На верхнем уровне находятся макроскопические объекты, с которыми мы имеем дело каждый день (например, футбольные мячи, поезда, планеты). Поведение таких объектов подчиняется законам ньютоновской механики, основные понятия которой всем вам знакомы: скорость, ускорение, инерция, сила. На среднем (термодинамическом) уровне находятся жидкости и газы, к описанию которых также применимы классические законы Ньютона. Тем не менее, как отметил Шредингер и как мы с вами узнали из главы 2, термодинамические законы, описывающие, например, расширение газа при нагревании или работу парового двигателя, толкающего поезд вверх по склону холма, основаны на принципе «порядка из неупорядоченности». Этот хаос, как вы помните, создается беспорядочным толканием миллиардов атомов и молекул, напоминающих бильярдные шары. На третьем, самом глубоком уровне расположена основа физической реальности — квантовый мир. В этом мире поведение атомов и молекул, а также частиц, из которых они состоят, подчиняется точным и упорядоченным правилам не классической, а квантовой механики. Однако большинство квантовых странностей скрыто от человеческого глаза. Кое-что открывается лишь тогда, когда мы наблюдаем отдельные молекулы, как в случае эксперимента с двумя щелями: мы можем увидеть глубоко сокрытые квантовые законы в действии. Поведение объектов, описываемое этими законами, кажется нам непонятным, поскольку мы видим реальность сквозь призму декогерентности, лишающей большие объекты таинственных свойств.
Большинство живых организмов являются относительно большими объектами. Их движение, как и движение поездов, футбольных мячей и пушечных ядер, надежно описывается законами Ньютона: человек, запущенный из пушки, будет лететь примерно по той же траектории, что и ядро. На более глубоком уровне — на уровне физиологии тканей и клеток — работают термодинамические законы: расширение и сжатие легкого, в сущности, не отличается от расширения и сжатия воздушного шарика. На первый взгляд вам может показаться (как долгое время казалось ученым), что квантовые свойства исчезают в организмах малиновки, рыбы, динозавра, в яблонях, бабочках и в нас с вами, как и в любых объектах, управляемых законами классической физики. Однако мы убедились, что в случае живой ткани этот принцип срабатывает не всегда — жизнь словно пускает свои корни с поверхности мира ньютоновских законов, просачиваясь сквозь мир жидкостей, структуру которых составляют подвижные турбулентные молекулы, подчиняющиеся законам термодинамики, к самому дну, к квантовому основанию реальности. Так жизнь достигает квантового «дна» и присваивает себе некоторые из его загадочных свойств — когерентность, суперпозицию, туннелирование и запутанность (см. рис. 10.1). Каким образом она это делает? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей последней главе.
Частично мы уже ответили на него. Более 60 лет назад Эрвин Шредингер отметил, что жизнь отличается от неорганического мира тем, что она структурированна и упорядоченна на молекулярном уровне. Этот порядок, пронизывающий структуру жизни насквозь, наделяет ее своего рода четким, надежным механизмом, связывающим ее молекулярный уровень с макроскопическим. Так, квантовые свойства, наблюдаемые в поведении отдельных биомолекул, имеют важные последствия для всего организма — то самое усиление воздействия квантового уровня на макроскопический, о котором говорил Паскуаль Йордан, пионер квантовой механики.
Не стоит забывать о том, что, когда Шредингер и Йордан писали о биологии, никто еще не знал, из чего состоит ген, как работают ферменты и фотосинтез. Затем последовали 50 лет интенсивных и плодотворных исследований в области молекулярной биологии, результатом которых стало поразительно подробное описание структуры биомолекул на уровне отдельных атомов в связях ДНК и белков. И, как мы с вами убедились, дальновидные предсказания пионеров квантовой механики оказались точными, пусть их подтверждение немного и затянулось. В структуре фотосистем, ферментов, дыхательных цепей и генов имеет значение даже положение отдельных элементарных частиц, а их квантовые перемещения на самом деле влияют на процесс дыхания, поддерживающий жизнь, на работу ферментов, обеспечивающих целостность организмов, на фотосинтез, производящий практически всю биомассу на нашей планете.
И все же многие вопросы остаются неясными. В основном они касаются того, каким образом жизни удается сохранять свойство квантовой когерентности в теплой и влажной среде биомолекул внутри живой клетки. Белки и ДНК вовсе не являются стальными конструкциями с угловатыми элементами, как те приборы, которые используются для обнаружения квантовых эффектов во время экспериментов в физических лабораториях. Белки и ДНК имеют вязкую, гибкую структуру, которая постоянно испытывает воздействие тепловых колебаний, выдерживает удары окружающих молекулярных бильярдных шаров и молекулярный шум[174]. Казалось бы, эти случайные вибрации и молекулярные столкновения должны разрушать тонко организованные атомы и молекулы, частицам которых необходимо сохранять квантовые свойства. Остается загадкой то, каким образом в биологии поддерживается квантовая когерентность. Тем не менее, как мы с вами узнаем, завеса тайны начинает приоткрываться, позволяя ученым проникать в самую сущность жизни. Возможно, эти новые знания будут использованы для разработки квантовых технологий будущего.
Приятные, приятные, приятные, приятные вибрации (боп-боп)[175]
Не многие научно-популярные книги нуждаются в дополнениях во время написания. Тем не менее в последней главе данной книги мы расскажем о результатах исследований, которые проводятся в настоящий момент. Квантовая биология развивается очень быстро, и направления ее развития настолько многочисленны, что к моменту выхода этой книги ее содержание рискует стать неактуальным. Наиболее неожиданные результаты были получены в ходе недавних исследований взаимодействия жизни с молекулярными вибрациями, или шумом.
Один из самых поразительных результатов был получен в ходе очередного исследования процесса фотосинтеза. В главе 4 мы говорили о том, что в микробах и листьях растений содержится огромное количество хлоропластов, которые заполнены молекулами пигмента хлорофилла, а также о том, что первой стадией фотосинтеза является захват фотона света молекулой пигмента и его преобразование в вибрирующий экситон, который пробирается сквозь хлорофилльный лес к реакционному центру. Как вы помните, было обнаружено, что этот процесс переноса энергии имеет признаки когерентности — квантового биения, и почти со стопроцентной точностью доказано, что он в принципе возможен благодаря квантовому перемещению экситона к реакционному центру. До сих пор оставалось загадкой, каким образом экситонам удается поддерживать когерентные волновые свойства, прокладывая путь сквозь пространство живой клетки, наполненное молекулярным шумом. К настоящему моменту установлено, что разгадка, вероятнее всего, заключается в следующем: живые системы не пытаются избежать молекулярного шума; напротив, они пытаются подстроиться под его ритм.
В главе 4 мы описали квантовую когерентность при фотосинтезе как своего рода молекулярный оркестр, в составе которого музыканты — когерентные молекулы пигмента — демонстрируют очень четкую и слаженную игру. Однако система, элементы которой работают в унисон, сталкивается с одной проблемой: во внутриклеточном пространстве слишком шумно. Молекулярный оркестр исполняет свою программу не в тихом концертном зале, а в месте, напоминающем деловой центр города, — посреди какофонии молекулярного шума. Этот шум мешает музыкантам исполнять партии — вибрации экситона, которые то и дело выбиваются из общего ритма, что приводит к нарушению и без того хрупкого состояния квантовой когерентности.
С этой проблемой постоянно сталкиваются физики и инженеры, работающие над созданием таких приборов, как квантовые компьютеры. Специалисты используют две основные стратегии сдерживания молекулярного шума. Во-первых, когда это возможно, они стараются охлаждать системы практически до абсолютного нуля. При таких низких температурах молекулярные колебания затихают, что, в свою очередь, приводит к затиханию молекулярного шума. Во-вторых, внутри молекулярной студии звукозаписи они создают вокруг своих систем своего рода стеклянный щит, сквозь который не проникает шум окружающей среды. Разумеется, внутри живых клеток нет никаких студий звукозаписи, а растения и бактерии живут в теплой среде. Так как же фотосистемам удается так долго поддерживать мелодию оркестра квантовой когерентности?
