фреда всегда интересовал ответ на вопрос: куда же улетают эти бабочки?

Согласно святому Павлу, взрослые со временем отбрасывают все детское. Но только не Фред, который, даже повзрослев, по-прежнему интересовался тем, где зимуют монархи. Изучив зоологию в Университете Торонто и впоследствии став профессором в этой области, он вернулся к своему детскому вопросу. К тому времени он женился на Норе Паттерсон, также зоологе и любительнице бабочек.

Используя классические методы маркировки животных, Фред и Нора попытались раскрыть тайну исчезновения монархов. Задача была не из легких. В то время как метки, прикрепленные к лапкам малиновок или к плавникам китов, держатся крепко, приклеивание метки к хрупким перепончатым крыльям бабочек представляет собой настоящий вызов терпению ученого. Семейная команда экспериментировала с наклейками и липкими метками на крыльях насекомых, но метки отклеивались и падали, а меченые бабочки не могли нормально летать. Это продолжалось вплоть до 1940 года, когда решение было найдено: крошечные клейкие метки, похожие на те, что мы с таким трудом соскребаем с новой стеклянной посуды. Вооружившись специальным устройством, исследователи начали помечать и выпускать сотни бабочек-монархов, каждая из которых теперь имела при себе идентификационный номер и инструкцию, согласной которой нашедшему метку надлежало сообщить об этом «на кафедру зоологии Университета Торонто».

Но на миллионы особей американских монархов приходилось всего два Уркухарта, которые исследовали бабочек таким образом. Пара начала набор волонтеров. К 1950 году они создали сеть из тысяч энтузиастов, которые, в свою очередь, помечали, выпускали, ловили и «переписывали» сотни тысяч бабочек. По мере того как Фред и Нора обновляли карту, на которой отмечались места отлова и освобождения бабочек, постепенно стала вырисовываться следующая картина. Бабочек, выпущенных в Торонто, как правило, находили в южном направлении, на пути, который по диагонали пересекал Соединенные Штаты с северо-востока на юго-запад, проходя через Техас. Однако, несмотря на многочисленные экспедиции, Уркухарты не могли установить конечный пункт зимовья перелетных бабочек, который предположительно находился на юге США.

В конце концов Уркухарты обратили свои взоры южнее, и в 1972 году отчаявшаяся Нора написала о своем проекте в мексиканских газетах. Она обратилась с просьбой к добровольцам сообщать о любых наблюдениях и помочь с маркировкой бабочек. В феврале 1973 года Уркухарты получили письмо от Кеннета C. Брюггера из Мехико, который предлагал свою помощь. Каждый вечер Кен садился за руль своего автофургона и вместе с верной собакой Колой выезжал за город в поисках бабочек. Более чем через год, в апреле 1974 года, он сообщил, что наблюдал множество монархов в горах Сьерра-Мадре в Центральной Мексике. Позже, в конце того же года, Кен сообщил, что видел много бабочек с изорванными крыльями, а также мертвых особей вдоль дорог в горах Сьерра. Нора и Фред с уверенностью ответили, что большие скопления мигрирующих монархов стали жертвами голодных птичьих стай.