Квантовый мир устроен странно.
На уровне материи, с которой мы имеем дело, объект находится либо здесь, либо там — вы ставите стакан с напитком на стол, и, пока вы его не сдвинете, он останется на месте. Вероятность того, что в этот же момент вы найдете его в своей спальне, равна нулю. Но когда речь идет об электроне, это предположение теряет всякий смысл. Квантовая механика гласит, что электрон занимает диапазон возможных положений до тех пор, пока его не измерят (вспомните кота Шредингера). Электрон — это не просто частица, но и волна, существующая в виде суперпозиции возможных состояний. Подобные концепции абстрактны, немного сбивают с толку и являются квинтэссенцией квантовой физики. Они требуют от человека отбросить интуицию и принять тот факт, что на уровне атомов и субатомных частиц происходят странные вещи.
Однако при переходе к масштабу биологических объектов и систем эта квантовая странность, как правило, теряется. Биологические среды, как известно, теплые, влажные и «шумные» — то есть противоположны тому, что обычно требуется для проявления подлинных квантовых эффектов. В изоляции молекулы подчиняются законам квантовой механики, но чем сложнее становится система, тем менее заметными становятся эти эффекты. Проще говоря: ученым, как правило, не нужна квантовая механика, чтобы предсказывать и понимать, как устроена жизнь. Или все-таки нужна? Существуют ли биологические процессы, поведение которых невозможно полностью объяснить без учета квантовых эффектов? Исследования бактерий и других организмов позволяют предположить, что ответ может быть утвердительным.
На самом фундаментальном уровне можно утверждать, что всё имеет квантовую природу. Однако есть разница между тем, чтобы обладать квантовыми свойствами, и тем, чтобы использовать их для достижения определённых целей. Квантовая биология стремится выявлять и использовать квантовые явления в биологических системах, особенно в том, что касается их функционирования; квантовая микробиология же специально изучает и контролирует жизнь микроорганизмов. Наше понимание мира в значительной степени основано на классической физике, которая позволяет нам решать такие задачи, как механизм движения бактерий с помощью жгутиков или термодинамика химических реакций. В большинстве случаев эти принципы вполне подходят для расшифровки биологических механизмов. Квантовая (микро)биология основана на предположении, что в некоторых случаях может потребоваться еще один уровень нюансов. «На самом деле у нас нет теории химической связи без квантовой механики. Так что, конечно, она имеет решающее значение», — считает биохимик Грэм Флеминг. «Но я думаю, что под квантовой биологией подразумевается нечто более тонкое, [а именно] использование некоторых странностей квантовой механики для получения функции, которую [иначе] получить было бы невозможно».
Для изучения квантовых явлений в простых системах требуются строго контролируемые условия (например, экстремальный холод, лазеры и глубокий вакуум). Разработка датчиков, способных обнаруживать трудноразличимые эффекты — и их потенциальные функциональные роли — в хаотичных, сложных биологических системах может оказаться более сложной задачей. Кроме того, квантовая механика может использоваться для описания поведения частиц, но установить, являются ли квантовые явления неотъемлемой частью этого поведения, довольно сложно. «Существует удручающая тенденция: люди склонны относить всё, чего они не понимают, к области квантовой биологии, что, на мой взгляд, никоим образом не способствует делу», — отметил Флеминг. Процесс или поведение могут проявлять «квантоподобные» свойства, не требуя при этом подлинных квантовых эффектов, либо квантовые и классические эффекты могут взаимодействовать, что требует гибридной модели. «В конечном счёте, вот что нам нужно знать: играет ли это какую-то роль?» — отмечает Флеминг. «Есть явления, объяснение которых требует больших усилий, и [для которых] нам нужна квантовая механика… Но затем, независимо от этого, [мы] спрашиваем: «Играет ли это какую-то роль в функционировании?».
Возьмём в качестве примера фотосинтез. Как у фотосинтезирующих бактерий, так и у растений этот процесс основан на переносе энергии света от комплексов пигментных молекул к реакционному центру, где происходят жизнеобеспечивающие фотохимические реакции. Согласно классической модели светособирания при фотосинтезе, когда молекула пигмента поглощает свет, энергия возбуждения перескакивает от одной молекулы к другой в направлении реакционного центра. Это можно сравнить со соприкосновением двух камертонов: одна молекула переходит в возбужденное состояние, что возбуждает другую соседнюю молекулу, и возбуждение распространяется по сети пигментов. Однако исследования фотосинтетических систем, в том числе серных бактерий, указали на другую модель, основанную на квантовой механике. Энергия возбуждения не локализуется в одной молекуле, а делокализуется — или, как выразился Флеминг, «размазывается» — по нескольким пигментам, подобно волне. Различные части этой волны остаются синхронизированными друг с другом в течение короткого промежутка времени. Эта взаимосвязь, известная как когерентность, позволяет энергии «пробовать» различные пути по всей сети пигментов, прежде чем локализоваться и двигаться к центру реакции.
Эти открытия сыграли важную роль в становлении области квантовой биологии. Однако недавние исследования показывают, что роль квантовой когерентности в чрезвычайной эффективности переноса энергии при фотосинтезе может быть более тонкой, чем считалось ранее. Предполагаемая модель предусматривает взаимодействие между квантовыми электронными состояниями и молекулярными колебаниями в окружающих пигментах и белках. Речь идет не обязательно о выборе между «скачком» и «волной», а о их сочетании, зависящем от временной шкалы, состояния системы и окружающей среды. Другими словами, фотосинтез не является «неопровержимым доказательством» существования биологической функции, обусловленной исключительно квантовой механикой. Для этого, по словам Флеминга, «нам понадобилась бы функция, которую совершенно невозможно объяснить с помощью классического механизма». «Возможно, такая функция будет обнаружена у бактерий».
Молекулярный биофизик Нихил Мальванкар изучает бактериальные нанопроволки. «Мы заинтересовались бактериями, потому что они могут переносить электроны со скоростью, которую мы просто не могли объяснить с помощью классической физики, а все наши знания в области квантовой физики подсказывали нам: „О, это просто невозможно. Такого просто не может быть“, — рассказывает он. Речь идет о представителях рода Geobacter, а именно Geobacter sulfurreducens, которые могут жить в средах с дефицитом кислорода на глубине нескольких километров под поверхностью Земли. Другие типы клеток, в том числе и наши собственные, используют кислород для приема электронов, высвобождаемых цепью переноса электронов в процессе клеточного дыхания. Но у Geobacter такой возможности нет.
Вместо этого эти бактерии разработали механизм выделения электронов за пределы клетки, где их принимают металлические минералы или бактерии-партнеры. Электроны достигают места назначения по длинным белковым отросткам (нанопроволокам). «Невозможная» часть этого процесса заключается в том, насколько быстро и далеко перемещаются эти электроны: речь идет о 10 миллиардах электронов в секунду, преодолевающих расстояния, в 100 раз превышающие длину бактериальной клетки. Такие скорости ставят под сомнение то, что можно объяснить с помощью классических моделей. Мальванкар и коллеги обнаружили, что нанопроволоки Geobacter содержат ядро из молекул гема (подобных тем, что входят в состав гемоглобина), выстроенных в прямую линию. Эта уникальная архитектура напоминает металлическую проволоку, что, согласно расчетам исследователей, позволяет электронам «скользить» по ней как когерентная квантовая волна, а не хаотично «прыгать» от одного участка к другому. Их измерения действительно показывают, что электроны перемещаются между гемами с ультрабыстрой скоростью — менее чем за одну триллионную долю секунды. Таким образом, перенос электронов по нанопроволокам происходит чрезвычайно эффективно; точно так же, как катание на доске более плавное и быстрое, чем прыжки «зайчиком». «Это похоже на воду, наполняющую трубу, — пояснил Мальванкар. — Если начать заливать воду с одного конца, вода с другого конца трубы может начать вытекать. Мы обнаружили, что в этих бактериальных нанопроводах происходит нечто очень похожее».
Но действительно ли этот механизм относится к квантовой механике? Поток электронов — это термически активированный процесс, а это означает, что при повышении температуры скорость переноса электронов в нанопроволоках должна увеличиваться. Если же электроны движутся как волна, то более высокие температуры препятствуют этому процессу, и скорость переноса электронов должна снижаться. Мальванкар обнаружил именно последнее: при более высоких температурах скорость переноса электронов снижалась примерно в 300 раз. Группа продолжает работу на основе своих первоначальных измерений, используя новые методы, ускоряющие рост Geobacter (например, электрические и магнитные поля, свет и охлаждение), чтобы лучше понять, как электроны в нанопроволоках ведут себя как квантовые, а не как классические частицы. Полученные на данный момент результаты указывают на то, что квантовые эффекты неразрывно связаны с функционированием нанопроволок — для уточнения этой картины необходимы дополнительные исследования.
Естественный вопрос, возникающий в связи со всем этим: кому это интересно? Действительно ли имеет значение, является ли биологический процесс квантовым, классическим или чем-то промежуточным? Если природа в определенных случаях эволюционировала так, чтобы использовать квантовую механику, это может изменить наше понимание биологии и способы её применения. Например, изучение свойств нанопроволок Geobacter может позволить учёным управлять ростом, коммуникацией и прикреплением бактерий не только, скажем, путём регулирования доступности питательных веществ, но и путём контроля переноса электронов. Эта возможность выходит за пределы G. sulfurreducens. «Речь идет не только об одной бактерии; многие бактерии образуют эти нанопроволоки в микробном царстве», — отметил Мальванкар, который разрабатывает инструменты как для измерения, так и для визуализации электронов в бактериях, образующих нанопроволоки.
Существует также возможность объединить открытия квантовой микробиологии с технологическими инновациями. Развивающаяся область квантовых вычислений использует особенности квантовой механики для решения сложных задач быстрее и эффективнее, чем обычные компьютеры. Для работы квантовым компьютерам требуются строго контролируемые (и холодные) условия. Масштабирование квантовых вычислений потребует возможности работать при комнатной температуре в условиях "шума". Микробы могут дать подсказки о том, как удовлетворить эту потребность. Действительно, группа Мальванкара выдвигает гипотезу, что системные флуктуации белков в бактериальных нанопроволоках, которые мешают квантовым эффектам, движутся гораздо медленнее, чем электроны — то есть электроны фактически «опережают» любые возмущения. Возможно, именно поэтому квантовые эффекты сохраняются в среде, где, теоретически, их не должно быть. Исследователи могли бы применить это понимание к синтетическим системам.
Учитывая, как многое остаётся неизвестным, между фундаментальными квантовыми открытиями и их применением существует множество возможностей, о которых учёные даже не подозревают. «Может оказаться совершенно неожиданный и невообразимый подход или способ использования квантовой механики для тех задач, о которых мы ещё не догадываемся», — подчеркнул Флеминг. «Таким образом, это высокий риск, но и большая выгода». Точно известно лишь то, что будущее квантовой микробиологии — и квантовой биологии в целом — не ограничивается одной группой учёных. Скорее, подобно квантовой волне, оно распространяется среди специалистов из самых разных областей и дисциплин. «У меня может быть самая потрясающая технология, но если я не разбираюсь в биологии или не умею работать с биологическими объектами, то я ничто», — говорит Мальванкар, который годами дополнял свои знания по физике глубокими навыками в области микробиологии. С другой стороны, «биологи могут считать физику сложной. Поэтому я думаю, что мы нужны друг другу, чтобы ценить и уважать друг друга. Я очень рад, что эта область развивается именно в этом направлении».
Мальванкар подчеркнул, что квантовая наука — «не просто монополия физиков», но имеет отношение и к живым процессам. Невозможно ответить на вопросы о квантовых эффектах в бактериях, если не уметь выращивать или манипулировать бактериями; и наоборот, невозможно изучать квантовые эффекты в бактериях без интеграции квантовой физики. «Нам действительно нужно, чтобы больше микробиологов осознали, что наука становится всё более междисциплинарной», — говорит Мальванкар. «Если больше микробиологов заинтересуются квантовой физикой, они поймут, что это не что-то чуждое; это то, с чем мы все работаем каждый день, и это то, чему они могут научиться».
