Классическая физика приговорила живые организмы к роли тепловых машин, а квантовую механику заперла в криогенных лабораториях — и эта научная сегрегация оказалась одним из величайших заблуждений двадцатого века.
Давайте начистоту. Нам полвека рассказывали, что квантовые эффекты — это нечто настолько хрупкое, настолько капризное, что существовать они могут исключительно при температурах, близких к абсолютному нулю, в вакууме, под присмотром бородатых физиков с многомиллионным оборудованием. Любое тепло, любой «шум» окружающей среды — и когерентность рассыпается, как карточный домик на сквозняке. Так нас учили. Так писали в учебниках. Так защищались диссертации.
А потом выяснилось, что обычный лист салата делает то, на что человечество тратит миллиарды долларов в попытках построить работающий квантовый компьютер. И делает это при комнатной температуре, на солнышке, без всякого жидкого гелия. Упс.
Квантовая биология — дисциплина, которую ещё недавно считали маргинальной, почти лженаучной, — сегодня бьёт в колокол так громко, что игнорировать её уже невозможно. И то, что она нам рассказывает, заставляет переосмыслить не только физику, не только биологию, но и само понятие жизни.
Квантовая физика выходит из холодильника
Главная догма квантовой механики звучала примерно так: декогеренция — враг номер один. Стоит квантовой системе столкнуться с окружающей средой, как её волшебные свойства — суперпозиция, запутанность, когерентность — мгновенно разрушаются. Частица «выбирает» одно состояние из множества возможных, волновая функция коллапсирует, и здравствуй, скучный классический мир.
Именно поэтому квантовые компьютеры охлаждают до температур, при которых даже атомы едва шевелятся. Именно поэтому эксперименты по квантовой оптике проводят в идеальном вакууме. Логика железная: чем теплее, тем больше хаотичных столкновений, тем быстрее всё разваливается.
И вот тут биология показала физике средний палец.
Оказалось, что тёплая, влажная, шумная биологическая среда не просто не уничтожает квантовые эффекты — она их использует. Более того, есть основания полагать, что жизнь научилась эксплуатировать тепловой шум, превращая его из врага в союзника. Это примерно как обнаружить, что формульный болид лучше всего ездит по разбитым просёлочным дорогам.
В 2007 году группа исследователей под руководством Грэма Флеминга из Беркли опубликовала работу, которая взорвала научное сообщество. Они обнаружили квантовую когерентность в фотосинтетических комплексах зелёных серных бактерий. При температуре, которую язык не повернётся назвать «близкой к абсолютному нулю». Энергия, захваченная молекулами хлорофилла, не «прыгала» случайным образом от молекулы к молекуле — она распространялась как волна, одновременно исследуя все возможные пути.
Физики потёрли глаза. Перепроверили. Потёрли ещё раз. Результат не изменился.
Фотосинтез — квантовый компьютер под открытым небом
Так, стоп. Давайте разберёмся, что здесь происходит, потому что это действительно сносит крышу.
Фотосинтез — процесс, который мы все проходили в школе и благополучно забыли после экзамена. Свет падает на лист, хлорофилл его поглощает, дальше какая-то магия с электронами, и вуаля — глюкоза и кислород. Простенько, да? Как бы не так.
Когда фотон попадает в светособирающий комплекс, он создаёт возбуждение — штуку под названием экситон. Этому экситону нужно добраться до реакционного центра, где энергия преобразуется в химическую форму. Расстояние — нанометры, но путей миллионы. Классическая физика предсказывает, что экситон будет случайно блуждать, натыкаясь на молекулы, теряя энергию, тратя время впустую.
Эффективность такого случайного блуждания — так себе. А эффективность реального фотосинтеза? Под 99 процентов. Почти каждый поглощённый фотон превращается в полезную энергию.
Разгадка в том, что экситон существует в состоянии квантовой суперпозиции. Он не выбирает один путь — он «исследует» все пути одновременно, как волна. Интерференция между различными квантовыми путями усиливает вероятность достижения цели и подавляет непродуктивные маршруты. Природа изобрела квантовый алгоритм поиска оптимального решения за миллиарды лет до того, как Лов Гровер опубликовал свою знаменитую работу.
И вот что самое издевательское: этот трюк работает именно благодаря тепловому шуму, а не вопреки ему. Колебания белковой матрицы, окружающей пигменты, не разрушают когерентность — они её поддерживают, создавая своеобразный «шумовой резонанс». Эволюция нашла способ оседлать хаос.
Птичий компас и магниторецепция
Ладно, фотосинтез — это растения. Существа без нервной системы, без поведения, без того, что мы гордо называем «высшими функциями». Может, там квантовые фокусы и уместны. Но уж точно не у животных, да?
А вот и нет.
Каждую осень миллиарды птиц отправляются в миграцию, преодолевая тысячи километров с точностью, которой позавидует GPS. Как они это делают? Один из механизмов — магниторецепция, способность чувствовать магнитное поле Земли. И механизм этот, судя по всему, квантовый.
В сетчатке глаза птиц есть молекулы криптохрома — белка, реагирующего на синий свет. Когда фотон попадает в криптохром, он выбивает электрон, создавая пару частиц — так называемую радикальную пару. Электроны в этой паре квантово запутаны: их спины скоррелированы, даже когда частицы разделены.
Магнитное поле Земли — штука слабенькая, примерно в сто раз слабее магнитика на холодильнике. Классическая биохимия не может объяснить, как птица его чувствует. Но квантовая механика может: магнитное поле влияет на относительную ориентацию спинов в радикальной паре, изменяя химическую реакцию. Результат этих изменений каким-то образом передаётся в мозг и формирует «картинку» магнитного поля, наложенную на обычное зрение.
Птица буквально видит магнитное поле. И видит она его благодаря квантовой запутанности, которая сохраняется в тёплом, влажном глазу живого существа достаточно долго, чтобы повлиять на биохимию.
Когда физикам об этом рассказали, многие отказывались верить. Как?! При температуре тела?! В белковой среде?! Это невозможно! А птицы продолжали лететь на юг, не обращая внимания на возмущённые возгласы теоретиков.
Обоняние — туннелирование в носу
Думаете, на этом сюрпризы заканчиваются? Держите ещё один.
Классическая теория обоняния утверждает, что мы различаем запахи по форме молекул. Каждый обонятельный рецептор — это замок определённой формы, а молекула пахучего вещества — ключ. Подходит форма — есть запах. Красивая метафора, логичная модель. Одна проблема: она не работает.
Существуют молекулы с абсолютно идентичной формой, но разным запахом. И наоборот — молекулы совершенно разной структуры, которые пахнут одинаково. Теория «ключ-замок» пасует.
Альтернативная гипотеза, выдвинутая Лукой Турином, гласит, что мы различаем запахи по вибрациям молекул. Рецептор реагирует не на форму, а на частоту колебаний — примерно как микрофон. И механизм этой реакции — квантовое туннелирование электронов.
Когда молекула с нужной вибрационной частотой оказывается между двумя частями рецептора, электрон может «просочиться» сквозь энергетический барьер, которого в классической физике он никогда бы не преодолел. Вибрация молекулы создаёт резонансные условия для туннелирования, запускается сигнал, мозг интерпретирует его как запах.
Это объясняет, почему молекулы с одинаковой формой, но разной массой изотопов пахнут по-разному. Дейтерированные соединения — те же атомы, та же структура, но с более тяжёлыми изотопами водорода — имеют другие вибрационные частоты и, соответственно, другой запах. Ваш нос — квантовый спектрометр, господа.
Почему это переворачивает науку
Вы можете спросить: ну хорошо, интересно, и что? Подумаешь, какие-то квантовые штуки в бактериях и птичках. Нам-то что с того?
О, много чего.
Во-первых, это означает, что редукционистская программа биологии — свести всё к классической химии и физике — провалилась. Жизнь не сводится к бильярдным шарам, сталкивающимся по законам Ньютона. Там работают совсем другие принципы, принципы квантового мира, которые мы только начинаем понимать.
Во-вторых, это даёт нам новые инструменты. Если эволюция решила проблему квантовой когерентности при комнатной температуре, мы можем подсмотреть её решения. Квантовые технологии — от вычислений до сенсоров — могут получить колоссальный толчок, если мы поймём, как работают биологические квантовые системы. Представьте квантовый компьютер, которому не нужен криостат размером с грузовик.
В-третьих — и это самое головокружительное — возникает вопрос о сознании. Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф десятилетиями продвигают идею о том, что сознание связано с квантовыми процессами в микротрубочках нейронов. Их критиковали именно за то, что квантовая когерентность не может существовать в тёплом мозге. А теперь выясняется — может. Окно возможностей открывается заново.
Философские последствия и футурологические горизонты
Но давайте поднимемся ещё выше. Выйдем за пределы конкретных экспериментов и задумаемся о том, что всё это значит для нашего понимания реальности.
Мы привыкли делить мир на квантовый и классический. Там, внизу, на уровне атомов — странные вероятности, суперпозиции, запутанности. Здесь, наверху, на уровне столов и стульев — надёжная определённость. Граница между ними называется декогеренцией, и казалось, что биология целиком находится на классической стороне.
Теперь эта картина рушится. Жизнь существует на границе — или, точнее, она и есть та самая граница. Организм — это не классическая машина, эксплуатирующая квантовые эффекты. Это система, которая сознательно (в метафорическом смысле) балансирует между квантовым и классическим режимами, извлекая преимущества из обоих миров.
Возникает почти еретическая мысль: а что если жизнь — это не случайная комбинация молекул, а фундаментальное свойство Вселенной, связанное с её квантовой природой? Что если эволюция — это не слепой часовщик, а процесс, который неизбежно ведёт к системам, способным эксплуатировать квантовую механику со всё большей эффективностью? Что если мы, задающие эти вопросы, — не случайность, а закономерность?
Это, конечно, спекуляции. Но спекуляции, подкреплённые данными. Данными, которые ещё двадцать лет назад казались невозможными.
Мы стоим на пороге новой научной революции. Не той, что происходит с фанфарами и нобелевскими речами, а тихой, глубинной — революции понимания. Живое не противостоит квантовому миру. Живое — это квантовый мир, научившийся смотреть на себя.
И следующий раз, когда вы понюхаете цветок, подумайте: в этот самый момент электроны в вашем носу туннелируют сквозь барьеры, которые классическая физика считает непреодолимыми. Когда вы видите зелёную листву, вспомните: эта зелень — результат квантовых вычислений, происходящих в каждом листке с эффективностью, недостижимой для наших лучших технологий. А если мимо пролетит птица — знайте: она видит мир, недоступный вашему восприятию, мир магнитных полей, раскрашенный квантовой запутанностью.
Наука учила нас, что мы — машины. Потом — что мы химические реакторы. Теперь выясняется, что мы — квантовые системы, сложнейшие и элегантнейшие во всей наблюдаемой Вселенной.
Может, пора относиться к себе соответственно?