Loading

Физика жизни: рассвет квантовой биологии

Создано 30.06.2011 10:14
Автор: Евгений

Физика жизни: рассвет квантовой биологииКлюч к практическому квантовому вычислению и высокоэффективным солнечным элементам может лежать в беспорядочном зеленом мире, лежащем вне физических лабораторий.

На первый взгляд, кажется, что квантовые эффекты и живые организмы занимают совершенно разные жизненные ниши. Первые обычно наблюдаются в нанометровом измерении, окруженные глубоким вакуумом, при ультранизких температурах и в условиях четкого контроля при помощи лабораторного оборудования. Последние населяют макроскопический мир, теплый, беспорядочный и лишенный какого-либо контроля. Квантовые феномены, такие как когерентность, когда волновые колебания каждой части системы следуют согласованно, не просуществовали бы и микросекунды в беспокойных условиях клетки.

Или так многие думали. Но открытия, совершенные в последние годы, указывают, что природа знает несколько фокусов, неизвестных физикам: когерентные квантовые процессы вполне могут проявляться и в мире природы. Известные или предполагаемые примеры включают явления от способности птиц к навигации с использованием магнитного поля Земли до внутреннего механизма фотосинтеза – процесса, когда растения и бактерии превращают солнечный свет, углекислоту и воду в органическую материю, который, возможно, является наиважнейшей биохимической реакцией на Земле.

Биология умеет использовать то, что работает, говорит Сет Ллойд, физик Массачусетского института технологии в Кембридже. По его словам, если это означает «квантовые фокусы», то это действительно они и есть. Некоторые исследователи даже начали говорить о слиянии дисциплин для создания квантовой биологии, подчеркивая, что квантовые эффекты – это жизненно важные, чтоб не сказать больше, составляющие работы природы. И лабораторные физики, заинтересованные в практической технологии, уделяют этому большое внимание. «Мы надеемся, что сможем узнать больше от квантового искусства биологических систем», - говорит Ллойд. Он объясняет, что понимание того, как квантовые эффекты происходят в живых организмах, может помочь исследователям достичь сложной цели квантовых вычислений. Или же, возможно, мы сможем создать улучшенные устройства для хранения энергии или высокоэффективные органические солнечные элементы.

Определение пути для энергии

Исследователи давно подозревали, что в основе фотосинтеза лежит что-то необычное. Частицы света под названием фотоны, исходящие от Солнца, бессистемно попадают в молекулы хлорофилла и другие поглощающие свет антенные пигменты, которые концентрируются внутри клеток каждого листа, а также внутри каждой фотосинтезирующей бактерии. Но как только энергия фотона внесена, он перестает быть бессистемным. Тем или иным образом он направляется в постоянный поток, идущий по направлению к фотосинтетическому реакционному центру клетки, где в дальнейшем используется с максимальной эффективностью для превращения углекислоты в сахарозы.

С 1930-х годов ученые признавали, что этот путь следует описывать при помощи квантовой механики, которая указывает, что частицы, такие как электроны, часто действуют как волны. Фотоны, ударяясь об антенные молекулы, поднимают рябь из заряженных электронов – экситонов, как камень, разбрызгивающий воду в луже. Эти экситоны далее передаются от одной молекулы следующей, пока не достигают реакционного центра. Но является ли их путь бессистемными и неконтролируемыми скачками, как изначально полагали ученые? Может ли их движение быть более организованным? Некоторые современные исследователи указали, что экситоны могут быть когерентными, и их волны могут распространяться на более чем одну молекулу, при этом они продолжают следовать согласованно и усиливать друг друга.

Если действительно так, то в этом есть поразительный вывод. Когерентные квантовые волны могут существовать в двух состояниях в одно и то же время, таким образом, когерентные экситоны могут двигаться через лес антенных молекул одним или двумя маршрутами одновременно. Фактически они могут синхронно находить множество возможных вариантов и автоматически выбирать самый эффективный путь к реакционному центру.Физика жизни: рассвет квантовой биологии

Четыре года назад двум группам ученых под руководством Граама Флеминга, химика в Калифорнийском университете Беркли, удалось получить экспериментальное подтверждение этой гипотезы. Одна группа использовала последовательность очень коротких лазерных пульсаций, чтобы испытать фотосинтетический аппарат зеленой серобактерии Chlorobium tepidium. Исследователи должны были охладить образцы до 77К при помощи жидкого азота, но данные лазерных испытаний продемонстрировали явное доказательство когерентных состояний экситона. Вторая группа проводила схожее испытание пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides и обнаружила ту же электронную когерентность при температуре до 180К.

В 2010 году исследователи первой группы обнародовали доказательства квантовой когерентности в бактериальном комплексе при температуре окружающей среды, и это продемонстрировало, что когерентность не только не искусственный продукт, создаваемый лишь в криогенных лабораторных условиях, но может в действительности быть важным для фотосинтеза в реальном мире. Примерно в то же время группа под руководством Грегори Шолеса, химика Университета Торонто, Канада, также сообщала об эффектах когерентности при температуре окружающей среды, и в этот раз не в бактериях, а в фотосинтетических водорослях-криптофитах, эволюционно отдельных организмах, тесно связанных с растениями и животными и использующих совершенно другие поглощающие свет химические группы.

Но как может квантовая когерентность длиться достаточно долго, чтобы быть полезной при фотосинтезе? Большинство физиков предположили бы, что при температуре окружающей среды окружающий молекулярный хаос в клетке почти мгновенно разрушает когерентность.

Компьютерное моделирование, проведенное Ллойдом и некоторыми из его коллег, предлагает ответ: бессистемный шум в окружающей среде может скорее увеличить эффективность передачи энергии в фотосинтезе, чем уменьшить. Оказалось, что экситон может иногда попадать в ловушку в определенных местах фотосинтетической цепи, но моделирование указывает, что шум окружающей среды может достаточно аккуратно его встряхнуть, не уничтожая когерентность. Таким образом, по словам Ллойда, окружающая среда освобождает экситон и дает ему возможность продолжить путь.

Фотосинтез – не единственный пример квантовых эффектов в природе. Например, исследователи уже в течение нескольких лет знают, что в некоторых реакциях, катализированных ферментами, протоны двигаются от одной молекулы к другой с помощью квантово-механического феномена туннелирования, когда частица проходит сквозь энергетический барьер вместо необходимости концентрации энергии, чтобы «перепрыгнуть» через него. И спорная теория распространения запаха утверждает, что запах идет от биохимического ощущения молекулярных вибраций – процесс, который подразумевает туннелирование электрона между молекулой, ответственной за запах, и рецептором,  где он связывается в носу.
Хотя распространены ли такие примеры достаточно широко, чтобы оправдать создание целой новой дисциплины? Роберт Бланкеншип, исследователь фотосинтеза в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, Миссури, и соавтор Фелиминга в докладе о C. tepidium, допускает некоторый скептицизм. «Я думаю, что вполне может быть несколько случаев, как те, о которых нам уже известно, где эти эффекты важны, - говорит он, - но многие, если не все биологические системы не станут использовать такие квантовые эффекты». Но Шолес уверен, что есть основания для оптимизма, если понятию квантовой биологии будет дано достаточно широкое определение. По его словам, точно есть другие примеры в биологии, где понимание на квантово-механическом уровне поможет нам глубже оценить работу процесса.

Компас птичьего глаза

Одной из самых давних биологических загадок, которая может объясняться экзотическими квантовыми эффектами, является способ, с помощью которого некоторые птицы могут ориентироваться, ощущая магнитное поле Земли.
Известно, что птичий магнитный датчик активизируется легким воздействием на сетчатку глаза птицы. В настоящее время самой удачной догадкой ученых об этом механизме является гипотеза, что энергия, заложенная каждым входящим фотоном, создает пару свободных радикалов – молекул с высокой реакционной способностью, каждая из которых с неспаренным электроном. Каждый из этих неспаренных электронов обладает собственным кинетическим моментом, или вращением, направление которого можно изменить магнитным полем. После разделения радикалов на неспаренный электрон на одном из них, прежде всего, влияет магнитное поле близлежащего атомного ядра, в то время как неспаренный радикал на другом, дальше от ядра, и попадает под влияние только магнитного поля Земли. Разница в полях сдвигает радикальную пару между двумя квантовыми состояниями с различной химической активностью.

По словам Симона Бенджамина, физика Оксфордского университета, одна версия подразумевает, что в клетках сетчатки птицы синтезируется какое-то химическое вещество, когда система в одном состоянии, но это не происходит при другом состоянии. Его концентрация отражает ориентировку поля Земли. Обоснованность этой идеи была продемонстрирована в 2008 году в искусственной фотохимической реакции, в которой магнитные поля влияли на жизненный цикл радикальной пары.

Бенджамин и его коллеги предложили, чтобы два неспаренных электрона, созданные поглощением единственного фотона, существовали в состоянии квантовой сцепленности - форме когерентности, когда ориентация одного вращения остается взаимосвязанной с ориентацией другого, при этом нет разницы, насколько далеко движутся радикалы. Сцепленность обычно довольно чувствительна при температуре окружающей среды, но исследователи подсчитали, что она поддерживается в птичьем компасе в течение не менее десяти микросекунд – гораздо дольше, чем возможно в настоящее время в любой искусственной молекулярной системе.

