Существует ли квантовая биология?

Группа под руководством Нила Ламберта (Neill Lambert) из Института физико-химических исследований (RIKEN, Япония) попыталась выяснить, насколько современный уровень науки позволяет нам говорить об использовании квантовых процессов в биологии.

Нет, речь не об известной концепции квантового дарвинизма. Учёных интересовало то, применяются ли конкретные квантовые механизмы живыми существами в процессе их жизнедеятельности.

Эрвин Шрёдингер и не подозревал, что животные могут послужить для квантовой механики не только объектами эксперимента, но и активными эксплуатантами. (Фото OSU Library.)

Учёные проанализировали выдвигавшиеся в последние годы примеры возможного использования квантовой механики живыми существами. Более всего авторов заинтересовали малиновки, ставшие недавно яблоком раздора и центром нешуточной дискуссии. Если верить опытам, эти птички ориентируются по линиям магнитного поля Земли, только пока видят свет (мы не умеем организовывать такие системы не квантово), что заставляет говорить об использовании пернатыми квантовой запутанности для выявления линий магнитного поля Земли. Стараясь быть объективными, исследователи упомянули о главной проблеме такой эксплуатации запутанности: по расчётам, она длится радикально дольше того, что получается сделать в лучших физических лабораториях. Хотя гипотеза, объясняющая такое затягивание, уже выдвинута, отношение к ней в научном сообществе пока критическое: мало кому по душе предположение, что физика XXI века уступает по способности управлять квантовыми состояниями обычной малиновке. Напомним, что именно квантовая декогеренция, якобы преодолеваемая малиновкой, при нормальных температурных условиях является одним из самых существенных технических препятствий на пути создания квантовых компьютеров.

Другая возможная область применения квантовой механики биологическими организмами зовётся… фотосинтезом. По всем признакам его эффективность — до расхода энергии на транспирацию и другие служебные процессы, протекающие в организмах растений, — намного выше, чем следовало бы ожидать, будь фотосинтез классическим (неквантовым) процессом. Учёные утверждают: ряд химических экспериментов, начатых в 2007 году, показывает, что эта подозрительно высокая эффективность может быть объяснена квантовой механикой. Полученные данные якобы указывают на наличие квантовой когерентности в различных молекулах пигмента в момент электронного переноса. Определённо, когда электроны в разных атомах ведут себя скоординировано, как единая система, это отвечает критериям квантовых процессов. Однако наиболее чёткие результаты такого рода были получены для температур (77 К), не слишком распространённых при фотосинтезе. Другие опыты, между тем, показали когерентное поведение электронов и при комнатных условиях.

Правда, как отмечают авторы обзора, наблюдать квантовые эффекты в пигментах, используемых для фотосинтеза в лаборатории, это одно, а доказать их реальное протекание в живых организмах — совсем-совсем другое.

Согласно сторонникам квантовой биологии, пресловутый шрёдингеровский кот мог пользоваться туннельным эффектом. Если это так, то в макроскопических системах квантовые явления не ограничиваются сверхпроводимостью. (Илл. Wikipedia.)

Туннельный эффект, имеющий, предположительно, место при использовании живыми существами обоняния, также считается одной из сфер, где живые организмы подозреваются в эксплуатации квантовой механики. Напомним: согласно не так давно выдвинутой гипотезе, нос воспринимает не форму и размеры молекул (построенные на таком принципе искусственные обонятельные детекторы никогда не давали удовлетворительных результатов), а непосредственный перенос электронов при помощи туннельного эффекта (как в туннельном диоде) от молекул вдыхаемого вещества в нервную клетку обонятельного рецептора.

Вторым «подозреваемым» по делу о туннельном эффекте является зрение, в том числе человеческое. По одной из гипотез, фотон вызывает в молекуле, связанной с белком в сетчатке, быстрые изменения структуры, которые впоследствии становятся причиной вторичных изменений непосредственно в белковой молекуле-хозяине. Дело в том, что объяснить работу зрения с использованием классических механизмов пока не удаётся: в частности, искусственные глаза, построенные на очень продвинутой электронике, имеют несравнимо худшее разрешение и цветочувствительность, чем человеческие, что заставляет искать в этом некий квантовый заговор, повышающий эффективность зрения в целом. Эксперимент, который мог бы подтвердить это, очень сложен в организации, хотя и запланирован (на не слишком близкое будущее).

Конечно, вздыхают авторы эссе, мы пока так мало знаем обо всех упомянутых процессах, что все эти «нестыковки» могут объясняться рядом не учтённых нами классических процессов. И тем не менее «основания для подозрений» есть, а разрешить вопрос можно только специальными экспериментами в области, которую исследователи предлагают назвать (возможно, чересчур оптимистично) квантовой биологией.

Кстати. С точки зрения квантового дарвинизма, протекание макроскопических квантовых процессов нормально, а потому не очень ясно, отчего бы им не бытовать в живых организмах. Но вот вопрос: насколько квантовым процессам удаётся пройти пороговый отбор именно в живых существах?..

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.

Подготовлено по материалам Ars Technica.