КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ

Еще одно, совершенно иное и самостоятельное направление исследований на стыке биологических и компьютерных наук ныне представляется не просто перспективным, а фантастически многообещающим. Абсолютно без всяких преувеличений можно говорить, что успехи в данной области сулят не только большой прогресс в биологии, но и подлинный прорыв в разрешении наиболее серьезных проблем науки, таких как непостижимые загадки квантовой физики и природа человеческого сознания.

Речь, конечно же, идет о совсем молодой пока еще, но уже весьма известной междисциплинарной науке под названием квантовая биология. По мере того, как экспериментальная физика и микробиология осваивали технологии для деликатного исследования процессов природы на микроскопических масштабах, постепенно выяснилось, что проблемы, ранее считавшиеся более или менее «понятыми», на самом деле таят в себе куда большую глубину и загадочность.

В частности, во множестве весьма тонких экспериментов стали обнаруживать (а на сегодняшний день это уже вполне достоверно установленный факт), что целый ряд давно известных в биологических организмах феноменов — вроде фотосинтеза растений или ориентации мигрирующих птиц по магнитному полю Земли — оказывается возможным благодаря специфическим эффектам квантовой физики.

Еще совсем недавно, в конце XX века, за одно лишь выдвижение подобного рода идей всякого исследователя в научных кругах подвергли бы дружному осмеянию — как шарлатана и псевдоученого. Ибо подобные гипотезы в корне противоречат фундаментальным основам квантовой физики, а всерьез говорить о подобных глупостях могут лишь невежды и недоучки...

Однако сама жизнь заставила ученых смотреть на вещи иначе. Большие проблемы человечества с чрезвычайно неэффективным расходованием природных энергоресурсов по сути вынудили науку как можно тщательнее присмотреться к тому, как происходит преобразование энергии в растениях.

Общий механизм фотосинтеза растений уже довольно давно (и самонадеянно) было принято считать постигнутым. Но вот если рассматривать задачу не в общем, а в принципиально важных деталях — каким же именно образом растения и бактерии преобразуют солнечную энергию в химическую с потрясающей, почти 100-процентной эффективностью? — то выясняется, что ответа не знает никто... (Дабы стало понятнее, насколько важно тут задавать вопросы именно конкретно, а не вообще, для сравнения следует напомнить, что в массово применяемых людьми компьютерах на кремниевых чипах практически вся подаваемая в систему энергия бесполезно уходит на тепловыделение.)

Исследования показывали, что ключом эффективности фотосинтеза, судя по всему, является скорость реакции. Преобразование солнечной энергии в биосистемах происходит почти мгновенно, так что совсем малая ее часть теряется на выделение тепла. Но вот каким именно образом в обычно неторопливых живых клетках организована эта самая почти мгновенная передача энергии — это и является очень давней научной загадкой, к решению которой физики начали всерьез подступаться лишь в 2005-2007 годах.

Вот тогда-то и стало понемногу выясняться, что ответ на столь насущный вопрос лежит в квантово-механических эффектах. В частности, были получены прямые свидетельства тому, что при фотосинтезе важную роль в процессах передачи энергии — от улавливающих свет молекул-фотоантенн в реакционные центры-преобразователи — играет на удивление долго длящаяся квантовая когерентность (то есть взаимно-согласованное волноподобное поведение) электронов в молекулах, поглощающих свет.

Благодаря такой когерентности биосистема, словно квантовый компьютер, отыскивает кратчайший путь передачи среди всех возможных, после чего именно по этому маршруту энергия и передается с минимальными потерями. Иначе говоря, та задача, над которой создатели наших квантовых компьютеров безуспешно бьются уже многие годы — обеспечить устойчивую и продолжительную когерентность кубитов в квантовом регистре — природой, как выясняется, решена более чем успешно, причем миллионы лет тому назад.

Понятно, наверное, что опора биомолекулярных машин на квантовую механику — для поддержания своих жизненно важных процессов — стала для ученых очень и очень большим сюрпризом. В первую очередь, из-за температуры при которой этот процесс происходит. Квантовая когерентность системы является в высшей степени хрупким состоянием. Малейшее внешнее воздействие — и от когерентности элементов уже ничего не осталось... В своих экспериментах с кубитами физики тоже могут сохранять такие состояния регистра в течение некоторого времени — но лишь в тщательно изолированной от помех среде и при очень низких температурах.

Однако по сию пору никто еще так и не сумел внятно и доказательно объяснить, каким образом это может происходить в теплой и мокрой, то есть «тотально зашумленной» среде внутри живых существ... Но вот когда это удастся-таки хорошо объяснить, подтвердив теорию опытами, тогда-то квантовая биология и станет воистину революционным достижением человечества. То, что этот важный этап не за горами, сомнений особых нет — раз природа это делать реально умеет, значит, и мы научимся.

Из данной картины в общих чертах понятно, наверное, что постижение «квантово-вычислительного» механизма фотосинтеза у растений на сегодняшний день считается важнейшей задачей квантовой биологии. Так что гора научных статей вокруг этой темы заметно прирастает с каждым годом.

Но каким именно образом молекулы клеток остаются когерентными в течение столь продолжительного по квантовым масштабам времени, при столь высоких температурах, да еще и при относительно больших расстояниях между молекулами — все это пока остается для ученых неясным и загадочным. Хотя разных идей, конечно же, хватает в достатке.

Заниматься даже поверхностным описанием всех этих конкурирующих гипотез пока что, конечно, рановато. Потому что на данный момент для них нет никаких экспериментальных подтверждений. Однако выделить некоторые ключевые моменты, общие для многих моделей, наверное, имеет смысл.

Прежде всего, важнейшую роль в обеспечении всего процесса, похоже, играют структуры белковых матриц, которые сами непосредственно не участвуют в «вычислении» оптимального маршрута для передачи энергии, однако именно в них вплетены те светочувствительные пигменты-антенны, которые обеспечивают прием и передачу сигнала. Поскольку без этих белковых структур никакой когерентности не получается, сделан вывод, что матрицы, скорее всего, выполняют роль уже известного в квантовых вычислениях механизма для «квантовой коррекции ошибок».

Далее, имеются хорошо обоснованные результаты, демонстрирующие, что одних лишь квантовых (или тем более только классических) эффектов физики оказывается недостаточно для обоснования устойчивой квантовой когерентности в биосистемах. Но при этом теоретически смоделировать процесс удается в том случае, если рассматривать его как особый, весьма деликатного рода замес из квантовых и классических эффектов. Рожденный, как предполагается, в результате последовательной работы генетических алгоритмов отбора.

Наконец, последний по времени, совсем свежий результат — опубликованный в выпуске журнала Nature Communications за январь 2014 года — выявил в фотосинтезе еще один довольно тонкий механизм взаимодействия элементов системы. На этот раз — между «классическими» коллективными вибрациями атомов-хромофоров, в результате порождающими резонанс с колебаниями электронов, и отмечаемым в итоге феноменом обмена энергией, который носит уже сугубо квантовый характер...

Хотя все перечисленные идеи отражают попытки решения проблемы с разных сторон, не слишком сложно заметить, что у всех них определенно имеется и кое-что общее. Чем больше ученые узнают о тонкостях процесса, тем больше становится похоже, что ответ на загадку фотосинтеза скрыт в очень тонком взаимодействии известных феноменов как классической, так и квантовой физики.

Комментарии: