В этом году морозы в Европу пришли рано, вечерний воздух скован пронизывающим холодом. Дремлющие где-то в глубине сознания, пробуждаются целеустремленность и решительность молодой малиновки.

На протяжении нескольких предшествующих недель птица ежедневно съедала гораздо больше насекомых, пауков, червяков и ягод, чем ей обычно требуется. Теперь она весит вдвое больше, чем в августе, когда ее птенцы покинули гнездо. Этот лишний вес в основном составляют жировые запасы, которые понадобятся ей для поддержания сил в предстоящем нелегком путешествии.

Ей впервые предстоит покинуть еловый лес в Центральной Швеции, где она прожила свою пока еще короткую жизнь и где еще несколько месяцев назад вырастила птенцов. К счастью для малиновки, прошлая зима была не такой суровой. Год назад она сама была птенцом и ей не хватило бы сил на столь длинный перелет. Но сейчас, когда родительские обязанности отложены до следующей весны, малиновке нужно думать только о себе и она готова лететь на юг от надвигающейся зимы в поисках более теплого климата.

Прошло несколько часов после захода солнца. Вместо того чтобы устроиться на ночь, птичка в надвигающихся сумерках садится на краешек одной из нижних веток огромного дерева, который служит ей домом с начала весны. Она отряхивается, напоминая при этом атлетку, которая разминает мышцы перед марафоном. Оранжевая грудка птички переливается в свете луны. Совсем рядом, спрятанное за стволом, покрытым мхом, находится ее гнездо. Когда-то она сама свила его невероятными усилиями и с невиданным усердием, но сейчас о них осталось лишь смутное воспоминание.

Не только наша малиновка готовится к перелету. Многие самцы и самки тоже решили, что эта ночь как никакая другая подходит для отправления в долгое путешествие на юг. С соседних деревьев доносится громкое, пронзительное щебетание, заглушающее привычные звуки обитателей леса, ведущих ночной образ жизни. Птицы словно объявляют во всеуслышание о своем отлете, но предупреждают остальных лесных пернатых, чтобы они хорошенько подумали, прежде чем занимать пустые гнезда малиновок во время их отсутствия. Ведь малиновки наверняка планируют вернуться сюда весной.

Малиновка резко поворачивает головку в одну сторону, потом в другую. Путь свободен, и она взмывает в вечернее небо. С приближением зимы ночи становятся длиннее, поэтому птичке придется лететь около десяти часов, прежде чем она позволит себе отдохнуть.

Она разворачивается на 195° и выбирает курс на 15° западнее прямого южного направления. В ближайшее время она будет придерживаться этого курса и в хороший день преодолеет более трехсот километров. Она не имеет ни малейшего понятия ни о том, что ожидает ее в этом долгом путешествии, ни о том, как долго оно продлится. Места, окружающие ее родной ельник, хорошо ей знакомы, но буквально через несколько миль начинается новый для нее пейзаж — озера, долины, города, залитые лунным светом.

Ее путешествие окончится на одном из побережий Средиземного моря. Малиновка вовсе не летит в какие-то определенные края, но, когда она найдет подходящее местечко, она остановится там на зиму и обязательно запомнит окрестности, чтобы из года в год возвращаться сюда. Если у нее хватит сил, она, возможно, долетит до берегов Северной Африки. Но пока это ее первый долгий перелет, и на данный момент ее основная цель — побыстрее улететь подальше от страшных морозов надвигающейся северной зимы.

Кажется, наша путешественница вовсе не замечает других малиновок, которые летят в том же направлении. Многие из этих птиц уже не раз проделывали этот долгий путь. Она прекрасно видит ночью, но сейчас ее не интересуют ни окружающие пейзажи (как интересовали бы нас с вами, если бы мы совершали подобное путешествие), ни узоры звезд на ясном ночном небе. Наша малиновка не прокладывает себе путь по звездам, как это делают многие другие птицы, путешествующие ночью. Миллионы лет эволюции подарили ей замечательный навык, благодаря которому она легко запомнит маршрут длиной три тысячи километров и станет преодолевать его каждый год.

В мире животных миграция — обычное явление. Так, например, каждую зиму в озерах Северной Европы мечут икру миллионы особей лосося. Через некоторое время, разорвав оболочку икринок, мальки отправляются по рекам в моря Северной Атлантики, где они растут и крепнут. Через три года молодые особи лосося возвращаются на нерест в те же реки, где сами появились на свет. Североамериканская бабочка данаида монарх каждую осень мигрирует на большие расстояния, пролетая над всей территорией Соединенных Штатов. По пути данаиды монарх размножаются, и новые поколения бабочек возвращаются на север, к тем же деревьям, где весной окукливались их родители. Зеленые черепахи раз в три года откладывают яйца на песчаных берегах острова Вознесения в Южной Атлантике. Ради того, чтобы их потомство появилось на свет на тех же пляжах, покрытых яичной скорлупой, где однажды родились они сами, черепахи преодолевают расстояние в несколько тысяч километров. Этот ряд можно продолжить: многие виды птиц, киты, северные олени, лангусты, лягушки, саламандры и даже пчелы способны на такие далекие путешествия, от которых захватило бы дух у самых великих первопроходцев из рода человеческого.

На протяжении многих столетий человека волновал вопрос о том, как животным удается ориентироваться на нашей большой планете. Сейчас нам известно, что в распоряжении братьев наших меньших есть множество надежных методов: одни существа днем ориентируются по солнцу, а ночью — по звездам, другие запоминают знаки на местности, третьи путешествуют по планете благодаря запахам. Пожалуй, самым загадочным способом ориентации в пространстве является магниторецепция — способность ориентироваться по направлению и силе действия магнитного поля Земли. Именно этой способностью может похвастаться любая малиновка. В настоящее время наличие магниторецепции обнаружено и у других видов, однако нас интересует именно европейская малиновка (Erithacus rubecula), использующая эти необычные штурманские навыки в своем долгом путешествии.

Механизм, благодаря которому наша птица точно знает, в каком направлении и как долго ей лететь, встроен в ДНК, унаследованную от родителей. Его можно назвать сложной и необычной способностью, своего рода шестым чувством, которым малиновка пользуется для выбора точного курса. Как и многие другие птицы, а также насекомые и обитатели морей, малиновка ощущает малейшие изменения магнитного поля Земли и обрабатывает эту информацию внутренним навигационным механизмом, который подразумевает наличие в организме своеобразного химического компаса.

Магниторецепция во многом остается загадкой. Проблема заключается в том, что магнитное поле Земли очень слабое. Его напряженность на поверхности планеты равна 30–70 микротесла: этой силы хватает на то, чтобы отклонить ровную и практически свободную от трения стрелку компаса, но это лишь сотая часть силы, которая могла бы притянуть обычный магнитик для холодильника. В этом и заключается загадка: если животные способны чувствовать магнитное поле, оно должно каким-то образом оказывать воздействие на одну из многочисленных химических реакций, протекающих в организме. В конце концов, именно так все живые существа, включая нас с вами, воспринимают любой внешний сигнал. Однако количество энергии взаимодействия магнитного поля Земли с молекулами внутри клетки составляет менее одной миллиардной количества энергии, необходимого для того, чтобы разрушить или создать химическую связь. Так каким же чудесным образом малиновка чувствует магнитное поле?

Загадка, даже самая простая, весьма пленительна, ведь всегда существует вероятность того, что ее разгадка может привести к существенному сдвигу в нашем понимании мира. В XVI веке размышления Коперника над одной из второстепенных нестыковок в геометрии Птолемеевой геоцентрической модели мира привели к тому, что человечество лишилось права считать свой мир центром тяжести всей Вселенной. Дарвин, например, одержимо интересовался географическим распределением видов на планете и много думал о том, почему виды вьюрков и пересмешников, изолированные на островах, так сильно отличаются от континентальных. Не в последнюю очередь именно эти размышления привели его к выдвижению теории эволюции. Немецкий физик Макс Планк, проливший свет на тайну теплового излучения и распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, пришел в ходе разгадки этой тайны к мысли о том, что энергия существует в форме дискретных порций, называемых квантами. Идея Планка легла в основу квантовой теории, совершившей переворот в физике в 1900 году. Так может ли ответ на вопрос о том, каким образом птицы ориентируются в пространстве, совершить революцию в биологии? Да, может (как бы смело это ни звучало).

Не следует забывать, что загадки такого рода собирают вокруг себя толпы псевдоученых и мистиков. Как заметил в одной из своих работ 1976 года профессор химии Оксфордского университета Питер Эткинс, «проблема влияния магнитного поля на химические реакции всегда притягивала внимание шарлатанов»[1]. Так, известно множество экзотических толкований механизма, которым пользуются для ориентации в пространстве мигрирующие птицы, — от телепатии и лей-линий (невидимых путей, которые соединяют различные места, представляющие археологический или географический интерес, и предположительно связаны с духовной энергией) до понятия «морфического резонанса», введенного Рупертом Шелдрейком, парапсихологом с сомнительной репутацией. Опасения Эткинса, высказанные им в 1970-е годы, вполне понятны. Они отражают скептицизм, присущий большинству ученых того времени, относительно предположений о том, что животные способны чувствовать магнитное поле земли. В то время просто невозможно было представить (по крайней мере, в рамках традиционной биохимии), что у живого организма может быть некий молекулярный механизм, позволяющий ощущать воздействие магнитного поля.

Однако в том же году, когда Питер Эткинс высказал свой скептицизм, супружеская пара франкфуртских орнитологов Вольфганг и Росвита Вильчко опубликовали в Science, одном из ведущих мировых научных журналов, сенсационную статью, в которой доказывалось, что малиновки действительно чувствуют магнитное поле[2]. Орнитологи обнаружили, что птицы реагируют на магнитное поле благодаря внутреннему механизму и принцип действия данного механизма коренным образом отличается от принципа работы обычного компаса. Компас различает северный и южный магнитные полюса, в то время как малиновка способна различать лишь полюс и экватор.

Чтобы понять, как работает подобный компас, следует обратиться к силовым линиям магнитного поля — невидимым линиям, определяющим направление действия магнитного поля. Именно вдоль этих линий отклоняется стрелка компаса, когда прибор помещен в любое место магнитного поля. Многие из нас наблюдали эти линии в узоре, складывающемся из железных опилок на бумажном листе, под который подкладывали магнитный брусок. А теперь представьте, что наша Земля — это гигантский магнит, из Южного полюса которого выходят силовые линии и, огибая Землю огромными петлями, входят в ее Северный полюс (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Магнитное поле Земли

Если устроить опрос среди ученых и поинтересоваться у них, какая научная теория, по их мнению, является самой успешной, всеохватывающей и важной, ответ будет с большой вероятностью зависеть от того, задаете вы вопрос ученому-физику или биологу. Большинство биологов считают самой глубокой теорией, когда-либо выдвинутой ученым, дарвиновскую теорию эволюции путем естественного отбора. Физики же наверняка отдадут пальму первенства квантовой механике, во многом лежащей в основании физики и химии и открывающей перед нами удивительно полную картину строения Вселенной. Действительно, без объяснительной силы квантовой механики рушатся все наши современные представления о мире.

Каждый из нас хоть что-нибудь да слышал о квантовой механике. Более того, представления о том, что в этих сложнейших научных дебрях ориентируются только ничтожное количество очень умных людей, давно стали частью массовой культуры. На самом деле квантовая механика является неотъемлемой частью жизни каждого человека с самого начала XX века. В основе этой научной дисциплины лежит математическая теория, разработанная в середине 1920-х годов для объяснения процессов в мире ничтожно малых величин (так называемом микромире) — например, поведения атомов, из которых состоит все вокруг, а также свойств частиц гораздо меньших размеров. Так, описывая правила поведения электронов внутри атомов, квантовая механика становится фундаментом химии, материаловедения и даже электроники. Математические правила моделирования, разработанные в рамках квантовой механики (несмотря на ее странность и сухость), лежат в основе большинства научно-технических достижений последних 50 лет. Квантовая механика объясняет, как электроны движутся в различных материалах. Это дало человеку ключ к разгадке поведения полупроводников, на которых зиждется современная электроника. Без понимания поведения полупроводников мы не смогли бы создать кремниевый транзистор, а позднее — микрочип и современный компьютер. Список можно продолжить: без тех знаний, которые открыла нам квантовая механика, мы бы не имели лазера и, соответственно, CD и DVD и стандарта Blu-ray; без квантовой механики у нас не было бы смартфонов, спутниковой навигации и МРТ-сканеров. Более того, по оценкам специалистов, свыше одной третьей ВВП развитых стран мира связано с технологиями, которые были бы невозможны без понимания механики микромира.

И это только начало. Мы смело можем надеяться на квантовое будущее (и с большой вероятностью мы с вами его застанем), когда нам благодаря управляемой термоядерной реакции, индуцированной лазерами, будут доступны неограниченные объемы электроэнергии; когда искусственные молекулярные механизмы будут выполнять множество задач в сфере машиностроения, биохимии и медицины; когда квантовый компьютер станет носителем искусственного интеллекта; и наконец, когда телепортация, придуманная писателями-фантастами, станет привычным способом передачи информации. Квантовая революция, начавшаяся в XX веке, в XXI невероятно ускоряет темпы. Дух захватывает от того, насколько она изменит нашу с вами жизнь.

Так что же такое квантовая механика? Ответ на этот вопрос мы с вами будем искать на протяжении всей книги. Начнем, пожалуй, с некоторых примеров, интересных прежде всего новичкам, — примеров существования скрытой квантовой реальности, лежащей в основе нашей жизни.

Первый пример иллюстрирует одну из странных особенностей квантового мира и, возможно, его главную отличительную черту — корпускулярно-волновой дуализм. Всем нам известен тот факт, что мы сами и все, что нас окружает, состоим из множества крошечных дискретных частиц — атомов, электронов, протонов и нейтронов. Вы, возможно, знаете также, что энергия (например, свет или звук) проявляет скорее свойства волн, нежели частиц. Волны распространяются в направлении движения, а не рассеиваются. Они движутся в пространстве, как, скажем… морские волны (другое слово трудно подобрать) с их вершинами и подошвами. Квантовая механика берет свое начало с того момента, когда в самом начале XX века ученые открыли, что частицы способны проявлять свойства волн, а световые волны могут вести себя как частицы.

Разумеется, корпускулярно-волновой дуализм — не та вещь, о которой обычный человек станет задумываться каждый день. Тем не менее он является необходимой базой для создания многих приборов, в частности электронных микроскопов, благодаря которым врачи и ученые имеют возможность видеть, идентифицировать и исследовать объекты настолько малых размеров, что их нельзя наблюдать с помощью традиционных оптических микроскопов. К таким объектам относятся, например, вирусы, приводящие к развитию СПИДа или обычной простуды. Электронный микроскоп был создан благодаря открытию свойств волны у электронов. Немецкие ученые Макс Кнолль и Эрнст Руска пришли к мысли о том, что, поскольку длина волны (расстояние между ближайшими вершинами или подошвами) электрона намного короче, чем длина видимой световой волны, микроскоп, основанный на электронном изображении, должен обладать гораздо большей разрешающей способностью по сравнению с оптическим микроскопом. Это возможно благодаря тому, что любые крошечные объекты, размеры которых не превышают размеров волны, попадающей на них, никак не влияют на нее. Представьте океанские волны, длина которых достигает нескольких метров, обрушивающиеся на прибрежную гальку. Изучая эти волны, вы мало что узнаете о форме и размере отдельных камушков, омываемых ими. Для этого вам понадобятся волны гораздо меньших размеров, как, например, те, что образуются в волновом лотке, или те, которые демонстрируют школьникам учителя физики, чтобы дети «разглядели» камушек в тот момент, когда волна отскакивает от него или огибает. Итак, в 1931 году Кнолль и Руска создали первый в мире электронный микроскоп и с помощью нового прибора получили первые в мире изображения вирусов. За изобретение электронного микроскопа Эрнст Руска был удостоен Нобелевской премии по физике. Однако произошло это с большим запозданием — лишь в 1986 году (за два года до смерти ученого).

Наш второй пример, возможно, еще более фундаментален и масштабен. Почему светит солнце? Большинство людей, скорее всего, имеют представление о том, что Солнце фактически является термоядерным реактором, в котором сжигается газообразный водород и выделяется тепло и свет, поддерживающие жизнь на Земле. Однако немногие знают, что Солнце не могло бы светить, если бы не одно замечательное квантовое свойство, позволяющее частицам «проходить сквозь стены». Солнце (и все остальные звезды во Вселенной) излучает огромные объемы энергии потому, что ядра атомов водорода, каждое из которых содержит единственную положительно заряженную частицу — протон, способны сливаться. В результате такого слияния выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, которое мы называем солнечным светом. Два ядра водорода должны оказаться на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы слиться воедино. Однако чем ближе они друг к другу, тем мощнее сила отталкивания между ними, ведь каждый из них несет положительный заряд, а одинаковые заряды отталкиваются. Для того чтобы приблизиться друг к другу на расстояние, необходимое для слияния, частицы должны преодолеть внутриатомный аналог кирпичной стены — на первый взгляд, абсолютно непроницаемый энергетический барьер. Классическая физика[3], основанная на ньютоновских законах движения, механики и притяжения, достаточно точно описывающих мир шариков, пружин, паровых двигателей (и даже планет), предсказывала, что подобное преодоление невозможно. Частицы не могут проникать сквозь стены, а следовательно, солнце не должно светить.

Тем не менее частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики (например, атомные ядра), прячут, так скажем, козырь в рукаве: они легко могут преодолевать потенциальный барьер. Этот процесс в физике называют туннельным эффектом или туннелированием. Важно отметить, что именно корпускулярно-волновая двойственность частиц позволяет им совершать туннелирование. Волны могут обтекать объекты, например прибрежные камни, но они также способны проходить сквозь них. Так, звуковые волны проходят сквозь ваши стены, когда вы слышите, как работает телевизор соседа. Разумеется, воздух, в котором распространяется звуковая волна, сам не проходит сквозь стену. Колебания в воздухе — звук — заставляют стену вибрировать и проталкивать воздух, в котором распространяется волна, в вашу комнату. Таким путем звук достигает вашего уха. А если бы вы сами обладали свойствами атомного ядра, то время от времени могли бы проходить — совсем как призрак — сквозь достаточно толстые стены[4]. Как раз это успешно удается совершить внутри Солнца ядру атома водорода: оно может разогнаться и «просочиться» сквозь энергетический барьер, словно привидение, сблизиться с таким же ядром по другую сторону невидимой стены и слиться с ним. Когда вы в следующий раз будете нежиться на солнечном пляже и смотреть, как волны накатывают на берег, вспомните о волнообразном движении квантовых частиц-призраков, которые не только позволяют вам наслаждаться солнечным светом, но и поддерживают жизнь на всей нашей планете.

Третий пример связан с двумя предыдущими. Он иллюстрирует еще одну, более странную, особенность квантового мира — явление, получившее название «принцип суперпозиции». Данный принцип заключается в том, что частицы способны выполнять два (а то и сто, и миллион) действия одновременно. Именно это свойство частиц обусловливает сложность и богатейшее многообразие нашей с вами Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, в результате которого и образовалась наша Вселенная, получившееся космическое пространство было заполнено атомами единственного элемента — простейшего по своей структуре водорода, состоящего из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. Такое пространство являло собой довольно унылое зрелище: ни о звездах, ни о планетах, ни тем более о каких-либо живых организмах не могло быть и речи, ведь все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из более прочных «кирпичиков», более тяжелых элементов, нежели водород, — например, углерода, кислорода и железа. К счастью для нас с вами, эти более тяжелые элементы образовались внутри звезд, первоначально состоящих из водорода. Существование же первоэлемента звезд — изотопа водорода под названием «дейтерий» — возможно только благодаря своего рода квантовому волшебству.

Как же возникает дейтерий внутри Солнца? Первый шаг мы только что описали: два ядра атомов водорода, а точнее, два протона плотно приближаются друг к другу в результате туннелирования. При этом выделяется энергия, которая превращается в солнечный свет, согревающий нашу планету. Следующий шаг — объединение двух протонов. Оно не происходит в одно мгновение вовсе не потому, что при взаимодействии частиц не возникает достаточной для их слияния силы. Все атомные ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Если ядро содержит слишком много частиц того или другого типа, законы квантовой механики обязывают его выравнять баланс. Тогда лишние частицы принимают новую форму: протоны становятся нейтронами или нейтроны — протонами в результате процесса, получившего название «бета-распад». Вот что происходит при столкновении двух протонов: поскольку существование ядра, состоящего только из двух протонов, невозможно, один из них превращается в нейтрон. Оставшийся протон и образовавшийся нейтрон могут слиться в новый объект — дейтрон (ядро изотопа тяжелого водорода[5] — дейтерия). В дальнейшем ядерные реакции могут привести к формированию сложных ядер новых элементов, более тяжелых, чем водород: от гелия (ядро которого содержит два протона и один либо два нейтрона) до углерода, азота, кислорода и других.

Ключевой момент состоит в том, что дейтрон обязан своим существованием собственной способности пребывать одновременно в двух состояниях (в силу квантовой суперпозиции). Эта способность, в свою очередь, обусловлена тем, что протон и нейтрон могут объединяться двумя различными способами в зависимости от векторов спинов. Позже мы поговорим о том, что понятие спина связано с вращательным состоянием частицы, которое имеет квантовую природу и не может трактоваться как вращение объекта, например теннисного мячика, в терминах классической механики. Однако пока обратимся к обыденным, интуитивным представлениям о вращающейся частице. Вообразите, что внутри дейтрона протон и нейтрон исполняют совместный танец, поставленный блестящим хореографом, при этом одна частица движется в ритме медленного задушевного вальса, а другая танцует зажигательный джайв. Еще в 1930-е годы ученые открыли, что в ядре дейтерия две частицы исполняют вместе не какой-то один из этих танцев, а оба одновременно. Их в одно и то же время влечет ритм вальса и джайва, и именно это позволяет им составлять одно целое[6].

Естественной реакцией на такое утверждение является вопрос: «Откуда нам знать?» Безусловно, атомные ядра слишком малы, чтобы их увидеть, так не будет ли разумнее предположить, что в нашем понимании ядерных сил есть большие пробелы? Нет, не будет. В научных лабораториях из года в год снова и снова подтверждается, что, если бы протон и нейтрон исполняли вместе только квантовый вальс или квантовый джайв, ядерные связи между ними не были бы достаточно прочными, чтобы объединить их в пару. Только когда эти два состояния накладываются друг на друга (словно две реальности, существующие одновременно), возникает достаточно мощная связывающая сила. Давайте сравним подобное наложение реальностей друг на друга со смешиванием красок, например синей и желтой, в результате чего получается новый цвет — зеленый. Хотя вам известно, что зеленый получается из двух первичных цветов-компонентов, он не является ни одним, ни вторым. При смешивании синего и желтого в разных пропорциях мы получим различные оттенки зеленого. Подобным образом дейтрон образуется в том случае, когда протон и нейтрон увлечены классическим вальсом, в который вкраплены лишь некоторые элементы джайва.

Итак, если бы частицы не умели танцевать джайв и вальс, наша Вселенная так и осталась бы бульоном из газообразного водорода и ничем более. Не было бы сияющих звезд, не сформировались бы никакие другие химические элементы, и вы сейчас не читали бы эти строки. Мы существуем благодаря способности протонов и нейтронов к такому парадоксальному квантовому поведению.

Последний пример снова возвращает нас в мир технологий. Знание законов квантового мира можно использовать не только для того, чтобы разглядеть крошечные объекты вроде вирусов, но и для того, чтобы заглянуть внутрь самих себя. Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод исследования мягких тканей, позволяющий получать поразительно четкие изображения. МРТ-сканирование регулярно используется для подтверждения диагнозов и для обнаружения опухолей внутренних органов. В нетехнических описаниях МРТ, как правило, не упоминается тот факт, что этот метод основан на таинственных законах, действующих в квантовом мире. В МР-томографе используются мощнейшие магниты, способные изменять магнитный момент (спин) протона в ядре атомов водорода, находящихся в организме человека. Затем на ядра, протоны которых поменяли параметры спинов, воздействуют радиочастотным импульсом, что приводит к тому самому странному квантовому состоянию, когда частицы внутри ядра существуют одновременно в двух противоположных фазах. Бесполезно пытаться представить себе, как это выглядит, поскольку это невообразимо отличается от нашего повседневного опыта! Важно то, что, когда атомные ядра возвращаются в исходное положение (положение, в котором они пребывали до состояния квантовой суперпозиции, обусловленного воздействием магнитного поля), выделяется энергия, которую регистрирует электронная система сбора данных МР-томографа. Именно благодаря этой энергии мы получаем невероятно точные изображения внутренних органов пациента.

Если вы когда-нибудь окажетесь внутри МР-томографа, слушая приятную музыку через наушники, подумайте о парадоксальном квантовом поведении частиц, благодаря которому работает это удивительное диагностическое устройство.

Так какое же отношение имеет вся эта квантовая таинственность к долгому перелету малиновки через всю Европу и ее способности легко ориентироваться в пространстве и запоминать путь? Напомню, что в начале 1970-х годов супруги-ученые Вильчко установили: механизм магниторецепции у малиновки напоминает принцип работы иклинометра. В то время это открытие оставалось удивительной загадкой, ведь никто из ученых не мог предположить, каким образом может работать биологический компас отклонения. Однако приблизительно в те же годы немецкий ученый Клаус Шультен заинтересовался тем, как происходит перемещение электронов в химических реакциях, в которых участвуют свободные радикалы. Свободными радикалами называются молекулы, имеющие неспаренные электроны во внешней электронной оболочке (большинство электронов в молекулах спарены на атомных орбиталях). Об этом важно помнить, рассуждая о таинственном квантовом свойстве спина, ведь спаренные электроны обычно имеют различные (противоположные) спины и их суммарный спин равен нулю. Однако, не имея электрона-близнеца, обнуляющего момент импульса, неспаренные электроны в свободных радикалах имеют спин, наделяющий их свойством парамагнетизма: их спин может изменяться под воздействием магнитного поля.

Шультен предположил, что в парах свободных радикалов, образующихся в процессе быстрой триплетной реакции, неспаренные электроны находятся в состоянии квантовой запутанности. По малопонятным причинам, которые прояснятся позже, два неспареных электрона, находящиеся в таком необычном квантовом состоянии, становятся сверхчувствительными к воздействию любого внешнего магнитного поля. В дальнейшем Шультен высказал предположение о том, что функционирование загадочного птичьего компаса, возможно, также основано на явлении квантовой запутанности.

Мы не говорили о квантовой запутанности до этого момента, поскольку она представляет собой, вероятно, одну из самых странных особенностей квантовой механики. Она позволяет частицам, некогда находившимся во взаимодействии, сохранять постоянную, можно сказать, магическую взаимозависимость, даже если эти частицы разнесены в пространстве на огромные расстояния. Так, частицы, когда-то находившиеся рядом, а впоследствии разнесенные в разные концы Вселенной, могут (по крайней мере теоретически) сохранять связь между собой. Фактически воздействие на частицу будет моментально вызывать реакцию на это воздействие у удаленной частицы, связанной с первой[7]. Пионеры квантовой физики показали, что наличие такого явления, как запутанность, логически вытекало из их уравнений. Тем не менее оно казалось настолько неправдоподобным, что сам Эйнштейн, благодаря которому мы знаем о черных дырах и искривлении пространства-времени, отказался признать это явление, назвав его жутким дальнодействием. Именно это жуткое дальнодействие будоражит умы околонаучных «мистиков», которые идут на нелепые заявления о квантовой запутанности, в частности о том, что она способна объяснить такие паранормальные явления, как телепатия. Эйнштейн относился к этой идее скептически потому, что она противоречила его теории относительности, согласно которой никакое воздействие и никакой сигнал не могут передаваться в пространстве быстрее чем со скоростью света. По Эйнштейну, между частицами, находящимися друг от друга на большом расстоянии, не может быть никакой таинственной мгновенной связи. Эйнштейн ошибался. В наше время наличие такой связи между квантовыми частицами подтверждено эмпирически. На случай, если вы все-таки задумались над этим, скажем: квантовая запутанность никак не связана с телепатией и объясняет ее.

Идея о том, что странное квантовое свойство запутанности проявляется в обычных химических реакциях, считалась нелепой даже в начале 1970-х годов. В то время многие ученые, подобно Эйнштейну, ставили под сомнение факт существования запутанных частиц, поскольку они еще не были обнаружены экспериментальным путем. Но спустя несколько десятилетий многочисленные блестящие эксперименты подтвердили реальность этой «жуткой» связи между частицами. Один из самых известных таких экспериментов был выполнен в 1982 году командой французских физиков под руководством Алена Аспе в Университете Париж-Юг XI.

Команда Аспе получала пары фотонов (частиц света) со связанным состоянием поляризации. Поляризация света знакома тем, кто когда-нибудь носил поляроидные солнечные очки. Каждый фотон характеризуется величиной, сравнимой с направленностью — углом поляризации. Это понятие связано с понятием спина частицы, о котором мы говорили выше[8]. В потоке солнечного света попадаются фотоны со всеми возможными углами поляризации, однако поляроидные очки пропускают только фотоны с определенным углом поляризации. Аспе получал пары фотонов не только с различными поляризационными направлениями (скажем, один из них был направлен вверх, а другой — вниз), но и со связанным состоянием поляризации. Как и в случае описанной выше танцующей пары протона и нейтрона, ни один из связанных (запутанных) партнеров не имел какого-то определенного направления — они оба имели два направления одновременно, но только до тех пор, пока за ними велось экспериментальное наблюдение.

Эксперименты, пожалуй, один из самых загадочных и уж точно один из самых обсуждаемых аспектов квантовой механики. Именно после того, как стали возможны экспериментальные измерения микромира, у многих из нас возник вопрос: почему же все объекты, которые мы видим, не совершают тех таинственных, чудесных действий, на какие способны квантовые частицы? Ответ состоит в том, что там, в микроскопическом квантовом мире, частицы способны совершать такие странные действия — находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно, проходить сквозь стены и сохранять связь на таких расстояниях, которые и представить-то жутко, — только в том случае, когда за ними никто не наблюдает. Как только появляется наблюдатель, как только их начинают измерять каким-либо образом, они теряют свою странность и начинают вести себя как все видимые объекты, которые нас окружают. Тогда возникает очередной, вполне закономерный вопрос: что же такого особенного в наших экспериментах и наблюдениях? Что заставляет частицы менять квантовое поведение на классическое?[9] Ответ на этот вопрос является самым важным моментом данной книги, поскольку как раз экспериментальные измерения лежат на границе квантового и видимого миров, на той линии, за которой начинается микромир, за которой, по нашему мнению (и вы, должно быть, уже поняли это из названия книги), тоже есть жизнь.

Мы будем говорить о квантовых измерениях на протяжении всей книги и надеемся, что вам постепенно станут понятны все тонкости этого таинственного процесса. Сейчас мы остановимся на самом простом объяснении этого явления. Скажем только, что, когда квантовое свойство частицы, например состояние поляризации, измеряется научными приборами, частица в тот же миг будто бы вынужденно забывает о своих квантовых способностях (например, о способности двигаться одновременно во многих направлениях) и вынужденно же приобретает свойства объекта, описываемого классической механикой (например, способность двигаться лишь в одном направлении). Так, когда Аспе измерял состояние поляризации одной из запутанных частиц, наблюдая за тем, сможет ли она пройти сквозь поляризованную линзу, она немедленно теряла мистическую связь с другой частицей и сохраняла единственное направление поляризации. Точно таким же образом ведет себя вторая частица, на каком бы расстоянии она ни находилась, — во всяком случае, такой результат предсказывали уравнения квантовой механики, что, разумеется, заставляло Эйнштейна изрядно волноваться.

Аспе и его команда проводили свой знаменитый эксперимент с парами фотонов, разнесенных друг от друга на несколько метров в пределах лаборатории ученого. Это расстояние было достаточно велико для того, чтобы некое взаимодействие, пусть даже распространяющееся со скоростью света (а согласно теории относительности ничто не может распространяться быстрее скорости света), произошло между ними и повлияло на угол поляризации. И все же в измерениях запутанных фотонов наблюдалась корреляция: если поляризация одной частицы была направлена вверх, то поляризация другой оказывалась направленной вниз. С 1982 года данный эксперимент повторялся много раз, в том числе на частицах, разнесенных в пространстве на сотни километров, но и в этом случае между ними сохранялась мистическая связь, существование которой никак не мог признать Эйнштейн.

До эксперимента Аспе оставалось несколько лет, когда Шультен предположил, что явление квантовой запутанности лежит в основе работы внутреннего птичьего компаса, но существование данного явления оставалось под сомнением. Кроме того, Шультен не имел понятия, каким образом таинственная химическая реакция позволяла малиновке видеть магнитное поле Земли. Мы говорим «видеть», имея в виду еще одну особенность, открытую супругами Вильчко. Несмотря на то что европейская малиновка совершает длительные перелеты в ночное время, для активации магнитного компаса ей требуется небольшое количество света (из синей линии видимого спектра). Это говорит о том, что глаза птицы играют важную роль в работе ее внутреннего механизма магниторецепции. Но что же в ее глазах, кроме зрения, могло быть связано с восприятием изменений магнитного поля? Даже если в них и был встроен механизм, использующий запутанные радикальные пары, принцип его работы оставался загадкой.

Гипотеза о том, что птичий магнитный компас работает на основе квантового механизма, пылилась на научном чердаке идей более 20 лет. Шультен вернулся в США, где возглавил весьма успешную исследовательскую группу специалистов-теоретиков в области химической физики (Иллинойский университет в Урбана-Шампейне). Тем не менее он не забывал о своей, можно сказать, бредовой идее и постоянно переписывал статьи на эту тему, предлагая очередные биомолекулы (молекулы, синтезирующиеся живыми организмами) на роль поставщиков радикальных пар для быстрой триплетной реакции. Ни одна молекула так и не подошла на эту роль: одни не образовывали радикальных пар, другие просто отсутствовали в глазах птиц. Однако в 1998 году в одном из научных журналов Шультен прочитал о том, что в глазах животных был обнаружен криптохром — загадочный рецептор света. Эта информация немедленно заставила ученого вернуться к своему давнему научному интересу, поскольку известно, что криптохром — это белок, который теоретически может продуцировать радикальные пары.

Недавно в команду Шультена пришел работать талантливый аспирант Торстен Ритц. Еще будучи студентом Франкфуртского университета, Ритц посещал лекции Шультена. На одной из них он услышал о птичьем магнитном компасе и очень заинтересовался этой гипотезой. После окончания университета он не упустил возможность писать диссертацию на получение докторской степени именно в лаборатории Шультена. Сначала его работа была связана с фотосинтезом. Когда началась вся эта история с криптохромом, Ритц переключился на исследования магниторецепции. В 2000 году он в соавторстве с Шультеном написал статью под названием «Модель магниторецепции птиц, основанной на фоторецепторе», в которой описывалось, каким образом криптохром может снабдить глаз птицы квантовым компасом (более подробно мы рассмотрим этот вопрос в главе 6). Четыре года спустя Ритц совместно с супругами Вильчко провел исследование с участием европейских малиновок, в ходе которого были получены первые доказательства использования птицами механизма квантовой запутанности в целях успешной навигации. Казалось, Шультен был прав с самого начала. Их статья 2004 года, опубликованная в авторитетнейшем журнале Nature (издается в Великобритании), вызвала огромный интерес ученых всего мира, а птичий квантовый компас стал символом новой научной дисциплины — квантовой биологии (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Участники симпозиума по квантовой биологии (Суррей, 2012), слева направо: авторы данной книги Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден; Влатко Ведрал, Грег Энгель, Найджел Скраттон, Торстен Ритц, Пол Дэвис, Дженнифер Брукс и Грег Скоулз

Итак, вы уже знаете, что квантовое туннелирование и квантовая суперпозиция — явления, которые происходят как внутри Солнца, так и в технических устройствах, например в электронном микроскопе или МР-томографе. Так что же удивительного в том, что квантовые явления могут происходить и в биологии? Биология, если уж на то пошло, представляет своего рода прикладную химию, а химию можно считать разновидностью прикладной физики. А если докапываться до глубин и основ, не является ли все вокруг, включая нас с вами и всех живых существ, сплошной физикой? На этот аргумент ссылаются многие ученые, считающие, что квантовую механику необходимо внедрять в биологию на очень глубоком уровне. При этом они настаивают, что ее роль в биологии ничтожно мала. Под этим они подразумевают следующее: поскольку законы квантовой механики управляют поведением атомов, а биология в конечном счете и есть не что иное, как взаимодействие атомов, то они же — законы квантового мира — должны действовать и на нижележащих уровнях организации жизни, изучаемых биологией. Однако эти законы действуют лишь в тех пределах, в которых они не оказывают значительного влияния на процессы жизнедеятельности, характерные для более высоких уровней организации жизни.

Разумеется, эти ученые правы лишь отчасти. Биомолекулы (например, молекулы ДНК или ферментов) состоят из таких элементарных частиц, как протоны и электроны, взаимодействие которых регулируется законами квантовой механики. Но, с другой стороны, из тех же частиц состоит и книга, которую вы читаете, и стул, на котором вы сидите. Наконец, и то, как вы ходите, говорите, едите или спите, зависит от тех же квантовых сил, которые управляют поведением электронов, протонов и других частиц, не говоря уже о том, что от квантовой механики напрямую зависит функционирование вашей машины или тостера. По большому счету, вам не обязательно знать обо всем этом. Автомеханики не должны посещать лекции и сдавать экзамен по квантовой механике, а в большинстве университетских курсов по биологии не упоминаются ни туннельный эффект, ни квантовая запутанность, ни суперпозиция. Люди прекрасно живут, ничего не зная о том, что в квантовом мире действуют законы, кардинально отличающиеся от привычных законов окружающего нас мира. Те квантовые странности, которыми наполнен микромир, никак не отражаются на функционировании машин или тостеров — видимых предметов, которыми мы пользуемся каждый день.

Почему не отражаются? Да, футбольные мячи не летают сквозь стены, между людьми не существует мистических связей на расстоянии (если не считать выдумки о телепатии) и, к большому сожалению, вы не можете одновременно находиться и в офисе, и дома. Но ведь элементарные частицы, находящиеся внутри футбольного мяча или человека, могут творить все эти чудеса. Почему же существует рубеж, непереходимая граница между видимым миром и тем миром, который, согласно утверждениям физиков, кроется за пределами видимого? Это одна из самых глубоких проблем в современной физике, и связана она с явлением квантовых измерений, о которых мы говорили выше. Когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором (например, с поляризованной линзой, как в эксперименте Аспе), она теряет чудесные квантовые свойства и начинает вести себя как объект классической механики. Но измерения, проводимые физиками, не могут обусловливать проявления видимого, окружающего нас мира больших объектов. Что же тогда заставляет объекты отказываться от квантового поведения за пределами физической лаборатории?

Ответ на этот вопрос связан с тем, как организованы частицы в атомах и как они движутся внутри больших (макроскопических) объектов. Внутри твердых тел атомы и молекулы обычно распределены беспорядочно и совершают неравномерные колебания около собственных состояний равновесия; внутри жидкости или газа атомы и молекулы постоянно находятся в состоянии беспорядочного движения. Эти факторы — беспорядочное распределение, колебание и движение — обусловливают быструю утрату частицами их волновых квантовых свойств. Иными словами, совокупность внутренних факторов и без физиков совершает «квантовое измерение» каждой из частиц, из которых состоит какое-либо вещество, заставляя их менять свое поведение и придавая миру, который нас окружает, привычные формы и краски. Чтобы увидеть квантовые чудеса частиц, вам нужно оказаться в очень необычном месте (например, внутри Солнца), заглянуть в самые глубины микромира (с помощью таких приборов, как электронный микроскоп) или аккуратно выставить в одну линию квантовые частицы так, чтобы они прошлись у вас перед глазами стройным маршем (как это делают спины ядер водорода внутри вашего тела, когда вы лежите внутри МР-томографа, пока не выключат магниты и ориентация спина ядра снова не станет случайной, вновь нейтрализуя квантовые связи). Благодаря подобной молекулярной рандомизации мы и можем обходиться без квантовой механики большую часть времени: квантовые чудеса не работают внутри окружающих нас видимых объектов, которые состоят из случайно ориентированных молекул, находящихся в постоянном движении.

Большую часть времени… но не всегда. Шультен обнаружил, что скорость быстрой триплетной химической реакции находит объяснение только в том случае, если обратиться к удивительному квантовому свойству запутанности. Но ведь быстрая триплетная реакция всегда является такой — быстрой. А участвует в ней всего только пара молекул. Если бы эта реакция была причиной поразительных навигационных способностей малиновки, она бы оказывала продолжительное воздействие на весь организм птицы. Поэтому утверждение, что внутренний птичий магнитный компас работает на основе квантовой запутанности, находилось на совершенно ином уровне по сравнению с утверждением о том, что запутанность каким-то образом связана с некой замысловатой химической реакцией, в которой участвует только пара частиц. Но и это утверждение было встречено немалым скептицизмом. Считалось, что живые клетки состоят в основном из воды и биомолекул, которые находятся в состоянии возбуждения, что приводит к постоянному измерению их состояния и утрате странных квантовых свойств. Под словом «измерение» мы, разумеется, не подразумеваем того, что молекулы воды или биомолекулы выполняют измерения подобно тому, как мы измеряем вес или температуру объекта, а затем записываем эти показатели на бумагу или на жесткий диск компьютера либо просто запоминаем их. Мы говорим о том, что происходит, когда молекула воды сталкивается с одной из запутанных частиц: ее последующее движение будет зависеть от состояния этой частицы. Если бы вы исследовали движение молекулы воды после столкновения с частицей, вы бы смогли сделать вывод о некоторых свойствах этой частицы. Поэтому в каком-то смысле молекула воды выполнила экспериментальное «измерение», поскольку ее движение фиксирует состояние запутанной пары частиц независимо от того, существует ли наблюдатель их столкновения. Даже подобное случайное измерение обычно приводит к нарушению состояния запутанности. Вот почему утверждение о том, что частицы способны сохранять настолько тонко организованные квантовые состояния запутанности в теплом пространстве сложно устроенных живых клеток, принималось многими за нелепую идею, граничащую с безумием.

Тем не менее в последние годы наши познания в этой области значительно расширились, и не только в связи с изучением птиц. Было обнаружено, что такие квантовые явления, как суперпозиция и туннельный эффект, являются частью многих биологических процессов — от поглощения солнечного света растениями до синтеза биомолекул во всех клетках нашего организма. Даже чувство обоняния или набор генов, который мы наследуем от родителей, могут зависеть от таинственного квантового мира. Статьи с результатами исследований в области квантовой биологии регулярно появляются на страницах самых престижных научных журналов мира. Более того, уже существует небольшая (но постоянно растущая) группа ученых, уверенных в значительной, даже решающей роли законов квантовой механики в самом явлении жизни, а также в том, что жизнь и есть то самое состояние, которому таинственные квантовые свойства присущи на границе микро- и макромиров.

Нам стало ясно, что таких ученых пока очень мало, когда мы решили провести международный симпозиум по квантовой биологии в Университете Суррея в сентябре 2012 года: на симпозиум приехали почти все специалисты в этой области, и все они разместились в небольшом лекционном зале. Однако в сферу квантовой биологии приходит все больше ученых, вдохновленных открытиями, которые подтверждают значительную роль квантовой механики в биологических процессах. Одной из самых увлекательных исследовательских областей, способной серьезно повлиять на развитие новых квантовых технологий, является та, что с недавних пор приоткрывает ученым тайну способности мистических квантовых свойств сохраняться в теплой, влажной и беспорядочной среде живых организмов.

Чтобы в полной мере представить себе значимость этих открытий, мы должны сперва ответить на вопрос, который обманчиво может показаться вам простым: что есть жизнь?

Одна из самых успешных в истории человечества научных программ была запущена 20 августа 1977 года: в небо над Флоридой поднялся космический аппарат «Вояджер-2», за которым спустя две недели отправился аппарат-близнец «Вояджер-1». Через два года «Вояджер-1» достиг первого пункта назначения — Юпитера, сфотографировал вихревые облака и знаменитое Большое красное пятно газового гиганта, а затем пролетел над ледяной поверхностью одного из спутников Юпитера, Ганимеда, и зафиксировал извержение вулкана на другом спутнике, Ио. Тем временем «Вояджер-2» летел совсем по другой траектории. В августе 1981 аппарат приблизился к Сатурну и стал отправлять на Землю удивительно красивые снимки его колец — прекрасного ожерелья планеты, изящно сплетенного из миллионов камней и небольших спутников. Прошло еще около десяти лет, прежде чем в 1990 году, 14 февраля, «Вояджер-1» сделал один из самых поразительных космических снимков — фото крошечного голубого пятнышка на зернисто-сером фоне.

За последние 50 лет благодаря космическим аппаратам, запущенным в том числе в рамках программы «Вояджер», человечеству удалось высадиться на Луну, удаленно исследовать долины Марса и выжженные пустыни Венеры и даже увидеть, как комета врезается в атмосферу Юпитера. Но в основном космические аппараты обнаруживали и исследовали горные породы… очень много разных пород. Кстати, можно сказать, что исследование космических объектов в основном представляет собой исследование пород, начиная с тонны лунного грунта, доставленного на Землю экипажем «Аполлона-11», или микроскопических фрагментов кометы, за которыми летал космический аппарат НАСА «Стардаст», до результатов встречи зонда «Розетта» с кометой в 2014 году или исследования Красной планеты марсоходом «Кьюриосити». Много, очень много космических пород.

Разумеется, образцы космических пород — объекты, представляющие для нас огромный интерес: их структура и состав дают ключи к разгадке тайны происхождения Солнечной системы, формирования планет и даже событий, предшествовавших образованию Солнца. Но для большинства людей, не разбирающихся в геологии, марсианский хондрит (разновидность каменистых метеоритов с низким содержанием металлов) ничем не отличается от лунного троктолита (метеорит, в больших пропорциях содержащий железо и магний). Тем не менее в нашей Солнечной системе есть одно укромное местечко, где основные составляющие всевозможных пород и камней представлены в таком многообразии форм, свойств и химического состава, что даже один грамм горной породы по содержанию будет богаче любого другого образца из разных уголков Вселенной. Это место, разумеется, то самое бледное голубое пятнышко, которое сфотографировал «Вояджер-1». Мы называем это пятнышко Землей. Самое поразительное то, что все это многообразие веществ, обусловивших уникальность поверхности нашей планеты, способствовало зарождению жизни.

Жизнь удивительна. Мы уже знаем, что у европейской малиновки есть потрясающий механизм магниторецепции, но этот навык лишь одна из многообразных способностей птицы. Она может видеть, различать запахи, слышать, ловить мух. Она может летать над землей и между ветвями деревьев. Наконец, она может пролететь сотни километров в высоком небе. Но, пожалуй, самое чудесное из того, на что способна эта маленькая птичка (разумеется, не без помощи самца), — произвести на свет потомство похожих на нее птичек, сотворенных из тех же материалов, что и все горные породы на свете. А ведь наша малиновка — одно из триллионов живых существ, которые способны совершать все упомянутые выше и многие другие, не менее изумительные подвиги.

Еще одно удивительное существо — это, безусловно, вы сами. Поднимите глаза в ночное небо, и в них устремятся волны света — фотоны, которые ваша сетчатка немедленно преобразует в слабые электрические сигналы. По зрительным нервам эти сигналы будут переданы в нервную ткань вашего головного мозга. Там они вызывают мерцающие вспышки нейронов, которые воспринимаются вами как звезды, сияющие высоко в небесах. В то же время волосковые сенсорные клетки вашего внутреннего уха фиксируют слабые колебания давления (в миллиард раз меньше, чем величина атмосферного давления), которые, преобразуясь в звуковые сигналы, говорят вам о том, что в ветвях деревьев гуляет ветер. Молекулы, попадающие вам в нос, распознаются специальными обонятельными рецепторами, которые немедленно передают всю химическую информацию мозгу, благодаря чему вы понимаете, что сейчас лето и цветет жимолость. Кроме того, в тот момент, когда вы смотрите на звезды, слушаете ветер или принюхиваетесь к какому-нибудь запаху, ваше тело совершает множество движений, каждое из которых порождается комплексом согласованных действий сотен мышц.

И все же, какими бы необычными ни были физические подвиги, совершаемые нашим организмом, они меркнут в сравнении с ловкостью и мастерством, которые проявляют братья наши меньшие. Муравей-листорез способен переносить на себе груз, превышающий его собственный вес в 30 раз (как если бы вы взвалили на спину автомобиль и легко понесли его без посторонней помощи). Скорость смыкания челюстей тропических муравьев рода Odontomachus растет с 0 до 230 км/ч за 0,13 миллисекунды, а вот болиду «Формулы-1» требуется в 40 тысяч раз больше времени (около пяти секунд), чтобы набрать такую же скорость. Амазонский электрический угорь генерирует разряд 600 В, который может быть смертельным. Птицы умеют летать, рыбы — плавать, черви — рыть ходы, а обезьяны — прыгать по деревьям. И, как мы уже знаем, многие животные, в том числе европейская малиновка, могут прокладывать себе маршрут в тысячи километров, ориентируясь на магнитное поле Земли. Если говорить о способности к биосинтезу, то в этом отношении ничто не сравнится с зеленым разнообразием жизни земных растений: она волшебным образом смешивает молекулы воздуха и воды, добавляет некоторые минералы, и на свет появляются травы, дубы, водоросли, одуванчики, гигантские секвойи и лишайники.

У всех живых организмов есть свои удивительные особенности, например, у малиновки — механизм магниторецепции, у тропических муравьев — скорость защелкивания челюстей. Тем не менее именно у человека есть уникальный орган, функции которого не имеют аналогов в природе. Этот мясистый орган серого цвета скрыт внутри человеческой черепной коробки и обладает поразительными вычислительными способностями, превосходящими возможности любого компьютера на нашей планете. Результатами деятельности этого органа являются египетские пирамиды, общая теория относительности, балет «Лебединое озеро», «Ригведа», трагедия «Гамлет», поэзия эпохи Мин и Дональд Дак. Но самым удивительным является то, что человеческий мозг наделен способностью знать, что он существует.

И все же многообразие живой материи с его невообразимым богатством форм и неисчислимым количеством функций построено в основном из тех же самых атомов, которые образуют глыбы марсианских хондритов.

Одним из главным вопросов науки и ключевым вопросом, поставленным в данной книге, является следующий: каким образом инертные атомы и молекулы, из которых состоят горные породы, ежедневно преобразуются в бег, прыжки, полет, ориентирование, плавание, рост, любовь, ненависть, страсть, страх, мысли, смех, слезы — одним словом, в жизнь. Очевидность сказанного оставляет это необычайное преобразование за пределами нашего внимания, однако не стоит забывать, что даже в эпоху генной инженерии и синтетической биологии ничто живое не было сотворено человеком из неживого материала. Какими бы технологиями мы ни обладали, на сегодняшний день мы не в силах совершить преобразование, на которое без лишних усилий способен простейший микроб. Это говорит о том, насколько все же неполно наше знание о том, что требуется для того, чтобы сотворить жизнь. Действительно ли от нашего взора ускользнула некая Божья искра, одушевляющая все живое и отсутствующая в неживом?

Мы вовсе не собираемся утверждать, что любая порция жизненной силы, духовного начала или магии одушевляет неживое. Наша история гораздо интереснее. Мы будем говорить о современных исследованиях, открывших нам, что по крайней мере один из недостающих кусочков пазла, из которого складывается загадка жизни, можно обнаружить в мире квантовой механики, где объекты могут находиться в двух местах одновременно, устанавливать между собой таинственные связи и проходить сквозь заведомо непроницаемые барьеры. Создается впечатление, что жизнь стоит одной ногой в видимом мире окружающих нас вещей, а другой — в странных, замысловатых дебрях квантового мира. Мы же попробуем показать, что жизнь находится на границе этих миров.

Так неужели существование животных, растений и микроорганизмов действительно регулируется теми же законами природы, которые, как мы всегда считали, управляют исключительно поведением элементарных частиц? Безусловно, живые организмы, состоящие из миллиардов частиц, являются макроскопическими объектами, которые (как футбольные мячи, автомобили или паровозы) описываются законами классической физики, например ньютоновскими законами классической механики или законами термодинамики. Прежде чем обратиться к скрытому квантовому миру для объяснения удивительных свойств живой материи, предлагаем вам совершить краткий экскурс в историю попыток ученых понять, что же такое особенное кроется в самом явлении жизни.

Основная загадка жизни заключается в следующем: почему материя, из которой состоит живое существо, ведет себя настолько отлично от той материи, из которой состоят, к примеру, горные породы? Дать ответ на этот вопрос едва ли не первыми в истории науки пытались древние греки. Философ Аристотель — возможно, первый величайший ученый в истории человечества — точно определил некоторые свойства неживой материи, правдоподобные и предсказуемые: например, твердые тела падают, а огонь и пар — поднимаются, небесные тела движутся вокруг Земли по круглым орбитам. Но с живой материей все было иначе: несмотря на то что многие животные падают, они также и бегают; растения устремляются вверх, а птицы даже летают над землей. Что же отличает их всех от всего остального мира? Ответ на этот вопрос дал древнегреческий мыслитель Сократ, его слова дошли до нас благодаря записям его ученика Платона: «Что же такое есть в теле, что делает его живым? — Душа». Аристотель соглашался с Сократом в том, что живые существа имеют души, но при этом выделял три ступени жизни. На низшем уровне, согласно Аристотелю, находятся наделенные душой растения; именно благодаря душе они способны расти и получать питательные вещества. Ступенью выше находятся животные, души которых позволяют им иметь чувства и совершать движения. И только человек находится на высшей ступени жизни, поскольку душа наделяет его разумом и интеллектом. У древних китайцев были похожие представления о душе: они верили, что живые существа одушевлялись бесплотной жизненной силой ци, наполняющей их. Позднее понятие души стало неотъемлемой частью всех мировых религий, однако природа души и ее связь с телом до сих пор остаются загадкой.

Еще одна загадка — конечность жизни. Душа считается бессмертной субстанцией, так почему же жизнь так эфемерна и коротка? Большинство культур дает на этот вопрос один и тот же ответ: конец жизни наступает тогда, когда душа отделяется от тела. В 1907 году американский врач Дункан Макдугалл заявил о возможности определить вес души: для этого нужно было лишь взвесить человека незадолго до смерти и сразу после нее. В ходе экспериментов он убедился, что душа весит примерно 21 грамм. Но почему душа обязательно должна отделяться от тела после, к примеру, отведенных ему 70 лет, так и осталось неясным.

Душа не является объектом современной науки, однако именно это понятие обусловило отделение научных исследований неживого от изучения живых организмов. Это позволило ученым сосредоточиться на выявлении причин движения неживых объектов, не вдаваясь в философские и теологические вопросы, которые запутанным шлейфом тянутся за любым изучением живых существ. Научные исследования такого явления, как движение, имеют продолжительную, сложную и очень интересную историю, однако в этой главе мы предлагаем вам лишь краткий обзор ее некоторых аспектов. Мы уже упоминали Аристотеля, который считал, что тела обладают стремлением к движению по направлению к Земле, вверх от нее или вокруг Земли. Подобное движение Аристотель считал естественным движением. Он также заметил, что твердые тела можно толкать, тянуть и бросать. Виды движения, инициированного некой силой, которой обладает другой объект, например человек, бросающий твердое тело, Аристотель называл насильственными движениями. Но что же тогда инициировало такое движение, как полет птицы? В этой ситуации не наблюдалось никакого внешнего инициатора движения. Аристотель утверждал, что, в отличие от неживых объектов, живые существа обладали способностью инициировать собственное движение и что инициатором такого движения была душа живого существа.

Представления Аристотеля об источниках движения доминировали в кругах мыслителей вплоть до Средних веков, пока не произошло одно знаковое событие. Ученые (в то время называвшие себя философами-натуралистами) стали формулировать теории движения неживых объектов на языке логики и математики. Вопрос о том, благодаря кому произошел этот необычайно продуктивный сдвиг человеческой мысли, остается открытым. Бесспорно, большую роль в этом сыграли труды средневековых арабских и персидских ученых, особенно Ибн аль-Хайсама и Авиценны, а их идеи в дальнейшем получили развитие в новых центрах научной мысли, возникших в те времена в Европе, — университетах (например, в Париже и Оксфорде). Но, пожалуй, первые серьезные плоды научного мировоззрения были получены благодаря данному способу описания мира в Падуанском университете (Италия), где Галилео Галилей записал простые законы движения в виде математических формул. В 1642 году, унесшем жизнь Галилея, в Англии, в графстве Линкольншир, родился Исаак Ньютон, ученый, который достиг невероятных успехов в математическом описании движения неживых объектов и его изменений под воздействием сил. Данная система математических формулировок законов движения по сей день известна как ньютоновская механика.

Долгое время ньютоновские силы оставались загадочными понятиями, но на протяжении следующих столетий они постепенно стали отождествляться с понятием энергии. О движущихся объектах говорили, что они обладают энергией, которая при столкновении может быть передана объекту, находящемуся в состоянии покоя, и инициировать его движение. Но силы могут сообщаться объектам и на расстоянии. Примерами таких сил являются сила земного тяготения, которая заставила упасть ньютоновское яблоко на землю, или сила магнитного поля, под действием которой отклоняется стрелка компаса.

Невероятный научный прогресс, начало которому положили идеи Галилея и Ньютона, проложил себе путь и в XVIII столетие, а к началу XIX века основные положения области знания, которую мы называем классической физикой, были четко сформулированы и глубоко укоренены в науке. К тому времени уже было известно, что другие формы энергии, такие как теплота и свет, также были способны взаимодействовать с составляющими материи — атомами и молекулами, заставляя их нагреваться, излучать свет или менять цвет. Считалось, что объекты состоят из частиц, движение которых подчиняется силам земного притяжения и электромагнетизма[10]. Итак, можно было говорить о двух формах существования материального мира (по крайней мере мира неживых объектов): о видимой материи, состоящей из частиц, и о невидимых силах, оказывающих на видимую материю воздействие каким-то малопонятным в то время образом. Об этих силах говорили либо как о волнах энергии, распространяющихся в пространстве, либо как о силовых полях. А как же тогда материя, из которой состоят живые организмы? Как она устроена и что заставляет ее двигаться?

Древние представления о том, что все живые существа одушевлены некой сверхъестественной субстанцией или сущностью, послужили своего рода объяснением удивительных различий между живой и неживой материей. Жизнь — нечто принципиально иное, поскольку ею движет духовное начало, а не какие-то банальные механические силы. Но этого объяснения было недостаточно, как если бы мы взялись утверждать, что Солнце, Луна и звезды движутся потому, что их толкают ангелы. На самом деле это и не было объяснением, поскольку природа души (как, собственно, и ангелов) оставалась неразрешимой загадкой.

В XVII веке французский философ Рене Декарт предложил радикально новый, альтернативный взгляд на живую материю. Он был впечатлен механическими часами, игрушками, заводными куклами, которыми в то время развлекались дети европейских знатных семейств. Механизмы, встроенные в эти устройства и игрушки, так вдохновили Декарта, что он высказал революционную для своего времени мысль: организмы растений и животных, в том числе и человека, представляют собой не что иное, как сложно устроенные машины. Эти машины состоят из обычных материалов и управляются такими механическими механизмами, как насосы, зубцы, клапаны и клинья, которые, в свою очередь, подвержены воздействию сил, обусловливающих движение неживой материи. Декарт исключил понятие человеческого разума из своей механистической модели тела, оставляя его концепциям бессмертной души. Однако философия Декарта может по праву считаться первой успешной попыткой предложить научное обоснование жизни, опираясь на физические законы, которые управляют неживыми объектами.

Механистический биологический подход продолжил разрабатывать предшественник сэра Исаака Ньютона. Английский медик Уильям Гарвей открыл, что сердце — не что иное, как механический насос. Столетие спустя французский химик Антуан Лавуазье во время одного из опытов обнаружил, что в процессе дыхания морские свинки потребляют кислород и выдыхают углекислый газ — подобный «обмен» происходит при сгорании. Это открытие послужило движущей силой в разработке новой удивительной технологии — паровых двигателей. Лавуазье пришел к заключению о том, что «дыхание — это, по сути, медленное сгорание, похожее на сгорание древесного угля». Как, возможно, предвидел еще Декарт, животные не так уж сильно отличались от паровозов, работающих на угольном топливе, которые стали символом промышленной революции, прокатившейся по всей Европе.

Но могут ли силы, приводящие в движение поезда, быть движущими силами жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны разобраться в том, как поезда забираются на крутые холмы.

Раздел физики, изучающий взаимодействие теплоты и материи, называется термодинамикой. Важнейшим поворотным пунктом развития термодинамики стала смелая идея австрийского физика Людвига Больцмана о сходстве поведения частиц материи с хаотичным столкновением большого количества бильярдных шаров, которые в своем движении подчиняются законам ньютоновской механики.

Представьте себе бильярдный стол[11], разделенный на две части подвижной планкой. Все шары, включая биток, находятся слева от планки. Игровые шары образуют аккуратный треугольник — пирамиду. Теперь представьте себе раскат шаров: биток сильным ударом разбивает пирамиду и шары стремительно разлетаются во всех направлениях, сталкиваясь друг с другом и отскакивая от твердых бортов стола и от подвижной планки. Подумайте, что происходит с планкой: на нее воздействуют силы многих столкновений с левой стороны, где находятся все шары, а с правой — пустой — стороны стола воздействие силы ударов отсутствует. Несмотря на то что шары движутся абсолютно хаотично, планка под воздействием силы этих хаотичных столкновений будет сдвигаться вправо, расширяя игровую зону стола слева и сокращая пустую правую сторону. А теперь представьте, что, соорудив на бильярдном столе устройство из рычажков и воротов, мы могли бы управлять движением планки в правую сторону и перенаправить его так, что движущая сила толкала бы, скажем, игрушечный поезд вверх по игрушечному холму.

Больцман догадался, что подобным образом тепловые двигатели толкают настоящие паровые локомотивы — напомним, ученый жил в эпоху пара — вверх по настоящим склонам холмов. Молекулы воды внутри цилиндра паровой машины напоминают бильярдные шары, разлетевшиеся по столу после удара битком: их хаотичное движение ускоряется теплотой печи, молекулы сталкиваются друг с другом и с поршнем еще сильнее, заставляя поршень приводить в движение многочисленные валы, шестерни, цепи и колеса паровоза, направляя его вперед. Со времени открытия Больцмана прошло более 100 лет, но и сегодня ваш собственный автомобиль, работающий на бензине, приводится в действие точно таким же механизмом. Разница лишь в том, что пар заменили продукты сгорания топлива.

Примечательным аспектом термодинамики является тот факт, что вся эта наука сводится лишь к одной идее, изложенной выше. Упорядоченное движение, порождаемое любым тепловым двигателем, когда-либо построенным, возможно благодаря управлению хаотичным движением миллиардов атомов и молекул. В то же время законы термодинамики носят общий характер. Они применимы не только к созданию тепловых двигателей, но и к широкому кругу химических процессов и действуют каждый раз, когда горит уголь, ржавеет железный гвоздь, готовится пища, производится сталь, соль растворяется в воде, закипает чайник или ракета отправляется на Луну. Все эти химические процессы сопровождаются теплообменом и на молекулярном уровне подчиняются законам термодинамики, основанным на принципах хаотичного движения. К слову, почти все небиологические (то есть физические и химические) процессы, обусловливающие значимые перемены в нашем мире, управляются законами термодинамики. Морские течения, сильнейшие штормы, выветривание скал, лесные пожары, окисление металлов — все эти процессы протекают под воздействием неудержимых сил хаоса, которые изучает термодинамика. Каким бы структурированным и упорядоченным ни казался нам какой-либо сложный процесс, в его основе всегда лежит хаотичное движение молекул.

Приложимы ли эти принципы к живой материи? Вернемся к нашему воображаемому бильярдному столу, к самому началу партии, когда шары уложены аккуратным треугольником. На этот раз мы добавим к исходным много новых шаров (давайте представим, что перед нами очень большой стол) и сделаем так, чтобы они сильными ударами бились о пирамиду. И снова хаотичные столкновения шаров с разделительной планкой приведут ее в движение, но вместо того, чтобы использовать это движение для запуска паровозика вверх по холму, мы соорудим более сложное устройство. На этот раз наш механизм, приводимый в действие хаотичными столкновениями многочисленных шаров, совершит нечто необычное: среди хаоса движущихся шаров он будет сохранять первоначальные шары в упорядоченной форме. Каждый раз, когда один из шаров пирамиды выбивается со своего места ударом одного из хаотично движущихся шаров, некий удивительный датчик обнаруживает нарушение порядка. Этот датчик словно направляет незримую механическую руку заменить недостающий шар в пирамиде (например, в одной из ее вершин) на точно такой же из тех, что, сталкиваясь, катаются по столу.

Надеемся, этим примером нам удалось показать вам, что система использует некоторое количество энергии хаотичных столкновений молекул, чтобы поддерживать один из своих участков в упорядоченном состоянии. В термодинамике для описания мер неупорядоченности системы используется термин «энтропия». Соответственно, о высокоупорядоченном состоянии системы говорят как о состоянии с низкой энтропией. О системе нашего бильярдного стола можно сказать, что она пользуется энергией высокоэнтропийных (хаотичных) столкновений для поддержания одной из своих частей, пирамиды шаров, в упорядоченном состоянии с низкой энтропией.

Не думайте о том, каким образом можно соорудить подобную замысловатую конструкцию. Главное, что на нашем столе (в системе, в которой наблюдаются состояния с разной энтропией) происходит нечто весьма интересное. Имея в распоряжении лишь силу хаотично движущихся шаров, новая система, объединяющая шары, стол, планку, датчик, фиксирующий движение шаров, и незримую руку, перенаправляющую движение, способна поддерживать порядок в собственной подсистеме.

Давайте усложним задачу для нашего воображения и представим более сложную картину: на этот раз некоторое количество энергии движущейся планки (назовем ее свободной энергией[12] системы) будет использоваться для создания и поддержания работы сенсорного устройства и подвижной незримой руки. В первую очередь энергия будет направлена на то, чтобы использовать огромное количество бильярдных шаров в качестве строительного материала для построения подобных устройств. Теперь вся система становится самодостаточной и в принципе способна поддерживать сама себя до тех пор, пока в нее регулярно будут попадать новые хаотично движущиеся шары и для планки будет достаточно места, чтобы двигаться.

Наконец, будучи способной поддерживать себя в определенных состояниях, наша расширенная система совершит еще один удивительный подвиг. Она станет использовать доступную свободную энергию для обнаружения, захвата и упорядочения бильярдных шаров в целях создания собственной копии во всей полноте: стол, планка, сенсорное устройство, реагирующее на движение шаров, механическая рука и, разумеется, шары, уложенные треугольником. Подобные копии системы, в свою очередь, будут управлять собственными бильярдными шарами и свободной энергией их столкновений, производить новые самодостаточные механизмы, а эти новые копии…

Думаем, вы догадались, к чему это ведет. Наш воображаемый проект «Сделай сам» создал эквивалент жизни, движущей силой которой является энергия бильярдных шаров. Подобно птице, рыбе или человеку, наша выдуманная система способна поддерживать собственный внутренний порядок и воспроизводить саму себя, управляя свободной энергией хаотичных столкновений молекул. Несмотря на то что это многоэтапное и сложное задание, движущая сила, необходимая для его выполнения, похоже, ничем не отличается от силы, толкающей паровоз вверх по склону холма. В реальной жизни в роли воображаемых бильярдных шаров выступают молекулы, получаемые из пищевых продуктов. Хотя процесс, в который они вовлечены, намного сложнее процесса, описанного в нашем простом примере, принцип остается неизменным: свободная энергия хаотичных молекулярных столкновений (и химических реакций, в которых участвуют молекулы) направлена на поддержание жизнедеятельности организма и на создание копии этого организма.

Можно ли в таком случае считать жизнь разделом термодинамики? Неужели во время прогулки среди холмов мы взбираемся по склону благодаря тем же процессам, что приводят в движение паровые локомотивы? Неужели полет малиновки ничем не отличается от полета пушечного ядра? Если уж на то пошло, не является ли Божья искра жизни хаотичным движением молекул? Чтобы ответить на эти вопросы, нам следует внимательно присмотреться к тонкой организации живой материи.

Первые успешные и очень важные шаги на пути к пониманию тонкой организации живого были сделаны «философом-натуралистом» XVII века Робертом Гуком, который, заглянув в простейший микроскоп, разглядел в структуре среза пробкового дерева нечто, что он назвал клетками, и голландским натуралистом, основоположником микроскопии Антони ван Левенгуком, который с помощью микроскопа обнаружил в каплях озерной воды существ, которых он сам назвал микроскопическими организмами (мы объединяем этих существ общим названием «одноклеточная жизнь»). Он также наблюдал и описывал клетки растений, красные кровяные тельца — эритроциты и даже сперматозоиды. Позже всему научному миру стало ясно, что любая живая ткань имеет клеточную структуру, а клетки являются строительным материалом живых организмов. В 1858 году немецкий биолог и врач Рудольф Вирхов писал: «Подобно тому как дерево представляет известным образом расположенную массу, в каждой части которой, в листе, как и в корне, в стволе, как и в цветке, последними элементами являются ячейки, точно так же и в формах животного царства каждое животное является суммой жизненных единиц, каждая из которых обладает всеми характеристиками жизни».

Со временем ученые исследовали живые клетки с помощью все более мощных микроскопов. Оказалось, клетки имеют сложнейшую внутреннюю структуру. В центре каждой из них находится ядро, содержащее хромосомы. Ядро окружено цитоплазмой, в которой расположены специализированные структуры клетки — органеллы, выполняющие внутри клетки определенные функции по аналогии с внутренними органами тела. Например, органеллы митохондрии выполняют функцию внутриклеточного дыхания, а хлоропласты осуществляют фотосинтез внутри растительных клеток. В общем, клетка напоминает крошечный заводик, работающий на всех парах. Но что заставляет ее работать? Что оживляет клетку? Первоначально считалось, что клетки наполнены «жизненными силами», сходными по описанию с аристотелевскими представлениями о душе. Вера в витализм — наличие в живых организмах особой жизненной силы, отсутствующей в неживой материи, — господствовала среди ученых на протяжении почти всего XIX века. Для обозначения таинственной живой субстанции, наполняющей клетки, в то время был введен загадочный термин «протоплазма».

И все же позиции витализма значительно пошатнулись благодаря экспериментам некоторых ученых XIX века. В ходе этих экспериментов в лабораторных условиях были получены химические вещества, которые ранее извлекались только из живых клеток. Так, в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал из неорганического вещества мочевину — органическое вещество, до этого получаемое только из живой материи. Луи Пастеру удалось воспроизвести в лаборатории химическое преобразование, а именно процесс брожения (ранее считалось, что этот процесс возможен лишь при наличии микроорганизмов, но Пастер использовал в своих опытах секретируемые живыми клетками молекулы, позже названные энзимами). С годами в науке накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что живая материя строится в основном из тех же химических веществ, из которых состоит материя неживая. Следовательно, можно было предположить, что живая и неживая материя подчиняется общим химическим законам. Постепенно витализм уступил место механицизму.

К концу XIX века биохимики одержали окончательную победу над виталистами[13]. Было доказано, что в клетках содержится множество веществ, участвующих в сложных химических процессах, в основе которых лежит описанное Больцманом хаотичное движение молекул, напоминающее беспорядочно сталкивающиеся бильярдные шары. Жизнь, по всеобщему мнению, представляла собой не что иное, как сложную термодинамику.

Все бы ничего, если бы не один аспект — пожалуй, самый важный из всех аспектов, связанных с загадкой жизни.

Способность живого организма исправно передавать по наследству информацию, благодаря чему на свет появляются новые организмы — будь то малиновка, рододендрон или человек, — столетиями являлась для нас непостижимой тайной. В 1653 году в своем «51-м исследовании» английский врач Уильям Гарвей писал: «Несмотря на неоспоримость известной идеи о том, что эмбрион происходит и рождается на свет от мужского и женского полов и соответственно яйцо (как и цыпленка, вылупляющегося из него) производят петух и курица, ни одной медицинской школе, ни гениальному уму Аристотеля не удалось разгадать тайну того, каким образом семя петуха „чеканит“ из яйцеклетки цыпленка».

Два века спустя завесу этой тайны приоткрыл австрийский монах и биолог Грегор Мендель, который в середине XIX века выращивал горох в саду Августинского монастыря в Брно. В ходе наблюдений за растениями Мендель пришел к выводу о том, что наличие у гороха некоторых признаков, таких как цвет лепестков или форма горошин, зависит от наследуемых «факторов», которые могут передаваться без изменений от одного поколения другому. «Факторы» Менделя, таким образом, обеспечивали создание своего рода хранилища наследственной информации, что позволяло растениям гороха сохранять свой вид неизменным на протяжении сотен поколений, а семени петуха — «чеканить» из яйцеклеток цыплят.

Как известно, большинство современников Менделя, включая Дарвина, не обратили на открытие австрийца никакого внимания. Результаты его трудов оставались в забвении вплоть до начала XX века. Его «факторы» были названы генами. Вскоре это понятие было успешно встроено в укрепляющий свои позиции в биологии XX века механистический взгляд на мир. Несмотря на то что Мендель утверждал, что эти структуры находятся внутри живых клеток, никто в то время не наблюдал их и не мог предположить, из чего они состоят. Однако в 1902 году американский генетик Уолтер Саттон обратил внимание на то, что внутриклеточные структуры хромосомы способны передавать информацию, хранящуюся в менделевских «факторах». Это наблюдение привело Саттона к выводу о том, что гены находятся в хромосомах.

Тем не менее хромосомы — это относительно большие и сложные структуры, состоящие из белка, сахаров и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В то время ученым не было понятно, связан ли какой-либо из этих компонентов с механизмом наследственности. Позднее, в 1943 году, канадскому ученому Освальду Эвери удалось передать ген из одной бактериальной клетки в другую путем извлечения ДНК из клетки-донора и встраивания ее в клетку-реципиент. Эксперимент доказал, что именно ДНК, содержащаяся в хромосомах, а не белки или какие-либо другие вещества, хранит и передает генетическую информацию[14]. Казалось, в ДНК больше нет ничего необычного, волшебного — все считали ее обычным химическим веществом.

Но важный вопрос все же оставался без ответа: как это все работает? Каким образом химическое вещество переносит в себе информацию, необходимую для того, чтобы «семя петуха „чеканило“ из яйцеклетки цыпленка»? И каким образом гены копируются и передаются от одного поколения другому? Традиционная химия, изучающая взаимодействия шаровидных больцмановских молекул, казалось, не может объяснить способ хранения, копирования и надежной передачи генетической информации.

Наверняка всем известно, что в 1953 году была разгадана и эта тайна: в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику на основе экспериментальных данных их коллеги Розалинд Франклин удалось разработать модель структуры ДНК — двойную спираль. Было доказано, что любая цепочка ДНК представляет собой нечто вроде молекулярной нити, состоящей из атомов фосфора, кислорода и сахара (дезоксирибозы), а также особых химических структур — нуклеотидов[15], нанизанных на нить, словно бусины. В этих бусинах содержатся азотистые основания четырех разновидностей: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). На нити ДНК они располагаются в одномерной последовательности букв генетического кода, например GTCCATTGCCCGTATTACCG. Во время войны Фрэнсис Крик работал в научно-исследовательской лаборатории Британского адмиралтейства (в то время — командный орган Королевского флота). Неудивительно, что он мог быть знаком с теорией кодов, а также с различными шифрами вроде тех, что использовались в секретных сообщениях, созданных с помощью немецких шифровальных машин «Энигма» (во время войны их успешно расшифровывали в Блетчли-Парке, где располагалось главное шифровальное ведомство Великобритании). В любом случае, когда Крик увидел нить ДНК, он сразу заметил в ней код — последовательность блоков информации, представляющей собой важнейшие инструкции к действию механизма наследственности. Кроме того (об этом мы подробно поговорим в главе 7), открытие спиралевидной структуры нити ДНК позволило ученым сформулировать ответ на вопрос о том, каким образом копируется генетическая информация. Вот так, одним махом были разгаданы две величайшие научные тайны.

Открытие структуры ДНК стало своего рода механистическим ключом к пониманию тайны генов. Гены — это химическое соединение, а в основе химии лежит термодинамика. Так неужели открытие двойной спирали ДНК наконец-то вернуло в лоно классической науки такой объект изучения, как жизнь?

В «Приключениях Алисы в Стране чудес» Льюиса Кэрролла есть чудесный персонаж — Чеширский кот, который умел исчезать на глазах, оставляя после себя лишь улыбку. Алиса на это заметила: «Видала я котов без улыбок, но улыбку без кота…» Прекрасно зная, как законы термодинамики действуют в живых клетках и как гены кодируют информацию, необходимую для формирования новой клетки, многие биологи тем не менее испытывают подобное недоумение, когда тайна жизни, оставаясь неразгаданной, продолжает улыбаться им в лицо.

Одна из проблем, с которой сталкиваются ученые при попытках приблизиться к тайне жизни, заключается в невероятной сложности биохимических реакций, протекающих в каждой живой клетке. Когда химики искусственным путем получают аминокислоту или сахар, они в большинстве случаев синтезируют только одно химическое соединение за один раз. И это удается им большими усилиями: для эксперимента — то есть конкретной реакции — необходимо создать и постоянно поддерживать целый комплекс сложных условий, таких как температура или концентрация различных соединений, участвующих в реакции. Контролируя все условия эксперимента, ученые оптимизируют и ускоряют синтез искомого соединения. На самом деле это непростая задача: необходимо держать под контролем происходящее в многочисленных специальных колбах, конденсаторах, разделительных колонках, фильтрах и других замысловатых лабораторных сосудах и приборах. В то же время каждая клетка вашего организма непрерывно синтезирует тысячи химических соединений, имея в своем распоряжении реактивную камеру объемом в несколько миллионных микролитра[16]. Как же все эти разнообразные сложные реакции протекают одновременно? Как все это молекулярное действо разыгрывается на сцене микроскопической клетки? Эти вопросы находятся в центре внимания новой науки — системной биологии, но справедливости ради стоит отметить, что они до сих пор остаются без ответов.

Еще одна загадка жизни заключается в ее конечности — в смерти. Особенность химических реакций заключается в их обратимости. Можно записать химическую реакцию в виде уравнения «субстраты —> продукты». Но на самом деле одновременно всегда протекает обратная реакция «продукты —> субстраты». Все дело в том, что при определенной совокупности условий доминирует одно из направлений реакции. Тем не менее для любой реакции всегда возможно создать другую комбинацию условий, при которых она меняет свое направление. Например, когда ископаемое топливо сгорает на воздухе, субстратами являются углерод и кислород, а единственным продуктом — двуокись углерода (парниковый газ). Принято считать, что данная реакция необратима, однако в рамках некоторых проектов по разработке технологии улавливания углекислого газа идет поиск условий и источника энергии для того, чтобы изменить направление данной реакции. Так, Рич Мейзел из Иллинойского университета основал компанию Dioxide Materials, цель которой — использовать силу электричества для преобразования атмосферного углекислого газа в топливо для транспортных средств[17].

С живой материей все обстоит по-другому. Еще никому не удалось создать условия, при которых было бы возможно превращение «мертвая клетка —> живая клетка». Безусловно, размышления наших предков о подобном превращении вылились в идею о душе. Мы больше не верим в наличие души у клетки. Что же тогда исчезает безвозвратно, когда умирает клетка или человек?

Вы наверняка уже задумались о том, что нового нам может рассказать о жизни молодая наука — синтетическая биология и владеют ли специалисты в этой области ключом к тайне жизни? Возможно, самым известным представителем синтетической биологии является пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер, который в 2010 году поднял в научных кругах настоящую бурю, заявив, что создал искусственную жизнь. Результаты его работы отразились в газетных заголовках по всему миру и породили панику от мысли о новых расах искусственно синтезированных существ, которые в будущем захватят всю нашу планету. На самом деле Вентеру и его команде удалось модифицировать уже существующую форму жизни, а не создать новую. Сначала команда ученых под руководством Вентера синтезировала ДНК, содержащую полный геном паразитической бактерии Mycoplasma mycoides, вызывающей легочные заболевания у домашних коз. Затем синтезированный геном пересадили в живую бактериальную клетку и весьма хитрым способом убедили ее заменить свою изначальную (и единственную) хромосому синтетической копией.

Результат экспериментов Крейга, безусловно, превосходен. Хромосома бактерии содержит 1,8 млн оснований (букв генетического кода), которые должны быть расположены в строго определенной последовательности. Но, по сути, ученым удалось сделать то, что каждый из нас выполняет без каких-либо усилий. Речь идет о трансформации веществ, содержащихся в пище, в нашу собственную плоть.

Синтез хромосомы и ее пересадка в живую клетку, проделанные Вентером и его командой, открывают абсолютно новые горизонты синтетической биологии, о которых мы поговорим в последней главе. С большой вероятностью этой молодой науке удастся предложить новые эффективные способы производства лекарств, выращивания зерна и борьбы с загрязняющими веществами. Тем не менее в ходе экспериментов, направленных на эти и другие результаты, ученым пока не удалось создать новую жизнь. Несмотря на достижение Вентера, тайна самой сути жизни продолжает ухмыляться нам в лицо. Ричарду Фейнману, нобелевскому лауреату по физике, приписывается такое высказывание-озарение: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Согласно этому утверждению, мы не понимаем жизнь, поскольку нам пока не удалось ее воссоздать. Мы умеем смешивать химические соединения, умеем нагревать их, подвергать облучению. Мы даже умеем, подобно Франкенштейну Мэри Шелли, оживлять их с помощью электричества. Но создать жизнь мы можем пока единственным способом — внедрить эти химические соединения в уже существующие живые клетки или употребить их в пищу, сделав их тем самым частью наших собственных организмов.

Так почему же мы до сих пор не способны справиться с задачей, с которой ежесекундно и без особых усилий справляются триллионы простейших микробов? Мы что-то упустили? Более 70 лет назад этот вопрос волновал известнейшего физика Эрвина Шредингера. Удивительный ответ, к которому пришел ученый, является ключевым моментом для содержания данной книги. Чтобы понять, почему вывод Шредингера о самых глубоких тайнах жизни был и остается революционным для науки, необходимо вернуться в самое начало XX века, когда спиралевидная структура ДНК еще не была открыта, а мир физики буквально переворачивался с ног на голову.

В результате стремительного развития науки в эпоху Просвещения (XVIII–XIX века) появились ньютоновская механика, исследования электромагнетизма и термодинамика. Время показало, что вместе эти три раздела физики успешно описывали движение и поведение всех макроскопических объектов и явлений окружающего нас мира — от пушечных ядер до часов, от ураганов до паровозов, от маятников до планет. Но когда в конце XIX и в первой половине XX века ученые направили внимание на микроскопические составляющие материи — атомы и молекулы, они обнаружили, что в микромире привычные физические законы не действуют. В физике назревала революция.

Первым революционным прорывом в физике начала XX века стал ввод в научный обиход понятия кванта. Уже 14 декабря 1900 года немецкий физик Макс Планк представил результаты своих трудов на заседании Немецкого физического общества. Именно этот день принято считать днем рождения квантовой теории. В то время считалось, что энергия теплового излучения, как любая другая форма энергии, распространяется в пространстве как волна. Проблема заключалась в том, что волновая теория не могла объяснить, каким образом некоторые теплые объекты излучали энергию. Планк высказал революционную мысль о том, что материя, из которой состояли эти теплые объекты, колеблется на определенных дискретных частотах. Из этого следовало, что тепловая энергия испускается небольшими дискретными порциями — квантами, которые, в свою очередь, являются неделимыми. Его простая теория имела ошеломительный успех, однако коренным образом отличалась от классической теории излучения, в рамках которой энергия считалась непрерывной. Согласно теории Планка, энергия выходит из материи как вода, но не непрерывным потоком, а отдельными неделимыми порциями — словно из закрытого, но подтекающего крана.

Сам Планк крайне настороженно относился к идее о том, что энергия прерывна. Однако спустя пять лет после того, как он выдвинул квантовую теорию, Альберт Эйнштейн развил эту идею и предположил, что любой вид электромагнитного излучения, включая свет, выходит не непрерывно, а в виде квантов — дискретными порциями, или частицами, которые мы теперь называем фотонами. Он отметил, что такой взгляд на природу света объясняет еще одно явление, долгое время остававшееся загадкой, а именно фотоэффект — испускание электронов веществом под воздействием света. Именно за объяснение фотоэффекта, а не за более известные его работы по теории относительности, Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике в 1921 году.

Тем не менее существовало множество доказательств того, что свет распространяется как непрерывная волна. Как же свет может быть одновременно прерывным и непрерывным? В то время этот вопрос казался бессмысленным, по крайней мере в рамках классической науки.

Следующий гигантский шаг на пути к новой физике был сделан датским физиком Нильсом Бором. В 1912 году Бор переехал в Манчестер и стал работать с Эрнестом Резерфордом. Незадолго до того Резерфорд опубликовал работу о планетарной модели атома с крошечным, но крепким ядром, расположенным в центре и окруженным еще более крошечными электронами, вращающимися вокруг ядра. Однако никто не мог объяснить, как атому удается сохранять стабильность. Согласно классической электромагнитной теории, отрицательно заряженные электроны постоянно излучают энергию света, вращаясь вокруг положительно заряженного ядра. В таком случае они бы потеряли энергию и очень быстро (за одну миллионную секунды) закрутились бы по спиральной траектории по направлению к ядру, что привело бы к распаду атома. Однако электроны так себя не ведут. Так в чем же здесь дело?

Для объяснения стабильности атомов Нильс Бор выдвинул идею о том, что электроны не свободны в выборе любой орбиты вокруг ядра, а могут занимать лишь определенные стационарные («квантованные») орбиты. Электрон может излучать порцию (квант) электромагнитной энергии лишь при переходе на другую, более низкую, орбиту, причем величина излучаемой энергии будет равна разнице энергий орбит. При переходе на более высокую орбиту электрон поглощает электромагнитную энергию в размере одного фотона.

Попробуем наглядно продемонстрировать разницу между классической и квантовой теорией, а также объяснить, почему электрон может занимать только определенные стационарные орбиты в атоме. Давайте вспомним, как играются ноты на гитаре и на скрипке. Когда скрипач берет ноту, он зажимает пальцем одну из струн в каком-либо месте грифа, сокращая ее и таким образом добиваясь нужной ноты в тот момент, когда смычок касается струны, вызывая ее колебания. Чем короче струна, тем выше частота ее колебаний (больше колебаний в секунду) и тем выше получается звук. Чем длиннее область колебания струны, тем ниже частота колебаний (меньше колебаний в секунду) и тем ниже звук.

Прежде чем продолжить эту тему, скажем несколько слов об одном из фундаментальных принципов квантовой механики, а именно о тесной связи частоты колебаний и энергии[18]. Мы уже говорили о том, что субатомные частицы имеют также свойства волны. Это означает, что у них, как и у любой волны, распространяющейся в пространстве, есть такие показатели, как длина волны и частота колебаний. Быстрые колебания всегда подразумевают больше энергии, чем медленные колебания (представьте стиральную машину, работающую в режиме «отжим» — ее барабан должен вращаться (колебаться) на высокой частоте, чтобы получить достаточно энергии для отжима воды из одежды).

Вернемся к скрипке. Высота ноты (частота колебаний звука) может постоянно варьироваться в зависимости от длины колеблющейся струны, то есть расстояния от места закрепления струны до той точки на грифе, где она зажимается пальцем музыканта. Это сравнимо с обычной волной, длина которой (расстояние между двумя ближайшими вершинами) также может меняться. Именно поэтому мы отнесем скрипку к классическим инструментам, но не в смысле «классической музыки», а скорее в смысле «классической — не квантовой — физики». Вот почему так сложно научиться играть на скрипке: музыкант должен максимально точно знать, в каком месте грифа прижимать струну, чтобы извлечь нужную ноту.

Гитарный гриф устроен по-другому. На нем металлическими перегородками, которые выступают над грифом, но не касаются струн, отмечены лады. Таким образом, когда гитарист прижимает пальцем струну, она касается одной из перегородок, которая временно становится одним из ее концов (а вовсе не то место, где ее прижимает палец). Когда музыкант дергает струну, из нее извлекается звук, высота которого зависит от колебаний струны длиной от мостика до того лада, на котором зажата струна. Положение пальца, зажимающего струну (ближе к правой перегородке или ближе к левой), никак не повлияет на высоту извлекаемой ноты. Гитара, таким образом, относится к квантовым инструментам. Поскольку, согласно квантовой теории, частота колебаний и энергия взаимосвязаны, колеблющаяся гитарная струна должна обладать скорее дискретной, нежели непрерывной энергией. Подобным образом элементарные частицы, например электроны, обладают лишь определенными показателями частоты волны, каждый из которых связан с определенным уровнем дискретной энергии. При переходе из одного энергетического состояния в другое электрон поглощает или излучает энергию, равную разнице между энергетическим уровнем, который он покидает, и уровнем, на который он попадает.

К 1920-м годам Бор, вернувшийся в Копенгаген, уже был известен всему миру как один из нескольких европейских физиков, отчаянно работавших в то время над наиболее полной и последовательной математической теорией, способной описать все происходящее внутри атома. Одним из самых выдающихся физиков этой плеяды был молодой немецкий гений Вернер Гейзенберг. Летом 1925 года, поправляя здоровье на острове Гельголанд после приступа сенной лихорадки, Гейзенберг совершил прорыв в науке, сформулировав новые математические принципы, подходящие для описания внутриатомного мира. Однако это была довольно странная математика, а то, что она говорила нам об атомах, выглядело еще более странным. Так, Гейзенберг утверждал не только то, что мы не можем сказать наверняка, где находится электрон, не имея возможности его измерить, но и то, что сам электрон не имеет определенного местоположения, поскольку он расположен вокруг ядра неким неясным, непостижимым способом.

Гейзенберг был вынужден признать, что мир атомов — это призрачное, зыбкое пространство, формы существования которого проступают лишь тогда, когда мы взаимодействуем с ним с помощью измерительных приборов. Речь идет о процессе квантового измерения, который мы кратко описали выше. Гейзенберг показал, что данный процесс проявляет лишь те особенности квантового мира, к измерению которых он приспособлен, — подобно тому как каждый отдельный прибор на приборной панели автомобиля предоставляет информацию о какой-либо одной величине, например о скорости, преодоленном расстоянии или температуре двигателя. Так, мы можем провести эксперимент с целью установить точное расположение электрона в определенный момент времени; мы также можем провести другой эксперимент с целью определить скорость того же электрона. Гейзенберг математически доказал, что невозможно провести один эксперимент, в ходе которого мы могли бы установить одновременно и с максимальной точностью и то, где сейчас находится электрон, и то, как быстро он движется. В 1927 году это утверждение легло в основу знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, который с тех пор был много тысяч раз проверен и подтвержден в различных лабораториях мира. Этот принцип является одной из наиболее значимых научных идей и одним из основных постулатов квантовой механики.

В январе 1926 года, то есть в то самое время, когда Гейзенберг разрабатывал свои идеи, австрийский физик Эрвин Шредингер написал работу, в которой представил совершенно иную картину внутриатомного мира. В данной работе ученый предложил математическое уравнение, ныне известное как уравнение Шредингера, которое описывает не движение частицы, а изменение волны в пространстве. Согласно данному уравнению электрон является скорее не туманной частицей, вращающейся вокруг ядра по непостижимой траектории, а волной, распространяющейся внутри атома. Гейзенберг отрицал любую возможность получить изображение электрона в тот момент, когда мы его не измеряем. В отличие от него Шредингер склонялся к мысли о том, что электрон является самой настоящей физической волной, когда мы не наблюдаем за ним, но эта волна «сворачивается»[19] в дискретную частицу, как только мы начинаем за ней наблюдать. Его версия атомистической теории легла в основу волновой механики, а уравнение Шредингера описывает развитие и поведение волн во времени. Сегодня мы рассматриваем теории Гейзенберга и Шредингера как различные способы интерпретации математических основ квантовой механики, каждый из которых является по-своему правильным.

Когда нам нужно описать движение привычных видимых объектов (будь то пушечные ядра, паровозы или планеты), каждый из которых состоит из триллионов частиц, мы делаем это с помощью набора математических уравнений, восходящих еще к работам Исаака Ньютона. Однако, если описываемая нами система объектов находится в квантовом мире, мы должны использовать уравнение Шредингера. Именно здесь кроется важнейшее различие между двумя подходами к описанию объектов: для ньютоновского мира решением уравнения, описывающего движения, будет число или набор чисел, которое (которые) определяет точное местоположение объекта в данный момент времени. Решением уравнения Шредингера, описывающего квантовый мир, является волновая функция — математическая величина, которая не определяет точное местоположение, скажем, электрона в данный момент времени, но предлагает вместо этого набор чисел, описывающих вероятность обнаружения электрона в разных точках пространства в случае, если мы попытались бы его обнаружить.

Разумеется, вы можете отреагировать на это так, но этого недостаточно! Информация о том, где электрон может находиться, не кажется слишком уж полезной. Вам может показаться, что необходимо знать, где точно находится частица. Но в отличие от объекта классической физики, который всегда занимает определенное место в пространстве, электрон может находиться одновременно во многих местах до того момента, пока его не начнут измерять. Квантовая волновая функция распространяется на все пространство. Это означает, что при описании электрона нам остается довольствоваться набором чисел, выражающим вероятность обнаружения частицы не в каком-либо одном месте, а во всех точках пространства одновременно. Важно тем не менее понимать, что все эти квантовые вероятности не отражают пробела в наших знаниях, который можно заполнить, получив больше информации. Напротив, они отражают фундаментальную черту природного мира микроскопических размеров.

Представьте себе, что преступник, осужденный за кражу драгоценностей, получил право на досрочное освобождение и выходит из тюрьмы. Вместо того чтобы встать на путь истинный, он тут же возвращается к прежнему образу жизни и начинает совершать кражи по всему городу. Изучив карту, полицейские могут проследить его приблизительное местонахождение с того момента, как он был освобожден. Они не могут определить его точное местонахождение в данный момент, но они могут предположить, какова вероятность того, что он совершит кражи в тех или иных районах города.

Поначалу больше всего подвергаются риску быть ограбленными жители домов, расположенных недалеко от тюрьмы, однако со временем площадь территории, на которой могут быть совершены кражи, расширяется. Кроме того, помня, какие объекты кражи его интересовали, полицейские могут также с некоторой уверенностью предположить, что опасности подвергаются скорее благополучные районы, жители которых могут позволить себе дорогие украшения, нежели районы бедные. Подобную волну преступлений, совершаемых одним человеком, можно назвать волной вероятности. Она неосязаема и нереальна. Она представляет собой лишь ряд чисел, которые можно интерпретировать как координаты различных уголков города. Подобным образом волновая функция распространяется из точки, в которой в последний раз был замечен электрон. Вычисление значений волновой функции в различных точках пространства и времени позволяет строить предположения о том, где частица может появиться в следующий раз.

А что, если полицейские будут действовать по наводке и им удастся поймать вора с поличным, когда он будет вылезать из окна чужого дома, а при нем будет мешок с крадеными вещами? В тот же момент вероятностное распределение возможных местонахождений вора распадется: вор будет точно находиться в конкретном известном месте, а вероятность его нахождения в любом другом месте сведется к нулю. Подобным образом, если электрон обнаруживается в каком-то конкретном месте, его волновая функция немедленно рушится. В момент обнаружения электрона вероятность его нахождения в каком-либо другом месте сводится к нулю.

Однако кое в чем аналогия не срабатывает. Даже если перед тем, как поймать преступника, полицейские могут только установить вероятные места его пребывания, они понимают, что их предположения — результат нехватки информации. Ведь грабитель не распылил себя по городу: несмотря на то что в представлении полицейских он может находиться где угодно, он на самом деле всегда находится в каком-то одном месте в определенный момент времени. Кардинальное отличие поведения частицы от поведения вора заключается в том, что, когда мы не наблюдаем за движением электрона, мы все же не можем предположить, что он находится в определенном месте в какой-то момент времени. Мы можем только описать значения волновой функции, а волна может находиться везде одновременно. Только через акт наблюдения (выполняя над частицей некоторые измерения) мы можем «вынудить» электрон стать локализованной частицей.

К 1927 году благодаря усилиям Гейзенберга, Шредингера и других ученых математические основания квантовой механики были окончательно сформулированы. В наши дни они являются тем фундаментом, на котором стоят физика и химия. Кроме того, они раскрывают перед нами удивительно полную картину строительных элементов, из которых состоит Вселенная. Без объяснительной силы квантовой механики, описывающей, как все элементы микромира складываются в слаженную систему, многие из современных технологических достижений были бы попросту невозможны.

Итак, в конце 1920-х годов, вдохновленные собственными успехами в разгадке тайн внутриатомного мира, некоторые пионеры квантовой механики на время покинули свои физические лаборатории, чтобы покорить еще одну науку — биологию.

В 1920-е годы жизнь все еще являла собой научную загадку. Несмотря на то что биохимикам XIX века успешно удалось закрепить в науке механистическое понимание химии живой материи, многие ученые все еще придерживались одного из принципов витализма, согласно которому биология не сводится к химии и физике — ей требуется собственная система законов. Внутриклеточную протоплазму продолжали считать таинственной формой материи, которую неизвестные силы наделяют жизнью. Разгадка тайны наследственности неизменно ускользала от зарождающейся в то время генетики.

Однако за какие-то десять лет появилось новое поколение ученых, называвших себя органицистами и отвергавших как идеалы витализма, так и принципы механистического подхода. Эти ученые допускали, что жизнь — это загадочное явление, однако утверждали, что эта загадка в принципе разрешима и ее можно объяснить с помощью физических и химических законов, которые ученым еще предстоит открыть. Одним из величайших последователей органистического движения был еще один австриец Людвиг фон Берталанфи, автор нескольких ранних работ по теориям биологического развития. В книге «Критическая теория морфогенеза», написанной в 1928 году, Берталанфи говорит о необходимости разработки некоторого нового биологического принципа для описания сущности жизни. Его идеи и, в частности, эта книга оказали большое влияние на многих ученых, среди которых был один из пионеров квантовой механики Паскуаль Йордан.

Паскуаль Йордан родился и учился в Ганновере. Он продолжил учебу в Геттингене, где его преподавателем был один из отцов-основателей квантовой механики Макс Борн[20]. В 1925 году Йордан и Борн опубликовали статью «К вопросу о квантовой механике», ставшую классической. Год спустя было опубликовано продолжение первой статьи этих же ученых в соавторстве с Гейзенбергом. Данная статья, известная как «работа трех», также стала одной из классических работ по квантовой механике. Авторы превратили замечательное открытие Гейзенберга в математически изящный способ описания поведения объектов внутриатомного мира.

Еще через год Йордан поступил так, как поступил бы в то время любой уважающий себя молодой физик, если бы ему выпала такая возможность: он отправился в Копенгаген для встречи и совместной работы с Нильсом Бором. Где-то около 1929 года Бор и Йордан стали обсуждать вопрос о том, каким образом квантовая механика применима к биологии. Паскуаль Йордан вернулся в Германию, где стал преподавать в Ростокском университете. Работая в Ростоке, Йордан на протяжении нескольких лет вел переписку с Бором преимущественно на тему взаимосвязи физики и биологии. В 1932 году Йордан сформулировал их с Бором идеи в статье «Квантовая механика и фундаментальные проблемы биологии и психологии»[21], опубликованной в немецком журнале Die Naturwissenschaft, за которой некоторыми учеными признается право считаться первой научной работой по квантовой биологии.

В работах Йордана содержатся некоторые весьма любопытные выводы о феномене жизни. Тем не менее его размышления на биологические темы со временем становились все более политизированными. В них стал прослеживаться явный уклон в нацистскую идеологию. В одной из работ Йордан пишет, что наличие властного лидера (фюрера), или вождя, является ключевым принципом жизни: «Известно, что в любой бактерии, кроме бесчисленного множества молекул, из которых состоит это… существо… содержится ограниченное количество особых молекул, наделенных властью над всем организмом; они образуют центр управления живой клетки. Если поглощение кванта света произойдет вне центра управления, это едва ли убьет клетку, как убийство одного солдата не уничтожит большую нацию. Однако, если поглощение кванта света клеткой произойдет внутри центра управления, это может привести к гибели и распаду всего организма, как хорошо организованное убийство лидера (вождя) нации может спровоцировать распад этой нации»[22].

Попытки внедрить нацистскую идеологию в биологию одновременно завораживают и пугают. В этих попытках скрывался и зачаток любопытной идеи, которую Йордан назвал теорией усиления (Verstärkertheorie). Ученый указывал на то, что неодушевленные объекты «управляются» хаотичным движением миллионов частиц, так что движение какой-то одной молекулы не повлияет на весь объект. Живая материя, по утверждению Йордана, устроена совсем по-другому: она управляется небольшой группой молекул, входящих в «центр управления». Эти молекулы оказывают сильнейшее влияние на весь живой организм через усиление квантовых явлений, управляющих их движением, а также через усиление действия принципа неопределенности Гейзенберга.

Мы еще вернемся к этому интересному замечанию. Скажем только, что в то время оно не получило дальнейшего развития и не оказало на науку никакого влияния, поскольку после поражения нацистской Германии в 1945 году политические взгляды Йордана дискредитировали его в глазах современников и его идеи, касающиеся квантовой биологии, были преданы забвению. Другие ученые, пытавшиеся наладить прочные связи между биологией и квантовой физикой, после войны разъехались по всему свету. После трагических перипетий, связанных с применением атомной бомбы, физика вновь вернулась в русло традиционных вопросов.

Тем не менее тлеющему огоньку квантовой биологии не дал погаснуть не кто иной, как создатель квантовой волновой механики Эрвин Шредингер. Накануне Второй мировой войны он бежал из Австрии (его жена согласно нацистским законам не была расовой арийкой) и обосновался в Ирландии, где в 1944 году вышла его книга с заглавием-вопросом «Что такое жизнь?». В этой книге Шредингер изложил новый взгляд на биологию и высказал идею, которая до сих пор остается основой квантовой биологии и, в частности, лежит в основе данной книги. Перед тем как завершить главу с экскурсами в историю науки, рассмотрим подробнее эту идею.

Шредингера глубоко волновала одна из проблем биологии — загадочный процесс наследования информации. Вы наверняка помните, что в то время — в первой половине XX века — ученым было известно, что гены родителей наследуются детьми, но наука не могла ответить на вопрос, из чего состоят гены и как они работают. Шредингер размышлял о том, по каким законам наследование информации протекает с такой поразительной точностью. Другими словами, каким образом точные копии генов передаются от родителей детям практически без изменений?

Шредингер понимал, что точные, неоднократно проверенные на практике законы классической физики и химии (например, законы термодинамики, которая имеет дело с хаотичным движением атомов и молекул) были на самом деле законами статистическими. Это означает, что они верны лишь в среднем, а их надежность обусловлена тем, что они описывают взаимодействия огромного количества частиц. Помните наш бильярдный стол? Движение одного шара абсолютно нельзя предсказать, но если вы бросите на стол много шаров и будете катать их в течение часа так, что они постоянно будут беспорядочно сталкиваться, можно с уверенностью утверждать, что рано или поздно большинство из них окажется в лузах. Термодинамика работает примерно так: предсказать можно поведение в среднем большого количества молекул, но не поведение отдельных молекул. Шредингер отмечал, что статистические законы, например законы термодинамики, не подходят для точного описания систем, состоящих из небольшого количества частиц.

Вспомним, к примеру, газовые законы, сформулированные Робертом Бойлем и Жаком Шарлем 300 лет назад. Их суть сводится к тому, что объем газа, заполняющего воздушный шар, будет при нагревании увеличиваться, а при охлаждении уменьшаться. Поведение газа в обоих случаях может быть выражено простой математической формулой, известной как закон идеального газа[23]. Шар подчиняется этим строгим законам: при нагревании он расширяется, при охлаждении сужается. Заметим, подчиняется он этим законам несмотря на тот факт, что его наполняют триллионы молекул, каждая из которых ведет себя по-своему, словно беспорядочно движущиеся бильярдные шары: молекулы хаотично сталкиваются и отскакивают друг от друга, а также от внутренней стенки шарика. Так как же беспорядочное движение порождает точные, упорядоченные законы?

Когда шар нагревают, молекулы воздуха внутри него начинают двигаться быстрее, вследствие чего они ударяются друг о друга, а также о стенки шара с большей силой. Эта дополнительная сила начинает оказывать большее давление на резиновые стенки шара (аналогично тому, как увеличивалось давление на подвижную планку на бильярдном столе Больцмана), заставляя его расширяться. Объем расширения шара зависит от температуры нагрева; его можно точно предсказать, поскольку эта зависимость описывается газовыми законами. Важно отметить, что единичный объект, в нашем случае — шар, строго подчиняется газовому закону, поскольку упорядоченное движение его резиновой поверхности инициируется хаотичным движением огромного количества частиц. Вот каким образом, как сказал Шредингер, порядок возникает из хаоса.

Шредингер настаивал на том, что не только газовые законы обязаны своей точностью статистическим характеристикам больших чисел: все без исключения законы классической физики и химии (от законов динамики жидкостей до тех, что управляют химическими реакциями) основаны на принципе «усреднения больших чисел» или «порядка из хаоса».

И все же газовые законы действуют в шаре обычных размеров, наполненном триллионами молекул воздуха. В микроскопическом шарике, который можно заполнить лишь несколькими молекулами, они не работают. Все потому, что даже при постоянной температуре эти немногочисленные молекулы будут иногда абсолютно случайно отдаляться друг от друга, отчего шарик будет расширяться. Подобным образом он будет иногда сжиматься по той простой причине, что все молекулы внутри него случайно скопятся в самом центре. Таким образом, поведение микроскопического шарика почти непредсказуемо.

Зависимость упорядоченности и предсказуемости явлений от больших чисел, разумеется, знакома нам и по другим сферам нашей жизни. Например, американцы чаще играют в бейсбол, чем канадцы, а канадцы чаще американцев играют в хоккей с шайбой. На основе такого статистического «закона» можно сделать дополнительные предположения о том, что Америка, к примеру, импортирует больше бейсбольных мячей, чем Канада, а Канада — больше хоккейных клюшек, чем США. Тем не менее такие статистические законы имеют прогностическую силу, если применяются к событиям, охватывающим целые страны с населением несколько миллионов человек, но их бесполезно применять для прогноза импорта клюшек или мячей в рамках одного маленького города, скажем, в штате Миннесота или в провинции Саскачеван.

Шредингер не просто заметил, что статистические законы классической физики не действуют на микроскопическом уровне. Он пошел дальше и рассчитал отклонение в точности данных законов для микромира. Шредингер показал, что величина отклонений от этих законов обратно пропорциональна квадратному корню числа задействованных частиц. Так, внутри шара, наполненного триллионом (миллион миллионов) частиц, газовые законы действуют с отклонением лишь в одну миллионную. Однако, если шар наполнен лишь сотней частиц, закон не будет действовать в одном случае из десяти. И хотя такой шар будет иметь тенденцию расширяться при нагревании и сужаться при охлаждении, эти явления не будут строго описываться никаким детерминированным законом. Все статистические законы классической физики подвержены данному ограничению: они верны лишь в том случае, когда речь идет об очень больших количествах частиц, но они не способны описать поведение объектов, состоящих из небольшого количества частиц. Таким образом, любой объект, который мы хотим надежно и точно описать с помощью классических законов, должен состоять из огромного количества частиц.

А как насчет жизни? Можно ли объяснить ее «упорядоченное» поведение, например действие законов наследственности, статистическими законами? Размышляя над этим вопросом, Шредингер пришел к выводу о том, что принцип «порядок из хаоса», лежащий в основе термодинамики, не может управлять живой материей, поскольку, как он это понимал, по крайней мере некоторые из самых крошечных биологических механизмов действительно ничтожно малы, чтобы подчиняться классическим законам.

К примеру, во время работы над книгой «Что такое жизнь?» (а это было время, когда ученым уже было известно о том, что наследственность связана с генами, однако природа генов оставалась научной загадкой) Шредингер задался простым вопросом: достаточно ли гены велики для того, чтобы точность, с которой они воспроизводят информацию, зависела от статистических законов, основанных на принципе «порядок из хаоса»[24]? По расчетам ученого, приблизительный размер гена не превышал размера куба, грани которого равны 300 ангстремам (1 ангстрем равен 10^–7 миллиметрам). В таком кубике содержится примерно миллион атомов. Количество может показаться огромным, но вот квадратный корень из миллиона — это тысяча, а значит, погрешность в передаче информации или «помехи» наследственности должны иметь место в одном случае из тысячи, то есть в 0,1 % случаев. Итак, если механизм наследования информации опирается на классические статистические законы, следовательно, он должен порождать ошибки (отклоняться от законов) с частотой один раз на тысячу случаев. Однако на тот момент было известно, что на миллиард случаев нормальной передачи гена приходится меньше одного случая мутации (ошибки). Такая необычайно высокая степень надежности убедила Шредингера в том, что законы наследственности не могут опираться на тот же принцип «порядок из хаоса», что и классические законы. Ученый предположил, что гены скорее напоминали отдельные атомы или молекулы тем, что подчинялись не классическим, но удивительно строгим законам науки, к развитию которой он имел самое прямое отношение, — квантовой механики. Шредингер высказал идею о том, что механизм наследственности основывается на совершенно ином принципе — «порядок из порядка».

Впервые он изложил свою теорию в цикле лекций, прочитанных в дублинском Тринити-колледже в 1943 году, а через год — в опубликованной на их основе книге «Что такое жизнь?», в которой он писал: «Живой организм представляется макроскопической системой, частично приближающейся в своих проявлениях к чисто механическому… поведению, к которому стремятся все системы, когда температура приближается к абсолютному нулю и молекулярная неупорядоченность снимается». Мы скоро поговорим о причинах, по которым при абсолютном нуле все объекты подчиняются скорее квантовым, нежели термодинамическим законам. По утверждению Шредингера, жизнь — это явление квантового уровня, способное летать по воздуху, ходить на двух или четырех ногах, плавать в океане, произрастать из почвы и, добавим, читать данную книгу.

Через несколько лет после выхода книги Шредингера была открыта двойная спираль ДНК, и молекулярная биология стала развиваться невероятными темпами, причем без всякой связи с квантовыми явлениями. Клонирование генов, генная инженерия, генетическая дактилоскопия и секвенирование генома разрабатывались биологами, которые в основном с удовольствием и даже с мотивированным оправданием уклонялись от погружения в сложнейшую математику квантового мира. Безусловно, иногда исследования заводили ученых на границу биологии и квантовой механики, но лишь случайно. Большинство ученых уже и не помнили о смелом заявлении Шредингера. Более того, многие из них открыто выступали против идеи о том, что для объяснения феномена жизни необходимо обратиться к квантовой механике. Так, в 1962 году британский химик и когнитивист Кристофер Лонге-Хиггинс писал: «Я помню, что несколько лет назад имела место некоторая дискуссия о возможном наличии действующих на расстоянии квантово-механических связей между ферментами и их субстратами. Данная идея совершенно справедливо была воспринята с осторожностью не только из-за бездоказательности экспериментальных данных, но и из-за тех больших трудностей, которые возникают при попытке подогнать ее под общую теорию межмолекулярных сил»[25]. Даже в книге «Что такое жизнь? Пятьдесят лет спустя», объединившей работы участников дублинского симпозиума через 50 лет после публикации Шредингера (1993), квантовая механика едва ли вообще упоминалась.

В то время заявление Шредингера было воспринято скептически еще и потому, что в научных кругах господствовали представления о том, что хрупкие квантовые состояния не могут поддерживаться в теплой, влажной и суетливой молекулярной среде внутри живых организмов. Как мы уже говорили, подобные представления являются основной причиной, по которой многие ученые ставили (а многие продолжают ставить) под сомнение тот факт, что внутренний птичий компас, возможно, работает на основе квантовых процессов и явлений. Вероятно, вы помните, что в главе 1 мы описывали квантовые свойства материи и говорили о том, что они «тонут» в хаотичном расположении молекул в больших объектах. После небольшого экскурса в термодинамику мы теперь можем точно назвать причину «растворения» этих свойств (или, по Шредингеру, причину, по которой работает принцип статистических законов «порядок из хаоса») — беспорядочные столкновения молекул, напоминающих бильярдные шары. Рассеянные частицы могут менять свое поведение и обнаруживать квантовые свойства, но лишь при определенных условиях и на очень короткий период времени. Например, мы с вами увидели, как ядра атомов водорода, содержащихся внутри нашего организма, способны выстраиваться в линию и генерировать когерентные сигналы об изменениях квантовых свойств спина, фиксируемые МР-томографом. Однако это возможно лишь при воздействии на атомы водорода сильнейшего магнитного поля, создаваемого мощнейшим магнитом и только во время такого воздействия: как только магнитное поле исчезает, частицы вновь начинают двигаться хаотично под воздействием общего молекулярного разрозненного движения, а квантовый сигнал рассеивается и становится недоступным для обнаружения. Процесс нарушения когерентности квантово-механической системы под воздействием хаотичного движения молекул макроскопической системы называют декогеренцией. Она является причиной исчезновения странных квантовых состояний частиц, из которых состоят большие неодушевленные объекты.

При повышении температуры тела увеличивается скорость молекул и сила их столкновений, поэтому декогеренция быстрее и легче происходит при высоких температурах. Но не думайте, что «высокие температуры» означают «жаркие». Даже при комнатной температуре декогеренция происходит почти мгновенно. Вот почему идея о том, что в теплых живых организмах возможны квантовые состояния, считалась, по крайней мере первоначально, крайне неправдоподобной. Только при снижении температуры объекта до абсолютного нуля (–273 °C) молекулярное движение прекращается, декогеренция сдерживается и квантовая механика наконец имеет возможность проявить себя. Значение высказывания Шредингера, которое мы привели выше, становится немного яснее. Физик имел в виду то, что жизнь каким-то образом умудряется функционировать по инструкции, которая обычно предназначена для объектов градуса на 273 холоднее, чем любой живой организм.

И все же, как утверждали Йордан и Шредингер и как увидите вы сами, если продолжите читать главы этой книги, живая материя радикально отличается от неодушевленных объектов, поскольку относительно небольшое количество высокоупорядоченных частиц (такие частицы есть внутри гена или внутри механизма птичьего компаса) могут определять состояние всего организма. Именно это явление Йордан называл усилением, а Шредингер — порядком из порядка. Цвет ваших глаз, форма носа, черты характера, интеллектуальные способности и даже предрасположенность к болезням определяются высокоупорядоченными супермолекулами, которых ровно 46: это ДНК-хромосомы, которые вы наследуете от своих родителей. Ни один неодушевленный макроскопический объект в известной нам части Вселенной не обладает подобной чувствительностью к структуре материи, настолько тонко и сложно организованной на самом глубинном уровне, где действуют уже не классические законы, а законы квантовой механики. Шредингер утверждал, что именно в этой особенности и заключается уникальность живой материи. Спустя 70 лет после первого издания книги Шредингера мы наконец-то начинаем осознавать поразительный скрытый смысл его ответа на вопрос о том, что такое жизнь.

Шестьдесят восемь миллионов лет назад, в те времена, которые мы сейчас называем меловым периодом, молодой тираннозавр прокладывает себе дорогу через редколесье речной долины в субтропические заросли. В свои 18 лет животное еще не достигло зрелости, но зато достигло примерно пять метров в высоту. С каждым тяжелым шагом многотонное тело динозавра ускоряется, приобретая достаточный импульс, чтобы сравнять с землей дерево или любое более мелкое существо, имевшее несчастье оказаться у него на пути. Его тело сохраняет свою целостность при этих разрушительных столкновениях благодаря тому, что каждая кость, сухожилие и мышца остается на своем месте благодаря прочным, но эластичным волокнам белка под названием «коллаген». Этот белок служит своего рода клеем, который скрепляет плоть, и является важным компонентом тел животных, включая нас с вами. Как все биомолекулы, он создается и разрушается самым удивительным механизмом в известной нам части Вселенной. В этой главе мы рассмотрим, как работают эти биологические наномеханизмы[27], а также обсудим новейшие данные о том, что шестеренки и рычаги этих механизмов погружаются в мир элементарных частиц, чтобы поддерживать жизнь во всех организмах, населяющих землю.

Но сначала вернемся в нашу древнюю долину. В тот самый день огромное тело динозавра, состоящее из миллионов наномеханизмов, станет причиной его гибели. Его мощные конечности, с помощью которых он так успешно охотился и разрывал пищу, окажутся бесполезными в липкой грязи речного русла, в которой увязнет динозавр. После долгих часов бесполезной борьбы огромные челюсти тираннозавра заполняются мутной водой и обессилевшее животное тонет в грязи. При других обстоятельствах его тело подверглось бы такому же быстрому разложению, как и покойники, о которых могильщик рассказывал Гамлету. Но наш динозавр утонул так быстро, что все его тело было тут же погребено в толстом слое грязи и песка. Спустя годы и века мельчайшие частицы минералов заполняли полости и поры его костей и плоти, замещая ткани животного камнем: труп динозавра превратился в окаменелость. Над ним прокладывали свои пути реки, нанося слои песка грязи и ила, пока окаменелость не оказалась погребенной под десятками метров песчаника и глины.

Примерно 40 миллионов лет спустя наступило потепление климата, реки высохли и сухие пустынные ветры разрушили слои камня, покрывающие останки динозавра. Прошло еще 28 миллионов лет, и через долину этой реки пришли представители другого двуногого вида, Homo sapiens; но прямоходящим приматам не приглянулся этот сухой и недружелюбный край. Когда в наше время здесь обосновались европейские поселенцы, они назвали эту негостеприимную местность Дурные земли Монтаны, а долину высохшей реки — Хелл-Крик (от англ. Hell Creek — «адский ручей». — Примеч. пер.). В 2002 году здесь разбила лагерь команда палеонтологов во главе со знаменитым искателем ископаемых останков Джеком Хорнером. Один из членов группы, Боб Хормон, во время завтрака заметил крупную кость, выступающую из скалы над его головой.

В течение трех лет около половины целого скелета животного было бережно извлечено из скалы. В выполнении этой нелегкой задачи были задействованы служащие инженерного корпуса армии США, научные работники и аспиранты, а также техника. Извлеченная из скалы часть скелета динозавра была перенесена в Музей Скалистых гор, расположенный в городе Бозмен, штат Монтана, и стала экспонатом под номером MOR 1255. Бедренную кость динозавра пришлось разрезать на две части, чтобы поднять на борт вертолета, в результате чего один из ее фрагментов был отломан. Джек Хорнер отдал несколько фрагментов коллеге-палеонтологу, доктору Мэри Швейцер из Университета Северной Каролины. Одним из научных интересов Мэри Швейцер был химический состав окаменелостей.

Когда Швейцер открыла коробку, ее ожидал сюрприз. Первый фрагмент, который она видела, представлял собой необычную на вид ткань внутренней поверхности (костномозговой полости) кости. Она поместила кость в кислоту, которая растворила внешний минеральный слой и открыла более глубокие структуры. Однако исследовательница случайно передержала фрагмент кости в кислоте. Когда Швейцер вернулась, все минералы фрагмента растворились. Швейцер ожидала, что вся окаменелость будет разрушена, но она и ее коллеги были крайне удивлены, когда увидели, что после воздействия кислоты сохранилась пластичная волокнистая субстанция, которая под микроскопом напоминала мягкую ткань, содержащуюся в костях современных животных. Более того, так же, как и современные кости, эта ткань содержала кровеносные сосуды, клетки крови и длинные цепи коллагеновых волокон — тот самый биологический клей, который соединял огромное животное в единое целое.

Ископаемые, в которых сохранилась структура мягких тканей, встречаются крайне редко. Фауна сланцев Берджесс, обнаруженная в канадской части Скалистых гор в провинции Британская Колумбия в период с 1910 по 1925 год, сохранила удивительно подробные отпечатки тел животных, которые плавали в морях кембрийского периода около 600 миллионов лет назад. Стоит упомянуть и знаменитого оперенного археоптерикса, жившего примерно 150 миллионов лет назад, — его останки были обнаружены в Зольнхофенском карьере в Германии. И все же ископаемые останки мягких тканей сохраняют только отпечаток биологического материала, но не вещество. Невероятно, но мягкое вещество, сохранившееся после воздействия кислоты в эксперименте Мэри Швейцер, оказалось самой настоящей мягкой тканью динозавра. Когда в 2007 году Швейцер опубликовала подробности своего открытия в журнале Science[28], ученые отнеслись к предположениям, высказанным в статье, с изумлением и большим сомнением. Несмотря на то что сохранность биомолекул на протяжении миллионов лет на самом деле является чудом, нас интересует продолжение этой истории. Чтобы доказать, что ископаемая волокнистая структура на самом деле содержит коллаген, Швейцер продемонстрировала, что белки, которые присоединяются к современному коллагену, присоединяются и к волокнам ископаемой кости. В довершение эксперимента она смешала ткань динозавра с ферментом коллагеназой — одним из многих биомолекулярных механизмов, который создает и разрушает коллагеновые волокна в живых организмах. В течение нескольких минут коллагеновые цепи, которые сохранились на протяжении 68 миллионов лет, были разрушены ферментом.

Ферменты — это движущие силы жизни. Некоторые из них, вероятно, знакомы вам, поскольку все мы применяем их в повседневной жизни. Так, протеазы добавляют в «биологические» моющие средства, устраняющие пятна, пектин добавляют в джем для придания необходимой консистенции, а реннин используется для сворачивания молока и превращения его в сыр. Ферменты, находящиеся в желудке и кишечнике человека, играют большую роль в переваривании пищи. Но это лишь самые простые примеры действия природных наномеханизмов. Все живое зависит и всегда зависело от ферментов: и первые микроорганизмы, вышедшие из первичного бульона, и динозавры, разгуливавшие по лесам юрского периода, и все организмы, живущие сейчас. Каждая клетка в вашем теле заполнена сотнями или даже тысячами молекулярных механизмов, поддерживающих непрерывный процесс сборки и разрушения биомолекул, то есть процесс, который мы называем жизнью.

В описании деятельности ферментов ключевое слово — «помощь»: их задачей является помощь в ускорении (катализации) всех видов биохимических реакций, которые в отсутствие ферментов протекали бы слишком медленно. Таким образом, добавление ферментов протеаз в моющие средства ускоряет расщепление белков в пятнах, пектиновые ферменты ускоряют расщепление полисахаридов во фруктах, а реннин ускоряет свертывание молока. Подобным образом ферменты в наших клетках ускоряют метаболизм — процесс, в ходе которого триллионы внутриклеточных биомолекул непрерывно превращаются в триллионы других биомолекул и поддерживают нашу жизнь.

Фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер добавила к кости динозавра, является всего лишь биомеханизмом, функция которого заключается в разрушении коллагеновых волокон в организме животного. Степень ускорения, которое придают реакциям ферменты, можно примерно оценить, сравнив время, необходимое для расщепления коллагеновых волокон в отсутствие ферментов (а именно, более 68 миллионов лет) и в присутствии необходимого фермента (около 30 минут): время реакции ускоряется в триллионы раз.

В данной главе мы рассмотрим, как ферменты, например коллагеназа, способны достигать таких астрономических показателей в ускорении химических реакции. Одной из сенсаций последних лет стало открытие ключевой роли квантовой механики в действии по крайней мере нескольких ферментов; а поскольку ферменты являются движущими силами жизни, то именно они и станут нашей отправной точкой в путешествии по квантовой биологии.

Люди стали применять ферменты за многие тысячелетия до их открытия и описания. Несколько тысяч лет назад наши предки превращали зерно и виноградный сок в пиво или вино с помощью добавления дрожжей, которые, по сути, представляют собой микробиологический мешочек с ферментами[29]. Люди давно поняли, что экстракты из оболочки желудка крупного рогатого скота (реннин, или сычужный фермент) ускоряют превращение молока в сыр. В течение многих столетий считалось, что эти превращающие свойства живых организмов обусловлены присущей им жизненной силой, от которой зависит и способность организмов к быстрым изменениям, а это и отличает живое («быстрое» из библейской цитаты в заголовке этого раздела) от мертвого.

В 1752 году вдохновленный механистической философией Рене Декарта французский ученый Рене Антуан Реомюр начал исследовать пищеварение — один из процессов, в котором участвовали, по предположениям ученых того времени, пресловутые жизненные силы. Ученый провел гениальный эксперимент. В то время считалось, что пища в организме животных переваривается механически, измельчаясь в ротовой полости и перемешиваясь в органах пищеварения. Эта теория подтверждалась данными, полученными в ходе изучения птиц, поскольку в их желудках обнаруживались мелкие камни, предназначенные, как считалось, для измельчения пищи — механического действия. Подобные предположения согласовывались и с идеями Рене Декарта (о них мы говорили в предыдущей главе) о механистичности животных. Но Реомюр был озадачен тем, как хищные птицы, в желудке которых камней не было, также могли переваривать пищу. Итак, он накормил ручного сокола небольшими кусочками мяса, спрятанными в крошечные металлические капсулы с небольшими отверстиями. Когда капсулы вышли из организма птицы, он обнаружил, что мясо было полностью переварено, несмотря на тот факт, что оно было заключено в металл и не могло подвергаться какому-либо механическому воздействию. Зубцы, шестеренки и рычаги явно не подходили для описания по крайней мере одной из движущих сил живого организма.

Через 100 лет после эксперимента Реомюра другой француз, химик и основатель микробиологии Луи Пастер, исследовал еще одно биологическое превращение, обусловленное, как считалось, воздействием жизненных сил. Речь идет о превращении виноградного сока в вино. Пастер доказал, что принцип превращения в ходе ферментации в действительности связан с живыми дрожжевыми клетками, присутствующими в «заквасках», которые используются в пивоваренной промышленности или при производстве хлеба. Термин «энзим» (в переводе с греческого — «в дрожжах») был введен немецким физиологом Вилли Кюне в 1877 году для описания активных веществ, участвующих в таких жизненных процессах, как, например, превращение под воздействием живых дрожжевых клеток или любых других веществ, взятых из живых тканей.

Но что же такое ферменты? Каким образом они ускоряют жизненные процессы? Давайте вернемся к разговору о коллагеназе — ферменте, который мы упомянули в самом начале главы.

Коллаген — это белок, наиболее часто встречающийся в организмах животных, в том числе и человека. Он действует как своего рода молекулярная нить, которая вплетается в ткани и между ними и связывает их между собой. Как и все белки, коллаген состоит из основных химических строительных блоков — цепей аминокислот. Они встречаются в организме в 20 вариантах. Некоторые аминокислоты (например, глицин, глутамин, лизин, цистеин, тирозин) могут быть знакомы вам как добавки к пище из магазинов здорового питания. Каждая молекула аминокислоты содержит от 10 до 50 атомов углерода, азота, кислорода, водорода и иногда серы, соединенных химическими связями в трехмерные структуры уникальной формы.

Несколько сотен закрученных аминокислотных молекулярных структур затем соединяются между собой и образуют белок, напоминающий нитку, на которую нанизаны бусины причудливой формы. Каждая бусина сцеплена со следующей с помощью пептидной связи, которая соединяет атом углерода одной аминокислоты с атомом азота следующей. Пептидные связи очень прочны; по крайней мере те, которые скрепляли коллагеновые волокна тираннозавра, выдержали 68 миллионов лет.

Коллаген является особо прочным белком, который выполняет функцию внутреннего каркаса, поддерживающего форму и структуру наших тканей. Белки сплетаются в тройные цепи, которые, в свою очередь, связываются в толстые канаты, или волокна. Эти волокна пронизывают наши ткани и связывают клетки вместе. Они также содержатся в сухожилиях, которые присоединяют мышцы к костям, и в связках, соединяющих отдельные кости. Плотная сеть таких волокон называется внеклеточным матриксом и обеспечивает целостность нашего организма.

Каждый, кто не является вегетарианцем, уже знаком с внеклеточным матриксом в виде волокнистого хряща, который можно встретить в трудноперевариваемой колбасе или в дешевых кусках мяса. Повара также знают о нерастворимом жилистом продукте, который не становится мягче даже после нескольких часов тушения. Несмотря на то что внеклеточный матрикс не очень приятно увидеть в тарелке с обедом, его присутствие в телах обедающих жизненно необходимо. Без коллагена наши тела распадутся, мышцы отвалятся от костей, а внутренние органы превратятся в желе.

Тем не менее коллагеновые волокна, содержащиеся в ваших костях, мышцах или в обеде, не являются неразрушимыми. Кипячение их в сильных кислотах или щелочах в конечном счете разрушит пептидные связи между бусинами аминокислот и превратит эти прочные волокна в растворимый желатин, желеподобное вещество, похожее на то, что используется для приготовления зефира и желе. Киноманы могут вспомнить Зефирного человека из фильма «Охотники за привидениями» — гигантское неповоротливое существо из мягкой белой массы, наводившее ужас на жителей Нью-Йорка. Но Зефирного человека с легкостью победили, превратив в расплавленный зефирный крем. В пептидных связях между аминокислотами коллагеновых волокон и заключается отличие Зефирного человека от тираннозавра. Крепкие коллагеновые волокна придают прочность организмам реальных животных.

Однако, если бы организм животного состоял только из такого прочного и долговечного материала, как коллаген, возникла бы серьезная проблема. Вспомните, что происходит, когда у вас появляется синяк или порез либо когда вы ломаете руку или ногу, — нарушается целостность тканей и поддерживающий их внеклеточный матрикс, внутренний волокнистый каркас, также повреждается или разрушается. Если дом частично разрушается во время шторма или землетрясения, перед ремонтом необходимо удалить сломанные конструкции. Подобным образом тело животного использует фермент коллагеназу, чтобы удалить поврежденные части внеклеточного матрикса и позволить ткани восстановиться — с помощью другого набора ферментов.

Особенно важно то, что внеклеточный матрикс должен постоянно перестраиваться по мере роста животного: внутренний каркас, поддерживающий ребенка, не сможет выдержать большой вес взрослого. Эта проблема особенно остро стоит перед амфибиями. Тем более интересно ее решение. Дело в том, что взрослые амфибии сильно отличаются от молодых особей. Самым простым примером метаморфоза амфибий является превращение сферического яйца в извивающегося головастика, который по мере взросления становится прыгающей лягушкой. Ископаемые останки предков лягушек — коротких бесхвостых амфибий с уникальными мощными задними конечностями — были найдены в окаменелостях юрского периода и относятся к середине мезозойской эры (около 200 миллионов лет назад), также известной как век рептилий. Они тоже могут быть обнаружены в окаменелостях, относящихся к меловому периоду. Таким образом, весьма вероятно, что подобные лягушки плавали по той же реке в штате Монтана, в которой встретил свой конец музейный экспонат MOR 1255. Однако, в отличие от динозавров, лягушки смогли пережить великое мел-палеогеновое вымирание и теперь населяют наши пруды, реки и болота, поставляя вот уже многим поколениям школьников и ученых образцы для изучения формирования и превращения организмов.

Превращение головастика в лягушку включает процессы отмирания и перестройки тканей, например хвоста, который постепенно реабсорбируется в тело и перерабатывается для формирования новых конечностей лягушки. Этот процесс требует быстрой резорбции внеклеточного матрикса, который поддерживает форму хвоста, и последующей перестройки его в формирующиеся конечности. Однако вспомните о том, что кости динозавра пролежали в горах Монтаны 68 миллионов лет — коллагеновые волокна не так легко разрушаются. Метаморфоз лягушки проходил бы очень медленно, если бы в основе его лежал химический распад коллагена под воздействием только неорганических веществ. Очевидно, тело животного не может растворить собственные сухожилия в горячей кислоте и нуждается в более мягких средствах расщепления коллагеновых волокон.

На этом этапе в процесс вступает фермент коллагеназа.

Так как же действуют коллагеназа и другие ферменты? Виталистические представления о том, что активность фермента обусловлена таинственной жизненной силой, бытовали до конца XIX века. В то время один из коллег Кюне, химик Эдуард Бухнер, доказал, что неживые экстракты из дрожжевых клеток могут стимулировать точно такие же химические превращения, как и живые клетки. Бухнер сделал революционное предположение о том, что жизненная сила — это не более чем форма химического катализа.

Катализаторы — это вещества, ускоряющие обычные химические реакции. Они уже были известны химикам XIX века. К слову, многие химические процессы, ставшие основой промышленной революции, зависели от катализаторов. Например, серная кислота была главным веществом, способствовавшим как промышленной, так и сельскохозяйственной революции. Она использовалась при производстве железа и стали, в текстильной промышленности и для получения фосфатных удобрений. Серную кислоту получают в результате химической реакции, которая запускается с помощью диоксида серы (SO₂) и кислорода (реактивы, или исходные вещества). Оба вещества реагируют с водой с образованием продукта — серной кислоты (H₂SO₄). Однако эта реакция протекает очень медленно, поэтому в таком виде ее сложно применять в промышленности. Но в 1831 году Перегрин Филипс, производитель уксуса из Бристоля (Англия), нашел способ ускорить ее путем пропускания диоксида серы через горячую платину, которая действовала как катализатор. Катализаторы отличаются от исходных веществ, участвующих в реакции, поскольку они помогают ускорить реакцию, не вступая в нее и не изменяя своей структуры. Таким образом, заявление Бухнера состояло в том, что ферменты, в сущности, не отличаются от неорганических катализаторов, открытых Филипсом.

Десятки последующих биохимических исследований в значительной степени подтвердили идею Бухнера. Первым выделенным ферментом стал реннин, образующийся в желудках телят. Древние египтяне хранили молоко в емкостях, сделанных из оболочек желудков телят. Именно им приписывается открытие такого свойства этого странного вещества, как превращение молока в более удобный для хранения сыр. Опыт древних египтян применялся до конца XIX века. В то время желудки крупного рогатого скота высушивали и продавали в аптеках как сычуг. В 1874 году датский химик Кристиан Хансен проходил собеседование, устраиваясь на работу в аптеку, когда случайно услышал заказ на дюжину сычугов. Узнав, что это такое, он решил использовать свои познания в химии для открытия более привлекательного источника сычужного фермента. Он вернулся в свою лабораторию, где разработал метод превращения жидкости, полученной в процессе вымачивания желудков телят и отличающейся весьма неприятным запахом, в сухой порошок и успешно представил свой продукт на рынке под названием «Сычужный экстракт доктора Хансена».

Реннин, или сычужный фермент, представляет собой смесь нескольких различных ферментов. В сыроварении наиболее активно используется фермент химозин, представитель большого семейства ферментов протеаз, ускоряющих расщепление белков. Его роль в производстве сыра заключается в том, что он способствует свертыванию молока, которое затем разделяют на сычужную закваску и сыворотку. Однако в организме молодого теленка данный фермент створаживает молоко, поступающее в желудок, так что оно дольше остается в пищеварительном тракте, увеличивая время всасывания. Коллагеназа также является протеазой, но способ ее выделения оставался неизвестным на протяжении еще 50 лет, пока в 1950-х годах Джером Гросс, исследователь из Гарвардской медицинской школы Бостона, не задался вопросом, как же головастик растворяет свой хвост и превращается в лягушку.

Гросс исследовал функции коллагеновых волокон как пример самоорганизации молекул, в которой, как он считал, «заключается главный секрет жизни»[30]. В качестве образца для исследований он взял огромный хвост головастика лягушки-быка, достигающий в длину нескольких дюймов. Гросс правильно предположил, что процесс реабсорбции должен состоять из многочисленных этапов сборки и расщепления коллагеновых волокон животного. Чтобы определить активность коллагеназы, он разработал простой эксперимент, в ходе которого чашка Петри наполнялась слоем похожего на молоко коллагенового геля, состоящего из прочных, крепких коллагеновых волокон. Помещая фрагменты ткани хвоста головастика на поверхность геля, он отмечал, что в зоне вокруг фрагментов эти прочные волокна расщепляются и превращаются в растворимый желатин. В результате Гросс выделил разрушающее коллаген вещество — фермент коллагеназу.

Коллагеназа присутствует в тканях лягушки и других животных, включая динозавра, утонувшего в Хелл-Крик. Еще 68 миллионов лет назад фермент выполнял ту же функцию, что и сегодня, а именно разрушал коллагеновые волокна. Когда животное погибло и провалилось в болото, фермент утратил свою активность. Тем не менее коллагеновые волокна сохранили свою структуру, пока Мэри Швейцер не добавила немного свежей коллагеназы к костным фрагментам.

Коллагеназа — только один из миллионов ферментов, от которых зависят практически все виды жизнедеятельности животных, микроорганизмов и бактерий. Одни ферменты создают коллагеновые волокна внеклеточного матрикса; другие отвечают за сборку биомолекул — белков, ДНК, жиров и углеводов; наконец, целая группа различных ферментов расщепляет и перерабатывает эти молекулы. Ферменты отвечают за пищеварение, дыхание, фотосинтез и метаболизм. Они создают всех нас. Они поддерживают нашу жизнь. Они — механизмы жизни.

Но являются ли ферменты только биологическими катализаторами, участвуя в химических реакциях наподобие получения серной кислоты и других промышленных веществ? Несколько десятилетий назад большинство биологов согласились бы с мнением Бухнера о том, что химия жизни не отличается от тех процессов, которые можно наблюдать на химических заводах или даже в наборе юного химика. Но в последние 20 лет взгляд на этот вопрос радикально изменился. В ходе нескольких ключевых исследований было сформировано абсолютно новое мнение о работе ферментов. Оказалось, что этим катализаторам жизни покоряются такие глубины, какие не подвластны классической химии, — ферменты творят чудеса и на квантовом уровне.

Чтобы понять, почему для разгадки тайны жизни нам необходима квантовая механика, мы должны сначала узнать, как работают самые простые промышленные катализаторы.

Катализаторы действуют посредством множества механизмов. Разобраться в этих механизмах помогает теория переходного состояния[31], доступно описывающая то, как катализаторы ускоряют реакции. Чтобы понять теорию переходного состояния, нужно посмотреть на проблему с другой стороны и подумать, зачем для ускорения реакций нужны катализаторы. Ответ прост: почти все химические вещества, окружающие нас, достаточно стабильны и инертны. Они не распадаются мгновенно, не вступают с другими веществами в быструю реакцию. К слову, если бы вещества именно так и поступали, их бы не было вокруг нас.

Причина стабильности привычных соединений заключается в следующем: их связи редко разрушаются вследствие неизбежного турбулентного перемещения молекул, которое всегда происходит в любом веществе. Наглядно это можно представить так: молекулы веществ, участвующие в реакции, должны преодолеть препятствия рельефа, а именно забраться на вершину холма, который находится между ними и превращением в конечный продукт (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Молекулы веществ, вступающих в реакцию (на рисунке — точки серого цвета), способны превратиться в молекулы продуктов реакции (на рисунке — точки черного цвета), но сперва они должны преодолеть энергетический «холм». При нормальной температуре молекулы не обладают достаточным количеством энергии для поднятия по склону этого «холма», однако чем выше температура, тем легче молекулы взбираются на его вершину

Энергию, необходимую для того, чтобы взобраться на склон этого «холма», молекулы получают в основном при нагревании. С повышением температуры атомы и молекулы начинают двигаться и совершать колебания быстрее. Подобная толкотня может разрушать химические связи между атомами в молекуле, а также способствовать созданию новых связей. Однако атомы более стабильных молекул (привычных для нашей среды) соединены достаточно крепкими связями, которые устойчивы к турбулентности окружающих молекул. Итак, химические соединения, окружающие нас, устойчивы благодаря тому, что их молекулы в основном стабильны[32], несмотря на их же активную толкотню.

И все же даже стабильные молекулы разрушаются, если для разрыва связи между атомами достаточно энергии. Один из источников энергии, разрушающей молекулы, — дополнительная теплота, ускоряющая их движение. При нагревании химического соединения его внутримолекулярные связи в конце концов разрушаются. Вот почему нам так часто приходится готовить еду на плите: при нагревании ускоряются химические реакции, благодаря которым сырые ингредиенты (вещества, участвующие в реакции) превращаются в съедобные продукты.

Чтобы понять, как теплота ускоряет химические реакции, обратимся к удобному наглядному примеру. Представьте, что молекулы исходного соединения — это песчинки в левом сосуде песочных часов, лежащих на боку (рис. 3.2, а).

Рис. 3.2. Смена энергетического ландшафта: а) молекулы могут перейти из сосуда с исходным веществом в сосуд с продуктом реакции, однако им необходима дополнительная энергия для достижения переходного состояния (чтобы попасть в горловину часов); б) если приподнять левый сосуд часов, молекулы исходного вещества (субстрата) приходят в состояние с большей энергией по сравнению с продуктом, что позволяет им легко проникать в правый сосуд; в) ферменты стабилизируют переходное состояние, снижая энергетический барьер (расширяя горловину наших часов), упрощая превращение молекул субстрата в молекулы продукта реакции. На рисунке R (reactants) — вещества, участвующие в реакции; P (products) — продукты реакции

Если оставить часы в состоянии покоя, никак на них не воздействуя, песчинки так и останутся лежать в левом сосуде до скончания веков, поскольку они не обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть узкую горловину и попасть в правый сосуд, символизирующий конечный продукт реакции. Молекулы исходного вещества, участвующего в химической реакции, могут получить дополнительную энергию при нагревании. Они начинают двигаться и совершать колебания с более высокой скоростью, что позволяет некоторым из них превращаться в молекулы продукта реакции. Представим, будто кто-то хорошенько встряхнул наши песочные часы и некоторые молекулы-песчинки в результате попали из левого сосуда в правый, превратившись в молекулы продукта реакции (см. рис. 3.2, б).

Еще один способ превратить субстраты в продукты заключается в том, чтобы снизить энергетический барьер, который должны преодолеть молекулы исходного вещества. Именно этим и занимаются катализаторы. Они расширяют горловину песочных часов и позволяют песку из левого сосуда беспрепятственно и с минимальными усилиями проникать в правый сосуд (см. рис. 3.2, в). Таким образом, ход реакции значительно ускоряется благодаря способности катализатора менять форму энергетического ландшафта и таким образом позволять субстратам[33] гораздо быстрее превращаться в продукты.

Поговорим подробнее о том, как это работает на молекулярном уровне. Для начала рассмотрим медленную реакцию, в ходе которой молекула коллагена расщепляется в отсутствие фермента коллагеназы[34] (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Белки — например, коллаген (а) — состоят из цепочек аминокислот, в состав которых входят атомы углерода (C), азота (N), кислорода (O) и водорода (H), связанные пептидными связями. Одна из этих связей обозначена на рисунке жирной линией. Взаимодействуя с водой (H₂O), пептидная связь может подвергаться гидролизу и разрушаться (в), однако реакция сначала должна пройти через неустойчивое переходное состояние, при котором возникают по крайней мере две различные структуры, способные превращаться друг в друга (б)

Как мы уже говорили, молекула коллагена представляет собой цепь из аминокислот, которые крепятся друг к другу посредством пептидной связи (на рисунке обозначена жирной линией), возникающей между атомами углерода и азота. Пептидная связь — лишь один из нескольких видов связей, благодаря которым атомы соединяются в молекулы. Она состоит из пары электронов, которую делят между собой атомы азота и углерода. Эти общие для двух атомов отрицательно заряженные электроны притягивают положительно заряженные ядра атомов с обеих сторон связи и представляют собой своего рода электронный клей, соединяющий атомы в пептидной связи[35].

Пептидные связи весьма устойчивы. Чтобы разрушить их, разъединив общую электронную пару, требуется большое количество «энергии активации»: связь должна преодолеть очень высокий энергетический барьер (в нашей метафоре — холм), чтобы достичь горловины песочных часов, где начинается реакция. Обычно связь не разрушается сама по себе — ей в этом помогают находящиеся рядом молекулы воды, инициируя процесс гидролиза. Чтобы этот процесс начался, молекула воды должна весьма плотно приблизиться к пептидной связи и отдать один из своих электронов атому углерода, находящемуся в этой связи (на рис. 3.3 передача электрона обозначена пунктирной линией). Эта промежуточная стадия реакции называется переходным состоянием (отсюда теория переходного состояния). Она представляет собой неустойчивую вершину энергетического «холма», который связь должна преодолеть, чтобы разрушиться в горловине песочных часов. На рисунке видно, что электрон, полученный от молекулы воды, опустился вниз до атома кислорода, соседствующего с пептидной связью. Атом кислорода с дополнительным электроном получил отрицательный заряд. Соответственно молекула воды, отдавшая электрон, осталась в переходном состоянии с положительным зарядом.

В этом моменте ситуация усложняется. Давайте разбираться. Будем считать, что молекула воды (H₂O) положительно заряжена не потому, что потеряла один электрон, а потому, что теперь в ней есть голое ядро атома водорода — его протон, обозначенный знаком «+» на рисунке. Этот протон с положительным зарядом больше не имеет строго закрепленного за ним места внутри молекулы воды и становится делокализованным в квантово-механическом смысле (об этом мы говорили выше). Несмотря на то что этот протон почти все время остается внутри своей молекулы воды (см. рис. 3.3, б, схема слева), иногда он оказывается немного дальше, ближе к атому азота (см. рис. 3.3, в, схема справа) на другом конце пептидной связи. В таком положении наш блуждающий протон способен притянуть к себе один из электронов, образующих пептидную связь, и, таким образом, разрушить ее.

Подобное происходит нечасто. Дело в том, что переходные состояния (как, например, то, которое мы изобразили на рис. 3.3, б) очень кратковременны. Они настолько неустойчивы, что разрушаются легчайшим «толчком». Например, отрицательно заряженный электрон, который отдает молекула воды, легко возвращается назад и исходные вещества принимают прежнюю форму (на рисунке это показано жирной стрелкой). Такой сценарий гораздо более вероятен, чем реакция, в результате которой разрушается пептидная связь. Обычно пептидные связи не разрушаются. Так, в нейтральных растворах (не в кислых и не в щелочных) пептидная связь белка разрушится лишь наполовину более чем за 500 лет (этот временной отрезок называют периодом полупротекания реакции).

Разумеется, все описанное выше происходит именно так в отсутствие ферментов. Теперь нам предстоит узнать, как фермент способствует ускорению процесса гидролиза. Согласно теории переходного состояния, катализаторы ускоряют химические процессы (в том числе разрушение пептидной связи), делая переходное состояние более устойчивым и тем самым повышая вероятность формирования исходных продуктов. Катализаторы действуют различными способами. Например, положительно заряженный атом металла, находящийся вблизи связи, способен нейтрализовать отрицательно заряженный атом кислорода в переходном состоянии, стабилизируя его (в этом случае атом кислорода не будет спешить расставаться с электроном, полученным от молекулы воды). Придавая переходным состояниям устойчивость, катализаторы ускоряют реакцию, выполняя функцию расширения горловины песочных часов, в которых, как мы с вами представляли, данная реакция протекает.

Теперь пришло время выяснить, способна ли теория переходного состояния в рамках предложенной аналогии с песочными часами объяснить то, как ферменты ускоряют все остальные реакции, необходимые для поддержания жизни.

Итак, фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер использовала для разрушения коллагеновых волокон, выделенных из кости древнего тираннозавра, был обнаружен Джеромом Гроссом в организме лягушки. Как вы помните, этот фермент необходим для того, чтобы преобразовать внеклеточный матрикс головастика в тот период, когда все его ткани, клетки и биомолекулы перестраиваются и он превращается во взрослую лягушку. В организме динозавра данный фермент выполнял ту же функцию. Более того, он продолжает выполнять ее в человеке: коллагеназа расщепляет коллагеновые волокна, способствуя росту и преобразованию тканей развивающегося организма или в период восстановления после травмы. Чтобы увидеть ферментативный процесс в действии, обратимся к идее, высказанной Ричардом Фейнманом в революционной для науки лекции «Там, внизу, полно места!», с которой он выступил в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году. Считается, что лекция Фейнмана стала интеллектуальным фундаментом сферы нанотехнологий — технического проектирования на уровне атомов и молекул. Кроме того, идеи Фейнмана вдохновили создателей фильма «Фантастическое путешествие», вышедшего на экраны в 1966 году. По сюжету картины подводная лодка с экипажем ученых и врачей уменьшается до размеров молекулы и внедряется в мозг пациента с целью обнаружить и ликвидировать тромб. Чтобы разобраться в ферментативном процессе, мы также отправимся с вами в путешествие на воображаемой наноподлодке. Цель нашего путешествия — хвост головастика.

Для начала нам необходимо найти головастика. В ближайшем пруду мы обнаружим кладку лягушачьей икры и аккуратно перенесем горсть желеобразных шариков, покрытых черными точками, в стеклянный резервуар. Через какое-то время мы заметим, что некоторые икринки подергиваются, а еще через несколько дней из них появятся крошечные головастики. Рассмотрев через увеличительное стекло их основные черты — относительно большую голову с тупой мордочкой и маленьким ртом, глазки по бокам и жабры, напоминающие перышки, расположенные перед длинным хвостовым плавником, — мы обеспечим головастиков достаточным количеством пищи (водорослями) и станем ежедневно наблюдать за ними. На протяжении нескольких недель мы не увидим никаких изменений в форме тела этих существ, зато останемся под сильным впечатлением от того, насколько быстро они увеличатся в объеме и вытянутся в длину. Приблизительно через восемь недель мы заметим, что жабры головастиков втянулись внутрь тела, а на их месте появились передние конечности. Пройдет еще недели две, и из того места, откуда растет крепкий хвостик головастика, появятся задние лапки. С этого момента мы станем чаще наблюдать за головастиками, поскольку темпы изменений, которые претерпевают растущие животные, значительно ускорятся. Жабры и жаберные карманы головастика полностью исчезают, а глаза сдвигаются выше. К списку колоссальных изменений внешнего вида головастика добавляется также резкое сокращение длины его хвоста. Как раз этого мы и ждали. Теперь пришло время погрузиться на борт нашей наноподлодки, отправиться в путешествие по стеклянному резервуару и приступить к исследованию одного из самых удивительных превращений, возможных в природе.

Как только наше судно погружается в резервуар, мы получаем уникальную возможность рассмотреть некоторые детали превращения головастика в лягушку, например удивительные изменения кожи. Кожный покров головастика становится плотнее, тверже, на нем появляются слизистые железы, секрет которых сохраняет влажность и упругость кожи лягушки, когда она покидает пруд и выбирается на сушу. Наноподлодка погружается в одну из этих желез, и мы попадаем в кожный покров земноводного. Благополучно преодолев несколько клеточных барьеров, мы попадаем в кровеносную систему исследуемого животного. Путешествуя по венам и артериям молодой лягушки, мы становимся свидетелями многочисленных изменений, происходящих в организме, внутри которого мы с вами находимся в гостях. Из зачатков дыхательных органов, первоначально напоминавших сумочки, формируются легкие, которые вскоре расширяются и наполняются воздухом. Длинный, изогнутый кишечник головастика, приспособленный для переваривания водорослей, выпрямляется и становится похожим на кишечник хищника. Его прозрачный хрящевой скелет, в том числе и спинная струна (примитивная форма позвоночника, проходящая по всей длине тела головастика), приобретает плотную, непрозрачную структуру, поскольку хрящ заменяется костью. Следуя к нашей цели, мы плывем вдоль формирующегося позвоночника вниз, к хвосту головастика, где начинается процесс его втягивания в растущий организм лягушки. Здесь мы хорошо можем рассмотреть толстые, бороздчатые мышечные волокна, очень плотные по всей длине.

Если мы еще уменьшимся в размерах, то сможем увидеть следующее: каждое из мышечных волокон состоит из длинных столбцов цилиндрических клеток. Именно эти клетки, периодически сокращаясь, обеспечивают перемещение головастика в пространстве. Цилиндрические клетки мышечных волокон окружены плотной сетью перекрученных нитей: это и есть внеклеточный матрикс, цель нашего путешествия. Матрикс сейчас претерпевает существенные изменения. Отдельные его нити распутываются и высвобождают застрявшие в них мышечные клетки, которые, вырываясь на свободу, вливаются в поток большого переселения клеток из исчезающего хвоста головастика в тело взрослой лягушки.

Давайте уменьшимся еще немного и внимательнее рассмотрим одну из распутывающихся нитей разрушающегося внеклеточного матрикса. Приблизившись, мы увидим, что нить матрикса, словно веревка, сплетена из тысяч отдельных белковых проводков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из пучков коллагеновых волокон. Каждая молекула коллагена представляет собой сплетение из трех белковых цепей (о подобных цепях, на которые, как бусины, нанизаны аминокислоты, мы уже говорили, обсуждая кость динозавра). Три цепи молекулы коллагена закручены в плотную спираль, напоминающую спираль ДНК, только тройную, а не двойную. Наконец перед нами предстает истинная цель нашего путешествия — молекула фермента коллагеназы. Она напоминает моллюска, вцепившегося в одну из нитей коллагена и сползающего по ней, раскручивая цепочки тройной спирали и разъединяя пептидные связи, которые держат на одной цепочке аминокислотные бусинки. Таким образом, у нас на глазах за одно мгновение разрушается цепочка, которая в отсутствие коллагеназы сохранила бы свою целостность на протяжении миллионов лет. Рассмотрим поближе, как происходит распад цепочки коллагена.

Мы уменьшаемся и отправляемся в путешествие на молекулярном уровне, где объекты имеют размер несколько нанометров (несколько миллионных миллиметра). Представить себе такой крошечный масштаб невероятно трудно, поэтому для сравнения оцените размер буквы «о» на этой странице. Если бы мы с вами уменьшились до размера в несколько нанометров, то буква «о» приняла бы для нас такие же размеры, как территория Соединенных Штатов Америки при нашем нормальном росте. В таких условиях мы сможем рассмотреть, что внутреннее пространство клетки плотно заполнено молекулами воды, ионами металлов[36] и многочисленными и разнообразными биомолекулами, среди которых встречаются аминокислоты причудливой формы. Этот шумный, заполненный до краев молекулами пруд непрерывно пребывает в волнении и движении. Молекулы вращаются, совершают колебания, сталкиваются друг с другом, словно бильярдные шары, о которых мы с вами говорили выше.

Среди всей этой толчеи беспорядочно движущихся молекул мы видим моллюскообразные ферменты, ползущие по волокнам коллагена. Движение молекул коллагеназы не похоже на то, как ведут себя остальные молекулы. Мы приближаемся к одной из молекул фермента как раз в тот момент, когда она движется вдоль коллагеновой белковой цепи. На первый взгляд молекула коллагеназы кажется тяжелой и бесформенной. Создается впечатление, что она хаотично собрана из разрозненных частей. Однако коллагеназа, как и все ферменты, имеет четкую структуру, в которой каждый атом занимает строго отведенное ему место. Кроме того, в отличие от беспорядочного пихания окружающих молекул, фермент исполняет изящный и слаженный молекулярный танец, обвиваясь вокруг коллагеновой нити, раскручивая ее спираль, чтобы сделать аккуратный надрез как раз в том месте, где пептидная связь скрепляет аминокислоты. Затем коллагеназа сворачивается и направляется дальше, к следующей пептидной связи в цепочке, чтобы разрушить ее. Это вовсе не уменьшенные копии механизмов, сделанных рукой человека, которые встроены в клетку и приводятся в движение хаотичными толчками беспорядочно разлетающихся в разные стороны частиц, напоминающих бильярдные шары. Это своеобразные нанороботы, сотворенные природой, которые исполняют внутри клетки тщательно поставленный танец. Каждое движение этого танца оттачивалось на протяжении миллионов лет в процессе естественного отбора, чтобы теперь управлять элементарными частицами живой материи.

Обратим все свое внимание на процесс разрушения пептидной связи. Для этого мы опускаемся к похожему на прищепку ответвлению молекулы фермента, которое, словно моллюск челюстью, фиксирует на месте субстраты реакции — белок коллаген и одну молекулу воды. Это место является активным центром фермента, его мастерской, в которой осуществляется ускорение распада пептидных связей, или, вспоминая нашу аналогию, разгибание и расширение горловины энергетических песочных часов. Хореографическая постановка, разворачивающаяся в молекулярном центре управления, отличается от той беспорядочной толкотни, которую устраивают другие молекулы вокруг фермента. Более того, этот танец играет несоизмеримо более важную роль в жизнедеятельности лягушки, чем движение любой другой молекулы.

Активный центр фермента изображен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Разрыв пептидной связи (обозначена жирной линией) коллагена в активном центре фермента. Переходное состояние субстрата обозначено пунктирными линиями. Шарик внизу, чуть левее от центра рисунка, — положительно заряженный ион цинка; карбоксильная группа COO вверху принадлежит молекуле глутаминовой кислоты (аминокислота, находящаяся в активном центре фермента). Обратите внимание, что параметры масштаба расстояний между молекулами на рисунке не выдержаны

Правда ли, что в основе подобной хореографии молекул лежат квантово-механические явления? Мы говорили о том, что способность коллагеназы ускорять распад пептидных связей зависит от нескольких каталитических механизмов. Химики ежедневно используют эти механизмы для ускорения химических реакций, вовсе не прибегая к квантовой механике. Например, атом цинка в активном центре фермента играет такую же роль, какую раскаленная платина играла в получении серной кислоты в ходе реакции, которую провел в XIX веке Перегрин Филипс. Неорганические катализаторы полагаются скорее на хаотичное движение молекул, нежели на их блестяще поставленный танец, когда им требуется подвести каталитические группы ближе к субстратам и таким образом ускорить химическую реакцию. Возможно, ферментативный катализ представляет собой лишь совокупность простых и давно известных каталитических механизмов, которые заключены в активный центр фермента и высекают оттуда ту самую искру, из которой разгорается жизнь?

До недавнего времени все специалисты по ферментам в один голос ответили бы вам: да, так и есть. Общепринятая теория переходного состояния и ее описания различных процессов, продлевающих промежуточные состояния, считались лучшим объяснением принципа действия ферментов. Однако, когда ученые приняли во внимание все сопутствующие факторы, возникли сомнения. Так, например, различные возможные механизмы, ускоряющие реакцию, в ходе которой распадается пептидная связь (мы говорили о них выше в этой главе), хорошо изучены. Каждый из них в отдельности увеличивает коэффициент усиления в 100 раз. Если же совместить все эти факторы, реакция будет протекать в миллион раз быстрее. И все же такое ускорение ничтожно мало по сравнению с коэффициентом усиления реакции с участием фермента: кажется, между теорией и практикой пролегла пропасть.

Еще один интересный вопрос заключается вот в чем: как различные изменения в структуре ферментов влияют на их же активность. Например, коллагеназа, как все ферменты, состоит в основном из белковой основы, на которой держатся челюсти и зубы фермента, расположенные в его активном центре. Можно предположить, что замена аминокислот, формирующих челюсти и зубы активного центра, повлечет изменения в эффективности фермента. Так и есть. Более того, замена аминокислот, расположенных далеко от активного центра фермента, также весьма серьезно будет влиять на его эффективность. Теория переходного состояния пока не может объяснить, почему такие, казалось бы, незначительные изменения в структуре фермента влекут за собой такие серьезные последствия. Оказывается, этот вопрос проясняется благодаря объяснительной силе квантовой механики. Мы вернемся к этому обсуждению в последней главе нашей книги.

Стоит упомянуть и о том, что теория переходного состояния так и не предложила ни одного способа создать искусственный фермент, который действовал бы как настоящий. Вспомните знаменитое высказывание Ричарда Фейнмана: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Это можно сказать и о ферментах, поскольку, несмотря на то что нам известно о них практически все, никому еще не удалось получить искусственный фермент, который имел бы такой же коэффициент ускорения реакции, как любой природный фермент[38]. Согласно критерию Фейнмана, мы до сих пор не понимаем, как действуют ферменты.

Однако взгляните еще раз на рис. 3.4 и попробуйте ответить на вопрос, что делает фермент. Ответ достаточно очевиден: ферменты манипулируют отдельными атомами, протонами и электронами внутри молекул и в межмолекулярном пространстве. До сих пор мы говорили о том, что все эти частицы ведут себя словно крошечные сгустки электрического заряда, перекатывающиеся туда-сюда внутри шаростержневых молекул. Тем не менее, как мы узнали из содержания данной главы, электроны, протоны и даже целые атомы вовсе не похожи на обычные шары, поскольку они подчиняются законам квантовой механики, включая те странные законы, которые связаны с явлением когерентности. В макромире — мире бильярдных шаров — эти законы нейтрализуются процессом декогеренции. Все же бильярдные шары — не очень подходящая модель для описания элементарных частиц. Итак, чтобы понять, что на самом деле происходит внутри активного центра фермента, мы должны отвлечься от представлений, навязанных классической физикой, и погрузиться в удивительный мир квантовой механики. В этом мире объекты могут участвовать одновременно в двух или ста процессах, образовывать таинственные связи между собой и преодолевать непроницаемые барьеры. Подобных трюков не совершал еще ни один бильярдный шар.

Как мы уже знаем, одно из основных действий фермента заключается в том, чтобы перемещать электроны внутри молекул субстратов. Так, например, коллагеназа перемещает электроны внутри молекулы пептида. Однако электроны могут менять местоположение не только внутри молекул. Их можно переносить из одной молекулы в другую.

Самый обычный тип реакции с переносом электронов в химии протекает в ходе окисления. Реакция окисления происходит, когда в атмосфере воздуха сгорают углеродные виды топлива, например уголь. Окисление заключается в переходе электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору. При горении куска угля высокоэнергетические электроны атомов углерода перемещаются и участвуют в формировании низкоэнергетических связей внутри атомов кислорода, способствуя образованию углекислого газа. Данная реакция сопровождается интенсивным выделением тепла от пламени. Мы используем тепловую энергию, выделяющуюся в результате горения, для обогрева домов, приготовления пищи, превращения воды в пар, который приводит в движение паровоз или раскручивает турбину для производства электричества. Тем не менее горение угля или двигатели внутреннего сгорания представляют собой весьма примитивные и неэффективные виды использования энергии электронов. Очень давно природа открыла намного более эффективный способ освоения этой энергии — через процесс дыхания.

Мы привыкли к представлениям о дыхании как о двухэтапном процессе: первый этап — вдох, то есть наполнение легких необходимым кислородом, и второй этап — выдох, то есть выделение углекислого газа как побочного продукта. Однако на самом деле дыхание представляет собой комбинацию из первого (подача кислорода) и последнего (выделение углекислого газа) этапов более сложного и упорядоченного молекулярного процесса, который протекает в каждой клетке нашего организма, а именно в сложных органеллах[39] под названием «митохондрии». Своим внешним видом митохондрии похожи скорее на бактериальные клетки, запрятанные внутрь наших животных клеток, поскольку они имеют собственные структурные единицы (мембраны) и даже собственную ДНК. Кстати, весьма вероятно, что митохондрии появились в результате захвата симбиотических бактерий предками современных животных и растительных клеток. Этот «захват» произошел сотни миллионов лет назад, и с тех пор захваченные клетками бактерии утратили способность существовать отдельно. Тем не менее вероятное происхождение митохондрий от независимых бактериальных клеток объясняет их способность совершать такой невероятно сложный процесс, как дыхание. К слову, если говорить о химической сложности процессов, дыхание занимает едва ли не второе место, уступая по сложности лишь фотосинтезу, о котором мы поговорим в следующей главе.

Чтобы понять, какую роль здесь играет квантовая механика, стоит упрощенно объяснить, что происходит в процессе дыхания. Однако даже в упрощенном виде дыхание представляет собой последовательность удивительных процессов, которые являют собой настоящее чудо, создаваемое биологическими наномеханизмами. Дыхание начинается со сгорания углеродного топлива — в данном случае питательных веществ, которые мы получаем с пищей. Так, углеводы распадаются в желудочно-кишечном тракте человека на моносахариды, в том числе глюкозу, которые попадают в кровь и доставляются ею к клеткам, нуждающимся в энергии. Кислород, необходимый для сжигания этого сахарного топлива, поставляется к тем же клеткам через кровь из легких. Как и при сгорании угля, электроны, находящиеся на внешних орбитах атомов углерода в молекуле, перемещаются в молекулу восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). Однако вместо мгновенного сцепления с атомами кислорода электроны переносятся от одного фермента к другому по внутриклеточной дыхательной цепи белков, словно палочка, которую бегуны передают друг другу во время эстафетной гонки. В каждом звене этой цепи переноса электрон попадает в более низкое энергетическое состояние, при этом разница в энергии используется для того, чтобы привести в действие ферменты, которые выкачивают протоны из митохондрий. Протон, вытесненный из митохондрии, затем используется для приведения в действие еще одного фермента — АТФазы, образующего молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ играет важную роль для всех живых клеток, а именно роль источника энергии, которая быстро переносится по клетке. АТФ обеспечивает энергией такие важные для организма процессы, как движение и сокращение мышц.

По своим функциям ферменты, приводимые в действие электронами и выкачивающие протоны, напоминают гидроаккумулирующую электростанцию, которая создает запас энергии, закачивая воду на горный склон. Аккумулируемая энергия в любой момент может быть высвобождена — стоит только пустить воду вниз по склону, и она запустит турбину, которая начнет производить электрическую энергию. Подобным образом ферменты дыхательной цепи выкачивают протоны из митохондрий. Когда протоны выходят из митохондрий наружу, они приводят в действие своего рода внутриклеточную турбину — фермент АТФазу. Фермент начинает свою работу и обусловливает очередной молекулярный танец, в результате которого из молекулы фермента и фосфатной группы образуется АТФ.

Продолжая нашу аналогию процесса порабощения энергии с эстафетной гонкой, представим, что вместо палочки бегуны передают друг другу бутылку с водой (бутылка символизирует энергию электронов). Кроме того, каждый спортсмен (представляющий фермент) сначала отпивает глоток воды из бутылки и только затем передает ее следующему бегуну. Так продолжается до тех пор, пока оставшаяся в бутылке вода не выливается в стоящее на финише ведро (кислород). Захват энергии электрона мелкими порциями делает весь процесс более эффективным по сравнению с вливанием электронов напрямую в кислород — потери тепловой энергии практически не происходит.

Итак, основные этапы дыхательного процесса вовсе не привычные для нас вдох и выдох, а упорядоченная передача электронов в эстафетной гонке с участием ферментов, которая проходит внутри наших клеток. Каждое звено цепи, на котором осуществляется передача электрона от одного фермента другому, составляет в длину несколько десятых ангстрема. В это расстояние укладывается много атомов, поэтому предполагалось, что электроны не могут перескочить через такую пропасть. Загадка дыхательного процесса заключается в том, как ферментам удается так быстро и успешно перебрасывать электроны через подобные молекулярные пропасти.

Впервые этим вопросом задался еще в начале 1940-х годов американский биохимик венгерского происхождения Альберт Сент-Дьерди, ставший в 1937 году лауреатом Нобелевской премии по медицине за открытие витамина C. В 1941 году Сент-Дьерди выступил с публичной лекцией «Навстречу новой биохимии». В ней ученый высказал предположение о том, что легкость, с которой электроны передаются от одной биомолекулы к другой, напоминает движение электронов в полупроводниках, например внутри кремниевых кристаллов, используемых в электронике. Однако всего через несколько лет было обнаружено, что белки плохо проводят электричество, поэтому электроны передаются от фермента к ферменту вовсе не тем способом, о котором говорил Сент-Дьерди.

Значительные успехи в химии были достигнуты в 1950-е годы. Выдающейся фигурой того времени является канадский химик Рудольф Маркус, основоположник теории, которая впоследствии была названа его именем (теория Маркуса). Теория Маркуса предлагает объяснение скорости, с которой электроны движутся и переходят из одних атомов и молекул в другие. За вклад в теорию переноса электронов Маркус был удостоен Нобелевской премии по химии в 1992 году.

Тем не менее полвека назад ответ на вопрос о том, каким образом ферменты, в особенности ферменты дыхательной цепи, способны совершать передачу электронов с высокой скоростью через громадные по молекулярным меркам расстояния, оставался загадкой. Существовало предположение о том, что белки последовательно сменяли друг друга в цепи, работая по принципу заводных механизмов, которые подводили далекие друг от друга молекулы на близкое расстояние, таким образом позволяя электронам совершать прыжок из одной в другую. В дополнение к этому предположению высказывалась важная идея о том, что действие подобного механизма будет значительно замедляться при низких температурах, когда возникнет недостаток тепловой энергии, необходимой для запуска этого заводного механизма. Однако в 1966 году произошел первый мощнейший прорыв в истории квантовой биологии, заключавшийся в результатах экспериментов, которые провели в Пенсильванском университете два американских химика — Дон Де-волт и Бриттон Чанс. Ученые доказали, что, вопреки ожиданиям, скорость переноса электронов ферментами дыхательной цепи не снижается при низких температурах[40].

Дон Де-волт родился в 1915 году в штате Мичиган, однако во время Великой депрессии его семья переехала на Запад. Он учился в Калифорнийском технологическом институте, а также в Калифорнийском университете в Беркли и получил докторскую степень по химии в 1940 году. Де-волт был ярым борцом за права человека. Во время Второй мировой войны он провел некоторое время в заключении за уклонение от военной службы. В 1958 году он отказался от должности профессора химии в Калифорнийском университете и переехал в штат Джорджия, где принимал активное участие в борьбе за расовое равноправие. Он обладал силой убеждения, был всей душой предан идее прав человека. Кроме того, он был сторонником мирных протестов, поэтому оказывался беспомощным в случае нападений, которые случались во время демонстраций с участием чернокожих активистов. Во время одного из маршей протеста ему сломали челюсть, когда на группу белых и чернокожих протестующих напала толпа. Однако это его не остановило.

В 1963 году Де-волт получил должность в Пенсильванском университете и стал работать вместе с Бриттоном Чансом, который был всего на два года старше, однако уже прославился на весь мир как один из самых выдающихся ученых в своей отрасли. Чанс получил две докторские степени — по физической химии и по биологии, поэтому его «отрасль» была достаточно широка, а научные интересы — многообразны. Большую часть времени он посвящал изучению структуры и функций ферментов, однако у него оставалось время и на занятия спортом: в 1952 году он стал золотым призером Олимпийских игр в парусном спорте.

Чанса интересовал вопрос о том, каким образом свет способствует передаче электронов от дыхательного фермента цитохрома к кислороду. Совместно с Мицуо Нишимура Чанс обнаружил, что перенос электронов из цитохрома к кислороду осуществляется внутри бактерии Chromatium vinosum даже в том случае, если ее клетки охлаждаются до температуры жидкого азота, то есть до –190 °C[41]. Однако было неясно, претерпевал ли процесс передачи электронов какие-либо изменения со снижением температуры. Ответ на этот вопрос мог бы пролить свет на работу всего молекулярного механизма, участвующего в передаче электронов. Чанс понял, что необходимо придать большую скорость начальному этапу реакции короткой, но сильной вспышкой света. Вот где пригодился опыт Дона Де-волта, который несколько лет проработал научным консультантом в небольшой компании, занимавшейся разработкой лазера, способного производить подобные световые импульсы.

Де-волт и Чанс провели совместный эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал короткую вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. Ученые обнаружили, что при снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Это и ожидалось в случае, если процесс переноса электронов зависел только от количества тепловой энергии. Тем не менее, когда Де-волт и Чанс установили температуру реакции ниже 100 К, произошло нечто странное. Скорость процесса переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и продолжала оставаться неизменной, пока температура не упала до 35° выше абсолютного нуля (–238 °C). Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов, описанных выше. За ответом вновь следует отправиться в квантовый мир, а именно рассмотреть такое явление, как квантовое туннелирование, которое мы упоминали в главе 1.

Из главы 1 вы, должно быть, помните, что квантовое туннелирование — это процесс, в ходе которого частицы преодолевают непреодолимые барьеры с той же легкостью, с какой звук проходит сквозь стены. Квантовое туннелирование было открыто в 1926 году немецким физиком Фридрихом Хундом и вскоре после этого было успешно использовано Георгием Гамовым, Рональдом Гернеем и Эдвардом Кондоном для объяснения понятия радиоактивного распада, причем все трое применили при этом новую в то время математику квантовой механики. Квантовое туннелирование стало одним из главных понятий ядерной физики, а впоследствии нашло широкое применение в материаловедении и химии. Как мы уже говорили, этот эффект имеет огромное значение для земной жизни, поскольку именно благодаря ему пары положительно заряженных ядер водорода, находящиеся внутри Солнца, сливаются воедино, начиная тем самым процесс превращения водорода в гелий, при котором выделяется огромное количество солнечной энергии. И все же до недавнего времени никто не предполагал, что квантовое туннелирование как-то связано с процессами, протекающими в живой материи.

Квантовое туннелирование можно понимать как способ, с помощью которого частицы, находящиеся сначала по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону, причем здравый смысл подсказывает, что этот способ невозможен. Под «барьером» мы подразумеваем физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства — что-то похожее на силовые поля из научной фантастики. Такой барьер может представлять собой узкий участок изоляционного материала, разделяющего проводники, или пустое пространство, например расстояние между двумя ферментами в дыхательной цепи. Он также может быть чем-то вроде энергетического «холма», который мы описывали выше, и ограничивать скорость протекания химических реакций (см. рис. 3.1). Представьте себе мячик, который толкнули вверх по склону невысокого холма. Для того чтобы мячик докатился до вершины, а затем скатился вниз по другому склону, необходимо толкнуть его достаточно сильно. Поднимаясь по склону, мяч будет замедлять движение и без необходимого количества энергии (полученной при достаточно сильном толчке) просто остановится и скатится туда, откуда его толкнули. Согласно классической механике Ньютона, единственный способ заставить мяч преодолеть барьер в виде вершины холма заключается в том, чтобы придать ему достаточное количество энергии для преодоления этой «энергетической» вершины. Но если бы на месте мяча оказался, скажем, электрон, а холм представлял бы собой барьер энергии отталкивания, существовала бы вероятность того, что электрон преодолел бы этот барьер в виде волны, прокладывая себе альтернативный и более эффективный путь. Это и есть квантовое туннелирование (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Квантовое туннелирование сквозь энергетический ландшафт

Де-волт и Чанс провели свой знаменитый эксперимент в 1966 году. Прошло всего несколько лет, и неожиданный температурный профиль эксперимента оказался вполне объяснимым. Джон Хопфилд — еще один американский ученый, сфера интересов которого охватывает несколько научных дисциплин — от молекулярной биологии и физики до компьютерных технологий. Хопфилд знаменит прежде всего как изобретатель ассоциативной нейронной сети, однако его всегда интересовали также и физические процессы, имеющие большое значение для биологии. В 1974 году он опубликовал работу под названием «Перенос электронов между биомолекулами путем термоактивированного туннелирования»[42], в которой предложил теоретическую модель, объясняющую результаты эксперимента Де-волта и Чанса. Хопфилд указал на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний будет недостаточно для того, чтобы поддержать ферментативную реакцию. Однако Де-волт и Чанс обнаружили, что реакция не прекращается при низких температурах. Хопфилд предположил, что при низких температурах электрон приводится в положение, при котором он оказывается на середине склона энергетического холма, при этом расстояние до вершины, которое он должен преодолеть, становится короче, а шансы на успешное осуществление квантового туннелирования — выше. И он оказался прав: перенос электронов путем туннелирования происходит даже при очень низких температурах, как и показали Де-волт и Чанс.

В наши дни не многие ученые ставят под сомнение тот факт, что электроны путешествуют по дыхательным цепям путем квантового туннелирования. Это позволяет отнести важнейшие реакции покорения энергии в живых и (нефотосинтезирующих) микробных клетках строго к сфере квантовой биологии (о фотосинтезирующих клетках мы будем говорить в следующей главе). Однако электроны очень легкие, даже по меркам квантового мира, а их поведение явно имеет волновую природу. Таким образом, их движение нельзя описывать как хаотичное толкание и отскакивание друг от друга по аналогии с классическими маленькими частицами, несмотря на то что во многих стандартных работах по биохимии, опирающихся на планетарную модель атома, их движение описывается именно так. Намного более обоснованными и подходящими являются представления об электронах в атоме как о расфокусированном волновом облаке «электронности», которое окружает крошечное ядро, — «облаке вероятности», о котором мы говорили в главе 1. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что электронные волны способны проходить сквозь энергетические барьеры, словно звуковые волны сквозь стены (см. главу 1), даже в биологических системах.

А как насчет более крупных частиц, таких как протоны или даже целые атомы? Возможно ли их участие в квантовом туннелировании в биологических системах? Скорее всего, вы думаете, что это невозможно. Даже один протон в две тысячи раз тяжелее электрона, а ведь известно, что механизм квантового туннелирования весьма избирателен в этом плане: маленькие частицы легко преодолевают барьеры, в то время как крупные частицы испытывают в этом значительные трудности до тех пор, пока расстояние до вершины барьера не становится слишком малым. Тем не менее недавние блистательные эксперименты показали, что даже относительно крупные частицы осуществляют квантовое туннелирование в ходе ферментативных реакций.

Как вы помните, фермент коллагеназа (см. рис. 3.4) не только стимулирует перенос электронов, но и перемещает протоны с целью ускорить распад коллагеновой цепи. Как уже упоминалось, данная реакция является одним из самых распространенных типов манипулирования частицами, которое осуществляют ферменты. Перемещение атома водорода происходит в каждой третьей реакции с участием ферментов. Обратите внимание на то, что под словосочетанием «атом водорода» могут подразумеваться разные частицы: нейтральный атом водорода (H), состоящий из электрона, окружающего ядро атома (протон); положительно заряженный ион водорода (H⁺), представляющий собой голое ядро — протон без электрона; или отрицательно заряженный ион — атом водорода с дополнительным электроном (H^-).

Как скажет вам любой уважающий себя химик или биохимик, перемещение атомов (хорошо, протонов) водорода внутри одной молекулы или между двумя разными не обязательно подразумевает некий квантовый эффект или по крайней мере явление, для объяснения которого мы должны обращаться к замысловатым процессам квантового мира, например к туннелированию. В самом деле, считается, что в большинстве реакций, протекающих при температурах, при которых возможна жизнь, протоны перемещаются от молекулы к молекуле в основном неквантовыми тепловыми скачками. Однако туннелирование протонов происходит в ходе нескольких реакций, для которых характерна относительная независимость от температуры — реакций, похожих на ту, которую провели Де-волт и Чанс, чтобы продемонстрировать туннелирование электронов.

Жизнь возможна при высоких температурах (по меркам квантового мира). Поэтому на протяжении почти всей истории биохимии ученые полагали, что перенос протонов в ферментативных реакциях обусловлен исключительно неквантовым механизмом скачка через энергетический барьер[43]. Уверенность биохимиков пошатнулась в 1989 году, когда Джудит Клинман и ее коллеги из Беркли впервые доказали участие протонов в квантовом туннелировании в ходе ферментативных реакций[44]. Клинман давно указывала на большое значение туннелирования протонов для молекулярного механизма жизни. Более того, она утверждала, что это один из самых важных и наиболее распространенных механизмов во всей биологии. Открытие было совершено ею в ходе изучения конкретного фермента, а именно алкогольдегидрогеназы (АДГ), чья функция заключается в переносе протона из молекулы спирта в другую небольшую молекулу НАД+ и образовании НАДН (никотинамидадениндинуклеотида, молекулы, о которой мы уже говорили как об основном энергетическом барьере клетки). Команде ученых под руководством Клинман удалось подтвердить возможность туннелирования протонов, используя искусную технику кинетического изотопного эффекта. Эта идея хорошо известна в химии и заслуживает нашего с вами внимания, поскольку она доказывает едва ли не главное предположение квантовой биологии. На протяжении книги мы еще много раз будем обращаться к кинетическому изотопному эффекту.

Вы когда-нибудь пробовали заехать на вершину холма на велосипеде? Если пробовали, то вас наверняка обгоняли пешеходы. На ровной дороге вы, управляя велосипедом, без труда обогнали бы всех пешеходов и даже бегунов. Так почему же езда на велосипеде по склону холма становится менее продуктивной?

Теперь представьте себе, что вы слезли с велосипеда и идете пешком, ведя его за собой по ровной дороге или по склону холма. Сейчас все очевидно. Идя по склону, вы не только должны сами подниматься, но и толкать вверх велосипед. Вес велосипеда, который не имел особого значения при езде по горизонтальной поверхности, теперь работает против вас, когда вы пытаетесь подняться на вершину холма: вы тянете на себе велосипед, на протяжении многих метров преодолевая силу притяжения Земли. Вот почему производители гоночных велосипедов придают большое значение тому, насколько легкой будет модель велосипеда. Безусловно, вес объекта имеет большое значение в том случае, если его придется двигать человеку, однако наш пример с велосипедом скорее говорит о том, что важен не только вес объекта, который приходится толкать, но и тип движения.

А сейчас вообразите, что вам хочется узнать, какая между двумя городами, скажем А и Б, пролегает местность: ровная или холмистая. При этом у вас не было возможности поехать в эти города и проверить это лично. Если вам известно, что между этими городами есть почтовое сообщение, причем почтальоны используют легкие и тяжелые велосипеды, один из вариантов выяснить особенности рельефа таков: необходимо отправить наборы одинаковых посылок из одного города в другой, при этом половину посылок передать с почтальонами на легких велосипедах, а вторую — с почтальонами на тяжелых. Если выяснится, что доставка всех ваших посылок заняла примерно одинаковое время, вы можете сделать вывод о том, что между городами местность скорее ровная. Если же доставка посылок на тяжелых велосипедах заняла гораздо больше времени, вы поймете, что местность между А и Б скорее холмистая. Таким образом, наши почтальоны-велосипедисты занимаются зондированием неисследованных территорий.

Атомы любого химического элемента бывают, как и велосипеды, разного веса. Возьмем, к примеру, водород — самый простой элемент, который тем не менее представляет для нас с вами большой интерес. Каждый элемент определяется количеством протонов в ядре, которое совпадает с количеством электронов, окружающих ядро. Так, в ядре водорода находится один протон, в ядре гелия — два, лития — три и т. д. Однако ядра атомов содержат не только протоны, но и нейтроны, о которых мы упоминали в главе 1, когда говорили о слиянии ядер водорода внутри Солнца. Если в ядро попадают нейтроны, он становится тяжелее и его физические свойства меняются. Атомы одного элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Обычный изотоп водорода — самый легкий, поскольку состоит только из одного протона и электрона. Это самая распространенная форма водорода. Существует еще два более редких изотопа водорода: дейтерий (D), имеющий один лишний электрон, и тритий (T), у которого два лишних электрона.

Поскольку химические свойства элементов обусловливаются в основном количеством электронов в атомах, разные изотопы одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов в атомных ядрах, будут иметь очень сходные, однако не идентичные химические свойства. Кинетический изотопный эффект показывает, насколько чувствительна химическая реакция к замене атомов в молекуле реагирующего вещества на более тяжелые изотопы. Он определяется как отношение скоростей реакции, протекающей с тяжелыми и легкими изотопами. Например, если в реакции участвует вода, тогда атомы водорода в молекулах H₂O могут заменяться своими более тяжелыми собратьями — дейтерием и тритием, образуя соответственно молекулы D₂O или T₂O. Точно как наши почтальоны на велосипедах, реакция может отреагировать на изменение веса атомов, а может и не отреагировать — все зависит от пути, который выберут вещества, вступающие в реакцию, чтобы в итоге стать ее продуктами.

Существует несколько механизмов, обеспечивающих сильные кинетические изотопные эффекты. Одним из этих механизмов является квантовое туннелирование — процесс, который, как и езда на велосипеде, зависит от массы частицы, пытающейся преодолеть барьер. Чем больше масса частицы, тем меньше проявляются ее волновые свойства, а следовательно, тем ниже вероятность того, что частица преодолеет энергетический барьер. Поэтому увеличение массы атома вдвое, например, в случае замены обычного изотопа водорода дейтерием резко снижает вероятность его участия в квантовом туннелировании.

Таким образом, наличие сильного кинетического изотопного эффекта может свидетельствовать о том, что механизм реакции — путь от реагирующих веществ до продуктов — подразумевает квантовое туннелирование. Однако это не единственно возможный вывод, поскольку эффект может быть обусловлен и классическими химическими явлениями, не связанными с законами квантовой механики. Но если в ходе реакции имеет место именно квантовое туннелирование, реакция должна определенным образом отреагировать на изменение температуры: ее темп перестает ускоряться и выравнивается при низкой температуре, как и показал опыт Де-волта и Чанса в случае туннелирования электронов. То же самое показали опыты Клинман и ее команды для фермента АДГ, причем в ходе экспериментов были получены строгие доказательства того, что квантовое туннелирование было в данном случае частью механизма реакции.

Команде ученых под руководством Клинман удалось получить важные доказательства того, что туннелирование протонов часто происходит в ходе ферментативных реакций при температурах, при которых также протекают жизненные процессы. Другие коллективы ученых, в том числе и группа под руководством Найджела Скраттона из Манчестерского университета, проводили подобные эксперименты с другими ферментами и наблюдали кинетические изотопные эффекты, указывающие на то, что реакция сопровождается квантовым туннелированием[45]. И все же вопрос о том, каким образом ферменты поддерживают квантовую когерентность и способствуют возникновению туннельного эффекта, остается противоречивым. Некоторое время считалось, что ферменты не статичны, что в ходе реакций они постоянно совершают колебания, движутся. Например, «челюсти» коллагеназы открываются и захлопываются каждый раз, когда они разрывают коллагеновую связь. Ученые полагали, что подобные движения, наблюдающиеся в ходе реакции, являются случайными либо призваны захватить субстраты и выровнять и упорядочить все атомы, вступающие в реакцию. Однако в наше время специалисты в области квантовой биологии утверждают, что подобные колебания — так называемые «приводные двигатели» и основная их функция — максимально близко подвести друг к другу атомы и молекулы, чтобы квантовое туннелирование частиц (электронов и протонов) стало возможным[46]. К этой теме — одной из самых захватывающих и быстроразвивающихся в квантовой биологии — мы вернемся в последней главе нашей книги.

Каждую отдельную биомолекулу, которая существует или когда-либо существовала в любой живой клетке, создали и разрушили ферменты. Ферменты как никакая другая субстанция близки к понятию «движущих сил жизни». Открытие того, что некоторые (а возможно, и все) ферменты функционируют на основе дематериализации частиц в одном месте пространства и мгновенной их материализации в другой точке, позволяет нам по-новому взглянуть на загадку жизни. Несмотря на то что многие вопросы, связанные с функционированием ферментов, пока не до конца понятны (например, роль перемещения белков), нет сомнений в том, что квантовое туннелирование играет большую роль в механизме их работы.

Несмотря на это, мы не можем не принимать во внимание критических замечаний, высказываемых многими учеными. Они признают открытия Клинман, Скраттона и других исследователей, однако утверждают, что квантовые эффекты играют в биологии такую же роль, как и в работе паровозов: их можно наблюдать, однако они в целом никак не способствуют пониманию того, как функционирует вся система. Данный аргумент нередко звучит в спорах о том, научились ферменты извлекать выгоду из квантовых явлений вроде туннелирования в ходе эволюции или нет. Критики отстаивают мнение, что возникновение квантовых явлений в ходе биологических процессов неизбежно благодаря тому, что большинство биохимических реакций попросту протекают на атомном уровне. Квантовое туннелирование вовсе не волшебство; это явление происходит в нашей Вселенной с самого ее возникновения. Разумеется, то, что является результатом «изобретательности» жизни, не может быть фокусом. И все же мы склонны полагать, что возникновение туннельного эффекта на фоне активности фермента не является неизбежным, учитывая условия внутриклеточной среды — те самые высокие температуры, влажность и сумбурную толкотню молекул.

Как вы помните, пространство живой клетки характеризуется теснотой. Клетка буквально набита молекулами со сложной структурой, которые непрерывно находятся в состоянии волнения и турбулентности, а именно в состоянии хаотичного движения. Напомним, молекулы похожи на разлетающиеся в разные стороны и отталкивающиеся друг от друга бильярдные шары (об этом мы говорили в предыдущем разделе в связи с тем, что заставляет паровоз ехать вверх по склону холма). Как вы помните, именно это хаотичное движение частиц рассеивает и разрушает хрупкую квантовую когерентность, благодаря чему привычный для нас мир кажется нам «нормальным». Ученые не ожидали, что квантовая когерентность может сохраняться при молекулярной турбулентности, поэтому наблюдение таких квантовых эффектов, как туннелирование, в бурном море живой клетки стало удивительным открытием. Каких-то десять или чуть больше лет назад большинство ученых отказались от мысли о том, что туннелирование и другие неустойчивые квантовые явления могут наблюдаться в биологических процессах. Факт, что эти явления были обнаружены в биологических средах, говорит о том, что жизнь принимает особые меры, чтобы извлечь максимальную выгоду из квантового мира и поддерживать работу своих клеток. Но какие именно меры принимает жизнь? Каким образом жизни удается держать основного врага квантового поведения частиц — декогерентность — на расстоянии? Это одна из величайших тайн квантовой биологии, к разгадке которой ученые постепенно продвигаются. Об этом мы поговорим в последней главе нашей книги.

Но прежде, чем начать новую тему нашего разговора, давайте вернемся к тому месту, где мы оставили нашу наноподлодку, а именно в активный центр фермента коллагеназы внутри исчезающего хвоста головастика. Мы быстро покидаем активный центр, как только «челюсти» фермента раскрываются, высвобождая коллагеновую цепочку (и нас с вами). Мы прощаемся с молекулой фермента, похожей на моллюска, который отправляется к следующей пептидной связи в цепи, чтобы разрушить ее. Затем мы совершаем короткое путешествие по организму головастика и наблюдаем обычную работу некоторых других ферментов, которая так же важна для жизнедеятельности организма, как и работа коллагеназы. Следуя за клетками, покидающими исчезающий на глазах хвост головастика и направляющимися в развивающиеся задние конечности, мы наблюдаем возникновение новых коллагеновых волокон, которые прокладываются, словно новые железнодорожные пути, для ускорения формирования организма взрослой лягушки. Зачастую они возникают из тех самых клеток исчезающего хвоста. Новые волокна образуются благодаря ферментам, которые захватывают блоки аминокислот, освобожденные коллагеназой, и сплетают их в новые коллагеновые волокна. У нас нет времени на то, чтобы погрузиться в эти ферменты, однако стоит сказать, что в их активных центрах мы наблюдали бы тот же тщательно поставленный танец, что и в коллагеназе, только с обратной последовательностью движений. Биомолекулы, от которых зависит жизнь, — будь то жиры, ДНК, аминокислоты, белки, сахара — формируются и разрушаются различными ферментами. Кроме того, любое действие, которое совершает молодая лягушка, обусловлено деятельностью ферментов. Например, когда животное замечает муху, электрические импульсы передаются от глаз в мозг посредством особых ферментов-нейромедиаторов, содержащихся в нервных клетках. Когда лягушка выбрасывает свой длинный язык, его мышечные сокращения, благодаря которым лягушка ловит муху и тянет добычу в рот, контролируются другим ферментом — миозином, содержащимся в мышечных клетках. Когда муха попадает в желудок лягушки, в дело вступает целая группа ферментов, ускоряющих переваривание и всасывание питательных веществ. Другие ферменты отвечают за то, чтобы эти питательные вещества трансформировались в ткани организма. Ферменты дыхательной цепи, содержащиеся в митохондриях, помогают трансформировать питательные вещества в необходимую для организма энергию.

Любой этап жизнедеятельности лягушек и всех остальных живых организмов, любой процесс, поддерживающий их и нашу с вами жизнь, поддерживается и ускоряется ферментами — настоящими двигателями жизни. Их каталитические свойства обусловлены способностью некоторых элементарных частиц исполнять отточенные хореографические номера, а значит, и соприкасаться с квантовым миром и использовать в жизненных целях его странные законы.

Однако туннелирование частиц далеко не единственное явление квантового мира, из которого жизнь извлекает для себя выгоды. В следующей главе мы поговорим о том, что в важнейшей химической реакции биосферы участвует еще одно загадочное явление квантового мира.

Массачусетский технологический институт, более известный как МТИ, является одним из мировых научных центров. Он был основан в 1861 году в Кембридже, штат Массачусетс. Из тысячи его нынешних профессоров девятеро являются лауреатами Нобелевской премии (данные за 2014 год). Среди его студентов были астронавты (в трети космических полетов НАСА участвовали выпускники МТИ), политики (в том числе Кофи Аннан, бывший Генеральный секретарь ООН, лауреат Нобелевской премии мира за 2001 год), предприниматели (например, Уильям Реддингтон Хьюлетт, соучредитель компании «Хьюлетт-Паккард») и, конечно, многие ученые, среди которых — создатель квантовой электродинамики, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Однако самым известным обитателем института является вовсе не человек, а растение — яблоня, растущая в Президентском саду в тени купола одного из корпусов МТИ. Она была отчеренкована от другого дерева, растущего в Королевском ботаническом саду в Англии, прямого потомка той самой яблони, под которой, предположительно, сидел Исаак Ньютон и наблюдал падение знаменитого яблока.

Сидя под деревом на ферме своей матери в Линкольншире, Ньютон задавался одновременно простым и сложным вопросом: почему яблоки падают? Нелепо будет предположить, что ответ Ньютона на этот вопрос, перевернувший физику и всю науку в целом, мог быть неправильным. Но у этой знаменитой сцены есть один аспект, ускользнувший от внимания Ньютона и остававшийся незамеченным до сих пор: что вообще яблоко делало на дереве? Если ускоренное падение яблока на землю так озадачило ученого, то насколько более непонятным было соединение воздуха и воды Линкольншира с образованием сферического предмета на ветвях дерева? Почему Ньютон заинтересовался сравнительно тривиальной причиной воздействия земного притяжения на яблоко и не заметил совершенно непостижимую загадку первичного образования плода?

Одной из причин, объясняющих недостаток любопытства Ньютона, было общепринятое в XVII веке мнение о том, что, несмотря на основанную на законах физики механистичность всех объектов, включая живые существа, их собственная внутренняя динамика (и та, что обеспечивает рост яблок) приводится в движение жизненной силой, или élan vital, исходящей из сверхъестественного источника, не поддающегося сухим математическим уравнениям. Но, как мы уже знаем, витализм не устоял перед последующими открытиями в области биологии, генетики, биохимии и молекулярной биологии. Ни один серьезный ученый сегодня не сомневается, что жизнь объяснима с научной стороны; но остается открытым вопрос, какая наука может предоставить тому доказательство. Несмотря на альтернативные заявления таких ученых, как Шредингер, большинство биологов все еще опираются на классические законы, в которых ньютоновские силы воздействуют на шаростержневые биомолекулы, чье поведение напоминает, скажем так, поведение шаров и стержней. Даже Ричард Фейнман, один из последователей Шредингера, описывал фотосинтез (в отрывке, представленном в начале главы) в строго классических терминах, например «солнечный свет падает и отрывает кислород от углерода», словно свет — это клюшка для гольфа, способная ударить по кислородному шару и оторвать его от молекулы углеводорода.

Молекулярная биология и квантовая механика развивались скорее параллельно, чем совместно. Биологи редко посещали лекции по физике, а физики уделяли мало внимания биологии. Однако в апреле 2007 года группа физиков и математиков МТИ, работавших в загадочной сфере под названием «квантовая теория информации», собралась на очередное заседание публицистического кружка (каждый член по очереди представлял новую статью, которую он нашел в научной литературе). Один из участников принес экземпляр New York Times со статьей, в которой было выдвинуто предположение о том, что растения являются квантовыми компьютерами (подробности об этих замечательных механизмах — в главе 8). Группа взорвалась хохотом. Один из членов команды, Сет Ллойд, так вспоминает о первом впечатлении от подобного «квантового жульничества»: «Нам казалось, что это настоящая истерия… В голове прозвучало как „О Боже, это самая безумная вещь, которую я слышал в жизни“»[48]. Причиной их недоверия стал тот факт, что многие наиболее выдающиеся и финансируемые исследовательские группы в мире могли потратить десятилетия, пытаясь выяснить, как построить квантовый компьютер, машину, которая может проводить определенные расчеты намного быстрее и эффективнее, чем самые мощные современные компьютеры (вместо использования цифровых битов информации, выраженных в виде 0 или 1, новый компьютер позволит информации быть и нулем, и единицей одновременно, таким образом, производить все возможные расчеты синхронно — высшая степень параллельной обработки данных). В статье из New York Times говорилось о том, что ничтожная былинка способна проводить своего рода квантовые фокусы, которые лежат в основе квантовых вычислений. Неудивительно, что исследователи из МТИ были настроены скептично. Они, возможно, не могут построить работающий квантовый компьютер, но если статья правдива, то они могут съесть такой компьютер с салатом на ланч!

Тем временем недалеко от аудитории, где члены кружка хохотали над статьей от всей своей квантовой души, фотон света со скоростью почти 300 тысяч километров в секунду стремился к дереву со знаменитой родословной.

Мы вскоре вернемся к фотону и дереву и узнаем, как они связаны с квантовым миром, но сначала предлагаем вам рассмотреть удивительно простой эксперимент, который подчеркивает таинственность квантового мира. Пока мы прилагаем все усилия, чтобы как можно понятнее объяснить, что подразумевают такие выражения, как «квантовая суперпозиция», нет ничего нагляднее знаменитого опыта с двумя щелями, описанного ниже.

Опыт с двумя щелями наиболее просто и в полной мере показывает, что в квантовом мире все устроено по-другому. Частицы могут вести себя как волны, распространяясь в пространстве, а волны могут иногда приобретать свойства частиц. Мы уже говорили о корпускулярно-волновом дуализме: во введении он описан как особенность, благодаря которой становится понятно, как Солнце генерирует энергию; в главе 3 мы с вами разобрались в том, как волновые характеристики электронов и протонов позволяют им преодолевать энергетические барьеры в структуре ферментов. В этой главе вы узнаете, что корпускулярно-волновой дуализм также влияет на наиболее важные биохимические реакции в биосфере: превращение воздуха, воды и света в растения, микроорганизмы и — косвенно — во всех нас. Но сначала мы должны понять, как смелая идея о том, что частицы могут находиться в нескольких местах одновременно, подтверждается простейшими, изящными и в то же время наиболее масштабными экспериментами в истории: один из этих экспериментов, согласно Ричарду Фейнману, «лежит в сердце квантовой механики».

Однако должен предупредить, что описанное тут покажется вам невозможным и вы можете подумать, что должен быть более рациональный способ объяснить происходящее. Вы можете размышлять, в чем же секрет этого магического фокуса. Или вы можете прийти к выводу, что опыт представляет собой чистой воды теоретическую спекуляцию, выдуманную учеными, которым не хватило воображения, чтобы понять механизмы природы. Но ни одно из этих объяснений не является верным. Опыт с двумя щелями не имеет (здравого) объяснения, но является реальным и воспроизводился тысячи раз.

Мы опишем эксперимент в три этапа; первые два будут касаться описания условий, чтобы вы могли оценить непостижимые результаты третьей, основной, стадии.

Сначала пучок монохромного света (состоящий из волн одного цвета, то есть волн одинаковой длины) направляется на экран с двумя узкими щелями, которые позволяют некоторому количеству света пройти через обе щели на второй экран (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Опыт с двумя щелями, стадия 1. Когда монохромный свет (имеющий определенную длину волны) направляется на две щели, каждая щель выступает в качестве нового источника света с другой стороны. Благодаря волновой природе свет распространяется (рассеивается) после прохождения через каждую щель, так что круговые волны перекрываются и взаимодействуют друг с другом, образуя темные и светлые полосы на заднем экране

Точно контролируя ширину щелей, расстояние между ними и расстояние между двумя экранами, мы можем создать последовательность светлых и темных полос на втором экране, известную как интерференционная картина.

Интерференционные картины представляют собой графики волн, их легко увидеть в любой волновой среде. Бросьте камень на гладь пруда, и вы увидите, как ряд концентрических циркулярных волн расходится от места всплеска. Бросьте два камня в один пруд, и каждый из них будет образовывать свои собственные концентрические волны. В том месте, где волны от двух камней перекрываются, вы увидите интерференционную картину (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Конструктивная и деструктивная интерференция волн

Там, где пик одной волны встречается с минимальной точкой другой, они нейтрализуют друг друга, что приводит к отсутствию волны в этой точке. Это явление называют деструктивной интерференцией. И наоборот, там, где встречаются два пика или две минимальные точки, они усиливают друг друга, создавая двойную волну: это явление называют конструктивной интерференцией. Подобная картина угасания и усиления волн может наблюдаться в любой волновой среде. Английский физик Томас Янг продемонстрировал интерференцию пучков света в ранней версии опыта с двумя щелями, проведенного более 200 лет назад. Результат убедил его и многих других ученых в том, что свет на самом деле представляет собой волну.

Интерференция, которую мы наблюдаем в опыте с двумя щелями, в первую очередь зависит от пути, по которому волны света проходят через щель и затем распространяются — свойство волн, известное как дифракция. Таким образом, пучки, исходящие из щелей, до попадания на задний экран перекрывают и поглощают друг друга точно так же, как волны на воде. В определенных точках экрана волны света, исходящие из двух щелей, попадают в фазу, когда пики и низшие точки чередуются — либо потому, что они прошли одинаковое расстояние до экрана, либо потому, что разница в пройденном ими расстоянии кратна расстоянию между их пиками. В этом случае высшие и низшие точки волн сочетаются и образуют еще более высокие и низкие точки. Это явление называют конструктивной интерференцией. При наслаивании волн образуется свет высокой интенсивности и, следовательно, яркая полоса на экране. Но в других точках свет из двух щелей падает вне фазы и высшая точка одной волны встречает низшую точку другой. В этих точках волны нейтрализуют друг друга, что приводит к образованию темной полосы на экране, — деструктивная интерференция. Между этими двумя крайностями комбинация не попадает полностью ни «в фазу», ни «вне фазы» и некоторое количество света остается. Таким образом, мы видим на экране не точную последовательность светлых и темных полос, а плавное изменение интенсивности между максимальными и минимальными точками в интерференционной картине. Это закономерное волнообразное плавное изменение интенсивности является ключевым индикатором волновых феноменов. Есть пример и со звуковыми волнами: музыкант, настраивая инструмент, прислушивается к биениям[49], которые получаются, если одна нота очень близка по частоте другой, так что по пути к уху музыканта они иногда попадают в фазу или вне фазы. Вариация их сочетаний производит общий звук, громкость которого периодически возрастает и снижается. Плавное изменение интенсивности звука происходит по причине интерференции между двумя отдельными волнами. Отметим, что эти биения представляют собой явление, подчиняющееся законам классической физики, которое не требует квантового толкования.

Ключевым фактором в эксперименте с двумя щелями является то, что пучок света, попадающий на первый экран, должен быть монохромным (состоящим из волн одной длины). Белый свет, который исходит от обычной лампочки, наоборот, состоит из волн различной длины (всех цветов радуги), так что волны будут падать на экран беспорядочно. В таком случае, несмотря на то что пики и низшие точки волн будут взаимодействовать друг с другом, полученная картина будет настолько сложной и размытой, что отдельные полосы будут неразличимы. Подобным образом, несмотря на простоту получения интерференционной картины при бросании в пруд двух камней, огромный водопад, низвергающийся в пруд, образует столько волн, что увидеть какую-либо когерентную интерференционную картину невозможно.

Теперь, на втором этапе опыта с двумя щелями, мы будем использовать не свет, а пули, летящие на экран. Суть в том, что мы используем твердые частицы, а не распространяющиеся волны. Каждая пуля должна, конечно, пройти через одну или другую щель, но не обе одновременно. После того как необходимое количество пуль пройдет через щели, мы увидим на заднем экране две полосы дырок от пуль, соответствующие двум щелям (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Опыт с двумя щелями, этап 2. В отличие от поведения световых волн поток летящих через щели пуль демонстрирует поведение частиц. Каждая пуля, попадающая на задний экран, должна пройти через одну или другую щель, но не обе (конечно, принимая во внимание, что середина экрана имеет достаточную толщину, чтобы задержать пули, не попавшие в щели). В отличие от многополосной интерференции картина на заднем экране показывает скопление пуль вокруг двух узких полос, соответствующих каждой щели

Конечно, мы не имеем дела с волнами. Каждая пуля представляет собой отдельную частицу и не взаимодействует с другой, так что интерференции не наблюдается.

А теперь третий этап: квантовый «фокус». Опыт повторяют с использованием атомов вместо пуль. Пучок атомов, исходящий из источника, летит на экран с двумя узкими щелями[50]. Для регистрации попадания атомов второй экран имеет фотолюминесцентное покрытие, на котором проявляется крошечная яркая точка в месте попадания атома.

Если бы на микроскопическом уровне действовал здравый смысл, то атомы повели бы себя как крошечные пули. Сначала мы проведем опыт, открыв только левую щель, и увидим полосу светлых точек на экране позади открытой щели. Определенное количество точек кладется на экран неровно: это может свидетельствовать о том, что некоторые атомы отталкиваются от краев, изменяют траекторию и не проходят строго через щель. Далее мы откроем правую щель и подождем, пока на заднем экране появятся яркие точки.

Если бы вас попросили предсказать распределение ярких точек и вы бы ничего не знали о квантовой механике, вы бы, естественно, догадались, что оно напоминало бы картину, полученную в опыте с пулями. А именно: позади каждой щели образуется полоса точек, то есть на экране возникают два различных светящихся участка, более ярких в центре и постепенно угасающих к краям, поскольку попадания атомов становятся более редкими. Также можно ожидать, что участок посередине между двумя яркими полосами будет темным, так как он соответствует части экрана, непроницаемой для атомов, в какую бы щель они ни попали.

Однако это не соответствует тому, что мы наблюдаем. Наоборот, мы видим очень четкую картину интерференции светлых и темных полос, точно такую же, как в опыте со светом. Верите или нет, но наиболее яркая часть экрана располагается в центре: на участке, на который не должно попадать много атомов (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Опыт с двумя щелями, этап 3. При замене пуль на атомы, испускаемые из источника, расположенного перед щелями (разумеется, на каждом этапе подбираются соответствующие ширина и расстояние между щелями), мы вновь наблюдаем волнообразную интерференционную картину. Несмотря на то что каждый атом, попадающий на задний экран в определенной точке, ведет себя как частица, они объединяются в полосы, так же как мы видели в случае света. Почему атомы проходят через две щели одновременно, без чего мы не увидели бы множественных полос интерференции?

Фактически при правильном расстоянии между щелями и правильном расстоянии между двумя экранами мы можем убедиться, что яркий участок на заднем экране (куда атомы могли попасть при одной открытой щели) теперь, при двух открытых щелях, является темным (туда не попадает ни одного атома). Каким образом открытие второй щели, которая позволяет пройти большему количеству атомов, может помешать попаданию атомов на определенные части экрана?

Давайте посмотрим, сможем ли мы объяснить происходящее с помощью обычной логики, не прибегая пока к квантовой механике. Предположим следующее: несмотря на то что каждый атом представляет собой микроскопическую частицу (в конце концов, каждый атом ударяет в экран в одном месте), огромное количество атомов, сталкивающихся и взаимодействующих друг с другом особым согласованным образом, образуют картину с видимостью интерференции. Как бы там ни было, мы знаем, что волны воды на самом деле состоят из множества молекул воды, которые по отдельности не являются волнами. Именно скоординированное движение триллионов молекул воды, а не каждая молекула в отдельности проявляет волнообразные свойства. Возможно, атомная пушка испускает координированный поток атомов подобно волновой установке в бассейне.

Чтобы проверить теорию согласованных атомов, мы повторим эксперимент, но сейчас будем посылать атомы по одному. Мы включаем атомную пушку и ждем появления светящегося пятна на заднем экране, прежде чем включить ее второй раз, и т. д. Сначала может показаться, что здравый смысл все же преобладает: каждый атом, проходящий через щели, оставляет только одно локализованное пятно света в определенной части экрана. Кажется, атомы вылетают из пушки в виде частиц, подобно пулям, и попадают на экран как частицы. Безусловно, в пространстве между пушкой и экраном они также должны вести себя как частицы. Но — внимание — фокус: из шляпы появляется квантовый кролик. По мере того как пятна, каждое из которых регистрирует попадание одного атома-пули, постепенно покрывают экран, на нем вновь появляются светлые и темные полосы интерференции. Поскольку атомы теперь проходят через цель по одному, мы не можем говорить, что существует коллективное поведение множества атомов, сталкивающихся и взаимодействующих между собой. Это не похоже на волны воды. И снова мы сталкиваемся с противоречивым результатом: на заднем экране имеются места, на которые атомы могут попасть только при одной открытой щели и которые остаются полностью темными при открытии также второй щели, несмотря на то что ее открытие предоставляет дополнительный путь попадания атомов на экран. Кажется, что атом, проходя через одну щель, каким-то образом знает, открыта вторая щель или нет, и действует соответствующим образом!

Итак, каждый атом испускается из пушки как крошечная частица и падает на второй экран также как частица, что видно из крошечной вспышки света при его попадании. Но в пространстве между ними, при встрече с двумя щелями, происходит что-то волшебное, подобно распространению волны, которая расщепляется на два компонента, каждый из которых проходит через щель и взаимодействует с другим по другую сторону экрана. Как еще может один атом знать о состоянии (открытом или закрытом) обеих щелей одновременно?

Не забывая о подвохе, давайте посмотрим, можем ли мы поймать атомы, поджидая их позади щелей. Это можно осуществить, разместив датчик за левой щелью, скажем, чтобы он регистрировал «сигнал» (возможно, звуковой сигнал), когда атом будет проходить через эту щель по пути к экрану[51]. Также мы можем поместить второй датчик за правой щелью для регистрации атомов, которые проходят через эту щель. Теперь, если атом проходит через одну или другую щель, мы услышим звуковой сигнал от правого или левого датчика. Но если атом сможет каким-то образом преодолеть свою пулеобразную природу и пройти через обе щели, то оба детектора издадут звуковой сигнал одновременно.

Теперь мы видим, что при каждом включении атомной пушки, которое сопровождается появлением яркой точки на экране, сигнал издает левый или правый датчик, но не оба сразу. Несомненно, теперь мы наконец имеем доказательства, что взаимодействие атомов имеет место при прохождении атомов через одну или другую щель, но не обе одновременно. Однако будем терпеливыми и продолжим наблюдать за экраном. По мере того как отдельные вспышки света объединяются, мы видим, что рисунок, создаваемый ими, уже не похож на интерференционную картину. Вместо нее появляются две яркие полосы, указывающие на скопление множества атомов позади каждой щели, так же как в опыте с пулями. Теперь в ходе эксперимента атомы ведут себя как обычные частицы. Как будто каждый атом ведет себя как волна при встрече со щелями, если за ним не наблюдают, в противном случае он просто остается крошечной частицей.

Возможно, присутствие датчика вызывает проблему, влияя на странное поведение атомов, проходящих через щели. Давайте проверим это, удалив один датчик, скажем, справа. Мы все еще можем получить некоторую информацию из этой схемы, потому что при включении пушки и появлении сигнала и яркого пятна на экране мы будем знать, что атом должен был пройти через левую щель. Когда мы включаем пушку, не слышим сигнала, но видим яркую точку на экране, то мы знаем, что атомы должны были попасть на экран через правую щель. Теперь мы можем знать, прошли атомы через левую или правую щель, но их траектория «нарушается» только с одной стороны. Если датчик сам по себе вызывает проблемы, мы будем ожидать, что атомы, которые вызвали звуковой сигнал, ведут себя как пули, а атомы, которые не вызвали сигнала (и прошли через правую щель), ведут себя как волны. Вероятно, мы увидим смесь пулеобразной картины (от атомов, прошедших через левую щель) и картины интерференции (от атомов, прошедших через правую щель) на экране.

Но это не так. В данной ситуации мы снова не наблюдаем интерференционной картины. На экране позади каждой щели образуется рисунок, выполненный пулеобразными атомами, ведущими себя как частицы. Кажется, что самого присутствия датчика, регистрирующего расположение атома, достаточно для уничтожения его волнового поведения, даже если датчик располагается на некотором расстоянии от траектории атома, проходящего через другую щель!

Возможно, физического присутствия датчика рядом с левой щелью достаточно, чтобы повлиять на прохождение атомов через нее, так же как большой камень изменяет направление воды в стремительном потоке. Мы можем провести эксперимент, выключив левый датчик. Он все еще на своем месте, так что мы можем ожидать, что его влияние будет практически таким же. Но теперь, в присутствии выключенного датчика, на экране опять появляется интерференционная картина! Все атомы, участвующие в опыте, опять стали вести себя как волны. Почему атомы ведут себя как частицы в присутствии включенного датчика около левой щели, но как только датчик выключают, они ведут себя как волны? Как частица, проходящая через правую щель, знает о том, включен или выключен датчик, расположенный слева?

На данном этапе вам придется забыть о логике и здравом смысле. Теперь мы имеем дело с корпускулярно-волновым дуализмом крошечных объектов, таких как атомы, электроны или фотоны, которые ведут себя как волна, если мы не знаем, через какую щель они проходят, и как частица, если мы наблюдаем за ними. Это и есть процесс наблюдения или измерения квантовых объектов, о котором мы говорили в главе 1, рассматривая демонстрацию квантового запутывания отдельных фотонов в эксперименте Алена Аспе. Как вы помните, команда Аспе измеряла фотоны, пропуская их через поляризованную линзу, устранявшую их запутанное состояние — которое является признаком их волновой природы, — заставляя их выбирать одно классическое поляризационное направление. Подобным образом измерение атомов, участвующих в опыте с двумя щелями, заставляет их выбирать между прохождением через правую или левую щель.

Квантовая механика действительно предоставляет нам замечательное логичное обоснование данного феномена; но единственное объяснение увиденного — результата опыта — не о том, что происходит, когда мы не наблюдаем. Однако, поскольку мы можем только видеть и измерять, вероятно, нет смысла требовать от квантовых объектов большего. Как мы можем оценить правомерность или правоту сообщения о феномене, которое мы не сможем никогда, даже в теории, проверить? Как только мы пытаемся это сделать, мы изменяем результат.

Квантовая интерпретация опыта с двумя щелями заключается в том, что в любой данный момент времени каждый атом должен быть описан набором чисел, определяющим его вероятное расположение в пространстве. Это показатель, который мы описывали в главе 2 как волновую функцию. Тогда мы говорили о волновой функции на примере отслеживания волны преступления, распространяющейся по городу путем определения вероятности ограблений в различных районах. Подобным образом волновая функция, описывающая прохождение атома через две щели, прослеживает вероятность обнаружения его в любой точке аппарата в любое заданное время. Но, как мы уточняли ранее, если грабитель должен иметь одно расположение в пространстве и времени и волна «вероятности преступления» описывает только наш недостаток знаний о его действительном расположении, то, наоборот, волновая функция атома в опыте с двумя щелями реальна, то есть она описывает физическое положение атома, который в действительности не имеет конкретного положения, если мы его не измеряем. Атом, таким образом, находится во всех местах одновременно — с переменной вероятностью, конечно, так что мы вряд ли найдем атом в местах, где его волновая функция мала.

Таким образом, вместо отдельных атомов, участвующих в опыте с двумя щелями, мы должны рассматривать волновую функцию, проходящую от источника к заднему экрану. При прохождении через щели волновая функция расщепляется на две и каждая половина проходит через одну из щелей. Отметим: то, что мы описываем здесь, является способом, которым абстрактное математическое число изменяется во времени. Бесполезно спрашивать, что в действительности происходит, так как мы должны посмотреть, чтобы проверить. Но как только мы попытаемся это сделать, мы исказим результат.

Возникает вопрос: когда волновая функция вновь «превращается» в локализованный атом? Ответим: когда мы пытаемся определить его положение. При подобном измерении квантовая волновая функция распадается до единственной вероятности. Опять же это не похоже на ситуацию с грабителем, где неопределенность его местонахождения внезапно сводится к единственной точке, после чего его арестовывает полиция. В этом случае определение повлияло именно на нашу информацию о местонахождении грабителя. Он был всегда только в одном месте в одно время. Но для атома это не так; в отсутствие какого-либо измерения атом действительно находится везде.

Таким образом, квантовая волновая функция рассчитывает вероятность обнаружения атома в конкретном месте, где мы сможем выполнить измерение его положения в данное время. Там, где перед измерением волновая функция велика, полученная вероятность обнаружения атома будет высока. Но там, где она мала, возможно, из-за деструктивной волновой интерференции, соответственно вероятность обнаружения атома, если мы захотим посмотреть, низка.

Мы можем представить волновую функцию, описывающую один атом после его выхода из источника. Он ведет себя как волна, которая стремится к щелям, так что на уровне первого экрана ее амплитуда будет равна в каждой щели. Если мы помещаем датчик к одной из щелей, нам следует ожидать равных вероятностей: 50 % времени мы будем фиксировать атом на левой щели и 50 % времени — на правой щели. Но — и это важно — если мы не пытаемся обнаружить атом на уровне первого экрана, то волновая функция проникает через обе щели без разрушения. Таким образом, в квантовых терминах мы можем говорить о волновой функции, которая описывает один атом в его суперпозиции: его существовании в двух местах одновременно, соответственно его волновой функции, проходящей через правую и левую щели одновременно.

По другую сторону щелей каждая отдельная часть волновой функции, одна из левой и одна из правой щели, снова распространяется и формирует набор математических волн, которые перекрываются, в одних точках усиливая, а в других — нейтрализуя амплитуду друг друга. Комбинированный эффект состоит в том, что волновая функция имеет картину, характерную для других волновых феноменов, таких как свет. Но будем иметь в виду, что эта сложная волновая функция все еще характерна для одного атома.

На втором экране, где осуществляется окончательное измерение положения атома, волновая функция позволяет нам рассчитать вероятность обнаружения частицы в различных точках экрана. Яркие полосы на экране соответствуют тем позициям, где две части волновой функции, исходящей из двух щелей, усиливают друг друга, а темные полосы соответствуют тем позициям, где они нейтрализуют друг друга и образуют нулевую вероятность обнаружения атома в этих позициях.

Важно помнить, что этот процесс усиления и нейтрализации — квантовая интерференция — имеет место даже при участии одной частицы. Помните, что существуют участки на экране, которых атомы, испускаемые одновременно, могут достичь только при одной открытой щели и которые остаются недостижимыми при обеих открытых щелях. Это имеет смысл только тогда, когда каждый атом, выпущенный из атомной пушки, описывается волновой функцией, которая может проходить оба пути одновременно. Комбинированная волновая функция с участками конструктивной и деструктивной интерференции исключает возможность обнаружения атома в некоторых позициях на экране, доступных только при одной открытой щели.

Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.

В таком случае почему вы или я, состоящие из квантовых частиц, не можем быть в двух местах одновременно? Это было бы очень полезно в наше суетливое время. Ответ на это очень прост: чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.

Что же тогда мы подразумеваем под «измерением»? Мы уже кратко ответили на этот вопрос в главе 1, но теперь должны остановиться на нем подробнее, так как это является ключевым моментом в вопросе, насколько велик квантовый компонент в квантовой биологии.

Несмотря на свою объяснительную силу, квантовая механика не говорит нам ничего о том, как сделать шаг от уравнений и описания того, как электрон, скажем, движется вокруг атома, к тому, что мы видим при конкретном измерении этого электрона. По этой причине отцы-основатели квантовой механики предложили набор временных правил, которые стали приложением к математическому формализму. Они известны как квантовые постулаты и предоставляют своего рода руководство о том, как перевести данные математического моделирования уравнений в осязаемые объекты, которые мы можем наблюдать, такие как положение или энергия атома в любой заданный момент.

Что касается реального процесса, когда атом перестает находиться «здесь или там» и находится только «здесь», то никто не знает, что происходит. Большинство физиков с радостью приняли прагматичную точку зрения о том, что это «просто происходит». Проблема в том, что ситуация требует определения различий между квантовым миром, где происходят такие чудеса, и нашим ежедневным макромиром, где поведение объектов основано на органах чувств. Измерительный прибор, который обнаруживает электрон, должен быть частью этого макромира. Но как, где и когда этот измерительный процесс имеет место, основатели квантовой механики никогда не уточняли.

Вопрос хрупкости квантовой когерентности (удержание волновой функции от исчезновения), несомненно, является главной задачей группы МТИ, с которой мы познакомились в начале этой главы, и их коллег по всему миру в их стремлении создать квантовый компьютер. Вот почему они так скептически отнеслись к заявлению в New York Times о том, что растения представляют собой квантовые компьютеры. Физики применили все виды интеллектуальных и дорогостоящих уловок, чтобы защитить квантовый мир внутри своих компьютеров от разрушающей когерентность внешней среды. Таким образом, идея, что квантовая когерентность может поддерживаться в жарком влажном и молекулярно турбулентном климате внутри травинки, была, очевидно, воспринята как безумие.

Однако теперь мы знаем, что на молекулярном уровне многие важные биологические процессы могут на самом деле происходить очень быстро (порядка триллионов в секунду) и также могут быть ограничены короткими атомными расстояниями. Именно такие расстояния и скорости, на которых происходят квантовые процессы, например туннелирование, могут имеет эффект. Таким образом, несмотря на то, что полностью избежать декогерентности невозможно, ее можно отсрочить настолько, чтобы получить биологический эффект.

Взгляните на секунду на небо, и в ваш глаз попадет поток света длиной около 300 тысяч километров. В ту же секунду на земле растения и фотосинтезирующие микроорганизмы используют поток солнечного света для получения около 16 тысяч тонн нового органического вещества в виде деревьев, травы, водорослей, ландышей, гигантских секвой и яблок. В этом разделе мы должны разобраться, как действительно происходит этот первый шаг в трансформации неживого вещества в практически всю биомассу нашей планеты; и в качестве примера трансформации мы возьмем превращение воздуха Новой Англии в яблоко на дереве Ньютона.

Чтобы увидеть этот процесс в действии, мы снова позаимствуем наноподлодку, которую использовали для исследования действия ферментов в предыдущей главе. Когда вы взойдете на борт, держите курс наверх, в листву дерева, на один из его растущих листьев. Лист продолжает расти, пока его дальние края не скроются за горизонтом, а его на первый взгляд гладкая поверхность превращается в неровную платформу, вымощенную зелеными кирпичиками с вкраплениями небольших круглых светлых блоков, в каждом из которых расположена дырка-пора. Зеленые кирпичи называются клетками эпидермиса, а круглые блоки — устьицами: их функция — пропускать воздух и воду (субстраты фотосинтеза) с поверхности листа в его внутреннюю среду. Вы ведете аппарат над ближайшим устьицем и, когда длина судна уменьшается до микрометра (миллионной части метра), снижаетесь, чтобы пройти сквозь пору и оказаться внутри зеленой и яркой среды листа.

Оказавшись внутри, вы решаете отдохнуть в уютном и тихом интерьере листа, выстланном рядами зеленых клеток, похожих на камни, и накрытом толстыми цилиндрическими канатами. Канаты — это вены листа, которые либо несут воду от корней к листу (сосуды ксилемы), либо переносят только что синтезированные сахара от листа ко всему растению (сосуды флоэмы). Если вы продолжите уменьшаться в размере, то увидите, что клетка, похожая на камень, расширяется во всех направлениях, пока не увеличится до размеров футбольного поля. В таком масштабе — ваш рост равен примерно десять нанометров, или одна стотысячная миллиметра, — вы можете увидеть, что ее поверхность покрыта дерном из сети волокнистых ячеек, совсем как толстый джутовый ковер. Этот волокнистый материал представляет собой клеточную стенку, своего рода экзоскелет. Ваша наноподлодка оснащена инструментами, которые вы используете, чтобы проложить путь через этот волокнистый ковер и увидеть восковой нижний слой, клеточную мембрану, последний водонепроницаемый барьер между клеткой и внешней средой. При более близком рассмотрении выясняется, что она не полностью гладкая, а пронизана отверстиями, заполненными водой. Эти мембранные каналы называются поринами и представляют собой водопроводную систему клетки, пропускающую внутрь питательные вещества и выводящую продукты распада. Чтобы проникнуть в клетку, вам придется только подождать возле одного из поринов, пока он не расширится настолько, чтобы вы могли проникнуть в водную среду клетки.

Уже через канал порина вы сможете сразу увидеть, что внутренняя среда клетки очень отличается от внешней. Вы не найдете великолепных колонн и широких залов. Интерьер заполнен и в некотором роде беспорядочен. Он выглядит как очень шумный деловой центр! Водянистая жидкость, заполняющая клетку, цитоплазма, плотная и вязкая; местами она больше похожа на гель, чем на жидкость. В геле подвешены тысячи неправильных шаровидных объектов, которые находятся в состоянии непрерывного внутреннего движения. Это белковые ферменты, похожие на те, что мы видели в предыдущей главе, ответственные за проведение метаболических процессов в клетке, разрушают питательные вещества и синтезируют биомолекулы, такие как углеводы, ДНК, белки и жиры. Многие их этих ферментов привязаны к сети кабелей (цитоскелету клетки), которая, совсем как горнолыжный подъемник, переносит многочисленные грузы в различные места клетки. Транспортная сеть исходит из нескольких узлов, где кабели прикрепляются к большим зеленым капсулам. Эти капсулы представляют собой хлоропласты клетки, в которых происходит центральный процесс фотосинтеза.

Вы ведете подлодку через вязкую цитоплазму. Вы продвигаетесь медленно, но в конце концов подходите к ближайшему хлоропласту. Он лежит под вами, как огромный зеленый воздушный шар. Он, как внутренняя клетка, окружен прозрачной мембраной, через которую видны большие стопки зеленых монетоподобных предметов. Это тилакоиды, заполненные молекулами хлорофилла, пигмента, придающего растениям зеленый цвет. Тилакоиды — это механизмы фотосинтеза, которые при заправке фотонами света могут скреплять атомы углерода (полученные из углекислого газа воздуха) вместе с образованием сахаров, которые пойдут в наше яблоко. Чтобы лучше рассмотреть первый этап фотосинтеза, вы направляете свой аппарат в одну из пор мембраны хлоропласта, к верхней зеленой монете стопки тилакоидов. Достигнув своей цели, вы выключаете двигатель подлодки, позволяя ей дрейфовать над этой электростанцией фотосинтетических процессов.

Перед вами лежит только один из триллионов фотосинтетических механизмов, которые производят мировую биомассу. С вашей выгодной точки вы можете увидеть, что, как мы узнали при изучении ферментных механизмов в предыдущей главе, несмотря на множество происходящих вокруг вас турбулентных столкновений молекул, подобно бильярдным шарам, существует определенная упорядоченность. Поверхность мембраны тилакоида усыпана скалистыми зелеными островками, покрытыми древоподобными структурами с похожими на антенны пятиугольными пластинками на концах. Эти пластинки-антенны представляют собой светопоглощающие молекулы, хромофоры, самым известным примером которых является хлорофилл. Именно здесь происходит первый ключевой этап фотосинтеза: захват света. Вероятно, вторая по значимости молекула на нашей планете (после ДНК) хлорофилл заслуживает более подробного рассмотрения (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Молекула хлорофилла

Это двухмерная структура, состоящая из пятиугольных элементов, включающих в основном атомы углерода (серые сферы) и азота (N), с атомом магния (M) в центре, с длинным хвостом из атомов углерода, кислорода (O) и водорода (белые атомы). Внешний электрон магния слабо связан с атомом и может выбиваться в окружающий углеродный каркас при поглощении фотона солнечного света. В результате вместо него остается пустое место и атом получает положительный заряд. Это пустое место, или электронную дырку, можно рассматривать с абстрактной точки зрения как «вещь в себе»: положительно заряженную дырку. Суть в том, что мы расцениваем оставшийся атом магния как нейтральный, пока посредством поглощения фотона создаем систему, состоящую из выбитого отрицательного электрона и оставшейся положительной дырки. Эта бинарная система называется экситоном (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Экситон состоит из электрона, выбитого со своей орбиты, и атома с оставшейся дыркой

Ее можно считать крошечной батареей с положительным и отрицательным полюсами, способной хранить энергию для последующего использования.

Экситоны нестабильны. Электрон и его дыра ощущают воздействие электростатической силы, притягивающей их друг к другу. При их воссоединении солнечная энергия изначального фотона теряется в виде остаточного тепла. Таким образом, если растению необходимо использовать поглощенную солнечную энергию, оно должно очень быстро перенести экситон в производственную часть молекулы, известную как реакционный центр, где происходит процесс под названием «разделение зарядов». Фактически он включает полный отрыв энергетического электрона от атома и перенос его к соседней молекуле, подобно действию ферментов, которое мы наблюдали в прошлой главе. В результате этого процесса образуется более стабильная, чем экситон, химическая батарея (под названием НАДФН), которая используется во всех важных химических реакциях фотосинтеза.

Но реакционные центры обычно располагаются достаточно далеко с молекулярной точки зрения (на расстоянии нанометров) от возбужденных молекул хлорофилла, так что энергия должна переходить от одной молекулы-антенны к другой по хлорофилльному лесу, пока не достигнет реакционного центра. Это возможно благодаря плотно упакованной структуре хлорофилла. Молекулы по соседству с той, которая захватила фотон, также приходят в возбуждение, эффективно принимая энергию от первичного возбужденного электрона и затем перенося ее к собственному электрону атома магния.

Проблема заключается в том, каким путем должна происходить передача энергии. Если она выберет неправильное направление, в случайном порядке перескакивая от одной молекулы к другой в хлорофилльном лесу, энергия будет утрачена и не достигнет реакционного центра. Какой путь она должна выбрать? Путь к цели не должен занимать много времени, чтобы не утратить энергию экситона.

До недавних пор считалось, что перенос энергии от одной молекулы хлорофилла к другой носит случайный характер, в сущности принимая характер стратегии последней надежды, известной как метод случайного блуждания. Иногда это называют «пьяным блужданием», потому что оно напоминает маршрут пьяницы, вышедшего из бара, который блуждает в поисках пути, пока случайно не находит свой дом. Но случайное блуждание — не очень эффективный способ добраться куда-нибудь: если дом пьяного далеко, он может проснуться следующим утром в кустах в другой части города. Объект, участвующий в случайных блужданиях, имеет тенденцию удаляться от точки старта на расстояние, пропорциональное квадратному корню из времени. Если за одну минуту пьяный человек продвинется на один метр, то через четыре минуты он уйдет на два метра, а через девять минут — только на три метра. С таким вялым прогрессом неудивительно, что животные и микробы редко используют случайное блуждание, чтобы найти пищу или добычу, прибегая к этой стратегии только при отсутствии другого выхода. Поместите муравья в незнакомую местность, и, как только он уловит запах, он бросит случайное блуждание и будет следовать за своим носом.

Считалось, что, не имея ни носа, ни навыков навигации, энергия экситона продвигается по хлорофилльному лесу методом пьяницы. Но такая картина не имела особого смысла, так как известно, что первый этап фотосинтеза чрезвычайно эффективен. Фактически перенос энергии захваченного фотона от молекулы-антенны хлорофилла к реакционному центру знаменит свой эффективностью, большей, чем у любой естественной или искусственной реакции: почти 100 %. При оптимальных условиях почти каждая частица энергии, поглощенная молекулой хлорофилла, достигает реакционного центра. Если бы выбранный путь был блуждающим, то почти все они, по крайней мере большинство из них, должны были быть утеряны. Почему эта энергия фотосинтеза находит свой путь к конечной цели намного успешнее, чем пьяница, муравей или наша наиболее энергоэффективная технология? Это остается одной из величайших загадок биологии.

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.

Среди щупалец опасной морской актинии, обитающей на коралловом рифе недалеко от филиппинского острова Верде, спрятались две маленькие рыбки. Это полосатые оранжево-белые рыбы-клоуны, или, точнее, амфиприоны, а еще точнее — Amphiprion ocellaris. Жизнь одной из них — самки — прошла гораздо интереснее, чем жизнь большинства позвоночных, поскольку эта рыбка не всегда была самкой. Как и все амфиприоны, рыбка сначала была самцом, который подчинялся единственной самке в стае рыбок, населявших эту актинию. В стае амфиприонов устанавливается жесткая социальная структура, и этот самец соперничал с другими самцами, пока наконец не стал доминирующим и не завоевал право спариваться с единственной самкой в стае. Однажды самку съела проплывающая мимо мурена, и после этого у доминирующего самца стали развиваться яичники, которые несколько лет не функционировали, а семенники, наоборот, перестали функционировать. Так самец-амфиприон превратился в королеву-самку, готовую к спариванию со следующим самцом в иерархии стаи.

Амфиприоны — типичные обитатели коралловых рифов Индийского и западной части Тихого океанов. Они питаются растениями, водорослями, планктоном, а также моллюсками и мелкими ракообразными. Из-за небольшого размера, яркого окраса и отсутствия шипов, острых плавников, усиков и зубцов сами амфиприоны становятся легкой добычей мурен, акул и других хищников, снующих по рифам в поисках пищи. Почуяв угрозу, они спасаются тем, что стремительно скрываются в щупальцах своей актинии. От ядовитого жала актинии рыбки защищены плотным слоем слизи, покрывающей их чешуйки. В свою очередь, актиния также пользуется защитой своих разноцветных жильцов, которые отпугивают нежеланных гостей, например рыб-бабочек, питающихся коралловыми полипами.

Эти особенности образа жизни рыб-клоунов стали широко известны после выхода на экраны анимационного фильма «В поисках Немо»[61]. По сюжету рыба-клоун по имени Марлин отправляется на поиски своего сына Немо, который поневоле оказался далеко от дома — Большого Барьерного рифа — и добрался до самого Сиднея. Но еще более сложным испытанием для амфиприонов оказываются поиски дороги домой.

Каждая актиния может быть домом для целой колонии амфиприонов, в которой обязательно есть доминирующая пара — самец и самка. Кроме того, в колонии несколько молодых самцов конкурируют между собой за право стать партнером самки в будущем. Протандрический гермафродитизм амфиприона (необычная способность доминирующего самца менять пол после гибели самки) является, скорее всего, формой адаптации к жизни на опасном рифе. Благодаря этой способности колония предохраняет себя от вымирания после гибели единственной самки с репродуктивной функцией. Более того, рыбам даже не нужно покидать родную актинию в поисках нового дома. Одна и та же колония амфиприонов обычно живет на актинии на протяжении многих лет, однако потомство все же иногда покидает безопасный дом и рано или поздно сталкивается с испытанием — поиском обратного пути.

Полнолуние является своеобразным сигналом для начала нереста большинства коралловых рыб[62]. Когда луна над океаном начинает идти на убыль, самка рыбы-клоуна мечет икру, которую впоследствии оплодотворяет доминирующий самец. На этом работа самки окончена, а вот самец занимается тем, что охраняет икринки, отгоняя от них хищных рыб, обитающих на рифе. Отцовская забота об икринках длится примерно неделю. После на свет появляются сотни головастиков. Течения уносят их во взрослую рыбью жизнь.

Головастики амфиприонов достигают в длину лишь нескольких миллиметров. Кроме того, они почти полностью прозрачны. В течение недели или около того они плавают в океане, питаясь зоопланктоном. Как знают опытные дайверы, не раз погружавшиеся на глубину в районе коралловых рифов, течение очень быстро относит вас от того места, где вы погрузились под воду; так головастиков амфиприонов относит от родного рифа на многие километры. Большинство из них становится жертвами хищных рыб, но некоторые выживают. Еще через неделю счастливчики, оставшиеся в живых, опускаются на дно, где в течение дня превращаются (как головастик лягушки, которого мы описали в главе 3) в мальков — маленькие копии взрослых рыб. Без защиты ядовитой актинии ярко окрашенные мальки становятся легкой добычей хищных рыб, охотящихся в придонных водах. Чтобы выжить, мальку амфиприона необходимо очень быстро найти коралловый риф, а следовательно, и защиту.

Всегда считалось, что головастиков коралловых рыбок уносит океанским течением и что им остается лишь полагаться на счастливый случай быть вынесенными этим течением к подходящему для жизни кораллу. Однако здесь было что-то нелогичное: всегда было известно, что головастики достаточно сильные и умеют отлично плавать, но ведь нет смысла плыть неизвестно куда. В 2006 году Габриэле Герлах, исследовательница из знаменитой Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе, Массачусетс, осуществила геномную идентификацию рыб, населяющих рифы, находящиеся на расстоянии от 3 до 23 километров. Исследование проводилось на одном из участков Большого Барьерного рифа недалеко от берегов Австралии. Выяснилось, что рыбы, населяющие отдельный риф, находятся друг с другом в более близком родстве, чем с рыбами, населяющими отдаленные рифы. Поскольку всех головастиков от родного рифа течение относит на многие километры, результат исследования можно объяснить лишь тем, что большинство взрослых рыб впоследствии возвращаются на тот риф, где они появились на свет. У мальков коралловых рыб, должно быть, есть какая-то метка, указывающая на тот участок рифа, где они родились.

Так как же головастики или мальки амфиприонов, которых течение отнесло так далеко от дома, определяют, в каком направлении им плыть? Дно океана не дает никаких видимых подсказок. На дне мало ориентиров, оно выглядит одинаково во всех направлениях: песчаная пустыня, усеянная большими и маленькими камнями, среди которых то тут, то там снуют разные членистоногие. Вряд ли далекий коралловый риф посылает некий звуковой сигнал, который распространяется в воде на несколько километров. Течения сами по себе являются проблемой, ведь их направления постоянно меняются в зависимости от глубины и иногда сложно определить, движется массив воды или находится в покое. Нет никаких доказательств наличия у амфиприонов механизма наподобие магнитного компаса, который помогает малиновкам ориентироваться в пространстве во время миграций. Так как же мальки коралловых рыбок находят дорогу домой?

У рыб хорошо развито обоняние. Известно, что акулы, у которых за обоняние отвечают две трети мозга, могут почувствовать запах одной капли крови на расстоянии более чем километр. Возможно, коралловые рыбки «вынюхивают» путь к дому? Чтобы проверить это предположение, в 2007 году Габриэле Герлах провела «двухканальный эксперимент на выбор водотока по запаху». Мальки коралловых рыб были поставлены перед выбором — поплыть по течению по одному из двух водотоков. Вода первого была собрана на том рифе, где рыбки появились на свет, а вода второго была перемещена с отдаленного рифа, чужого для мальков. Исследовательница наблюдала, какой водоток выберут мальки — с родной или чужой водой.

Мальки неизменно плыли по водотоку, сформированному из воды родного рифа. Они сумели точно определить, где вода с того рифа, где они появились на свет, а где — вода с чужого рифа. Предположительно это связано с тем, что для мальков эти воды пахнут по-разному. Майкл Арведланд, ученый из Университета имени Джеймса Кука (Квинсленд, Австралия), провел похожий эксперимент, в ходе которого подтвердилось, что амфиприоны способны по запаху отличать вид их родной актинии от всех остальных видов, населенных иными колониями. Более того, Даниэлла Диксон из того же Университета имени Джеймса Кука доказала, что амфиприоны могут отличить воду, взятую из среды их обитания — с рифов, раскинувшихся недалеко от зеленых островов, — от воды, взятой с рифов, находящихся далеко от берега. Кажется, что Немо, как и остальные рыбы-клоуны, живущие в коралловых рифах, и правда мог бы найти дорогу домой по запаху.

О способности животных прокладывать себе путь, полагаясь на обоняние, известно давно. Каждый год по всему миру миллионы особей лосося собираются в большие стаи у побережья океана в районе устья большой реки и плывут к местам нереста, преодолевая течение, пороги, водопады и песчаные отмели. Как и в случае с амфиприонами, ученые долгое время полагали, что лососи выбирают подходящую реку для нереста, полагаясь на случай. Однако в 1939 году канадец Уилберт Клеменс пометил около 470 тысяч молодых особей лосося, пойманных в одном из притоков реки Фрейзер. Спустя несколько лет он поймал в том же притоке почти 11 тысяч помеченных рыб, вернувшихся в родные воды. В других притоках реки Фрейзер не было поймано ни одной помеченной рыбы. Ни одна рыба не сбилась с пути, возвращаясь из океана в родную реку. Многие годы способность рыб ориентироваться в океане и речных потоках оставалась необъяснимой. Профессор Артур Хаслер из Висконсинского университета в Мадисоне предположил, что молодые рыбы находят путь в родную реку по запаху, и в 1954 году проверил свою гипотезу. Он поймал несколько сотен рыб, возвращавшихся вверх по течению реки Иссаква близ Сиэтла, в том месте, где сливаются два больших потока, и перенес их вниз по течению. Все рыбы вернулись в тот самый поток, в котором были пойманы. Тогда профессор заткнул их ноздри ватой и снова выпустил в незнакомом месте. Рыбы снова поплыли вверх по течению, однако в поисках своего потока они метались то в одну сторону, то в другую и никак не могли решить, куда им плыть — направо или налево.

На суше роль обоняния еще заметнее, поскольку объем воздуха, в котором растворяются запахи, намного больше объема океана. Атмосферные потоки также подвержены турбулентности, обусловленной переменой погоды, поэтому молекулы газов рассеиваются в воздухе гораздо быстрее, чем в воде. Обоняние является важнейшим чувством для большинства наземных животных, от которого зависит их выживание. Они пользуются обонянием не только для того, чтобы найти путь домой, но и для того, чтобы поймать добычу, убежать от хищника, найти партнера, подать сородичам сигнал тревоги, пометить территорию, стимулировать физиологические изменения организма, а также для коммуникации. Разумеется, человеческому обонянию недоступны такие возможности, поэтому люди часто используют более сильное обоняние братьев своих меньших, например, для того, чтобы разгадать некоторые сигналы и знаки животных. Известно, например, как сильно запахи волнуют собак. Так, гончая породы бладхаунд, чей обонятельный эпителий (подробнее об этом позже) в 40 раз толще человеческого, способна найти человека по запаху. Все мы видели по крайней мере в кино, как собаке-ищейке достаточно понюхать брошенную одежду сбежавшего преступника и она тут же берет его след и находит злодея, преследуя его по болотам, лесам и вдоль ручьев. В кино, разумеется, встречаются вымышленные истории, однако уникальное обоняние, присущее гончим, — факт достоверный. Собаки способны определить по запаху, каким путем шел человек, а каким — животное, а также напасть на след по запаху, оставленному несколько дней назад.

Продемонстрировать поразительные возможности обоняния животных можно на примерах тех подвигов, которые ежедневно совершает собака породы бладхаунд или рыба-клоун. Поговорим сначала о бладхаунде: у него такой тонкий нюх, что он способен различать в запахе человека или животного даже очень небольшое количество органических веществ, например масляной кислоты. Острота обоняния собаки удивительна. Если распылить один грамм масляной кислоты в комнате, то человек почувствовал бы ее сладковато-прогорклый запах. Однако собака учуяла запах масляной кислоты, если бы всего один грамм распылили над целым городом, причем на высоте 100 метров. А теперь вспомните, что рыба-клоун или лосось чувствуют запах родных мест на расстоянии несколько километров в необозримых просторах океана.

Обоняние животных впечатляет не только своей остротой, но и хорошо развитой дискриминационной способностью. Ежедневно собаки помогают сотрудникам таможни обнаруживать по запаху целый спектр запрещенных веществ (обычно тщательно упакованных и спрятанных в чемодане): от наркотиков, например марихуаны и кокаина, до компонентов взрывчатых веществ, например C-4. Собаки также способны различать по запаху людей, даже абсолютно одинаковых близнецов. Как же они это делают? Ведь масляная кислота, выделяемая одним из нас, — это та же масляная кислота, которая выделяется любым другим человеком. Безусловно, это так. Однако, кроме масляной кислоты, любой организм выделяет тонкую и сложную смесь из сотен органических молекул, являющуюся уникальным запахом, который, как и отпечатки пальцев, не повторяется ни у кого. Собаки чувствуют этот индивидуальный запах так же легко, как мы, например, различаем цвет футболки. Таким же образом рыба-клоун или лосось так же легко различают запах их родных вод, как мы с вами узнаем родную улицу или определяем цвет входной двери.

И все же собаки, лосось и амфиприоны не являются представителями живых существ с самым острым обонянием. Например, у медведя обоняние в семь раз острее, чем у бладхаунда: он может почуять живое существо на расстоянии 20 километров. Моль чувствует другую особь на расстоянии 10 километров; крысы способны воспринимать запахи в режиме «стерео», а змеи — языком. Все эти способности обоняния важны для животных, которые должны постоянно добывать себе пищу, находить партнеров, избегать встреч с хищниками. Они развили чувствительность к едва уловимым намекам, которые позволяют снизить риск опасности в воздухе или в воде. Обоняние настолько важно для выживания животных, что поведенческие реакции на запахи у некоторых видов являются врожденными. Во время экспериментов с участием полевок с Оркнейских островов грызуны избегали ловушек с запахом (секретом) хищника горностая, несмотря на то что горностаи не водятся на Оркнейских островах уже пять тысяч лет!

Считается, что обоняние человека менее острое, чем обоняние его предков. Несколько миллионов лет назад Homo erectus оторвал верхние конечности от земли и стал прямоходящим. Его нос при этом также отдалился от земли — богатого источника разнообразных запахов. Со временем основными источниками информации наших предков стали зрение и слух, которые постепенно совершенствовались при более выгодном для глаз и ушей положении тела. Нос человека стал короче, ноздри сузились, а в большинстве генов (всего их у наших предков было около тысячи), кодирующих свойства рецепторов обоняния, накопились мутации (подробнее об этом позже). К сожалению, мы также лишились дополнительной обонятельной способности, встречающейся у других животных, за которую отвечает вомероназальный орган (орган Якобсона). Функция вомера состоит в улавливании половых феромонов.

И все же, несмотря на скудный, по сравнению с предками, набор в три сотни генов, отвечающих за рецепторы обоняния, и некоторые анатомические изменения, мы сохранили на удивление хороший нюх. Мы не можем почувствовать запах человека или пищи на расстоянии нескольких километров, однако мы способны различать около десяти тысяч запахов и, как заметил Ницше, даже выполнить «спектральный анализ» пахучих веществ. Наша способность воспринимать запахи стала источником вдохновения великих поэтов («Роза пахнет розой, хоть розой назови ее, хоть нет») и имеет большое значение для нашего хорошего самочувствия и удовлетворения.

В истории человечества обоняние также имело на удивление большое значение. В древнейших текстах говорится о благоговении человека перед приятными запахами. Неприятные запахи вызывали отвращение. В священных местах всегда распылялись благовония. В Библии есть эпизод, в котором Бог наставляет Моисея на строительство храма и говорит ему: «Возьми себе благовонных веществ: стакти, ониха, халвана душистого и чистого ливана, всего половину, и сделай из них искусством составляющего масти курительный состав, стертый, чистый, святый»[63]. У древних египтян даже был бог благовоний — Нефертум, который также почитался как бог исцеления, своего рода мифический ароматерапевт.

Из-за стойких ассоциаций здоровья с приятными запахами и, наоборот, болезней и упадка — с неприятными многие люди верили, что именно запахи являются причиной здоровья или болезней, а не наоборот. Например, древнеримский хирург Гален считал, что зловонное белье — простыни, одеяла, матрасы — вызывает заражение крови и других жидкостей организма. Считалось, что тошнотворные запахи (миазмы), исходящие из канализации, склепов, выгребных ям, а также болот, являются источником многих смертельных болезней. Люди верили, что приятные запахи способны отразить болезнь, защитить от нее. Именно поэтому врачи средневековой Европы перед тем, как войти в дом, где находится больной чумой, требовали, чтобы помещение сначала проветрили, а затем раскурили бы в нем благовония, например ладан, смирну, масло розы, гвоздики и другие ароматические травы. Таким образом, изначально профессия парфюмера была связана скорее с дезинфекцией, нежели с уходом за человеческим телом.

Значение обоняния в жизни человека не ограничивается только распознаванием запахов, вдыхаемых носом. Возможно, вас это удивит, но считается, что наше чувство вкуса на 90 % является тем же обонянием. Когда мы пробуем пищу, рецепторы вкуса, расположенные на языке и небе, распознают химические вещества, растворенные в слюне. Однако у человека есть только пять видов рецепторов вкуса, способных различать комбинации пяти основных вкусов — сладкого, кислого, соленого, горького и вкуса умами (в переводе с японского «приятный пряный вкус»). В то же время запахи еды и напитков попадают из горла в носовую полость, где активизируют сотни рецепторов обоняния. По сравнению с рецепторами вкуса, рецепторы обоняния наделяют нас гораздо более широкими возможностями, позволяя различать тысячи различных запахов и наслаждаться ароматами хорошего вина, пахучих продуктов, приправ, трав или кофе. Несмотря на то что мы утратили вомероназальное обоняние, сохранившееся у большинства млекопитающих, широкая парфюмерная индустрия говорит о том, что запахи до сих пор играют важную роль в человеческих отношениях, особенно сексуальных. Фрейд даже усматривал связь между подавлением сексуальных желаний и сублимацией обоняния у большинства людей, однако при этом писал, что «есть целые народы, даже в Европе, в половой культуре которых высоко ценится сильный запах гениталий»[64].

Так как же люди, собаки, медведи, змеи, мотыльки, акулы, крысы и амфиприоны расшифровывают эти послания «материальной действительности»? Каким образом мы способны различать такое многообразие запахов?

В отличие от зрения и слуха, получающих информацию не напрямую, а посредством электромагнитных или звуковых волн, испускаемых объектом, органы вкуса и обоняния получают информацию, непосредственно контактируя с объектом (молекулой), несущим сообщение «материальной действительности». Механизмы обоих чувств (вкуса и обоняния) работают по очень схожему принципу. Молекулы, которые распознаются органами вкуса и обоняния, либо растворены в слюне, либо распространяются по воздуху и затем попадают на рецепторы, находящиеся на языке (рецепторы вкуса) или на обонятельном эпителии верхней носовой раковины носовой полости. Свойство летучести запахов говорит о том, что большинство из них представляют собой не что иное, как крошечные молекулы.

Сам нос не играет важной роли в процессе обоняния. Он лишь способствует продвижению воздуха к месту, где расположен обонятельный эпителий, а именно к задней части носовой полости (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Анатомия обоняния

Исходным событием в определении запаха — будь то запах апельсина, кораллового рифа, партнера, хищника или жертвы — является, как теперь понятно, связывание одной молекулы запаха с обонятельным рецептором, которое осуществляется на разветвленном конце одного из обонятельных нейронов, похожих на метелку. Однако каким образом каждый рецептор распознает свой набор молекул, скажем молекулы лимонена, не захватывая других, не связываясь с любой другой молекулой из необозримого океана возможных запахов, достигающих обонятельного эпителия?

Это и есть самая главная тайна запаха.

Традиционное объяснение работы данного механизма всегда содержало сравнение с замком и ключом. Считается, что молекулы запаха подходят к обонятельному рецептору, словно ключ к замку, например, молекула лимонена плотно встраивается в подходящий обонятельный рецептор. Далее, как предполагалось, в процессе, который до сих пор остается неясным, подобное тесное связывание поворачивает замок и запускает механизм высвобождения G-белка, который обычно находится на внутренней поверхности рецептора, словно снаряд, прикрепленный к корпусу корабля. Когда белок-снаряд запускается в клетку, он прокладывает путь к клеточной мембране, где открывает канал, позволяющий электрически заряженным молекулам проникнуть в клетку. Этот электрический заряд, проникающий в клетку через мембрану, заставляет нейрон отправить сигнал (подробнее об этом — в главе 9) из обонятельного эпителия в мозг.

Если говорить о механизме обоняния в терминах замка и ключа, это означает, что молекулы рецептора и молекулы запаха дополняют форму друг друга, поэтому вторые как бы встраиваются в первые. Простой аналогией являются головоломки-пазлы, которые так любят складывать малыши: на деревянной дощечке вырезаны отверстия определенной формы (скажем, круг, квадрат или треугольник), в которые вставляются подходящие фигурки той же формы и размера. Можно представить себе молекулы разных ароматов в виде таких фигурок: например, молекула запаха апельсина, то есть молекула лимонена, — круглая, молекула яблочного аромата — квадратная, молекула бананового запаха — треугольная. Таким образом, в каждом обонятельном рецепторе найдутся соответствующие отверстия — связывающие карманы, куда идеально войдет молекула определенного запаха.

Разумеется, в действительности молекулы не имеют таких правильных форм, поэтому связывающие карманы белков-рецепторов устроены гораздо сложнее, чтобы в них могли как можно плотнее войти молекулы замысловатых форм. Большинство карманов отличаются, вероятно, очень сложными формами, напоминающими формы активных центров ферментов, которые, как вы помните из главы 3, связывают молекулы субстратов. К слову, считается, что взаимодействие молекул запаха со связывающими карманами рецепторов происходит по той же схеме, что и взаимодействие субстратов с активными центрами фермента (см. рис. 3.4) и даже взаимодействие лекарственных средств и ферментов. Кстати, ученые высказывали мысль о том, что понимание роли квантовой механики во взаимодействии молекул запахов с рецепторами может усовершенствовать процесс разработки лекарственных препаратов.

В любом случае, из гипотезы о формах молекул и рецепторов вытекает следующее предположение: вероятно, существует корреляция между формой молекулы вещества и его запахом. Иными словами, схожие по форме молекулы должны иметь похожие запахи, а молекулы с сильно различающимися формами, вполне возможно, резко отличаются и запахами.

Пожалуй, одним из самых зловещих запахов в истории человечества был запах горчицы или гнилого сена в траншеях времен Первой мировой войны. Невидимые газы беспрепятственно распространялись над нейтральной зоной. В воздухе едва уловимо чувствовался запах горчицы (иприт, или горчичный газ) или затхлого сена (фосген) — и у солдата оставались несколько драгоценных секунд на то, чтобы натянуть маску, пока смертельно опасное вещество не проникло в легкие. Химик Малкольм Дайсон выжил после химической атаки ипритом. Возможно, благодаря тому, что именно обоняние спасло его от смерти, он впоследствии решил посвятить себя разгадке природы запахов. После войны он занимался промышленным синтезом многих веществ и часто пользовался обонянием, анализируя запахи продуктов реакций синтеза. Дайсона поражало очевидное отсутствие какой-либо связи между формой молекул и их запахами. Так, многие молекулы, отличающиеся по форме (вещества на рис. 5.2, а — г), пахнут одинаково, в данном случае мускусом[69]. И наоборот, вещества со схожей молекулярной структурой (д и е на рис. 5.2) имеют различные запахи, в данном случае вещество е обладает запахом мочи, а вещество д вообще не имеет запаха[70].

Рис. 5.2. Молекулы а, б, в и г различаются по форме, однако пахнут практически одинаково. Молекулы д и е практически совпадают по форме, однако сильно различаются запахом

Отсутствие прямой связи между формой и запахом молекул всегда являлось — и продолжает оставаться — одной из главных проблем производителей парфюмерии и ароматов. Вместо того чтобы создать запах по той же схеме, что и бутылочку для него — всего лишь выбрать форму молекулы, парфюмеры вынуждены полагаться на химический синтез, который обычно растягивается на многочисленные этапы проб и ошибок, в ходе которых химикам вроде Дайсона приходится перенюхать бесчисленное множество запахов. И все же Дайсон заметил, что вещества, пахнущие одинаково, обычно содержали компоненты с одинаковыми химическими группами, например атом кислорода, связанный с атомом углерода двойной связью C=O, во всех веществах, обладающих запахом мускуса (см. рис. 5.2). Эти химические группы входят в состав любых крупных молекул и определяют многие их свойства, в том числе, как заметил Дайсон, запах вещества. Еще одна многочисленная группа веществ с похожим запахом включает вещества, в молекулах которых встречается сероводородная группа (S — H). Если в структуре молекулы есть атом водорода, связанный с атомом серы, вещество имеет характерный запах тухлого яйца. Дайсон предположил, что наши носы улавливают не форму всей молекулы вещества, а совсем иное физическое свойство, а именно частоту колебаний молекулярных связей между атомами.

Дайсон высказал свои предположения в конце 1920-х годов, когда никто не имел ни малейшего понятия, как обнаружить и зафиксировать молекулярные колебания. Однако в начале 1920-х годов во время путешествия в Европу индийский физик Чандрасекхара Венката Раман был восхищен «чудесными синими переливами Средиземного моря» и предположил, что «данное явление обязано своим происхождением рассеянию света молекулами воды». Обычно свет отталкивается от атома или молекулы «упруго», то есть без потери энергии, словно мячик из твердой резины от жесткой поверхности. Раман предположил, что в редких случаях свет может рассеиваться «неупруго», словно твердый мяч, ударяющий по бейсбольной бите, при этом передающий и бите и игроку некоторое количество энергии (помните, как в мультфильме Багс Банни отбивает быстро летящий мяч, после чего вибрирует и бита, и сам кролик). При «неупругом» рассеянии протоны также теряют энергию «в пользу» молекулярных связей, с которыми они сталкиваются и которые начинают колебаться. Рассеянный свет, таким образом, теряет энергию, что приводит к изменению его частоты и, соответственно, цвета (ближе к синему концу спектра), создавая эффект «чудесных синих переливов», которыми был очарован Раман.

Химики применяют данный принцип при исследовании структуры молекул. Через образец исследуемого вещества пропускается луч света, и разница между цветом и частотой (то есть энергией) входящего и выходящего света фиксируется как рамановский спектр вещества, представляющий собой своего рода отпечатки его химических связей. Метод выявления данного спектра — рамановская спектроскопия — носит имя индийского физика. За разработку данного метода Раман был удостоен Нобелевской премии по физике. Услышав о результатах исследований Рамана, Дайсон понял, что они, возможно, объясняют и механизм, посредством которого органы обоняния идентифицируют колебания молекул запаха. Он предположил, что нос «является своеобразным спектроскопом», способным улавливать частоту колебаний различных химических связей. Он даже определил некоторые частоты Раман-спектра для веществ со схожим запахом. Так, частота пика комбинационного рассеяния всех меркаптанов (вещества, молекулы которых содержат концевую сероводородную связь) находится в диапазоне 2567–2580. Для всех этих веществ характерен запах протухших яиц.

В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.

Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена — левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом — вверх).

Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) — зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары

Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными[71]. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон — природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер — запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.

Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго — практически на всю вторую половину XX столетия — затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку[72]. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний — часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.

Однако в теории замка и ключа (теории формы) также есть противоречия. Как мы уже говорили, в рамках данной теории невозможно объяснить наличие молекул с различной структурой и одинаковым запахом и наоборот. Размышляя над этими противоречиями, в 1994 году Гордон Шеперд и Кенсаку Мори сформулировали несколько идей, которые иногда объединяют общим названием «теория слабой формы», или «теория одотопа»[73]. Основное отличие данной теории обоняния от классической теории формы заключалось в предположении Шеперда и Мори о том, что обонятельные рецепторы идентифицируют форму не всей молекулы, а лишь ее части — определенной химической группы. Например, мы уже говорили о том, что в состав молекул веществ с мускусным запахом (схемы представлены на рис. 5.2) входит атом кислорода, связанный двойной связью с атомом углерода. Согласно теории одотопа, рецепторы обоняния реагируют именно на форму этих химических групп, а не на форму целой молекулы. Эта теория больше подходит для объяснения аналитической природы запаха, однако не лишена недостатков, как и теория колебаний. Недостатки, например, всплывают тогда, когда речь идет о молекулах, которые сильно различаются по структуре, однако содержат одинаковые химические группы. Так, ни теория одотопа, ни теория колебаний не может объяснить, почему вещества различаются по запаху, несмотря на одинаковые химические группы в составе молекул. Например, молекулы ванилина (основного компонента ванили) и изованилина состоят из шестиатомного углеродного кольца и трех одинаковых боковых групп, расположенных в неодинаковом порядке (рис. 5.4). Согласно теории одотопа, одинаковые химические группы должны иметь одинаковый запах. Тем не менее ванилин, как вы понимаете, пахнет ванилью, а изованилин отличается резким запахом фенола (сладковато-медицинский запах).

Рис. 5.4. Молекулы с идентичными химическими группами (например, молекулы ванилина и изованилина) могут тем не менее иметь абсолютно разные запахи

Для преодоления этих противоречий сторонники теории замка и ключа предложили объединить ее с теорией одотопа. Они предположили наличие в обонятельной системе хирального механизма распознавания формы химических групп. И все же новая теория не способна объяснить наличие зеркальных молекул с одинаковым запахом[74]. Согласно объединенной теории, запахи таких молекул распознаются одним и тем же рецептором. В таком случае данный рецептор, одинаково подходящий по форме для зеркальных изомеров, представляет собой своеобразный молекулярный организм с универсальной рукой, на которую можно надеть и правую и левую перчатку, а это уже похоже на бессмыслицу.

Обычному человеку нетрудно понять, в чем заключается смысл теории совпадения формы рецептора и молекулы: каждый день мы имеем дело с таким явлением, как комплементарность форм, надевая перчатку, вставляя ключ в замочную скважину или закручивая гайку гаечным ключом. Известно, что ферменты (о действии которых мы говорили в главе 3), антитела, рецепторы гормонов и другие биомолекулы взаимодействуют в основном посредством геометрического приспособления собственных атомов и молекул. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что теория совпадения формы рецептора и молекулы была поддержана многими биологами, в том числе Ричардом Экселом и Линдой Бак, получившими Нобелевскую премию за изучение обонятельных рецепторов.

Коммуникация, основанная на обработке колебаний химических связей, знакома и понятна нам в гораздо меньшей степени, несмотря на то что данный механизм лежит в основе как минимум двух каналов получения информации — зрения и слуха. В то время как физика таких процессов, как считывание глазом частоты колебаний света или фиксация ухом частоты колебаний воздуха, давно понятна, до недавнего времени никто не мог предложить ясного объяснения того, каким образом нос распознает частоту молекулярных колебаний.

Лука Турин родился в 1953 году в Ливане. Он изучал физиологию в Университетском колледже Лондона. Получив образование в Лондоне, он переехал во Францию, где ему посчастливилось работать в Национальном центре научных исследований. Однажды он посетил известный магазин «Галерея Лафайет» в Ницце и пережил там моменты истинного откровения. В центре большого парфюмерного павильона находилась витрина, уставленная продукцией японской компании Shiseido, а именно их новым запахом Nombre Noir, о котором Турин пишет так: «Это было нечто среднее между розой и фиалкой, но абсолютно без сладкой приторности, присущей обоим ароматам; напротив, в нем был слабый, едва уловимый оттенок запаха кедровой коробки для сигар. В то же время аромат вовсе не был сухим. Казалось, он переливался свежестью глубокого, теплого цвета, и капли поблескивали в нем, словно стеклышки витража»[75]. Японский аромат глубоко впечатлил Турина и вдохновил его на долгие поиски разгадки тайны запаха, а именно того, как молекулы, попадающие в нос человека, способны вызывать такие пронзительные ощущения.

Как и его предшественник Дайсон, Турин был убежден в том, что взаимосвязь спектра колебаний и запаха не может быть простым совпадением. Он соглашался с аргументом Дайсона о том, что обонятельные рецепторы каким-то образом улавливают молекулярные колебания. В отличие от Дайсона, Турин предположил наличие в системе органов обоняния весьма абстрактного, но в то же время правдоподобного молекулярного механизма, который представляет собой набор биомолекул, способных улавливать колебания химических связей посредством квантового туннелирования электронов[76].

Как вы помните из главы 1, туннелирование — это явление квантовой природы, основанное на способности частиц, например электронов или протонов, приобретать свойства волны и преодолевать препятствия, не преодолимые никаким другим способом, известным классической физике. В главе 3 мы говорили о том, что данное явление играет важную роль во многих реакциях с участием ферментов. Пока Турин бился над разгадкой тайны запаха, ему на глаза попалась статья о такой новой технологии, применяемой в химии, как туннельная спектроскопия неупруго рассеянных электронов (IETS). Механизм IETS таков: две металлические пластины помещают очень близко друг к другу, оставляя между ними тоненькую щель. Когда на пластины подается напряжение, электроны скапливаются на одной из них, придавая ей отрицательный заряд (пластина-донор). Вторая, положительно заряженная, — пластина-акцептор — начинает их притягивать. Если в рассуждениях не выходить за рамки классической физики, то можно утверждать, что электроны не обладают достаточной энергией для того, чтобы перепрыгнуть через щель, разделяющую две пластины. Однако электроны — это объекты, характеризующиеся квантовой природой, и если щель не очень широка, то они преодолеют путь от донора к акцептору посредством квантового туннелирования. Такой процесс называется «упругим» туннелированием, поскольку электроны не получают, но и не теряют энергию в ходе преодоления некоторого расстояния.

«Упругое» туннелирование электрона от донора к акцептору возможно при одном важном условии — наличии на акцепторе свободной точки с энергией, совпадающей с энергией электрона. Если ближайшая доступная для электрона точка акцептора характеризуется меньшей энергией, тогда электрону необходимо утратить часть собственной энергии, чтобы совершить прыжок. Такой процесс называется «неупругим» туннелированием. Ненужная энергия должна быть направлена куда-либо, иначе электрон не сможет совершить туннелирование. Если между пластинами помещается некое вещество, электрон может совершать скачок от донора к акцептору, передавая этому веществу лишнюю энергию. Это возможно до тех пор, пока молекулы вещества, расположенного между пластинами, имеют связи, совершающие колебания на частоте, соответствующей сообщаемой энергии. Избавившись таким образом от лишней энергии, электроны, совершающие «неупругое» туннелирование, попадают на пластину-акцептор с меньшим количеством энергии. Устанавливая различия между количеством энергии электронов, покидающих пластину-донор, и количеством энергии прибывающих на акцептор частиц, туннельная спектроскопия «неупруго» рассеянных электронов помогает определить свойства и природу молекулярных связей химического вещества.

Вернемся к аналогиям из мира музыки. Если вы когда-нибудь играли на струнном инструменте, вы должны знать, что извлечь звук из струны можно, даже не касаясь ее. Мы имеем в виду явление звукового резонанса. Этот «фокус» можно продемонстрировать, например, во время настройки гитары. Если вы поместите маленький кусочек тонкой бумаги на одну из струн, а затем возьмете ноту, соответствующую данной струне, на соседней, вы увидите, что бумажка упадет со струны, которой вы даже не коснулись. Это происходит потому, что в случае точной настройки струна, которую вы дергаете, передает воздуху колебания, а воздух, в свою очередь, передает колебания соседней струне. Возникает резонанс колебаний соседних струн. При «неупругом» туннелировании электрон перескакивает на пластину-донор, если в составе молекул вещества, помещенного между пластинами, окажется химическая связь, совершающая колебания с той частотой, которая необходима частице для совершения скачка. На самом деле электрон, совершающий туннелирование, теряет энергию в ходе дергания молекулярной связи во время квантового скачка между пластинами.

Турин предположил, что обонятельные рецепторы функционируют подобным образом, только роль обеих пластин и щели между ними выполняет одна-единственная молекула — собственно обонятельный рецептор. Он представил электрон, изначально расположенный на донорской стороне молекулы рецептора. Как и при «неупругом» туннелировании, электрон мог бы совершить скачок на сторону акцептора в пределах той же молекулы, но, как предположил Турин, частице мешало несовпадение энергий двух сторон молекулы. Однако если рецептор захватывает молекулу запаха, которая имеет химическую связь, совершающую колебания с подходящей частотой, тогда электрон способен совершить прыжок от донора к акцептору посредством туннелирования, одновременно передавая некоторое количество энергии молекуле запаха, «дернув» за одну из ее химических связей. Турин также предположил, что электрон, совершивший туннелирование и находящийся теперь на стороне акцептора, запускает молекулярный снаряд — G-белок, приводящий в действие обонятельный нейрон, который отправляет сигнал прямо в мозг, после чего мы наконец «ощущаем» запах, скажем, апельсина.

Турину удалось обнаружить множество косвенных доказательств своей квантовой теории колебаний. К примеру, как уже было сказано, для веществ, содержащих сероводородную связь, характерен резкий запах протухших яиц. В молекулах данных веществ содержится молекулярная связь S — H, совершающая колебания с частотой 76 терагерц (76 триллионов колебаний в секунду). В рамках теории Турина выдвигается смелая гипотеза: любое вещество, в молекуле которого обнаруживается химическая связь, совершающая колебания с частотой 76 терагерц, должно обладать запахом протухшего яйца независимо от формы молекул. К сожалению, немногие вещества могут похвастаться химическими связями с подобным спектром колебаний. Турин просмотрел практически всю имеющуюся литературу по спектроскопии в поисках упоминания о молекуле с той же частотой колебаний химической связи. Наконец он обнаружил, что концевые бороводородные связи в составе молекул боранов (бороводородов) совершают колебания с частотой 78 терагерц, близкой к частоте колебаний связи S — H. Так как же пахнут бороводороды? Такой информации в литературе по спектроскопии не нашлось, а сами вещества оказались такой редкостью, что Турин нигде не мог найти образец, чтобы понюхать самому. В статье одного из старых изданий он нашел упоминание о том, что бороводороды имеют отвратительный запах — то же можно сказать и о запахе серы. Таким образом, бораны — единственная на данный момент известная группа веществ, молекулы которых не имеют в своем составе атомов серы, но при этом обладают тем же запахом протухших яиц, что и сероводород. Одним из таких веществ является декаборан, молекулы которого состоят исключительно из атомов бора и водорода (химическая формула B₁₀H₁₄).

Итак, Турин совершил открытие: из тысяч веществ, запахи которых известны человеку, такую же вонь, как и сероводород, источает молекула с такой же частотой колебаний химической связи. Это звучало весьма убедительно, поэтому теория колебаний химических связей получила широкую поддержку среди исследователей механизмов обоняния. Как вы помните, парфюмеры на протяжении долгих десятилетий бились над тем, как подобрать молекулярный ключик к тайне запаха. Турину удалось совершить то, чего не сумел добиться ни один химик: предсказать запах вещества, опираясь лишь на теоретические рассуждения. Для химиков это было равносильно тому, как если бы кто-то предсказал запах духов, исходя из формы флакончика. Теория Турина также описывает весьма правдоподобный с биологической точки зрения квантовый механизм, благодаря которому биомолекула способна распознавать молекулярные колебания. Однако теоретически «правдоподобного» механизма недостаточно. Где же кроется истина?

Возникновение теории колебаний сопровождалось очевидными яркими удачами, например в случае с предсказанием запаха декаборана. И все же она сталкивается с некоторыми проблемами, близкими тем подводным камням, которые не смогла обойти теория замка и ключа, — наличием зеркальных изомеров (например, лимонена и дипентена) с различными запахами и одинаковыми спектрами колебаний. Турин решил проверить еще одно предположение, выдвинутое в рамках его теории. Как вы помните, гипотеза о возникновении эффекта туннелирования во время действия фермента (см. главу 3) проверялась путем замены обычного атома водорода на более тяжелые изотопы, например дейтерий, с целью использовать кинетический изотопный эффект. Турин провел похожий эксперимент с запахом ацетофенона, который описывается как «резкий сладкий аромат… напоминающий запах боярышника или цветущего апельсинового дерева». Турин приобрел весьма дорогостоящую партию ацетофенона, в которой каждый восьмой атом водорода в углерод-водородных связях был заменен дейтерием. Чем тяжелее атомы (и чем толще гитарные струны), тем ниже частота их колебаний. Частота колебаний обычной углерод-водородной связи находится в промежутке от 85 до 93 терагерц, однако в случае замены атома водорода дейтерием частота колебаний углерод-водородной связи снижается до 66 терагерц. Таким образом, «дейтеризованное» вещество отличается от вещества, где в связях с углеродом находятся обычные атомы водорода, спектром колебаний. Но отличается ли оно еще и запахом? Перед тем как осторожно понюхать оба вещества, Турин плотно закрыл двери своей лаборатории. Он был уверен в том, что «вещества пахли по-разному; дейтеризованная партия обладала менее сладким запахом, как будто более растворенным»[77]. Даже после тщательной очистки обоих веществ Турин был убежден, что партия с обычным водородом и партия с дейтерием имеют абсолютно разные запахи. Таким образом, он заявил, что его теория доказана.

Исследования Турина привлекли внимание инвесторов, вложивших немалые деньги в основание новой компании Flexitral, цель которой заключалась в том, чтобы успешно применить идеи о квантовых колебаниях молекул в производстве новых ароматов. Журналист Чандлер Берр написал книгу о том, как Турин шел к разгадке тайны молекулярных механизмов запаха[78], а компания BBC сняла документальный фильм о его исследованиях.

Тем не менее многих ученых было не так легко убедить в истинности данной теории, особенно приверженцев теории замка и ключа. Лесли Восшелл и Андреас Келлер из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк) повторяли пробы обычного и дейтеризованного ацетофенона на запах. Не полагаясь на тонко организованный нюх Турина, они пригласили 24 «наивных» испытуемых с целью выявить, чувствуют ли они разницу в запахах двух веществ. В результате был получен однозначный ответ: разницы нет. Статья Восшелла и Келлера была опубликована в журнале Nature Neuroscience в 2004 году[79] и сопровождалась мнением редактора, который отозвался о теории колебаний как о «не имеющей веса в научных кругах».

Однако, как подтвердит любой врач-исследователь, пробы, подразумевающие участие человеческих органов чувств, всегда сопряжены с рядом сложностей, таких как ожидания испытуемых или их опыт, предшествовавший эксперименту. Чтобы избежать подобных сложностей, команда ученых под руководством Эфтимиоса Скулакиса из Института Александра Флеминга (Вари, Греция) совместно с исследователями из МТИ, среди которых был и Лука Турин, решила провести эксперимент с более надежными испытуемыми — плодовыми мушками, выведенными в лабораторных условиях. Данный эксперимент по своему принципу напоминает эксперимент Габриэле Герлах с выбором потока воды коралловыми рыбками (мы говорили об этом эксперименте в самом начале данной главы). Ученые назвали этот эксперимент T-лабиринтом. Мушек запускали в лабиринт T-образной формы через узкий стержень и подгоняли к развилке, где они должны были решить, в какую сторону им лететь — направо или налево. С обеих сторон развилки в лабиринт был закачан ароматизированный воздух. Подсчитав количество мушек, выбравших то или иное направление, ученые надеялись определить, способны ли мушки почувствовать разницу в запахах, закачанных соответственно в левый и правый рукав лабиринта.

Для начала ученые выяснили, чувствуют ли мушки запах ацетофенона. Оказалось, что они чувствуют его прекрасно: достаточно было распылить крошечную капельку вещества в правом рукаве лабиринта, как почти все мушки послушно устремились на его фруктовый аромат. Затем ученые заменили обычные атомы водорода в молекулах ацетофенона на дейтерий. В ходе данного эксперимента ученые меняли на дейтерий не каждый восьмой атом водорода, а три, пять или сразу все восемь атомов. Каждый вариант проверялся отдельно, причем в одном из рукавов лабиринта всегда оставалась недейтеризованная форма вещества. Исследователей ожидали поразительные результаты. Когда в левом рукаве был распылен ацетофенон с тремя тяжелыми изотопами в молекуле, мушки забывали о своих предпочтениях и выбирали направление совершенно беспорядочно: то направо, то налево. Когда в правом рукаве распылялся дейтеризованный ацетофенон с пятью или восьмью замещенными атомами в молекуле, мушки решительно сворачивали налево, подальше от дейтеризованного запаха. Казалось, что они чувствуют разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой ацетофенона и им не очень-то нравится запах последней. Команда ученых ввела в эксперимент два дополнительных вещества. Выяснилось, что мушки легко различали на запах формы октанола с обычным водородом и дейтерием, однако не чувствовали разницу между соответствующими формами бензальдегида. Чтобы доказать, что при определении направления в лабиринте мушки пользуются именно обонянием, ученые провели такой же эксперимент с мушками-мутантами, у которых отсутствовали функциональные обонятельные рецепторы. Как и ожидалось, мушки-аносмики[80] не способны различать формы пахучих веществ с обычными атомами водорода и дейтерием.

Используя набор условных рефлексов Павлова, ученые научили мушек ассоциировать некоторые формы веществ с наказанием — легким ударом электрического тока, пропускаемого через лапки. Группе исследователей удалось провести еще один замечательный эксперимент, проверяющий состоятельность теории вибрации. Сначала ученые приучили мушек избегать веществ, в которых атом углерода был связан с дейтерием (частота колебаний данной химической связи равна 66 терагерцам). Затем они решили проверить, будут ли мушки избегать встречи с другими веществами, в молекулах которых окажутся другие химические связи, совершающие колебания с той же частотой. Проверка прошла успешно. Мушки, приученные избегать веществ, в молекулах которых есть связь углерод — дейтерий, также избегали встречи с группой веществ под общим названием «нитрилы», в молекулах которых углерод-азотная связь, несмотря на значительное отличие от углерод-водородной связи по структуре и химическим свойствам, совершает колебания с той же частотой. Результаты данного исследования были опубликованы в 2011 году в престижном научном издании Proceedings of the National Academy of Science[81], что значительно укрепило позиции теории колебаний, по крайней мере в объяснении механизма обоняния плодовых мушек.

Год спустя Скулакис и Турин присоединились к группе исследователей из Университетского колледжа Лондона с целью продолжить поиски ответа на деликатный вопрос о том, основан ли механизм обоняния человека на распознавании колебаний молекулярных связей. Вновь не полагаясь на тонкий нюх Турина, команда ученых пригласила для участия в пробах на запах 11 испытуемых. Сначала ученые подтвердили результаты, полученные Восшеллом и Келлером: испытуемые не различали по запаху обычный и дейтеризованный ацетофенон. Однако ученые предположили, что восьми атомов в углерод-водородной связи может быть недостаточно. Возможно, сигнал, поступающий от дейтеризованной формы ацетофенона, настолько слаб, что человеческий нос его просто не улавливает. Ученые решили исследовать восприятие людьми веществ, отличающихся более сложной структурой и имеющих запах мускуса (например, тех, что показаны на рис. 5.2).

В каждой молекуле подобного вещества содержится 28 атомов водорода, и все они могут быть заменены на дейтерий. На этот раз, в отличие от проб с ацетофеноном, все 11 испытуемых легко определили разницу между обычной и сильно дейтеризованной формой мускуса. Возможно, люди и правда способны чувствовать разницу между молекулами, химические связи которых различаются спектром колебаний.

Одной из основных претензий, выдвигаемых против теории квантовых колебаний, является мнение о неубедительности ее теоретических оснований. Громче всех в наши дни это мнение опровергает команда физиков из Университетского колледжа Лондона, сунувших свои носы (простите мне этот каламбур) в квантовые расчеты, на которых строится теория туннелирования. Физики пришли к выводу о том, что теория «согласуется с лежащей в ее основе квантовой физикой и с тем, что нам известно о природе обоняния, при условии, что рецептор обладает определенными общими свойствами»[82]. Одна из исследователей, Дженни Брукс, даже предложила решение, казалось бы, неразрешимой проблемы зеркальных изомеров вроде лимонена и дипентена (см. рис. 5.3), характеризующихся одинаковыми спектрами колебаний и имеющих при этом совершенно разные запахи.

Если быть точными, первым к решению данной проблемы пришел преподаватель и научный руководитель Дженни, ныне покойный профессор Маршалл Стоунхэм, сформулировавший идею, которая позднее стала известна как модель пластиковой карточки. Стоунхэм был одним из ведущих британских физиков своего поколения. Сфера его научных интересов простиралась от вопросов ядерной безопасности до квантовых вычислений, биологии и даже музыки (он прекрасно играл на валторне). Теория Стоунхэма и Брукс представляет собой всего лишь доработку в терминах квантовой механики идеи Роберта Райта о том, что в механизме обоняния одинаково важная роль отводится как форме обонятельного рецептора, так и колебаниям связей внутри молекулы запаха. Ученые предположили, что связывающий карман обонятельного рецептора работает по тому же принципу, что и аппарат, считывающий пластиковые карточки. В пластиковую карту встроена магнитная полоса, обусловливающая возникновение электрического тока в считывающем аппарате. Однако далеко не любая карточка может быть вставлена в считывающий аппарат: она должна иметь определенный размер и толщину, магнитная полоса должна находиться с определенной стороны. Все эти условия должны быть соблюдены до использования, то есть до того, как вы начнете проверять, считывает машина вашу карточку или нет. Брукс совместно с коллегами предположила, что обонятельный рецептор работает по тому же принципу. Сначала, как утверждают ученые, молекула запаха должна войти в лево- или правосторонний хиральный связывающий карман, подобно тому как кредитка входит в щель считывающего аппарата. Итак, пахучие вещества с одинаковыми химическими связями, но различными формами молекул — лево- и правосторонней — будут «считываться» разными рецепторами. Только после того как молекула запаха попадает в подходящий рецептор, она может запустить тесно связанное с колебаниями электронное туннелирование и привести в действие обонятельный нейрон. И поскольку левосторонняя молекула захватывается левосторонним рецептором, ее запах будет сильно отличаться от запаха правосторонней молекулы, захватываемой правосторонним рецептором.

Обратимся в последний раз к нашей музыкальной аналогии, в которой гитара исполняет роль молекулы запаха, а струны выступают в качестве молекулярных связей, которые нужно дернуть, чтобы вызвать колебания. Эрик Клэптон и Джими Хендрикс, как вы помните, символизируют обонятельные рецепторы. Оба могут сыграть одни и те же молекулярные «последовательности нот», однако лево- и правосторонние молекулы должны захватываться соответствующими рецепторами. Иными словами, правша должен играть на правосторонней гитаре. Итак, несмотря на то, что лимонен и дипентен характеризуются одинаковым спектром колебаний, их молекулы захватываются разными рецепторами. Сигналы разных рецепторов обрабатываются разными отделами мозга, поэтому у нас и возникают разные образы запахов. Подобное сочетание теории замка и ключа и теории квантовой вибрации предлагает наконец описание такой модели обоняния, которая не противоречит результатам экспериментов.

Безусловно, факт, что новая модель согласуется с данными экспериментов, сам по себе не является доказательством того, что в основе обоняния лежит квантовый механизм. Как видим, любая теория обоняния, принимающая во внимание форму молекул и рецепторов, а также колебания молекулярных связей, находит экспериментальное подтверждение. Еще ни один эксперимент не доказал напрямую возникновение эффекта квантового туннелирования при обработке запаха. Однако на сегодняшний день механизм улавливания белками колебаний молекулярных связей наиболее правдоподобно и непротиворечиво объясняется только наличием квантового туннелирования «неупруго» рассеянных электронов.

Мы близки к разгадке тайны обоняния, и все же для решения данной головоломки нам не хватает важнейшего фрагмента, а именно описания структуры обонятельных рецепторов. Наличие данного фрагмента облегчило бы поиски ответов на ключевые вопросы, связанные с обонянием. Скроены ли связывающие карманы рецепторов под каждую отдельно взятую молекулу запаха? Захватываются ли зеркальные изомеры одними и теми же рецепторами? Делится ли молекула рецептора на область-донор и область-акцептор и идеально ли подходят эти области для неупругого туннелирования электронов? Несмотря на многолетний труд ведущих специалистов в области структурной биологии, ни одному из них пока не удалось выделить молекулу обонятельного рецептора и проверить экспериментальным путем, функционирует ли она на основе квантово-механического механизма, как это было возможно в случае ферментов (см. главу 3) и белков фотосинтетических пигментов (см. главу 4). Проблема заключается в том, что в обычном состоянии обонятельный рецептор заключен в клеточную мембрану, как медуза, плавающая в морской воде. Изъятие белка рецептора из мембраны будет иметь примерно такие же последствия, как и изъятие медузы из воды, — он, как и медуза, не сохранит своей первоначальной формы. До сих пор структура белков обоняния никем не описана, поскольку они продолжают скрываться в клеточных мембранах.

Итак, при всей противоречивости единственной теорией, способной объяснить принцип различения мушками и человеком запахов обычных и дейтеризованных веществ, является теория, в основе которой лежит описание квантово-механического явления — неупругого туннелирования электронов. Эксперименты последних лет показали, что не только мушки и люди, но и некоторые другие виды насекомых и даже рыб способны различать запахи химических связей с обычным водородом и дейтерием. Если квантовое обоняние обнаружено у таких разных существ, возможно, оно распространено шире, чем мы думаем. Люди, плодовые мушки, рыбы-клоуны и представители многих других видов, вероятно, используют способность электронов исчезать из одной точки пространства и тут же материализоваться в другой для получения важных «посланий материальной действительности», помогающих найти пищу, партнера для продолжения рода или путь домой.

Фред Уркухарт родился в 1912 году в Канаде, в городе Торонто. Там он учился в школе, расположенной вблизи рогозовых болот. Он проводил бессчетные часы, наблюдая за насекомыми, особенно за бабочками, населявшими камышовые заросли. Он очень любил раннее лето, когда на болота слетались тысячи монархов, знаменитых североамериканских бабочек с узнаваемой черно-оранжевой раскраской. Монархи остаются здесь на все лето, питаясь местным молочаем, а осенью улетают снова. Фреда всегда интересовал ответ на вопрос: куда же улетают эти бабочки?

Согласно святому Павлу, взрослые со временем отбрасывают все детское. Но только не Фред, который, даже повзрослев, по-прежнему интересовался тем, где зимуют монархи. Изучив зоологию в Университете Торонто и впоследствии став профессором в этой области, он вернулся к своему детскому вопросу. К тому времени он женился на Норе Паттерсон, также зоологе и любительнице бабочек.

Используя классические методы маркировки животных, Фред и Нора попытались раскрыть тайну исчезновения монархов. Задача была не из легких. В то время как метки, прикрепленные к лапкам малиновок или к плавникам китов, держатся крепко, приклеивание метки к хрупким перепончатым крыльям бабочек представляет собой настоящий вызов терпению ученого. Семейная команда экспериментировала с наклейками и липкими метками на крыльях насекомых, но метки отклеивались и падали, а меченые бабочки не могли нормально летать. Это продолжалось вплоть до 1940 года, когда решение было найдено: крошечные клейкие метки, похожие на те, что мы с таким трудом соскребаем с новой стеклянной посуды. Вооружившись специальным устройством, исследователи начали помечать и выпускать сотни бабочек-монархов, каждая из которых теперь имела при себе идентификационный номер и инструкцию, согласной которой нашедшему метку надлежало сообщить об этом «на кафедру зоологии Университета Торонто».

Но на миллионы особей американских монархов приходилось всего два Уркухарта, которые исследовали бабочек таким образом. Пара начала набор волонтеров. К 1950 году они создали сеть из тысяч энтузиастов, которые, в свою очередь, помечали, выпускали, ловили и «переписывали» сотни тысяч бабочек. По мере того как Фред и Нора обновляли карту, на которой отмечались места отлова и освобождения бабочек, постепенно стала вырисовываться следующая картина. Бабочек, выпущенных в Торонто, как правило, находили в южном направлении, на пути, который по диагонали пересекал Соединенные Штаты с северо-востока на юго-запад, проходя через Техас. Однако, несмотря на многочисленные экспедиции, Уркухарты не могли установить конечный пункт зимовья перелетных бабочек, который предположительно находился на юге США.

В конце концов Уркухарты обратили свои взоры южнее, и в 1972 году отчаявшаяся Нора написала о своем проекте в мексиканских газетах. Она обратилась с просьбой к добровольцам сообщать о любых наблюдениях и помочь с маркировкой бабочек. В феврале 1973 года Уркухарты получили письмо от Кеннета C. Брюггера из Мехико, который предлагал свою помощь. Каждый вечер Кен садился за руль своего автофургона и вместе с верной собакой Колой выезжал за город в поисках бабочек. Более чем через год, в апреле 1974 года, он сообщил, что наблюдал множество монархов в горах Сьерра-Мадре в Центральной Мексике. Позже, в конце того же года, Кен сообщил, что видел много бабочек с изорванными крыльями, а также мертвых особей вдоль дорог в горах Сьерра. Нора и Фред с уверенностью ответили, что большие скопления мигрирующих монархов стали жертвами голодных птичьих стай.

Вечером 9 января 1975 года взволнованный Кен позвонил Уркухартам с известием, что он «нашел колонию!.. Миллионы монархов — в вечнозеленых зарослях близ гор». Кен сообщил исследователям, что отправился туда по наводке мексиканских лесорубов, которые утверждали, будто бы видели стаи рыжих бабочек, когда пересекали горы с нагруженными ослами. Тогда в январе 1976 года при поддержке Национального географического общества Нора и Фред собрали экспедицию, чтобы найти и задокументировать таинственное место зимовки монархов, прибывающих в Мексику. На следующий день они отправились в деревню, чтобы совершить оттуда восхождение на «Гору бабочек», на высоту около трех тысяч метров. Такой трудный подъем на большую высоту не был привычным делом для уже немолодой пары (Фреду было 64), и они не были уверены, смогут ли они вообще добраться до вершины. Тем не менее с сердцами, выпрыгивавшими из груди, и с воспоминаниями о ярких бабочках, порхавших в солнечном свете Торонто, они достигли вершины — плато с редкими зарослями можжевельника и остролиста. И там не было никаких бабочек. Разочарованные и изнуренные, они спустились на поляну, заросшую хвойными деревьями, характерными для гор Центральной Мексики, — и именно здесь Фред и Нора наконец-то нашли то, что они искали полжизни: «Мириады бабочек — повсюду. В какой-то умиротворяющей полудреме они облепили ветви деревьев, подобно гирляндам, они окутали стволы деревьев и буквально укрыли землю живым ковром». Пока они стояли затаив дыхание, в восхищении от этого невероятного зрелища, ветка одного из деревьев обломалась, и среди упавших на него бабочек Фред заметил знакомую белую метку с его инструкцией: «на кафедру зоологии Университета Торонто». Эта конкретная бабочка была помечена добровольцем по имени Джим Гилберт из городка Часка, штат Миннесота, расположенного более чем в трех тысячах километров от места, где они находились[83]!

В наши дни путешествия бабочек-монархов считаются ярчайшим примером великих миграций животных. Каждый год в период с сентября по ноябрь миллионы монархов из юго-восточной Канады отправляются на юго-запад и совершают путешествие длиною несколько тысяч километров. Их путь лежит через пустыни, прерии, поля и горы, через географическое «игольное ушко» прохладных речных долин шириной 80 километров между Игл-Пасс и Дель-Рио в Техасе — к вершинам дюжины высоких гор в Центральной Мексике, где они в конце концов находят приют. А весной, после зимовки на прохладных вершинах мексиканских гор, монархи отправляются в обратный путь, к местам, где летом их ожидает огромное количество корма. Самое примечательное, что ни одна отдельно взятая бабочка не проделывает весь этот путь. Они размножаются по пути, так что бабочки, которые возвращаются в Торонто, — это внуки тех монархов, что покинули Канаду осенью.

Как этим насекомым удается перемещаться с такой точностью, что они могут достичь крошечной цели за тысячи километров от места рождения — цели, где ранее бывали только их предки? Это еще одна из тех огромных загадок природы, которые начинают проясняться только сейчас. Как и все мигрирующие животные, бабочки используют различные чувства, включая зрение и обоняние, а также солнечный компас, который помогает корректировать движение по Солнцу в течение дня, по так называемым циркадным часам, биохимическому процессу, присущему всем животным и растениям, который позволяет отслеживать смену дня и ночи в течение суток. Такие часы мы часто называем биологическими или внутренними.

Циркадные часы знакомы нам, например, по собственной усталости, накапливающейся к вечеру, бодрости, которую мы ощущаем утром, а также по тому, как тяжело порой переносим смену часовых поясов при длительном перелете. В последние несколько десятилетий была сделана целая череда увлекательных открытий, проливающих свет на механизм работы этих часов. Одним из наиболее удивительных является тот факт, что испытуемые, которые находятся в изоляции в условиях постоянного освещения, все равно способны поддерживать примерно 24-часовой цикл активности и отдыха, несмотря на отсутствие внешних ориентиров. Кажется, что наши «внутренние» — циркадные — часы жестко запрограммированы. Эти «встроенные» часы, задающие темп всему организму (наше «циркадное чутье»), находятся в головном мозге, а точнее, в гипоталамусе. Несмотря на то что люди в условиях постоянного освещения по-прежнему придерживаются примерно 24-часового цикла, их циркадные часы постепенно сдвигаются относительно реального времени суток, так что их периоды бодрствования и сна не будут синхронны с периодами бодрствования и сна у тех людей, которые не участвуют в эксперименте. Тем не менее при возвращении в условия естественного освещения циркадные часы испытуемых довольно быстро перенастраиваются на фактический цикл дня и ночи в процессе, который получил название «подгонка к суточному ритму».

Солнечный компас бабочек-монархов работает по принципу сравнения высоты Солнца с временем суток — отношения, которое изменяется как с широтой, так и с долготой. Должно быть, у них тоже есть свои биологические часы, которые, как и наши, автоматически подстраиваются под освещенность, чтобы компенсировать изменение во времени восхода и захода Солнца в течение долгой миграции. Но где же у монархов располагаются эти биологические часы?

Как выяснили Уркухарты, бабочки не самые простые животные для исследования; плодовые мушки, о которых мы говорили в предыдущей главе и которые способны учуять и проложить путь сквозь лабиринт, являются гораздо более удобными лабораторными насекомыми, так как они очень быстро размножаются и легко мутируют. Как и мы, плодовые мушки корректируют свои биологические ритмы по циклам смены дня и ночи. В 1998 году генетики обнаружили дрозофил-мутантов, у которых циркадный ритм не зависит от воздействия света[84]. Они выяснили, что мутация произошла в гене, кодирующем белок глаз под названием «криптохром». Подобно белковым каркасам фотосинтезирующих комплексов, которые обеспечивают целостность молекулы хлорофилла (как мы узнали из главы 4), криптохромные белки оборачиваются вокруг молекулы пигмента под названием ФАД (флавинадениндинуклеотид), который поглощает синий свет. Так же как в процессе фотосинтеза, поглощенный свет выбивает электрон из пигмента, что приводит к генерации сигнала, который поступает в мозг мушки, чтобы синхронизировать ее внутренние часы с каждодневной сменой дня и ночи. Мушки-мутанты, обнаруженные в 1998 году, утратили этот белок, так что их биологические часы уже не приспосабливаются к циклической смене дня и ночи: они утратили внутреннее ощущение времени.

Похожие криптохромные пигменты были позже найдены в глазах многих других животных, включая человека, и даже у растений и у фотосинтезирующих микробов, которым они помогают предсказывать время суток, лучше всего подходящее для фотосинтеза. Они могут представлять собой очень древний светочувствительный «датчик», который развился у микробов миллиарды лет назад, чтобы синхронизировать жизнедеятельность клетки с суточными ритмами.

Криптохром также обнаружили и в антеннах бабочек-монархов. Это изначально ставило ученых в тупик: что зрительному пигменту делать в антеннах? Но усики насекомых являются удивительными органами, которые отвечают сразу за несколько чувств, в том числе за обоняние и слух, определение давления воздуха и даже силы тяжести. Могут ли они также отвечать за внутренние часы насекомого? Чтобы проверить эту гипотезу, ученые окрасили усики некоторых бабочек в черный цвет, тем самым предотвращая прием световых сигналов. Они обнаружили, что бабочки с зачерненными антеннами уже не могли подстраивать свой солнечный компас к смене дня и ночи: они утратили циркадное чувство. Ученые предположили, что именно в антеннах бабочки и размещаются биологические часы. Примечательно, что часы в антеннах бабочки могут улавливать свет даже при отделении от насекомого.

Действительно ли криптохром отвечает за подстройку биологических часов монарха? К сожалению, гены бабочек мутируют вовсе не так легко, как гены дрозофил, так что в 2008 году Стивен Репперт и его коллеги из Университета штата Массачусетс осуществили следующий замечательный эксперимент. Команда заменила поврежденный криптохромный ген у дрозофил-мутантов на здоровый ген бабочек-монархов и доказала, что способность синхронизировать внутренние часы со сменой дня и ночи у этих мушек была восстановлена[85]. Если криптохрому здоровых бабочек удалось вернуть плодовым мушкам чувство времени, то весьма вероятно, что он помогает как следует работать и таким важным биологическим часам монархов, которые позволяют долететь от Торонто до Мексики, ни разу не сбившись с пути.

Но какое отношение это все имеет к квантовой механике? Ответ относится к другому аспекту миграции животных, который мы называем «магниторецепция» — способность обнаруживать магнитное поле Земли. Как мы узнали из главы 1, многие существа, в том числе плодовые мушки и бабочки, обладают такой способностью, как магниторецепция. Обладают ею и малиновки, которые стали олицетворением квантовой биологии. К 2008 году стало ясно, что магнитное чувство малиновок как-то связано со светом (подробнее об этом позже), но природа светочувствительных рецепторов была неуловима. Стивен Репперт задался вопросом, может ли криптохром, который отвечает за светочувствительность мух и помогает им настраивать их внутренние часы, также отвечать и за магниторецепцию. Чтобы проверить свою теорию, он провел эксперимент вроде того, что был предпринят Габриэле Герлах, чтобы продемонстрировать обонятельную навигацию у рыб-клоунов (см. главу 5), в котором тестируемое животное вынуждено использовать сенсорные сигналы, чтобы выбрать один из двух путей к пище.

Исследователи обнаружили, что мух можно обучить связывать сладкое вознаграждение с наличием магнитного поля. Когда им предоставлялась возможность выбора лететь в намагниченный или ненамагниченный рукав лабиринта (без пищи, то есть без обонятельных сигналов), они выбирали намагниченный путь. Должно быть, мухи чувствуют магнитное поле. Так принимает ли в этом участие криптохром? Исследователи обнаружили, что дрозофилы-мутанты, у которых криптохрома не хватает, одинаково часто летели в оба рукава, демонстрируя, что криптохром имеет важное значение для их магнитной чувствительности.

В своей работе 2010 года группа Репперта также показала, что мухи сохраняют свою магнитную чувствительность и тогда, когда их криптохромные гены заменяют генами, кодирующими криптохром у бабочек-монархов[86]. Это доказывает, что бабочка-монарх может также использовать криптохром для обнаружения магнитного поля Земли. Работа той же группы ученых в 2014 году показала, что, как и европейская малиновка, с которой мы познакомились в главе 1, бабочка-монарх обладает светочувствительным компасом, который она использует, чтобы найти свой путь от Великих озер до мексиканских гор; и, как и предполагалось, он должен находиться в антеннах[87].

Но каким образом световой пигмент также может обнаруживать невидимое магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к нашей знакомой европейской малиновке.

Как мы уже отмечали в главе 1, наша планета представляет собой гигантский магнит с магнитным полем, влияние которого распространяется от внутреннего ядра в космос на тысячи километров. Этот намагниченный «пузырь», «магнитосфера», защищает все живое на Земле, потому что без него солнечный ветер — поток высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем, — давно бы уничтожил нашу атмосферу. И в отличие от магнетизма обычного стержневого магнита, поле Земли меняется с течением времени, потому что его источником является расплавленное железное ядро Земли. Точно описать происхождение этого магнетизма довольно сложно, но обычно его объясняют через эффект «динамо-машины», который заключается в том, что электрические токи, порожденные циркуляцией жидких металлов в земной коре, в свою очередь, генерируют магнитное поле.

Так, жизнь на Земле обязана своим существованием этому защитному магнитному экрану. Но его польза для живых существ этим не ограничивается; ученые уже более века знают, что многие виды развили оригинальные способы ее использования. Так же как моряки используют магнитное поле Земли в течение тысяч лет, чтобы перейти океаны, многие другие обитатели Земли, в том числе морские и наземные млекопитающие, птицы (подобные нашей малиновке) и насекомые, в течение миллионов лет развили чувство, которое обнаруживает магнитное поле Земли, чтобы использовать его для навигации.

Самые ранние свидетельства о такой способности были представлены российским зоологом Александром фон Миддендорфом (1815–1894), который записывал места и даты прибытия нескольких видов перелетных птиц. На основании этих данных он нанес на карту ряд кривых, которые он назвал «изопиптезы» (линии одновременного прилета). По этой карте, отражавшей направления прилета птиц, он обнаружил тенденцию «сближения линий к северу», в направлении Северного магнитного полюса. Когда он опубликовал свои выводы в 1850 году, он предположил, что перелетные птицы ориентируются по магнитному полю Земли, используя его как «воздушные мореплаватели», которые могут перемещаться «несмотря на ветер, погоду, ночь и облачность»[88].

Большинство других биологов XIX века относились к этим выводом скептически. Парадоксально, что даже те ученые, которые были готовы принять более диковинные псевдонаучные явления вроде паранормальной активности — а многие видные ученые конца XIX века действительно их признавали, — не могли поверить, что магнитное поле влияет на жизнь. К примеру, Джозеф Ястров, американский психолог и исследователь психологии, в июле 1886 года опубликовал письмо в журнале Science, озаглавленное «Существование магнитной чувствительности». Он описал эксперименты, которые провел с целью проверки, могут ли люди так или иначе чувствовать магнитное поле, но сообщил, что вообще не обнаружил какой-либо чувствительности.

Тем не менее если вы оставите Ястрова с его мыслями позади и пойдете дальше, то в XX веке вы сможете найти работу Генри Йигли, американского физика, проводившего исследования для войск связи армии США во время Второй мировой войны. Навигация птиц представляла интерес для военных, так как почтовых голубей по-прежнему использовали для передачи сообщений и авиационные инженеры надеялись узнать об их навигационных способностях. Тем не менее, как именно птицам удавалось находить свой путь домой столь безошибочно, так и оставалось загадкой. Йигли разработал теорию о том, что почтовые голуби чувствуют как вращение Земли, так и ее магнитное поле. Это, по его словам, позволяет создавать «навигационную сеть» в птичьем мозге, давая ему координаты широты и долготы. Он даже проверил свою теорию, присоединив небольшие магниты к крыльям десяти голубей и немагнитных медных полосок того же веса — к крыльям десяти других. Восемь из десяти птиц с медными полосками, прикрепленными к крыльям, нашли свой путь домой, но только одному из десяти голубей с магнитами удалось вернуться в гнездо. Йигли пришел к выводу, что птицы используют для ориентирования магнитную навигационную чувствительность, которая могла быть нарушена прикрепленными магнитами[89].

Хотя результаты эксперимента Йигли были первоначально отклонены как надуманные, некоторые исследователи также не ставили под сомнение тот факт, что многие животные обладают чувствительностью к магнитному полю Земли и это позволяет им остро чувствовать направление. Морские черепахи, например, могут вернуться к пляжу, на котором родились, через тысячи километров от места кормежки в океане без каких-либо визуальных ориентиров; и исследователи показали, что навигационное чувство снижается, если к их головам прикрепить мощные магниты. В 1997 году команда из Университета Окленда в Новой Зеландии опубликовала исследование в журнале Nature с предположением, что радужная форель использует клетки магнитных рецепторов, расположенных в носу[90]. Если это подтвердится, это будет первый пример вида, который способен «унюхать» направление магнитного поля Земли! Микробы используют магнитное поле Земли, чтобы ориентироваться в мутной воде; и даже организмы, которые не мигрируют, такие как растения, по всей видимости, сохранили чувство магниторецепции.

Способность животных к обнаружению магнитного поля Земли больше не вызывает сомнений. По-прежнему тайной остается лишь то, как они это делают, не в последнюю очередь потому, что магнитное поле Земли является чрезвычайно слабым и вряд ли может влиять на какие-либо химические реакции в организме. Есть две основные теории, и обе, вероятно, будут верны для разных видов животных. Первая состоит в том, что магнитная чувствительность функционирует по принципу обычного магнитного компаса, а вторая — в том, что магниторецепция сродни «химическому компасу».

Первая теория — о том, что в той или иной форме обычный механизм компаса находится где-то в теле животного, была подкреплена открытием крошечных кристаллов магнетита, природного минерала оксида железа, у многих животных и микроорганизмов, что, вероятно, и обеспечивает их магнитную чувствительность. Например, бактерии, которые используют магнитную чувствительность для того, чтобы ориентироваться в мутных морских отложениях, часто содержат продолговатые кристаллы магнетита.

К концу 1970 года магнетит был обнаружен в телах различных видов животных, способных к навигации по магнитному полю Земли. Примечательно, что магнетит был найден внутри нейронов в верхней части клюва самых известных птичьих навигаторов — почтовых голубей[91]. Предположительно нейроны реагируют на магнитные сигналы, улавливаемые кристаллами магнетита, а затем посылают сигнал в мозг животного. Более поздние исследования показали, что голуби были дезориентированы и утрачивали способность отслеживать геомагнитное поле, когда маленькие магниты были прикреплены к верхним частям их клювов, где эти богатые магнетитом нейроны, по-видимому, и расположены. Казалось, что источник животной магниторецепции наконец-то удалось локализовать[92].

Тем не менее пришлось снова вернуться к исходной точке в 2012 году, когда еще одна работа была опубликована в Nature. Она описывала подробное 3D-изучение клюва голубя с использованием метода МРТ. Исследование показало, что магнетит в клетках клюва голубя почти наверняка не имеет ничего общего с магниторецепцией. На самом деле богатые железом клетки, называемые макрофагами, участвуют в выработке иммунитета к патогенам, но, насколько известно, не влияют на чувствительность к магнитному полю[93].

И вот как раз сейчас наступает самый подходящий момент для того, чтобы вернуться к выдающемуся немецкому орнитологу Вольфгангу Вильчко, с которым мы познакомились в главе 1. Интерес Вильчко к птичьей навигации разгорелся в 1958 году, когда он присоединился к исследовательской группе во Франкфурте под руководством орнитолога Фрица Меркеля. Меркель был одним из немногих ученых, которые в то время изучали магнитную чувствительность животных. Один из его учеников, Ганс Фромм, уже показал, что некоторые птицы могут ориентироваться внутри пустых закрытых помещений. Это доказывало, что их навигационные способности не были основаны на визуальных ориентирах. Фромм предположил два возможных механизма: либо птицы получали какие-то радиосигналы от звезд, либо же они могли чувствовать магнитное поле Земли. Вольфганг Вильчко склонялся ко второй версии.

Осенью 1963 года Вильчко начал проводить эксперименты с европейскими малиновками, которые, как вы помните, обычно мигрируют между Северной Европой и Северной Африкой. Он поместил малиновок, пойманных в середине миграции, внутрь специальных камер, защищенных от магнитного излучения. Затем он подвергал птиц воздействию слабого искусственного статического магнитного поля, генерируемого устройством под названием «катушка Гельмгольца», которое может имитировать геомагнитное поле, но силу и направление которого можно изменять. Он обнаружил, что птицы, отловленные во время миграции, осенью или весной становились беспокойными и группировались с той стороны камеры, которая совпадала с направлением искусственного поля. После двух лет кропотливых усилий, в 1965 году, он опубликовал результаты, демонстрирующие, что птицы чувствительны к направлению наведенного поля и, соответственно, как он полагал, могут аналогично обнаруживать и магнитное поле Земли.

Эти эксперименты придали больший авторитет идее птичьей магниторецепции и дали толчок дальнейшим исследованиям. Но в то же время никто не имел ни малейшего представления, как это чувство работает: как чрезвычайно слабое магнитное поле Земли действительно может влиять на органы животных? Ученые не могли даже договориться о том, где в теле животных расположен чувствительный орган, отвечающий за магниторецепцию. Даже после того, как кристаллы магнетита были найдены у некоторых видов животных, подтверждая идею работы механизма обычного магнитного компаса, навигационная способность малиновки оставалась загадкой, потому что в ее теле магнетит обнаружен не был. Чувствительность малиновки также имеет некоторые необъяснимые особенности, которые не согласуются с принципом работы магнитного компаса; например, удивительно то, что птицы теряли способность, когда им завязывали глаза, указывая на то, что они должны «видеть» магнитное поле Земли. Но как животные могут видеть магнитное поле?

В 1972 году Вильчко (Вольфганг к тому времени стал работать в команде со своей женой Розвитой) обнаружили, что компас малиновки отличается от всех ранее изученных. Обычный компас имеет намагниченную иглу, один конец которой (ее южный полюс) притягивается к Северному магнитному полюсу Земли, а обратный конец — к Южному. Но есть и другой вид компаса, который не делает различий между магнитными полюсами. Такой компас, как вы помните из главы 1, называется инклинометром, он указывает на то, какой полюс находится ближе, и показывает, удаляетесь вы от полюса или приближаетесь к нему, но не указывает, к какому именно. Одним из способов получения такого рода информации является измерение угла между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Линии магнитного поля Земли и угол магнитного наклонения

Этот угол магнитного наклонения (inclination angle — отсюда и название для такого рода компаса) является почти вертикальным (указывает на землю) близко к полюсам и параллельно земле на экваторе. Между экватором и полюсами магнитные силовые линии проходят под острым углом к поверхности, достигая 90° на ближайшем полюсе. Таким образом, любое устройство, которое измеряет этот угол, может выступать в качестве инклинометра и обеспечивать информацию о направлениях.

В своих экспериментах в 1972 году Вильчко поместили птиц в защищенную от геомагнитного поля камеру и подвергли их воздействию искусственного магнитного поля. Что отличает этот эксперимент от предыдущих, так это то, что они поменяли полярность, повернув магнит на 180°, но это не оказало никакого влияния на поведение птиц: они ориентируются по отношению к ближайшему магнитному полюсу, каким бы он ни оказался, поэтому их чувствительность нельзя объяснять принципом обычного магнитного компаса. Исследование 1972 года показало, что магниторецепция малиновки работает по принципу инклинометра. Но как именно она работает, так и осталось загадкой.

Затем в 1974 году Вольфганг и Розвита были приглашены в Корнелльский университет в США американским экспертом по миграции птиц Стивом Эмленом. В 1960 году он разработал вместе со своим отцом Джоном, также весьма уважаемым орнитологом, специальную камеру для птиц, которая известна как воронка Эмлена[94]. Воронка имеет форму перевернутого конуса со штемпельной подушечкой на дне и промокательной бумагой на внутренних наклоненных сторонах (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Воронка Эмлена

Когда птица подпрыгивает или пытается взобраться по наклонной стенке, она оставляет видимые следы, которые дают информацию о предпочтительном направлении, в котором бы она полетела, если бы смогла выбраться. Среди видов птиц, которых изучали Вильчко в Корнельском университете, был индиговый овсянковый кардинал, небольшая североамериканская певчая птица, которая, как и европейская малиновка, мигрирует с помощью внутреннего компаса. Результаты годичного изучения поведения этой птички внутри воронки Эмлена были опубликованы в 1976 году[95]. Было установлено, что индиговый овсянковый кардинал, несомненно, как и малиновка, может обнаруживать геомагнитное поле. Вольфганг Вильчко считает, что эта первая публикация о корнельских исследованиях стала настоящим прорывом для его команды, потому что она развеяла все сомнения в том, что мигрирующие птицы имеют встроенный магнитный компас, и привлекла внимание многих ведущих орнитологов мира.

Конечно, никто в середине 1970-х годов не имел понятия, как именно работает биологический магнитный компас. Однако, как мы видели в главе 1, в том же году, в котором Вильчко и Стивен Эмлен опубликовали свою работу, немецкий химик Клаус Шультен предложил объяснение химического механизма, который связывает свет с магниторецепцией. Окончив Гарвард, Шультен с докторской степенью в области химической физики вернулся в Европу, где получил должность в Институте биофизической химии Макса Планка в Геттингене. Там он заинтересовался возможностью электронов, генерируемых в быстрой триплетной реакции под воздействием света, становиться квантово-запутанными. Его расчеты показали, что если запутанность действительно участвует в химических реакциях, то на скорость этих реакций должно влиять внешнее магнитное поле, и предложил способ доказательства своей теории.

Поскольку Шультен свободно говорил о своей новой идее, он заработал в Институте Макса Планка репутацию сумасшедшего. Его проблема заключалась в том, что он был физиком-теоретиком, который работал с бумагой, ручкой и компьютером, а не химиком. Не будучи практикующим химиком, он просто не мог надеть лабораторный халат и собственноручно провести эксперимент, который доказал бы его идеи. Таким образом, он был в положении, знакомом многим теоретикам, которым в голову пришла отличная идея. Им нужно найти дружески настроенного экспериментатора, готового взять тайм-аут в своем напряженном графике работы в лаборатории, чтобы проверить теорию, которая, как правило, оказывается неверной. Шультену не везло, он никак не мог убедить кого-либо из коллег-химиков опробовать свою идею, потому что никто из них не считал, что его эксперимент имеет хоть какие-то шансы на успех.

Источником этого коллективного скептицизма, как потом выяснил Шультен, был руководитель лаборатории Института Губерт Старк. В конце концов Шультен набрался смелости поговорить со Старком с глазу на глаз и найти наконец корни этого укоренившегося скептицизма: оказалось, Старк уже проводил подобный эксперимент и не обнаружил никакого влияния магнитного поля. Шультен был поражен. Казалось, что его гипотезу могла постигнуть участь, описанная эволюционным биологом Томасом Гексли: «Уродливый факт способен погубить прекрасную гипотезу».

Поблагодарив Старка за проведение эксперимента, удрученный Шультен собирался было покинуть свой пост, но потом вернулся и попросил разрешения посмотреть на разочаровывающие данные. Когда Старк показал ему материалы, настроение Шультена внезапно поднялось. Он заметил что-то, что пропустил Старк: небольшое, но значимое отклонение в данных, которое он и предсказывал. Он сказал, что это было «именно то, чего я ожидал, и поэтому я был очень рад, что я увидел это. Катастрофа превратилась в счастливый момент, потому что я знал, что искать. А Старк не знал»[96].

Шультен немедленно засел за работу, которая обещала стать настоящим научным прорывом. Но вскоре он получил еще один шок. За чашечкой кофе с коллегой Марией-Элизабет Мишель-Байерле на конференции в Техническом университете Мюнхена он выяснил, что Мишель-Байерле провела точно такой же эксперимент. Это поставило Шультена в этически затруднительное положение. Он мог рассекретить свое открытие и потенциально подсказать Мишель-Байерле срочно вернуться в Мюнхен, чтобы написать свою собственную работу, которая сделает его публикацию бессмысленной; или он мог бы извиниться и быстро поехать обратно в Геттинген, чтобы записать свои собственные результаты. Но если бы он сбежал, не говоря ни слова, а затем опубликовал работу первым, Мишель-Байерле могла бы впоследствии обвинить его в том, что он украл ее идею. Он вспоминает свои мысли: «Если я сейчас не скажу, что я проводил аналогичные исследования, то она может сказать, что я пошел домой, чтобы сделать эксперимент»[97]. В конце концов Шультен признался Мишель-Байерле, что он проделал аналогичную работу. Оба ученых остались до окончания конференции, а затем вернулись каждый к себе домой, чтобы написать свои собственные работы (работа Шультена появилась чуть раньше), описывающие открытия влияния квантовой запутанности на химические реакции.

В работе Шультена[98] 1976 года содержалось предположение о том, что квантовая запутанность влияет на скорость необычных быстрых триплетных реакций, сделанное на основании исследований в лаборатории Макса Планка; но его новаторская работа также содержала экспериментальные данные Старка, которые ясно показали, что химическая реакция была чувствительна к воздействию магнитных полей. С двумя большими результатами «2 в 1» многие ученые были бы удовлетворены, но Шультен, еще не достигший 30, обладал безрассудством молодости и был готов лезть на рожон и дальше. Изучив работы Вильчко по миграциям малиновки, где была поставлена задача нахождения правдоподобного химического механизма биологического компаса, он понял, что его вращающиеся электроны могли бы обеспечить такой механизм; и в статье 1978 года он предположил, что птичий компас зависит от механизма взаимодействия пар квантово-запутанных частиц.

В то время вряд ли кто-то воспринял эту идею всерьез. Коллеги Шультена из Института Макса Планка считали ее просто еще одной из его сумасшедших теорий, и редакторы Science, ведущего научного журнала, куда он отправил статью в первую очередь, были столь же мало впечатлены, написав: «Менее смелый ученый отправил бы это в мусорную корзину»[99]. Шультен описывает свою реакцию: «Я почесал голову и подумал: это либо отличная идея, либо полная чушь! Я решил, что это отличная идея, и быстро опубликовал ее в одном немецком журнале!»[100]. Но на данном этапе большинство ученых из тех, которые вообще об этом узнали, поместили теорию Шультена в один ряд с псевдонаучными и паранормальными объяснениями магниторецепции.

Прежде чем мы сможем увидеть, как работы Шультена и Вильчко помогают объяснить нахождение птицами своего пути вокруг земного шара, необходимо вернуться к загадочному квантовому миру и внимательно рассмотреть явление запутанности, которое мы вкратце описывали в главе 1 этой книги. Возможно, вы помните, что запутанность настолько удивительна, что даже Эйнштейн настаивал, будто бы она не может быть правильной. Но сначала мы должны познакомить вас с еще одной неотъемлемой составляющей квантового мира — спином.

Многие научно-популярные книги по квантовой механике использует понятие «квантовый спин», чтобы подчеркнуть всю странность субатомного мира. Мы решили не делать этого здесь просто потому, что данное понятие сильно отличается от всего, что мы можем передать на понятном всем языке. Но мы не можем больше оттягивать, так что начнем.

Так же как Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, у электронов и других элементарных частиц есть свойство, называемое спином, которое заключается в отличии от их нормального движения. Но, как мы отмечали в главе 1, этот квантовый спин отличается от всего, что мы можем представить на основе нашего повседневного опыта и знаний о вращающихся объектах, таких как теннисные мячи или планеты. Для начала стоит отметить, что не имеет никакого смысла говорить о скорости вращения электрона, ведь его спин может принимать только одно из двух возможных значений: он квантуется, как энергия квантуется на квантовом уровне. Электроны могут только — в широком смысле — вращаться или по часовой стрелке, или против. Это соответствует тому, что обычно называют спином по полю и спином против поля. И поскольку это квантовый мир со своими законами, электрон может, будучи не под наблюдением, вращаться в обоих направлениях одновременно. Можно сказать, что их спин представляет собой суперпозицию (то есть комбинацию или смесь) из спина по полю и спина против поля. В некотором смысле это может звучать даже более странно, чем то, что электрон может находиться в двух местах одновременно, — как может один электрон вращаться и по часовой стрелке, и против часовой стрелки одновременно?

Чтобы подчеркнуть, насколько нелогично понятие квантового спина, отметим, что после того, как электрон повернется на 360°, он не возвращается в исходное состояние; чтобы вернуться, он должен сделать два полных оборота. Это звучит странно, потому что мы до сих пор склонны представлять электрон как крошечную сферу вроде очень маленького теннисного мяча. Но теннисные мячи являются «обитателями» макромира, а электроны «живут» в субатомном квантовом мире, где действуют свои правила. На самом деле электроны не только не являются крошечными сферами, но о них нельзя даже сказать, что они вообще имеют размер. В общем-то, квантовый спин столь же реален, как и вращение теннисного мяча, просто он не имеет аналогов в привычной повседневной жизни и его нельзя нарисовать.

Тем не менее не стоит думать, что это просто абстрактное математическое понятие, которое существует только в учебниках и заумных лекциях по физике. Каждый электрон в вашем теле и во всей Вселенной вращается по-своему. В самом деле, если бы они этого не делали, мир, каким мы его знаем, в том числе и мы сами, просто не мог бы существовать, потому что квантовый спин играет ключевую роль в одной из самых важных идей в науке, а именно — принципе Паули, который лежит в основе всей химии.

Одно из последствий принципа Паули заключается в том, что если два спаренных электрона в атоме или молекуле имеют одинаковую энергию (как вы помните из главы 3, химические связи, удерживающие молекулы вместе, состоят из электронов, которые являются разделенными между атомами), то они должны иметь противоположные спины. Суммарный спин будет равен нулю, и тогда мы считаем их находящимися в синглетном состоянии. Это нормальное состояние пар электронов в большинстве атомов и молекул. Однако, когда электроны спарены на одном и том же энергетическом уровне, два электрона могут иметь однонаправленные спины, и это называется триплетным состоянием спина[101], как в реакции, которую изучал Шультен[102].

Вы наверняка знакомы с весьма сомнительными утверждениями о том, будто однояйцевые близнецы способны чувствовать эмоциональное состояние друг друга даже на большом расстоянии. Так или иначе, идея состоит в том, что близнецы соединены на психическом уровне, и это науке еще только предстоит понять. Аналогичные предположения были сделаны, чтобы объяснить, как собака чувствует, когда ее владелец приходит домой. Мы должны разъяснить, что ни один из этих примеров не имеет никакой научной ценности, хотя некоторые люди ошибочно пытались приписать им квантово-механическую природу. Тем не менее, хотя подобное «мгновенное действие на расстоянии» (как оно часто описывается) не имеет места в нашем повседневном классическом мире, это ключевая особенность мира квантовой механики. Его техническое название — «нелокальность», или «запутанность», и это имеет отношение к тому, что что-то, происходящее «здесь», может иметь мгновенный эффект «там» — независимо от того, как далеко это самое «там» находится.

Давайте рассмотрим пару игральных кубиков. Математическую вероятность выбросить два раза одно и то же число легко посчитать. Для любой грани, на которую приземляется кубик, вероятность выпасть составляет 1 к 6, такова же вероятность, что еще раз выпадет та же грань. Например, вероятность того, что выпадет четверка, — 1 к 6, а шансы выбросить две четверки — 1 к 36 (1/6 × 1/6 = 1/36). Вероятность такая же для любой пары чисел, любого дубля. И путем умножения 1/6 на 1/6 десять раз достаточно легко вычислить, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд (будь это, к примеру, две четверки, затем две единицы и т. д.) составляет около 1 к 60 миллионам! Это означает, что если каждый человек в Великобритании бросит пару кубиков десять раз подряд, то, по статистике, только одному будет удаваться выбрасывать все дубли.

Но представьте, что у вас есть пара кубиков, которые всегда приземляются на одну и ту же грань, когда их бросают вместе. Сама выпавшая грань остается случайной и, как правило, меняется при каждом броске, но в конечном счете на обоих кубиках всегда выпадает одна и та же грань. Очевидно, тут логично заподозрить какой-то трюк. Возможно, у этих кубиков есть сложный внутренний механизм, который управляет их движением так, чтобы они приземлялись на одинаковые грани в соответствии с запрограммированной последовательностью? Чтобы проверить эту теорию, вы можете начать бросать сначала один кубик, держа другой, а после этого бросаете пару. Теперь любая предварительно запрограммированная последовательность должна сбиться, а трюк должен перестать работать. Но, несмотря на эту стратегию, кубики продолжают и продолжают приземляться на одинаковые грани.

Другое возможное объяснение — это то, что кубики должны каким-то образом синхронизироваться перед каждым броском, обмениваясь сигналом на расстоянии. Хотя такой механизм представляется довольно сложным, его по крайней мере можно в принципе себе представить. Тем не менее любой подобный механизм должен иметь ограничение, налагаемое теорией относительности Эйнштейна, согласно которой ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света. Это дает вам средства для проверки, проходит ли вообще какой-то сигнал между кубиками: все, что вам нужно сделать, — это разнести кубики достаточно далеко друг от друга, так, чтобы времени для прохождения любого сигнала между бросками и их синхронизации просто не хватало. Давайте представим тот же трюк, что и выше, но организуем дело так, что один кубик будет брошен на Земле, а другой — в то же время на Марсе. Даже на самом близком расстоянии свет летит от Земли до Марса четыре минуты, так что вы понимаете: любой сигнал синхронизации должен иметь аналогичную задержку. Чтобы исключить этот фактор, вам просто следует бросать два кубика с интервалом менее четырех минут. Это должно помешать любому сигналу между бросками. Если они будут продолжать падать на одинаковую грань, то, по всей видимости, должна быть какая-то тесная связь между ними, которая игнорирует известное ограничение Эйнштейна.

Хотя описанный выше эксперимент не проводился с кубиками на разных планетах, аналогичные опыты были проделаны с квантово-запутанными частицами на Земле, и результаты показали, что отделенные частицы могут совершать такие же чудеса, как и наши кубики: их состояние коррелирует независимо от расстояния между ними. Эта удивительная особенность квантового мира, похоже, игнорирует ограничение скорости Эйнштейна, одна частица мгновенно воздействует на другую, как бы далеко друг от друга они ни находились. Термин «запутанность» для описания этого явления придумал Шредингер, который, как и сам Эйнштейн, не был поклонником того, что Эйнштейн назвал «ужасным действием на расстоянии». Но, несмотря на их скептицизм, квантовая запутанность была доказана во многих экспериментах и является одной из самых фундаментальных идей в квантовой механике, со многими следствиями и примерами в физике и химии — и, как мы увидим позже, возможно, в биологии тоже.

Чтобы понять, как квантовая запутанность связана с биологией, мы должны объединить две идеи. Первая идея — это наличие мгновенной связи между двумя частицами через пространство (запутанности). Вторая — способность одиночной квантовой частицы быть в суперпозиции в двух или более различных состояниях сразу: например, электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, тогда мы говорим, что он в суперпозиции состояний по полю и против поля. Мы объединяем эти две идеи, когда имеем два запутанных электрона в атоме, каждый — в суперпозиции двух спиновых состояний. Хотя ни один электрон не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона и сам испытывает обратное влияние. Но надо помнить, что пары электронов в одном атоме всегда находятся в синглетном состоянии, а это означает, что они должны иметь противоположные спины в любой момент времени: один должен быть по полю, а другой — против поля. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, в странном квантовом мире они должны в любой момент времени иметь противоположные спины.

Теперь давайте разделим два запутанных электрона, чтобы они больше не находились в одном атоме. Если мы затем решим измерить спиновое состояние одного электрона, мы заставим его выбрать, в какую сторону вращаться. Скажем, мы измерили, что это спин по полю. Поскольку электроны были в запутанном синглетном спиновом состоянии, это означает, что другой электрон должен теперь иметь спин против поля. Но вспомните, что перед измерением они оба были в суперпозиции двух состояний. После измерения оба имеют различные состояния: один из них по полю, другой — против. Таким образом, второй электрон мгновенно и дистанционно изменил свое физическое состояние с суперпозиции на вращение в одном направлении (по полю) без контакта. Все, что мы сделали, — это измерили состояние его «напарника». И, в принципе, не имеет значения, как далеко находится второй электрон — он может быть на другом конце Вселенной, и эффект будет тот же: измерение лишь одного из пары запутанных электронов сразу же разрушит суперпозицию второго, как бы далеко он ни находился.

Вот вам полезная аналогия, которая может помочь в понимании того, о чем мы тут говорим (хоть немножко!). Представьте себе пару перчаток, каждая из которых находится в запечатанной коробке, а расстояние между коробками — многие километры. В вашем распоряжении оказывается одна из этих коробок, и, прежде чем вы ее откроете, вы не узнаете, какая именно перчатка там лежит — левая или правая. Как только вы откроете коробку и узнаете, что там, например, правая перчатка, вы тут же поймете, что в другой коробке — левая, независимо от того, как далеко другая коробка находится. Здесь важно то, что не изменилось ничего, кроме ваших знаний. Во второй коробке всегда лежала левая перчатка, это не зависит от того, решились вы открыть свою коробку или нет.

Квантовая запутанность сильно отличается от описанной ситуации. Перед измерением ни один электрон не имеет определенного направления вращения. Только сам акт измерения (любой из запутанных частиц) заставляет оба электрона изменять свое состояние квантовой суперпозиции на какое-либо одно — по полю или против поля. С перчатками же все было иначе: вы просто не знали, какая из них была во второй коробке (но она там всегда была). Мало того, что квантовое измерение одного электрона заставляет его «выбрать», вращаться ему по полю или против поля, этот «выбор» мгновенно заставляет его «напарника» тоже определиться с состоянием — независимо от того, как далеко он находится.

Существует еще одна тонкость, о которой нужно помнить. Как мы уже говорили, два электрона находятся в синглетном состоянии, когда они соединены вместе и вращаются в противоположных направлениях, и в триплетном состоянии, когда они вращаются в одном направлении. Если один электрон из синглетной пары, находящейся в одном атоме, перескакивает в соседний атом, его спин может перевернуться, то есть он будет вращаться в том же направлении, что и его парный электрон, оставшийся «дома», тем самым переходя в триплетное состояние. Однако, несмотря на нахождение в текущий момент в разных атомах, пара может по-прежнему поддерживать свою запутанность, в которой они остаются квантово-механически соединенными вместе.

Но это квантовый мир, и то, что электрон, выпрыгнувший из атома, теперь может поменять свой спин, не означает, что он обязательно должен это сделать. Каждый из двух электронов будет по-прежнему находиться в суперпозиции, вращаясь в обоих направлениях сразу; а как таковая пара электронов будет существовать в суперпозиции, находясь в синглетном и триплетном состоянии одновременно: вращаясь в одном и том же или в противоположных направлениях одновременно!

Так что теперь, когда вы подготовлены, хотя, вероятно, и пребываете в легком замешательстве, самое время представить самую странную и в то же время самую замечательную идею в области квантовой биологии.

В начале этой главы мы обсуждали проблему, как может что-то столь слабое, как магнитное поле Земли, обеспечить достаточную энергию для того, чтобы изменить ход химической реакции и тем самым генерировать биологический сигнал, который будет сообщать, например, малиновке, в каком направлении она должна лететь. Оксфордский химик Питер Хор провел отличную аналогию, поясняя, как такая крайняя чувствительность может быть возможной: «Представьте, что у нас есть гранитный блок весом один килограмм. Сможет ли муха его опрокинуть? Здравый смысл подсказывает, что ответ, безусловно, „нет“. Но предположим, камень балансирует на одном ребре. Очевидно, что он не будет стабильным в таком положении и будет иметь тенденцию к падению влево или вправо. Теперь предположим, что в то время, как блок балансирует таким образом, муха приземляется на его правую сторону. Даже несмотря на то, что энергия, переданная мухой, будет крошечной, этого может быть достаточно, чтобы блок упал вправо, а не влево»[103].

Мораль заключается в том, что крошечные энергии могут иметь значительные последствия, но только если система, в которой они работают, очень тонко сбалансирована между двумя различными состояниями. Так, чтобы обнаружить влияние очень слабого магнитного поля Земли, нам нужен химический эквивалент балансирующего на одном ребре гранитного блока — так, чтобы на него могли значительно влиять малейшие внешние воздействия, подобные слабому магнитному полю.

А теперь мы возвращаемся к Клаусу Шультену и его быстрым триплетным реакциям. Вы можете помнить, что электронные связи между атомами часто образуются в результате разделения пары электронов. Электроны этой пары всегда являются запутанными и почти всегда находятся в синглетном спиновом состоянии, то есть электроны имеют противоположные спины. Тем не менее надо отметить, что два электрона могут оставаться запутанными даже после того, как связь между атомами нарушена. Разделенные атомы, которые теперь называются свободными радикалами, могут расходиться, делая возможным изменение направления спина одного из запутанных электронов — сейчас уже находящихся в разных атомах, — тогда электроны оказываются в суперпозиции синглетного и триплетного состояний, как в описанной Шультеном быстрой триплетной реакции.

Важной особенностью этой квантовой суперпозиции является то, что она не обязательно равновесно сбалансирована: вероятности «поймать» пару запутанных электронов в синглетном или триплетном состоянии не равны. И самое главное, баланс между этими двумя вероятностями чувствителен к любым внешним магнитным полям. На самом деле угол магнитного поля по отношению к ориентации разделенной пары сильно влияет на вероятность обнаружить его в синглетном или триплетном состоянии.

Пары радикалов имеют тенденцию к крайней нестабильности, поэтому их электроны часто рекомбинируют с образованием продуктов химической реакции. Но точный химический характер продукта будет зависеть от синглет-триплетного баланса, высокочувствительного к магнитным полям. Чтобы понять, как это работает, мы можем думать о свободных радикалах как о промежуточной стадии реакции, как в метафоре с балансирующим гранитным блоком. В этом состоянии реакция настолько чувствительна к изменениям, что даже слабое магнитное поле — вспомним метафору с мухой — с индукцией менее 100 микротесла, подобное земному, является достаточным, чтобы повлиять на способ выпадения синглет-триплетного «жребия» и на появление определенных продуктов химической реакции[104]. Наконец мы объяснили механизм, посредством которого магнитные поля могут влиять на химические реакции, и, как утверждал Шультен, обеспечивать работу птичьего магнитного компаса.

Но Шультен понятия не имел, где именно в теле птицы эта предполагаемая реакция радикалов проходит, — по-видимому, было бы разумнее всего предположить, что они расположены в головном мозге. Но для того, чтобы механизм заработал, пара радикалов должна для начала возникнуть (как и гранитный блок кто-то должен поставить на ребро). Шультен представил свою работу в Гарварде в 1978 году, где описал эксперименты, проведенные его группой в Геттингене, в которых лазерный импульс был использован для создания радикалов из пар запутанных электронов. В аудитории был выдающийся ученый по имени Дадли Хершбах, который впоследствии получил Нобелевскую премию по химии. В конце лекции Хершбах спросил с добродушной насмешкой: «Но Клаус, где же у птицы находится лазер?» Под давлением и чтобы остроумно ответить уважаемому старшему преподавателю, Шультен предположил, что если действительно свет был необходим, чтобы активировать пару радикалов, то, возможно, этот процесс происходит в глазах птиц.

В 1977 году, за год до статьи Шультена о парах радикалов, оксфордский физик Майк Лиск предположил в другой статье в Nature, что источник магнитной чувствительности действительно может лежать в пределах фоторецепторов глаз[105]. Он также предположил, что молекула пигмента глаз, родопсина, отвечает за нее. Когда Вольфганг Вильчко прочитал статью Лиска, он был заинтригован, хотя у него и не было экспериментальных доказательств того, что свет играет определенную роль в птичьей магниторецепции. Таким образом, он поставил задачу проверить идею Лиска.

В это время Вильчко проводит эксперименты с почтовыми голубями, чтобы увидеть, собирают ли они магнитную навигационную информацию по пути, чтобы затем использовать ее для поиска пути домой. Он выяснил, что подвергание голубей воздействию другого магнитного поля во время транспортировки нарушает их способность находить обратный путь. Вдохновленный теорией Лиска, он решил снова провести эксперимент, на этот раз без нарушения магнитного поля. Вместо этого он транспортировал голубей в полной темноте в коробке на крыше своего автобуса «Фольксваген». У птиц возникли трудности с нахождением пути домой. Это свидетельствовало о том, что им нужен свет, чтобы помочь построить магнитную «карту» пути «туда», которую они затем могли бы использовать для возвращения домой.

Вильчко наконец встретился с Клаусом Шультеном на конференции во Французских Альпах в 1986 году. Они были к этому времени убеждены, что магниторецепция малиновки основана на действии света, попадающего в глаза, но, как и почти все остальные, кто интересовался биохимическими эффектами магнитных полей, они не были еще убеждены, что гипотеза о парах радикалов была верной. Действительно никто не знал, где в глазах может сформироваться пара радикалов. Затем, в 1998 году, белковый пигмент криптохром был обнаружен в глазах плодовых мушек, и, как мы описали ранее в этой главе, было доказано, что он отвечает за настройку циркадных ритмов. Важно отметить, что криптохром был известен как вид белка, способный образовывать свободные радикалы в процессе взаимодействия со светом. Эта идея была подхвачена Шультеном и его сотрудниками, чтобы предположить, что криптохром и был тем самым неуловимым рецептором птичьего химического компаса. Их работа была опубликована в 2000 году и стала одной из классических работ по квантовой биологии[106]. Главным автором этой работы был, конечно, Торстен Риц, о котором мы уже говорили в главе 1 и который на данный момент работает над докторской диссертацией с Клаусом Шультеном. В настоящее время на физическом факультете Университета Калифорнии в Ирвине Торстен сегодня считается одним из ведущих мировых экспертов по магниторецепции.

Статья 2000 года важна по двум причинам. Во-первых, она назвала криптохром кандидатом на то, чтобы быть ответственным за химический компас птиц; во-вторых, там красиво — хотя и сугубо теоретически — и подробно описано, как ориентируются птицы в магнитном поле Земли и как на это влияет то, что они видят.

Первый шаг в их схеме — поглощение фотона синего света светочувствительной молекулой пигмента, ФАД (флавинадениндинуклеотида), которая находится в белке криптохроме и с которой мы встречались ранее в этой главе. Как уже говорилось, энергия этого фотона используется для извлечения электрона из одного из атомов в молекуле ФАД, что создает вакансию для электрона. Она может быть заполнена другим электроном из пары запутанных электронов в аминокислоте триптофане внутри белка криптохрома. Важно, однако, что отданный электрон остается запутанным со своим партнером. Пара запутанных электронов может затем образовать суперпозицию синглет-триплетных состояний, которая является той химической системой, которую Клаус Шультен считает столь чрезвычайно чувствительной к магнитному полю. Опять же тонкий баланс синглет-триплетных состояний очень чувствителен к силе и углу магнитного поля Земли, так что направление, в котором летит птица, зависит от состава конечных химических продуктов, создаваемых в ходе химической реакции. Так или иначе, в механизме, который не совсем ясен до сих пор, эта разница — «в какую сторону падает гранитный блок» — генерирует сигнал, который посылается в птичий мозг, чтобы сообщить ему, где находится ближайший магнитный полюс.

Этот механизм с парами радикалов, предложенный Ритцем и Шультеном, был, конечно, очень элегантным, но реальным ли? В то время не было даже никаких доказательств, что криптохром может генерировать свободные радикалы при воздействии света. Тем не менее в 2007 году другой группе немецких ученых, на этот раз на базе Университета Ольденбурга, во главе с Хенриком Моуритсеном, удалось изолировать молекулы криптохрома сетчатки садовой славки и показать, что они действительно создают долгоживущие пары радикалов при воздействии синего света[107].

Мы понятия не имеем, как это магнитное «ви́дение» выглядит для птиц, но, поскольку криптохром является пигментом глаз, который потенциально делает работу, похожую на работу пигментов опсина и родопсина, обеспечивающих цветное зрение, возможно, то, что видят птицы, окрашено дополнительным цветом, невидимым для нас (подобно тому как некоторые насекомые могут видеть ультрафиолетовое излучение), показывающим магнитное поле Земли.

Когда Торстен Риц предложил свою теорию в 2000 году, не было никаких доказательств того, что криптохром вовлечен в магниторецепцию; но теперь, благодаря работе Стива Репперта и его коллег, стало известно, что этот пигмент участвует в механизме обнаружения внешних магнитных полей у плодовых мушек и бабочек-монархов. В 2004 году исследователи обнаружили три типа криптохромных молекул в глазах малиновки; а затем в 2013 году статья четы Вильчко (все еще таких же активных, хотя Вольфганг и ушел на пенсию) показала, что криптохром, экстрагированный из глаз цыплят[108], поглощает свет на тех частотах, которые, как они обнаружили, имеют важное значение для магниторецепции[109].

Но действительно ли процесс основывается на принципах квантовой механики? В 2004 году Торстен Ритц пошел работать с Вильчко, чтобы попытаться разделить обычный магнитный компас и химический компас, основанный на механизме свободных радикалов. Работу компаса, безусловно, можно нарушить чем угодно магнитным: поднесите компас близко к магниту — и он будет указывать на северный полюс магнита, а не Земли. Стандартный стержневой магнит производит статическое магнитное поле, а это значит, что оно не меняется со временем. Тем не менее возможно также генерировать переменное магнитное поле — путем, например, вращения стержневого магнита, — и это уже более интересно. Работу обычного компаса все еще можно нарушить путем воздействия переменного магнитного поля, но только если его колебания достаточно медленны для того, чтобы игла компаса за ними поспевала. Если колебания происходят слишком быстро, скажем сотни раз в секунду, то игла компаса уже не может их отслеживать и их влияние сводится к нулю. Так, обычный компас может перестать правильно работать из-за магнитных полей, колеблющихся на низких частотах, но не на высоких.

Однако химический компас будет реагировать совсем иначе. Вы помните, что химический компас предположительно зависит от пар радикалов, находящихся в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Поскольку эти два состояния различаются по своей энергии, а энергия связана с частотой, система будет связана с такой частотой, которая, принимая во внимание энергию, будет находиться в диапазоне около миллиона колебаний в секунду. Классическое объяснение того, что происходит (хотя это не совсем верно), — это представление, что пара электронов «переключается» между синглетным и триплетным состояниями много миллионов раз в секунду. В этом состоянии система может взаимодействовать с переменным магнитным полем, вступая с ним в резонанс, но только если поле совершает колебания с той же частотой, что и пара радикалов: только если, используя нашу предыдущую музыкальную аналогию, они «звучат в унисон». Резонанс затем подает в систему энергию, и она изменяет критический баланс между синглетным и триплетным состояниями, от которого химический компас и зависит — по сути, опрокидывая наш метафорический гранитный блок, прежде чем он успевает обнаружить магнитное поле Земли. Так, в отличие от обычного магнитного компаса, компас, основанный на парах радикалов, будет нарушаться магнитными полями, колеблющимися на очень высоких частотах.

Команда Ритц — Вильчко поставила эксперимент, чтобы проверить это очень четкое предсказание теории пар радикалов с помощью любимых европейских малиновок: к низко- или высокочастотным магнитным полям окажется чувствительным их компас? Они подождали осени, когда птицы начали становиться беспокойными и стали собираться мигрировать на юг, и поместили их в воронки Эмлена. Ученые применяли переменные поля разных направлений и разных частот и ждали, чтобы увидеть, могут ли поля нарушить естественную способность птиц ориентироваться.

Результаты были поразительными: магнитное поле с частотой 1,3 МГц (то есть колеблющееся 1,3 миллиона циклов в секунду), в тысячи раз слабее, чем поле Земли, тем не менее может нарушить способность птиц ориентироваться. Но с увеличением или уменьшением частоты поле делалось менее эффективным. Так, оказалось, что поле резонирует с чем-то, вибрирующим на очень высоких частотах в птичьем компасе, — явно не с обычным магнитным компасом, а с чем-то похожим на запутанную пару радикалов в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Этот интригующий результат[110] также показывает, что если запутанная пара существует, то она должна быть в состоянии выжить в условиях декогеренции по крайней мере микросекунды (миллионные доли секунды), так как в противном случае ее жизнь была бы слишком коротка для обнаружения максимумов и минимумов приложенного переменного магнитного поля.

Однако значение этих результатов недавно было поставлено под сомнение. Группа Хенрика Моуритсена из Университета Ольденбурга показала, что искусственные электромагнитные помехи от широкого спектра электронных устройств, просачиваясь через стенки незащищенных деревянных жилищ птиц на территории университетского городка, нарушают их магнитную ориентацию. Но способность возвращается, как только их помещают в специальные алюминиевые камеры, которые экранируют около 99 % городских электромагнитных помех. Важно отметить: их результаты показывают, что разрушительное воздействие радиочастотных электромагнитных полей не может быть ограничено узкой полосой частот[111].

Таким образом, все еще есть аспекты системы, которые остаются загадкой: например, почему компас малиновки должен быть настолько индивидуально чувствительным к переменным магнитным полям и как свободные радикалы могут оставаться запутанными достаточно долго, чтобы обеспечить биологическую разницу. Но в 2011 году статья лаборатории Влатко Ведрала из Оксфорда представила квантовые теоретические расчеты предлагаемого химического компаса и показала, что суперпозиция и запутанность должны быть устойчивыми в течение по крайней мере десятка микросекунд, что значительно превышает длительность, полученную во многих сопоставимых искусственных молекулярных системах; это потенциально достаточно долго, чтобы сообщить малиновке, куда именно ей следует лететь[112].

Эти знаменательные исследования вызвали взрыв интереса к магниторецепции, которая в настоящее время обнаружена у широкого диапазона видов, включая целый ряд птиц, лангустов, скатов, акул, финвалов, дельфинов, пчел и даже микробов. В большинстве случаев механизмы еще не исследованы, но криптохром-ассоциированная магниторецепция в настоящее время обнаружена у широкого диапазона существ — от нашей славной малиновки, кур и плодовых мушек, которых мы уже упоминали, до многих других организмов, включая растения[113]. Исследования, опубликованные чешской группой в 2009 году, доказали наличие магниторецепции у американского таракана и показали, что, как и у малиновки, она может быть нарушена высокочастотными переменными магнитными полями[114]. Последующие исследования, представленные на конференции в 2011 году, показали, что компас тараканов имеет в своей основе криптохром.

Открытие того, что подобные способности так широко распространены в природе и имеют общий механизм, дает основания предполагать, что они были унаследованы от общего предка. Но общий предок кур, малиновок, плодовых мушек, растений и тараканов жил давным-давно, более 500 миллионов лет назад. Так, квантовые компасы, вероятно, очень древние и, должно быть, обеспечивали навигационные навыки рептилий и динозавров, которые бродили по болотам мелового периода рядом с тираннозавром Рексом, с которым мы встречались в главе 3 (напомним, что современные птицы, такие как малиновки, произошли от динозавров), рыб, которые плавали в пермских морях, древних членистоногих, что ползали в кембрийских океанах, а возможно, даже докембрийских микробов, которые были предками всей клеточной жизни. Кажется, что эйнштейновское «таинственное действие на расстоянии», возможно, помогает существам найти свой путь вокруг земного шара на протяжении большей части истории нашей планеты.

Самое холодное место на Земле располагается не на Южном полюсе, как вы могли бы подумать, а в центре восточной части Антарктического ледяного щита, примерно в 1300 километрах от полюса. Здесь зимние температуры обычно падают на несколько десятков градусов ниже нуля по шкале Цельсия. Самая низкая температура на Земле, –89,2 °C[115], была зарегистрирована 21 июля 1983 года в Восточной Антарктиде. Это место получило название «Южный полюс холода». При таких низких температурах крошится сталь, а дизельное топливо замерзает так, что его можно резать цепной пилой.

При таких морозах в воздухе практически не остается влажности. Кроме того, здесь, на оледенелых равнинах, постоянно дуют сильные ветры, что превращает Восточную Антарктиду в самое суровое место на нашей планете.

Но эти места не всегда были такими враждебными. Суша Антарктического материка была частью древнего суперконтинента Гондваны и располагалась в районе экватора. Эта часть Гондваны была покрыта обильной растительностью, среди которой преобладали семенные папоротники, гинкговые деревья и саговники. В этих зарослях паслись динозавры и травоядные рептилии, например листрозавры, напоминавшие носорогов. Однако около 80 миллионов лет назад огромный материк стал распадаться на части и один из фрагментов постепенно отдалялся на юг, со временем достигнув Южного полюса. Так образовалась Антарктида. Около 65 миллионов лет назад на Землю упал астероид. В результате падения небесного тела все динозавры и гигантские рептилии вымерли, освободив экологическое пространство для теплокровных млекопитающих. Несмотря на значительную удаленность Антарктиды от места удара, ее фауна и флора подверглись серьезным изменениям: папоротники и саговники уступили место лиственным лесам, которые населяли вымершие виды сумчатых, рептилий и птиц, в том числе гигантские пингвины. Реки с быстрым течением и глубокие озера, кишащие костными рыбами и членистоногими, разливались по долинам материка.

Постепенно уровень парниковых газов в атмосфере снижался, что привело к падению средней температуры воздуха в Антарктиде. Циркулирующие вокруг материка океанические течения также становились холоднее, и около 34 миллионов лет назад поверхность рек и озер южного материка стала замерзать зимой. Примерно 15 лет назад зимний лед покрывал континент круглый год, надежно спрятав реки и озера под свой плотный покров. Постепенно планета продолжала охлаждаться, и на Антарктиду надвинулись массивные ледники, уничтожив ее обитателей — млекопитающих, рептилий и земноводных — и похоронив землю, озера и реки под гигантскими слоями льда шириной несколько километров. С тех пор Антарктида находится в ледяном и морозном плену.

