Как квантовая биология может разрешить загадки живой материи

Как зарянка определяет в полёте, где юг? Ответ покажется вам странным: к этому может быть причастна квантовая физика. В своём выступлении Джим Эль-Халили знакомит нас с едва зародившимся, чрезвычайно необычным миром квантовой биологии, в котором явление, названное Эйнштейном «жутким дальнодействием», помогает птицам ориентироваться, а квантовые эффекты могут объяснить происхождение жизни как таковой.

Сегодня я бы хотел поговорить

о перспективной области науки,

области спорной, но чрезвычайно интересной

и, безусловно, стремительно развивающейся.

Квантовая биология
пытается ответить на вопрос:

могут ли законы квантовой механики

этой удивительной теории

о поведении субатомных частиц,
атомов и молекул,

лежащей в основе многих направлений
современной физики и химии,

действовать также внутри живой клетки?

Говоря иначе, происходят ли
в живых организмах такие явления,

которые можно было бы объяснить

только с помощью квантовой механики?

Итак, квантовая биология
не новое направление.

Она возникла в начале 30-х.

И лишь недавно в ходе экспериментов

с применением спектроскопии

было доказано, что некоторые явления
объясняются с помощью квантовой механики.

Квантовая биология интересует
квантовых физиков, биохимиков,

молекулярных биологов — эта область
объединяет много дисциплин.

Я занимаюсь квантовой физикой,
я физик-ядерщик.

Мне потребовалось более 30 лет,

чтобы освоить принципы квантовой механики.

Один из основателей
квантовой механики, Нильс Бор,

сказал: «Если она не потрясла тебя —
ты её ещё не понял».

Так что я рад, что она до сих пор
восхищает меня.

Это здорово.

Я исследую мельчайшие частицы
во Вселенной,

кирпичики реального.

Чтобы представить себе размеры изучаемого,

давайте возьмём, к примеру, теннисный мяч.

Затем представим предметы
меньшего размера:

игольное ушко, клетку,
бактерию, фермент, —

это и будет мир размера «нано».

Вероятно, слово «нанотехнологии»
вам о чём-нибудь говорит.

Нанометр — миллиардная часть метра.

Моя область исследований — ядро,
крохотная точка внутри атома.

Оно ещё меньшего размера.

Таков предмет изучения
квантовой механики,

физики и химики давно пытаются

привыкнуть к этому.

Биологам, по-моему, ещё повезло.

Они не нарадуются на палочки-шарики
пластиковых моделей молекул.

(Смех)

Шар представляет собой атом, а палочка —
связь между атомами.

И если они не могут
построить модель в лаборатории,

то сегодня в их распоряжении
мощные компьютеры

для создания модели молекул.

Вы видите модель белка,
состоящего из 100 000 атомов.

Чтобы объяснить его свойства,
не требуются уравнения квантовой теории.

Квантовая механика зародилась в 1920-х.

Это теория точных и ёмких
математических уравнений,

которые описывают явления микромира.

И этот мир не похож
на нашу обыденную реальность,

состоящую из триллионов атомов.

Это мир, балансирующий
между возможностью и вероятностью.

Мир неопределённости.

Это мир фантомов,

где частицы могут вести себя, как волны.

Если учесть, что квантовая механика,
или квантовая физика,

объясняет основополагающие явления
реальности вообще,

логично предположить,

что квантовая физика объясняет
явления органической химии.

Ведь она объясняет,

как атомы образуют органические молекулы.

Органическая химия, в свою очередь,

связана с молекулярной биологией,
а она — с живыми организмами.

Так что в каком-то смысле
это неудивительно.

Почти обыденно.

Вы скажете: «Конечно, жизнь должна
объясняться законами квантовой механики».

Но не только живая материя,
также всё остальное,

например, неорганическое вещество,
состоящее из триллионов атомов.

В итоге на квантовом уровне

нам придётся иметь дело
с этой странной теорией.

А в обыденной жизни
мы можем о ней забыть.

Потому что стоит собрать воедино
триллионы атомов,

как вся загадка исчезает.

Но квантовая биология не об этом.

Квантовая биология не так проста.

Квантовая механика описывает свойства
живых организмов на молекулярном уровне.

Квантовая биология рассматривает странные

и противоречащие логике идеи
квантовой механики

и пытается понять, действительно ли
они применимы

к описанию процессов, происходящих
внутри живой клетки.

Перед вами идеальный пример
такого парадокса

квантового мира.

Квантовый лыжник.

Кажется, что он цел и невредим,

и тем не менее он умудрился одновременно
проехать по обе стороны дерева.

«Такие следы на снегу, должно быть,

какой-то трюк», — подумаете вы.

Но в мире квантов это обычное дело.

Частицы могут быть
в двух местах одновременно.

Они способны выполнять
сразу несколько задач.

Частицы иногда демонстрируют свойства
хаотичных волн.

Это почти волшебство.

