Квантовые эффекты в биологии
С микроскопической точки зрения жизнь — это длинная череда огромного количества параллельно протекающих атомных и электронных процессов. Но атомы и электроны подчиняются законам квантовой механики. Отсюда возникает совершенно естественный вопрос: не использует ли жизнь, хоть в каком-то своем проявлении, квантовые эффекты?
На тему квантовых эффектов в биологии надо говорить очень аккуратно. Во-первых, надо избегать переливания из пустого в порожнее. Квантовая механика ответственна за существование и свойства атомов и молекул, а значит, определяет и свойства вещества, как живого, так и неживого. Это — тривиальное приложение квантовой механики, и непосредственно к биологии оно не относится. Во-вторых, не следует впадать и в ничем не обоснованные фантазии.
Однако между этими двумя крайностями есть и настоящие научные вопросы. Существуют ли биологически важные молекулы или их крупные комплексы, которые реально используют нетривиальные, «негарантированные» квантовые эффекты для выполнения своих функций? «Негарантированные» они в том смысле, что они не определяются свойствами отдельных атомов, а возникают только в сложных молекулах специального вида; что их биологический эффект невозможно объяснить во всех деталях без привлечения квантовой механики.
Несколько десятилетий назад это были спорные вопросы. Сейчас мы уже знаем ответ: да, существуют, и такие молекулы реально работают в живых организмах. Этих примеров пока не так много, но тот факт, что они есть, во-первых, впечатляет сам по себе, а во-вторых, может оказаться очень полезным для разработки новых, еще более эффективных технологий.
Квантовая когерентность при фотосинтезе
Один из самых ярких и изученных эффектов касается механизма фотосинтеза, а точнее, самых первых его этапов. Сложный молекулярный комплекс, используемый бактериями и растениями для улавливания света, поглощает фотон и возбуждает электронную структуру молекулы. Это электронное возбуждение обычно находится вдали от реакционного центра — той части комплекса, которая способна использовать это возбуждение для создания долгоживущего мембранного электрического потенциала или для каких-то иных целей. В результате перед фотосистемой встает задача — передать электронное возбуждение от точки поглощения фотона к точке передачи энергии в реакционный центр (рис. 1).
В принципе, такая передача может происходить и обычным способом. За счет взаимодействия между молекулами электронное возбуждение просто перескакивает с одного островка на другой, пока не достигает нужной точки. Здесь каких-то специальных квантовомеханических эффектов вроде как и не требуется. Проблемы, однако, начинаются тогда, когда пытаешься сопоставить числа. Известно, что эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия практически каждого поглощенного фотона достигает реакционного центра, а не теряется по пути. Заметьте, это всё происходит не в стерильных лабораторных условиях, а при комнатной температуре в реальных молекулах, погруженных в биологический раствор и постоянно подвергающихся хаотическим тепловым столкновениям с окружающими молекулами. Кроме того, было отмечено, что этот процесс протекает поразительно быстро; настолько быстро, что время переброса граничит с минимально разрешенным по законам квантовой механики!
Теоретическое моделирование показало, что при заданном пространственном расположении только специально подобранная квантовая связь между островками способна так быстро передавать возбужденное состояние. «Квантовость» здесь проявляется в том, что первоначальное возбуждение не прыгает с одного конкретного островка на другой. Оно делокализуется, одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение на нужном островке — это и есть квантовая когерентность. А в 2007 году, с помощью недавно разработанной методики двумерной электронной спектроскопии 2DES (см. ниже), были проведены эксперименты со светочувствительным FMO-комплексом зеленых серобактерий, которые убедительно доказали, что перемещение электронного возбуждения действительно идет в соответствии с квантовыми законами и использует квантовую когерентность.
Особый интерес вызвала предложенная два года назад идея о том, что в основе этого явления лежит не экситонный (то есть чисто электронный), а вибронный (колебательный) механизм передачи энергии света. Говоря простыми словами, в этой модели получалось, что колебания атомов не разрушают, а скорее, наоборот, поддерживают квантовую когерентность возбуждения, предохраняют ее от хаотического воздействия окружающих молекул.
Здесь стоит дать небольшое пояснение к терминам «экситонный» и «вибронный».
В сплошном веществе, например в кристалле, из-за тесного расположения и сильной связи отдельных ионов и электронов меняется само понятие того, кто путешествует по кристаллу и что он переносит. По кристаллу перемещаются не частицы в их «первозданном виде», в котором они существуют в вакууме, а коллективные возмущения, квазичастицы. Так, электрон проводимости в кристалле ведет себя совсем не так, чем электрон в вакууме. Колебания кристаллической решетки переносятся в виде коллективных атомных движений, фононов. В молекулярных кристаллах, в которых в каждом узле сидит сложная молекула, существуют экситоны — локализированные внутри молекулы электронные возбуждения, передающиеся от молекулы к молекуле и таким способом перемещающиеся по кристаллу.
Вдобавок к этому, все эти типы квазичастиц могут влиять друг на друга. Они могут даже связываться друг с другом и путешествовать вместе. Вибронное возбуждение (или просто виброн) — это совместное, сцепленное колебание электронов и отдельных атомов внутри сложных молекул; это, фактически, связанное состояние экситонов и фононов. Вибронные колебания не требуют для своего существования кристаллов, они могут проявляться и внутри одной достаточно сложной молекулы.
