Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

Массачусетский технологический институт, более известный как МТИ, является одним из мировых научных центров. Он был основан в 1861 году в Кембридже, штат Массачусетс. Из тысячи его нынешних профессоров девятеро являются лауреатами Нобелевской премии (данные за 2014 год). Среди его студентов были астронавты (в трети космических полетов НАСА участвовали выпускники МТИ), политики (в том числе Кофи Аннан, бывший Генеральный секретарь ООН, лауреат Нобелевской премии мира за 2001 год), предприниматели (например, Уильям Реддингтон Хьюлетт, соучредитель компании «Хьюлетт-Паккард») и, конечно, многие ученые, среди которых — создатель квантовой электродинамики, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Однако самым известным обитателем института является вовсе не человек, а растение — яблоня, растущая в Президентском саду в тени купола одного из корпусов МТИ. Она была отчеренкована от другого дерева, растущего в Королевском ботаническом саду в Англии, прямого потомка той самой яблони, под которой, предположительно, сидел Исаак Ньютон и наблюдал падение знаменитого яблока.

Сидя под деревом на ферме своей матери в Линкольншире, Ньютон задавался одновременно простым и сложным вопросом: почему яблоки падают? Нелепо будет предположить, что ответ Ньютона на этот вопрос, перевернувший физику и всю науку в целом, мог быть неправильным. Но у этой знаменитой сцены есть один аспект, ускользнувший от внимания Ньютона и остававшийся незамеченным до сих пор: что вообще яблоко делало на дереве? Если ускоренное падение яблока на землю так озадачило ученого, то насколько более непонятным было соединение воздуха и воды Линкольншира с образованием сферического предмета на ветвях дерева? Почему Ньютон заинтересовался сравнительно тривиальной причиной воздействия земного притяжения на яблоко и не заметил совершенно непостижимую загадку первичного образования плода?

Одной из причин, объясняющих недостаток любопытства Ньютона, было общепринятое в XVII веке мнение о том, что, несмотря на основанную на законах физики механистичность всех объектов, включая живые существа, их собственная внутренняя динамика (и та, что обеспечивает рост яблок) приводится в движение жизненной силой, или élan vital, исходящей из сверхъестественного источника, не поддающегося сухим математическим уравнениям. Но, как мы уже знаем, витализм не устоял перед последующими открытиями в области биологии, генетики, биохимии и молекулярной биологии. Ни один серьезный ученый сегодня не сомневается, что жизнь объяснима с научной стороны; но остается открытым вопрос, какая наука может предоставить тому доказательство. Несмотря на альтернативные заявления таких ученых, как Шредингер, большинство биологов все еще опираются на классические законы, в которых ньютоновские силы воздействуют на шаростержневые биомолекулы, чье поведение напоминает, скажем так, поведение шаров и стержней. Даже Ричард Фейнман, один из последователей Шредингера, описывал фотосинтез (в отрывке, представленном в начале главы) в строго классических терминах, например «солнечный свет падает и отрывает кислород от углерода», словно свет — это клюшка для гольфа, способная ударить по кислородному шару и оторвать его от молекулы углеводорода.

Молекулярная биология и квантовая механика развивались скорее параллельно, чем совместно. Биологи редко посещали лекции по физике, а физики уделяли мало внимания биологии. Однако в апреле 2007 года группа физиков и математиков МТИ, работавших в загадочной сфере под названием «квантовая теория информации», собралась на очередное заседание публицистического кружка (каждый член по очереди представлял новую статью, которую он нашел в научной литературе). Один из участников принес экземпляр New York Times со статьей, в которой было выдвинуто предположение о том, что растения являются квантовыми компьютерами (подробности об этих замечательных механизмах — в главе 8). Группа взорвалась хохотом. Один из членов команды, Сет Ллойд, так вспоминает о первом впечатлении от подобного «квантового жульничества»: «Нам казалось, что это настоящая истерия… В голове прозвучало как „О Боже, это самая безумная вещь, которую я слышал в жизни“»[48]. Причиной их недоверия стал тот факт, что многие наиболее выдающиеся и финансируемые исследовательские группы в мире могли потратить десятилетия, пытаясь выяснить, как построить квантовый компьютер, машину, которая может проводить определенные расчеты намного быстрее и эффективнее, чем самые мощные современные компьютеры (вместо использования цифровых битов информации, выраженных в виде 0 или 1, новый компьютер позволит информации быть и нулем, и единицей одновременно, таким образом, производить все возможные расчеты синхронно — высшая степень параллельной обработки данных). В статье из New York Times говорилось о том, что ничтожная былинка способна проводить своего рода квантовые фокусы, которые лежат в основе квантовых вычислений. Неудивительно, что исследователи из МТИ были настроены скептично. Они, возможно, не могут построить работающий квантовый компьютер, но если статья правдива, то они могут съесть такой компьютер с салатом на ланч!

Тем временем недалеко от аудитории, где члены кружка хохотали над статьей от всей своей квантовой души, фотон света со скоростью почти 300 тысяч километров в секунду стремился к дереву со знаменитой родословной.

Главная загадка квантовой механики

Мы вскоре вернемся к фотону и дереву и узнаем, как они связаны с квантовым миром, но сначала предлагаем вам рассмотреть удивительно простой эксперимент, который подчеркивает таинственность квантового мира. Пока мы прилагаем все усилия, чтобы как можно понятнее объяснить, что подразумевают такие выражения, как «квантовая суперпозиция», нет ничего нагляднее знаменитого опыта с двумя щелями, описанного ниже.

Опыт с двумя щелями наиболее просто и в полной мере показывает, что в квантовом мире все устроено по-другому. Частицы могут вести себя как волны, распространяясь в пространстве, а волны могут иногда приобретать свойства частиц. Мы уже говорили о корпускулярно-волновом дуализме: во введении он описан как особенность, благодаря которой становится понятно, как Солнце генерирует энергию; в главе 3 мы с вами разобрались в том, как волновые характеристики электронов и протонов позволяют им преодолевать энергетические барьеры в структуре ферментов. В этой главе вы узнаете, что корпускулярно-волновой дуализм также влияет на наиболее важные биохимические реакции в биосфере: превращение воздуха, воды и света в растения, микроорганизмы и — косвенно — во всех нас. Но сначала мы должны понять, как смелая идея о том, что частицы могут находиться в нескольких местах одновременно, подтверждается простейшими, изящными и в то же время наиболее масштабными экспериментами в истории: один из этих экспериментов, согласно Ричарду Фейнману, «лежит в сердце квантовой механики».

Однако должен предупредить, что описанное тут покажется вам невозможным и вы можете подумать, что должен быть более рациональный способ объяснить происходящее. Вы можете размышлять, в чем же секрет этого магического фокуса. Или вы можете прийти к выводу, что опыт представляет собой чистой воды теоретическую спекуляцию, выдуманную учеными, которым не хватило воображения, чтобы понять механизмы природы. Но ни одно из этих объяснений не является верным. Опыт с двумя щелями не имеет (здравого) объяснения, но является реальным и воспроизводился тысячи раз.