Вот уже почти столетие физики и химики

пытаются освоиться
с этим загадочным миром.

Биологи не виноваты в том,

что они не хотели или не хотят
изучать квантовую механику.

Её принципы крайне сложно наблюдать.

И мы, физики, стараемся изо всех сил,
чтобы воссоздать нужные условия.

Мы охлаждаем наши системы
почти до абсолютного нуля,

проводим эксперименты в вакууме,

пытаемся изолировать их от любого
внешнего воздействия,

что совсем не похоже на тёплую,
хаотичную среду живой клетки.

Кажется, что биология как таковая,
молекулярная биология,

стройно описывает процессы,
происходящие внутри живой клетки

в терминах химии — химическими реакциями.

И это упрощённые химические реакции,

доказывающие, что живые клетки созданы
из того же материала, что и всё остальное.

Если мы можем не учитывать
квантовую теорию в макромире,

то можно забыть про неё и в биологии.

Один человек не согласился с этой идеей.

Эрвин Шрёдингер, известный своим
котом Шрёдингера, —

австрийский физик.

В 1920-х он стал одним из основателей
квантовой механики.

В 1944-м он написал книгу
под названием «Что такое жизнь?».

Эта работа стала настоящим прорывом.

Она повлияла на Фрэнсиса Крика
и Джеймса Уотсона,

открывших структуру двойной спирали ДНК.

В своей книге он пишет:

«На молекулярном уровне в живых организмах
есть определённый порядок,

строй, присущий только им
и отличающийся

от термодинамического хаоса
атомов и молекул

в неживой материи такой же сложности.

Похоже, что живая материя обнаруживает
тот же порядок, структуру,

что и неживая, но охлаждённая
до абсолютного нуля,

где большую роль играют
квантовые эффекты.

Есть что-то необычное
в структуре, в порядке

внутри живой клетки».

Шрёдингер предположил, что
квантовая механика распространяется

и на живую материю.

Это спорная, многообещающая гипотеза,

не оправдавшая, как оказалось,
возложенных надежд.

Но, как я уже говорил в начале,

последние десять лет
проводились эксперименты,

подтверждающие, что некоторые
биологические процессы

объясняются квантовой теорией.

Мне бы хотелось поделиться
некоторыми из этих удивительных идей.

Это одно из самых известных явлений
квантового мира —

туннельный эффект.

В левой части камеры находится
волнообразное, рассеянное распределение

пучка квантов — частицы,
например, электрона,

и она отличается от мячика,
отскакивающего от стены.

Это волна, с определённой вероятностью
проходящая

сквозь сплошную преграду, словно фантом,
перескакивающий на другую сторону.

Вы можете наблюдать бледное пятно света
в правой части камеры.

Туннелирование — это когда микрочастица
отскакивает от непроницаемого барьера,

и при этом, как по волшебству,

исчезает с одной стороны
и появляется с другой.

Лучше всего объяснить
этот эффект так: если вы хотите

перебросить мяч через стену,

вы должны дать мячу достаточно энергии,
чтобы он мог перелететь через неё.

В квантовом мире необязательно
перекидывать мяч через стену,

можно кинуть его в стену,
и с какой-то вероятностью, не равной нулю,

он исчезнет с одной стороны
и появится с другой.

И, кстати, это вовсе не гипотеза.

Мы с удовольствием — слово «удовольствие»
тут не очень подходит —

(Смех)

мы хорошо изучили это явление.

(Смех)

Тунннельный эффект происходит
сплошь и рядом.

Без него у нас бы не было
солнечного света.

Частицы соединяются,

и Солнце с помощью туннельного эффекта
превращает водород в гелий.

В 70-х–80-х мы поняли, что
квантовое туннелирование происходит

также и в живых клетках.

Ферменты, «рабочие лошадки» живых систем,
катализаторы химических реакций,

ферменты — биомолекулы, ускоряющие
химические реакции в живых клетках

во много-много раз.

Но как они это делают,
всегда оставалось загадкой.

Итак, удалось обнаружить,

что один из приёмов,
который используют ферменты, —

перемещение субатомных частиц,
таких, как электроны и протоны,

из одной части молекулы в другую
посредством квантового туннелирования.

Это эффективно, быстро,
он может исчезнуть,

протон может исчезнуть из одного места
и появиться в другом.

Ферменты способствуют этому.

Это выводы научной работы,
проведённой в 80-х годах

исследовательской группой в Беркли
под руководством Джудит Клинман.

Британские учёные сегодня
также подтверждают

выявленные факты о ферментах.

Исследование, проведённое моей группой, —

как я уже говорил, я физик-ядерщик,

и я понял, что могу использовать
принципы квантовой механики

и в других областях науки.

Мы хотели, например, понять,

имеет ли место туннельный эффект
в мутациях ДНК.

Опять же, идея не новая: впервые
она прозвучала ещё в 60-х.

Две нити ДНК, структура двойной спирали,

связаны вместе ступеньками, словно
винтовая лестница.

