Удивительный мир квантовой физики может быть источником жизни на Земле

Бытует мнение, что невероятные правила квантовой физики применимы только к микромиру, но ученые начали находить все больше подтверждений ее значительной роли в биологии жизни. Оказывается, квантовая механика участвует в большом количестве биологических процессов, таких как фотосинтез, миграция птиц, обоняние и, возможно, даже появление жизни.

Квантовая механика изучает странный набор правил, которым подчиняются элементарные частицы, способные проходить сквозь стены, вести себя, как волны, а также сохранять связь даже на большом расстоянии. «Это в буквальном смысле фантастическая наука», - рассказывает инженер-механик из Массачусетского технологического института Сет Ллойд.

Ее особенности, как правило, не распространяются на обычные макроскопические предметы, которые считаются слишком горячими и влажными, чтобы выдерживать хрупкие деликатные состояния. Но кажется, что природа нашла способы использования квантовой механики для обеспечения работы некоторых из ее самых сложных и жизненно важных систем.

«Жизнь состоит из атомов, а атомы подчиняются правилам квантовой механики, - отмечает космолог Пол Дэвис из Государственного университета Аризоны. – Жизнь существует уже в течение значительного времени – как минимум 3,5 миллиарда лет на нашей планете, и этого времени вполне достаточно для изучения некоторых квантовых трюков, если они обеспечивают преимущества».

Мозг птицы

Одной из сфер, где используется квантовая механика, является внутренний компас птиц и других мигрирующих животных. Многие виды птиц ежегодно мигрируют на тысячи километров, возвращаясь не просто в тот же регион, а в то же самое место размножения.

Многие годы ученые задавались вопросом, как птицам удается такое отменное ориентирование. Предположительно они обладают некоторой способностью ощущать направление на основании магнитного поля Земли. Специалисты однозначно понимают, что птицы распознают магнитное поле, но при этом не могут назвать эту способность магнитным органом.

Существующие доказательства указывают, что птицы могут использовать квантовомеханическую связанность – необычную способность частиц обладать одинаковыми свойствами даже после разделения. Таким образом, когда над одной частицей производится какое-то действие, его последствия отражаются на другой.

Ученые считают, что этот процесс стал возможен благодаря белку в глазах птиц под названием криптохром. Зеленый свет, попадая в глаз птицы, сталкивается с криптохромом, который дает энергетический толчок одному из электронов связанной пары, отделяя его от партнера. В новом местоположении электрон подвергается действию немного отличающегося магнитного поля Земли, что изменяет его вращение. Птицы умеют использовать эту информацию, чтобы формировать внутреннюю карту магнитного поля планеты и выяснять свое положение и направление.

«Это вполне возможно, - отмечает Ллойд. – Когда я впервые услышал эту мысль, она показалась мне немного сумасшедшей. У нас нет прямых экспериментальных доказательств, но идея очень жизнеспособна».

Теория получила поддержку в результате недавнего испытания на плодовых мушках, также имеющих криптохром. Когда насекомых лишили распознающего свет белка, они утратили магнитную чувствительность и способность ориентироваться.

Обоняние

Другим примером, когда на помощь приходит квантовая механика, является чувство обоняния. Раньше биологи считали, что ароматы воспринимаются при помощи простого механизма: молекулы запаха попадают в нос, а рецепторные молекулы связываются с ними и распознают их в зависимости от формы.

Но ученые поняли, что некоторые молекулы запаха похожей формы обладают совершенно разным ароматом из-за мельчайшей химической разницы, например, когда единственный атом водорода в молекуле заменяется более тяжелым вариантом водорода под названием дейтерий. Тогда как этот атом влияет на вес молекулы, он не изменяет ее форму, а потому она попадает в рецепторную молекулу точно таким же образом.

Так как же обонятельная система распознает разницу? Ответ лежит в способности квантовых частиц вести себя, как волны.

«Теоретически, даже если форма молекулы одинаковая, она вибрирует немного иначе благодаря небольшому отличию, - объясняет Ллойд. – И эти волновые свойства, являющиеся в чистом виде квантовым эффектом, каким-то образом ощущаются рецептором, распознающим вибрационные отличия».

Недостающие кусочки

Физики берутся за все больше и больше неразгаданных загадок биологии в надежде, что квантовая механика сможет предоставить недостающие кусочки мозаики. Они даже ожидают, что эта наука прольет свет на самый трудноразрешимый вопрос биологии: как появилась жизнь?

«Мы хотим знать, как неживые предметы превратились в живые, - говорит Дэвис. – Жизнь – это, несомненно, характерное состояние материи. Мы хотели бы понять, является эта характерность в своей основе квантовой механикой».

Но в своих стараниях испытать квантовый ключ на замках биологии некоторые ученые боятся перестараться.

«Квантовая механика странная и загадочная, - отмечает Ллойд. – Происхождение жизни тоже странное и загадочное. Одинаковые характеристики не означают, что эти явления – одно и то же. Думаю, не следует говорить, что все странные и загадочные вещи имеют одинаковое происхождение».

Источник: Livescience

• < Как хищные растения становятся вегетарианцами
• Инфекционные заболевания - ключевой момент эволюции? >

Комментарии: