Як квантова біологія може прояснити найбільші запитання про життя

Звідки пташка вільшанка знає, як летіти на південь? Відповідь може виявитися химернішою, ніж ви сподівалися: Тут може бути задіяна квантова фізика. Джим Аль-Халілі пропонує огляд надзвичайно нового, неймовірно дивного світу квантової біології, де щось, що Ейнштейн якось назвав "моторошною дією на відстані", допомагає птахам орієнтуватися, а квантові явища можуть пояснити походження самого життя.

Я би хотів розповісти вам
про нову галузь науки,

яка ще поки суто гіпотетична,
але неймовірна захоплива,

і яка, безумовно, дуже швидко
розвивається.

Квантова біологія ставить
дуже просте питання:

Квантова механіка --

ця дивна і прекрасна
і могутня теорія

субатомного світу
атомів та молекул,

яка лежить в основі значної
частини сучасної фізики і хімії --

чи відіграє вона також свою роль
всередині живої клітини?

Іншими словами:
чи є процеси, механізми, явища

в живих організмах,
які можна пояснити виключно

за допомогою чудодійної
квантової механіки?

Квантова біологія не нова;

вона з'явилася ще на початку 1930-х.

Але лише десь в останні 10 років
обережні експерименти,

які проводилися в біохімічних
лабораторіях за допомогою спектроскопії,

надали дуже чіткі, точні докази
того, що є певні особливі механізми,

пояснення яких потребує
квантової механіки.

Квантова біологія об'єднує
квантових фізиків, біохіміків

та молекулярних біологів -
це дуже інтердисциплінарна галузь.

Моя сфера - квантова фізика,
тож я - фізик-ядерник.

Вже більше 30 років

я ламаю голову над квантовою механікою.

Один із засновників
квантової механіки, Нільс Бор,

сказав: "Якщо вона вас не вражає,
то ви її ще не зрозуміли".

Тому я трохи тішуся,
що вона досі мене вражає.

Це добре.

Але в цій галузі я вивчаю
найменші структури у Всесвіті -

крупинки, з яких складається реальність.

Якщо ми подумаємо про
співвідношення розмірів,

взявши звичний предмет,
наприклад, тенісний м'ячик,

і збільшуватимемо масштаб -

від вушка голки до клітини,
далі до бактерії, далі до ензиму -

то врешті опинимося у нано-світі.

Можливо, ви чули термін
"нанотехнології".

Нанометр - це
мільярдна частка метра.

Я спеціалізуюся на атомному ядрі,
який є крихітною цяткою всередині атома.

Він ще менший за розміром.

Це - царина квантової механіки,

і фізикам з хіміками
не одразу вдалося

розібратися в ній.

З іншого боку, біологи зрушили
з місця досить легко, як на мене.

Їм дуже подобаються їхні молекулярні
моделі з кульками і прутиками.

(Сміх)

Кульки позначають атоми, а
прутики - зв'язки між цими атомами.

І коли вчені не можуть змайструвати
їхню фізичну модель в лабораторії,

то сьогодні у них є дуже
потужні комп'ютери,

які можуть змоделювати величезну молекулу.

Ось протеїн, який
складається з 100 000 атомів.

Він практично не потребує ніякого
пояснення з точки зору квантової механіки.

Квантова механіка розвинулася в 1920-х.

Вона є сукупністю прекрасних і могутніх
математичних правил та ідей,

які пояснюють світ найдрібніших часточок.

Цей світ дуже відрізняється
від нашого повсякденного світу.

Він складається з трильйонів атомів.

Це світ, який побудований
на ймовірності і випадковості.

Це невизначений світ.

Це світ примар,

в якому часточки можуть також
поводити себе як хвилі розширення.

Якщо подумати про квантову механіку
або квантову фізику,

яка й так є фундаментальною
основою реальності,

тоді це не викликає подиву,

що на квантову фізику спирається
органічна хімія.

Зрештою, вона дає нам
правила, які описують те,

як атоми тримаються разом
і утворюють органічні молекули.

Органічна хімія,
збільшена у масштабі,

дає нам молекулярну біологію,
яка, звісно, веде до самого життя.

Тож, певною мірою, це й не дивно.

Це майже банально.

Ви кажете: "Звісно, життя має зрештою
залежати від квантової механіки".

Але це стосується й усього іншого.

Так само і неживої матерії, яка
складається з трильйонів атомів.

Ми завжди доходимо до квантового рівня,

де нам доводиться
заглиблюватися у цю дивину.

Але в повсякденному житті
про це можна забути.

Бо коли з'єднуються
трильйони атомів,

ця квантова дивина просто розвіюється.

А квантова біологія не про це.

Квантова біологія не така очевидна.

Звичайно, квантова механіка пояснює
життя на певному молекулярному рівні.

Квантова біологія шукає небанальне -

контрінтуїтивні ідеї
у квантовій механіці -

і намагається з'ясувати, чи справді
вони відіграють важливу роль

у поясненні життєвих процесів.

Зараз наведу свій ідеальний приклад

контрінтуїтивності квантового світу.

Ось квантовий "лижник".

З ним нібито все гаразд,
він виглядає абсолютно здоровим і цілим.

І в той же час, він нібито об'їхав
те дерево з обох сторін одночасно.

Якби ви десь побачили такі сліди,

то подумали б, що це якийсь трюк.

А в квантовому світі
таке відбувається постійно.

Часточки можуть одночасно виконувати
декілька дій, бути в двох місцях одразу.

Вони можуть виконувати
більше одної дії одночасно.

Часточки можуть діяти як
хвилі розширення.

Це схоже на чари.

Фізики і хіміки майже ціле століття

звикали до цього дивацтва.

Я не виню біологів

за відсутність необхідності або бажання
вивчити квантову механіку.

Бачите, ця дивина - дуже тонка справа.

Ми, фізики, робимо важку роботу
з її підтримання в наших лабораторіях.

Ми охолоджуємо систему
до майже нуля градусів,

ми проводимо експерименти у вакуумі,

ми силкуємося усунути
будь-який зовнішній вплив.

Це дуже відрізняється від теплого,
заплутаного, шумного середовища

живої клітини.

Сама біологія, якщо йдеться про
молекулярну біологію,

здається, добре описала
усі життєві процеси

в рамках хімії,
тобто, хімічних реакцій.

І це редукціоністські,
детерміністичні хімічні реакції,

які говорять про те, що, по суті, життя
складається з того ж, з чого й усе інше.

І якщо ми можемо забути про
квантову механіку у макро-світі,

то ми так само повинні бути здатні
забувати про неї і в біології.

Хоча один чоловік
кинув виклик цій ідеї.

Ервін Шредінґер, який прославився
Котом Шредіґнера,

був австрійським фізиком.

Одним із засновників
квантової механіки в 1920-х.

У 1944 році він написав книжку
під назвою "Що таке життя?"

Вона мала надзвичайне значення.

Вона вплинула на роботу
Френсіса Кріка і Джеймса Вотсона,

які відкрили структуру
подвійної спіралі в ДНК.

Якщо перефразувати його слова,
то каже він таке:

На молекулярному рівні
живі організми мають певний порядок,

складені у певну структуру,
яка дуже відрізняється

від хаотичної термодинамічної
товкотнечі атомів і молекул

в неживій матерії
такого ж рівня складності.

Насправді, жива матерія веде себе
у цьому порядку, в цій структурі

точно так само як нежива матерія,
охолоджена майже до абсолютного нуля,

де квантові прояви
грають дуже важливу роль.

Є щось особливе
у структурі - порядку -

всередині живої клітини.

Тож Шредінґер припустив, що, може,
квантова механіка бере участь у житті.

Це дуже гіпотетична,
далекоглядна ідея,

і вона поки не підтвердилася.

Але, як я сказав на початку,

протягом останніх 10 років
з'являлися експерименти,

які вказують, де саме деякі з цих
окремих явищ в біології

потребують квантової механіки.

Я хочу поділитися з вами
декількома такими цікавими прикладами.

Ось одне з найвідоміших
явищ у квантовому світі -

квантове тунелювання.