И ступеньки этой лестницы —
водородные связи,

протоны, как клей, скрепляющие нити ДНК.

Так что если увеличить изображение,
окажется, что они связывают

эти большие молекулы, нуклеотиды, вместе.

Увеличим ещё немного.

Это компьютерная модель.

Два белых шарика в середине — протоны,

это двойная водородная связь.

Один предпочитает находиться
с одной стороны, второй —

по другую сторону двух вертикальных нитей,
уходящих вниз, на модели этого не видно.

Бывает, что два протона меняются местами.

Следите за белыми шариками.

Они могут перескочить на другую сторону.

Если две нити ДНК затем разделяются,
что приводит к репликации,

и два протона находятся
не на своих местах,

может случиться мутация.

Мы знаем об этом уже полвека.

Вопрос вот в чём: какова вероятность,

что они поменяются, и если да — то
каким образом?

Они перескакивают, как мяч через стену?

Или используют туннельный эффект,
даже если у них недостаточно энергии?

Первые исследования предполагают,
что здесь имеет место туннельный эффект.

Мы не знаем, насколько важную роль
он играет;

пока этот вопрос остаётся без ответа.

Это лишь гипотеза,

но это один из тех
особенно важных моментов,

ведь если квантовая механика
причастна к мутациям,

разумеется, это значительным образом
повлияет

на наше понимание отдельных видов мутаций,

возможно, даже мутаций, которые
делают клетку раковой.

Ещё один пример квантовой механики
в биологии — квантовая когерентность,

сопутствующая важнейшему процессу
в биологии —

фотосинтезу: растения и бактерии
поглощают свет

и используют его энергию,
чтобы производить биомассу.

При квантовой когерентности пучки квантов
выполняют сразу несколько задач.

Например, как квантовый лыжник.

Объект ведёт себя как волна,

так что он не просто движется
в том или ином направлении,

а может одновременно передвигаться
несколькими траекториями.

Пару лет назад научное сообщество
было поражено работой,

которая предоставляла
экспериментальные доказательства того,

что квантовая когерентность происходит
внутри бактерии

и так сопутствует
процессу фотосинтеза.

Суть в том, что фотон, частица света,
солнечного света,

квант света, захваченный
хлорофилльной молекулой,

затем переносится в так называемый
«реакционный центр»,

где он преобразуется в химическую энергию.

На пути в этот центр он следует
не по одному маршруту,

а сразу по нескольким,

чтобы максимально быстро
достигнуть реакционного центра,

не растратив при этом избыточное тепло.

Квантовая когерентность может происходить
внутри живой клетки.

Удивительная идея,

и доказательства этой гипотезы
публикуются почти еженедельно

и подтверждают,
что наши догадки верны.

Третий и последний пример —
идея прекрасная и изумительная.

Тоже пока на уровне домысла,
но мне бы хотелось поделиться ей с вами.

Зарянки каждую осень мигрируют

из Скандинавии в Средиземноморье,

и, как и многие морские животные
и даже насекомые,

они ориентируются в пространстве
по магнитному полю Земли.

Однако магнитное поле Земли
очень-очень слабое,

в 100 раз слабее,
чем у магнита на холодильнике,

но оно неким образом влияет
на химические процессы в живом организме.

Это факт — в 1970-х немецкие орнитологи,

супруги Вольфганг и Росвита Вилчко,
подтвердили,

что зарянка действительно ориентируется
в пространстве по магнитному полю Земли,

как будто у неё есть встроенный компас.

Загадка вот в чём: как она это делает!

Единственная имеющаяся у нас теория —

мы не знаем, верна ли она,
но других у нас нет —

что это связано с таким явлением,
как квантовая запутанность.

В сетчатке зарянок —

я не шучу — в сетчатке зарянок
есть криптохром,

светочувствительный белок.

Внутри криптохрома пара электронов
квантово запутаны.

При квантовой запутанности две частицы
находятся далеко друг от друга,

и тем не менее они взаимозависимы.

Даже Эйнштейну это явление
не нравилось.

Он называл его «жутким дальнодействием».

(Смех)

Уж если Эйнштейну оно не нравилось,
то нам тем более может не нравиться.

Два квантово запутанных электрона
внутри одной молекулы

танцуют изящный танец

в зависимости от того, в какую сторону
летит птица

относительно магнитного поля Земли.

Мы не знаем, верно ли
это предположение,

но разве не здорово, если окажется,
что птицы действительно находят дорогу

с помощью квантовой механики.

Квантовая биология пока только
начинает развиваться.

Пока что всё на уровне гипотез.

Но я уверен, что они построены
на бесспорных научных фактах.

Я также полагаю,
что в ближайшее десятилетие

мы поймём, что квантовые явления
повсеместно встречаются в живой материи,

что в живых организмах происходят
квантовые явления.

Следите за ними.

Спасибо.

(Аплодисменты)