Мы опишем эксперимент в три этапа; первые два будут касаться описания условий, чтобы вы могли оценить непостижимые результаты третьей, основной, стадии.

Сначала пучок монохромного света (состоящий из волн одного цвета, то есть волн одинаковой длины) направляется на экран с двумя узкими щелями, которые позволяют некоторому количеству света пройти через обе щели на второй экран (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Опыт с двумя щелями, стадия 1. Когда монохромный свет (имеющий определенную длину волны) направляется на две щели, каждая щель выступает в качестве нового источника света с другой стороны. Благодаря волновой природе свет распространяется (рассеивается) после прохождения через каждую щель, так что круговые волны перекрываются и взаимодействуют друг с другом, образуя темные и светлые полосы на заднем экране

Точно контролируя ширину щелей, расстояние между ними и расстояние между двумя экранами, мы можем создать последовательность светлых и темных полос на втором экране, известную как интерференционная картина.

Интерференционные картины представляют собой графики волн, их легко увидеть в любой волновой среде. Бросьте камень на гладь пруда, и вы увидите, как ряд концентрических циркулярных волн расходится от места всплеска. Бросьте два камня в один пруд, и каждый из них будет образовывать свои собственные концентрические волны. В том месте, где волны от двух камней перекрываются, вы увидите интерференционную картину (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Конструктивная и деструктивная интерференция волн

Там, где пик одной волны встречается с минимальной точкой другой, они нейтрализуют друг друга, что приводит к отсутствию волны в этой точке. Это явление называют деструктивной интерференцией. И наоборот, там, где встречаются два пика или две минимальные точки, они усиливают друг друга, создавая двойную волну: это явление называют конструктивной интерференцией. Подобная картина угасания и усиления волн может наблюдаться в любой волновой среде. Английский физик Томас Янг продемонстрировал интерференцию пучков света в ранней версии опыта с двумя щелями, проведенного более 200 лет назад. Результат убедил его и многих других ученых в том, что свет на самом деле представляет собой волну.

Интерференция, которую мы наблюдаем в опыте с двумя щелями, в первую очередь зависит от пути, по которому волны света проходят через щель и затем распространяются — свойство волн, известное как дифракция. Таким образом, пучки, исходящие из щелей, до попадания на задний экран перекрывают и поглощают друг друга точно так же, как волны на воде. В определенных точках экрана волны света, исходящие из двух щелей, попадают в фазу, когда пики и низшие точки чередуются — либо потому, что они прошли одинаковое расстояние до экрана, либо потому, что разница в пройденном ими расстоянии кратна расстоянию между их пиками. В этом случае высшие и низшие точки волн сочетаются и образуют еще более высокие и низкие точки. Это явление называют конструктивной интерференцией. При наслаивании волн образуется свет высокой интенсивности и, следовательно, яркая полоса на экране. Но в других точках свет из двух щелей падает вне фазы и высшая точка одной волны встречает низшую точку другой. В этих точках волны нейтрализуют друг друга, что приводит к образованию темной полосы на экране, — деструктивная интерференция. Между этими двумя крайностями комбинация не попадает полностью ни «в фазу», ни «вне фазы» и некоторое количество света остается. Таким образом, мы видим на экране не точную последовательность светлых и темных полос, а плавное изменение интенсивности между максимальными и минимальными точками в интерференционной картине. Это закономерное волнообразное плавное изменение интенсивности является ключевым индикатором волновых феноменов. Есть пример и со звуковыми волнами: музыкант, настраивая инструмент, прислушивается к биениям[49], которые получаются, если одна нота очень близка по частоте другой, так что по пути к уху музыканта они иногда попадают в фазу или вне фазы. Вариация их сочетаний производит общий звук, громкость которого периодически возрастает и снижается. Плавное изменение интенсивности звука происходит по причине интерференции между двумя отдельными волнами. Отметим, что эти биения представляют собой явление, подчиняющееся законам классической физики, которое не требует квантового толкования.

Ключевым фактором в эксперименте с двумя щелями является то, что пучок света, попадающий на первый экран, должен быть монохромным (состоящим из волн одной длины). Белый свет, который исходит от обычной лампочки, наоборот, состоит из волн различной длины (всех цветов радуги), так что волны будут падать на экран беспорядочно. В таком случае, несмотря на то что пики и низшие точки волн будут взаимодействовать друг с другом, полученная картина будет настолько сложной и размытой, что отдельные полосы будут неразличимы. Подобным образом, несмотря на простоту получения интерференционной картины при бросании в пруд двух камней, огромный водопад, низвергающийся в пруд, образует столько волн, что увидеть какую-либо когерентную интерференционную картину невозможно.

Теперь, на втором этапе опыта с двумя щелями, мы будем использовать не свет, а пули, летящие на экран. Суть в том, что мы используем твердые частицы, а не распространяющиеся волны. Каждая пуля должна, конечно, пройти через одну или другую щель, но не обе одновременно. После того как необходимое количество пуль пройдет через щели, мы увидим на заднем экране две полосы дырок от пуль, соответствующие двум щелям (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Опыт с двумя щелями, этап 2. В отличие от поведения световых волн поток летящих через щели пуль демонстрирует поведение частиц. Каждая пуля, попадающая на задний экран, должна пройти через одну или другую щель, но не обе (конечно, принимая во внимание, что середина экрана имеет достаточную толщину, чтобы задержать пули, не попавшие в щели). В отличие от многополосной интерференции картина на заднем экране показывает скопление пуль вокруг двух узких полос, соответствующих каждой щели

Конечно, мы не имеем дела с волнами. Каждая пуля представляет собой отдельную частицу и не взаимодействует с другой, так что интерференции не наблюдается.

А теперь третий этап: квантовый «фокус». Опыт повторяют с использованием атомов вместо пуль. Пучок атомов, исходящий из источника, летит на экран с двумя узкими щелями[50]. Для регистрации попадания атомов второй экран имеет фотолюминесцентное покрытие, на котором проявляется крошечная яркая точка в месте попадания атома.

Если бы на микроскопическом уровне действовал здравый смысл, то атомы повели бы себя как крошечные пули. Сначала мы проведем опыт, открыв только левую щель, и увидим полосу светлых точек на экране позади открытой щели. Определенное количество точек кладется на экран неровно: это может свидетельствовать о том, что некоторые атомы отталкиваются от краев, изменяют траекторию и не проходят строго через щель. Далее мы откроем правую щель и подождем, пока на заднем экране появятся яркие точки.

Если бы вас попросили предсказать распределение ярких точек и вы бы ничего не знали о квантовой механике, вы бы, естественно, догадались, что оно напоминало бы картину, полученную в опыте с пулями. А именно: позади каждой щели образуется полоса точек, то есть на экране возникают два различных светящихся участка, более ярких в центре и постепенно угасающих к краям, поскольку попадания атомов становятся более редкими. Также можно ожидать, что участок посередине между двумя яркими полосами будет темным, так как он соответствует части экрана, непроницаемой для атомов, в какую бы щель они ни попали.

Однако это не соответствует тому, что мы наблюдаем. Наоборот, мы видим очень четкую картину интерференции светлых и темных полос, точно такую же, как в опыте со светом. Верите или нет, но наиболее яркая часть экрана располагается в центре: на участке, на который не должно попадать много атомов (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Опыт с двумя щелями, этап 3. При замене пуль на атомы, испускаемые из источника, расположенного перед щелями (разумеется, на каждом этапе подбираются соответствующие ширина и расстояние между щелями), мы вновь наблюдаем волнообразную интерференционную картину. Несмотря на то что каждый атом, попадающий на задний экран в определенной точке, ведет себя как частица, они объединяются в полосы, так же как мы видели в случае света. Почему атомы проходят через две щели одновременно, без чего мы не увидели бы множественных полос интерференции?

Фактически при правильном расстоянии между щелями и правильном расстоянии между двумя экранами мы можем убедиться, что яркий участок на заднем экране (куда атомы могли попасть при одной открытой щели) теперь, при двух открытых щелях, является темным (туда не попадает ни одного атома). Каким образом открытие второй щели, которая позволяет пройти большему количеству атомов, может помешать попаданию атомов на определенные части экрана?

Давайте посмотрим, сможем ли мы объяснить происходящее с помощью обычной логики, не прибегая пока к квантовой механике. Предположим следующее: несмотря на то что каждый атом представляет собой микроскопическую частицу (в конце концов, каждый атом ударяет в экран в одном месте), огромное количество атомов, сталкивающихся и взаимодействующих друг с другом особым согласованным образом, образуют картину с видимостью интерференции. Как бы там ни было, мы знаем, что волны воды на самом деле состоят из множества молекул воды, которые по отдельности не являются волнами. Именно скоординированное движение триллионов молекул воды, а не каждая молекула в отдельности проявляет волнообразные свойства. Возможно, атомная пушка испускает координированный поток атомов подобно волновой установке в бассейне.

Чтобы проверить теорию согласованных атомов, мы повторим эксперимент, но сейчас будем посылать атомы по одному. Мы включаем атомную пушку и ждем появления светящегося пятна на заднем экране, прежде чем включить ее второй раз, и т. д. Сначала может показаться, что здравый смысл все же преобладает: каждый атом, проходящий через щели, оставляет только одно локализованное пятно света в определенной части экрана. Кажется, атомы вылетают из пушки в виде частиц, подобно пулям, и попадают на экран как частицы. Безусловно, в пространстве между пушкой и экраном они также должны вести себя как частицы. Но — внимание — фокус: из шляпы появляется квантовый кролик. По мере того как пятна, каждое из которых регистрирует попадание одного атома-пули, постепенно покрывают экран, на нем вновь появляются светлые и темные полосы интерференции. Поскольку атомы теперь проходят через цель по одному, мы не можем говорить, что существует коллективное поведение множества атомов, сталкивающихся и взаимодействующих между собой. Это не похоже на волны воды. И снова мы сталкиваемся с противоречивым результатом: на заднем экране имеются места, на которые атомы могут попасть только при одной открытой щели и которые остаются полностью темными при открытии также второй щели, несмотря на то что ее открытие предоставляет дополнительный путь попадания атомов на экран. Кажется, что атом, проходя через одну щель, каким-то образом знает, открыта вторая щель или нет, и действует соответствующим образом!

Итак, каждый атом испускается из пушки как крошечная частица и падает на второй экран также как частица, что видно из крошечной вспышки света при его попадании. Но в пространстве между ними, при встрече с двумя щелями, происходит что-то волшебное, подобно распространению волны, которая расщепляется на два компонента, каждый из которых проходит через щель и взаимодействует с другим по другую сторону экрана. Как еще может один атом знать о состоянии (открытом или закрытом) обеих щелей одновременно?

Не забывая о подвохе, давайте посмотрим, можем ли мы поймать атомы, поджидая их позади щелей. Это можно осуществить, разместив датчик за левой щелью, скажем, чтобы он регистрировал «сигнал» (возможно, звуковой сигнал), когда атом будет проходить через эту щель по пути к экрану[51]. Также мы можем поместить второй датчик за правой щелью для регистрации атомов, которые проходят через эту щель. Теперь, если атом проходит через одну или другую щель, мы услышим звуковой сигнал от правого или левого датчика. Но если атом сможет каким-то образом преодолеть свою пулеобразную природу и пройти через обе щели, то оба детектора издадут звуковой сигнал одновременно.

Теперь мы видим, что при каждом включении атомной пушки, которое сопровождается появлением яркой точки на экране, сигнал издает левый или правый датчик, но не оба сразу. Несомненно, теперь мы наконец имеем доказательства, что взаимодействие атомов имеет место при прохождении атомов через одну или другую щель, но не обе одновременно. Однако будем терпеливыми и продолжим наблюдать за экраном. По мере того как отдельные вспышки света объединяются, мы видим, что рисунок, создаваемый ими, уже не похож на интерференционную картину. Вместо нее появляются две яркие полосы, указывающие на скопление множества атомов позади каждой щели, так же как в опыте с пулями. Теперь в ходе эксперимента атомы ведут себя как обычные частицы. Как будто каждый атом ведет себя как волна при встрече со щелями, если за ним не наблюдают, в противном случае он просто остается крошечной частицей.

Возможно, присутствие датчика вызывает проблему, влияя на странное поведение атомов, проходящих через щели. Давайте проверим это, удалив один датчик, скажем, справа. Мы все еще можем получить некоторую информацию из этой схемы, потому что при включении пушки и появлении сигнала и яркого пятна на экране мы будем знать, что атом должен был пройти через левую щель. Когда мы включаем пушку, не слышим сигнала, но видим яркую точку на экране, то мы знаем, что атомы должны были попасть на экран через правую щель. Теперь мы можем знать, прошли атомы через левую или правую щель, но их траектория «нарушается» только с одной стороны. Если датчик сам по себе вызывает проблемы, мы будем ожидать, что атомы, которые вызвали звуковой сигнал, ведут себя как пули, а атомы, которые не вызвали сигнала (и прошли через правую щель), ведут себя как волны. Вероятно, мы увидим смесь пулеобразной картины (от атомов, прошедших через левую щель) и картины интерференции (от атомов, прошедших через правую щель) на экране.

Но это не так. В данной ситуации мы снова не наблюдаем интерференционной картины. На экране позади каждой щели образуется рисунок, выполненный пулеобразными атомами, ведущими себя как частицы. Кажется, что самого присутствия датчика, регистрирующего расположение атома, достаточно для уничтожения его волнового поведения, даже если датчик располагается на некотором расстоянии от траектории атома, проходящего через другую щель!

Возможно, физического присутствия датчика рядом с левой щелью достаточно, чтобы повлиять на прохождение атомов через нее, так же как большой камень изменяет направление воды в стремительном потоке. Мы можем провести эксперимент, выключив левый датчик. Он все еще на своем месте, так что мы можем ожидать, что его влияние будет практически таким же. Но теперь, в присутствии выключенного датчика, на экране опять появляется интерференционная картина! Все атомы, участвующие в опыте, опять стали вести себя как волны. Почему атомы ведут себя как частицы в присутствии включенного датчика около левой щели, но как только датчик выключают, они ведут себя как волны? Как частица, проходящая через правую щель, знает о том, включен или выключен датчик, расположенный слева?

На данном этапе вам придется забыть о логике и здравом смысле. Теперь мы имеем дело с корпускулярно-волновым дуализмом крошечных объектов, таких как атомы, электроны или фотоны, которые ведут себя как волна, если мы не знаем, через какую щель они проходят, и как частица, если мы наблюдаем за ними. Это и есть процесс наблюдения или измерения квантовых объектов, о котором мы говорили в главе 1, рассматривая демонстрацию квантового запутывания отдельных фотонов в эксперименте Алена Аспе. Как вы помните, команда Аспе измеряла фотоны, пропуская их через поляризованную линзу, устранявшую их запутанное состояние — которое является признаком их волновой природы, — заставляя их выбирать одно классическое поляризационное направление. Подобным образом измерение атомов, участвующих в опыте с двумя щелями, заставляет их выбирать между прохождением через правую или левую щель.

Квантовая механика действительно предоставляет нам замечательное логичное обоснование данного феномена; но единственное объяснение увиденного — результата опыта — не о том, что происходит, когда мы не наблюдаем. Однако, поскольку мы можем только видеть и измерять, вероятно, нет смысла требовать от квантовых объектов большего. Как мы можем оценить правомерность или правоту сообщения о феномене, которое мы не сможем никогда, даже в теории, проверить? Как только мы пытаемся это сделать, мы изменяем результат.

Квантовая интерпретация опыта с двумя щелями заключается в том, что в любой данный момент времени каждый атом должен быть описан набором чисел, определяющим его вероятное расположение в пространстве. Это показатель, который мы описывали в главе 2 как волновую функцию. Тогда мы говорили о волновой функции на примере отслеживания волны преступления, распространяющейся по городу путем определения вероятности ограблений в различных районах. Подобным образом волновая функция, описывающая прохождение атома через две щели, прослеживает вероятность обнаружения его в любой точке аппарата в любое заданное время. Но, как мы уточняли ранее, если грабитель должен иметь одно расположение в пространстве и времени и волна «вероятности преступления» описывает только наш недостаток знаний о его действительном расположении, то, наоборот, волновая функция атома в опыте с двумя щелями реальна, то есть она описывает физическое положение атома, который в действительности не имеет конкретного положения, если мы его не измеряем. Атом, таким образом, находится во всех местах одновременно — с переменной вероятностью, конечно, так что мы вряд ли найдем атом в местах, где его волновая функция мала.

Таким образом, вместо отдельных атомов, участвующих в опыте с двумя щелями, мы должны рассматривать волновую функцию, проходящую от источника к заднему экрану. При прохождении через щели волновая функция расщепляется на две и каждая половина проходит через одну из щелей. Отметим: то, что мы описываем здесь, является способом, которым абстрактное математическое число изменяется во времени. Бесполезно спрашивать, что в действительности происходит, так как мы должны посмотреть, чтобы проверить. Но как только мы попытаемся это сделать, мы исказим результат.

Возникает вопрос: когда волновая функция вновь «превращается» в локализованный атом? Ответим: когда мы пытаемся определить его положение. При подобном измерении квантовая волновая функция распадается до единственной вероятности. Опять же это не похоже на ситуацию с грабителем, где неопределенность его местонахождения внезапно сводится к единственной точке, после чего его арестовывает полиция. В этом случае определение повлияло именно на нашу информацию о местонахождении грабителя. Он был всегда только в одном месте в одно время. Но для атома это не так; в отсутствие какого-либо измерения атом действительно находится везде.

Таким образом, квантовая волновая функция рассчитывает вероятность обнаружения атома в конкретном месте, где мы сможем выполнить измерение его положения в данное время. Там, где перед измерением волновая функция велика, полученная вероятность обнаружения атома будет высока. Но там, где она мала, возможно, из-за деструктивной волновой интерференции, соответственно вероятность обнаружения атома, если мы захотим посмотреть, низка.

Мы можем представить волновую функцию, описывающую один атом после его выхода из источника. Он ведет себя как волна, которая стремится к щелям, так что на уровне первого экрана ее амплитуда будет равна в каждой щели. Если мы помещаем датчик к одной из щелей, нам следует ожидать равных вероятностей: 50 % времени мы будем фиксировать атом на левой щели и 50 % времени — на правой щели. Но — и это важно — если мы не пытаемся обнаружить атом на уровне первого экрана, то волновая функция проникает через обе щели без разрушения. Таким образом, в квантовых терминах мы можем говорить о волновой функции, которая описывает один атом в его суперпозиции: его существовании в двух местах одновременно, соответственно его волновой функции, проходящей через правую и левую щели одновременно.

По другую сторону щелей каждая отдельная часть волновой функции, одна из левой и одна из правой щели, снова распространяется и формирует набор математических волн, которые перекрываются, в одних точках усиливая, а в других — нейтрализуя амплитуду друг друга. Комбинированный эффект состоит в том, что волновая функция имеет картину, характерную для других волновых феноменов, таких как свет. Но будем иметь в виду, что эта сложная волновая функция все еще характерна для одного атома.

На втором экране, где осуществляется окончательное измерение положения атома, волновая функция позволяет нам рассчитать вероятность обнаружения частицы в различных точках экрана. Яркие полосы на экране соответствуют тем позициям, где две части волновой функции, исходящей из двух щелей, усиливают друг друга, а темные полосы соответствуют тем позициям, где они нейтрализуют друг друга и образуют нулевую вероятность обнаружения атома в этих позициях.

Важно помнить, что этот процесс усиления и нейтрализации — квантовая интерференция — имеет место даже при участии одной частицы. Помните, что существуют участки на экране, которых атомы, испускаемые одновременно, могут достичь только при одной открытой щели и которые остаются недостижимыми при обеих открытых щелях. Это имеет смысл только тогда, когда каждый атом, выпущенный из атомной пушки, описывается волновой функцией, которая может проходить оба пути одновременно. Комбинированная волновая функция с участками конструктивной и деструктивной интерференции исключает возможность обнаружения атома в некоторых позициях на экране, доступных только при одной открытой щели.

Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.

В таком случае почему вы или я, состоящие из квантовых частиц, не можем быть в двух местах одновременно? Это было бы очень полезно в наше суетливое время. Ответ на это очень прост: чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.

Что же тогда мы подразумеваем под «измерением»? Мы уже кратко ответили на этот вопрос в главе 1, но теперь должны остановиться на нем подробнее, так как это является ключевым моментом в вопросе, насколько велик квантовый компонент в квантовой биологии.

Квантовое измерение

Несмотря на свою объяснительную силу, квантовая механика не говорит нам ничего о том, как сделать шаг от уравнений и описания того, как электрон, скажем, движется вокруг атома, к тому, что мы видим при конкретном измерении этого электрона. По этой причине отцы-основатели квантовой механики предложили набор временных правил, которые стали приложением к математическому формализму. Они известны как квантовые постулаты и предоставляют своего рода руководство о том, как перевести данные математического моделирования уравнений в осязаемые объекты, которые мы можем наблюдать, такие как положение или энергия атома в любой заданный момент.

Что касается реального процесса, когда атом перестает находиться «здесь или там» и находится только «здесь», то никто не знает, что происходит. Большинство физиков с радостью приняли прагматичную точку зрения о том, что это «просто происходит». Проблема в том, что ситуация требует определения различий между квантовым миром, где происходят такие чудеса, и нашим ежедневным макромиром, где поведение объектов основано на органах чувств. Измерительный прибор, который обнаруживает электрон, должен быть частью этого макромира. Но как, где и когда этот измерительный процесс имеет место, основатели квантовой механики никогда не уточняли.

Вопрос хрупкости квантовой когерентности (удержание волновой функции от исчезновения), несомненно, является главной задачей группы МТИ, с которой мы познакомились в начале этой главы, и их коллег по всему миру в их стремлении создать квантовый компьютер. Вот почему они так скептически отнеслись к заявлению в New York Times о том, что растения представляют собой квантовые компьютеры. Физики применили все виды интеллектуальных и дорогостоящих уловок, чтобы защитить квантовый мир внутри своих компьютеров от разрушающей когерентность внешней среды. Таким образом, идея, что квантовая когерентность может поддерживаться в жарком влажном и молекулярно турбулентном климате внутри травинки, была, очевидно, воспринята как безумие.

Однако теперь мы знаем, что на молекулярном уровне многие важные биологические процессы могут на самом деле происходить очень быстро (порядка триллионов в секунду) и также могут быть ограничены короткими атомными расстояниями. Именно такие расстояния и скорости, на которых происходят квантовые процессы, например туннелирование, могут имеет эффект. Таким образом, несмотря на то, что полностью избежать декогерентности невозможно, ее можно отсрочить настолько, чтобы получить биологический эффект.

Путешествие к центру фотосинтеза

Взгляните на секунду на небо, и в ваш глаз попадет поток света длиной около 300 тысяч километров. В ту же секунду на земле растения и фотосинтезирующие микроорганизмы используют поток солнечного света для получения около 16 тысяч тонн нового органического вещества в виде деревьев, травы, водорослей, ландышей, гигантских секвой и яблок. В этом разделе мы должны разобраться, как действительно происходит этот первый шаг в трансформации неживого вещества в практически всю биомассу нашей планеты; и в качестве примера трансформации мы возьмем превращение воздуха Новой Англии в яблоко на дереве Ньютона.

Чтобы увидеть этот процесс в действии, мы снова позаимствуем наноподлодку, которую использовали для исследования действия ферментов в предыдущей главе. Когда вы взойдете на борт, держите курс наверх, в листву дерева, на один из его растущих листьев. Лист продолжает расти, пока его дальние края не скроются за горизонтом, а его на первый взгляд гладкая поверхность превращается в неровную платформу, вымощенную зелеными кирпичиками с вкраплениями небольших круглых светлых блоков, в каждом из которых расположена дырка-пора. Зеленые кирпичи называются клетками эпидермиса, а круглые блоки — устьицами: их функция — пропускать воздух и воду (субстраты фотосинтеза) с поверхности листа в его внутреннюю среду. Вы ведете аппарат над ближайшим устьицем и, когда длина судна уменьшается до микрометра (миллионной части метра), снижаетесь, чтобы пройти сквозь пору и оказаться внутри зеленой и яркой среды листа.

Оказавшись внутри, вы решаете отдохнуть в уютном и тихом интерьере листа, выстланном рядами зеленых клеток, похожих на камни, и накрытом толстыми цилиндрическими канатами. Канаты — это вены листа, которые либо несут воду от корней к листу (сосуды ксилемы), либо переносят только что синтезированные сахара от листа ко всему растению (сосуды флоэмы). Если вы продолжите уменьшаться в размере, то увидите, что клетка, похожая на камень, расширяется во всех направлениях, пока не увеличится до размеров футбольного поля. В таком масштабе — ваш рост равен примерно десять нанометров, или одна стотысячная миллиметра, — вы можете увидеть, что ее поверхность покрыта дерном из сети волокнистых ячеек, совсем как толстый джутовый ковер. Этот волокнистый материал представляет собой клеточную стенку, своего рода экзоскелет. Ваша наноподлодка оснащена инструментами, которые вы используете, чтобы проложить путь через этот волокнистый ковер и увидеть восковой нижний слой, клеточную мембрану, последний водонепроницаемый барьер между клеткой и внешней средой. При более близком рассмотрении выясняется, что она не полностью гладкая, а пронизана отверстиями, заполненными водой. Эти мембранные каналы называются поринами и представляют собой водопроводную систему клетки, пропускающую внутрь питательные вещества и выводящую продукты распада. Чтобы проникнуть в клетку, вам придется только подождать возле одного из поринов, пока он не расширится настолько, чтобы вы могли проникнуть в водную среду клетки.

Уже через канал порина вы сможете сразу увидеть, что внутренняя среда клетки очень отличается от внешней. Вы не найдете великолепных колонн и широких залов. Интерьер заполнен и в некотором роде беспорядочен. Он выглядит как очень шумный деловой центр! Водянистая жидкость, заполняющая клетку, цитоплазма, плотная и вязкая; местами она больше похожа на гель, чем на жидкость. В геле подвешены тысячи неправильных шаровидных объектов, которые находятся в состоянии непрерывного внутреннего движения. Это белковые ферменты, похожие на те, что мы видели в предыдущей главе, ответственные за проведение метаболических процессов в клетке, разрушают питательные вещества и синтезируют биомолекулы, такие как углеводы, ДНК, белки и жиры. Многие их этих ферментов привязаны к сети кабелей (цитоскелету клетки), которая, совсем как горнолыжный подъемник, переносит многочисленные грузы в различные места клетки. Транспортная сеть исходит из нескольких узлов, где кабели прикрепляются к большим зеленым капсулам. Эти капсулы представляют собой хлоропласты клетки, в которых происходит центральный процесс фотосинтеза.

Вы ведете подлодку через вязкую цитоплазму. Вы продвигаетесь медленно, но в конце концов подходите к ближайшему хлоропласту. Он лежит под вами, как огромный зеленый воздушный шар. Он, как внутренняя клетка, окружен прозрачной мембраной, через которую видны большие стопки зеленых монетоподобных предметов. Это тилакоиды, заполненные молекулами хлорофилла, пигмента, придающего растениям зеленый цвет. Тилакоиды — это механизмы фотосинтеза, которые при заправке фотонами света могут скреплять атомы углерода (полученные из углекислого газа воздуха) вместе с образованием сахаров, которые пойдут в наше яблоко. Чтобы лучше рассмотреть первый этап фотосинтеза, вы направляете свой аппарат в одну из пор мембраны хлоропласта, к верхней зеленой монете стопки тилакоидов. Достигнув своей цели, вы выключаете двигатель подлодки, позволяя ей дрейфовать над этой электростанцией фотосинтетических процессов.

Перед вами лежит только один из триллионов фотосинтетических механизмов, которые производят мировую биомассу. С вашей выгодной точки вы можете увидеть, что, как мы узнали при изучении ферментных механизмов в предыдущей главе, несмотря на множество происходящих вокруг вас турбулентных столкновений молекул, подобно бильярдным шарам, существует определенная упорядоченность. Поверхность мембраны тилакоида усыпана скалистыми зелеными островками, покрытыми древоподобными структурами с похожими на антенны пятиугольными пластинками на концах. Эти пластинки-антенны представляют собой светопоглощающие молекулы, хромофоры, самым известным примером которых является хлорофилл. Именно здесь происходит первый ключевой этап фотосинтеза: захват света. Вероятно, вторая по значимости молекула на нашей планете (после ДНК) хлорофилл заслуживает более подробного рассмотрения (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Молекула хлорофилла

Это двухмерная структура, состоящая из пятиугольных элементов, включающих в основном атомы углерода (серые сферы) и азота (N), с атомом магния (M) в центре, с длинным хвостом из атомов углерода, кислорода (O) и водорода (белые атомы). Внешний электрон магния слабо связан с атомом и может выбиваться в окружающий углеродный каркас при поглощении фотона солнечного света. В результате вместо него остается пустое место и атом получает положительный заряд. Это пустое место, или электронную дырку, можно рассматривать с абстрактной точки зрения как «вещь в себе»: положительно заряженную дырку. Суть в том, что мы расцениваем оставшийся атом магния как нейтральный, пока посредством поглощения фотона создаем систему, состоящую из выбитого отрицательного электрона и оставшейся положительной дырки. Эта бинарная система называется экситоном (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Экситон состоит из электрона, выбитого со своей орбиты, и атома с оставшейся дыркой

Ее можно считать крошечной батареей с положительным и отрицательным полюсами, способной хранить энергию для последующего использования.

Экситоны нестабильны. Электрон и его дыра ощущают воздействие электростатической силы, притягивающей их друг к другу. При их воссоединении солнечная энергия изначального фотона теряется в виде остаточного тепла. Таким образом, если растению необходимо использовать поглощенную солнечную энергию, оно должно очень быстро перенести экситон в производственную часть молекулы, известную как реакционный центр, где происходит процесс под названием «разделение зарядов». Фактически он включает полный отрыв энергетического электрона от атома и перенос его к соседней молекуле, подобно действию ферментов, которое мы наблюдали в прошлой главе. В результате этого процесса образуется более стабильная, чем экситон, химическая батарея (под названием НАДФН), которая используется во всех важных химических реакциях фотосинтеза.

Но реакционные центры обычно располагаются достаточно далеко с молекулярной точки зрения (на расстоянии нанометров) от возбужденных молекул хлорофилла, так что энергия должна переходить от одной молекулы-антенны к другой по хлорофилльному лесу, пока не достигнет реакционного центра. Это возможно благодаря плотно упакованной структуре хлорофилла. Молекулы по соседству с той, которая захватила фотон, также приходят в возбуждение, эффективно принимая энергию от первичного возбужденного электрона и затем перенося ее к собственному электрону атома магния.

Проблема заключается в том, каким путем должна происходить передача энергии. Если она выберет неправильное направление, в случайном порядке перескакивая от одной молекулы к другой в хлорофилльном лесу, энергия будет утрачена и не достигнет реакционного центра. Какой путь она должна выбрать? Путь к цели не должен занимать много времени, чтобы не утратить энергию экситона.

До недавних пор считалось, что перенос энергии от одной молекулы хлорофилла к другой носит случайный характер, в сущности принимая характер стратегии последней надежды, известной как метод случайного блуждания. Иногда это называют «пьяным блужданием», потому что оно напоминает маршрут пьяницы, вышедшего из бара, который блуждает в поисках пути, пока случайно не находит свой дом. Но случайное блуждание — не очень эффективный способ добраться куда-нибудь: если дом пьяного далеко, он может проснуться следующим утром в кустах в другой части города. Объект, участвующий в случайных блужданиях, имеет тенденцию удаляться от точки старта на расстояние, пропорциональное квадратному корню из времени. Если за одну минуту пьяный человек продвинется на один метр, то через четыре минуты он уйдет на два метра, а через девять минут — только на три метра. С таким вялым прогрессом неудивительно, что животные и микробы редко используют случайное блуждание, чтобы найти пищу или добычу, прибегая к этой стратегии только при отсутствии другого выхода. Поместите муравья в незнакомую местность, и, как только он уловит запах, он бросит случайное блуждание и будет следовать за своим носом.

Считалось, что, не имея ни носа, ни навыков навигации, энергия экситона продвигается по хлорофилльному лесу методом пьяницы. Но такая картина не имела особого смысла, так как известно, что первый этап фотосинтеза чрезвычайно эффективен. Фактически перенос энергии захваченного фотона от молекулы-антенны хлорофилла к реакционному центру знаменит свой эффективностью, большей, чем у любой естественной или искусственной реакции: почти 100 %. При оптимальных условиях почти каждая частица энергии, поглощенная молекулой хлорофилла, достигает реакционного центра. Если бы выбранный путь был блуждающим, то почти все они, по крайней мере большинство из них, должны были быть утеряны. Почему эта энергия фотосинтеза находит свой путь к конечной цели намного успешнее, чем пьяница, муравей или наша наиболее энергоэффективная технология? Это остается одной из величайших загадок биологии.

Квантовое биение

Старшим автором научной работы[52], блеснувшим в газетной статье, заставившей журнальный клуб МТИ смеяться от всей квантовой души, был американец Грэм Флеминг. Он родился в Барроу на севере Англии в 1949 году. В настоящее время он возглавляет группу Калифорнийского университета в Беркли, признанную одной из лидирующих исследовательских групп в своей области в мире. Группа использует мощную технологию под впечатляющим названием «электронная спектроскопия с двухмерным преобразованием Фурье» (2D-FTES). 2D-FTES может исследовать внутреннюю структуру и динамику мельчайших молекулярных систем, направляя на них высокофокусные кратковременные лазерные импульсы. Большую часть своей работы группа посвятила изучению не растений, а фотосинтетического комплекса под названием «белок Фенна-Мэтьюз-Ольсон» (FMO), который производится фотосинтезирующими микроорганизмами — зелеными серобактериями, живущими в глубинах богатых серой водоемов, таких как Черное море. Чтобы исследовать образец хлорофилла, ученые направили три импульса лазерного света на фотосинтетические комплексы. Эти импульсы хранят свою энергию в виде очень быстрых и точно рассчитанных вспышек и генерируют световой сигнал от образца, который регистрируется датчиками.

Грег Энджел, главный автор статьи, провел целую ночь, сопоставляя данные, полученные от сигналов длительностью от 50 до 600 фемтосекунд[53], чтобы получить итоговый результат. Он получил возрастающий и уменьшающийся сигнал, который колебался в течение как минимум 600 фемтосекунд (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Квантовые биения, наблюдавшиеся Грэмом Флемингом и его коллегами в опыте 2007 года. С научной точки зрения важна не неправильная форма колебаний, а сам факт наличия колебаний

Колебания были похожи на картину интерференции светлых и темных полос в опыте с двумя щелями, или квантовый эквивалент пульсирующих звуковых биений, слышных во время настройки музыкального инструмента. Подобное квантовое биение показало, что экситон не следовал одному пути через лабиринт хлорофилла, а использовал несколько путей одновременно (рис. 4.8). Эти альтернативные пути несколько напоминают ноты почти настроенной гитары: они генерируют биения, когда их длина почти одинакова.

Рис. 4.8. Экситон, продвигающийся по комплексу FMO, выбирая несколько альтернативных путей одновременно

Но не стоит забывать, что такая квантовая когерентность очень хрупка и чрезвычайно трудно сохраняется. Возможно ли, что микроорганизм или растение способны прилагать героические усилия ярчайших и лучших исследователей квантовых компьютеров МТИ, чтобы отсрочить декогерентность? В своей статье Флеминг сделал действительно смелое заявление, и это было «квантовое жульничество», как это назвал Сет Ллойд, которое возмутило журнальный клуб МТИ. Группа Беркли предполагала, что комплекс FMO действует как квантовый компьютер, чтобы найти кратчайший путь к реакционному центру, бросая вызов проблеме оптимизации, подобно знаменитой задаче путешествующих моряков в математике, которую с маршрутами, имеющими несколько назначений, может решить только очень мощный компьютер[54].

Несмотря на скептицизм, журнальный клуб поставил Сету Ллойду задачу исследования заявления. Ко всеобщему удивлению МТИ, в ходе своего научного расследования Ллойд пришел к заключению, что заявление группы из Калифорнийского университета имеет основание. Биения, которые обнаружила группа Флеминга в комплексе FMO, были действительно записью квантовой когерентности, и Ллойд пришел к заключению, что молекулы хлорофилла руководствуются новейшей стратегией поиска, известной как квантовое блуждание.

Преимущества квантового блуждания над классическим случайным блужданием можно оценить, вернувшись к нашему медлительному пьянице и представив, что в баре, который он покинул, произошла утечка и из его дверей вытекает вода. В отличие от нашего нетрезвого героя, который должен выбрать один путь, волны воды, вытекающие из бара, могут двигаться во всех возможных направлениях. Наш пьяница вскоре обнаружит, что его обгоняют, так как водные потоки движутся по улице просто пропорционально времени, а не его квадратному корню. Итак, если за одну секунду они продвинутся на один метр, то через две секунды они протекут два метра, а через три секунды — три метра и т. д. Кроме того, как атом в суперпозиции из опыта с двумя щелями, вода путешествует во всех возможных направлениях одновременно, и какая-то часть волны определенно достигнет дома пьяного задолго до нетрезвого путешественника.

Статья Флеминга вызвала свою волну удивления и изумления, которая распространилась далеко за пределы журнального клуба МТИ. Но некоторые комментаторы вскоре обратили внимание, что опыты были проведены на изолированных комплексах FMO, охлажденных до 77 К (–196 °C): это намного холоднее, чем любая температура, пригодная для фотосинтеза или даже для жизни растений, но достаточно холодно, чтобы отложить эту досадную декогерентность. Насколько значимы были эти охлажденные бактерии для всего, что происходит в жарком и беспорядочном внутреннем мире растительных клеток?

Вскоре это станет ясно, однако квантовая когерентность не ограничивается охлажденными комплексами FMO. В 2009 году Йен Мерсер в Университетском колледже Дублина обнаружил квантовое биение в другой бактериальной системе фотосинтеза (или, для краткости, фотосистеме) под названием «светособирающий комплекс II» (LHC2), который очень похож на фотосистему растений, но при нормальных температурах, при которых растения и микробы обычно осуществляют фотосинтез[55]. Затем, в 2010 году, Грег Шоулз в Университете Онтарио продемонстрировал квантовое биение фотосистемы группы водорослей (которые, в отличие от высших растений, не имеют корней, стеблей и листьев) под названием «криптофиты». Эти водоросли чрезвычайно изобильны, до такой степени, что они связывают столько атмосферного углерода (из атмосферного углекислого газа), как и высшие растения[56]. Примерно в то же время Грег Энджел продемонстрировал квантовое биение в том же комплексе FMO, который изучали в лаборатории Грэма Флеминга, но теперь при намного более высоких, совместимых с жизнью, температурах[57]. В таком случае вы можете решить, что этот замечательный феномен ограничен только бактериями и водорослями, однако Тесса Калхоун и ее коллеги из лаборатории Флеминга в Беркли недавно обнаружили квантовое биение в другой системе LHC2, на этот раз в шпинате[58]. LHC2 присутствует во всех высших растениях и содержит 50 % всего хлорофилла на планете.

Прежде чем двигаться дальше, мы кратко опишем, как используется полученная из солнечного света энергия экситона, как описывал Фейнман, чтобы оторвать «этот кислород от углерода… оставляя углерод и воду, чтобы создать субстанцию дерева» — или яблоко.

После того как достаточное количество энергии достигает реакционного центра, пара молекул хлорофилла (под названием Р680) испускает электроны. Мы узнаем немного больше о том, что происходит в реакционном центре, в главе 10, и это потрясающее место, в котором может происходить другой новейший квантовый процесс. Источником этих электронов является вода (которая, как мы помним, выступает одним из ингредиентов в фейнмановском описании фотосинтеза). Как мы выяснили в предыдущей главе, захват электронов из любого вещества называется окислением и именно этот процесс имеет место во время горения. Когда дерево горит на воздухе, например, атомы кислорода отрывают электроны от атомов углерода. Электроны на внешней орбите углерода очень слабо удерживаются, поэтому углерод горит очень легко. Однако в воде они удерживаются очень крепко: системы фотосинтеза уникальны тем, что это единственное место в мире, где вода «сгорает» с выходом электронов[59].