Ліва частина схеми показує
хвилеподібний, розсіяний розподіл

квантової одиниці -
часточки, наприклад, електрону,

яка не є маленьким м'ячиком,
що відбивається від стіни.

Це хвиля, яка має певну ймовірність
здатності проходити

крізь тверду стіну, ніби привид,
що перескакує на другу сторону.

У правій частині схеми можна побачити
ледь помітний згусток світла.

Квантове тунелювання означає, що
часточка може зіштовхнутися

з непрохідним бар'єром,
і все ж якимось магічним чином

зникнути з однієї сторони
і з'явитися знову з іншої.

Найкраще це пояснити так: якщо ви
хочете перекинути м'яч через стіну,

вам необхідно надати йому досить енергії,
щоб він перелетів через верх стіни.

У квантовому світі не обов'язково
перекидати його через стіну,

можна кинути його в стіну, і тоді
існуватиме певна ненульова ймовірність,

що м'яч зникне з вашої сторони
і з'явиться знову з іншої.

І це не домисел, до речі.

Ми раді -- точніше, "раді" -
це не те слово --

(Сміх)

ми це розуміємо.

(Сміх)

Квантове тунелювання
відбувається повсякчас;

насправді воно є причиною того,
що наше Сонце сяє.

Часточки з'єднуються докупи,

і Сонце перетворює водень на гелій
за допомогою квантового тунелювання.

Ще в 70-х і 80-х було виявлено,
що квантове тунелювання відбувається

також і всередині живих клітин.

Ензими, ці робочі конячки життя,
каталізатори хімічних реакцій -

ензими є біомолекулами, які пришвидшують
хімічні реакції в живих клітинах

у багато, багато разів.

І те, як вони це роблять,
завжди залишалося загадкою.

Отож, було з'ясовано,

що одним з прийомів, якими
ензими навчилися користуватися,

є переміщення субатомічних часточок,
таких як електронів і навіть протонів,

з однієї частини молекули в іншу
шляхом квантового тунелювання.

Це ефективно, швидко,
він може зникнути --

протон може зникнути з одного місця
і з'явитися в іншому.

Ензими допомагають цьому відбуватися.

Ось дослідження, яке було
проведене ще у 80-х,

переважно групою в Берклі,
Джудіт Клінман.

Інші групи у Великобританії
тепер вже теж підтвердили,

що ензими справді це роблять.

Дослідження, проведене моєю групою --

як я казав, я - фізик-ядерник,

але я зрозумів, що маючи ці інструменти
використання квантової механіки

у дослідженні ядра атома, я можу
застосовувати їх і в інших областях теж.

Одним з питань, яке ми ставили,

було те, чи відіграє квантове тунелювання
роль у мутаціях в ДНК.

Знову ж таки, це ідея не нова;
вона з'явилася ще на початку 60-х.

Дві нитки ДНК,
структура подвійної спіралі,

тримаються разом за допомогою поперечин;
це наче скручена драбина.

І такі сходинки цієї драбини
є водневими зв'язками --

протонами, які склеюють
обидві нитки між собою.

Якщо поглянути ближче, вони
скріплюють ці великі молекули --

нуклеотиди -- разом.

Погляньмо ще ближче.

Це комп'ютерне моделювання.

Дві білі кульки
посередині - це протони,

і видно, що між ними
подвійний водневий зв'язок.

Одна віддає перевагу одній стороні;
інша - іншій стороні

двох ниток спадаючих вертикальних ліній,
яких вам не видно.

Може бути таке, що
ці два протони можуть перескакувати.

Дивіться на дві білі кульки.

Вони можуть перескакувати на іншу сторону.

Якщо дві нитки ДНК після цього
розділяються, спричиняючи

процес реплікації, а ці два протони
перебувають не на своїх місцях,

це може призвести до мутації.

Це було відомо вже півстоліття.

Питання звучить так:
Чи схильні вони до такої поведінки?

Якщо так, то як вони це роблять?

Чи вони перестрибують, як
той м'яч, який перелітає через стіну?

Чи переміщаються вони через квантове
тунелювання навіть за нестачі енергії?

Попередні результати говорять про те,
що квантове тунелювання може мати місце.

Ми досі не знаємо,
наскільки це важливо;

це ще відкрите питання.

Тут багато місця для гіпотез,

але це одне з тих питань,
які настільки важливі,

що якщо квантова механіка
відіграє роль у мутаціях,

це точно повинно мати серйозні наслідки

для розуміння певних видів мутацій,

можливо, навіть тих,
які перетворюють клітину на ракову.

Ще одним прикладом квантової механіки
в біології є квантова когерентність

в одному з найважливіших
біологічних процесів -

фотосинтезі: рослини й бактерії
поглинають сонячне світло

і використовують отриману енергію
для створення біомаси.

Квантова когерентність - це ідея про
виконання часточками декількох дій одразу.

Йдеться про квантового "лижника".

Це об'єкт, який поводиться як хвиля,

щоб він не просто переміщався
в тому чи іншому напрямку,

але може рухатися багатьма
шляхами одночасно.

Декілька років тому
науковий світ шокувало

опубліковане дослідження,
яке надавало експериментальні докази того,

що квантова когерентність
має місце всередині бактерії,

яка здійснює фотосинтез.

Ідея в тому, що протон,
часточка сонячного світла,

квант світла, що поглинається
хлорофіловою молекулою,

потім доставляється до
так званого центру реакції,

де він може перетворитися
на хімічну енергію.

І, добираючись туди,
він рухається не одним маршрутом;

а багатьма шляхами водночас,

щоб оптимізувати найефективніший спосіб
досягнення центру реакції,

не розсіюючись як марне тепло.

Квантова когерентність, яка
має місце всередині живої клітини.

Дивовижна ідея,

і все-таки нові докази з'являються мало не
щотижня, публікуюються нові дослідження,

які підтверджують, що це справді
так відбувається.

Третім і останнім моїм прикладом
є найкрасивіша, чудова ідея.

Вона теж поки дуже гіпотетична,
але я не можу нею не поділитися.

Європейська вільшанка
мігрує зі Скандинавії

на південь, до Середземного моря,
кожної осені,

і, як багато морських
тварин і навіть комах,

вона орієнтується на відчуття
магнетичного поля Землі.

Магнетичне поле Землі
дуже, дуже слабке;

воно у 100 разів слабше
за магніт на холодильнику,

і все-таки воно якимось чином впливає на
хімічні процеси в живому організмі.

В цьому немає сумніву --
німецька пара орнітологів,

Вольфґанґ і Росвіта Вілчко,
у 1970-х роках підтвердили, що

вільшанка справді знаходить шлях,
якось відчуваючи магнетичне поле Землі,

яке надає їй інформацію про напрямок --
вбудований компас.

Загадкою, таємницею було одне:
Як вона це робить?

Єдина теорія, яка в нас є --

ми не знаємо, чи вона правильна,
але вона поки єдина --

це те, що вона робить це з допомогою того,
що зветься квантовою заплутаністю.

Всередині сітківки ока вільшанки --

я не жартую -- є протеїн,
який називається криптохром

і який чутливий до світла.

Всередині криптохрому пара електронів
перебуває у сплутаному квантовому стані.

А квантова заплутаність - це коли
дві часточки далеко одна від одної,

але все одно якось
контактують між собою.

Навіть Ейнштейн ненавидів цю ідею;

він називав її
"моторошною дією на відстані".

(Сміх)

Тож якщо Ейнштейн її не любив,
то і нам всім вона може не подобатися.

Два квантово сплутаних електрони
в межах однієї молекули

танцюють витончений танець,

який дуже чутливий до
напряму польоту пташки

у магнетичному полі Землі.

Ми не знаємо, чи це
правильне пояснення.

Але ж круто! Хіба не цікаво було б, якби
квантова механіка вказувала напрям птахам?

Квантова біологія
ще тільки починає свій шлях.

Вона ще поки гіпотетична.

Але, я гадаю, вона стоїть
на міцному науковому підґрунті.

А ще я думаю, що десь
в наступні 10 років

ми почнемо бачити, що
насправді вона пронизує життя,

що життя виробило прийоми,
які використовують квантовий світ.

Слідкуйте за цією галуззю.

Дякую.

(Оплески)