Лабиринты депрессивного мышления

Читаю книгу Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден "Жизнь на грани". Цитаты и выдержки ниже. ... Почему мы все, состоящие из квантовых частиц, не можем быть в двух местах одновременно? Ответ прост: чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет. Но, если посмотреть глубже, то каждый атом в нашем теле наблюдается (измеряется) другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, разрушаются. ... 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 макромира. ... Физики применили все виды интеллектуальных и дорогостоящих уловок, чтобы защитить квантовый мир компьютеров от разрушающей когерентность внешней среды. Потому, идея, что квантовая когерентность может поддерживаться в жарком влажном и молекулярно турбулентном климате внутри травинки, была воспринята как безумие. ... 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. ... Превращение воздуха Новой Англии в яблоко на дереве Ньютона. ... Рассмотрим лист на микроуровне. Его на первый взгляд гладкая поверхность превращается в поверхность, вымощенную зелеными кирпичиками с вкраплениями небольших круглых светлых блоков, в каждом из которых расположена дырка-пора. Зеленые кирпичи — клетки эпидермиса, круглые блоки — устьица, пропускающие воздух и воду (субстраты фотосинтеза) во внутреннюю среду. Пройдём сквозь пору внутрь листа, где всё выстланно рядами зеленых клеток, похожих на камни, с толстыми цилиндрическими канатами вокруг. Канаты — это вены листа, которые несут воду от корней к листу (сосуды ксилемы), или переносят только что синтезированные сахара от листа ко всему растению (сосуды флоэмы). Внутри клетка похожая на камень покрыта дёрном из сети волокнистых ячеек — это клеточная стенка, экзоскелет с восковым нижним слоем и клеточной мембраной, водонепроницаемый барьер между клеткой и внешней средой. При более близком рассмотрении выясняется, что стенка пронизана отверстиями, заполненными водой. Эти мембранные каналы называются поринами и представляют собой водопроводную систему, пропускающую внутрь клетки питательные вещества и выводящую продукты распада. ... Внутренняя среда клетки очень отличается от внешней, она 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. ... В этой книге ещё много всего интересного и удивительного. Можно читать и перечитывать много раз, находя новое и новое. далее

Читаю книгу Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден "Жизнь на грани". Цитаты и выдержки ниже. ... Кинетический изотопный эффект показывает, насколько чувствительна химическая реакция к замене атомов в молекуле реагирующего вещества на более тяжелые изотопы. Он определяется как отношение скоростей реакции, протекающей с тяжелыми и легкими изотопами. Например, если в реакции участвует вода, тогда атомы водорода в молекулах H 2O могут заменяться своими более тяжелыми собратьями — дейтерием и тритием, образуя соответственно молекулы D 2O или T 2O. Чем больше масса частицы, тем меньше проявляются ее волновые свойства, а следовательно, тем ниже вероятность того, что частица преодолеет энергетический барьер. Поэтому увеличение массы атома вдвое, например, в случае замены обычного изотопа водорода дейтерием снижает вероятность его участия в квантовом туннелировании. ... Специалисты в области квантовой биологии утверждают, что подобные колебания — так называемые «приводные двигатели» и основная их функция — максимально близко подвести друг к другу атомы и молекулы, чтобы квантовое туннелирование частиц (электронов и протонов) стало возможным. ... Каждую отдельную биомолекулу, которая существует или когда-либо существовала в любой живой клетке, создали и разрушили ферменты. Ферменты как никакая другая субстанция близки к понятию «движущих сил жизни». Открытие того, что некоторые (а возможно, и все) ферменты функционируют на основе дематериализации частиц в одном месте пространства и мгновенной их материализации в другой точке, позволяет нам по-новому взглянуть на загадку жизни. Несмотря на то что многие вопросы, связанные с функционированием ферментов, пока не до конца понятны (например, роль перемещения белков), нет сомнений в том, что квантовое туннелирование играет большую роль в механизме их работы. ... Пространство живой клетки характеризуется теснотой. Клетка буквально набита молекулами со сложной структурой, которые непрерывно находятся в состоянии волнения и турбулентности (в состоянии хаотичного движения). Именно это движение частиц рассеивает и разрушает квантовую когерентность, благодаря чему привычный для нас мир кажется нам «нормальным». Ученые не ожидали, что квантовая когерентность может сохраняться при молекулярной турбулентности, поэтому наблюдение туннелирования, в бурном море живой клетки стало удивительным открытием. ... Биомолекулы, от которых зависит жизнь, — будь то жиры, ДНК, аминокислоты, белки, сахара — формируются и разрушаются различными ферментами. ... 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. ... Ключевым фактором в эксперименте с двумя щелями является то, что пучок света, попадающий на первый экран, должен быть монохромным (состоящим из волн одной длины). ... Волны воды состоят из множества молекул, которые по отдельности не являются волнами. Но скоординированное движение триллионов молекул воды, а не каждая молекула в отдельности проявляет волнообразные свойства. ... 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. ... 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. ... далее

Читаю книгу Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден "Жизнь на грани". Цитаты и выдержки ниже. ... Хопфилд (изобретатель ассоциативной нейронной сети), опубликовал работу о переносе электронов, в которой объяснил результаты эксперимента Де-волта и Чанса, указав на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний недостаточно. Однако реакция не прекращалась при низких температурах потому что в этом случае электрон приводился в положение, при котором оказывался на середине склона холма. В наши дни ученые не ставят под сомнение тот факт, что электроны путешествуют по дыхательным цепям путем квантового туннелирования. Это позволяет отнести реакции покорения энергии в живых и (нефотосинтезирующих) микробных клетках строго к сфере квантовой биологии. Электроны очень легкие, даже по меркам квантового мира и поведение их имеет волновую природу. Обоснованными являются представления об электронах в атоме как о расфокусированном волновом облаке «электронности». Поэтому, не удивительно, что электронные волны способны проходить сквозь энергетические барьеры, словно звуковые волны сквозь стены, даже в биосистемах. ... Эксперименты показали, что и относительно крупные частицы осуществляют квантовое туннелирование в ходе ферментативных реакций, например протон, который в две тысячи раз тяжелее электрона . ... Фермент коллагеназа стимулирует перенос электронов и перемещает протоны чтобы ускорить распад коллагеновой цепи. Данная реакция является одним из самых распространенных типов манипулирования частицами, которое осуществляют ферменты. Под словосочетанием «атом водорода» могут подразумеваться разные частицы: нейтральный атом водорода (H), состоящий из электрона, окружающего ядро атома (протон); положительно заряженный ион водорода (H +), представляющий собой голое ядро — протон без электрона; или отрицательно заряженный ион — атом водорода с дополнительным электроном (H -). ... Перемещение атомов (протонов) водорода внутри одной молекулы или между двумя разными не обязательно подразумевает квантовый эффект, для объяснения которого надо обращаться к туннелированию. В большинстве реакций, протекающих при температурах, при которых возможна жизнь, протоны перемещаются от молекулы к молекуле в основном неквантовыми тепловыми скачками. ... Клинман указывала на большое значение туннелирования протонов для молекулярного механизма жизни. Открытие было совершено ею в ходе изучения фермента алкогольдегидрогеназы (АДГ), чья функция заключается в переносе протона из молекулы спирта в другую небольшую молекулу НАД+ и образовании НАДН (молекулы, которая является основном энергетическом барьером клетки, никотинамидадениндинуклеотида). Клинман удалось подтвердить возможность туннелирования протонов, используя технику кинетического изотопного эффекта. ... Если вы пробовали заехать на вершину холма на велосипеде, то вас наверняка обгоняли пешеходы. На ровной дороге, управляя велосипедом, вы без труда обогнали бы всех пешеходов и даже бегунов. Так почему же езда на велосипеде по склону холма становится менее продуктивной? Вес велосипеда работает против вас. Однако наш пример скорее говорит о том, что важен не только вес объекта, но и тип движения. ... Атомы любого химического элемента бывают разного веса. Каждый элемент определяется количеством протонов в ядре, которое совпадает с количеством электронов, окружающих ядро. Так, в ядре водорода находится один протон, в ядре гелия — два, лития — три и т. д. Ядра атомов содержат не только протоны, но и нейтроны. Если в ядро попадают нейтроны, он становится тяжелее. Атомы одного элемента, с разным количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Обычный изотоп водорода — самый легкий, поскольку состоит только из одного протона и электрона. Существует еще два более редких изотопа водорода: дейтерий (D), имеющий один лишний электрон, и тритий (T), у которого два лишних электрона. ... далее

Читаю книгу Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден "Жизнь на грани". Цитаты и выдержки ниже. ... Теория Маркуса предлагает объяснение скорости, с которой электроны движутся и переходят из одних атомов и молекул в другие. За вклад в теорию переноса электронов Маркус удостоен Нобелевской премии по химии 1992 г. ... Химики — Дон Де-волт и Бриттон Чанс доказали, что скорость переноса электронов ферментами дыхательной цепи не снижается при низких температурах. Чанса интересовал вопрос, как свет способствует передаче электронов от дыхательного фермента цитохрома к кислороду. Совместно с Мицуо Нишимура Чанс обнаружил, что перенос электронов из цитохрома к кислороду осуществляется внутри бактерии Chromatium vinosum даже при температуре –190 °C (температура жидкого азота). Затем Де-волт и Чанс провели эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. При снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Но, при 100 К (кельвинах), произошло странное: скорость переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и оставалась неизменной, пока температура не упала до –238 °C. Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов и за ответом следует отправиться в квантовый мир, к квантовому туннелированию. ... Квантовое туннелирование — это процесс, в ходе которого частицы преодолевают непреодолимые барьеры с той же легкостью, с какой звук проходит сквозь стены. Туннелирование открыто в 1926 году Фридрихом Хундом и успешно использовано Георгием Гамовым, Рональдом Гернеем и Эдвардом Кондоном для объяснения радиоактивного распада, причем все трое применили новую в то время математику квантовой механики. Квантовое туннелирование имеет огромное значение для земной жизни, поскольку именно благодаря ему пары положительно заряженных ядер водорода, находящиеся внутри Солнца, сливаются воедино, начиная процесс превращения водорода в гелий, при котором выделяется огромное количество солнечной энергии. Но, никто не предполагал, что туннелирование как-то связано с процессами, протекающими в живой материи. ... Туннелирование — это способ, с помощью которого частицы, находящиеся по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону. Под «барьером» мы подразумевается физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства — что-то похожее на силовые поля из научной фантастики. ... Чем легче частица, тем легче она преодолевает энергетический барьер. Следовательно, наиболее распространено в квантовом мире именно туннелирование электронов, поскольку они представляют собой чрезвычайно легкие элементарные частицы. ... Эмиссия электронов из металлов под действием электрического поля была описана в конце 1920-х годов как туннельный эффект. Туннелирование объяснило, как происходит радиоактивный распад: ядра определенных атомов, например урана, вдруг выбрасывают частицу. В современной химии также подробно описано туннелирование электронов, протонов (ядер водорода) и даже более тяжелых атомов. Важной особенностью туннелирования является его зависимость от волновой природы частиц. Тело, состоящее из большого количества частиц, которым необходимо преодолеть барьер, должно поддерживать условия, в которых волновые аспекты всех его составляющих подходили бы друг другу (например, совпадали бы длины волн). Иными словами, тело должно представлять собой когерентную систему (систему, работающую «в унисон»). Вот почему крупным объектам, например футбольным мячам, не свойственно квантовое туннелирование: они состоят из триллионов атомов, поведение и волновые свойства которых невозможно скоординировать и превратить в когерентную систему. ... далее