Физика жизни: рассвет квантовой биологииЭта способность ощущать магнитное поле при помощи квантовых эффектов может быть широко распространена. Не только птицы, но и некоторые насекомые и даже растения демонстрируют физиологические ответы на магнитные поля. Например, препятствующее росту влияние синего света на цветущее растение арабидопсис смягчается магнитными полями таким способом, который может также использовать механизм радикальной пары. Но по словам Бенджамина, чтобы окончательно доказать именно такое действие, необходимо узнать, какие основные молекулы привлечены к этому процессу, а затем изучить их в лаборатории.

Преимущества отбора

Кажется, что квантовая когерентность в фотосинтезе полезна для использующих ее организмов. Но развилась ли способность использовать квантовые эффекты в результате естественного отбора? Или квантовая когерентность – это всего лишь случайный побочный эффект того, как структурированы отдельные молекулы? «Есть много предположений о вопросах эволюции и много неверных толкований, - Шолес абсолютно не уверен относительно этого вопроса. – Мы не можем сказать, является ли этот эффект в фотосинтезе результатом отбора, также неизвестно, предусмотрен ли вариант, когда когерентность не используется для передачи энергии движения электронов. Нет данных даже для того, чтобы исследовать этот вопрос».

Он подчеркивает, что нет очевидных причин, почему отбор стал бы поддерживать когерентность. По мнению Бенджамина, почти все фотосинтетические организмы проводят большую часть времени, стараясь умерить поглощение света. Ограниченность в освещении – редкий случай. Каковы же тогда причины для эволюционного давления, направленного на регулирование эффективности поглощения света? Флеминг соглашается, он подозревает, что квантовая когерентность не адаптивна, а является просто побочным продуктом большого накопления хромофор, необходимых для оптимизации поглощения солнечных лучей. Шолес надеется исследовать этот вопрос путем сравнения антенных белков, выделенных из образцов водорослей-криптофитов, которые развивались в разное время.

Но, как считает Флеминг, даже если квантовая когерентность в биологических системах является случайным эффектом, ее последствия исключительны тем, что делают систему нечувствительной к беспорядочному распределению энергии. Кроме того, она приводит в действие одностороннюю передачу энергии, действуя как выпрямитель тока, обеспечивает самый высокий коэффициент передачи энергии, нечувствительна к температурам, а также, возможно, есть ряд и других неучтенным преимуществ.

Эти эффекты предполагают и практическое использование. По словам Шолеса, понимание того, как биологические системы совершают квантовую когерентность в условиях окружающей среды, изменит наши знания об устройстве собирающих свет структур. Это позволит ученым создать такие технологии, как солнечные элементы с высокой эффективностью накопления энергии. Сет Ллойд считает это разумным и, в частности, надеется, что его открытия о позитивной роли шума в окружающей среде будут полезными для проектирования фотонных систем с использованием материалов, как квантовые точки (нанокристаллы) или полимеры с очень разветвленной структурой, густо покрытые поглощающими свет химическими группами, которые могут служить как искусственные направленные антенные системы.

Еще одной возможной сферой применения является квантовое вычисление. Давней целью физиков и инженеров, работающих в этой сфере, является манипулирование данными, закодированными в квантовых битах (кубитах) атомного ядра или информации, такие как состояния электрона, когда он начинает или прекращает вращаться. Кубиты могут существовать в обоих состояниях в одно и то же время, давая тем самым возможность одновременного изучения всех возможных ответов на вычислительные операции, которые они кодируют. В принципе это даст квантовым компьютерам возможность искать наилучшее решение проблемы гораздо быстрее, чем могут делать современные компьютеры, но только если кубиты смогут поддерживать свою когерентность без шума в окружающей среде.

Но биология каким-то образом решила эту проблему: в сущности, квантовая когерентность позволяет фотосистеме действовать как оптимальная квантовая вычислительная машина. Бенджамин, чьи основные интересы лежат в создании материальных систем для квантового вычисления и информационных технологий, считает, что птичий компас, работающий при температуре окружающей среды, является возможной подсказкой. По его словам, если нам удастся узнать, как компас птицы защищает себя от потери когерентности, это может дать нам несколько ключей к созданию квантовых технологий. Обучаться у природы – эта идея стара, как мифология, но до сих пор никто не мог представить, что мир природы может научить нас чему-либо о квантовом мире.

Источник: Nature

Комментарии: