Несмотря на то что молекулы хлорофилла в специальной паре являются идентичными, их окружают и удерживают в центре различные белки, что обусловливает их колебания на незначительно отличающихся частотах. Иными словами, они «звучат» немного не в тон. В более поздней статье Скалли и его коллеги отметили, что благодаря такой структуре фотосинтетический реакционный центр характеризуется точной молекулярной архитектурой, необходимой для его превращения в квантовую паровую машину. Исследователи показали, что специальная пара молекул хлорофилла настраивается на общий ритм и использует квантовую интерференцию, чтобы препятствовать переносу энергии по непродуктивным маршрутам, на которых высока вероятность ее растраты. В таком случае молекула-акцептор получит энергии на 18–27 % больше, чем предполагает предел, просчитанный математиком Карно более 200 лет назад. Может показаться, что это не такой уж большой показатель. Однако, если мы обратимся к прогнозам, согласно которым мировое потребление энергии вырастет с 2010 до 2040 года на 56 %, станет понятно, что разработка технологии, благодаря которой можно получить энергию сравнимых объемов, имеет стратегическое значение.

Этот удивительный результат является еще одним ярким примером того, что живые организмы, получающие жизненные силы из квантового мира, обладают способностями, которые отсутствуют у неодушевленных макроскопических объектов. Безусловно, для того, чтобы такой смелый проект осуществился, необходима квантовая когерентность. Однако совсем недавно, в июле 2014 года, команда ученых из Нидерландов, Швеции и России опубликовала сенсационные результаты. Они обнаружили квантовое биение в растительном фотосинтетическом реакционном центре II[186] и заявили, что эти центры функционируют как «квантовые световые ловушки»[187]. Не забывайте о том, что фотосинтетические реакционные центры появились между двумя и тремя миллиардами лет назад. Похоже на то, что на протяжении почти всей истории нашей планеты растения и бактерии пользовались встроенными квантовыми паровыми машинами (процесс настолько сложный и хитроумный, что нам еще очень далеко до его искусственного воспроизведения), чтобы передавать энергию углероду. Так была создана вся биомасса Земли, в которой сформировались бактерии, растения, динозавры и, разумеется, мы. На самом деле мы до сих пор пользуемся древнейшей квантовой энергией в виде энергетических ресурсов, которые греют наши дома, заводят машины и поддерживают всю современную промышленность. Невозможно переоценить преимущества, которые современные технологии человечества получают от древнейших природных технологий квантового мира.

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.