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

Итак, в фотосинтезе шум, вероятно, используется как для повышения эффективности перемещения экситонов к реакционному центру, так и для захвата энергии солнечного света, как только он попадает в реакционный центр. Однако способность превратить молекулярный порок (шум) в квантовую добродетель присуща не только фотосинтезу. В 2013 году группа исследователей из Манчестерского университета под руководством Найджела Скраттона (об экспериментах, проведенных этой командой, связанных с туннелированием протона в ферментах, мы говорили в главе 3) заменила обычные атомы в ферменте на более тяжелые изотопы. В результате цепочки молекул белка потяжелели и стали совершать колебания (производить цветной шум) на разных частотах. Ученые обнаружили, что туннелирование протона и активность фермента в целом нарушены в ферменте с тяжелыми изотопами[188], из чего следует, что в обычном состоянии при наличии более легких атомов колебания белковой цепи способствуют эффективному туннелированию и активности фермента. Похожие результаты (в экспериментах с другими ферментами) были получены группой ученых под руководством Джудит Клинман из Калифорнийского университета[189]. Итак, молекулярный шум не только активно участвует в фотосинтезе, оказывая влияние на его протекание, но и, по всей видимости, играет важную роль в побуждении фермента к активности. Напомним, что ферменты являются движущими силами жизни, благодаря которым возможно существование любой отдельно взятой молекулы из тех, что содержатся в клетках всех живых организмов нашей планеты. Вполне вероятно, что ключевое значение для поддержания жизни на Земле имеют «приятные» молекулярные вибрации.

Дают ли все эти новые открытия ответ на вопрос о природе жизни, который несколько десятков лет назад сформулировал Шредингер? Мы приняли во внимание его тезис о том, что жизнь — это система, в которой преобладает порядок, пронизывающий все ее уровни — высокоорганизованных макроскопических организмов, бурного термодинамического океана молекул, из которых состоят макроскопические объекты, и, наконец, квантового уровня — самого основания жизни (см. рис. 10.1). Ключевое значение имеет тот факт, что механизм жизни настроен и сбалансирован настолько тонко, что последствия событий, происходящих на квантовом уровне, могут проявляться в мире видимых объектов, как и предсказывал Паскуаль Йордан еще в 1930-е годы. Подобная чувствительность макроскопического уровня к явлениям квантового мира характерна только для живой материи и позволяет механизму жизни использовать квантовые явления (туннелирование, когерентность, запутанность частиц) в наших с вами интересах.

Но (и это очень большое НО) подобное использование квантового мира в интересах жизни возможно лишь при одном условии — при сдерживании декогерентности. В противном случае система утрачивает квантовые свойства и начинает вести себя строго по законам классической физики или термодинамики, по принципу «порядка из неупорядоченности». В ходе экспериментов ученым удавалось препятствовать декогерентности путем ограждения квантовых реакций от деструктивного шума. В данной главе мы показали, что жизнь, судя по всему, избрала иную стратегию. Жизнь не только не позволяет шуму нарушить когерентность, но и использует его для поддержания связи с миром квантовых явлений. В главе 6 мы метафорично представили жизнь в виде гранитного блока, балансирующего в положении, в котором он может сохранять связь с явлениями квантового мира. По причинам, которые скоро вам станут понятны, в дальнейшем повествовании мы заменим в нашей метафоре гранитный блок парусником.

Для начала представим, что наш парусник стоит в доке, а его киль представляет собой тонкую линию, на которой расположен ряд атомов. В этом достаточно неустойчивом положении наш корабль, как и живая клетка, имеет связь с квантовыми событиями, протекающими на его атомном киле. Туннелирование протона, электронное возбуждение или запутанность частицы могут иметь последствия для всего корабля, например изменить его положение в доке. Однако представим теперь, что капитан нашего судна придумал замечательный хитроумный способ использовать квантовые явления, происходящие на киле (когерентность, туннелирование, суперпозицию, запутанность), для упрощения навигации, когда парусник выходит в открытое море.

И все же не забывайте, что мы все еще находимся в доке и пока корабль никуда не отправляется. Несмотря на то что в таком неустойчивом состоянии парусник может использовать последствия квантового уровня, это состояние подвержено воздействию легчайшего бриза — для корабля, киль которого представляет собой линию атомов, достаточно даже не дуновения ветерка, а прикосновения одной молекулы воздуха, чтобы перевернуться. Инженерный подход к проблеме поддержания корабля на плаву и, следовательно, сохранения связи с квантовыми явлениями, происходящими на киле, подразумевает возведение вокруг корабля защитной камеры, из которой необходимо будет выкачать весь воздух, чтобы ни одна молекула, словно бильярдный шар, не нарушила его равновесие. Инженеру придется также охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы исключить фактор влияния молекулярных колебаний. Однако опытные капитаны знают, что существует еще один способ поддерживать наш парусник на плаву: его нужно отпустить в плавание в бурные термодинамические воды.

Мы принимаем как должное тот факт, что легче поддерживать равновесие судна на воде, а не на суше. Тем не менее, если говорить о молекулярном уровне, мы увидим, что причины более стабильного положения корабля на воде не так уж и очевидны. Мы только что выяснили, что, с точки зрения инженера, сохранить корабль с узким килем в положении равновесия в доке можно лишь в том случае, если нам удастся предотвратить воздействие на него отдельных атомов и молекул. Но море ведь как раз и является средой, которая заполнена атомами и молекулами, хаотично ударяющимися друг о друга и о киль любого корабля, словно бильярдные шары, сталкивающиеся друг с другом и сдвигающие планку, о которых мы говорили в главе 2. Так почему же наш корабль в доке может перевернуться от легчайшего удара крошечной молекулы, а в море остается невосприимчивым к множеству таких ударов?

Ответ на этот вопрос следует искать, снова опираясь на принцип «порядок из неупорядоченности», описанный Шредингером. Корабль действительно будет испытывать триллионы молекулярных ударов по обе стороны борта. Разумеется, в море сохранение равновесия нашего корабля будет зависеть не только от ультратонкого киля, но и от подъемной силы воды. Учитывая многочисленные удары об оба борта корабля, сила воздействия на нос, корму, равно как и на правый и левый борт, будет примерно одинаковой. Итак, плывущие корабли не переворачиваются, поскольку их равновесие сохраняется благодаря триллионам хаотичных ударов молекул о все его борта: это и есть порядок (вертикальное положение судна) из неупорядоченности (триллионы хаотичных ударов молекул, которые бьются о его борта, словно бильярдные шары).