Кот Шредингера помогает объяснить загадки жизни

Австрийский физик Эрвин Шредингер в середине прошлого века первым попытался объяснить феномен жизни при помощи квантовой механики. Сейчас накопилось достаточно данных, чтобы строить гипотезы о том, как в организме возникают квантовые эффекты и зачем они вообще там нужны. РИА Новости рассказывает о последних достижениях квантовой биологии.
 

В книге "Что такое жизнь с точки зрения физики?", опубликованной в 1945 году, Шредингер описывает механизм наследственности, мутаций на уровне атомов и молекул через квантовую механику. Это способствовало открытию структуры ДНК и подтолкнуло биологов к созданию собственной теории, основанной на строгих физических принципах и экспериментальных данных. Однако квантовая механика пока остается за ее рамками.

Тем не менее квантовое направление в биологии продолжает развиваться. Его последователи активно ищут квантовые эффекты в реакциях фотосинтеза, физическом механизме обоняния и способности птиц чувствовать магнитное поле Земли.
 

Растения, водоросли и многие бактерии черпают энергию напрямую из солнечного света. Для этого у них есть своеобразные антенны в клеточных мембранах (светособирающие комплексы). Оттуда квант света попадает в реакционный центр внутри клетки и запускает каскад процессов, синтезирующих в итоге молекулу АТФ — универсальное топливо в организме.

Ученые обращают внимание на то, что преобразование квантов света происходит очень эффективно: все фотоны попадают с антенн в состоящий из белков реакционный центр. Туда ведет много путей, но как фотоны выбирают лучший? Может быть, они используют все пути сразу? Значит, нужно допустить наложение разных состояний фотонов друг на друга — квантовую суперпозицию.

Проводились эксперименты с живыми системами в пробирках, возбуждаемыми лазером, чтобы наблюдать квантовую суперпозицию и даже некий "квантовый бит", но результаты получились противоречивыми.

Птичка под названием "малый веретенник" совершает беспосадочный перелет с Аляски в Новую Зеландию через Тихий океан — 11 тысяч километров. Малейшая ошибка в направлении стоила бы ей жизни.

Установлено, что птицы ориентируются по магнитному полю Земли. Некоторые перелетные певчие виды чувствуют направление магнитного поля с точностью до пяти градусов.

Для объяснения уникальных навигационных способностей ученые выдвинули гипотезу о встроенном птичьем компасе, представляющем собой частицы магнетита в теле.

В соответствии с другой точкой зрения, на сетчатке птичьего глаза есть особые белки-рецепторы, которые включаются под действием солнечного света. Фотоны выбивают из молекул белков электроны, превращая их в свободные радикалы. Те приобретают заряд и, словно магнитики, реагируют на магнитное поле. Его изменение способно переключать пару радикалов между двумя состояниями, которые существуют как бы одновременно. Предполагается, что птицы чувствуют разницу этих "квантовых скачков" и корректируют курс.
 

Человек различает тысячи запахов, но физические механизмы обоняния до конца не известны. Попадая на слизистую, молекула пахучего вещества встречается с белковой молекулой, каким-то образом ее распознающей и посылающей сигнал нервным клеткам.

Известно примерно 390 типов обонятельных рецепторов человека, которые комбинируются и воспринимают все возможные запахи. Считается, что пахучее вещество словно ключ открывает рецептор-замок. Однако молекула запаха при этом химически не изменяется. Как же рецептор ее опознает? Видимо, он чувствует что-то еще в этой молекуле.

Ученые предположили, что электроны туннелируют (проходят энергетические барьеры без дополнительной энергии) через молекулы запаха и переносят некий информационный код к рецепторам. Попытки соответствующих опытов на плодовых мушках и пчелах пока не дали внятных результатов.

"Поведение любой сложной системы, в частности живой клетки, определяется микроскопическими процессами (химией), а такие процессы можно описать только квантовой механикой. У нас просто нет никакой альтернативы. Другой вопрос, насколько эффективно это описание сегодня. Квантовая механика сложных систем — это называется квантовой информатикой — пока в зачаточном состоянии", — комментирует РИА Новости Юрий Ожигов, сотрудник кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики факультета ВМиК МГУ имени М. В. Ломоносова.

Профессор полагает, что прогрессу в квантовой биологии препятствует то, что современные физические приборы заточены на неживые объекты, опыты на живых системах поставить с их помощью проблематично.

"Надеюсь, это временные трудности", — заключает он.