Как квантовата биология би могла да отговори на най-големите въпроси на живота

Как една червеношийка знае, че трябва да лети на юг? Отговорът може да е по-странен, отколкото мислите - може да е замесена квантовата физика. Джим Ал–Халили събира съвсем новия, изключително странен свят на квантовата биология, където нещо, някога наречено от Айнщайн "призрачно действие от разстояние" помага на птиците да се ориентират и квантовите ефекти биха могли да обяснят самото начало на живота.

Искам да ви представя
една нова област в науката,

област, която все още е теоретична,
но пък изключително вълнуваща

и със сигурност се развива
много бързо.

Квантовата биология задава
един много прост въпрос:

дали квантовата механика -

тази странна, удивителна
и могъща теория

за субатомния свят
на атомите и молекулите,

която подкрепя толкова много
съвременната физика и химия -

освен това играе роля и в живата клетка?

С други думи - има ли процеси,
механизми, явления

при живите организми,
които могат да се обяснят само

с помощта на квантовата механика?

Квантовата биология не е нова,

съществува от началото на 30-те години
на 20 век.

Но едва прецизните експерименти
през последното десетилетие -

в биохимични лаборатории,
с помощта на спектроскопия -

показаха много ясни и категорични
доказателства, че има специфични механизми,

чието обяснение изисква квантова механика.

Квантовата биология събира
квантови физици, биохимици,

молекулярни биолози -
тя включва много дисциплини.

Аз идвам от квантовата физика,
ядрен физик съм.

Прекарах повече от три десетилетия

в опити да разбера квантовата механика.

Един от създателите ѝ, Нилс Бор,

казва, че ако не те изумява,
значи не я разбираш.

Затова съм щастлив, че тя
все още ме удивлява.

Това е хубаво.

Oзначава, че изучавам най-миниатюрните
структури във Вселената -

строителните блокчета на реалността.

Ако помислим за мащаба за големина,

започнем с обичаен предмет
като топката за тенис

и просто вървим надолу
с порядъци в размера -

от върха на игла до клетка,
после до бактерия, ензим -

накрая стигаме до нано-света.

Може би сте чували термина
нанотехнология.

Един нанометър е една милиардна част
от метъра.

Моята област е атомното ядро,
което е малка точица вътре в атома.

То дори е още по-мъничко.

Това е царството на квантовата механика

и на физиците и химиците
им трябваше много време

да свикнат с него.

Биолозите, от друга страна,
според мен се оттърваха лесно.

Те са много доволни от моделите си
на молекули с топчета и пръчки.

(Смях)

Топчетата са атомите, пръчките са
връзките между атомите.

А когато не могат
да ги построят физически

в лабораторията, сега има
много мощни компютри,

които симулират огромна молекула.

Това е протеин, който се състои
от 100 000 атома.

Не се изисква много квантова механика,
за да го обясним.

Квантовата механика е създадена
през 20-те години на 20 век.

Тя е система от красиви и мощни
математически правила и идеи,

които обясняват миниатюрния свят.

А той е много по-различен
от обичайния ни свят,

създаден от трилиони атоми.

Това е свят, построен върху
вероятности и случайности.

Неясен свят.

Свят на фантоми,

в който частиците могат да се държат
и като разпростиращи се вълни.

Ако приемаме квантовата механика
или квантовата физика

за фундаментална основа
на самата реалност,

не е изненадващо да твърдим,

че квантовата физика е основа
на органичната химия.

Все пак, тя ни дава
правилата, които казват

как се съчетават атомите,
за да създадат органични молекули.

Усложнената органична химия
ни дава

молекулярната биология, която,
разбира се, води до самия живот.

Това, в известен смисъл, не е изненада.

Почти тривиално е.

Казваме: "Разбира се, че животът, в края
на краищата зависи от квантовата механика"

Но така е и с всичко останало.

Така е и с неживата материя,
съставена от трилиони атоми.

В края на краищата, има квантово ниво,

на което трябва да се заровим
в чудатото.

Но във всекидневието
можем да забравим за него.

Защото, щом веднъж съберем
трилиони атоми,

квантовата странност
просто изчезва.

Квантовата биология не се занимава с това.

Квантовата биология не е толкова очевидна.

Разбира се, квантовата механика е основа
на живота на някакво молекулярно ниво.

Квантовата биология търси необикновеното -

противоречащите на интуицията идеи
на квантовата механика

и дали те наистина играят важна роля

при описването на процесите на живота.

Ето един чудесен пример
за това как квантовият свят

противоречи на интуицията.

Това е квантов скиор.

Изглежда цял и съвсем здрав,

а все пак е заобиколил това дърво
от двете страни едновременно.

Е, ако видите такива следи,

разбира се, ще се сетите,
че е било някакъв номер.

Но в квантовия свят
това се случва непрекъснато.

Частиците правят много неща наведнъж
или са на две места едновременно.

Могат да се занимават с повече
от едно нещо в същото време.

Частиците могат да се държат
като разпростиращи се вълни.

Почти като магия е.

Физиците и химиците
са имали почти век

да се опитват да свикнат
с тази чудатост.

Не обвинявам биолозите

за това, че не им трябва или пък
не искат да учат квантова механика.

Тази чудатост е много деликатна

и ние, физиците, работим здраво,
за да я поддържаме в лабораториите.

Охлаждаме системите си почти
до абсолютната нула,

провеждаме експерименти във вакуум,

опитваме се да да ги изолираме
от всякакви външни смущения.

Те са много по-различни от топлата,
разхвърляна, шумна среда на живата клетка.

Биологията, ако имаме предвид
молекулярната биология,

се е справила много добре с описанието
на всички жизнени процеси

от гледна точка на химията –
химичните реакции.

А това са редукционистични,
детерминистични химични реакции,

които показват, че животът се състои
основно от същите вещества като всичко останало

и ако в макро света можем да забравим
за квантовата механика,

трябва да можем да забравим
за нея и в биологията.

Е, един мъж си позволил
да не се съгласи с тази идея.

Ервин Шрьодингер, известен
с котката на Шрьодингер,

е австрийски физик.

Той е един от създателите на квантовата
механика през 20-те години на 20 век.

През 1944 написва книга
със заглавие "Какво е животът?"

Тя оказва огромно влияние.

Въздейства на Франсис Крик
и Джеймс Уотсън,

откривателите на двойно-спиралната
структура на ДНК.

Ако перифразираме едно описание
в книгата, той твърди:

"На молекулярно ниво, живите организми
имат някакъв ред,

структура, която е много по-различна

от случайната термодинамична блъсканица
на атоми и молекули

при неживата материя
със същата сложност.

Всъщност, живата материя се придържа
към този ред, тази структура,

също като неживата материя,
охладена почти до абсолютната нула,

когато квантовите ефекти
играят много важна роля.

Има нещо особено в структурата или реда

в една жива клетка.

Затова, Шрьодингер предположил, че
квантовата механика има значение за живота.

Идеята му била много теоретична,
всеобхватна

и не стигнала много далеч.

Но, както споменах в началото,

през последните 10 години
се появиха експерименти,

които показват къде някои
от явленията в биологията

наистина изискват квантова механика.

Искам да споделя с вас само
няколко от вълнуващите факти.

Това е един от най-известните феномени
в квантовия свят -

тунелният преход.

Кутията отляво показва подобното
на вълна разпространение

на една квантова единица –
частица като електрона,

която не е малка топка,
отскачаща от стената.

Тя е вълна, която има някаква вероятност
да успее да проникне

през твърда стена, като фантом,
прескачащ от другата страна.

Виждате едно бледо петно светлина
в дясната кутия.

Тунелният ефект предполага, че частица
може да удари непробиваема бариера

и някак си, сякаш магически,

да изчезне от тази страна и
да се появи от другата.

Най-добрият начин да го обясним е с топка,
която искате да прехвърлите над стена –

трябва да ѝ дадете достатъчно енергия,
за да успее да прелети отгоре.

В квантовия свят не трябва
да я прехвърляте над стената,

можете да я хвърлите срещу стената и
има вероятност, различна от нула

тя да изчезне от вашата страна
и да се появи от другата.

И между впрочем,
това не е хипотеза.

Щастливи сме – е, "щастливи"
не е точната дума –

(Смях)

че това явление ни е познато.

(Смях)

Квантовият преход
се случва постоянно,

всъщност, той е причината
нашето Слънце да свети.

Частиците се смесват

и Слънцето превръща водорода
в хелий чрез квантовия ефект.

През 70-те и 80-те години се установи,
че квантов преход се извършва и

в живата клетка.

Ензимите, тези работни коне на живота,
катализатори на химичните реакции -

ензимите са биомолекули, които ускоряват
химичните реакции в живите клетки

в много, много голяма степен.

И винаги е било загадка как го правят.

Установи се, че

един от фокусите, които ензимите
са се научили да използват

е прехвърлянето на субатомни частици,
като електрони и дори протони,

от една част на молекулата
в друга чрез квантов преход.

Резултатно е, бързо е,
може да изчезне -

един протон може да изчезне от едно място
и да се появи на друго.

Ензимите помагат това да се случи.

Това е проучване, направено
през 80-те години,

най-вече от една група в Бъркли,
Джудит Клинман.

Други групи във Великобритания
също потвърдиха

това за ензимите.

Проучване, направено от моята група -

както споменах,
аз съм ядрен физик,

но разбрах, че мога
да използвам инструментите

на квантовата механика в атомното ядро,
както и в други области.

Един от въпросите, които зададохме

бе дали квантовият ефект
има нещо общо с мутациите в ДНК.

И пак - това не е нова идея,
датира от началото на 60-те години.

Двете нишки на ДНК,
двойно-спиралната структура,

са съединени от напречни връзки
подобно на усукана стълба.

А стъпалата на стълбата
са водородни връзки -

протони, които служат за лепило
между двете нишки.

Ако погледнем отблизо, те съединяват
тези големи молекули -

нуклеотидите.

Поглеждаме още по-близо.

Това е компютърна симулация.

Двете бели топки
по средата са протони

и виждате, че
водородната връзка е двойна.

Единият е избрал да стои от едната,
а другият - от другата страна

на двете нишки, двете вертикални линии,
които не можете да видите.

Може да се случи тези два протона
да прескочат.

Наблюдавайте двете бели топки.

Те могат да отскочат до другата страна.

Ако тогава двете нишки ДНК се разделят,
водейки до процеса репликация

и двата протона са в грешни позиции,

може да се стигне до мутация.

Това е известно от половин век.

Въпросът е колко е вероятно
да го направят

и ако го направят, как точно става?

Дали прескачат подобно на
топката, която прехвърля стената?

Или пък правят квантов преход,
дори да нямат достатъчно енергия?

Ранните резултати внушават, че
квантовият преход може да играе роля тук.

Все още не знаем колко важен е той,

въпросът още е открит.

Теоретичен е,

но е един от онези въпроси,
които са толкова важни,

защото ако квантовата механика
участва в мутациите,

със сигурност това ще има
големи последици

за разбирането на някои
видове мутации,

вероятно дори онези, които
превръщат клетката в канцерогенна.

Друг пример за квантова механика
в биологията е квантовата кохерентност

при един от най-важните
процеси в биологията –

фотосинтезата: растения и бактерии
получават слънчева светлина

и използват енергията ѝ, за да
създадат биомаса.

Квантова кохерентност е идеята квантови
обекти да правят много неща едновременно.

Например квантовият скиор.

Той е обект, който се държи като вълна,

така че не просто се движи
в едната посока или в другата,

а следва множество пътища
в един и същи момент.

Преди няколко години
научният свят бе шокиран,

когато бе публикуванa теза
с експериментални доказателства,

че квантова кохерентност
протича в бактериите, които

фотосинтезират.

Идеята е, че фотонът, частицата
на светлината, слънчевата светлина,

квантът на светлината,
уловен от хлорофилна молекула,

после се предава на нещо, наречено
център за реагиране,

където може да бъде превърнат
в химическа енергия.

И докато стигне дотам,
не следва само един път,

той следва множество пътища
едновременно,

за да оптимизира най-ефективния начин
за достигане на центъра за реагиране

без да се разсее като
ненужна топлина.

В жива клетка се случва
квантова кохерентност.

Забележителна идея

и данните се трупат едва ли не седмично,
с новите доклади, които излизат,

потвърждавайки, че това
наистина се случва.

Третият ми и последен пример
е най-красивата, прекрасна идея.

Тя също още е доста спорна,
но трябва да я споделя с вас.

Европейската червеношийка
мигрира от Скандинавия

в Средиземноморието всяка есен

и подобно на много други морски животни
и дори насекоми,

тя се ориентира като усеща
магнитното поле на Земята.

Магнитното поле на Земята
е много, много слабо,

то е 100 пъти по-слабо от това
на магнит на хладилника

и все пак то някак влияе на химията
в един жив организъм.

Това не подлежи на съмнение –
двойка немски орнитолози,

Волфганг и Росуита Уилтчко,
през 70-те потвърдиха, че наистина,

червеношийката намира пътя, като
някак си усеща магнитното поле на Земята,

за да й даде информация за посоката -
вграден компас.

Загадката, тайната бе
как го прави.

Единствената теория -

не знаем дали е вярната,
но друга няма -

е, че го прави чрез нещо,
наречено квантово вплитане.

В ретината на червеношийката -

не ви поднасям - в нейната ретина
има един протеин, наречен криптохром,

който е светлочувствителен.

В криптохрома двойка електрони
са квантово вплетени.

Имаме квантово вплитане,
когато две частици са далеч една от друга

и все пак, някак си остават
в контакт една с друга.

И Айнщайн е мразел тази идея,

наричайки я "призрачно действие
от разстояние".

(Смях)

И щом като Айнщайн не я харесва,
можем всички да се чувстваме неудобно.

Два квантово вплетени електрона
в една молекула

танцуват нежен танц,

много чувствителен към
посоката на летене на птицата

в магнитното поле на Земята.

Не знаем дали това е
вярното обяснение,

но еха, не е ли вълнуващо, ако квантовата
механика помага на птиците за ориентиране?

Квантовата биология е още съвсем млада.

Все още е теоретична.

Но аз вярвам, че основата ѝ
е солидна наука.

Мисля също, че през
идното десетилетие

ще започнем да разбираме,
че всъщност, тя е навсякъде в живота,

че животът е създал трикове,
които използват квантовия свят.

Следете какво се случва при нас.

Благодаря ви.

(Аплодисменти)