Дивовижний світ квантової фізики може пояснити походження життя на Землі

Дивовижний світ квантової фізики може пояснити походження життя на Землі

Існує думка, що неймовірні правила квантової фізики працюють тільки в мікросвіті, але вчені почали знаходити все більше підтверджень її значної ролі в біології життя. Виявляється, квантова механіка бере участь у великій кількості біологічних процесів, таких як фотосинтез, міграція птахів, нюх і, можливо, навіть поява життя.

Квантова механіка вивчає дивний набір правил, яким підпорядковуються елементарні частинки, здатні проходити крізь стіни, поводити себе як хвилі, а також зберігати зв'язок навіть на великій відстані. «Це в буквальному сенсі фантастична наука», – розповідає інженер-механік з Массачусетського технологічного інституту Сет Ллойд.

Її особливості, як правило, не поширюються на звичайні макроскопічні предмети. Але здається, що природа знайшла способи використання квантової механіки для забезпечення роботи деяких з її найскладніших і життєво важливих систем.

«Життя складається з атомів, а атоми підкоряються правилам квантової механіки, – відзначає космолог Пол Девіс з Державного університету Арізони. – Життя існує вже протягом значного часу – як мінімум 3,5 мільярда років на нашій планеті, і цього часу цілком достатньо для опанування деяких квантових трюків, якщо вони забезпечують переваги».

Мозок птаха

Однією зі сфер, де використовується квантова механіка, є внутрішній компас птахів та інших мігруючих тварин. Багато видів птахів щорічно мігрують на тисячі кілометрів, повертаючись не просто в той же регіон, а в те ж саме місце розмноження.

Багато років вчені задавались питанням, як птахам вдається таке відмінне орієнтування. Імовірно вони мають здатність відчувати напрямок на підставі магнітного поля Землі. Спеціалісти однозначно розуміють, що птахи розпізнають магнітне поле, але при цьому не можуть назвати цю здатність магнітним органом.

За існуючими доказами птахи можуть використовувати квантовомеханічну зв'язаність – здатність частинок мати однакові властивості навіть після поділу. Таким чином, коли над однією частинкою проводиться якась дія, її наслідки відбиваються і на іншій.

Вчені вважають, що цей процес став можливим завдяки білку в очах птахів під назвою кріптохром. Зелене світло, потрапляючи в око птаха, стикається з кріптохромом, який дає енергетичний поштовх одному з електронів пов'язаної пари, відокремлюючи його від партнера. У новому розташуванні електрон піддається дії зміненого магнітного поля Землі, що відбивається на його обертанні. Птахи вміють використовувати цю інформацію, щоб формувати внутрішню карту магнітного поля планети і з'ясовувати своє положення і напрямок.

«Це цілком можливо, – відзначає Ллойд. – Коли я вперше почув цю думку, вона здалась мені трохи божевільною. У нас немає прямих експериментальних доказів, але ідея дуже життєздатна».

Теорія отримала підтримку в результаті недавнього випробовування на плодових мушках, які також мають кріптохром. Коли комах позбавили цього білка, вони втратили магнітну чутливість і здатність до орієнтування.

Нюх

Іншим прикладом, коли на допомогу приходить квантова механіка, є нюх. Раніше біологи вважали, що аромати сприймаються за допомогою простого механізму: молекули запаху потрапляють в ніс, а рецепторні молекули зв'язуються з ними і розпізнають їх в залежності від форми.

Але вчені зрозуміли, що деякі молекули запаху схожої форми мають зовсім різний аромат через, здавалось би, незначну хімічну різницю, наприклад, коли атом водню в молекулі замінюється більш важким варіантом водню під назвою дейтерій. В той час як цей атом впливає на вагу молекули, він не змінює її форму, а тому вона потрапляє в рецепторну молекулу точно таким же чином.

Так як же нюхова система розпізнає різницю? Відповідь лежить у здатності квантових частинок поводити себе, як хвилі.

«Теоретично, навіть якщо форма молекули однакова, вона вібрує трохи інакше завдяки невеликій відмінності, – пояснює Ллойд. – І ці хвильові властивості, які є в чистому вигляді квантовим ефектом, якимось чином відчуваються рецептором, який розпізнає вібраційні відмінності».

Відсутні шматочки

Фізики беруться за все більшу кількість нерозгаданих таємниць біології в надії, що квантова механіка зможе надати бракуючі шматочки мозаїки. Вони навіть очікують, що ця наука проллє світло на найскладніше питання біології: як з'явилось життя?

«Ми хочемо знати, як неживі предмети перетворилися на живі, – говорить Девіс. – Життя – це, безсумнівно, характерний стан матерії. Ми хотіли б зрозуміти, чи є ця характерність в своїй основі квантовою механікою».

Але в своїх стараннях випробувати квантовий ключ на замках біології деякі вчені бояться перестаратись.

«Квантова механіка дивна і загадкова, – відзначає Ллойд. – Походження життя теж дивне і загадкове. Однакові характеристики не означають, що ці явища – одне і те ж. Думаю, не варто говорити, що всі дивні і загадкові речі мають однакове походження».

X

Вхід

Завантажую...