Книга: Жизнь на грани

Квантовое биение

Квантовое биение

Старшим автором научной работы[52], блеснувшим в газетной статье, заставившей журнальный клуб МТИ смеяться от всей квантовой души, был американец Грэм Флеминг. Он родился в Барроу на севере Англии в 1949 году. В настоящее время он возглавляет группу Калифорнийского университета в Беркли, признанную одной из лидирующих исследовательских групп в своей области в мире. Группа использует мощную технологию под впечатляющим названием «электронная спектроскопия с двухмерным преобразованием Фурье» (2D-FTES). 2D-FTES может исследовать внутреннюю структуру и динамику мельчайших молекулярных систем, направляя на них высокофокусные кратковременные лазерные импульсы. Большую часть своей работы группа посвятила изучению не растений, а фотосинтетического комплекса под названием «белок Фенна-Мэтьюз-Ольсон» (FMO), который производится фотосинтезирующими микроорганизмами — зелеными серобактериями, живущими в глубинах богатых серой водоемов, таких как Черное море. Чтобы исследовать образец хлорофилла, ученые направили три импульса лазерного света на фотосинтетические комплексы. Эти импульсы хранят свою энергию в виде очень быстрых и точно рассчитанных вспышек и генерируют световой сигнал от образца, который регистрируется датчиками.

Грег Энджел, главный автор статьи, провел целую ночь, сопоставляя данные, полученные от сигналов длительностью от 50 до 600 фемтосекунд[53], чтобы получить итоговый результат. Он получил возрастающий и уменьшающийся сигнал, который колебался в течение как минимум 600 фемтосекунд (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Квантовые биения, наблюдавшиеся Грэмом Флемингом и его коллегами в опыте 2007 года. С научной точки зрения важна не неправильная форма колебаний, а сам факт наличия колебаний

Колебания были похожи на картину интерференции светлых и темных полос в опыте с двумя щелями, или квантовый эквивалент пульсирующих звуковых биений, слышных во время настройки музыкального инструмента. Подобное квантовое биение показало, что экситон не следовал одному пути через лабиринт хлорофилла, а использовал несколько путей одновременно (рис. 4.8). Эти альтернативные пути несколько напоминают ноты почти настроенной гитары: они генерируют биения, когда их длина почти одинакова.

Рис. 4.8. Экситон, продвигающийся по комплексу FMO, выбирая несколько альтернативных путей одновременно

Но не стоит забывать, что такая квантовая когерентность очень хрупка и чрезвычайно трудно сохраняется. Возможно ли, что микроорганизм или растение способны прилагать героические усилия ярчайших и лучших исследователей квантовых компьютеров МТИ, чтобы отсрочить декогерентность? В своей статье Флеминг сделал действительно смелое заявление, и это было «квантовое жульничество», как это назвал Сет Ллойд, которое возмутило журнальный клуб МТИ. Группа Беркли предполагала, что комплекс FMO действует как квантовый компьютер, чтобы найти кратчайший путь к реакционному центру, бросая вызов проблеме оптимизации, подобно знаменитой задаче путешествующих моряков в математике, которую с маршрутами, имеющими несколько назначений, может решить только очень мощный компьютер[54].

Несмотря на скептицизм, журнальный клуб поставил Сету Ллойду задачу исследования заявления. Ко всеобщему удивлению МТИ, в ходе своего научного расследования Ллойд пришел к заключению, что заявление группы из Калифорнийского университета имеет основание. Биения, которые обнаружила группа Флеминга в комплексе FMO, были действительно записью квантовой когерентности, и Ллойд пришел к заключению, что молекулы хлорофилла руководствуются новейшей стратегией поиска, известной как квантовое блуждание.

Преимущества квантового блуждания над классическим случайным блужданием можно оценить, вернувшись к нашему медлительному пьянице и представив, что в баре, который он покинул, произошла утечка и из его дверей вытекает вода. В отличие от нашего нетрезвого героя, который должен выбрать один путь, волны воды, вытекающие из бара, могут двигаться во всех возможных направлениях. Наш пьяница вскоре обнаружит, что его обгоняют, так как водные потоки движутся по улице просто пропорционально времени, а не его квадратному корню. Итак, если за одну секунду они продвинутся на один метр, то через две секунды они протекут два метра, а через три секунды — три метра и т. д. Кроме того, как атом в суперпозиции из опыта с двумя щелями, вода путешествует во всех возможных направлениях одновременно, и какая-то часть волны определенно достигнет дома пьяного задолго до нетрезвого путешественника.

Статья Флеминга вызвала свою волну удивления и изумления, которая распространилась далеко за пределы журнального клуба МТИ. Но некоторые комментаторы вскоре обратили внимание, что опыты были проведены на изолированных комплексах FMO, охлажденных до 77 К (–196 °C): это намного холоднее, чем любая температура, пригодная для фотосинтеза или даже для жизни растений, но достаточно холодно, чтобы отложить эту досадную декогерентность. Насколько значимы были эти охлажденные бактерии для всего, что происходит в жарком и беспорядочном внутреннем мире растительных клеток?

Вскоре это станет ясно, однако квантовая когерентность не ограничивается охлажденными комплексами FMO. В 2009 году Йен Мерсер в Университетском колледже Дублина обнаружил квантовое биение в другой бактериальной системе фотосинтеза (или, для краткости, фотосистеме) под названием «светособирающий комплекс II» (LHC2), который очень похож на фотосистему растений, но при нормальных температурах, при которых растения и микробы обычно осуществляют фотосинтез[55]. Затем, в 2010 году, Грег Шоулз в Университете Онтарио продемонстрировал квантовое биение фотосистемы группы водорослей (которые, в отличие от высших растений, не имеют корней, стеблей и листьев) под названием «криптофиты». Эти водоросли чрезвычайно изобильны, до такой степени, что они связывают столько атмосферного углерода (из атмосферного углекислого газа), как и высшие растения[56]. Примерно в то же время Грег Энджел продемонстрировал квантовое биение в том же комплексе FMO, который изучали в лаборатории Грэма Флеминга, но теперь при намного более высоких, совместимых с жизнью, температурах[57]. В таком случае вы можете решить, что этот замечательный феномен ограничен только бактериями и водорослями, однако Тесса Калхоун и ее коллеги из лаборатории Флеминга в Беркли недавно обнаружили квантовое биение в другой системе LHC2, на этот раз в шпинате[58]. LHC2 присутствует во всех высших растениях и содержит 50 % всего хлорофилла на планете.

Прежде чем двигаться дальше, мы кратко опишем, как используется полученная из солнечного света энергия экситона, как описывал Фейнман, чтобы оторвать «этот кислород от углерода… оставляя углерод и воду, чтобы создать субстанцию дерева» — или яблоко.

После того как достаточное количество энергии достигает реакционного центра, пара молекул хлорофилла (под названием Р680) испускает электроны. Мы узнаем немного больше о том, что происходит в реакционном центре, в главе 10, и это потрясающее место, в котором может происходить другой новейший квантовый процесс. Источником этих электронов является вода (которая, как мы помним, выступает одним из ингредиентов в фейнмановском описании фотосинтеза). Как мы выяснили в предыдущей главе, захват электронов из любого вещества называется окислением и именно этот процесс имеет место во время горения. Когда дерево горит на воздухе, например, атомы кислорода отрывают электроны от атомов углерода. Электроны на внешней орбите углерода очень слабо удерживаются, поэтому углерод горит очень легко. Однако в воде они удерживаются очень крепко: системы фотосинтеза уникальны тем, что это единственное место в мире, где вода «сгорает» с выходом электронов[59].

Пока все идет хорошо: сейчас мы имеем источник свободных электронов благодаря энергии, доставленной экситонами в хлорофилл. Далее растение должно послать эти электроны туда, где они будут использованы в работе. Сначала они захватываются описанным переносчиком электронов, НАДФН. Мы уже встречали похожую молекулу, НАДН, в предыдущей главе, где она участвовала в переносе электронов, захваченных от питательных веществ, таких как сахара, к дыхательной цепи ферментов в энергетических клеточных органеллах, митохондриях. Если помните, захваченные электроны, доставленные к митохондриям переносчиком НАДН, затем идут по дыхательной цепи ферментов как своего рода электрический ток, который используется для переноса протонов через мембрану, а обратный поток этих протонов используется для получения клеточного энергоносителя, АТФ. Очень похожий процесс используется для получения АТФ в хлоропластах растений. НАДФН захватывает электрон и переносит его к цепи ферментов, которые подобным образом выносят протоны через мембрану хлоропласта. Обратный поток этих протонов используется для получения молекул АТФ, которые впоследствии могут обеспечивать энергией многие энергозатратные процессы в растительной клетке.

Но действительный процесс фиксации углерода, захват атомов углерода из углекислого газа воздуха и их использование для получения энергоемких органических молекул, таких как сахара, происходит вне тилакоида, но все еще внутри хлоропласта. Этот процесс проходит с участием большой молекулы фермента под названием RuBisCO, вероятно наиболее распространенного белка в мире, так как он предназначен для выполнения величайшей работы: создание практически всей мировой биомассы. Этот фермент связывает атом углерода, оторванный от углекислого газа, в молекулу простого пятиуглеродного сахара под названием рибулозо-1,5-бифосфат для получения шестиуглеродного сахара. Чтобы достичь такого мастерства, необходимо присутствие двух ингредиентов: электронов (доставляемых НАДФН) и источника энергии (АТФ). Оба ингредиента являются продуктами светозависимых процессов фотосинтеза.

Шестиуглеродный сахар, полученный с помощью RuBisCO, немедленно распадается на два трехуглеродных сахара, которые затем связываются между собой множеством различных способов для построения всех биомолекул, лежащих в основе яблони, включая яблоки. Неживые воздух и вода Новой Англии с помощью света и доли квантовой механики становятся живой тканью дерева Новой Англии.

Сравнивая фотосинтез у растений и дыхание (сжигание пищи), которое происходит в наших клетках, описанное в предыдущей главе, вы можете увидеть, что под кожей растения и животные не так различны. Ключевое отличие лежит там, где мы и они храним фундаментальные строительные блоки жизни. И тем и другим необходим углерод, но растения получают его из воздуха, в то время как мы берем его из органических источников, таких как растения. И тем и другим для построения молекул необходимы электроны: мы сжигаем органические молекулы для захвата их электронов, в то время как растения используют свет, чтобы сжигать воду и захватывать ее электроны. И тем и другим необходима энергия: мы получаем ее из высокоэнергетических электронов, которые получаем из нашей пищи, пропуская их по дыхательной цепи; растения захватывают энергию фотонов солнечного света. Каждый из этих процессов включает движение фундаментальных частиц, которые руководствуются квантовыми правилами. Кажется, что жизнь укрощает квантовые процессы, чтобы обеспечить и свое продолжение, и продолжение самих квантовых процессов.

Открытие квантовой когерентности в теплых, влажных, турбулентных системах, таких как растения и микробы, повергло квантовых физиков в глубокий шок. Значительная часть исследований теперь сфокусирована на выяснении, как живые системы защищают и используют свои хрупкие состояния квантовой когерентности. Мы вернемся к этой загадке в главе 10, где исследуем некоторые удивительные возможные ответы, которые могут даже помочь физикам, таким как квантовые теоретики МТИ, построить практические квантовые компьютеры, которые смогут работать на вашем рабочем столе, не нуждаясь в глубокой заморозке. Вероятно, исследование также вдохновит новое поколение искусственных фотосинтетических технологий. Современные солнечные батареи мало основаны на принципах фотосинтеза и уже конкурируют с солнечными панелями на рынке чистой энергии, но их эффективность ограничена потерями при переносе энергии (в лучшем случае 70 %-ная эффективность по сравнению с почти 100 %-ной эффективностью этапа захвата энергии фотона в процессе фотосинтеза). Перенос биологической квантовой когерентности на солнечные батареи может потенциально увеличить эффективность солнечной энергии и, таким образом, сделать мир более чистым.

Давайте кратко рассмотрим значимость того, что мы добавили к нашему пониманию особенностей жизни. Рассмотрим еще раз те квантовые биения, которые Грег Энджел впервые увидел в первых данных о комплексе FMO и которые показали, что частицы движутся в живых клетках как волны. Существует соблазн думать об этом как о лабораторных феноменах, не имеющих значимости вне биохимического эксперимента. Но последующие исследования показали, что они на самом деле существуют в природе, в листьях, водорослях и микробах и что они играют, вероятно, ключевую роль в построении нашей биосферы.

Тем не менее квантовый мир остается незнакомым нам и часто заявляет, что эта неизвестность является признаком фундаментального раскола между миром, который мы видим вокруг нас, и его квантовым основанием. Но в реальности существует только один свод законов, указывающий путь, по которому работает мир: квантовые законы[60]. Знакомые законы статистики и законы Ньютона являются в итоге квантовыми законами, пропущенными через линзу декогерентности, которая отсеивает таинственность (все, что нам кажется странным в квантовых феноменах). Копните немного глубже, и вы всегда увидите квантовую механику, скрывающуюся в основе знакомой нам реальности.

Более того, определенные макроскопические объекты чувствительны к квантовым феноменам и большинство из них — живые. В прошлой главе мы открыли, как квантовое тунеллирование внутрь ферментов обусловливает отличие целой клетки. В этой главе мы выяснили, как первичный захват фотона, лежащий в основе образования большей части биомассы на планете, зависит от хрупкой квантовой когерентности, которая может поддерживаться в течение биологически значимого времени в теплой, но высокоорганизованной внутренней среде листа или микроорганизма. И опять мы видим принцип Шредингера «порядок из порядка», ответственный за явления квантового захвата, и то, что Джордан назвал амплификацией квантовых феноменов в макроскопическом мире. Кажется, что жизнь связывает квантовый и классический миры, расположенные на квантовом краю.

Далее мы обратим внимание на другой важнейший для нашей биосферы процесс. Яблоня Ньютона никогда не смогла бы произвести яблоки, если бы ее цветы сначала не опылили птицы и насекомые, в частности пчелы. Но пчелы должны найти цветок яблони; и они находят, используя другую возможность, которая, по мнению многих, основана на квантовой механике, — чувство обоняния.