Квантовая биология: жизнь работает по законам, которые наука только начинает понимать

Долгое время считалось, что биологические системы — слишком большие, тёплые и влажные для квантовых эффектов, таких как когерентность и запутанность. Это предположение основывалось не на экспериментах, а на компьютерных моделях и математических выкладках, исходящих из того, что учёные «знают» об этих системах. Новые исследования показывают: это убеждение ошибочно. Квантовая когерентность может быть ключевым условием для достижения биологическими системами их почти стопроцентной эффективности.

Свет как основа жизни

Исследования последних лет выявили удивительную картину. В процессах улавливания света — фотосинтезе — когерентность и запутанность проявляются наиболее отчётливо. Взаимодействие жизни и света, похоже, является фундаментальной основой того, что значит быть живым.

Более того, тёплые и влажные условия биологических систем, которые считались препятствием для квантовых эффектов, на самом деле необходимы для их проявления. В живой системе квантовые эффекты не затухают окончательно — они пульсируют. Система обретает когерентность, теряет её и обретает вновь в регулярном колебательном цикле. Живой организм — это не идеально когерентная система и не идеально классическая. Это система, которая регулярно осциллирует между этими двумя состояниями.

Доказательства из ведущих лабораторий

В 2007 году группа исследователей под руководством Энгеля опубликовала в журнале Nature работу, ставшую поворотным пунктом. Изучая комплекс FMO зелёных серных бактерий — своего рода энергетический провод, соединяющий антенну хлорономы с реакционным центром, — они получили прямое доказательство долгоживущей электронной квантовой когерентности. При температуре 77 кельвинов (минус 196 градусов Цельсия) в системе наблюдались отчётливые квантовые биения. Волнообразный характер переноса энергии в фотосинтетическом комплексе может объяснять его экстремальную эффективность: квантовая система «прощупывает» огромные области фазового пространства, чтобы найти самый эффективный путь.

В 2010 году исследователи Коллини и Сколес опубликовали в Nature результаты экспериментов с двумя светособирающими белками морских криптофитовых водорослей, эволюционно связанными между собой. Измерения методом двумерной фотонной эхо-спектроскопии выявили исключительно долгоживущие колебания возбуждения с отчётливыми корреляциями и антикорреляциями — даже при комнатной температуре. Эти наблюдения предоставили убедительные доказательства квантово-когерентного распределения электронного возбуждения по всей ширине белков, составляющей около пяти нанометров, в биологически значимых условиях. Расстояние здесь имеет значение: квантовая когерентность связывала молекулы, находящиеся далеко друг от друга, делая систему более эффективной.

Запутанность в живых системах

В том же году Саровар с соавторами опубликовал в Nature Physics первый строгий анализ запутанности в биологической системе. Исследователи разработали методы количественной оценки запутанности в многопигментных светособирающих комплексах и применили их к белку FMO. Результаты показали, что даже при физиологических температурах в системе существует небольшое количество дальнодействующей и многочастной запутанности. В условиях одного элементарного возбуждения ненулевая запутанность сохраняется.

Исидзаки и Флеминг, чьи работы публиковались в PNAS и New Journal of Physics, теоретически исследовали динамику переноса энергии в комплексе FMO при физиологической температуре. Их численные результаты показали, что квантовое волнообразное движение сохраняется в течение нескольких сотен фемтосекунд даже при комнатной температуре. Они также предположили, что комплекс FMO может работать как выпрямитель для однонаправленного потока энергии, используя квантовую когерентность и энергетический ландшафт пигментов, настроенный белковой матрицей.

Эволюционная связь

Коллини с соавторами в той же работе 2010 года подчёркивают, что два исследованных белка являются эволюционно родственными. Наличие квантовой когерентности в обоих, несмотря на их различия, указывает на то, что этот механизм не случаен. Он мог возникнуть в ходе эволюции именно благодаря своей функциональной значимости.

Более поздние обзоры, такие как работа Леви с соавторами в Reports on Progress in Physics (2015), стремятся унифицировать язык различных научных сообществ — физиков, химиков, биологов — для описания этих явлений. Они подчёркивают, что фундаментальная междисциплинарная природа этих исследований делает их одновременно и чрезвычайно увлекательными, и создаёт препятствия для их понимания.

Что это значит

Принятие этих фактов повлечёт за собой полный сдвиг парадигмы в понимании биологии, жизни и сознания. Вероятно, жизнь черпает энергию непосредственно из квантового вакуума, и именно это одушевляет материю, делая её живой.

Вопрос, который остаётся без ответа, заключается не в том, происходят ли квантовые эффекты в живых системах. Слишком много экспериментальных данных свидетельствуют об обратном. Вопрос в том, как наука пересмотрит свои фундаментальные представления о жизни, когда полностью осознает, что живая клетка — это не химический завод, а квантовый процессор. И какие ещё тайны откроются, когда исследователи начнут смотреть на всё живое через эту новую линзу?