В 2014 году уже пошли экспериментальные результаты. Так, в январе, на примере относительно простых молекул в растворах, было продемонстрировано, что квантовая когерентность в молекуле действительно держится на пикосекундном масштабе за счет вибронных возбуждений. Это, однако, было лишь доказательством того, что такое явление работает в принципе, и теперь требовалось проверить, присутствует ли оно в реальных фотосинтетических системах, которые используются живыми организмами. И только две недели назад в журналах Nature Physics и Nature Chemistry были одновременно опубликованы две статьи, окончательно доказывающие наличие и важную роль вибронного механизма передачи возбуждения в реальных фотосистемах.
Рис. 3. Два примера локализованных электронных возбуждений в фотосистеме II. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics
В обеих работах изучался не FMO-комплекс бактерий, а хлорофилл-содержащая фотосистема II, используемая растениями для фотосинтеза. Она тоже представляет собой комплекс связанных молекул, в разных местах которого могут существовать электронные возбуждения с частичным разделением заряда (рис. 3). Их энергии возбуждения слегка отличаются друг от друга. Это, с одной стороны, позволяет комплексу поглощать свет в довольно широком диапазоне частот, а с другой стороны, намекает на то, что для переброски энергии между разными типами экситонного возбуждения требуется некоторое дополнительное колебание, которое и обеспечивается вибронами.
Дальше перед исследователями открываются новые вопросы и новые возможности. Детальное понимание квантовых эффектов в фотосинтезе, возможно, поможет создать новые светочувствительные элементы с эффективностью близкой к 100% — то, что современным технологиям пока не под силу. Ну а биологи могут попробовать разобраться, каким же образом в ходе эволюции возникла и реализовалась эта «догадка природы» — использовать квантовые эффекты для наилучшего улавливания света и использования его энергии.
Возможность использования квантовой теории в биологии опосредуется главным образом существующей проблемой отсутствия понимания ключевого аспекта уникальности природы жизни, её основания и фактического начала, определяющего комплекс проявлений существования жизни как феномена в мире. Доказательство существования одной из ключевых ролей квантовых явлений и превращений в биохимических процессах свидетельствует о необходимости осознания комплексного характера влияния процессов квантового мира на биологические системы.
Многочисленные исследования, проанализированные Дж. Аль-Халили и Дж. Макфадденом, свидетельствуют о роли квантовых превращений в таких биохимических процессах, как движение электронов по дыхательным цепям, процесс фотосинтеза и т.п., и даже в тех процессах, которые определяют ключевой уникальный феномен живого — формирование сознания.
Комплексная реализация биохимических процессов реализуется при помощи элементарных частиц — электронов, протонов — которые, характеризуясь квантовой когерентностью, реализуют всю совокупность явлений квантового мира, определяя подобным образом формирование высокой упорядоченности и многочисленных преимуществ протекания подобных процессов в живом веществе. Непременно должная быть достигнутой декогеренция как результат взаимодействия элементов микромира с макрометрическими объектами (белками, биологически активными веществами организма человека и др. факторами макромира, создающими так называемый «молекулярный шум») преодолевается в неживой природе использованием, к примеру, низких температур, близких к абсолютному нулю, в то время как в живой природе физические характеристики «молекулярного шума» соответствуют оптимальным условиям осуществления квантовомеханических процессов и сохранения квантовой когерентности. Следовательно, необходимо отметить ключевое значение осуществления процессов квантового мира как элементов важнейших химических процессов поддержания жизни, протекание которых оптимальным образом в оптимальных условиях становится генетически опосредованным необходимым условием возможности существования жизни.
Перспективы развития квантовой биологии весьма интересны. Наука, определяющая осуществление процессов живого в контексте принципов и закономерностей квантовой механики, призвана в первую очередь объяснить ключевую основу, наиболее важный аспект, определяющий жизнь в сущностном плане. Дж. Аль-Халили и Дж. Макфадден полагают основой механизма жизни «квантовую искру жизни». Таким образом, авторы определяют основой жизни сопричастность квантовому миру, формирование упорядоченности путём осуществления процессов, раскрывающих особенности квантовых явлений. Авторы указывают на гипотетический характер подобной теории, не могущей найти комплексной практической реализации в современных условиях развития науки, отмечая при этом возможность разрушения мистических и метафизических представлений о жизни в результате разработки подобной стройной научной теории, комплексно и всесторонне объясняющей природу движущей силы жизни [1].
Другим направлением развития квантовой биологии становится весьма привлекательная возможность искусственного создания жизни полностью из неживых компонентов. На данный момент наиболее существенного прогресса наука сумела добиться при формировании искусственного генома Mycoplasma laboratorium — организма бактерии, полученного наиболее синтетическим из возможных способов, продиктованных наукой на данный момент (для синтеза были использованы генетический материал и клеточные структуры природной бактерии Mycoplasma genitalium) [3].
Рисунок 1. Колонии Mycoplasma laboratorium
Квантовая биология, в свою очередь, полагает возможным создание полностью искусственно жизни, лишённой какого-либо природного органического основания. Подобные мероприятия позволят более детально и основательно понимать характер и направленность, важность и значение отдельных аспектов физического воплощения жизни, что способно сделать возможным проведение грамотного регулирования процессов живого, контролируя возможные «сбои» и случайные флуктуации, нарушения основных механизмов протекания процессов.
На сегодняшний день квантовая биология как наука находится в состоянии формирования теоретической базы. При этом данная наука обладает большим практическим потенциалом и способна привести человечество к более точному пониманию жизни как биологического феномена. Исследования в данной области продолжаются, распространяясь на более мелкие уровни организации живого как структурные единицы комплекса — живого организма.
Список литературы
1. Аль-Халили Дж., Макфадден Дж. Жизнь на грани. СПб.: Питер, 2017. 416 с.