Квант. Путеводитель для запутавшихся

Квантовая механика и биология

Джонджо Мак-Фадден, профессор микробиологии, Университет Суррея

Прошло более 50 лет, с тех пор как Эрвин Шрёдингер сделал поразительное предположение, что жизнь покоится на квантово-механических принципах. И все же большинство его аргументов справедливо и сегодня. Шрёдингер заметил, что все классические законы имеют статистический характер и верны для наборов из миллиардов атомов или молекул, но неприменимы на уровне отдельных частиц. Жизнь, утверждал он, основана на динамике отдельных частиц, а следовательно, подчиняется квантовым законам.

Для 1944 года, когда считалось, что внутри клетки находится аморфная субстанция, именуемая протоплазмой, его предсказание было весьма примечательным. Но когда молекулярные биологи лучше изучили работу клеток, они увидели их строение на всех уровнях. Ширина двойной спирали ДНК составляет всего два нанометра (две миллионных доли миллиметра) – это не слишком выбивается из атомных масштабов, – и вместе с белками и другими клеточными составляющими спираль ДНК имеет структуру размером менее одной десятой этой величины. Динамика внутри этих биомолекул представляет собой исключительно движение отдельных частиц. Представьте ферментную ротационную машину F1-АТФазу, которая производит АТФ (химическое топливо для клеток). Ширина этого крошечного биологического устройства составляет всего десять нанометров. Фермент находится на клеточной мембране, где его ротация поддерживается потоком протонов, идущим через центральную пору. Но как ротационное движение в таком масштабе преобразуется в химическую энергию – по-прежнему загадка. Здесь явно не обходится без квантовой механики.

Считается, что в огромное количество биохимических процессов, включая фотосинтез, дыхание, мутацию и сворачивание белка, вовлечено квантовое туннелирование. К примеру, ученые полагают, что ферменты, которые формируют протонный градиент, подталкивающий F1-АТФазу, используют электронное туннелирование, чтобы связать процесс переноса протонов с белками дыхательной цепи. Действительно, многие полагают, что и электронное, и протонное туннелирование представляют собой недостающие ингредиенты, которые объясняют, каким образом ферменты могут массово ускорять химические реакции. Квантовое туннелирование также может участвовать в сворачивании белка – процессе, в ходе которого молекула белка просматривает миллиарды возможных структур, чтобы найти свою активную форму. Кроме того, квантовое туннелирование может быть фундаментальным для эволюционного развития жизни на Земле. Уотсон и Крик первыми предположили, что таутомерия – химический эвфемизм протонного туннелирования – ДНК-базы внутри двойной спирали отвечает за мутации. Мы с Джимом Аль-Халили внимательнее изучили этот механизм и предположили, что в некоторых типах мутации также может быть задействована квантовая когерентность.

Живая клетка – это нанотехнология природы. Подобно тому как работающие в наномасштабе инженеры и физики должны использовать в своих моделях квантовую механику, продолжающаяся более трех миллиардов лет эволюция точно включила в себя квантовую динамику. Скорее всего, квантовая механика столь же фундаментальна для жизни, как и вода. Недавние эксперименты и симуляции действительно показали, что участвующие в водородных связях в воде протоны в высокой степени делокализованы (то есть находятся в суперпозиции пребывания в двух разных местах). Образование водородных связей, возможно, представляет собой самое фундаментальное биохимическое взаимодействие, участвующее в процессе образования базовых ДНК-пар, ферментном катализе, сворачивании белка, дыхании и фотосинтезе. Если в основе этого феномена лежит квантовая делокализация, значит, она критически важна для жизни. И правда, несколько исследователей (включая меня и Пола Дэвиса) предположили, что в квантовой механике, возможно, таится решение главной биологической загадки – вопроса о происхождении жизни.