Пока все идет хорошо: сейчас мы имеем источник свободных электронов благодаря энергии, доставленной экситонами в хлорофилл. Далее растение должно послать эти электроны туда, где они будут использованы в работе. Сначала они захватываются описанным переносчиком электронов, НАДФН. Мы уже встречали похожую молекулу, НАДН, в предыдущей главе, где она участвовала в переносе электронов, захваченных от питательных веществ, таких как сахара, к дыхательной цепи ферментов в энергетических клеточных органеллах, митохондриях. Если помните, захваченные электроны, доставленные к митохондриям переносчиком НАДН, затем идут по дыхательной цепи ферментов как своего рода электрический ток, который используется для переноса протонов через мембрану, а обратный поток этих протонов используется для получения клеточного энергоносителя, АТФ. Очень похожий процесс используется для получения АТФ в хлоропластах растений. НАДФН захватывает электрон и переносит его к цепи ферментов, которые подобным образом выносят протоны через мембрану хлоропласта. Обратный поток этих протонов используется для получения молекул АТФ, которые впоследствии могут обеспечивать энергией многие энергозатратные процессы в растительной клетке.

Но действительный процесс фиксации углерода, захват атомов углерода из углекислого газа воздуха и их использование для получения энергоемких органических молекул, таких как сахара, происходит вне тилакоида, но все еще внутри хлоропласта. Этот процесс проходит с участием большой молекулы фермента под названием RuBisCO, вероятно наиболее распространенного белка в мире, так как он предназначен для выполнения величайшей работы: создание практически всей мировой биомассы. Этот фермент связывает атом углерода, оторванный от углекислого газа, в молекулу простого пятиуглеродного сахара под названием рибулозо-1,5-бифосфат для получения шестиуглеродного сахара. Чтобы достичь такого мастерства, необходимо присутствие двух ингредиентов: электронов (доставляемых НАДФН) и источника энергии (АТФ). Оба ингредиента являются продуктами светозависимых процессов фотосинтеза.

Шестиуглеродный сахар, полученный с помощью RuBisCO, немедленно распадается на два трехуглеродных сахара, которые затем связываются между собой множеством различных способов для построения всех биомолекул, лежащих в основе яблони, включая яблоки. Неживые воздух и вода Новой Англии с помощью света и доли квантовой механики становятся живой тканью дерева Новой Англии.

Сравнивая фотосинтез у растений и дыхание (сжигание пищи), которое происходит в наших клетках, описанное в предыдущей главе, вы можете увидеть, что под кожей растения и животные не так различны. Ключевое отличие лежит там, где мы и они храним фундаментальные строительные блоки жизни. И тем и другим необходим углерод, но растения получают его из воздуха, в то время как мы берем его из органических источников, таких как растения. И тем и другим для построения молекул необходимы электроны: мы сжигаем органические молекулы для захвата их электронов, в то время как растения используют свет, чтобы сжигать воду и захватывать ее электроны. И тем и другим необходима энергия: мы получаем ее из высокоэнергетических электронов, которые получаем из нашей пищи, пропуская их по дыхательной цепи; растения захватывают энергию фотонов солнечного света. Каждый из этих процессов включает движение фундаментальных частиц, которые руководствуются квантовыми правилами. Кажется, что жизнь укрощает квантовые процессы, чтобы обеспечить и свое продолжение, и продолжение самих квантовых процессов.

Открытие квантовой когерентности в теплых, влажных, турбулентных системах, таких как растения и микробы, повергло квантовых физиков в глубокий шок. Значительная часть исследований теперь сфокусирована на выяснении, как живые системы защищают и используют свои хрупкие состояния квантовой когерентности. Мы вернемся к этой загадке в главе 10, где исследуем некоторые удивительные возможные ответы, которые могут даже помочь физикам, таким как квантовые теоретики МТИ, построить практические квантовые компьютеры, которые смогут работать на вашем рабочем столе, не нуждаясь в глубокой заморозке. Вероятно, исследование также вдохновит новое поколение искусственных фотосинтетических технологий. Современные солнечные батареи мало основаны на принципах фотосинтеза и уже конкурируют с солнечными панелями на рынке чистой энергии, но их эффективность ограничена потерями при переносе энергии (в лучшем случае 70 %-ная эффективность по сравнению с почти 100 %-ной эффективностью этапа захвата энергии фотона в процессе фотосинтеза). Перенос биологической квантовой когерентности на солнечные батареи может потенциально увеличить эффективность солнечной энергии и, таким образом, сделать мир более чистым.

Давайте кратко рассмотрим значимость того, что мы добавили к нашему пониманию особенностей жизни. Рассмотрим еще раз те квантовые биения, которые Грег Энджел впервые увидел в первых данных о комплексе FMO и которые показали, что частицы движутся в живых клетках как волны. Существует соблазн думать об этом как о лабораторных феноменах, не имеющих значимости вне биохимического эксперимента. Но последующие исследования показали, что они на самом деле существуют в природе, в листьях, водорослях и микробах и что они играют, вероятно, ключевую роль в построении нашей биосферы.

Тем не менее квантовый мир остается незнакомым нам и часто заявляет, что эта неизвестность является признаком фундаментального раскола между миром, который мы видим вокруг нас, и его квантовым основанием. Но в реальности существует только один свод законов, указывающий путь, по которому работает мир: квантовые законы[60]. Знакомые законы статистики и законы Ньютона являются в итоге квантовыми законами, пропущенными через линзу декогерентности, которая отсеивает таинственность (все, что нам кажется странным в квантовых феноменах). Копните немного глубже, и вы всегда увидите квантовую механику, скрывающуюся в основе знакомой нам реальности.

Более того, определенные макроскопические объекты чувствительны к квантовым феноменам и большинство из них — живые. В прошлой главе мы открыли, как квантовое тунеллирование внутрь ферментов обусловливает отличие целой клетки. В этой главе мы выяснили, как первичный захват фотона, лежащий в основе образования большей части биомассы на планете, зависит от хрупкой квантовой когерентности, которая может поддерживаться в течение биологически значимого времени в теплой, но высокоорганизованной внутренней среде листа или микроорганизма. И опять мы видим принцип Шредингера «порядок из порядка», ответственный за явления квантового захвата, и то, что Джордан назвал амплификацией квантовых феноменов в макроскопическом мире. Кажется, что жизнь связывает квантовый и классический миры, расположенные на квантовом краю.

Далее мы обратим внимание на другой важнейший для нашей биосферы процесс. Яблоня Ньютона никогда не смогла бы произвести яблоки, если бы ее цветы сначала не опылили птицы и насекомые, в частности пчелы. Но пчелы должны найти цветок яблони; и они находят, используя другую возможность, которая, по мнению многих, основана на квантовой механике, — чувство обоняния.