Первым человеком, ступившим на континентальную Антарктиду, стал американский охотник на тюленей капитан Джон Дейвис. Это случилось в XIX веке, а в XX веке на замерзшем материке появились первые постоянные поселения: сразу несколько стран заявили о своих территориальных правах на материк и стали строить здесь исследовательские станции. Первая советская антарктическая станция «Мирный» была открыта на побережье 13 февраля 1956 года. Именно отсюда два года спустя участники экспедиции отправились в глубь материка с целью основать станцию вблизи геомагнитного полюса. Полярников преследовали снежные бури, они увязали в рыхлом снегу, переносили лютый мороз (–55 °C) и нехватку кислорода. Наконец 16 декабря 1957 года, в разгар южнополушарного лета, они достигли геомагнитного полюса и основали станцию «Восток».

С тех пор на научно-исследовательской станции «Восток» практически непрерывно работают ученые. В команду исследователей в разное время входили от 20 до 25 ученых и инженеров, производящих геомагнитные и атмосферные измерения. Одна из основных научных задач команды «Востока» — изучение по ледяному покрову под станцией изменений климата в прошлом. В 1970-е инженеры-полярники пробурили во льду несколько скважин глубиной до 952 метров и достигли слоя льда, относящегося к последнему ледниковому периоду Земли. Возраст этого слоя — десятки тысяч лет. В 1980-х годах на станцию было доставлено новое буровое оборудование, с помощью которого исследователи достигли глубины 2202 метра. К 1996 году инженерам-полярникам удалось пробурить скважину глубиной 3623 метра и достигнуть слоя возрастом 420 тысяч лет.

Однако вскоре бурение было приостановлено. Под дном скважины было обнаружено нечто странное. К слову, еще в 1974 году, за 20 лет до находки, стало известно, что глубоко под станцией «Восток» располагается что-то очень необычное: британские сейсмологи выявили аномальные показатели для области площадью десять тысяч квадратных километров под слоем льда примерно четыре километра шириной. Российский географ Андрей Петрович Капица предположил, что радиолокационная аномалия свидетельствует о существовании огромного подледного озера, находящегося в изоляции от биосферы Земли и не замерзшего благодаря огромному давлению льда и теплым геотермальным источникам. Гипотеза Капицы подтвердилась в 1996 году, когда были получены снимки со спутника: подводное озеро глубиной до 500 метров (от поверхности воды до дна), площадью, равной примерно площади озера Онтарио, действительно существовало. Команда ученых назвала этот подледный водоем озером Восток.

После обнаружения подо льдом древнего озера буровые работы на станции «Восток» приобрели новое значение: скважина, становясь все глубже, приближалась к уникальной биологической среде. Озеро Восток было изолировано от поверхности и биосферы Земли сотни тысяч (если не миллионов) лет[116] — настоящий затерянный мир. Что произошло с животными, растениями, водорослями и микробами, населявшими озеро, пока оно не попало в ледниковый плен, обрекая живые организмы на абсолютный мрак и холод? Вымерла ли жизнь в озере, или каким-нибудь существам удалось выжить и приспособиться к условиям жизни под слоем льда шириной несколько километров? Если в озере сохранилась жизнь, то это должны быть очень стойкие организмы, столкнувшиеся с экстремальными, суровыми условиями: ужасный холод, кромешный мрак, давление на воду ледяной глыбы, более чем в 300 раз превышающее давление, которое испытывает поверхность любого другого земного озера. И все же известны удивительно разнообразные формы жизни, которые чудом приспосабливаются к другим экстремальным условиям, например на раскаленных краях вулканических кратеров, в кислотных озерах, даже в темных подводных туннелях на глубине несколько тысяч метров. Возможно, в озере Восток также сохранилась уникальная экосистема экстремофилов[117].

Открытие озера под толстым слоем льда приобрело еще большее значение благодаря другому открытию, совершенному в 1980 году. За полмиллиарда миль от Земли космический аппарат «Вояджер-2» сфотографировал поверхность Европы, спутника Юпитера. Снимки позволили ученым выдвинуть правдоподобную гипотезу о существовании под ледяной поверхностью Европы жидкого океана. Если жизнь могла сохраниться на протяжении сотен тысяч лет в воде под километрами антарктического льда, возможно, и на Европе в океане, накрытом льдом, существуют некие формы жизни. Поиски живых организмов в озере Восток стали репетицией еще более захватывающих поисков внеземных форм жизни.

Бурение было приостановлено в 1996 году, когда до поверхности озера оставалось около 100 метров льда: нельзя было допустить контакта древней подледной воды с пропитанной керосином буровой головкой, на которой могли находиться микроорганизмы и вещества с поверхности Земли. Тем не менее был изучен состав озерного льда, взятого из других скважин. Термальные источники влияют на озеро таким образом, что его вода под покровом ледника то замерзает, то оттаивает. Этот процесс продолжается с тех пор, как озеро навсегда покрылось льдом, так что самый нижний слой льда — это не ледниковый лед, а замерзшая озерная вода, или аккреционный лед. Слой аккреционного льда над водой озера Восток достигает нескольких десятков метров. Несколько скважин, пробуренных ранее, достигли глубины, на которой залегал аккреционный лед, и в 2013 году впервые были опубликованы результаты подробного исследования образцов замерзшей воды озера Восток[118]. Основной вывод статьи заключался в следующем: скрытое подо льдом озеро является средой обитания сложной системы организмов — как одноклеточных бактерий, грибов и простейших, так и более сложных животных — моллюсков, червей, анемонов и даже членистоногих. Ученым даже удалось определить особенности метаболизма этих существ, а также их вероятные места и условия обитания.

Однако в данной главе мы хотим подробнее поговорить не об удивительной экосистеме озера Восток, а о том, как любая экосистема может сохраниться в изоляции на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Озеро Восток и правда представляет собой модель всей нашей планеты, которая, по сути, оказалась изолированной от внешних воздействий, за исключением солнечных фотонов, на четыре миллиарда лет и все же сохранила богатую и многообразную экосистему, несмотря на угрозы извержений крупных вулканов, столкновений с астероидами и изменений климата. Как же удается жизни — невероятно сложной и многообразной — выносить все испытания, уготованные окружающей средой, и сохраняться на протяжении тысяч и даже миллионов лет?

Ключ к пониманию этой тайны кроется в образце вещества, которое было изучено командой биологов, работающих на станции и озере Восток, — в нескольких микрограммах химического соединения, извлеченного из замерзшей озерной воды. Это вещество играет главную роль в непрерывности и многообразии жизни на нашей планете и состоит из самых необычных молекул, известных во Вселенной. Мы называем это вещество ДНК.

Образцы ДНК, полученные из замерзшей воды озера Восток, исследовали ученые из Университета Боулинг Грин, США. Для расшифровки последовательности из миллионов фрагментов молекул ДНК, извлеченных из воды озера Восток, ученые применили технологию секвенирования, которая ранее использовалась для расшифровки генома человека. Затем они сравнили ДНК из озера Восток с данными из базы, содержащей информацию о последовательности генов в геномах тысяч организмов, обитающих на нашей планете. Было обнаружено, что многие последовательности генов в образцах озера Восток идентичны или почти совпадают с генами бактерий, грибов, членистоногих и других существ, живущих и надо льдом, особенно в холодных озерах и глубоких и темных морских тоннелях, то есть в условиях, вероятно немного приближенных к среде озера Восток. Сходства генов позволили ученым выдвинуть вполне обоснованные предположения о природе и образе жизни существ, оставивших образцы ДНК глубоко подо льдом.

Однако не забывайте, что организмы, обитавшие в озере Восток, попали в ледовый плен на сотни тысяч лет. Сходства последовательностей ДНК этих организмов с последовательностями геномов существ, обитающих на поверхности Земли, объясняются наличием у них общих предков, которые населяли Антарктиду до того, как она превратилась в ледовый континент. Последовательности генов предков, таким образом, копировались организмами, обитающими подо льдом и на поверхности Земли на протяжении жизни тысяч поколений. И все же, несмотря на многочисленные случаи копирования на протяжении сотен тысяч лет, некоторые гены остались неизмененными. Каким-то удивительным образом сложная генетическая информация, которая определяет форму, отличительные признаки и функции организмов, живущих на Земле и в воде подо льдом, надежно, практически без ошибок передавалась из поколения в поколение на протяжении сотен тысяч лет.

Способность генетической информации надежно копировать себя и передаваться из поколения в поколение (эту способность мы и называем наследственностью), безусловно, играет главную роль в сохранении жизни. Гены — особые участки ДНК — кодируют белки и ферменты, которые в процессе метаболизма создают биомолекулы всех возможных живых клеток — от фотосинтетических пигментов растений и бактерий до обонятельных рецепторов животных и загадочных внутренних магнитных компасов птиц, одним словом, отвечают за любой признак живого организма. Многие биологи утверждают, что самокопирование является основной отличительной чертой жизни. Однако живые организмы не могли бы создавать копии самих себя, если бы они не были способны сперва копировать инструкции к самокопированию. Таким образом, жизнь возможна именно благодаря процессу наследственности — высококачественному копированию генетической информации. В главе 2 мы говорили о том, что тайна наследственности (то, каким образом генетическая информация может надежно передаваться из поколения в поколение) была той самой загадкой, которая убедила Эрвина Шредингера в том, что гены являются квантово-механическими сущностями. Но был ли он прав? Объясняет ли квантовая механика механизм наследственности? Поговорим об этом подробнее.

Мы принимаем как должное способность живых организмов копировать геномы с высокой точностью, однако на самом деле это один из удивительнейших и важнейших аспектов жизни. Ошибка в копировании ДНК (иными словами, мутация) случается в одном случае на миллиард. Чтобы представить себе уровень точности копирования информации, вообразите весь текст этой книги: приблизительно миллион букв, знаков препинания и пробелов. Теперь представьте тысячу книг такого же объема на библиотечных полках. Вы получаете задание точно скопировать тексты тысячи книг, каждую буковку и каждый пробел. Как вы думаете, сколько ошибок вы сделаете? Именно этим и занимались средневековые переписчики, вручную копировавшие тексты до изобретения печатного станка. Несмотря на старания, переписчики допускали (и это неудивительно) много ошибок, что видно из множества несходных копий одних и тех же средневековых текстов. Безусловно, компьютеры способны копировать информацию с высокой точностью, однако это возможно только благодаря современным электронным цифровым технологиям. Представьте, что копировальная машина создана из влажного, вязкого материала. Сколько, по-вашему, ошибок такая машина совершит при считывании и записи скопированной информации? Если этот влажный, вязкий материал представляет собой одну из клеток вашего организма, в которой информация кодируется с помощью ДНК, то вероятность ошибки — менее одной на миллиард.

Высокая точность копирования информации имеет огромное значение для живого организма: структура живой ткани настолько сложна, что для ее копирования требуется не менее сложный набор инструкций, в котором одна-единственная ошибка может привести к фатальным последствиям. Геном, хранящийся в наших клетках, содержит около трех миллиардов букв генетического алфавита, кодирующих около 15 тысяч наших генов. Даже геномы самых простых бактерий, способных к самокопированию, к примеру тех, что живут в подледном озере Восток, состоят из нескольких тысяч генов, записанных на миллионах генетических букв. Несмотря на то что большинство организмов приобретают небольшое количество мутаций в каждом поколении, незначительный их перебор при передаче следующему поколению может вызвать серьезные проблемы. У человека это проявляется в виде генетических заболеваний или нежизнеспособности рожденного потомства. Кроме того, в процессе копирования любые клетки организма (клетки крови, кожи и другие) должны передать их ДНК дочерней клетке. Сбои в этом процессе приводят к онкологическим заболеваниям[119].

Так каким же образом квантовая механика связана с наследственностью? Чтобы разобраться в этом вопросе, перенесемся с вами в 1953 год, в Кембридж, в тот февральский день, когда Фрэнсис Крик вошел в «Игл паб» и заявил, что они с Джеймсом Уотсоном «открыли секрет жизни». Позже в том же году они опубликовали статью, перевернувшую мир науки[120]. В статье была представлена структура ДНК и описан набор простых правил, с помощью которых были найдены ответы на два из самых важных и таинственных вопросов жизни: как кодируется и наследуется биологическая информация.

Мы хотели бы отдельно остановиться на одном из аспектов открытия генетического кода, который, по мнению многих, имеет второстепенное значение, — на форме двойной спирали молекулы ДНК. Эта изящная структура и правда удивительна. Форма молекулы ДНК по праву стала одним из самых культовых изображений науки. Ее печатают на майках, выбирают в качестве эмблемы сайта и даже воспроизводят в архитектурных сооружениях. Однако двойная спираль, в сущности, только каркас. Главный секрет ДНК кроется в том, от чего зависит целостность спирали.

В главе 2 мы кратко говорили о том, что спиральную структуру ДНК (рис. 7.1) образует сахарофосфатный остов, несущий основную информацию ДНК: цепи оснований — гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A). Уотсон и Крик заметили, что линейная последовательность оснований складывается в код, который, как они предположили, и является генетическим кодом.

Рис. 7.1. Структура ДНК: а — двойная спираль Уотсона и Крика; б — схема связи между спаренными основаниями A и T; в — схема связи между спаренными основаниями G и T. На схемах водородные связи (общий протон), объединяющие два основания в пару, показаны пунктирными линиями. В этом стандартном (каноническом) представлении сплетения оснований, предложенном Уотсоном и Криком, основания изображаются в их обычной, нетаутомерной форме

Жизнь вряд ли бы могла сохраниться на нашей планете и выдержать многие испытания, уготованные ей окружающей средой, если бы процесс копирования генетического кода всегда протекал идеально, без единой ошибки. Например, бактерии, обитавшие в умеренных водах антарктических озер несколько тысячелетий назад, лучше и быстрее приспособились бы к жизни в относительно теплой и светлой среде. Когда над их миром сомкнулся ледяной купол, бактерии, чьи геномы на протяжении поколений копировались со стопроцентной точностью, скорее всего, вымерли. Однако многие бактерии допускали небольшое количество ошибок в процессе копирования генетической информации, в результате чего на свет появлялись особи-мутанты, слегка отличавшиеся от родителей. Эти отличия способствовали более успешному приспособлению к холодной и темной среде обитания, поэтому именно бактерии-мутанты стали размножаться активнее. Постепенно, спустя несколько тысяч поколений и многочисленных неточных копий наследственной информации, потомки бактерий, попавших в ледовый плен, приспособились к жизни в подледном озере.

Повторимся: процесс адаптации к новым условиям жизни посредством мутации (ошибок репликации ДНК) в среде озера Восток — это модель процесса, протекающего в каждом уголке нашей планеты на протяжении миллиардов лет. За долгое время своего существования Земле пришлось пережить множество глобальных катастроф: извержения крупных вулканов, ледниковые периоды, столкновения с небесными телами. Жизнь не смогла бы сохраниться, не приспособившись к изменениям через копирование ошибок. Не менее важен и тот факт, что мутации привели к генетическим изменениям, которые создали из простейших бактерий — первых живых организмов нашей планеты — удивительное многообразие современной биосферы. Небольшая неточность в копировании проходит длинный и интересный путь развития, особенно на долгом временном отрезке.

Кроме идеи о том, что квантовая механика объясняет надежность передачи наследственной информации, Эврин Шредингер высказал еще одно смелое предположение в своей книге «Что такое жизнь?», опубликованной в 1944 году. Он рассуждал о том, что мутации представляют собой своего рода квантовый скачок внутри гена. Насколько это правдоподобно? Чтобы ответить на этот вопрос, нам с вами необходимо разобраться в одном противоречии, которое уходит своими корнями в теорию эволюции.

Мы привыкли к утверждению о том, что эволюция была «открыта» Чарльзом Дарвином. Тем не менее по крайней мере за 100 лет до Дарвина ученым-натуралистам, изучавшим окаменелости, было известно, что организмы меняются на протяжении геологических эпох. Так, еще дед Чарльза Эразм Дарвин был настоящим эволюционистом. Однако самая известная протоэволюционистская теория, предвосхитившая теорию Дарвина, была создана французским ученым, дворянином по происхождению, носившим красивое имя Жан-Батист Пьер Антуан де Моне Шевалье Ламарк.

Ламарк родился в 1744 году. Он учился в иезуитском колледже, где его готовили к духовному сану, однако после смерти отца он получил деньги, которых хватило на покупку лошади. На этой лошади он и уехал воевать в Семилетней войне против Пруссии. Он был ранен, и его военная служба прервалась. Он вернулся в Париж, где стал работать клерком, а все свободное время посвящал изучению ботаники и медицины. Вскоре он получил место помощника ботаника в Королевском ботаническом саду и проработал там до тех пор, пока директора сада не казнили во время революции. Ламарк пережил кровавые события. После революции он получил кафедру в Парижском университете. В это время он переключил свое внимание с ботаники на зоологию и стал с увлечением изучать беспозвоночных.

Ламарк является одним из величайших ученых, вклад которых в науку недооценивается современниками, по крайней мере в англосаксонском мире. Помимо того что он ввел в обращение термин «биология» (от греческого корня bios — «земля»), Ламарк создал теорию эволюции, которая по крайней мере давала правдоподобное объяснение механизму эволюционных изменений. Это было сделано за полвека до теории Дарвина. Ламарк указал на то, что организмы способны изменять некоторые признаки, приспосабливаясь к окружающей среде. Так, например, у фермеров, привыкших к тяжелому физическому труду, развиваются гораздо более крепкие мышцы, чем у банковских клерков. Ламарк утверждал, что подобные приобретенные признаки могут наследоваться потомками, а следовательно, привести к эволюционным изменениям. Наиболее известен пример с жирафами, который чаще других подвергался насмешкам и критике современников. Ламарк полагал, что неким антилопам часто приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих на верхних ветвях деревьев. Постепенно их шеи вытягивались, и этот приобретенный признак унаследовали их потомки, которые также продолжали тянуться за верхними листьями и передавать признак вытянутой шеи по наследству, в результате чего антилопы данного вида эволюционировали и постепенно превратились в жирафов.

Теория Ламарка, особенно его идеи о наследовании приобретенных признаков, не получила поддержки современников и была подвержена жесткой критике, особенно в англосаксонском мире. Ученые располагали многочисленными доказательствами того, что характеристики, приобретенные особью на протяжении жизни, обычно не передаются по наследству потомству. Например, несколько сотен лет назад в Австралию хлынул поток светлокожих переселенцев из Северной Европы. Кожа людей, проводящих много времени под палящим солнцем, покрывается загаром. Тем не менее у потомков европейцев в Австралии рождаются такие же светлокожие дети, как и их предки. Очевидно, что кожный загар — приобретенный признак-реакция на постоянное воздействие солнечных лучей — не передается по наследству. Итак, эволюционная теория Ламарка окончательно ушла в тень теории естественного отбора Дарвина, изложившего основные ее положения в книге 1859 года «Происхождение видов»[121].

В наши дни особо подчеркивается следующий аспект теории Дарвина: выживает сильнейший, более приспособленный к жизни в неумолимой природе, не принимающей слабых, менее совершенных. Однако естественный отбор — это не полная история эволюции. Чтобы эволюция протекала успешно, естественный отбор нуждается в источнике изменений, на которых и оттачивается его «мастерство». Для Дарвина это была одна из величайших загадок, поскольку, как мы уже говорили, передача наследственной информации характеризуется высокой степенью надежности. Это не так уж и очевидно в случае эукариот — организмов, для которых характерно половое размножение, поскольку потомство данных организмов значительно отличается от родителей. Однако при половом размножении черты родителей всего лишь перемешиваются в особи-потомке. К слову, в начале XIX века повсеместно считалось, что смешение признаков родителей при половом размножении происходит примерно так же, как смешение красок. Если вы возьмете несколько сотен оттенков-образцов различных красок, смешаете половину образца одного цвета с половиной образца другого и повторите то же самое с другими образцами несколько тысяч раз, в результате получится несколько сотен оттенков серой краски: индивидуальные различия оттенков будут стираться и все образцы будут иметь схожие, усредненные признаки. Однако перед Дарвином стояла задача иного рода: объяснить постоянное сохранение индивидуальных различий у особей и, более того, приращение индивидуальных различий (в том случае, если в них кроется источник эволюционных изменений).

Дарвин был убежден в том, что эволюция происходила постепенно, медленно, поскольку естественный отбор «проверял» малейшее изменение признака, передававшееся по наследству: «Естественный отбор действует только путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций, каждая из которых выгодна для сохраняемого существа; и как современная геология почти отбросила такие воззрения, как, например, прорытие глубокой долины одной делювиальной волной, так и естественный отбор изгонит веру в постоянное творение новых органических существ или в какую-либо большую и внезапную модификацию»[122]. Однако источник этого исходного материала для эволюции, а именно «малых наследственных модификаций», оставался необъяснимой загадкой. Странные сбои, а точнее, мутации наследуемых признаков были хорошо известны биологам века. Так, например, в конце XVIII века на одной из ферм Новой Англии (в штате Массачусетс) на свет появился ягненок с короткими кривыми ногами. Он вырос в здорового барана и принес потомство, похожее на него. Так было положено начало анконовой породе овец. Их было удобно и легко разводить, поскольку коротконогие овцы не могли перепрыгивать через короткие изгороди. Однако Дарвин считал, что подобные мутации не могут быть движущей силой эволюции, поскольку организм особи подвергается слишком значительным изменениям, в результате чего на свет появляются весьма странные существа, зачастую не способные выжить в дикой природе. Чтобы его теория заработала, Дарвину необходимо было найти источник менее значительных наследуемых изменений, вызывающих «малые наследственные модификации». Ученому так и не удалось решить эту задачу. К слову, в поздних изданиях «Происхождения видов» он даже обращался к некоторым аспектам эволюционной теории Ламарка, в частности, чтобы сформулировать идею о наследуемых малых модификациях.

Частично тайна загадки, которую никак не мог разгадать Дарвин, была раскрыта еще при его жизни. Это удалось австрийскому монаху и ботанику Грегору Менделю, о котором мы уже говорили в главе 2. Эксперименты Менделя, проведенные на горохе, показали, что незначительные модификации формы горошин или цвета лепестков растения наследовались стабильно и прочно. Это означает, что модифицированные признаки не смешивались, а, наоборот, передавались из поколения в поколение, иногда, правда, пропуская одно или два из них, если признак был рецессивным, а не доминантным. Мендель предположил, что дискретные наследственные «факторы», которые мы называем генами, кодируют биологические признаки и являются источниками биологических вариаций. Итак, половое размножение следует сравнивать скорее не со смешиванием различных оттенков, а со смешиванием бусин различных цветов и форм, наполняющих два горшочка. В каждом поколении перемешивается половина бусин из одного горшочка с половиной бусин из второго. Важно то, что даже через тысячи поколений каждая отдельная бусинка сохраняет свой изначальный цвет, то есть признаки могут передаваться без изменений на протяжении сотен или даже тысяч поколений. Таким образом, гены являются постоянным источником вариаций, опираясь на которые и действует механизм естественного отбора.

Научные результаты Менделя были проигнорированы его современниками, а после его смерти и вовсе забыты. Насколько известно, Дарвин не был знаком с теорией Менделя о «наследственных факторах» и скрывавшемся в данной теории ключом к разгадке тайны смешивания признаков. Проблема с поисками источника наследственных изменений, управляющих эволюцией, привела к тому, что к концу XIX века и теория эволюции Дарвина заметно сдала свои позиции в науке. Но в начале XX века об идеях Менделя вспомнили ученые-ботаники, занимавшиеся скрещиванием растений и открывшие законы, управляющие наследованием изменений. Как и подобает настоящим ученым в случае, когда они считают, что открыли что-то новое, они просмотрели имеющуюся литературу перед тем, как публиковать результаты своей работы. Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что открытые ими законы наследственности были описаны Менделем за несколько десятилетий до этого.

Повторное открытие менделевских факторов, получивших название «гены»[123], подвело ученых и к разгадке тайны смешения признаков, которую так и не смог раскрыть Дарвин. И все же ученые не сразу решили проблему поиска источника генетических изменений, управляющих длительным процессом эволюции, поскольку предполагалось, что гены наследуются без изменений. Естественный отбор может перемешать бусинки-гены в каждом следующем поколении, однако не в силах создать новые бусинки. Выход из сложившейся тупиковой ситуации обнаружил один из ботаников, вернувших генетику Менделя из забвения. Хуго де Фриз шел по картофельному полю и заметил растения ослинника Ламарка (Oenothera lamarckiana) непривычной разновидности — выше обычного, с овальной формой лепестков (как правило, у ослинника лепестки имеют форму сердца). Он отметил, что данное растение является «мутантом», и, что еще важнее, показал, что мутация наблюдается и у следующего поколения растений, то есть наследуется.

Генетик Томас Хант Морган познакомился с работами де Фриза, посвященными мутациям, в начале 1900-х годов в Колумбийском университете, где проводил эксперименты с плодовыми дрозофилами. Команда ученых под его руководством подвергала дрозофил воздействию сильных кислот, рентгеновского излучения и токсинов с целью создать мушек-мутантов. Наконец в 1909 году из куколки появилась мушка с белыми глазами. Ученым удалось доказать, что, как и в случае со странной формой лепестков ослинника, которую заметил де Фриз, мутировавший признак мушки передавался по наследству, как и любой менделевский ген.

Синтез теории естественного отбора Дарвина, генетики Менделя и теории мутации привел к тому, что в науке сложилась новая синтетическая теория эволюции, или неодарвинизм. Мутация понималась как конечный источник наследуемых генетических изменений, которые в основном имели небольшое воздействие и иногда были абсолютно безвредными, а в некоторых случаях даже полезными — мутировавшее потомство оказывалось более приспособленным к условиям окружающей среды, чем родители. Затем в игру вступает естественный отбор, отсеивающий менее приспособленных мутантов из популяции, способствуя выживанию и размножению сильнейших. В конце концов, приспособленные к условиям жизни мутанты становятся нормой для данного вида, и эволюция идет «путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций».

Одним из ключевых аспектов синтетической теории эволюции является принцип, согласно которому мутации случайны: вариация в геноме не возникает как ответ на эволюционные изменения. Так, при изменении условий окружающей среды вид не развивает мутационный признак — он должен дождаться необходимой мутации, которая возникает случайно и помогает последующим поколениям приспособиться к изменениям. Это противоречит представлениям Ламарка об эволюции, согласно которым наследуемая адаптация вида (например, длинная шея у жирафа) возникает как реакция на вызов со стороны изменяющейся окружающей среды и, соответственно, приобретается всеми последующими поколениями.

В начале XX века ученым еще не было известно, происходят наследуемые мутации случайно, как предполагали неодарвинисты, или возникают как ответ на изменения окружающей среды, как утверждали сторонники идей Ламарка. Напомним, что Морган подвергал дрозофил воздействию токсичных веществ и излучения, чтобы добиться мутаций. Возможно, в ответ на этот «вызов» окружающей среды у дрозофил возникли новые мутации, которые помогли им справиться с тяжелыми испытаниями. Как и жирафы Ламарка, они, метафорично выражаясь, вытянули свои шеи, а затем передали этот адаптивный признак своим потомкам в виде наследуемой мутации.

В 1943 году Сальвадор Лурия, научный руководитель Джеймса Уотсона, и Макс Дельбрюк поставили серию экспериментов, ставших классикой генетики. Одной из целей экспериментов была проверка конкурирующих теорий. К тому времени дрозофилы уступили место бактериям, которые наилучшим образом подходили на роль подопытных организмов в эволюционных исследованиях благодаря легкости их выведения в лаборатории и краткой продолжительности генерации. Ученым было известно, что бактерии можно поражать вирусами, однако, если это делать регулярно, бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость к вирусам благодаря мутациям. Эти условия идеально подходили для проверки конкурирующих теорий — неодарвинизма и теории мутаций Ламарка. Лурия и Дельбрюк хотели проверить, способны бактерии-мутанты противостоять вирусной инфекции, уже существовавшей в популяции (согласно идеям неодарвинизма), или они возникают как ответ на вызов окружающей среды, в данном случае на воздействие вируса (согласно идеям ламаркизма). Ученые обнаружили, что мутации в популяции возникают одинаково регулярно независимо от наличия вируса или его отсутствия. Иными словами, регулярность мутаций не зависела от селективного давления окружающей среды. Именно за эти эксперименты Лурия и Дельбрюк были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1969 год, а сформулированный ими принцип случайного возникновения мутаций стал ключевым аспектом современной эволюционной биологии.

Но даже тогда, в 1943 году, когда Лурия и Дельбрюк проводили свои эксперименты, ученым все еще не было известно, из чего состоят гены-бусинки и благодаря каким физическим механизмам возникает мутация — превращение одной бусинки в другую. Ситуация прояснилась в 1953 году, когда Уотсон и Крик открыли двойную спираль. Было показано, что гены-бусины строятся на основе материала ДНК. Принцип случайного возникновения мутаций лишний раз подтвердился: излучение и мутагенные вещества повреждают молекулу ДНК на случайно выбранном участке цепи, вызывая мутации случайных генов, независимо от того, кодируют ли они признаки, важные для выживания вида в условиях конкретных изменений окружающей среды.

Во второй статье, посвященной структуре ДНК[124], Уотсон и Крик высказали предположение о том, что процесс таутомеризации, подразумевающей движение протонов внутри молекулы в определенном порядке, возможно, является причиной мутаций. Мы уверены, что, дойдя до этого места в книге, наши читатели прекрасно понимают, что любой процесс, подразумевающий движение элементарных частиц, например протонов, относится к квантово-механическим процессам. Значит ли это, что Шредингер был прав? Действительно ли мутации являются своего рода квантовым скачком?

Посмотрите еще раз на нижнюю часть рис. 7.1. Вы заметите, что мы изобразили водородную связь (которая, как вы помните, представляет собой общий для двух оснований протон) в виде пунктирной линии, соединяющей два атома (кислород (O) и азот (N)) спаренных оснований. Но ведь протон является частицей, не так ли? Почему же он изображен в виде линии, а не одиночной точки? Разумеется, потому, что протоны представляют собой квантовые сущности, обладающие свойствами частицы и волны. Так, внутри молекулы ДНК протон делокализован; он ведет себя как нечто размытое, как волна, накатывающая то на одно, то на другое основание. Водород (H) на рис. 7.1 (наиболее вероятное положение протона) во всех связях изображен не на одинаковом расстоянии от парных оснований, а ближе к одному из них, к одной из двух цепочек спирали. Такая асимметрия обусловливает одно из важнейших свойств ДНК.

Давайте рассмотрим одну из возможных пар оснований, а именно A — T. A находится на одной цепочке спирали, T — на другой. Основания держатся в паре благодаря двум водородным связям (протонам): один протон изображен ближе к атому азота основания A, а другой — ближе к атому кислорода основания T (рис. 7.2, а).

Рис. 7.2. Пары оснований A — T: а — стандартный вид связи пары оснований A — T с обычным расположением протонов; б — протоны поменяли положение на двойной спирали, образовав таутомерическую форму соединений A и T

Эти протоны и образуют водородную связь A — T. Однако не следует забывать, что для квантового мира понятие «ближе» является очень скользким: здесь частицы не имеют фиксированных положений, а характеризуются спектром возможностей пребывания одновременно в разных положениях, включая и те, что возможны только при условии эффекта туннелирования. Если бы протоны, связывающие две буквы генетического кода, вдруг совершили скачок к обратным концам соответствующих водородных связей, они оказались бы ближе к атомам противоположных оснований. Возможность протонов менять свое положение в связи обусловливает существование альтернативных форм соединений оснований — таутомеров (см. рис. 7.2, б). Так, каждое из оснований ДНК может существовать в обычной (канонической) форме, которая представлена в модели структуры двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, и в редкой таутомерической форме, при которой связывающие основания протоны сдвигаются и меняют позицию в связи.

Напомним, что протоны, формирующие водородные связи в молекуле ДНК, обусловливают специфические свойства пары оснований, важные при репликации генетического кода. Так, если пара протонов движется (в противоположных направлениях), это означает, что они успешно переписывают генетический код. Например, если на одном из участков цепи ДНК находится генетическая буква T (тимин), то напротив будет стоять A (в канонической форме пары оснований). Однако при двойном скачке протонов T и A принимают таутомерические формы. Разумеется, протоны могут совершить и обратный скачок, если они оказываются в связи таутомерической формы[125] в тот момент, когда происходит копирование цепи ДНК. В этом случае в новую цепочку ДНК могут быть встроены неправильные основания. Таутомер T образует пару скорее с G, а не с A, поэтому в новую цепочку напротив T (туда, где в старой цепи стоит A) будет вставлено основание G. Подобным образом, если A приобретает таутомерическую форму в момент репликации ДНК, образуется пара A — C, а не A — T, поэтому в новой цепи напротив A (туда, где в старой цепи стоит T) будет вставлено основание C (рис. 7.3). В обоих случаях в новых цепочках ДНК будут наблюдаться мутации — изменения в последовательностях ДНК, которые будут переданы последующим поколениям.

Рис. 7.3. Таутомер T в енольной форме (на рисунке обозначается T*) ошибочно образует пару с G, а не со своим постоянным партнером A. Подобным образом таутомер A (на рисунке A*) ошибочно образует пару с C, а не с T. Если эти пары образуются в процессе репликации ДНК, возникает мутация

Несмотря на очевидную правдоподобность данной гипотезы, было очень сложно подтвердить ее прямыми доказательствами. Однако в 2011 году, почти через 60 лет после того, как Уотсон и Крик опубликовали статью о двойной спирали ДНК, команде ученых из Медицинского центра Университета Дьюка (США) удалось доказать, что неправильные пары оснований ДНК с таутомерическими положениями протонов в связях действительно могут встраиваться в активный центр ДНК-полимеразы (фермент, образующий новую ДНК), а точнее, в новые цепочки ДНК в процессе репликации и обусловливать мутации[126].

Таким образом, таутомеры с альтернативным расположением протонов являются причиной мутаций, а следовательно, и движущей силой эволюции. Однако что же заставляет протоны менять положение? Согласно одному из «классических» объяснений, протоны время от времени «встряхиваются» из-за постоянных молекулярных вибраций, окружающих их. Тем не менее это возможно только при условии достаточного количества тепловой энергии, которая дает толчок, «встряску» молекуле. Как и в реакциях, катализируемых ферментами, о которых мы говорили в главе 3, для смены положения протону необходимо преодолеть достаточно высокий энергетический барьер. К тому же протоны могут получать толчок после столкновений с соседними молекулами воды, однако вблизи протонов, формирующих водородные связи внутри молекулы ДНК, нет молекул воды, способных передать такой толчок другим частицам.

Однако есть еще один фактор — тот, который играет важную роль в переносе электронов и протонов ферментами. Благодаря волновой природе элементарные частицы, такие как электроны и протоны, могут участвовать в квантовом туннелировании. Нестабильность положения какой бы то ни было частицы позволяет ей просачиваться через энергетический барьер. В главе 3 мы говорили о том, как ферменты обеспечивают возможность туннелирования электронов и протонов, подводя молекулы ближе друг к другу. Спустя десятилетие после публикации фундаментальной статьи Уотсона и Крика шведский физик Пер-Улоф Левдин, которого мы уже упоминали в этой главе, предположил, что протоны внутри водородных связей перемещаются посредством квантового туннелирования, в результате чего образуются таутомерические — мутационные — формы нуклеотидов.

Важно отметить, что мутации ДНК могут быть обусловлены действием множества различных механизмов, в том числе воздействием химических веществ, ультрафиолетового излучения, частиц, выпускаемых в результате радиоактивного распада, и даже космического излучения. В результате воздействия этих факторов изменения происходят на молекулярном уровне, а значит, они неизбежно сопровождаются квантово-механическими процессами. Пока не получены доказательства того, что все эти источники мутаций связаны с таинственными аспектами квантовой механики. Тем не менее доказано, что квантовое туннелирование играет большую роль в образовании таутомерических форм ДНК-оснований. Значит, мистическая природа других квантовых процессов, возможно, играет определенную роль в возникновении мутаций, движущих эволюцией.

И все же таутомеры ДНК-оснований составляют лишь 0,01 % всех ДНК-оснований. Их образование приводит к ошибкам одного порядка. Такое соотношение гораздо выше, чем показатель всех мутаций в природе, — одна на миллиард случаев, поэтому, если таутомеры действительно присутствуют в двойной спирали, потенциальных сбоев легко избежать путем различных процессов исправления ошибок (проверочных процессов), призванных обеспечивать высокую надежность репликации ДНК. Однако ошибки, возникающие благодаря квантовому туннелированию, не поддаются корректировке проверочных механизмов и продолжают быть источником природных мутаций, которые обеспечивают эволюцию всех земных форм жизни.

Открытие механизмов, лежащих в основе мутации, важно не только для понимания эволюции. Оно может пролить свет на то, как возникают генетические заболевания, как здоровые клетки становятся раковыми (доказано, что генетические и онкологические заболевания обусловлены мутациями). Однако не так легко проверить, основан ли механизм конкретной мутации на эффекте туннелирования, поскольку, в отличие от некоторых других видов воздействия на клетку, например химических веществ или излучения, этот эффект нельзя просто «включить» и «выключить». Следовательно, пока мы не имеем возможности сравнить соотношение мутаций, обусловленных квантовым туннелированием и не обусловленных квантовым процессом, и посмотреть, чем они отличаются друг от друга.

Есть еще один способ подтвердить квантово-механический аспект генетических мутаций. Он основывается на различиях между информацией в классическом понимании и квантовой информацией. Классическая информация может считываться и перечитываться снова и снова, при этом не меняя своего содержания, в то время как информация квантовых систем искажается при попытке измерений. Когда фермент ДНК-полимераза изучает ДНК-основание и пытается определить положение протонов в водородной связи, он осуществляет квантовое измерение, ничем не отличающееся от измерений, проводимых над теми же протонами ученым-физиком в лаборатории. Оба этих процесса и их измерения влияют на квантовую систему: с точки зрения квантовой механики вовсе не важно, выполняется измерение ферментом ДНК-полимеразой внутри клетки или счетчиком Гейгера в лаборатории, — в любом случае положение измеряемой частицы изменится. Если состояние частицы соответствует определенной букве генетического кода, означает ли это, что измерения, особенно частые, регулярные, будут способствовать изменению кода и вызывать мутации? Есть ли тому доказательства?

Несмотря на то что весь геном человека копируется во время репликации ДНК, считывание большей части информации генома осуществляется в ходе двух процессов, при которых генетическая информация используется для обеспечения синтеза белков. Первый из этих процессов — транскрипция — подразумевает перенос генетической информации с ДНК в РНК. РНК химически родственна ДНК. Скопировав информацию ДНК, РНК отправляется к механизму синтеза белков и инициирует их производство, или второй из упомянутых процессов, известный также как трансляция. Чтобы отличать эти процессы от репликации ДНК (копирования генетической информации), мы будем называть их процессами считывания ДНК-кода.

Ключевая особенность процесса считывания ДНК-кода заключается в том, что некоторые гены считываются чаще, чем другие. Если считывание ДНК-кода во время транскрипции является квантовым измерением, можно предположить, что наиболее часто считываемые гены будут подвержены более серьезным изменениям, обусловленным измерениями, а следовательно, будут содержать большее количество мутаций. Некоторые исследователи утверждают, что их эксперименты доказывают это предположение. Так, например, Абхиджит Датта и Сью Джинкс-Робертсон из Университета Эмори (Атланта, США) воздействовали на один и тот же ген дрожжевой клетки таким образом: сначала ген был считан несколько раз для получения небольшого количества белка, а затем — множество раз для получения больших объемов белка. Ученые обнаружили, что количество мутаций гена возросло в 30 раз после того, как участились случаи считывания его информации[127]. В ходе эксперимента с клетками мыши были получены схожие результаты[128], а недавние исследования генов человека показали, что наиболее часто считываемые гены чаще подвергаются мутациям[129]. Такие результаты согласуются с наличием квантово-механического измерения, однако они не доказывают связи образования мутаций с квантовой механикой. Считывание ДНК-кода сопровождается биохимическими реакциями, которые могут изменить или даже разрушить молекулярную структуру генов различными способами, также вызывая мутации, к которым квантовая механика не имеет никакого отношения.

Чтобы проверить, связан ли биологический процесс с квантовой механикой, необходимы данные, которые очень трудно или вовсе невозможно интерпретировать, не прибегая к основам квантовой механики. К слову, именно этот парадокс пробудил в нас интерес к определению роли квантовой механики в биологии.

В сентябре 1988 года в журнале Nature была опубликована статья, посвященная генетике бактерий. Автором статьи был выдающийся генетик Джон Кейрнс, сотрудник Гарвардской школы общественного здоровья (Бостон)[130]. Идеи, высказанные в статье, противоречили фундаментальному принципу неодарвинистской эволюционной теории, согласно которому мутации, источники генетических вариаций, происходят случайно, а направление эволюции определяется естественным отбором — «выживанием сильнейших».

Кейрнс получил образование в Оксфорде, затем работал в Австралии и Уганде. В 1961 году он, будучи сотрудником лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (штат Нью-Йорк), взял творческий отпуск. С 1963 по 1968 год Кейрнс возглавил лабораторию в Колд-Спринг-Харбор, которая в то время была местом, где зарождалась новая наука — молекулярная биология. В 1960-е и 1970-е годы лаборатория переживала настоящий золотой период, поскольку здесь работали такие выдающиеся ученые, как Сальвадор Лурия, Макс Дельбрюк и Джеймс Уотсон. Кейрнс, кстати, познакомился с Уотсоном за много лет до этого, когда молодой и немного неопрятный будущий нобелевский лауреат делал довольно бессвязный доклад на конференции в Оксфорде и не произвел на Кейрнса большого впечатления. По правде говоря, первое впечатление Кейрнса от одного из величайших ученых за всю историю человечества сводилось к следующему: «Я подумал, что он абсолютно ненормальный»[131].

В лаборатории Колд-Спринг-Харбор Кейрнс провел несколько эпохальных исследований. Так, например, он показал, как репликация ДНК начинается в одной конкретной точке и продвигается вдоль хромосомы подобно поезду, который движется по рельсам. Он наверняка стал намного лучше относиться к Уотсону, поскольку в 1966 году вышла их совместная книга о роли бактериальных вирусов в развитии молекулярной биологии. Позднее, в 1990-е годы, он заинтересовался ранним исследованием нобелевских лауреатов Лурии и Дельбрюка, которое, казалось, доказывало случайный порядок мутаций в организме, не подвергаемом воздействию мутагенных факторов. Кейрнс заметил, что в плане эксперимента Лурии и Дельбрюка был один слабый момент, который не был учтен и «помог» ученым доказать, что бактерии-мутанты, устойчивые к вирусу, существуют в популяции всегда, а не возникают в результате воздействия вируса на популяцию.

Кейрнс отметил, что бактериям, не имеющим устойчивости к вирусу, не хватило бы времени на развитие адаптивных мутаций в ответ на вызов окружающей среды, поскольку вирус, являющийся этим самым вызовом, уничтожил бы их. Он предложил альтернативный план эксперимента, в ходе которого бактериям предоставлялась более удобная возможность мутировать в ответ на вирус. Вместо того чтобы ожидать появления у бактерий мутаций, благодаря которым у них развивается устойчивость к вирусу, он подверг бактерии голоданию с целью выявить мутации, позволяющие бактерии выжить и расти в условиях нехватки питательных веществ. Кейрнс показал (как, впрочем, Лурия и Дельбрюк до него), что некоторые бактерии продолжили расти и нормально развиваться в условиях голода, что доказывало наличие у них изначальной устойчивости к нехватке питательных веществ. Однако, в отличие от исследования Лурии и Дельбрюка, в ходе эксперимента Кейрнса выявилось гораздо больше бактерий-мутантов, появившихся в популяции намного позже, а именно как ответ на воздействие голоданием.

Результаты эксперимента Кейрнса противоречили общепринятому принципу случайного возникновения мутаций; наоборот, они свидетельствовали о том, что мутации возникают тогда, когда для их возникновения создаются благоприятные условия. Открытие Кейрнса, казалось, доказывало поставленную под сомнение состоятельность теории эволюции Ламарка: голодающие бактерии не «отращивали длинные шеи» — они, подобно вымышленной антилопе Ламарка, реагировали на вызов, брошенный окружающей средой, развитием наследуемых модификаций организма — мутаций.

Экспериментальные открытия Кейрнса очень скоро подтвердились в ходе исследований других ученых. И все же данному феномену не находилось приемлемого объяснения в рамках современной генетики и молекулярной биологии. Науке не было известно о механизме, который позволял бактерии (или любому другому живому организму) выбирать, какие гены должны подвергнуться мутации и в какой именно момент. Открытие Кейрнса, на первый взгляд, также противоречило центральной догме молекулярной биологии, согласно которой во время транскрипции информация передается только в одном направлении: от ДНК белкам и далее во внутреннюю среду клетки или организма. Если Кейрнс оказался прав, клетки должны обладать способностью менять направление передачи генетической информации, позволяя среде влиять на то, что записано в ДНК.

Публикация статьи Кейрнса вызвала массу споров и лавину писем в редакцию журнала Nature: научная общественность стремилась понять смысл открытия. Будучи специалистом в области бактериальной генетики, Джонджо заинтересовался явлением «адаптивных мутаций», как все их стали называть. В то время он как раз читал популярную работу Джона Гриббина о значении квантовой механики «В поисках кота Шредингера»[132] и не мог не задуматься над тем, не кроется ли объяснение результатов Кейрнса в этой таинственной области, а именно в загадочных процессах квантовых измерений. Джонджо был также знаком с утверждением Левдина о том, что генетический код записан квантовыми буквами. Итак, если Левдин был прав, геном бактерий, исследуемых Кейрнсом, должен рассматриваться как квантовая система. Если это так, то попытка узнать, произошла ли мутация, будет представлять собой квантовое измерение. Может ли эффект квантового измерения объяснить довольно странные результаты исследования Кейрнса? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо подробнее рассмотреть модель его эксперимента.

Кейрнс поместил миллионы бактерий кишечной палочки E. coli[133] на поверхность желе в емкости, где из питательных веществ бактериям была доступна лишь лактоза. У бактерий одного из штаммов E. coli, которые использовал Кейрнс, был генетический сбой, из-за которого бактерии не принимали лактозу, а следовательно, подвергались голоданию в ходе данного эксперимента. Однако они не погибли; они оставались на поверхности желе. Затем произошло нечто, что очень удивило Кейрнса и вызвало множество споров среди ученых впоследствии, когда результаты эксперимента были опубликованы. Через некоторое время после начала эксперимента Кейрнс исследовал новые колонии, появившиеся на поверхности желе. В каждой колонии были бактерии-мутанты — потомки одной-единственной клетки, в которой мутация исправила ошибку в ДНК-коде дефектного гена, отвечающего за усваивание лактозы. Колонии мутантов продолжали расти на протяжении нескольких дней, пока желе из лактозы полностью не исчезло с тарелок.

Согласно одному из принципов классической теории эволюции, подтвержденному экспериментами Лурии и Дельбрюка, для эволюции одноклеточных E. coli требовалось изначальное присутствие в популяции бактерий-мутантов. Некоторые из них действительно появились в колонии в самом начале эксперимента, однако их было недостаточно для возникновения новых колоний, способных усваивать лактозу, спустя лишь несколько дней после того, как дефективные бактерии были помещены в лактозную среду (в которой мутации могли стать адаптивным преимуществом клетки, отсюда и название «адаптивные мутации»).

Кейрнс отказался от тривиальных объяснений данного явления, как, например, общая тенденция повышения частотности мутаций. Кроме того, ученый продемонстрировал, что адаптивные мутации возникают лишь в той среде, где от данной мутации будет преимущество. И все же результаты эксперимента Кейрнса не находили объяснения в рамках классической молекулярной биологии: мутации возникали с одинаковой частотой в присутствии и отсутствии лактозы. Однако в том случае, если (как утверждал Левдин) гены представляют собой квантовые информационные системы, наличие лактозы подразумевает потенциальное квантовое измерение, поскольку благодаря ему выявляется, мутирует ДНК клетки или нет, — перед нами не что иное, как явление квантового уровня, зависящее от положения одиночных протонов. Объясняются ли различия в частотности мутаций, выявленные Кейрнсом, именно наличием квантовых измерений?

Джонджо решил высказать свои соображения на одной из открытых лекций на физическом факультете Университета Суррея. Джим был среди слушателей и, несмотря на скептическое отношение к высказываемым идеям, заинтересовался ими. Мы решили работать вместе и выяснить, есть ли у предположений Джонджо квантовая подоплека. В конце концов нам удалось разработать достаточно «шаткую»[134] модель, которая, как нам кажется, способна объяснить механизм адаптивных мутаций. Описание объяснительной модели было опубликовано нами в журнале Biosystems в 1999 году[135].

Описание модели начинается с допущения того, что протонам свойственно квантово-механическое поведение. Следовательно, протоны в ДНК голодающих бактерий E. coli могут время от времени совершать скачок в таутомерическое (мутагенное) положение путем квантового туннелирования и с такой же легкостью возвращаться в исходное положение. С точки зрения квантовой механики такая система считается находящейся в суперпозиции, или одновременно в двух состояниях — туннелированном и нетуннелированном. Протон описывается в терминах волновой функции, распространяющейся в обе стороны, однако асимметрично: вероятность того, что протон находится в обычной (не мутагенной) позиции, гораздо выше, чем вероятность его перемещения в таутомерическое положение. В этой ситуации у нас нет никакого экспериментального измерительного прибора, который зафиксировал бы положение протона; процесс измерения, о котором мы подробно говорили в главе 4, осуществляется окружающей средой. Этот процесс происходит непрерывно: например, считывание ДНК механизмом синтеза белков заставляет протон «определиться», с какой стороны водородной связи ему находиться — обычной или таутомерической. В большинстве случаев протон выбирает обычное положение.

Давайте представим себе тарелку Кейрнса с бактериями кишечной палочки в виде коробочки с монетами, где каждая монета будет символизировать протон одного из связанных оснований гена, отвечающего за усвоение лактозы[136]. Протон может существовать в двух положениях: положении «орла», соответствующего обычному, не таутомерическому положению частицы, и «решки», соответствующей более редкой таутомерической позиции. Представьте, что все наши монеты лежат вверх «орлами», что соответствует началу эксперимента, когда все протоны находятся в обычном положении. Однако с точки зрения квантовой механики протон постоянно находится в суперпозиции — в обычном и таутомерическом положении одновременно, поэтому наши воображаемые квантовые монеты тоже будут находиться в суперпозиции — одновременно и «орлами» и «решками» вверх, однако вероятность того, что они лежат вверх «орлами», будет выше. В то же время положение протона постоянно измеряется внутренней средой клетки, заставляя его выбирать, в каком месте находиться: представьте себе, что наши монетки постоянно подбрасываются вверх и в подавляющем большинстве случаев выпадает «орел». Иногда выбор протона осуществляется во время копирования ДНК[137], однако каждая новая цепочка будет кодировать только ту генетическую информацию, которая записана в изначальной цепи и в большинстве случае содержит код дефектного фермента. Это означает, что бактерия будет продолжать испытывать голод, не будучи способной усвоить лактозу.

Не забывайте, однако, что в нашей аналогии монета символизирует квантовую частицу — протон в водородной связи на цепочке ДНК. Квантовая частица способна вернуться в исходное положение и восстановить суперпозицию даже после измерения. Итак, после того, как монета была подброшена и легла «орлом» вверх, ее будут подбрасывать снова и снова. Рано или поздно выпадет «решка». В этом положении может повториться попытка копирования ДНК, и на этот раз в геноме будет закодирована информация об активном ферменте. В отсутствие лактозы это не будет иметь никакого значения, поскольку от гена, кодирующего активный фермент, не будет никакой пользы: бактерия по-прежнему будет испытывать голод.

Ситуация изменится, если бактерии будет доступна лактоза, поскольку исправленный ген позволит клетке усваивать это питательное вещество, а значит, расти и воспроизводиться путем деления. Возвращение в квантовую суперпозицию будет невозможным. Система клетки-мутанта навсегда станет частью мира, в котором действуют законы классической физики. Что же происходит с нашими воображаемыми монетами в присутствии фактора включения исправленного гена (для бактерий этот фактор — присутствие лактозы)? Переложим те немногочисленные монеты, что после подбрасываний легли вверх «решками», в другую коробочку и пометим их как «мутировавшие». В первой коробке оставшиеся монеты (бактерии кишечной палочки) будут подбрасываться снова и снова, и каждый раз монеты, на которых выпадут «решки», будут изыматься и перемещаться в коробку с «мутировавшими» экземплярами. Постепенно вторая коробочка будет заполняться монетами. Это означает, что в ходе эксперимента количество бактерий-мутантов, способных усваивать лактозу, будет расти, что и показал Кейрнс.

Мы опубликовали описание нашей модели в 1999 году, однако сторонников у нас едва ли прибавилось. Не остановившись перед неудачей, Джонджо написал книгу «Квантовая эволюция»[138], в которой говорится о значительной роли квантовой механики в биологии и эволюции. Однако книга вышла до того, как признание роли туннелирования протонов в реакциях с участием ферментов стало общепринятым, и до открытия квантовой когерентности при фотосинтезе. Неудивительно, что ученые скептически отнеслись к идее о причастности к мутациям каких-то странных квантовых явлений. К тому же мы упустили несколько важных тем[139]. Кроме того, поднялась неразбериха вокруг феномена адаптивных мутаций. Было обнаружено, что подвергавшиеся голоданию бактерии E. coli питались микроэлементами мертвых и умирающих клеток и иногда копировали ДНК и даже обменивались ими. Стали появляться результаты новых исследований адаптивных мутаций, согласно которым учащение мутаций было обусловлено совокупностью различных процессов: общего учащения мутаций всех генов, гибели клеток и высвобождения мутировавшей ДНК мертвых клеток и, наконец, выборочного поглощения и распространения мутировавшего гена, отвечающего за усвоение лактозы, выжившими клетками, которым удалось встроить ген в собственный геном[140].

Пока неясно, способны ли подобные «общепринятые» объяснения полностью описать механизм адаптивных мутаций. Спустя 25 лет после публикации результатов Кейрнса адаптивные мутации остаются во многом загадочным явлением. Об этом свидетельствует постоянное появление в научных изданиях статей, посвященных исследованию механизма адаптивных мутаций[141] на примере не только кишечной палочки, но и других бактерий. На данный момент ситуация обстоит так: мы не исключаем возможности того, что возникновение адаптивной мутации сопровождается квантовым туннелированием, однако не можем утверждать, что это единственное объяснение механизма таких мутаций.

В отсутствие первостепенной необходимости связывать квантовую механику с механизмом адаптивных мутаций мы решили вернуться на шаг назад и рассмотреть более фундаментальный вопрос: сопровождаются ли любые мутации, не только адаптивные, квантовым туннелированием. Как вы помните, первое теоретическое обоснование роли квантового туннелирования в возникновении адаптивных мутаций было предложено Левдином и с тех пор подтверждалось несколькими теоретическими исследованиями[142], а также экспериментами с «моделями пар оснований» — химическими соединениями, синтезированными специально для лабораторных опытов и характеризующимися свойствами оснований ДНК. Тем не менее никому еще не удалось доказать, что квантовое туннелирование обусловливает мутацию. Проблема в том, что квантовое туннелирование влияет на возникновение мутации только в совокупности с другими факторами, обусловливающими мутации и включение механизма их исправления, что усложняет задачу определения роли квантового явления (туннелирования) в биологическом процессе (мутации).

Чтобы разобраться в этой проблеме, Джонджо обратился к результатам экспериментов с ферментами, описанных в главе 3. Как вы помните, предположение о роли туннелирования протонов в реакциях с ферментами было высказано после того, как был обнаружен «кинетический изотопный эффект». Если ускорение реакции с участием фермента обусловлено квантовым туннелированием, то при замене ядра атома водорода (одиночного протона) на ядро дейтерия (содержащего протон и нейтрон) реакция замедлится, поскольку масса частицы, совершающей туннелирование, удвоится. В настоящий момент Джонджо пытается выяснить, действует ли тот же принцип при возникновении мутации, проверяя его на частоте мутаций в дейтерированной воде D₂O. Пока мы писали эту книгу, эксперименты показали, что после замены обычного ядра водорода ядром дейтерия частота мутаций возросла. Однако следует проделать еще немало работы, чтобы подтвердить обусловленность данного эффекта квантовым туннелированием, поскольку замена обычного водорода дейтерием может воздействовать на многие другие биомолекулярные процессы, что, в свою очередь, может вызвать мутации, не обусловленные квантовомеханическими явлениями.

Джим сосредоточился на изучении того, насколько возможно, исходя из теоретических обоснований, квантовое туннелирование протонов в двойной спирали ДНК. Когда физик-теоретик берется за рассмотрение сложной проблемы, он обычно создает ее упрощенную модель, поддающуюся математическому описанию и сохраняющую основные свойства исследуемой системы или процесса. Такие модели могут со временем достигать высокой степени сложности, поскольку ученый постоянно дополняет их новыми данными, достраивает новые элементы с целью достичь максимального сходства с реальной моделируемой ситуацией.

В нашем случае модель, построенная для первоначального математического анализа, представляет собой шарик (символизирующий протон), подвешенный на пружинах, прикрепленных к стенам (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Протон в водородной связи, соединяющей два парных основания ДНК, можно представить в виде шарика на двух пружинах, качающегося из стороны в сторону. Он имеет два возможных стабильных положения, смоделированных на основе явления двойной потенциальной ямы. Левая яма (соответствующая обычному положению протона при отсутствии мутации ДНК) немного глубже правой (соответствующей таутомерическому положению), поэтому протон предпочитает находиться в левой яме

Жан-Мари Шове родился в старинной французской провинции Овернь. Когда ему было пять, его родители переехали на юго-восток, в Ардеш, живописный край рек, ущелий и каньонов, врезавшийся в известняковые скалы. В 12 лет Жан-Мари обнаружил увлечение всей своей жизни — вместе с друзьями в касках времен Второй мировой войны отправившись изучать многочисленные полости и пещеры в долине большой реки Ардеша. Он бросил школу в 14 лет; работал сначала каменщиком, потом клерком в хозяйственном магазине и, наконец, смотрителем. Вдохновленный книгой Норбера Кастере «Моя жизнь под землей», Жан-Мари посвящал по возможности каждые выходные своему детскому увлечению, взбираясь по отвесным скалам или копаясь в темных пещерах, мечтая однажды первым найти клад в неизвестной пещере. «Неизведанное всегда влечет. Когда вы идете по пещере, вы не знаете, что найдете. Закончится все за следующим поворотом, или вы откроете нечто фантастическое?»[144]

В субботу 18 декабря 1994 года начинались обычные выходные для 42-летнего Жана-Мари и двух его друзей-спелеологов, Элиет Брюнель и Кристиана Иллэра, бродивших по ущельям в поисках чего-нибудь нового. Минул полдень, воздух становился холоднее, и они решили исследовать область, известную как Cirque d’Estre, незначительно освещенную полуденным солнцем и, как правило, чуть более теплую в холодный зимний день, чем теневые участки долины.

Друзья шли протоптанной мулами тропинкой вдоль скалы между порослей вечнозеленого дуба, самшита и вереска, с прекрасным видом на Понт Д’Арк у входа в ущелье. Пробираясь через мелколесье, они заметили небольшую полость в горной породе, примерно 25 сантиметров в ширину и 75 в высоту.

Это было в буквальном смысле открытое приглашение для спелеологов, и вскоре они, протиснувшись через пролом, попали в небольшую камеру несколько метров в длину и по высоте едва позволявшую стоять в полный рост. Почти сразу они заметили слабое дуновение из дальнего конца камеры. Любой, кто исследовал пещеры, знаком с ощущением теплого ветерка из невидимого туннеля. Большинство скрытых проходов хорошо известны опытным спелеологам; они просто лежат за пределами узкого участка, освещенного фонариком. Но движение воздуха в этой крошечной камере не исходило из какой-либо известной пещеры. Команда по очереди убирала камни из конца камеры, пока не обнаружила источник воздуха: воздуховод уходил вертикально вниз. Элиет, самую миниатюрную из команды, первой опустили на веревке в темноту, в узкую шахту, куда она могла пролезть. Ход сначала вел вниз, затем повернул обратно вверх и раскрылся — в этот момент Элиет увидела, что она висит в десяти метрах над глиняным полом. Ее фонарь светил слабо, не освещал дальнюю стену, но эхо от ее крика в темноте дало понять, что она была в большой пещере.

Команда была заинтригована, но им пришлось вернуться в свой фургон, припаркованный у подножия скалы, чтобы принести лестницу. Придя обратно в пещеру, они развернули лестницу, и Жан-Мари первым достиг пола. Это была действительно большая пещера, по крайней мере 50 метров в высоту и столько же в ширину, с великолепными колоннами белого кальцита. Троица осторожно продвигалась сквозь темноту, ступая след в след, не нарушая первозданной среды, мимо огромных сводов и занавесей перламутра и среди костей и зубов давно вымерших медведей, разбросанных в древней спячке по ячейкам в глиняном полу.

Осветив стену, Элиет расплакалась. Ей открылись рисунки красной охрой, изображавшие силуэт мамонтенка. Молча друзья прошли вдоль стены, освещая один за другим очертания медведя, льва, хищных птиц, еще одного мамонта, даже носорога и обрисованных рук человека. «Я все думал: „Это сон. Это сон“», — вспоминал ШовеChauvet J.-M., Brunel-Deschamps E., Hillaire C. and Clottes J. Dawn of Art. The Chauvet Cave: The Oldest Known Paintings in the World. — N.Y.: Harry N. Abrams, 1996..

В фонарях садились батарейки, поэтому команда повернула обратно, они выбрались из пещеры и поехали обратно к дому Элиет, чтобы поужинать с ее с дочерью Кэрол. Но их эмоциональные, несвязные и во многом неясные рассказы об увиденном так заинтриговали Кэрол, что она настояла, чтобы они взяли ее с собой в пещеру — увидеть чудеса собственными глазами.

Уже стемнело, когда они снова вошли в пещеру, уже с более мощными фонарями, свет которых показал все великолепие их открытия. Несколько пещер, украшенных чудесным набором животных: лошади, утки, сова, львы, гиены, пантеры, олени, мамонты, горные козы и бизон. Большинство выполнены в прекрасном натуралистическом стиле, с нарисованными углем тенями, перекрывающимися в перспективе головами, и в позах, имеющих реальную эмоциональную окраску. Там был ряд спокойных, задумчивых лошадей, милый мамонтенок с большими круглыми ногами, а также пара дерущихся носорогов. Был даже носорог, чьи семь ног предположительно изображали бег.

Пещера Шове, как она теперь называется, сегодня признана одним из самых важных мест в мире первобытного искусства. Сохраненная в первозданном виде — там даже есть следы древних жителей, — она опечатана и охраняется для безопасности ее хрупкой среды. Доступ строго контролируется, и лишь немногим счастливчикам было позволено войти в пещеру. Один из них — немецкий режиссер Вернер Херцог, чей фильм 2011 года «Пещера забытых снов» является для большинства из нас наилучшей возможностью насладиться замечательным наскальным искусством охотников ледникового периода, которые укрывались в этих пещерах 30 тысяч лет назад.

Цель этой главы — исследовать не наскальные изображения сами по себе, а загадку, вероятно лучше, чем где-либо, поставленную названием фильма Херцога. Как видно из любого обзора тех рисунков, они не просто плоские, одномерные представления о том, что видит глаз. Они подчас абстрагированы и дают ощущение движения, они используют изгибы и закругления в скалах, наделяя изображенных животных почти трехмерным видом[145]. Художник(и) не просто рисовал(и) объекты — это были идеи. Те, кто расписывал стены пещеры Шове, были, как и мы, людьми, думавшими о мире и своем месте в нем; они обладали сознанием.

Но что есть сознание? Это, конечно, вопрос, который волновал философов, художников, нейробиологов, да и всех нас, возможно, все время, которое мы были в сознании. В этой главе мы пойдем легким путем, не пытаясь давать каких-либо строгих определений. В самом деле, мы считаем, что стремление понять это чрезвычайно странное биологическое явление часто сдерживается придирчивостью в его определении. Биологи не могут даже договориться о едином определении самой жизни; но это не остановило их от исследования вопросов клетки, двойной спирали ДНК, фотосинтеза, ферментов и множества других явлений живой природы, в том числе тех, что подчиняются квантовой механике, толкующей сейчас многое из того, что значит быть живым.

Мы исследовали многие из этих открытий в предыдущих главах, но все то, что мы до сих пор обсуждали — от магнитных компасов до действия ферментов, от фотосинтеза до наследственности и обоняния, — может обсуждаться с точки зрения обычной химии и физики. Хотя квантовая механика может быть нам незнакома, но, в частности, в ракурсах многих биологов она все равно полностью вписывается в рамки современной науки. И хотя мы не можем иметь интуитивного или осмысленного понимания того, что происходит в эксперименте с двумя щелями или квантовой запутанности, математика, как фундамент квантовой механики, является точной, логичной и невероятно мощной.

Но сознание — это другое. Никто не знает, где и как оно вписывается в ту науку, которую мы обсуждали до сих пор. Нет (авторитетных) математических формул, которые включают в себя термин «сознание», и в отличие, скажем, от катализа или переноса энергии оно до сих пор не было обнаружено в чем-либо неживом. Свойство ли это всего живого?

Большинство людей так не думают и наделяют сознанием те существа, которые обладают нервной системой; но тогда насколько развитая нервная система необходима? Скучает ли рыба-клоун по родному рифу? Неужели наш европейский дрозд действительно так хочет лететь на юг зимой; или он действует на автомате, как беспилотный летательный аппарат? Большинство владельцев собак, котов или лошадей убеждены, что их питомцы обладают сознанием; значит, сознание возникает у млекопитающих? Многие владельцы волнистых попугайчиков и канареек в равной степени уверены, что их любимцы также обладают индивидуальностью и столь же сознательны, как кошки, их караулящие. Но если сознание является общим для птиц и млекопитающих, то и те и другие, вероятно, унаследовали его от общего сознательного предка, возможно, кого-то вроде примитивной рептилии — амниота, который жил более 300 миллионов лет назад и представляется предком птиц, млекопитающих и динозавров. Ну а чувствовал ли тираннозавр из главы 3 страх, погружаясь в болото триасового периода? А более примитивные животные на самом деле не обладают сознанием? Многие владельцы аквариумов будут настаивать на том, что рыбы или моллюски вроде осьминогов имеют сознание; но, чтобы найти предка для всех этих групп, мы должны вернуться к возникновению позвоночных в кембрийский период 500 миллионов лет назад. Неужели сознание действительно такое древнее?

Конечно, мы не знаем точно. Даже владельцы домашних животных высказывают только догадки, ведь никто не знает, как отличить поведение, подобное человеческому, от истинного сознания. Не зная, что такое сознание, мы никогда не узнаем, какие формы жизни им обладают. И при таком наивном подходе мы будем избегать всех споров и дискуссий и оставаться полностью в неведении о том, когда же возникло сознание на нашей планете или кто из наших родственников в животном царстве обладает самосознанием. Мы принимаем в качестве отправной точки утверждение, что те из наших предков, кто рисовал медведей, бизонов или диких лошадей на стенах древних пещер, были определенно сознательными. Так, в период между приблизительно тремя миллиардами лет назад, когда микробы возникли из первобытной грязи, и десятками тысяч лет назад, когда первые современного вида люди украшали пещеры изображениями животных, в живой материи появилось необычное свойство: эта материя осознала себя. Наша цель в этой главе — рассмотреть, как и почему это получилось, а также рассмотреть спорное предположение, что квантовая механика играет ключевую роль в возникновении сознания.

Во-первых, в свете наших предыдущих глав зададимся вопросом, нужно ли нам прибегать к квантовой механике, чтобы объяснить этот самый загадочный из человеческих феноменов. Конечно же, недостаточно принять распространенную точку зрения, что сознание загадочно и трудноопределимо и квантовая механика загадочна и трудноопределима, поэтому наверняка они должны быть как-то связаны.

Пожалуй, самое необычное, что мы знаем о Вселенной, — то, что мы знаем очень много о ней благодаря удивительному ее свойству, заключенному в наших собственных черепах: нашим сознательным умам. Это действительно весьма необычно, и не в последнюю очередь потому, что функция данного странного свойства не совсем ясна.

Философы часто исследуют этот вопрос, представляя существование зомби. Они функционируют как человеческие существа, выполняют какие-то действия вроде росписи стен пещер или чтения книг, но все это без какой-либо внутренней жизни; ничего не происходит у них в головах, кроме механических расчетов, которые управляют движением конечностей или двигательными функциями, приводят в действие язык. Зомби — автоматоны, не имеющие осознания или ощущения того, что они делают. То, что такие существа по крайней мере теоретически возможны, подтверждается фактом, что многие наши действия — ходьба, езда на велосипеде, движения во время игры на музыкальном инструменте и т. д. — могут быть выполнены бессознательно (в том смысле, что наше сознание может быть в другом месте при выполнении этих задач), без осознания или воспоминания о проделанном. Действительно: когда мы начинаем думать об этом, нам, как ни парадоксально, становится труднее проделывать эти действия. Казалось бы, они несущественны для сознания. Но если существуют действия, которые могут быть выполнены без участия сознания, то возможно ли представить себе создание, осуществляющее все виды человеческой деятельности на автопилоте?

Казалось бы, нельзя; есть виды деятельности, где без сознания, как представляется, не обойтись, например естественный язык. Очень трудно представить себе общение на автопилоте. Так же трудно было бы на автомате произвести хитрый расчет или решить кроссворд. Мы не можем представить себе нашу первобытную художницу (будем условно считать ее женщиной) в состоянии нарисовать бизона, если она имеет только стену пещеры перед собой, без участия сознания. Все эти непременно сознательные действия объединяет то, что ими движут идеи, такие как идея, стоящая за словом, решение для проблемы или понимание того, чем является бизон и что он значит для первобытных людей. Действительно, стены пещеры Шове дают много доказательств самого мощного применения идей: соединения их вместе для формирования нового понятия. На нависающем камне, например, нарисована выдуманная фигура, обладающая верхней частью тела бизона, но нижней человеческой половиной. Такой объект мог быть создан только в сознании.

Тогда чем являются идеи? Учитывая наши цели, допустим, что идеи представляют собой сложную информацию, которая соединяется в нашем сознании, чтобы сформировать понятия, которые имеют смысл для нас, например, что бы мог значить образ получеловека-полубизона на стене пещеры Шове для людей, населявших эти пещеры. Такое сжатие сложной информации в особую идею упоминалось применительно к Моцарту, описывавшему, как целостная музыкальная композиция может быть «закончена в моей голове, хотя она и долгая. Тогда мой ум захватывает ее, как будто я ее вижу… Процесс идет непоследовательно, с детальной доработкой различных частей до того вида, в каком они будут потом, уже в целостном произведении»[146]. Сознательный ум способен «захватить» сложную информацию «в различных частях» так, что ее значение воспринимается как «целостное произведение». Сознание позволяет нашему уму работать на идеях и понятиях, а не просто на раздражителях.

Но как сложная нейронная информация соединяется в нашем сознании, формируя идею? Этот вопрос является одним из аспектов первой головоломки сознания — тем, что часто называют проблемой связи: как информация, закодированная в разрозненных областях нашего мозга, связывается в нашем сознании? Проблема связи обычно формулируется в терминах визуальной или иной сенсорной информации. Вспомним, например, как Лука Турин описывал по памяти аромат духов Shiseido Nombre Noir: «Это было нечто между розой и фиалкой, но без следов их сладости — скорее, доведенные до строгости, с тонкой кедровой основой, как у коробки с сигарами». Турин воспринимал аромат не как смесь разных запахов, каждый из которых связан с раздражением конкретного обонятельного рецептора, но как единый аромат с диапазоном основных запоминающихся нот и тонов, в том числе целого ряда вспомогательных понятий, таких как сигары и фиалки. Точно так же виды и звуки воспринимаются не как отдельные пропорции цветов, текстур или нот, а в качестве интегрированных сенсорных впечатлений, воспоминаний и понятий, как, например, бизон, дерево или человек.

Представьте себе нашу художницу из палеолита, наблюдающую за настоящим бизоном. Ее глаза, нос, уши и, если бы это был убитый бизон, тактильные рецепторы в пальцах захватили бы множество сенсорных впечатлений от животного, в том числе его запах, очертания, цвет, текстуру, движение и звук. В главе 5 мы обсуждали, как запахи улавливаются нашим обонянием. Вспомните, что молекулы пахучих веществ, которые связываются с каждым обонятельным нейроном, заставляют клетку «сработать», то есть послать электрический сигнал вдоль аксона (пучкообразный отросток клетки) от обонятельного эпителия в задней части носа до обонятельной луковицы в головном мозге. Мы изучим детали этого возбудительного процесса далее в этой главе, поскольку это ключ к пониманию возможного участия квантовой механики в наших мыслях. Сейчас, однако, мы представим себе молекулу запаха, доносящегося от нашего бизона до носа нашей художницы, где он связывается с обонятельным рецептором и запускает цепь электрических импульсов, чтобы двигаться по проводящему аксону, подобно телеграфному сигналу, содержащему только точки, или импульсы, а не точки и тире, как в телеграмме.

Когда обонятельный нервный сигнал прибыл в мозг нашей художницы, это вызвало раздражение (усиление импульсов) еще большего числа нервов на его пути: импульсный сигнал прыгал от одного нерва к другому, и каждый из них действовал как своего рода ретранслятор. Другие сенсорные данные были также захвачены в импульсные сигналы. Например, палочки и колбочки (специализированные нейроны наподобие обонятельных, но реагирующие на свет, а не на запах), которыми выложена сетчатка глаза, послали потоки импульсных сигналов с помощью оптических нервов к зрительной коре мозга художницы. И точно так же, как обонятельные нейроны отреагировали на отдельные молекулы запаха, оптические нервы отреагировали лишь на некоторые черты образа, который попал на ее сетчатку: одни реагировали на определенный цвет или оттенок серого, другие — на контуры, линии или отдельные текстуры. Слуховые нервы в ее внутреннем ухе так же отреагировали на звук — возможно, тяжелое дыхание раненого бизона; а прикосновение к его меху было зафиксировано механочувствительными нервами в коже. Во всех этих случаях каждый сенсорный нейрон отозвался бы только на некоторые особенности сенсорного воздействия. Например, отдельный слуховой нейрон возбуждался бы только, если звук, дошедший до ушей художницы, включал определенную частоту. Но, независимо от источника, сигнал, создаваемый каждым нервом, был бы точно такой же: электрические импульсы, проходящие от органа чувств к соответствующим областям мозга художницы. Там эти сигналы могут вызвать сиюминутные двигательные реакции; но они могут также и модифицировать связь между нейронами, чтобы ее наблюдения запоминались по принципу «нейроны, которые срабатывают вместе, связываются вместе», что иллюстрирует, как воспоминания кодируются в головном мозге.

Важным моментом является то, что нигде среди примерно 100 миллиардов нейронов человеческого мозга не существует участка, где этот обширный сенсорный импульсный поток объединяется, формируя осознанное впечатление от бизона. На самом деле «поток» не совсем правильное слово здесь, потому что оно предполагает некоторое объединение информации внутри себя, чего не происходит в нейронах. Вместо этого каждый нервный сигнал остается блокированным в отдельно взятом нерве. Таким образом, вместо потока вы должны представлять информацию, проходящую через мозг в виде последовательности сигналов — импульс за импульсом, — проходящих вдоль отдельных нитей огромного клубка из триллионов нейронов. Проблема связи — это проблема понимания того, как вся эта информация, закодированная в неизмеримом числе импульсов, генерирует унифицированное восприятие бизона.

И связываются ведь не только чувственные впечатления. Сырьем для сознания являются не сенсорные данные, лишенные контекста, а значимые понятия — в случае с бизоном это «шерстистый», «пахнущий», «страшный» или «великолепный», — каждое из которых содержит множество сложной информации. Весь этот дополнительный багаж должен быть связан с чувственными впечатлениями, чтобы обеспечить впечатление шерстистого, пахнущего, страшного, но великолепного бизона, которого наша первобытная художница в дальнейшем вспомнит и нарисует[147].

Формулирование проблемы связи с точки зрения идей, а не чувственных впечатлений подводит нас к сути проблемы сознания — загадке того, как идеи могут двигать умы и тем самым тела. Мы никогда не узнаем, что именно было в сознании первобытной художницы, что побудило ее нанести рисунок на камень. Может быть, она думала, что изображение бизона украсило бы темный угол; или, может, она считала, что, нарисовав животное, она улучшает шансы своих друзей-охотников на успех. Но в чем мы можем быть уверены, так это в том, что художница могла верить, что решение рисовать бизона было ее идеей.

Но как идея может двигать материю? Мозг, рассматриваемый как вполне авторитетный объект, получает информацию через один из сенсорных входов, а затем обрабатывает эту информацию, генерируя выходные сигналы так же, как компьютер (или зомби). Но где же в том переплетении импульсов кроется наше сознание, то чувство «я», которое, по нашему убеждению, управляет нашими намеренными действиями? Чем именно это сознание является и как оно взаимодействует с материей нашего мозга, чтобы двигать наши руки, ноги или язык? Сознание, или свободная воля, даже не фигурирует в полностью детерминистской вселенной, потому что законы причинности допускают только поочередный порядок вещей в бесконечной цепи причин и следствий, простирающейся от той пещеры Шове обратно к Большому взрыву.

Жан-Мари описывает момент, когда он и его друзья впервые осмотрели картины в пещере Шове: «На нас давило чувство, что мы были не одни — нас окружали духи художников. Казалось, мы чувствовали их присутствие»[148]. Очевидно, что исследователи получили глубокий, как некоторые назвали бы, духовный опыт. Когда мы смотрим внутрь черепа человека или животного, все, что мы находим, — влажная мягкая плоть, не особенно отличающаяся по составу от бизоньего стейка. Но когда эта плоть находится внутри нашего собственного черепа, она осознает себя и усваивает опыт, понятия, которые, думается, не существуют в материальном мире. И каким-то образом этот неосязаемый материал осознания и опыта — наше сознание — движет нашим материальным мозгом, обусловливая наши действия (или по крайней мере мы так это воспринимаем). Эта головоломка, по-разному называемая то психофизической проблемой, то трудной проблемой сознания, безусловно, самая глубокая тайна всего нашего существования.

В этой главе мы зададимся вопросом, может ли квантовая механика дать какие-то разгадки этой глубокой тайны. Следует подчеркнуть прежде всего, что любые доводы о сознании остаются весьма спекулятивными по своей природе, так как никто не знает, что это такое и как это работает. Среди неврологов, психологов, компьютерщиков и исследователей искусственного интеллекта даже нет консенсуса по поводу необходимости чего-то еще, помимо очевидной сложности человеческого мозга, для объяснения сознания.

Нашей отправной точкой будут мозговые процессы, которые привели к тому, что на скале в Ардеше появился силуэт бизона.

В этом разделе мы будем следовать причинно-следственной цепочке в обратном направлении от появления линии красной охры на стене пещеры 30 тысяч лет назад. Этот путь поведет нас от сокращений мышц в руке художника, рисовавшего ту линию, обратно к нервным импульсам, заставившим мышцы сокращаться, далее к импульсам в мозге, возбудившим эти нервы, и сенсорному воздействию, которое запускает цепь событий. Наша цель — установить, где сознание вносит свой вклад в эту причинно-следственную цепочку, чтобы исследовать роль квантовой механики в этом событии.

Мы можем представить себе картину, как тысячи лет тому назад неизвестная художница, одетая, возможно, в медвежьи шкуры, всматривалась в темноту пещеры Шове. Рисунки были обнаружены глубоко внутри пещеры, и у нее, наверное, кроме емкостей с красками, был с собой в пещере факел. Затем в какой-то момент художница обмакнула палец в плошку с окрашенным углем и нанесла краску на стену, изображая контур бизона.

Движение руки художницы по стене пещеры инициировал мышечный белок миозин. Миозин — фермент, который использует химическую энергию для подпитки мышечных сокращений, по сути заставляя мышечные волокна скользить друг по другу. Детали этого механизма сокращений вычислялись сотнями ученых в течение нескольких десятилетий, и это замечательный пример биологической инженерии и динамики на наноуровне. Но в этой главе мы опустим увлекательные молекулярные подробности сокращения мышц, сосредоточившись на том, как некая эфемерная идея может заставить мышцы сокращаться (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Нервные сигналы идут от головного мозга по спинному, достигая мышечных волокон и заставляя мышцы сокращаться и двигать конечность — руку

Ответ в данном случае — никак. Сокращения мышечных волокон художницы фактически запустились, когда положительно заряженные ионы натрия направились в ее мышечные клетки. Мышечные клетки имеют больше ионов натрия на внешней стороне их мембраны, чем внутри, что приводит к разнице напряжения на их мембране, и это немного напоминает крошечную батарейку.

Однако в этих мембранах есть поры, называемые ионными каналами, которые, открываясь, впускают ионы натрия в клетку. Именно этот процесс электрической разрядки и вызвал сокращение мышц художницы.

Следующим шагом к началу нашей цепочки причинно-следственных связей будет вопрос: что заставило ионные каналы в мышцах открыться в тот момент? Ответ заключается в том, что двигательные нервы, присоединенные к мышцам руки художницы, высвободили химические вещества, называемые нейротрансмиттерами, которые и открыли ионные каналы. Но что же тогда заставило эти двигательные нервы выпустить дозу нейротрансмиттеров? Нервные окончания выпускают нейротрансмиттеры всякий раз, когда появляется электрический сигнал, называемый потенциалом действия (рис. 8.2). Потенциалы действия имеют основополагающее значение для всех сигналов нервной системы, поэтому нам нужно более внимательно взглянуть на то, как они работают.

Рис. 8.2. Нервы посылают электрические сигналы от тела клетки вдоль аксона к нервным окончаниям, где они вызывают высвобождение нейротрансмиттера в синапсах. Нейротрансмиттер попадает в тело следующего по цепочке нейрона, возбуждая его и тем самым передавая нервный сигнал от одного нейрона к другому

Нервная клетка, или нейрон, — чрезвычайно длинная, тонкая змеевидная клетка, состоящая из трех частей. На головном конце у нее паукообразное клеточное тело, где и берет начало потенциал действия. Затем он проходит вдоль тонкой средней части под названием «аксон» («пучкообразный отросток» обонятельного нейрона) к нервному окончанию, где молекулы нейротрансмиттеров высвобождаются (см. рис. 8.2). Хотя аксон напоминает маленький электрический кабель, способ передачи в нем электрического сигнала гораздо сложнее, чем процесс прохода потока отрицательно заряженных электронов через медный провод.

Нервная клетка так же, как мышечные клетки, как правило, имеет больше положительно заряженных ионов натрия снаружи, чем внутри. Эта разница поддерживается с помощью насосов, которые выталкивают положительно заряженные ионы натрия из нервной клетки через мембрану. Избыток внешних положительных зарядов обеспечивает разницу напряжения на клеточной мембране около одной сотой доли вольта. Хотя это с виду немного, вы должны помнить, что клеточные мембраны толщиной всего несколько нанометров, так что это напряжение возникает на очень коротком расстоянии. Это означает, что мы имеем разность потенциалов (чем и является напряжение на самом деле) на клеточной мембране в миллион вольт на метр. Это эквивалентно ошеломляющим десяти тысячам вольт на отрезке один сантиметр и почти достаточно, чтобы создать искру, какая, например, требуется свече зажигания вашего автомобиля для воспламенения топлива.

Головной отдел двигательного нерва художницы, или тело нервной клетки, соединяется со скоплением структур, называемых синапсами (см. рис. 8.2), которые являются своего рода распределительными коробками между нервами. Верхние нервы высвобождают молекулы нейротрансмиттера в эти распределители в таком количестве, в каком их высвобождается в нервно-мышечном соединении; это вызывает открытие ионных каналов в мембране тела нервной клетки и позволяет тем самым положительно заряженным ионам устремляться внутрь, вызывая резкое падение напряжения.

Большинство падений напряжения, вызванных открытием нескольких ионных каналов в синапсе, не будут иметь практически никакого эффекта. Но если поступает большое количество нейротрансмиттера, то и множество ионных каналов будет открываться. Последующее движение положительных ионов в клетку приводит к снижению напряжения ее мембраны ниже критического порога, около –0,04 В. Когда это происходит, вступает в дело другой набор ионных каналов. Это потенциалозависимые ионные каналы, то есть они чувствительны не к нейротрансмиттерам, а к разности напряжений на мембране. В примере нашей художницы, когда напряжение в теле клетки упало ниже критического порога, целое скопление этих каналов открылось, чтобы позволить большему количеству ионов устремиться в нерв, после чего их участок мембраны замкнулся. От последующего падения напряжения открылось еще больше потенциалозависимых каналов, позволяя еще большему числу ионов двинуться внутрь клетки, вызывая больше замыканий на мембране. Длинный проводящий элемент нерва, аксон, выстлан этими потенциалозависимыми каналами, и как только короткое замыкание произошло в теле клетки, это вызвало своего рода эффект домино в замыканиях на мембране — потенциал действия, — который быстро пошел вниз по нерву, пока не достиг нервного окончания (см. рис. 8.3). Там он стимулировал высвобождение нейротрансмиттера в нервно-мышечное соединение, в результате чего мышцы руки художницы сократились так, чтобы очертить контур бизона на стене пещеры (см. рис. 8.1).

Рис. 8.3. Потенциалы действия перемещаются по аксонам посредством работы потенциалозависимых ионных каналов в мембранах нервных клеток. В состоянии покоя мембрана имеет больше положительных ионов на внешней стороне, чем на внутренней. Тем не менее изменение напряжения, вызванное верхним потенциалом действия, вызовет открытие ионных каналов, и волна положительно заряженных ионов натрия — потенциал действия — устремится в клетку, временно изменяя напряжение мембраны. Этот электрический импульс откроет нижние ионные каналы эффектом домино, что обусловит всплеск электричества, идущий по нерву, до нервных окончаний, где он вызывает высвобождение нейротрансмиттера. После того как потенциал действия спадает, ионные насосы возвращают мембрану в обычное состояние покоя

Из описания видно, как отличаются нервные сигналы от электрического сигнала, перемещающегося по проводу. Скажем, ток, как движение зарядов, идет не по всей длине нервных проводов по направлению нервного сигнала, а перпендикулярно к направлению потенциала действия — извне внутрь, с помощью тех самых ионных каналов в клеточной мембране. Кроме того, когда потенциал действия инициируется открытием первых ионных каналов, они немедленно снова захлопываются и ионные насосы начинают работать на восстановление исходного напряжения по всей мембране. Так что еще один способ исследования нервного сигнала состоит в волнообразном открытии и закрытии ионных дверей мембран с перемещением от тела клетки к нервным окончаниям: движущийся электрический импульс.

Нерв-нервные соединения большинства двигательных клеток располагаются в спинном мозге, где они получают нейротрансмиттерные сигналы от сотен или даже тысяч верхних нервов (см. рис. 8.1). Некоторые верхние нервы выбрасывают нейротрансмиттеры в распределительную коробку (синапс), открывающую ионные каналы в теле клетки, для увеличения вероятности возбуждения двигательного нерва, в то время как другие, как правило, каналы закрывают. Таким образом, тело каждой нервной клетки действует подобно логическому элементу компьютера, генерируя выход — срабатывающий или нет — на основании входов. И если нейрон похож на логический элемент, то мозг, состоящий из миллиардов нейронов, может рассматриваться как своего рода компьютер; по крайней мере это предположение большинства когнитивных нейробиологов, присоединившихся к так называемой вычислительной теории разума.

Но мы забегаем слишком далеко вперед — мы еще не достигли мозга. Двигательный нерв нашей художницы должен был получить множество нейротрансмиттеров в его нерв-нервных распределительных коробках, чтобы возбудиться. Эти входящие сигналы пришли из верхних нервов, которые в основном возникали в ее мозге. Если вернуться по причинно-следственной связи назад, головные отделы этих нервов могли принять свои решения о том, возбуждаться ли им, на основании многочисленных входных сигналов, а также входов для этих входных сигналов и так далее все дальше и дальше в обратном направлении через причинно-следственную цепь, пока мы не достигнем нервов, получивших входные сигналы от глаз, ушей, носа и тактильных рецепторов художницы, а также центров памяти, которые получили бы сенсорные сигналы от предыдущих наблюдений за живым и мертвым бизоном. Между сенсорными входами и двигательным выходом стоит нейронная сеть мозга, которая выполняла вычисления, определяющие решение о генерировании на выходе точного движения для рисования контуров бизона.

И вот что мы имеем: полная цепочка событий, приведших к сокращению мышц, двигавшему руку художницы вдоль стены. Мы что-нибудь пропустили? То, что мы описали, является полностью механистической причинно-следственной цепью от сенсорного входа к двигательному выходу, с некоторой информацией, поступающей через центры памяти. Это своего рода механизм, о котором Декарт говорил, когда заявил (обсуждено в главе 2), что животные суть просто машины; все, что мы сделали, — это заменили его блоки и рычаги нервами, мышцами и логическими элементами.

Но помните, что Декарт отвел роль и духовной сущности, душе, как первоочередному двигателю человеческих поступков. Где находится душа среди входов и выходов в этой цепи событий? До сих пор мы описывали художницу только как зомби. Где же ее сознание, ее идея о том, что она должна изобразить что-то значащего бизона на стене пещеры, вошли в цепь событий между входом и выходом? Это остается самой большой загадкой науки о мозге.

Так или иначе, большинство людей, вероятно, на стороне дуализма — убеждения, по которому ум/душа/сознание есть не что иное, нежели физическое тело. Но дуализм утратил уважение в научных кругах в XX веке, и большинство нейробиологов теперь предпочитают идею монизма — убеждение, что ум и тело суть одно и то же. Например, нейрофизиолог Марсель Кинсборн утверждает: «Осознавать — значит иметь нейронную схему для каждого интерактивного функционального состояния»[149]. Но логические элементы компьютера, как мы уже отмечали, весьма похожи на нейроны, и непонятно, почему множество связанных компьютеров, как во Всемирной сети, где около миллиарда интернет-хостов (хотя это все равно меньше по сравнению с 100 миллиардами нейронов мозга), не проявляют никаких признаков сознания. Почему кремниевые компьютеры — зомби, тогда как компьютеры из плоти — сознательны? В сложности ли дело и полной «взаимоподключенности» наших клеток мозга при непохожести этого на Всемирную паутину[150] или же в том, что сознание — это совершенно иного рода вычисления?

Конечно, есть множество толкований сознания, которые изложены в целом ряде книг по этой теме. Но в нашем случае мы сосредоточим внимание на весьма спорном, но увлекательном утверждении, которое имеет самое непосредственное отношение к нашей теме, а именно, что сознание является феноменом квантовой механики. В этом отношении наиболее известен пример оксфордского математика Роджера Пенроуза, который в своей книге 1989 года «Новый ум короля» утверждал, что человеческий разум — это квантовый компьютер.

Вы, наверное, помните разговор о квантовых компьютерах в главе 4, где мы вспоминали статью из New York Times 2007 года, в которой утверждалось, что растения — это квантовые компьютеры. Исследователи Массачусетского технологического института в конце концов пришли к мысли, что системы фотосинтеза у микробов и растений действительно могут выполнять своего рода квантовые вычисления. Но могут ли их собственные умы так же работать в квантовой сфере? Для того чтобы изучить этот вопрос, мы сначала должны более внимательно взглянуть на то, что такое квантовые компьютеры и как они работают.

Когда мы думаем о компьютере сегодня, мы имеем в виду электронное устройство, способное выполнять инструкции по манипулированию и обработке информации при помощи совокупности электрических переключателей во включенном или выключенном состоянии, каждый из которых способен кодировать двоичное число (или бит) как 1 или 0. Совокупность таких переключателей может организовываться для построения схем, выполняющих логические инструкции, которые могут быть объединены и использованы для выполнения арифметических операций, таких как сложение и вычитание, или в действительности для открытия и закрытия каналов, описанных нами применительно к нейронам. Большим преимуществом этого электронного цифрового компьютера является то, что такие расчеты намного быстрее, чем любой ручной способ выполнения такой же задачи, будь то подсчет на пальцах, в уме или на бумаге.

Но в то время, как электронные компьютеры могут чрезвычайно быстро высчитывать суммы, даже они не могут уследить за сложностью квантового мира с множеством пересекающихся вероятностей. Чтобы преодолеть эту проблему, лауреат Нобелевской премии физик Ричард Фейнман придумал возможное решение. Он предложил выполнять вычисления в квантовом мире с помощью квантового компьютера.

Чтобы увидеть, как квантовые компьютеры могли бы работать, полезно будет в первую очередь представить бит классического компьютера в виде сферического компаса, стрелка которого может указывать либо на 1 (северный полюс), либо на 0 (южный полюс) и может вращаться на 180°, переключаясь между этими двумя состояниями (рис. 8.4, а). Центральный процессор (ЦПУ) компьютера состоит из многих миллионов этих однобитовых переключателей, поэтому весь вычислительный процесс может быть представлен как применение сложного набора коммутационных правил (алгоритмов), которые могут поворачивать множество сфер на 180°.

Рис. 8.4. Бит классического компьютера в виде сферического компаса: а — классический бит, переключаемый с 1 на 0, представлен как вращение классической сферы на 180°; б — кубит (квантовый бит), переключаясь, может быть представлен как вращение сферы через любой произвольный угол. Тем не менее когерентный кубит может быть также в суперпозиции для множества вращений; в — три когерентных кубита в состоянии запутанности, как будто воображаемые нити соединяют поверхности каждой сферы. Натяжение этих нитей, следуя вращениям, иллюстрирует квантовые вычисления

Эквивалент бита из квантовых вычислений называется кубитом. Он похож на классическую сферу[151], но его движение не ограничивается 180°. Вместо этого он может поворачиваться на любой произвольный угол в пространстве и, будучи элементом квантовой механики, может ориентироваться на множество направлений одновременно в квантовой когерентной суперпозиции (см. рис. 8.4, б). Эта повышенная гибкость позволяет кубиту кодировать больше информации, чем классический бит. Но реальным толчком для наращивания вычислительной мощности будет помещение кубитов вместе.

В то время как состояние одного классического бита не влияет на состояние соседних, кубиты могут быть также в квантовой запутанности. Возможно, вы помните из главы 6, что запутанность является квантовым шагом от когерентности, где квантовые частицы теряют свою индивидуальность, и то, что происходит с одним, затрагивает их все мгновенно. С точки зрения квантовых вычислений запутанность можно визуализировать, как если бы каждая сфера-кубит была соединена эластичными нитями[152] с любой другой (см. рис. 8.4, в). Теперь давайте представим себе, что мы вращаем только одну из сфер. Без запутанности вращение не будет влиять на соседние кубиты. Но если наш кубит спутан с другими, то вращение изменяет натяжение во всех соединительных нитях между этими связанными кубитами. Вычислительный ресурс всех этих связующих нитей возрастает по экспоненте с увеличением числа кубитов, а это означает, что растет он в самом деле очень быстро.

Чтобы получить представление об экспоненциальном росте, вспомните наверняка известный сюжет о китайском императоре, который был настолько доволен изобретением шахмат, что обещал наградить изобретателя тем, что тот выберет. Смекалистый изобретатель попросил только одно зернышко риса для первого квадрата на шахматной доске, два зернышка — для второго, четыре — для третьего и т. д., удваивая количество зерен с каждым последующим квадратом до 64-го. Император, считая это скромной просьбой, охотно согласился и приказал своим слугам принести рис. Но когда рисовые зерна отсчитали, он тут же осознал свою ошибку. Первый ряд квадратов собрал только 128 зерен (27 плюс один — помните, первый квадрат имеет только одно зерно риса) и даже к концу второго ряда квадратов вышло только 32 768 зерен, чуть менее килограмма риса. Но когда килограммы стали множиться на последующих квадратах, император встревожился, обнаруживая, что к концу третьего ряда ему пришлось выдать более 200 тонн риса. Достижение конца четвертого ряда уже разорило бы королевство! На самом деле, чтобы дойти до конца шахматной доски, потребовалось бы 9 223 372 036 854 775 808 (263 плюс один) зерен риса, или 230 584 300 921 тонна, что примерно равно всему мировому урожаю риса на протяжении всей истории человечества.

Проблемой императора была его неспособность осознать, что удвоение числа снова и снова приводит к экспоненциальному росту — другими словами, увеличение числа от одного к другому пропорционально размеру предыдущего числа. Экспоненциальный рост является взрывным, как убедился император на собственном состоянии. И точно так же, как рисовые зерна в этой истории экспоненциально множились вслед за количеством квадратов шахматной доски, и мощность квантового компьютера растет по экспоненте вслед за количеством кубитов.

Это сильно отличается от классического компьютера, мощность которого возрастает только линейно с числом битов. Например, если добавить один бит в восьмибитном классическом компьютере, мощность увеличится на одну восьмую; чтобы мощность удвоить, нужно удвоить количество битов. А добавление просто одного кубита к квантовому компьютеру удвоит его мощность, приводя все к тому же экспоненциальному росту мощности, который наблюдал император в случае с рисовыми зернами. На самом деле если квантовый компьютер может поддерживать когерентность и запутанность в пределах всего 300 кубитов, которые потенциально могут привлечь только 300 атомов, то он в определенных заданиях может превзойти классический компьютер размером с целую вселенную!

Но — и это очень большое НО — для работы квантового компьютера кубиты должны взаимодействовать только друг с другом для выполнения вычислений (с помощью своих невидимых запутанных нитей). Это означает, что они должны быть полностью изолированы от окружающей среды. Проблема в том, что любое взаимодействие с внешним миром заставит кубиты спутаться с окружающей их средой, которую мы можем рассмотреть как формацию гораздо большего числа нитей, которые тянули бы кубиты со всех сторон, конкурируя с нитями между ними и, следовательно, мешая расчетам, которые они выполняют. Это, по сути, представляет собой процесс декогеренции (рис. 8.5). Даже при очень слабом взаимодействии внешняя среда создает такой беспорядок в нитях кубитов, что они перестают вести себя слаженно относительно друг друга: их квантовые нити фактически разрываются и кубиты ведут себя как независимые классические биты.

Рис. 8.5. Декогерентность в квантовом компьютере, вызванная, как представляется, спутыванием нитей кубитов со скоплением нитей внешней среды. Это всячески сдвигает и растаскивает кубиты, и они больше не реагируют на связи в своей собственной запутанности

Квантовые физики делают все возможное, чтобы поддерживать когерентность в запутанных кубитах, работая с чрезвычайно разреженными и тщательно контролируемыми физическими системами, кодируя кубиты в небольшое количество атомов, охлаждая систему на грани абсолютного нуля и тщательно изолируя оборудование для недопущения влияния окружающей среды. При таких подходах они получили значимые результаты. В 2001 году ученым из IBM и Стэнфордского университета удалось построить семикубитный «пробирочный квантовый компьютер», который мог реализовать сложный код под названием «алгоритм Шора», названный в честь математика Питера Шора, разработавшего его в 1994 году специально для запуска на квантовом компьютере. Алгоритм Шора кодирует очень эффективный способ разложения чисел на множители (устанавливающий, какие простые числа должны быть перемножены для получения требуемого числа). Это был огромный прорыв, разошедшийся по заголовкам научных изданий всего мира; на начальном этапе работы этот квантовый компьютер-новичок смог лишь вычислить простые множители числа 15 (3 и 5, если вам интересно).

За последнее десятилетие некоторые из ведущих физиков, математиков и инженеров упорно трудились, чтобы построить более крупные и качественные квантовые компьютеры, но прогресс был скромным. В 2011 году китайские исследователи сумели факторизовать число 143 (13 × 11), используя только четыре кубита. Как и американцы до них, китайская команда использовала систему, в которой кубиты были закодированы в спиновых состояниях атомов. Совершенно иной подход был впервые предложен канадской компанией D-Wave — они кодируют кубиты в движении электронов в электрических цепях. В 2007 году компания заявила, что разработала первый коммерческий 16-кубитный квантовый компьютер, способный решить головоломку судоку и другие задачи по сличению с образцом и оптимизации. В 2013 году НАСА, Google и Ассоциация университетов по космическим исследованиям (USRA) сообща приобрели (за неизвестную сумму) 512-кубитную машину, построенную D-Wave, которую НАСА планирует использовать для поиска экзопланет, то есть вращающихся вокруг не нашего Солнца, а далеких звезд. Однако задачи, до сих пор решаемые компанией, все были в пределах досягаемости обычной компьютерной мощности, и многие эксперты по квантовым вычислениям не уверены, что технология D-Wave является действительно квантовым вычислением или — даже если это так — что этот проект будет работать быстрее, чем классический компьютер.

Какой бы подход экспериментаторы ни выбирали, задачи, стоящие перед ними в превращении нынешнего зарождающегося поколения квантовых компьютеров в нечто полезное, остаются тяжелыми. Самая большая проблема — наращивание. Удвоение кубитов удваивает мощность квантового вычисления, но также и удваивает сложность поддержания квантовой согласованности и запутанности. Атомы должны быть холоднее, экранирование должно быть более эффективным, и становится все труднее и труднее поддерживать когеренцию дольше, чем несколько триллионных долей секунды. Декогеренция происходит задолго до того, как компьютеру удается завершить даже простейший расчет. (Хотя на момент написания этой работы при комнатной температуре квантовая когерентность ядерных спиновых состояний достигла впечатляющих 39 минут[153].) Но, как мы обнаружили, живым клеткам действительно удается сдерживать декогеренцию достаточно долго, чтобы транспортировать экситоны в фотосинтетических комплексах, или электроны и протоны в ферментах. Можно ли подобным образом сдерживать декогеренцию в центральной нервной системе, позволяя осуществляться квантовым вычислениям в головном мозге?

Первоначальный аргумент Пенроуза о том, что мозг является квантовым компьютером, пришел с довольно неожиданного направления — из известного (по крайней мере в математических кругах) ряда теорем о неполноте, выдвинутых австрийским математиком Куртом Геделем. Эти теоремы вызвали сильное удивление у математиков 1930-х годов, которые уверенно приступили к программе определения действенного набора математических аксиом, способных доказать, что истинные утверждения истинны, а ложные заявления ложны — то есть вся арифметика внутренне согласованна и свободна от каких-либо внутренних противоречий. Звучит так, будто это положение волнует только математиков или философов, однако это было и остается большим вопросом для логики. Теоремы Геделя о неполноте показали, что такая попытка была обречена на провал.

Первая из его теорем показала, что логические системы, такие как естественный язык или математика, могут делать некоторые истинные утверждения, которые они не могут доказать. Это может показаться безобидным, но имеет очень далеко идущие последствия. Рассмотрим знакомую логическую систему, такую как язык, который способен рассуждать на основе утверждений, например, «Все люди смертны. Сократ есть человек», чтобы заключить, что «Сократ смертен». Легко увидеть и легко формально доказать, что последнее утверждение логически вытекает из первых двух, учитывая простой набор алгебраических правил (если A = B и B = C, то A = C). Но Гедель продемонстрировал, что любая логическая система достаточно сложна, чтобы доказать фундаментальное ограничение математических теорем: применение их правил может генерировать утверждения, которые являются истинными, но не могут быть доказаны с помощью тех же инструментов, которые первоначально использовались для их создания.

Это кажется довольно странным, и это действительно так. Тем не менее, что важно, теорема Геделя не означает, что некоторые истинные утверждения просто недоказуемы. Вместо этого один набор правил может доказать истинность утверждений, порожденных и, следовательно, недоказуемых с помощью другого набора правил. Например, истинные, но недоказуемые утверждения из языка могут быть доказуемы по правилам алгебры и наоборот.

Это, конечно, огромное упрощение, несправедливое по отношению к тонкостям темы. Заинтересованный читатель мог бы обратиться к книге 1979 года за авторством американского профессора когнитивной науки Дугласа Хофштадтера[154] и к близким к ней публикациям. Ключевым моментом здесь является то, что в своей книге «Новый ум короля» Пенроуз принимает теоремы Геделя о неполноте в качестве отправной точки для своего аргумента, указывая вначале на то, что классические компьютеры используют формальные логические системы (компьютерные алгоритмы) для формулировки утверждений. Из теоремы Геделя следует, что они также должны быть способны генерировать истинные утверждения, которые они не могут доказать. Но, как утверждает Пенроуз, люди (или по крайней мере те представители вида, которые являются математиками) могут доказать истинность этих недоказуемых, но правдивых компьютерных утверждений. Таким образом, он заявляет, что человеческий разум больше, чем просто классический компьютер, так как он способен на то, что называется невычислимыми процессами. Далее он допускает, что эта невычислимость требует чего-то большего, что может дать только квантовая механика. Сознание, как он утверждает, требует квантового компьютера.

Это, конечно, очень смелое утверждение, основанное на доказуемости или недоказуемости сложного математического утверждения, к которому мы вернемся. Но в своей более поздней книге «Тени разума» Пенроуз пошел еще дальше, предлагая физический механизм, с помощью которого мозг может вычислить свои суммы в квантовом мире[155]. Вместе со Стюартом Хамероффом[156], профессором анестезиологии и психологии Аризонского университета, он утверждает, что структуры под названием «микротрубочки», обнаруженные в нейронах, являются кубитами квантового мозга[157].

Микротрубочки — это длинные нити белка тубулина. Хамерофф и Пенроуз предположили, что эти тубулиновые частицы — бусины на нити — могут принимать по меньшей мере две различные формы: расширение и сжатие — и, самое главное, способны вести себя как квантовые объекты, существующие в суперпозиции обеих форм сразу, чтобы сформировать что-то похожее на кубиты. Более того, они предположили, что тубулиновые частицы в одном нейроне спутаны с тубулиновыми частицами белков во множестве других нейронов. Вы помните, что спутывание — это «странное действие на расстоянии», которое потенциально соединяет объекты, находящиеся очень далеко друг от друга. Если бы эти странные связи между всеми триллионами нейронов в человеческом мозге были возможны, то они вполне могли бы связать воедино всю информацию, закодированную в разделенных нервах, и таким образом решить проблему связи. Они могли бы также наделить сознательный ум неуловимыми, но необычайно мощными свойствами квантового компьютера.

Теория сознания Пенроуза — Хамероффа дополняется множеством положений, в том числе, возможно, еще более спорным моментом об участии гравитации[158]. Но насколько этому можно верить? Мы, как и почти все неврологи и исследователи квантовой физики, не уверены в этом. Одно из наиболее очевидных возражений вытекает из представленного выше описания того, как информация передается от мозга к нервам. Вы, возможно, заметили, что там мы не упоминали микротрубочки. Просто нет необходимости это делать, поскольку, как известно, они не играют ведущих ролей в обработке нервной информации.

Микротрубочки поддерживают архитектуру каждого нейрона и перемещают нейротрансмиттеры вверх и вниз по его длине; но не предполагается, что они участвуют в сетевой обработке информации и отвечают за расчеты в мозге. Вряд ли микротрубочки составляют субстрат для наших мыслей.

Но, возможно, еще более весомым является возражение, что микротрубочки мозга весьма маловероятные кандидаты на место когерентных квантовых кубитов просто потому, что они слишком большие и сложные. В предыдущих главах мы рассматривали случаи квантовой когерентности, запутанности и туннелирования в целом ряде биологических систем — от фотосинтезирующих систем до ферментов, обонятельных рецепторов, ДНК и неуловимых органов магниторецепции у птиц. Но ключевой особенностью всего этого является то, что «квантовая» часть системы (экситон, электрон, протон или свободный радикал) — проста. Она состоит либо из одной частицы, либо из небольшого числа частиц, которые делают то, что требуется, на расстояниях, исчисляемых в атомах. Это, конечно, соответствует взглядам Шредингера 70-летней давности о том, что виды живой системы, которые наверняка подпадают под квантовые правила, будут включать в себя небольшое число частиц.

Но теория Пенроуза — Хамероффа предполагает, что целые белковые молекулы, состоящие из миллионов частиц, находятся в квантовой суперпозиции и спутаны не только с молекулами в пределах одной микротрубочки, но и с микротрубочками, также состоящими из миллионов частиц, в миллиарды нервных клеток по всему объему головного мозга. Это очень далеко от истины. Хотя никто и не сумел измерить когерентность в микротрубочках мозга, расчеты показывают, что квантовая когерентность даже одиночных микротрубочек не может сохраняться дольше нескольких пикосекунд[159], что слишком скоротечно, чтобы иметь какое-либо влияние на вычисления в мозге[160].

Однако, возможно, еще более фундаментальной проблемой теории квантового сознания Пенроуза — Хамероффа является оригинальный тезис Пенроуза о мозге, являющемся квантовым компьютером. Как вы помните, здесь Пенроуз основывался на своем утверждении, что люди могут доказать утверждения по Геделю, тогда как компьютеры не могут. Но это подразумевает квантовые вычисления в мозге только тогда, когда квантовые компьютеры могут доказать геделевские утверждения лучше, чем классический компьютер; этому утверждению не только нет абсолютно никаких доказательств, но и большинство исследователей считают иначе[161].

Далее мы видим, что не обязательно человеческий мозг может работать лучше, чем классический компьютер, при доказательстве геделевских утверждений. Хотя люди могут быть в состоянии доказать истинность недоказуемых геделевских утверждений, генерируемых компьютером, в равной степени возможно, что и компьютеры могут доказать истинность недоказуемых геделевских утверждений, порожденных человеческим разумом. Теорема Геделя лишь ограничивает способность одной логической системы доказать свои собственные утверждения; и она не накладывает ограничений на способность одной логической системы доказать геделевские утверждения из другой системы.

Но означает ли это, что квантовая механика не играет никакой роли в головном мозге? Есть ли вероятность, что, при такой значительной квантовой активности в наших телах наши мысли приводятся в движение исключительно за счет классических процессов, напоминающих паровой двигатель? Может быть, и нет. Новейшие исследования показывают, что квантовая механика действительно может сыграть решающую роль в работе разума.

Возможно, место для квантово-механических явлений в мозге отведено среди ионных каналов в клеточных мембранах нейронов. Как мы уже говорили, они выступают как посредники для потенциалов действия — нервных сигналов, — которые передают информацию в мозг и таким образом играют центральную роль в обработке нейронной информации. Длина каналов — всего одна миллиардная метра (1,2 нанометра), ширина — менее половины длины, поэтому ионы проходят через них по одному. Тем не менее они делают это на чрезвычайно высокой скорости, около 100 миллионов в секунду. Кроме того, каналы весьма избирательны. Например, канал, отвечающий за проникновение ионов калия в клетку, позволяет пройти примерно одному иону натрия на каждые десять тысяч ионов калия, несмотря на то что ион натрия немного меньше иона калия, а вы могли наивно полагать, что он легко проскользнет, ведь места достаточно для прохода крупного иона калия.

Такая высокая скорость движения в сочетании с особой избирательностью поддерживает скорость потенциалов действия и, таким образом, их способность передавать наши мысли в мозге. Но как ионы перемещаются так быстро и избирательно — остается загадкой. Может ли здесь помочь квантовая механика? Мы уже открыли для себя (в главе 4), что квантовая механика может усилить движение энергии в процессе фотосинтеза. Может ли она так же усилить движение ионов в головном мозге? В 2012 году нейробиолог Густав Бернроидер из Университета Зальцбурга совместно с Иоганном Суммхаммером из Института атома Венского технологического университета осуществили квантово-механическое моделирование прохождения иона через потенциалозависимый канал и обнаружили, что ион делокализуется (сбивается с курса), когда проходит через канал: волна более когерентна волне, чем частица. Также эта ионная волна колеблется на очень высоких частотах и передает энергию окружающему белку посредством своего рода резонансного процесса, так чтобы канал эффективно действовал в качестве ионного холодильника, который уменьшает кинетическую энергию иона примерно наполовину. Такое эффективное охлаждение иона помогает поддерживать делокализованное квантовое состояние, сдерживая декогеренцию и тем самым способствуя быстрому квантовому движению в канале. Это также благоприятствует избирательности, так как степень охлаждения будет сильно отличаться, если калий заменяется натрием: конструктивная интерференция даст иону калия двигаться, в то время как деструктивная интерференция может сдерживать перенос ионов натрия. Группа ученых пришла к выводу, что квантовая когерентность играет незаменимую роль в проводимости ионов через каналы нервов и, таким образом, так протекает существенная часть нашего мышления[162].

Следует подчеркнуть, что эти исследователи не показали способность квантовых когерентных ионов действовать как нейронные кубиты, а также не показали, что они могли бы играть определенную роль в сознании; и, на первый взгляд, трудно понять, как они могли бы способствовать решению проблем сознания, таких как проблема связи. Тем не менее, в отличие от микротрубочек в гипотезе Пенроуза — Хамероффа, ионные каналы по крайней мере играют четкую роль в нейронных вычислениях — они лежат в основе потенциалов действия. Поэтому их состояние будет отражать состояние нервной клетки: если нерв возбужден, то ионы будут двигаться (помните, что они движутся как квантовые волны) быстро через каналы, в то время как, если нерв спокоен, любые ионы в каналах будут неподвижны. И поскольку общая сумма возбужденных и спокойных нейронов в нашем мозге должна каким-то образом кодировать наши мысли, то эти мысли также отражены — закодированы — в сумме всего этого квантового потока ионов, входящих и выходящих из нервных клеток.

Но как можно было бы объединить отдельные процессы мышления для создания осознанных, связных мыслей? Один когерентный ионный канал — квантовый или классический — не может кодировать всю информацию, связанную в мыслительные процессы, которые достигают высшей точки в визуализации сложного объекта, такого как бизон. Чтобы играть свою роль в сознании, ионные каналы должны быть связаны каким-либо образом. Может ли квантовая механика помочь здесь? Возможно ли, например, что ионы в канале не только когерентны по всей его длине, но когерентны или даже перепутываются с ионами в соседних каналах или даже соседних нервных клеток? Почти наверняка нет. Ионные каналы и ионы в них столкнутся с той же проблемой, что и идея Пенроуза — Хамероффа о микротрубочках. Хоть это всего лишь вероятность, что один ионный канал может быть спутан с соседним в пределах одной нервной клетки, но запутанность ионных каналов в различных нервах, которая необходима для решения проблемы связи, совершенно неосуществима в теплой, влажной, очень динамичной и декогерентно-возбудимой среде живого мозга.

Таким образом, если запутанность не может связать информацию квантового уровня в ионных каналах, есть ли что-нибудь еще, способное на это? Возможно. Потенциалозависимые ионные каналы, конечно, чувствительны к напряжению: они открывают и закрывают каналы. Напряжение — это лишь показатель разности в электрическом поле. Но мозг по всему объему заполнен своим собственным электромагнитным (ЭМ) полем, которое генерируется с помощью электрической активности всех его нервов. Это поле обычно обнаруживается технологиями сканирования мозга, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ), и простой взгляд на одно из этих сканирований расскажет вам только, насколько это поле сложное и информационно богатое. Большинство нейробиологов проигнорировали потенциальную роль, которую ЭМ-поле может играть в мозговых вычислениях, сравнивая ее с паровым гудком поезда: продукт деятельности мозга, но без влияния на эту деятельность. Тем не менее некоторые ученые, в том числе Джонджо, недавно ухватились за идею, что переход сознания из дискретных частиц мозгового вещества в единое ЭМ-поле вполне может решить проблему связи и предоставить место для сознания[163].

Чтобы понять, как это могло бы работать, мы, вероятно, должны сказать немного больше о том, что подразумеваем под полем. Термин происходит от его применения: нечто расширяющееся в пространстве, как кукурузное или футбольное поле. В физике термин «поле» имеет, по существу, то же значение, но, как правило, относится к энергетическим полям, которые способны перемещать объекты. Гравитационные поля перемещают все, что имеет массу, а электрические или магнитные поля перемещают электрически заряженные или магнитные частицы, такие как ионы в нервных каналах. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм являются двумя аспектами одного и того же явления, электромагнетизма, поэтому мы рассматриваем их как ЭМ-поля. Уравнение Эйнштейна E = mc² с энергией по одну сторону и массой по другую лихо продемонстрировало, что энергия и материя являются взаимозаменяемыми. Поэтому электромагнитное энергетическое поле мозга — левая часть уравнения Эйнштейна — столь же реально, как и материя, связывающая свои нейроны; и поскольку оно происходит от возбуждения нейронов, то кодируется в точности такая же информация, как в моделях нейронных возбуждений мозга. Однако в то время, как нейронная информация остается в возбужденных нейронах, электрическая активность, порожденная ими, объединяет всю информацию в ЭМ-поле мозга. Это потенциально может решить проблему связи[164]. А открывая и закрывая потенциалозависимые ионные каналы, ЭМ-поле связывается с квантовыми когерентными ионами, проходящими через каналы.

Когда теории сознания, связанные с ЭМ-полем, были впервые предложены в самом начале нынешнего века, не было прямых доказательств того, что электромагнитное поле мозга может влиять на модели возбуждения нерва и двигать нашими мыслями и действиями. Однако эксперименты, проведенные в нескольких лабораториях, недавно продемонстрировали, что внешние ЭМ-поля, по прочности и структуре аналогичные тем, что создает сам мозг, действительно влияют на нервное возбуждение[165]. В самом деле, кажется, что поле координирует нервное возбуждение, то есть синхронизирует множество нейронов так, чтобы они все вместе возбуждались. Полученные данные свидетельствуют о том, что собственное ЭМ-поле мозга, порожденное нервным возбуждением, также влияет и на возбуждение, обеспечивая своего рода автореферентный цикл, являющийся, по утверждениям многих теоретиков, важным компонентом сознания[166].

Синхронизация нервного возбуждения, осуществляемая мозгом, имеет также очень важное значение в контексте разгадки головоломки сознания, потому что это одна из немногочисленных особенностей нервной активности, которые, как известно, коррелируют с сознанием. Например, все знакомы с явлением, когда мы ищем простой объект, который все время на виду, например наши очки, а затем теряем его среди множества других объектов. Пока мы смотрим на это множество, визуальная информация, кодирующая объект, проходит через наши глаза в мозг, но так или иначе мы не видим объект, который ищем: мы не осознаем его. Но потом мы его видим. Что меняется в нашем мозге между моментами, когда мы сначала не осознаем, а затем осознаем объект в пределах одного и того же поля зрения? Примечательно, что само нервное возбуждение, кажется, не меняется: одни и те же нейроны возбуждены независимо от того, видим мы очки или нет. Но когда мы не замечаем наши очки, нейроны возбуждаются асинхронно, а когда замечаем, они возбуждаются синхронно[167]. ЭМ-поле, собирающее вместе все когерентные ионные каналы в разрозненных частях мозга, чтобы они синхронно возбудились, может играть определенную роль в переходе от бессознательных к сознательным мыслям.

Подчеркнем, что мы ссылаемся на такие идеи, как идея ЭМ-полей мозга или идея квантовых когерентных ионных каналов, чтобы объяснить: сознание никоим образом не поддерживает так называемые «паранормальные явления» вроде телепатии, так как оба понятия способны только влиять на нервные процессы внутри одного мозга — они не допускают коммуникацию между различными мозгами! И, как мы уже отмечали при рассмотрении геделевского аргумента у Пенроуза, нет фактически никаких доказательств того, что квантовая механика вообще нужна для объяснения сознания — в отличие от других биологических явлений, которые мы рассмотрели в этой книге, как, например, действие фермента или фотосинтез. Но возможно ли, что странные особенности квантовой механики, которые, как мы обнаружили, участвуют в столь многих важных явлениях жизни, исключаются из самого таинственного продукта — из сознания? Мы предоставим читателю возможность решать. Представленная выше схема, включающая квантовые когерентные ионные каналы и электромагнитные поля, конечно, гипотетическая, но это по крайней мере обеспечит вероятную связь между квантовой и классической сферами в головном мозге.

Имея это в виду, осознавая это, давайте еще раз вернемся к той темной пещере на юге Франции, чтобы завершить цепочку событий, следующих от мозга к руке, когда наша художница замерла перед стеной, наблюдая за мерцанием факела над серыми контурами. Определенная игра света на камне приносит образ бизона в ее сознание. Этого вполне достаточно, чтобы создать в голове идею, возможно конкретизирующуюся вместе с колебаниями электромагнитного поля мозга, где открываются кластеры когерентных ионных каналов в множестве отдельных нейронов, заставляя их возбуждаться синхронно. Синхронные нервные сигналы пробуждают потенциалы действия по всему ее мозгу, а через синаптические связи инициируется движение сигналов, идущих по ее спинному мозгу и с помощью нерв-нервных соединений — к двигательным нервам, которые выделяют дозы нейротрансмиттеров в нервно-мышечные соединения, прикрепленные к мышцам ее руки. Эти мышцы сокращаются, осуществляя скоординированное движение ее руки, которая скользит вдоль стены пещеры, нанося угольные линии, изображающие бизона, на скалу. И, возможно, еще важнее то, что она чувствует: она инициировала действие благодаря идее в ее сознании. Она не зомби.

Тридцать тысяч лет спустя Жан-Мари Шове освещает ту же стену пещеры, и идея, воплощенная в жизнь в мозге той давно умершей художницы, в очередной раз вспыхивает в нейронах сознательного человеческого ума.

Гренландия, вообще, не очень-то зеленая. Около 982 года н. э. датский викинг, известный как Эрик Рыжий, был обвинен в убийстве и бежал. Он уплыл на запад от Исландии и там открыл остров. В этом Эрик не стал первопроходцем: остров уже был несколько раз обнаружен людьми каменного века, которые прибыли с востока Канады еще около 2500 года до н. э. Но окружающая среда Гренландии сурова и неумолима, и эти ранние культуры исчезли, оставив совсем мало следов. Эрику повезло больше, он прибыл во время так называемого средневекового теплого периода, когда условия были более мягкими. Поэтому Эрик дал острову нынешнее название, полагая, что зеленые пастбища заманят его соотечественников на запад. Замысел, очевидно, сработал, потому что вскоре была создана колония из нескольких тысяч человек и по крайней мере первоначально она процветала. Но по мере того, как теплый период стал заканчиваться, Гренландия вернулась к климатическим условиям, более типичным для Северной Атлантики, а центральный ледник вырос, покрыв почти 80 % острова. С переменой погоды островитяне изо всех сил старались сохранить свою скандинавскую систему земледелия на почвах отмелей тонкой прибрежной полосы, но и урожайность культур, и продуктивность домашнего скота снизились.

По иронии судьбы примерно в то же время, когда колония викингов начала испытывать трудности, еще одна волна иммигрантов, инуитов (эскимосов), начала зарабатывать на жизнь на севере острова особыми способами рыбалки и охоты, которые были хорошо приспособлены к местным условиям. Викинги могли бы спастись, если бы они заимствовали стратегии выживания у инуитов, но единственная запись, которую мы имеем о контакте между двумя народами, — это заметка одного викинга-поселенца о том, что от ножей викингов пролито было много инуитской крови. Это наблюдение едва ли указывает на готовность викингов учиться у своих северных соседей. Результатом стало то, что через некоторое время, в конце XV века, колония викингов разрушилась, а последние несколько жителей, по-видимому, даже прибегли к каннибализму.

Тем не менее датчане никогда не забывали о своем западном форпосте, и в начале XVIII века была организована экспедиция для возобновления связи с поселенцами. Но участники экспедиции нашли только остатки хуторов и кладбища. Однако визит все же привел к созданию более успешной колонии, которая вкупе с местными инуитами в конечном счете стала современной страной Гренландией. Сегодняшняя экономика Гренландии выросла из инуитских корней и основывается главным образом на рыбной ловле, но в последнее время все большее внимание привлекают потенциальные минеральные богатства острова. В 1960 году Геологическая служба Дании и Гренландии наняла молодого новозеландского геолога Вика Макгрегора провести геологическое изучение на юго-западе острова, недалеко от его столицы Готхоба (ныне переименован в Нуук).

Макгрегор провел несколько лет, путешествуя по региону, изрезанному фьордами, на маленькой, частично открытой лодке, достаточной только для него самого, экипажа, состоящего из двух местных жителей, и для случайного гостя. Все умещалось среди палаток, охотничьих и рыболовных инструментов, не особо отличавшихся от набора ранних инуитских колонистов, и геологического оборудования. Используя стандартные методы стратиграфии, он пришел к выводу, что породы в этом районе состоят из десяти последовательных слоев, из которых самый старый и самый глубокий, вероятно, «действительно очень древний» — возможно, ему даже более трех миллиардов лет.

В начале 1970-х годов Макгрегор послал образец древней породы в Оксфордскую лабораторию Стивена Мурбата, ученого, который обладал авторитетом в радиометрическом датировании пород. Метод измерения основывается на соотношении радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Например, уран-238 имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет (через цепочку нуклидов в конечном итоге до стабильного изотопа свинца); так, если возраст Земли составляет около четырех миллиардов лет, концентрация природного урана в породе за все время существования Земли сократилась в два раза. Измеряя соотношение этих изотопов в любом образце породы, ученые могут, следовательно, рассчитать, сколько времени эти породы залегают в земле. Именно этот метод Стивен Мурбат использовал в 1970 году для анализа образца породы под названием «гнейс», который Макгрегор прислал ему из прибрежной области на юго-западе Гренландии, известной как Амитсок. Удивительно, но он обнаружил, что этот гнейс содержал пропорционально больше свинца, чем любая известная доселе земная руда или горная порода. Очень высокий уровень содержания свинца означал, что гнейс из Амитсока был, как уже догадался Макгрегор, «действительно очень древним», по крайней мере 3,7 миллиарда лет — старше, чем любая порода, найденная ранее на земле.

Мурбат был настолько поражен открытием, что затем присоединился к Макгрегору в нескольких экспедициях по Гренландии. В 1971 году они вдвоем решили посетить удаленную и практически неисследованную область Исуа на краю внутреннего ледникового покрова (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Карта Гренландии с указанием местонахождения Исуа

Сначала они должны были плыть в крошечной лодке Макгрегора к началу полного айсбергов фьорда Готхоб, где поселенцы-викинги влачили свое жалкое существование в Средние века. Затем ученых подобрал вертолет, принадлежащий местной горнодобывающей компании, которая была также заинтересована в регионе, так как аэромагнитные исследования показали потенциально богатые месторождения железной руды. Ученые обнаружили, что в местных диабазах Исуа было много подушкообразных масс породы, известных как базальтовая «подушечная лава», которая были сформирована в результате извержения вулканической лавы непосредственно в морской воде из так называемых грязевых вулканов. Эти породы вновь были датированы по меньшей мере 3,7 миллиарда лет. Данное исследование ясно показало, что Земля вскоре после образования была покрыта теплыми океанами[168] с грязевыми вулканами (рис. 9.2), извергавшимися из гидротермальных жерл на дне мелких водоемов.

Рис. 9.2. Современный грязевой вулкан в Тринидаде. Могла ли первая жизнь на земле появиться в подобном грязевом вулкане, оставив следы в диабазах Исуа? Фото Майкла С. Райджела с «Викисклада»

Тем не менее настоящий сюрприз заключался в том, что получилось, когда Миник Розинг, исследователь из Геологического музея в Копенгагене, измерил соотношение изотопов углерода в диабазах Исуа. Породы содержат около 0,4 % углерода, и когда было измерено соответствующее количество двух изотопов — ¹³C и ¹²C, было установлено, что количество более тяжелого и более редкого ¹³C в породах было значительно меньше, чем ожидалось. Неорганические источники углерода, такие как атмосферный углекислый газ, содержат около 1 % ¹³C, но фотосинтез предпочитает включать более легкий изотоп ¹²C в растения и микробиологическую биомассу, поэтому низкий уровень ¹³C, как правило, является показателем наличия органического материала. Эти результаты свидетельствуют о том, что в теплых водах, окружавших грязевые вулканы Исуа, 3,7 миллиарда лет назад жили организмы, которые, как и современные растения, захватывали углерод из углекислого газа, либо из атмосферы, либо растворенный в воде и использовали его, чтобы создать на основе углерода соединения для строительства своих клеток.

Теория о породах Исуа остается спорной, и многие ученые не уверены в том, что низкий уровень найденного там ¹³C обязательно подразумевает такое раннее присутствие живых организмов. Большая часть скептицизма проистекает из того факта, что 3,8 миллиарда лет назад Земля подвергалась тому, что известно как «поздняя тяжелая бомбардировка». Это были регулярные удары астероидов и комет, обладающих энергией, достаточной для испарения любой воды с поверхности и, вероятно, также для стерилизации океанов. Открытие окаменелостей любых подобных древних фотосинтезирующих организмов, конечно, помогло бы подтвердить теорию, но породы Исуа были сильно деформированы на протяжении тысячелетий и любые такие окаменелости сейчас просто неузнаваемы. Мы должны отправиться вперед по крайней мере на несколько сотен миллионов лет — до того момента, с которого доказательства существования жизни явно присутствуют в породах в виде распознаваемых окаменелостей древних микробов.

Несмотря на отсутствие убедительных доказательств, многие считают, что изотопные данные пород Исуа обозначают самые ранние признаки жизни на Земле; и грязевые вулканы Исуа, конечно, создавали просто идеальные условия для возникновения жизни, с их теплыми щелочными водами, фонтанирующими из термальных вентиляционных жерл. Они были богаты растворенными неорганическими карбонатами и изверженными ультраосновными серпентиноподобными породами, которые были очень пористыми, пронизанными миллиардами крошечных полостей, каждая из которых могла бы быть микросредой, способной концентрировать и стабилизировать небольшое количество органических соединений. Возможно, жизнь действительно зародилась в грязях Гренландии. Возникает вопрос: как?

Три самые большие загадки в науке — это происхождение Вселенной, происхождение жизни и происхождение сознания. Квантовая механика тесно участвует в первой, и мы уже обсуждали ее возможную связь с третьей загадкой; как мы скоро выясним, она может также помочь объяснить и вторую загадку. Но мы должны сначала изучить вопрос о том, способны ли неквантовые объяснения представить полный отчет о происхождении жизни.

Ученые, философы и теологи, которые веками размышляли о происхождении жизни, придумали множество разнообразных теорий, начиная от Божественного творения до привнесения на нашу планету жизни из космоса (так называемая теория панспермии). Более строгий научный подход был инициирован в XIX веке учеными, такими как Чарльз Дарвин, который предположил, что химические процессы, происходящие в каком-то «небольшом теплом пруду», возможно, привели к созданию живой материи. Официальная научная теория, которая построена на предположениях Дарвина, была выдвинута независимо друг от друга русским ученым Александром Опариным и англичанином Дж. Б. С. Холдейном в начале XX века и в настоящее время широко известна как гипотеза Опарина — Холдейна. Оба предположили, что атмосфера ранней Земли была богата водородом, метаном и водяным паром, которые под воздействием молний, солнечной радиации или вулканического тепла могли образовывать смеси простых органических соединений. Они предположили, что эти соединения затем накапливаются в первичном океане, образуя теплый разбавленный органический «бульон», который существовал в течение миллионов лет, возможно омывая грязевые вулканы Исуа, пока какое-то случайное сочетание его составных частей в конечном счете не дало новые молекулы с необычным свойством: способностью копировать самих себя.

Холдейн и Опарин предположили, что появление первичного репликатора было ключевым событием, которое привело к возникновению жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Ее последующий успех будет обеспечиваться дарвиновским естественным отбором. Будучи простым объектом, репликатор порождал множество ошибок или мутаций в репликации. Эти мутантные репликаторы тогда конкурировали с немутировавшими формами за химические материалы, из которых можно построить больше репликаторов. Те, которые оказывались наиболее успешными, оставили наибольшее количество потомков, и молекулярный процесс дарвиновского естественного отбора способствовал выживанию репликаторов большей эффективности и большей сложности. Репликаторы, захватившие дополнительные молекулы, например пептиды, которые ферментативно катализируют их репликацию, получили преимущество, и некоторые из них оказались даже заключенными в пузырьках (крошечных, заполненных жидкостью или воздухом мешочках), ограниченных жирными мембранами, подобно современным живым клеткам, что защищало их от воздействия внешней среды. После того как возникла оболочка, внутренняя часть клетки стала способна поддерживать биохимические превращения — метаболизм — и создавать свои собственные биомолекулы, не допуская их утечки. Благодаря способности сохранять и поддерживать свое внутреннее состояние, оставаясь при этом изолированной от внешней среды, и родилась первая живая клетка.

Гипотеза Опарина — Холдейна научно описывает, как могла возникнуть жизнь на Земле. Тем не менее в течение нескольких десятилетий теорию никто не проверял, пока интерес к ней не проявили два американских химика.

К 1950 году Гарольд Юри был выдающимся, но весьма противоречивым ученым. Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году за открытие дейтерия, изотопа водорода, который, как вы помните из главы 3, был использован для изучения кинетического изотопного эффекта в ферментах, продемонстрировав, что их деятельность связана с квантовым туннелированием. Опыт Юри в очистке изотопов привел его к назначению в 1941 году главой части Манхэттенского проекта по обогащению урана (Манхэттенский проект — проект по созданию атомной бомбы). Тем не менее Юри со временем разочаровался в целях Манхэттенского проекта и его секретности и попытался отговорить президента США Гарри Трумэна сбрасывать бомбу на Японию. После Хиросимы и Нагасаки Юри написал статью для популярного журнала Collier’s под названием «Я испуганный человек», где предупреждал об опасности, исходящей от атомного оружия. На своей должности в Университете Чикаго он также активно выступал против антикоммунистической «охоты на ведьм» Маккарти в 1950-е годы, писал письма президенту Трумэну в поддержку Юлиуса и Этель Розенберг, которые предстали перед судом за шпионаж и в конце концов были казнены за передачу атомных секретов в СССР.

Стэнли Миллер, другой американский химик, участвовавший в проверке гипотезы Опарина — Халдейна, поступил в Университет Чикаго в качестве аспиранта в 1951 году, где занимался в первую очередь проблемами нуклеосинтеза элементов внутри звезд под руководством ученого Эдварда Теллера, известного как «отец водородной бомбы». Жизнь Миллера изменилась, когда в октябре 1951 года он посетил лекцию Гарольда Юри о происхождении жизни, в которой Юри обсуждал возможность реализации сценария Опарина — Холдейна и предполагал, что кто-то должен провести эксперименты. Очарованный идеей, Миллер перевелся из лаборатории Теллера в лабораторию Юри и принялся убеждать того стать его научным руководителем и позволить ему проводить эксперименты. Юри изначально скептически относился к полным энтузиазма студенческим планам Миллера по проверке теории Опарина — Халдейна: он прикидывал, что неорганическим химическим реакциям понадобились миллионы лет для генерации достаточного количества органических молекул, в то время как у Миллера будет всего три года, чтобы защитить кандидатскую! Тем не менее Юри был готов дать ему место и ресурсы, необходимые тому, на полгода-год. Таким образом, если эксперименты не дадут результатов, у Миллера еще будет время, чтобы перейти к более безопасному научно-исследовательскому проекту.

В своей попытке повторить условия, в которых возникла жизнь на Земле, Миллер имитировал первичную атмосферу, просто заполнив бутылку водой для имитации океана, добавил газы, которые, по его мнению, присутствовали в атмосфере: метан, водород, аммиак и водяной пар. Затем он смоделировал молнию, прокаливая смесь, которая начинала искрить. К собственному удивлению и ко всеобщему удивлению научного мира, Миллер обнаружил, что после всего недели действия искусственных молний на воссозданную первичную атмосферу в бутылке уже содержалось значительное количество аминокислот, строительных блоков для белков. Статья с описанием этого эксперимента была опубликована в журнале Science в 1953 году[169] — с Миллером в качестве единственного автора. Гарольд Юри занял очень необычную позицию, настаивая, чтобы честь открытия досталась целиком и полностью его аспиранту.

Эксперимент Миллера — Юри — как его обычно называют сегодня, несмотря на благородный жест Юри — был провозглашен первым шагом на пути создания жизни в лаборатории и остается очень важным событием в биологии. Несмотря на то что самовоспроизводящиеся молекулы не были получены в «первичном бульоне» Миллера, считалось, что аминокислоты полимеризовались бы с образованием пептидов и сложных белков и в конечном счете получились бы репликаторы Опарина — Холдейна, если бы было достаточно много времени и имелся достаточно большой объем.

С 1950-х годов десятки ученых повторяли эксперимент Миллера — Юри множеством способов с использованием различных смесей химических веществ, газов и разных источников энергии, чтобы получить не только аминокислоты, но и сахара и даже небольшие количества нуклеиновых кислот. И все же до сих пор (а прошло уже более полувека) ни одной лаборатории не удалось воссоздать «первичный бульон», который дал бы первичный репликатор Опарина — Халдейна. Чтобы понять почему, нам нужно более внимательно изучить эксперименты Миллера.

Первый момент — это сложность химической смеси, созданной Миллером. Большая часть полученного органического материала представляла собой сложные смолы наподобие тех, что хорошо знакомы химикам-органикам. Они часто видят такие вещества, когда их процедуры сложного химического синтеза нестрого контролируются и получаются побочные продукты. На самом деле легко приготовить аналогичную смолу на вашей собственной кухне, просто передержав ужин: та черновато-коричневая гадость, которую потом так трудно отмыть от дна кастрюли, довольно близка по составу к смоле Миллера. Проблема с такими химическими смесями в том, что они, как известно, не производят ничего больше, кроме такой же смолоподобной «гадости». С химической точки зрения их не назовешь «продуктивными» — они настолько сложны, что какие-то конкретные химические вещества, например аминокислоты, начинают взаимодействовать с таким количеством других различных соединений, что просто теряются в «лесу» непоследовательных химических реакций. Миллионы поваров, а также тысячи студентов-химиков производили подобные органические маслянистые смолы в течение многих столетий, однако результатом становилось лишь сложное мытье посуды.

Представьте себе, что, пытаясь приготовить первичный бульон, вы очищаете всю «гадость» со дна всех подгоревших кастрюль во всем мире, а затем растворяете все эти триллионы сложных органических молекул в океане. Теперь добавьте немного гренландских грязевых вулканов в качестве источника энергии и, возможно, искру молнии — и перемешайте. Как долго вы должны размешивать суп, прежде чем создадите жизнь? Миллион лет? Сто миллионов лет? Сто миллиардов лет?

Даже самая простая жизнь, такая как наша химическая «гадость», чрезвычайно сложна. В отличие от «гадости», однако, она также высоко-организованна. Проблема с использованием смол в качестве исходного материала для создания организованной жизни состоит в том, что случайные термодинамические силы, которые действовали на молодой Земле, — молекулярные движения, подобные движениям бильярдных шаров, о которых мы говорили в главе 2, — как правило, нарушают порядок, а не создают его. Вы бросаете курицу в кастрюлю с водой, нагреваете ее, перемешиваете, варите и получаете куриный бульон. Но вы не выливаете бульон из банки в кастрюлю в надежде получить курицу.

Конечно, жизнь не началась с курицы (или яйца). Самые простые самовоспроизводящиеся живые организмы сегодня — это бактерии, которые гораздо проще, чем любая птица[170]. Самая простая из бактерий называется микоплазма (бактерия, которая была предметом эксперимента Крейга Вентера по синтезированию жизни). Но даже эти существа являются чрезвычайно сложными формами жизни. Их геном содержит около 500 генов, которые кодируют примерно такое же количество сложных белков, и они, наряду с ферментами, создают липиды, сахара, ДНК, РНК, клеточную мембрану, хромосомы и тысячи других структур, каждая из которых гораздо сложнее, чем двигатель вашего автомобиля. На самом деле микоплазма — это не совсем полноценная бактерия, она не может выживать самостоятельно и должна получать многие биомолекулы от своего хозяина: она является паразитом и как таковая не смогла бы выжить в любом реальном «первичном бульоне». Более вероятным кандидатом можно назвать другой одноклеточный организм — цианобактерию, которая способна к фотосинтезу и, таким образом, может обеспечивать свои потребности. Если цианобактерии присутствовали на ранней Земле, они могли быть потенциальным источником низких уровней ¹³C, обнаруженных в породах Исуа в Гренландии (возрастом 3,7 миллиарда лет). Но эта бактерия является гораздо более сложной, чем микоплазма, с геномом из почти двух тысяч генов. Как долго вы должны размешивать свой океан «первичного бульона», чтобы «приготовить» цианобактерии?

Британский астроном, который ввел термин «Большой взрыв», сэр Фред Хойл, все время проявлял интерес к происхождению жизни. Вероятность того, что в результате случайных химических процессов зародилась жизнь, по его словам, столь же высока, как и вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо соберет «Боинг». Дело в том — и Хойл это ярко демонстрирует, — что клеточная жизнь, какой мы ее знаем сегодня, является слишком сложной и организованной для того, чтобы возникнуть только по воле случая; ей должны были предшествовать более простые саморепликаторы.

Так какими были эти ранние саморепликаторы? И как же они действовали? Поскольку они не дожили до наших дней, по-видимому не выдержав конкуренции со своими более успешными потомками, знания об их природе в основном строятся на догадках. Одна из них заключается в экстраполяции назад от сегодняшних простейших форм жизни, чтобы представить себе более простой саморепликатор, своего рода «урезанную» бактерию, которая, возможно, является предшественником всей жизни на Земле.

Проблема заключается в том, что не представляется возможным выделить простые саморепликаторы из живых клеток, так как ни один из компонентов клеток не способен к самовоспроизведению сам по себе. Гены ДНК не копируют себя, это работа фермента ДНК-полимеразы. В свою очередь, эти ферменты не воспроизводят себя, потому что они должны быть сначала закодированы в цепочках ДНК и РНК.

РНК будет играть важную роль в этой главе, так что полезно напомнить, что это такое и что она делает. РНК (рибонуклеиновая кислота) проще своей химической «сестры» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), и здесь речь идет об одинарной спирали по сравнению с двойной спиралью ДНК. Несмотря на это различие, РНК имеет сходный со своей «сестрой» потенциал кодирования генетической информации — у нее просто нет дополнительной копии этой информации. И так же, как и у ДНК, ее генетическая информация записана четырьмя различными буквами, так что гены могут быть закодированы в РНК так же, как и в ДНК. На самом деле многие вирусы, такие как вирус гриппа, например, обладают РНК-, а не ДНК-геномами. Но в живых клетках — бактериальных, животных или растительных — РНК играет роль, отличную от ДНК: генетическая информация, записанная в ДНК, сначала копируется в РНК в процессе считывания гена, который мы обсуждали в главе 7. А поскольку, в отличие от относительно массивной и неподвижной ДНК, короткие части РНК могут свободно перемещаться по клетке, они могут нести генетические сообщения генов от хромосом к аппарату синтеза белка. При этом последовательность РНК считывается и переводится в последовательность аминокислот, которые входят в белки, например ферменты. Таким образом, в современных клетках по крайней мере, РНК является ключевым посредником между генетическим кодом, написанным на ДНК, и белками, которые идут на то, чтобы создавать остальные компоненты наших клеток.

Возвращаясь к нашему вопросу происхождения жизни, заметим, что, хотя живая клетка в целом является самовоспроизводящейся сущностью, отдельные ее компоненты таковыми не являются; подобно тому как женщина является самовоспроизводящимся организмом (с небольшой «помощью»), но ее сердце или печень — нет. Это создает проблему при попытке экстраполировать назад от сегодняшней сложной клеточной жизни к ее более простым доклеточным предкам. Если сформулировать вопрос иначе: что появилось первым — ДНК, РНК или ферменты? Если сначала были ДНК или РНК, то что их создало? Если сначала был фермент, то как он был закодирован?

Одно из возможных решений было предложено американским биохимиком Томасом Чехом, который открыл в 1982 году, что наряду с кодированием генетической информации некоторые молекулы РНК могли взять на себя функцию ферментов по катализации реакций (работа, за которую он разделил в 1989 году Нобелевскую премию по химии с Сиднеем Альтманом). Первые примеры этих рибозимов, как они были названы, нашли в генах крошечных одноклеточных организмов тетрахимен (Tetrahymena), которые являются одним из видов простейших, найденных в пресноводных водоемах; однако с тех пор выяснилось, что рибозимы играют важную роль во всех живых клетках. За их открытие быстро ухватились как за возможное решение головоломки в стиле «яйцо или курица» о происхождении жизни. Гипотеза мира РНК (такое название она получила) предполагает, что изначально химический синтез привел к образованию молекул РНК, которые могли выступать в качестве как генов, так и ферментов и, таким образом, могли одновременно кодировать свою собственную структуру (как ДНК) и делать копии самих себя (как ферменты) из биохимикатов, имеющихся в «первичном бульоне». Этот процесс копирования был первоначально достаточно бессистемным, что приводило к большому количеству мутантных версий, которые конкурировали друг с другом в «дарвиновской» молекулярной конкуренции, рассмотренной ранее. С течением времени эти репликаторы РНК привлекли белки, чтобы повысить эффективность репликации, что привело к появлению ДНК и в конце концов первой живой клетки.

Идея о том, что мир самовоспроизводящихся молекул РНК предшествовал возникновению ДНК и клеток, теперь стала почти догмой в исследованиях о происхождении жизни. Было доказано, что рибозимы могут выполнять все основные функции, которых можно ожидать от любой самовоспроизводящейся молекулы. Например, один класс рибозимов может соединить две молекулы РНК вместе, в то время как другой может разделить их. Еще одна форма рибозимов может делать копии коротких отрезков (всего лишь небольших участков) РНК-оснований. Из этих простых действий мы можем представить себе более сложные рибозимы, способные катализировать полный набор реакций, необходимых для самовоспроизведения. После того как саморепликация начала действовать, в силу вступил и естественный отбор; так что мир РНК пошел по пути конкуренции и привел в конце концов (по крайней мере так считается) к первой живой клетке.

Однако с этим сценарием не все так гладко. Хоть рибозимы и могут катализировать простые биохимические реакции, самовоспроизведение рибозимов является гораздо более сложным процессом, включающим определение самим рибозимом последовательности собственных оснований, поиск таких же химических веществ в окружающей среде и сборку этих химических веществ в правильной последовательности, чтобы создать свою точную копию. Это непростая задача даже для белков, которым повезло жить в клетках, наполненных «правильными» биохимикатами, так что сложно представить, как рибозимы умудрялись в хаотичном и грязном «первичном бульоне» совершать подобные подвиги. На сегодняшний день никому не удалось найти или создать рибозим, который смог бы взять на себя такую сложную задачу, даже в лаборатории.

Существует также более фундаментальная проблема: как создать сами молекулы РНК в «первичном бульоне». Молекула состоит из трех частей: РНК-основания, которое кодирует свою генетическую информацию (подобно ДНК-основаниям), фосфатной группы и сахара под названием рибоза. Хотя некоторые успехи были достигнуты в разработке вероятных химических реакций, которые могли бы создать РНК-основания и фосфатные компоненты в «первичном бульоне», наиболее достоверная реакция, которая дает рибозу, также производит множество других сахаров. Нет никакого известного небиологического механизма, с помощью которого рибоза могла бы быть сгенерирована самостоятельно. И даже если рибоза была создана, разместить все три компонента вместе в правильной последовательности — сама по себе сложная задача. Когда вероятные формы трех компонентов РНК сведены вместе, они просто объединяются произвольными способами в неизбежную первичную «гадость». Химики обходят эту проблему, используя специальные формы оснований, чьи химические группы модифицированы, чтобы избежать нежелательных побочных реакций — но это жульничество. И в любом случае возникновение «активированных» оснований является еще менее вероятным в первичных условиях, чем возникновение обыкновенных исходных оснований РНК.

Тем не менее химики способны синтезировать основания РНК из простых химических веществ, проводя крайне сложную серию тщательно контролируемых реакций, в которых каждый желаемый продукт из одной реакции выделяют и очищают, прежде чем брать его для следующей реакции. По оценкам шотландского химика Грэма Кэрнса-Смита, насчитывается около 140 шагов, необходимых для синтеза РНК-оснований из простых органических соединений, которые предположительно присутствовали в «первичном бульоне»[171]. Для каждого шага есть минимум пять альтернативных реакций, которых следует избегать. Это позволяет легко визуализировать химический синтез: представим себе каждую молекулу как некий вид молекулярного «кубика», причем каждый шаг соответствует броску, где число шесть позволяет генерировать правильный продукт, а любое другое число указывает на то, что продукт был получен неправильный. Таким образом, шансы любой исходной молекулы в конечном счете превратиться в РНК эквивалентны тому, чтобы выбросить шестерку на кубике 140 раз подряд.

Конечно, химики сильно повышают эти немыслимо малые шансы, тщательно контролируя каждый шаг, но в добиологическом мире приходилось полагаться только на случай. Возможно, солнце вышло в нужное время, чтобы испарить небольшой пруд с растворенными химическими веществами вокруг грязевого вулкана? Или, может быть, грязевой вулкан извергся, чтобы добавить в воду немного больше серы для создания другого набора соединений? Возможно, гроза всколыхнула смесь и ускорила еще несколько химических изменений с помощью электрической энергии? Эти вопросы можно было бы задавать и дальше, но достаточно легко оценить вероятность того, что, полагаясь только на случай, каждый из 140 необходимых шагов дал бы один правильный вариант из шести возможных: она составляла 1 к 6140 (примерно 10 109). Для того чтобы иметь статистический шанс получить РНК чисто случайным образом, вам понадобилось бы по крайней мере такое количество исходных молекул в вашем «первичном бульоне». Но 10 109 — это гораздо больше, чем число элементарных частиц во всей видимой Вселенной (около 1080). На Земле просто не было достаточного количества молекул или достаточно времени, чтобы создать значительные количества РНК в те миллионы лет, что прошли между ее формированием и возникновением жизни во времена, которыми датируются породы Исуа.

Тем не менее представьте себе, что синтез значительных количеств РНК случился путем какого-то еще не открытого химического процесса. Теперь мы должны преодолеть не менее сложную проблему укладки четырех различных оснований РНК (эквивалентных, как вы помните, четырем буквам ДНК-кода: A, G, C и T) вместе в правильной последовательности, чтобы сделать рибозимы способными к самовоспроизведению. Большинство рибозимов — это отрезки РНК длиной по меньшей мере 100 оснований. На каждой позиции на отрезке должно присутствовать одно из четырех оснований, так что есть 4100 (или 1060) различных вариантов собрать отрезок РНК длиной 100 оснований. Насколько велика вероятность того, что случайное перемешивание РНК-оснований будет генерировать только правильную последовательность вдоль длины отрезка для создания самовоспроизводящихся рибозимов?

Пока мы тут развлекаемся с большими числами, мы как раз можем посчитать. Получается, что 4100 отдельных отрезков по 100 РНК-оснований в длину будут иметь общую массу 1050 килограммов. Именно столько нам потребуется для того, чтобы иметь одну копию большинства отрезков и, следовательно, разумный шанс, что один из них будет иметь все свои основания, расположенные в правильном порядке, для того, чтобы быть способным к самовоспроизведению. Тем не менее вся масса галактики Млечный Путь, по оценкам ученых, равняется примерно 1042 килограммов.

Понятно, что мы не можем полагаться только на случай.

Конечно, возможно, что среди 4100 вероятных комбинаций 100 РНК-оснований найдется больше чем одна, способная к самовоспроизведению. Там их может быть намного больше. Там даже могут быть триллионы возможных репликаторов, которые образованы из отрезков РНК длиной 100 оснований. Возможно, самовоспроизводящиеся РНК на самом деле довольно распространенное явление и нам нужен лишь миллион молекул, чтобы иметь какой-то шанс формирования саморепликатора. Проблема с этим предположением только одна: это всего лишь предположение! Несмотря на многочисленные попытки, никто никогда не создавал ни одной самореплицирующейся РНК (или ДНК, или белка) и не наблюдал их в природе. Это неудивительно, если учесть, насколько непростой работой является саморепликация. В современном мире нужна целая живая клетка, чтобы совершить этот подвиг. Могли ли это сделать гораздо более простые системы несколько миллиардов лет назад? Конечно, они должны были это сделать, иначе мы бы здесь сегодня не рассматривали эту проблему. Но как это было достигнуто, прежде чем клетки эволюционировали, далеко не ясно.

Принимая во внимание трудности идентификации биологических саморепликаторов, мы могли бы получить представление, задавая более общий вопрос: насколько вообще сложна саморепликация в любой системе? Современные технологии предоставили нам большое количество машин, которые могут копировать материал: от копировальных машин для ЭВМ до 3D-принтеров. Может ли какое-либо из этих устройств сделать копию самого себя? Вероятно, ближе всего к этому подошел 3D-принтер, например такой, как RepRap (сокращенно от англ. Replicating Rapid Prototyper — «самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов»), который является детищем Адриана Боуера из британского Университета Бата. Эти машины могут печатать свои собственные компоненты, которые затем могут быть собраны в еще один 3D-принтер RepRap.

Но не совсем. Машина печатает только пластик, а ее собственный каркас выполнен из металла, как и большинство ее электрических компонентов. Так что реплицировать он может только пластиковые детали; к тому же они должны быть вручную собраны с использованием дополнительных частей, чтобы получился новый принтер. Цель дизайнеров — сделать самовоспроизводящиеся принтеры RepRap (существует несколько альтернативных конструкций) доступными для всех. Но на момент написания этой книги мы пока далеки от построения подлинно самореплицирующейся машины.

Таким образом, если поиск самовоспроизводящихся машин не помогает нам в нашем стремлении обнаружить, насколько проста или сложна саморепликация, мы можем отойти от материального мира и изучить этот вопрос в компьютерах, где наши беспорядочные и сложные в получении химические вещества можно заменить простыми строительными блоками цифрового мира, а именно битами, которые могут иметь только значение 1 или 0. А байт данных, состоящий из 8 бит, представляет один символ текста в компьютерном коде и может быть примерно приравнен к единице генетического кода — ДНК- или РНК-основанию. Теперь мы можем задать вопрос: среди всех возможных строк байтов насколько часто появляются те, которые могут копировать сами себя на компьютере?

Здесь у нас есть огромное преимущество, так как самовоспроизводящиеся строки байтов на самом деле являются довольно распространенным явлением: мы знаем их как компьютерные вирусы. Это сравнительно короткие компьютерные программы, которые могут заразить наши компьютеры, убедив их процессоры делать кучу копий. Эти компьютерные вирусы затем проникают в нашу электронную почту, чтобы заразить компьютеры наших друзей и коллег. Так что, если мы рассматриваем память компьютера как своего рода цифровой «первичный бульон», то компьютерные вирусы можно считать цифровым эквивалентом первичных саморепликаторов.

Один из самых простых компьютерных вирусов, Tinba, имеет длину всего 20 килобайт: он очень короткий по сравнению с большинством компьютерных программ. Тем не менее Tinba успешно атаковал компьютеры крупных банков в 2012 году, проникая в браузеры их сотрудников и воруя регистрационные данные; можно сказать, этот вирус был грозным саморепликатором. В то время как 20 килобайт — мало для компьютерной программы, это тем не менее относительно длинная последовательность цифровых данных: с 8 битами в байте он соответствует 160 тысячам бит информации. Поскольку каждый бит может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), мы можем легко вычислить вероятность случайного генерирования конкретных строк в двоичной системе. Например, шансы создания конкретной трехбитной строки, скажем, 111, составляет 1/2 × 1/2 × 1/2, или 1 к 23. Следуя той же математической логике, можно сказать, что воссоздать случайно определенную строку в 160 тысяч бит (длина вируса Tinba) можно с вероятностью 1 к 2^120 000. Это умопомрачительно малое число, и это свидетельствует о том, что Tinba не мог возникнуть только благодаря случаю.

Может быть, здесь, аналогично тому как мы предполагали для молекул РНК, очень много самовоспроизводящихся кодов, которые намного проще, чем Tinba, и которые могли бы возникнуть случайно. Но если бы это было так, то, конечно, компьютерные вирусы в настоящее время возникали бы спонтанно из всех несметных гигабайтов компьютерного кода, передаваемого в Интернете каждую секунду. Большинство из этих кодов, по большому счету, просто последовательности единиц и нулей (подумайте обо всех изображениях и фильмах, которые загружаются каждую секунду). Эти коды ориентированы на то, чтобы поручать нашим процессорам выполнение основных операций, например копирования или удаления. До сих пор все компьютерные вирусы, которые когда-либо заражали чей-то компьютер, показывали безошибочные признаки человеческого вмешательства. Насколько нам известно, гигантский поток цифровой информации, который протекает по всему миру каждый день, никогда спонтанно не генерировал компьютерные вирусы. Даже в рамках благоприятной для репликации среды компьютера саморепликация сложна и, насколько нам известно, никогда не происходила спонтанно.

Этот экскурс в цифровой мир демонстрирует существенную проблему в поисках происхождения жизни, которая сводится к характеру поисковой системы, используемой для приведения необходимых ингредиентов к правильной конфигурации для формирования саморепликаторов. Независимо от химических веществ, которые были доступны в «первичном бульоне», они должны были исследовать огромное пространство возможностей, прежде чем дойти до чрезвычайно сложного самовоспроизведения. Может быть, наша проблема в том, что мы ограничились поиском по правилам классического мира? Возможно, вы помните из главы 4, что квантовые теоретики в МТИ (Массачусетском технологическом институте) изначально были весьма скептически настроены по поводу отчета New York Times о том, что растения и микробы способны к квантовому поиску. Но в конце концов они пришли к идее, что фотосинтезирующие системы действительно реализовывали квантовую стратегию поиска, или квантовое блуждание. Многие исследователи, включая нас самих[172], изучали идею о том, что происхождение жизни могло аналогичным образом быть связано с каким-то квантовым сценарием поиска.

Представьте себе крошечный первичный пруд, заключенный в полостях серпентиновых пород, изверженных из грязевого вулкана под древним морем в Исуа 3,5 миллиарда лет назад, когда формировались гнейсовые слои Гренландии. Вот он, дарвиновский «небольшой теплый пруд со всеми видами солей аммония и фосфорной кислоты, со светом, теплом, электричеством и т. д., так чтобы химически могло сформироваться белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям…». Как раз здесь оно и могло сформироваться. Теперь представьте, что одно «белковое соединение» (это с легкостью может быть и молекула РНК), полученное в ходе химических процессов, обнаруженных Стэнли Миллером, является своего рода протоферментом (или рибозимом), который имеет некоторую ферментативную активность, но пока еще не является самовоспроизводящейся молекулой. Далее представьте, что некоторые из частиц в этом ферменте могут перемещаться на разные позиции, но не имеют возможности сделать это из-за классических энергетических барьеров. Однако, как мы уже говорили в главе 3, и электроны и протоны способны к квантовому туннелированию через энергетические барьеры, которые запрещают их классическую передачу, — функция, ключевая в действии фермента. По сути, электрон или протон существуют по обе стороны барьера одновременно. Если мы представим себе, что это происходит в наших протоферментах, то сможем ожидать различные конфигурации — нахождение частицы по обе стороны от энергетического барьера, — которые связаны с различными видами деятельности ферментов, то есть способностью к ускорению различных типов химических реакций, возможно, в том числе и самовоспроизведения.

Чтобы легче было работать с цифрами, давайте представим себе, что есть в общей сложности 64 протона и электрона в пределах воображаемого протофермента, каждый из которых способен к квантовому туннелированию в одну из двух разных позиций. Общее количество структурных вариаций, имеющихся в нашем воображаемом протоферменте, по-прежнему огромно: 264 — просто тьма возможных конфигураций. Теперь представьте, что только одна из этих конфигураций имеет то, что требуется, чтобы стать самовоспроизводящимся ферментом. Вопрос заключается в том, насколько легко найти конкретную конфигурацию, которая может привести к возникновению жизни? Появится ли вообще саморепликатор в нашем небольшом теплом пруду?

Рассмотрим сначала протофермент в качестве совершенно классической молекулы, не способной на какие-либо квантовые фокусы вроде суперпозиции или туннелирования. Молекула должна в любой момент времени быть только в одной из 264 возможных различных конфигураций, тогда вероятность того, что этот протофермент будет самовоспроизводящимся, равняется 1 к 264 — действительно чрезвычайно маленькая вероятность. В неравной борьбе с превосходящими силами противника классический протофермент просто застрял бы в одной из тех скучных конфигураций, которые не способны к самовоспроизведению.

Конечно, молекулы изменяются в результате общего термодинамического износа, но в классическом мире такое изменение происходит относительно медленно. Для того чтобы изменить одну молекулу, исходное расположение атомов должно быть разобрано, а составляющие его частицы перестроены в новую молекулярную конфигурацию. Как мы выяснили в главе 3 на примере долгоживущего коллагена динозавра, химические изменения иногда могут происходить в геологических масштабах времени. В классическом мире нашему протоферменту потребуется очень много времени, чтобы изучить даже малую долю этих 264 химических конфигураций.

Однако ситуация в корне меняется, если рассмотреть 64 ключевые частицы протофермента как электроны и протоны, которые способны к туннелированию между альтернативными позициями. Будучи квантовой системой, протофермент может существовать во всех возможных конфигурациях одновременно (квантовая суперпозиция). Причина нашего выбора числа 64 теперь становится яснее: это то же самое число, которое мы использовали, когда рассказывали в главе 8 о грубой шахматной ошибке китайского императора, чтобы проиллюстрировать возможности квантовых вычислений. Только здесь роль шахматных клеток или кубитов (квантовых битов. — Примеч. пер.) играют частицы. Наш протосаморепликатор, если он существовал достаточно долго, мог выступать в качестве 64-кубитного компьютера; и мы уже открыли для себя, насколько мощным будет такое устройство. Вероятно, он может использовать свои огромные квантовые вычислительные ресурсы для выяснения ответа на вопрос: какова правильная молекулярная конфигурация для саморепликаторов? В таком виде проблема и ее возможное решение становятся более ясными. Представим, что протофермент находится в такой квантовой суперпозиции, и тогда задача по поиску одной из 264 возможных структур, которая будет являться саморепликатором, становится разрешимой.

Но существует загвоздка. Вы, наверное, помните, что кубиты должны оставаться когерентными и запутанными для выполнения квантовых вычислений. После того как в дело вступает декогерентность, суперпозиция из 264 различных состояний разрушается и остается только одно. Помогает ли это? На первый взгляд, нет, поскольку вероятность того, что квантовая суперпозиция сколлапсирует в единственное самовоспроизводящееся состояние, такая же, как и раньше, — ничтожная (1 к 264), такая же, как шанс выбросить «решку» 64 раза подряд. Но что происходит дальше, когда квантовые процессы отклоняется от своих классических аналогов?

Если молекула не ведет себя квантово-механически и обнаруживает (почти наверняка так и будет) у себя неправильное расположение атомов, которые не в состоянии самовоспроизводиться, то для того, чтобы попробовать другую конфигурацию, ей придется включать геологически медленный процесс «разборки» и «перестройки» молекулярных связей. Но после декогерентности в квантовой молекуле каждый из 64 электронов и протонов нашего протофермента будет почти сразу же снова готов к туннелированию в суперпозицию двух возможных состояний, чтобы восстановить первоначальную квантовую суперпозицию из 264 различных конфигураций. В своем 64-кубитном состоянии квантовая молекула-протосаморепликатор сможет повторять свой поиск пути к самовоспроизведению в квантовом мире непрерывно.

Декогерентность будет быстро разрушать суперпозицию снова, но почти в тот же момент молекула окажется в другой из 264 различных классических конфигураций. И снова декогерентность разрушит суперпозицию, и снова система найдет себя в другой конфигурации; и этот процесс будет продолжаться до бесконечности. По существу, в этой относительно защищенной среде разрушение и восстановление состояния квантовой суперпозиции является обратимым процессом: «квантовая монета» постоянно «подбрасывается» процессами декогерентности и восстановления суперпозиции — а это процессы, которые идут гораздо более быстрыми темпами, чем классические образование и разрушение химических связей.

Но есть одно событие, которое остановит подбрасывание квантовой монеты. Если квантовая молекула проторепликатора в конечном счете окажется в состоянии саморепликатора, она начнет копировать сама себя и так же, как и клетки голодающих E. coli, которые мы обсуждали в главе 7, репликация заставляет систему совершить необратимый переход в классический мир. «Квантовая монета» будет необратимо «брошена», и первый саморепликатор будет рожден в классическом мире. Конечно, эта репликация будет задействовать какие-то биохимические процессы внутри молекулы или между молекулами и ее окружением. Это заметно отличается от того, что имело место до того, как состояние проторепликатора было найдено. Другими словами, должен быть механизм, который закрепляет эту особую конфигурацию в классическом мире, прежде чем она будет потеряна и молекула перейдет к следующей квантовой конфигурации.

Предположение, которое мы обозначили выше, конечно, сугубо теоретическое. Но если поиск первого саморепликатора проводить в квантовом, а не классическом мире, то проблема, по крайней мере потенциально, решаема.

Для того чтобы этот сценарий работал, первичные биомолекулы-протосаморепликаторы должны были быть способны исследовать множество различных структур с помощью квантового туннелирования частиц в разные позиции. Знаем ли мы, какие молекулы могли быть способны на подобные фокусы? Ну, в определенной степени, знаем. Как мы уже выяснили, электроны и протоны в ферментах остаются относительно свободными, что позволяет им легко туннелировать в различные положения. Протоны в ДНК и РНК также способны к туннелированию, по крайней мере по водородным связям. Таким образом, мы могли бы представить себе наши первичные саморепликаторы чем-то вроде белков или молекул РНК, которые слабо удерживаются вместе водородными и слабыми электронными связями, позволяющими его частицам — протонам и электронам — свободно передвигаться по их структуре, чтобы сформировать суперпозицию из триллионов различных конфигураций.

Есть ли какие-либо доказательства такого сценария? Апурва Д. Пател, физик из Центра физики высоких энергий Индийского научного института Бангалора, является одним из ведущих мировых экспертов по квантовым алгоритмам — программному обеспечению квантовых компьютеров. Апурва предполагает, что аспекты генетического кода (последовательности оснований ДНК, которые кодируют ту или иную аминокислоту) выдают свое квантовое происхождение[173]. Здесь не самое подходящее место, чтобы вдаваться в технические подробности (а то мы слишком глубоко закопаемся в математику квантовой теории информации), но его идеи не должны нас сильно удивить. В главе 4 мы видели, как в процессе фотосинтеза энергия фотона передается в реакционный центр, следуя по нескольким путям сразу — квантовым случайным блужданием. Затем, в главе 8, мы обсуждали идею квантовых вычислений и вопрос, могла ли жизнь использовать квантовые алгоритмы для повышения эффективности определенных биологических процессов. Аналогичным образом сценарии происхождения жизни, связанные с квантовой механикой, пусть и теоретические, являются не более чем продолжением этих идей: велика вероятность того, что квантовая когерентность в биологии играла такую же роль в происхождении жизни, какую она в настоящее время играет в живых клетках.

Конечно, любой сценарий о происхождении жизни около трех миллиардов лет назад с участием квантовой механики остается весьма теоретическим. Но, как мы уже говорили, и классические объяснения происхождения жизни сталкиваются с проблемами: не так-то легко начать жизнь с чистого листа! Обеспечивая более эффективные стратегии поиска, квантовая механика, возможно, сделала задачу по созданию саморепликатора немного легче. Это почти наверняка не вся история, но квантовая механика может сделать возникновение жизни в тех древних породах Гренландии намного более вероятным.

Эпитет «таинственный» чаще других используется для описания мира, где действуют законы квантовой механики. Этот мир на самом деле таинственен. Разве можно назвать обычной теорию, описывающую мир, где объекты способны преодолевать непроницаемые барьеры, находиться в двух местах одновременно или образовывать «призрачные связи»? Тем не менее математические основы квантовой механики логичны и непротиворечивы. Они очень точно описывают мир элементарных частиц и сил, действующих в нем. Таким образом, квантовая механика — это основание физической реальности. Дискретные энергетические уровни, корпускулярно-волновой дуализм, когерентность, запутанность и туннелирование — не просто интересные идеи, которые касаются только ученых, работающих в физических лабораториях со сложным оборудованием. Они так же реальны и обычны, как яблочный пирог, испеченный бабушкой, и, кстати говоря, все эти процессы протекают внутри яблочного пирога. Квантовая механика — обычное явление. Таинственным является тот мир, который она описывает.

Тем не менее, как мы уже говорили, большинство особенностей вещества, противоречащих здравому смыслу и присущих квантовому миру, теряются в структуре больших объектов, для которой характерна весьма неспокойная термодинамика. Утрата квантовых свойств происходит в процессе, который мы называем декогерентностью. За чертой декогерентности лежит знакомый нам мир, в котором действуют законы классической физики. Итак, мы можем изобразить структуру физической реальности в виде трех уровней (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Три уровня реальности. На верхнем уровне находится мир видимых объектов — например, падающих яблок, пушечных ядер, поездов и самолетов. Движение видимых объектов описывается законами ньютоновской механики. Ниже расположен уровень, где действуют термодинамические законы, описывающие взаимодействие частиц, движущихся в структуре вещества беспорядочно, подобно бильярдным шарам. Этот уровень отвечает также за действие принципа «порядок из неупорядоченности», который распространяется на объекты видимого мира, например паровые двигатели. Еще ниже находится уровень элементарных частиц — сфера действия стройных квантовых законов. Свойства объектов видимого мира, поддающиеся наблюдению, обусловлены особенностями либо ньютоновского, либо термодинамического уровня. Свойства живых организмов связаны с квантовой основой нашей реальности

Не многие научно-популярные книги нуждаются в дополнениях во время написания. Тем не менее в последней главе данной книги мы расскажем о результатах исследований, которые проводятся в настоящий момент. Квантовая биология развивается очень быстро, и направления ее развития настолько многочисленны, что к моменту выхода этой книги ее содержание рискует стать неактуальным. Наиболее неожиданные результаты были получены в ходе недавних исследований взаимодействия жизни с молекулярными вибрациями, или шумом.

Один из самых поразительных результатов был получен в ходе очередного исследования процесса фотосинтеза. В главе 4 мы говорили о том, что в микробах и листьях растений содержится огромное количество хлоропластов, которые заполнены молекулами пигмента хлорофилла, а также о том, что первой стадией фотосинтеза является захват фотона света молекулой пигмента и его преобразование в вибрирующий экситон, который пробирается сквозь хлорофилльный лес к реакционному центру. Как вы помните, было обнаружено, что этот процесс переноса энергии имеет признаки когерентности — квантового биения, и почти со стопроцентной точностью доказано, что он в принципе возможен благодаря квантовому перемещению экситона к реакционному центру. До сих пор оставалось загадкой, каким образом экситонам удается поддерживать когерентные волновые свойства, прокладывая путь сквозь пространство живой клетки, наполненное молекулярным шумом. К настоящему моменту установлено, что разгадка, вероятнее всего, заключается в следующем: живые системы не пытаются избежать молекулярного шума; напротив, они пытаются подстроиться под его ритм.

В главе 4 мы описали квантовую когерентность при фотосинтезе как своего рода молекулярный оркестр, в составе которого музыканты — когерентные молекулы пигмента — демонстрируют очень четкую и слаженную игру. Однако система, элементы которой работают в унисон, сталкивается с одной проблемой: во внутриклеточном пространстве слишком шумно. Молекулярный оркестр исполняет свою программу не в тихом концертном зале, а в месте, напоминающем деловой центр города, — посреди какофонии молекулярного шума. Этот шум мешает музыкантам исполнять партии — вибрации экситона, которые то и дело выбиваются из общего ритма, что приводит к нарушению и без того хрупкого состояния квантовой когерентности.

С этой проблемой постоянно сталкиваются физики и инженеры, работающие над созданием таких приборов, как квантовые компьютеры. Специалисты используют две основные стратегии сдерживания молекулярного шума. Во-первых, когда это возможно, они стараются охлаждать системы практически до абсолютного нуля. При таких низких температурах молекулярные колебания затихают, что, в свою очередь, приводит к затиханию молекулярного шума. Во-вторых, внутри молекулярной студии звукозаписи они создают вокруг своих систем своего рода стеклянный щит, сквозь который не проникает шум окружающей среды. Разумеется, внутри живых клеток нет никаких студий звукозаписи, а растения и бактерии живут в теплой среде. Так как же фотосистемам удается так долго поддерживать мелодию оркестра квантовой когерентности?

Дело в том, что реакционные центры фотосинтеза используют две разновидности молекулярного шума для поддержания, а вовсе не нарушения когерентности. К первой разновидности относится более или менее слабый, низкий шум, который иногда называют белым шумом. Он напоминает теле- или радиопомехи, улавливаемые на всех частотах[176]. Белый шум исходит из термальных столкновений окружающих молекул и частиц, например молекул воды с ионами металлов, которыми заполнено пространство живой клетки. Ко второй разновидности относится цветной шум, более громкий. Этот шум характеризуется ограниченным диапазоном частот, подобно тому как окрашенный (видимый глазом) свет ограничен узким диапазоном частот электромагнитного спектра. Источником цветного шума являются колебания более крупных молекулярных структур в составе хлоропластов, например молекул пигмента (хлорофилла) и белковых структур, обеспечивающих их целостность. Белки, в свою очередь, представляют собой нити, на которые нанизаны аминокислотные бусины. Аминокислотные бусы закручены так, что на них легко держатся молекулы хлорофилла. Их изгибы и связи отличаются гибкостью, и они могут совершать колебания, но только на определенных частотах, подобно гитарным струнам. В свою очередь, молекулы пигмента также имеют собственную частоту колебаний. Эти колебания и производят цветной шум, который, как музыкальный аккорд, строится всего из нескольких нот. Фотосинтетическая реакционная система использует белый и цветной шум для продвижения когерентного экситона к реакционному центру.

К разгадке того, как живая клетка использует данные разновидности молекулярных колебаний, одновременно (в 2008–2009 годах) и независимо пришли две группы исследователей. Одну из них возглавляли супруги Мартин Пленио и Сюзана Хуэльга, на тот момент работавшие в Великобритании. Их давно интересовало влияние внешнего шума на динамику квантовых систем, поэтому они не были сильно удивлены, когда услышали об эксперименте с фотосинтезом, который в 2007 году провел Грэм Флеминг (об этом эксперименте мы говорили в главе 4). Сразу после этого они опубликовали несколько статей (не так уж широко цитируемых), в которых предлагалась модель того, что, по их мнению, происходит в ходе данного эксперимента[177]. Они предположили, что шумная среда живой клетки придает импульс квантовой динамике и скорее поддерживает, чем нарушает квантовую когерентность фотосинтетических комплексов и других биологических систем.

Другая группа ученых работала над той же проблемой по другую сторону Атлантики: коллектив специалистов по квантовой информации из МТИ под руководством Сета Ллойда, который ранее, как вы помните, считал наличие квантово-механических механизмов в растениях «бредовой идеей». Вместе с коллегами из соседнего Гарварда Ллойд внимательно исследовал фотосинтетический комплекс водорослей, в котором Флеминг и Энгель обнаружили квантовые биения[178]. Они показали, что замедлению или ускорению квантового продвижения когерентного экситона способствует шум внутриклеточного пространства. Все зависит от того, насколько громким является этот шум. Если температура системы достаточно низкая и сама система находится в состоянии покоя, экситон бесцельно колеблется, не стремясь никуда продвинуться. При относительно высокой температуре и шумной среде возникает так называемый квантовый эффект Зенона, задерживающий квантовое перемещение. Между этими двумя полярными состояниями находится зона Златовласки — совокупность условий, при которых возникают колебания, способствующие квантовому перемещению экситона.

Квантовый эффект Зенона назван именем древнегреческого философа Зенона Элейского, сформулировавшего философские проблемы в форме серии парадоксов, один из которых известен как апория о полете стрелы. Рассуждая о летящей стреле, Зенон отметил, что в каждый момент времени она занимает определенное положение. Если бы стрелу можно было наблюдать в какое-то определенное мгновение, то мы бы увидели, что в это мгновение она неподвижна и находится над землей в состоянии покоя. Парадокс заключается в том, что полет стрелы представляет собой последовательность застывших моментов времени, в которых стрела не движется. Если все эти моменты сложить, стрела летит. Как же последовательность моментов покоя образует движение? Дело в том, что определенный промежуток времени не состоит из последовательности неделимых промежутков отсутствия времени. Однако этот вывод ожидал своего часа, пока в XVII веке не был разработан математический анализ — спустя более двух тысячелетий с тех пор, как Зенон сформулировал свои апории. И все же парадокс Зенона сохранился по крайней мере в названии одного из самых оригинальных эффектов квантовой механики. Квантовые стрелы действительно способны замереть в полете благодаря акту наблюдения за ними.

В 1977 году физики из Техасского университета опубликовали статью о том, что в квантовом мире может происходить нечто, напоминающее апорию Зенона о полете стрелы[179]. Квантовый эффект Зенона (как впоследствии было названо данное парадоксальное явление) заключается в том, что частые наблюдения предотвращают некоторые квантовые события. К примеру, если постоянно наблюдать за радиоактивным атомом, то он никогда не распадется — этот эффект можно описать старой пословицей «Кто над чайником стоит, у того он не кипит». В реальности чайник в конце концов закипает, наблюдаете вы за ним или нет, однако, если вас одолевает жажда и вам очень хочется чаю, вам кажется, что чайник закипает целую вечность, — время будто бы замедляется. Однако, как указывал Гейзенберг, в квантовом мире акт наблюдения (или измерения) неизбежно влияет на поведение наблюдаемого объекта.

Чтобы понять, как относится парадокс Зенона к реальной жизни, обратимся снова к одной из стадий фотосинтеза — стадии переноса энергии. Давайте представим, что молекула хлорофилла внутри зеленого листочка захватила фотон солнечного света и преобразовала его энергию в экситон. В классическом понимании экситон — это частица, локализованная в пространстве и времени. Однако, как показал опыт с двумя щелями, квантовые частицы обладают также свойствами волны, позволяющими им пребывать в состоянии квантовой суперпозиции — во многих местах одновременно. Именно волновые свойства экситона играют ключевую роль в квантовом переносе энергии, поскольку благодаря этим свойствам экситон, как и волна воды, может распространяться одновременно в нескольких направлениях. Тем не менее квантовая волна может разбиться о рифы молекулярного шума внутри листа. Вследствие декогерентности экситон теряет волновые свойства и вновь превращается в локализованную частицу, занимающую одно определенное положение. Таким образом, молекулярный шум действует на частицу как своего рода постоянное измерение, и, если он достаточно интенсивен, декогерентность будет происходить очень быстро и у квантовой когерентности не остается шансов помочь экситону достичь пункта назначения. В этом и заключается квантовый эффект Зенона: волны из мира квантовой механики постоянно разбиваются о преграды из мира классической физики.

В ходе изучения влияния молекулярного шума (колебаний) на работу фотосинтетического комплекса бактерий команда ученых из МТИ обнаружила, что для квантового переноса оптимальными являются температуры, при которых бактерии и растения осуществляют фотосинтез. Идеальное совпадение оптимальных условий для квантового переноса энергии и температур, при которых протекает жизнедеятельность живых организмов, является примечательным фактом. Этот факт, по утверждению ученых, говорит о том, что квантовое эволюционное проектирование процесса перемещения экситона совершенствовалось на протяжении трех миллиардов лет действия естественного отбора и привело к созданию идеальных условий для самой важной биохимической реакции в биосфере. Как было отмечено авторами данного исследования в одной из поздних статей, «естественный отбор дает импульс квантовым системам для достижения ими той степени квантовой когерентности, которая „как раз хороша“ для максимальной эффективности»[180].

И все же благоприятные молекулярные колебания не ограничиваются такой разновидностью, как белый шум. В настоящее время считается, что ключевую роль в сдерживании декогерентности играет также цветной шум, производимый ограниченным диапазоном колебаний молекул хлорофилла или окружающих их белков. Если проводить аналогии, то белый тепловой шум можно представить как шум радиопомех, производимых плохо настроенным радиоприемником, а колебания цветного шума — как простой ритм вроде повторяющегося «боп-боп» в песне Good Vibrations («Приятные вибрации») группы The Beach Boys. Однако не следует забывать о том, что экситон также способен вести себя как волна и производить когерентные квантовые биения, которые были описаны Грэмом Флемингом и его коллегами. В двух статьях, опубликованных в 2012 и 2013 годах учеными из группы Мартина Пленио, работающей в Ульмском университете (Германия), говорится о том, что, когда когерентный экситон сбивается со своего ритма вследствие воздействия белого шума, настроить его на «верную мелодию» может цветной шум, если колебания экситона и окружающих его молекул белков (собственно цветной шум) войдут в один и тот же ритм[181]. Уже в 2014 году в журнале Nature появилась статья Александры Олайа-Кастро, в которой автор изложила результаты блестящего теоретического исследования. Оказалось, что экситон и колебания окружающих молекул (цветной шум) имеют общий квант энергии — явление, которое не может быть описано без обращения к теории квантовой механики[182].

Чтобы в полной мере оценить роль двух рассмотренных нами разновидностей молекулярного шума в процессе перемещении экситона, предлагаем вам вернуться к метафоре из мира музыки, которую мы приводили выше, и вновь представить фотосистему в виде оркестра. На этот раз музыкантами являются молекулы пигмента (хлорофилла), а исполняемой мелодией — экситон. Представьте, что мелодия начинается с соло скрипки — так молекула хлорофилла захватывает фотон и преобразует его энергию в колебания экситона. Затем мелодию-экситон подхватывают остальные струнные инструменты, затем духовые, и наконец вступают ударные, чей ритм символизирует реакционный центр. Кроме того, в нашем воображении оркестр исполняет эту мелодию в театре, где слушатели в зале постоянно производят белый шум — шуршат пакетами, ерзают в креслах, кашляют и чихают. Дирижер в нашей метафоре исполняет роль цветного шума.

Для начала представим, что мы оказались в зале и в этот вечер публика особенно расшумелась — музыканты с трудом слышат своих коллег и самих себя. Посреди громкого гула первая скрипка начинает свою партию, однако остальные музыканты не слышат ее и, следовательно, не могут вовремя подхватить мелодию. Это и есть ситуация, в которой возникает квантовый эффект Зенона: слишком интенсивный шум препятствует квантовому переносу энергии. Однако при очень низком уровне шума, скажем в пустом зале без единого зрителя, музыканты слышат только игру друг друга, поэтому все подхватывают первую партию, словно никак не могут избавиться от мелодии, застрявшей в голове, и сыграть каждый свою партию. Это обратная ситуация избытка квантовой когерентности, в которой экситон постоянно колеблется в пределах системы, однако так и не останавливается в каком-либо определенном месте.

В зоне Златовласки из зала не раздается лишних звуков — воспитанные зрители контролируют себя. Если и есть какие-либо помехи, то они лишь помогают музыкантам отвлечься от монотонного повторения одной партии и сыграть в полную силу и с правильным ритмом. Некоторые инструменты, бывает, все же сбиваются с общего ритма, однако лишь в том случае, если в зале какой-то невежа вдруг зашуршит пакетом. Но дирижер одним взмахом палочки возвращает их в общий ритм, и оркестр продолжает исполнять слаженную мелодию фотосинтеза.

В главе 2 мы заглянули внутрь парового двигателя и выяснили, что его движущей силой является обуздание беспорядочного движения молекул, толкающихся, словно бильярдные шары, и воздействие силой молекулярной турбулентности на поршень внутри цилиндра. Затем мы задались вопросом, может ли механизм жизни работать на том же термодинамическом принципе «порядка из неупорядоченности», на котором работает паровая машина. Возможно, жизнь — это всего лишь усовершенствованный паровой двигатель?

Многие ученые уверены, что так оно и есть, однако все не так просто, как кажется. Теория сложности изучает тенденцию определенных форм хаотического движения к упорядоченности благодаря феномену самоорганизации. Например, как мы уже говорили, молекулы жидких веществ движутся абсолютно хаотично, однако, когда вы открываете сливное отверстие в ванне, вода вдруг начинает двигаться вокруг него в строго определенном порядке — по часовой стрелке или против нее. В видимом мире подобный «порядок неупорядоченности» можно также наблюдать в формах конвекционных потоков нагреваемой воды, в ураганах и торнадо, в красном пятне на Юпитере и во многих других природных явлениях. Самоорганизация является неотъемлемым признаком некоторых биологических явлений, например роения насекомых и образования стай у птиц и рыб, рисунка полосок на шкуре зебры, сложной фрактальной структуры листьев некоторых растений.

Все упомянутые выше системы примечательны тем, что их видимый «порядок из неупорядоченности» не отражается на молекулярном уровне. Если бы у вас был мощный микроскоп, с помощью которого вы могли посмотреть на молекулы в воронке воды, стекающей в слив, вы бы с удивлением обнаружили, что их движение хаотично, хоть в нем и присутствует едва уловимое смещение от хаотичности к тенденции двигаться по часовой стрелке или против нее. На молекулярном уровне остается лишь хаос, однако это хаос с небольшим смещением в сторону упорядоченности, которое на макроскопическом уровне может выглядеть как упорядоченное движение, то есть «порядок из хаоса», как иногда называют этот принцип[183].

Концептуально принцип «порядок из хаоса» напоминает «порядок из неупорядоченности» Эрвина Шредингера. Принцип Шредингера, как мы уже говорили, лежит в основе движущей силы парового двигателя. Однако, как мы с вами обнаружили, жизнь основывается на других механизмах. Несмотря на то что внутри живой клетки происходит беспорядочное движение молекул, механизм жизни связан с упорядоченным движением — отточенной хореографией элементарных частиц внутри ферментов, фотосинтетических систем, молекул ДНК и других веществ. Жизнь обладает упорядоченностью на молекулярном уровне. Таким образом, нельзя объяснить фундаментальные признаки живой материи только принципом «порядок из хаоса». Жизнь не имеет ничего общего с паровой машиной.

Тем не менее недавние исследования показали, что механизм жизни, возможно, действует именно по образцу квантовой версии парового двигателя.

Принцип работы паровой машины был впервые описан в XIX веке французским ученым Саади Карно. Его отцом был известный государственный деятель, военный министр при Наполеоне Лазар Карно, который еще при Людовике XVI служил в инженерных войсках. После смещения короля Лазар Карно не покинул Францию, как это сделали многие дворяне, а поддержал революцию. Как военный министр, он взял на себя ответственность за формирование французской революционной армии, которая давала отпор прусским войскам. Однако Лазар Карно был не только блестящим военным стратегом, но и математиком, любителем музыки и поэзии (он назвал сына в честь средневекового персидского поэта Саади Ширази) и инженером. Он также написал книгу о том, как машины превращают одну форму энергии в другую.

В Саади проявился революционный и националистический пыл отца, когда он в 1814 году, будучи студентом, принимал участие в обороне Парижа от прусской армии, взявшей город в осаду. Он также унаследовал инженерный талант отца. Саади Карно является автором замечательной книги «Размышления о движущей силе огня» (1823 год), которая считается основополагающей работой по термодинамике.

Одним из источников вдохновения Карно было изучение устройства паровых машин. Он был убежден, что поражение Франции в наполеоновских войнах было напрямую связано с тем, что его страна не успела укротить силу пара и направить ее на создание тяжелой промышленности, как это успешно сделала Англия. Несмотря на то что паровая машина была изобретена и поставлена на производство в Англии, ее устройство было далеко не совершенно. В сущности, оно представляло собой результат проб, ошибок и во многом интуитивных решений шотландского изобретателя Джеймса Уатта. Несовершенство устройства объяснялось недостаточной теоретической базой. Карно стремился исправить ситуацию. Он провел математические расчеты и описал, как необходимо использовать тепловую машину (такую, какие приводили в движения поезда), чтобы ее работа представляла собой круговой процесс, получивший в науке название «цикл Карно».

Цикл Карно описывает принцип, согласно которому тепловая машина переносит энергию из тепла в холод и использует некоторое количество этой энергии для выполнения определенной работы, а затем возвращается в исходное положение. Например, паровая машина переносит горячий пар (теплоту) из нагревателя в конденсатор, где пар охлаждается, но в процессе переноса использует некоторое количество энергии пара для механической работы: энергия передается поршню, а следовательно, и колесам локомотива. Охлажденная вода снова возвращается из конденсатора в нагреватель, и весь процесс (цикл Карно) вновь повторяется по кругу.

Принцип цикла Карно применим ко всем типам двигателей, использующих тепловую энергию для выполнения любой механической работы, — от паровых машин, положивших начало промышленной революции, до современных бензиновых двигателей и электронасосов, поддерживающих низкую температуру в холодильниках. Карно показал, что эффективность любого двигателя, или, как он сам говорил, «любой тепловой машины, какую только можно вообразить», зависит от нескольких фундаментальных принципов. Кроме того, он доказал, что КПД любой классической тепловой машины не может превышать теоретически выведенного максимума, известного как предел Карно. Например, КПД электромотора, который тратит 100 Вт электроэнергии на производство механической силы 25 Вт, составляет 25 %. Классические тепловые машины не отличаются высокой эффективностью.

Принципы работы и ограничения возможностей тепловых машин, описанные Карно, настолько универсальны, что могут быть применимы к описанию, например, размещенных на крышах некоторых зданий фотоэлементов, которые улавливают энергию света и превращают ее в электроэнергию. Те же принципы подходят и к описанию действия биологических фотоэлементов, заключенных в хлоропласты, содержащиеся в листьях растений (мы уже говорили о них в этой книге). Подобная квантовая тепловая машина выполняет работу, схожую с работой классической тепловой машины, с той лишь разницей, что пар здесь уступает место электронам, а источник теплоты — фотонам света. Сначала электроны поглощают фотоны и получают энергию. Они могут отдать эту энергию, если требуется, на проведение полезной химической работы. Данная идея была сформулирована в одной из работ Альберта Эйнштейна, а гораздо позднее легла в основу разработки лазера. Проблема заключается в том, что большое количество электронов, захвативших фотоны, растрачивают энергию и теряют теплоту еще до того, как успевают применить ее с пользой. Таким образом, у квантовой тепловой машины также есть предел КПД.

Как вы помните, в фотосинтетических комплексах конечным пунктом назначения движущихся и колеблющихся экситонов является реакционный центр. До сих пор мы уделяли внимание только процессу переноса энергии, однако сам акт фотосинтеза происходит внутри реакционного центра. Именно здесь хрупкая энергия экситонов превращается в устойчивую химическую энергию молекулы белка — переносчика электронов. Эту энергию растения и бактерии используют для выполнения полезной работы, в частности для создания новых растений и бактерий.

Происходящее в реакционном центре не менее удивительно, чем стадия перемещения экситона. Во всяком случае, таинственности здесь явно больше. Окисление представляет собой химический процесс, в ходе которого происходит отдача электронов одними атомами другим. Бывает, что электроны быстро и легко передаются одним атомом (который становится окисленным) другому (окислителю). Однако в некоторых случаях (например, при сжигании угля, древесины или любого углеродного вида топлива) электроны, которые изначально относятся к одному атому, становятся общими для нескольких атомов (в данном случае донор электрона все равно теряет электрон, когда делится им, подобно тому как вы лишаетесь шоколадки, если делитесь ею). Так, если на воздухе горит углерод, его атомы делятся электронами, находящимися на внешних орбитах, с атомами кислорода. Эти электроны образуют молекулярные связи углекислого газа. В реакциях горения внешние электроны атомов углерода являются относительно слабо связанными, поэтому атомы отпускают их сравнительно легко. Однако в фотосинтетическом реакционном центре растения или бактерии необходима энергия, чтобы выдернуть электроны из молекул воды, в которых электроны связаны гораздо прочнее. Фактически происходит распад двух молекул воды H₂O с образованием одной молекулы O₂, четырех положительно заряженных ионов водорода и четырех электронов. Итак, поскольку молекулы воды теряют электроны, можно сказать, что реакционный центр фотосинтеза — это единственное место в природе, где возможно окисление воды.

В 2011 году американский физик Марлан Скалли, в настоящее время профессор одновременно Техасского университета A & M и Принстона, совместно с коллегами из нескольких университетов США предложил интересный способ спроектировать гипотетическую квантовую тепловую машину таким образом, что предел КПД стандартной квантовой тепловой машины будет значительно превышен[184]. Для достижения такого результата необходимо использовать способность молекулярного шума ввести электрон в суперпозицию, когда он пребывает одновременно в двух энергетических состояниях. Когда такой электрон поглощает энергию фотона и переходит в возбужденное состояние, он продолжает сохранять суперпозицию двух энергий (энергии теперь становится больше). В этом случае вероятность того, что электрон вернется в свое изначальное состояние и потеряет энергию в виде растраченной теплоты, снижается благодаря квантовой когерентности его энергетических состояний, что напоминает пример с рисунком интерференции в эксперименте с двумя щелями, который мы описывали в главе 4. Как вы помните, некоторые положения на заднем экране, доступные атомам при одной открытой щели, становятся недоступными вследствие деструктивной интерференции при двух открытых щелях. В случае с нашим электроном аккуратное взаимодействие молекулярного шума и квантовой когерентности настраивает квантовую паровую машину так, чтобы снизить неэффективные растраты тепловой энергии и, следовательно, повысить квантовый предел Карно.

Но возможны ли такие тонкие настройки на квантовом уровне? Для этого нам придется проектировать и контролировать количество энергии и положение отдельных электронов, точно рассчитывать интерференцию, чтобы ускорить передачу энергии по продуктивным маршрутам и не допустить ее растрат. Придется также настраивать в квантовой среде молекулярный белый шум таким образом, чтобы возвращать в общий ритм выбившиеся электроны, но делать это нужно не слишком активно, поскольку электроны могут подхватить новые ритмы и когерентность будет утрачена. Так есть ли во Вселенной такое место, где мы могли бы обнаружить подобные тонкие настройки молекулярной упорядоченности, при которых бы наблюдались эффективные результаты квантовых явлений в мире частиц?

Статья Скалли 2011 года является теоретической работой. Никому еще не удалось построить квантовую паровую машину, которая обладала высоким КПД, преодолев предел Карно. Однако в 2013 году вышла еще одна статья авторства той же группы ученых, в которой был отражен любопытный факт, касающийся фотосинтетических реакционных центров[185]. Все они содержат не одну молекулу хлорофилла, способную приводить в движение возможную квантовую паровую машину, а пару молекул хлорофилла, названную учеными специальной парой.

Несмотря на то что молекулы хлорофилла в специальной паре являются идентичными, их окружают и удерживают в центре различные белки, что обусловливает их колебания на незначительно отличающихся частотах. Иными словами, они «звучат» немного не в тон. В более поздней статье Скалли и его коллеги отметили, что благодаря такой структуре фотосинтетический реакционный центр характеризуется точной молекулярной архитектурой, необходимой для его превращения в квантовую паровую машину. Исследователи показали, что специальная пара молекул хлорофилла настраивается на общий ритм и использует квантовую интерференцию, чтобы препятствовать переносу энергии по непродуктивным маршрутам, на которых высока вероятность ее растраты. В таком случае молекула-акцептор получит энергии на 18–27 % больше, чем предполагает предел, просчитанный математиком Карно более 200 лет назад. Может показаться, что это не такой уж большой показатель. Однако, если мы обратимся к прогнозам, согласно которым мировое потребление энергии вырастет с 2010 до 2040 года на 56 %, станет понятно, что разработка технологии, благодаря которой можно получить энергию сравнимых объемов, имеет стратегическое значение.

Этот удивительный результат является еще одним ярким примером того, что живые организмы, получающие жизненные силы из квантового мира, обладают способностями, которые отсутствуют у неодушевленных макроскопических объектов. Безусловно, для того, чтобы такой смелый проект осуществился, необходима квантовая когерентность. Однако совсем недавно, в июле 2014 года, команда ученых из Нидерландов, Швеции и России опубликовала сенсационные результаты. Они обнаружили квантовое биение в растительном фотосинтетическом реакционном центре II[186] и заявили, что эти центры функционируют как «квантовые световые ловушки»[187]. Не забывайте о том, что фотосинтетические реакционные центры появились между двумя и тремя миллиардами лет назад. Похоже на то, что на протяжении почти всей истории нашей планеты растения и бактерии пользовались встроенными квантовыми паровыми машинами (процесс настолько сложный и хитроумный, что нам еще очень далеко до его искусственного воспроизведения), чтобы передавать энергию углероду. Так была создана вся биомасса Земли, в которой сформировались бактерии, растения, динозавры и, разумеется, мы. На самом деле мы до сих пор пользуемся древнейшей квантовой энергией в виде энергетических ресурсов, которые греют наши дома, заводят машины и поддерживают всю современную промышленность. Невозможно переоценить преимущества, которые современные технологии человечества получают от древнейших природных технологий квантового мира.

Итак, в фотосинтезе шум, вероятно, используется как для повышения эффективности перемещения экситонов к реакционному центру, так и для захвата энергии солнечного света, как только он попадает в реакционный центр. Однако способность превратить молекулярный порок (шум) в квантовую добродетель присуща не только фотосинтезу. В 2013 году группа исследователей из Манчестерского университета под руководством Найджела Скраттона (об экспериментах, проведенных этой командой, связанных с туннелированием протона в ферментах, мы говорили в главе 3) заменила обычные атомы в ферменте на более тяжелые изотопы. В результате цепочки молекул белка потяжелели и стали совершать колебания (производить цветной шум) на разных частотах. Ученые обнаружили, что туннелирование протона и активность фермента в целом нарушены в ферменте с тяжелыми изотопами[188], из чего следует, что в обычном состоянии при наличии более легких атомов колебания белковой цепи способствуют эффективному туннелированию и активности фермента. Похожие результаты (в экспериментах с другими ферментами) были получены группой ученых под руководством Джудит Клинман из Калифорнийского университета[189]. Итак, молекулярный шум не только активно участвует в фотосинтезе, оказывая влияние на его протекание, но и, по всей видимости, играет важную роль в побуждении фермента к активности. Напомним, что ферменты являются движущими силами жизни, благодаря которым возможно существование любой отдельно взятой молекулы из тех, что содержатся в клетках всех живых организмов нашей планеты. Вполне вероятно, что ключевое значение для поддержания жизни на Земле имеют «приятные» молекулярные вибрации.

Дают ли все эти новые открытия ответ на вопрос о природе жизни, который несколько десятков лет назад сформулировал Шредингер? Мы приняли во внимание его тезис о том, что жизнь — это система, в которой преобладает порядок, пронизывающий все ее уровни — высокоорганизованных макроскопических организмов, бурного термодинамического океана молекул, из которых состоят макроскопические объекты, и, наконец, квантового уровня — самого основания жизни (см. рис. 10.1). Ключевое значение имеет тот факт, что механизм жизни настроен и сбалансирован настолько тонко, что последствия событий, происходящих на квантовом уровне, могут проявляться в мире видимых объектов, как и предсказывал Паскуаль Йордан еще в 1930-е годы. Подобная чувствительность макроскопического уровня к явлениям квантового мира характерна только для живой материи и позволяет механизму жизни использовать квантовые явления (туннелирование, когерентность, запутанность частиц) в наших с вами интересах.

Но (и это очень большое НО) подобное использование квантового мира в интересах жизни возможно лишь при одном условии — при сдерживании декогерентности. В противном случае система утрачивает квантовые свойства и начинает вести себя строго по законам классической физики или термодинамики, по принципу «порядка из неупорядоченности». В ходе экспериментов ученым удавалось препятствовать декогерентности путем ограждения квантовых реакций от деструктивного шума. В данной главе мы показали, что жизнь, судя по всему, избрала иную стратегию. Жизнь не только не позволяет шуму нарушить когерентность, но и использует его для поддержания связи с миром квантовых явлений. В главе 6 мы метафорично представили жизнь в виде гранитного блока, балансирующего в положении, в котором он может сохранять связь с явлениями квантового мира. По причинам, которые скоро вам станут понятны, в дальнейшем повествовании мы заменим в нашей метафоре гранитный блок парусником.

Для начала представим, что наш парусник стоит в доке, а его киль представляет собой тонкую линию, на которой расположен ряд атомов. В этом достаточно неустойчивом положении наш корабль, как и живая клетка, имеет связь с квантовыми событиями, протекающими на его атомном киле. Туннелирование протона, электронное возбуждение или запутанность частицы могут иметь последствия для всего корабля, например изменить его положение в доке. Однако представим теперь, что капитан нашего судна придумал замечательный хитроумный способ использовать квантовые явления, происходящие на киле (когерентность, туннелирование, суперпозицию, запутанность), для упрощения навигации, когда парусник выходит в открытое море.

И все же не забывайте, что мы все еще находимся в доке и пока корабль никуда не отправляется. Несмотря на то что в таком неустойчивом состоянии парусник может использовать последствия квантового уровня, это состояние подвержено воздействию легчайшего бриза — для корабля, киль которого представляет собой линию атомов, достаточно даже не дуновения ветерка, а прикосновения одной молекулы воздуха, чтобы перевернуться. Инженерный подход к проблеме поддержания корабля на плаву и, следовательно, сохранения связи с квантовыми явлениями, происходящими на киле, подразумевает возведение вокруг корабля защитной камеры, из которой необходимо будет выкачать весь воздух, чтобы ни одна молекула, словно бильярдный шар, не нарушила его равновесие. Инженеру придется также охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы исключить фактор влияния молекулярных колебаний. Однако опытные капитаны знают, что существует еще один способ поддерживать наш парусник на плаву: его нужно отпустить в плавание в бурные термодинамические воды.

Мы принимаем как должное тот факт, что легче поддерживать равновесие судна на воде, а не на суше. Тем не менее, если говорить о молекулярном уровне, мы увидим, что причины более стабильного положения корабля на воде не так уж и очевидны. Мы только что выяснили, что, с точки зрения инженера, сохранить корабль с узким килем в положении равновесия в доке можно лишь в том случае, если нам удастся предотвратить воздействие на него отдельных атомов и молекул. Но море ведь как раз и является средой, которая заполнена атомами и молекулами, хаотично ударяющимися друг о друга и о киль любого корабля, словно бильярдные шары, сталкивающиеся друг с другом и сдвигающие планку, о которых мы говорили в главе 2. Так почему же наш корабль в доке может перевернуться от легчайшего удара крошечной молекулы, а в море остается невосприимчивым к множеству таких ударов?

Ответ на этот вопрос следует искать, снова опираясь на принцип «порядок из неупорядоченности», описанный Шредингером. Корабль действительно будет испытывать триллионы молекулярных ударов по обе стороны борта. Разумеется, в море сохранение равновесия нашего корабля будет зависеть не только от ультратонкого киля, но и от подъемной силы воды. Учитывая многочисленные удары об оба борта корабля, сила воздействия на нос, корму, равно как и на правый и левый борт, будет примерно одинаковой. Итак, плывущие корабли не переворачиваются, поскольку их равновесие сохраняется благодаря триллионам хаотичных ударов молекул о все его борта: это и есть порядок (вертикальное положение судна) из неупорядоченности (триллионы хаотичных ударов молекул, которые бьются о его борта, словно бильярдные шары).

Однако корабли, разумеется, тонут и в открытом море. Представьте, что капитан повел корабль в море в сильный шторм, но экипаж не успел поднять паруса. Теперь волны бьются о борт судна вовсе не в случайном порядке — с обеих сторон на корабль может обрушиться вал, который легко перевернет парусник. Но наш умный капитан знает, как удержать равновесие корабля: он приказывает поднять паруса, чтобы сила ветра удерживала корабль на ровном киле (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Жизнь лавирует на краю квантового и видимого миров. Живая клетка напоминает корабль, киль которого достигает квантового уровня реальности и, следовательно, может использовать последствия таких явлений, как туннелирование или квантовая запутанность, для сохранения собственной жизни. Подобная связь с квантовым миром поддерживается живыми клетками благодаря укрощению термодинамических бурь — молекулярного шума, что помогает поддерживать, а вовсе не нарушать квантовую когерентность

На первый взгляд, подобный маневр капитана кажется противоречивым. Легко предположить, что резкий ветер и непредсказуемые порывы скорее перевернут корабль, нежели будут способствовать поддержанию его хрупкого равновесия — это ведь будут не единичные, а повторяющиеся порывы ветра, которые будут все с большей силой обрушиваться то на правый, то на левый борт. Однако капитан знает, как рассчитать угол между парусом и штурвалом, чтобы ветер и течение действовали против самих себя и сами исправляли крен. Таким образом, он укрощает бурю, чтобы удержать корабль в равновесии.

Жизнь имеет много общего с нашим воображаемым кораблем, плывущим по бушующим волнам видимого мира с опытным капитаном на борту: генетическая программа, которая совершенствовалась на протяжении четырех миллиардов лет эволюции, работает на любых глубинах квантового и видимого уровней жизни. Вместо того чтобы прятаться от бурь, жизнь смело встречает их и укрощает молекулярные шквалы и порывы, чтобы наполнить паруса и удерживать равновесие своего корабля на узком киле, который, опускаясь глубже в термодинамические воды, держит связь с квантовым миром (см. рис. 10.2). Жизнь пускает корни так глубоко, что достигает края квантового мира и использует в своих интересах последствия происходящих там таинственных явлений.

Помогает ли нам данная метафора лучше понять, что есть жизнь? Что ж, мы предлагаем рассмотреть еще одно предположение. Подчеркнем: это лишь предположение, однако мы не можем не высказать его, зайдя так далеко в нашем повествовании о механизмах жизни. Помните вопрос, который мы обсуждали в главе 2? Это был вопрос о различии между живым и неживым. Наши предки считали, что это различие заключается в наличии у живого души. Смерть, полагали они, связана с тем, что душа покидает тело. Механистическая философия Декарта пошатнула позиции витализма и отказалась от понятия души (по крайней мере обосновала ее отсутствие у растений и животных). Тем не менее различие между живым и неживым так и не было сформулировано. Может ли наше новое понимание жизни заменить понятие души понятием «квантовая искра жизни»? Многие могут посчитать, что подобная постановка вопроса является подозрительной и даже в какой-то степени дискредитирует традиционную науку, сближая ее с псевдонаукой и эзотерикой. Мы вовсе не имеем в виду такое сближение. Наоборот, мы предлагаем вашему вниманию идею, которая, как мы надеемся, могла бы стать крупицей научной теории, способной сокрушить мистические и метафизические представления о жизни.

В главе 2 мы сравнили способность жизни сохранять высокую степень организованности с тем хитроумным порядком на бильярдном столе, который поддерживается неупорядоченным движением. Как вы помните, в центре стола находятся шары, уложенные пирамидой, а другие шары беспорядочно катаются по столу, сталкиваясь друг с другом, выбивая шары из пирамиды и тут же ставя на место выбитого новый шар. Наш воображаемый бильярдный стол напоминает термодинамическую систему. Теперь, когда вы узнали много нового о том, как устроена жизнь, вы понимаете, что ее самодостаточность поддерживается сложным молекулярным механизмом ферментов, пигментов, ДНК, РНК и других биомолекул, многие свойства которых зависят от квантово-механических явлений — туннелирования, когерентности и запутанности частиц.

Результаты недавних научных исследований, о которых мы говорили в данной главе, говорят о том, что некоторые из всех многообразных явлений, связанных с квантовым миром (те явления, которые происходят с нашим воображаемым кораблем во время шторма), во многом возможны благодаря удивительной способности жизни укрощать термодинамические бури и поддерживать связь с квантовой реальностью. Однако что происходит в том случае, если термодинамическая буря слишком сурова? Представим, например, что во время бури сломалась мачта нашего метафорического корабля. Что тогда? Не в состоянии управлять порывами термодинамического ветра и ударами волн (белым и цветным шумом) и удерживать киль ровно, корабль-клетка без парусов будет сокрушен бурей. Его будет подбрасывать на волнах, и постепенно он потеряет связь с миром квантовых явлений (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Возможно, смерть живого организма есть не что иное, как разрыв его связи с высокоупорядоченным квантовым миром, после утраты которой организм бессилен сопротивляться случайному воздействию хаотичных термодинамических сил

Когда эта связь будет нарушена, когерентность, запутанность частиц, туннелирование или суперпозиция не смогут влиять на функционирование клетки в макромире, поэтому без опоры на квантовые явления клетка утонет, словно потерявший равновесие корабль, в бушующих термодинамических волнах, превратившись в обычный объект видимого мира, не имеющий спасительных квантовых свойств. Если корабль затонул, ни один шторм не сможет вернуть его на поверхность воды. Возможно, тот же принцип работает и с живым организмом: как только он теряет равновесие в бурном молекулярном океане, никакая буря не сможет восстановить его утраченную связь с миром таинственных квантовых явлений.

Возможно, шторм не может поднять со дна затонувшее судно, однако это под силу людям. Изобретательный ум человека способен на гораздо большее, нежели случайные силы. В главе 9 мы говорили о том, насколько ничтожно мала вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо вдруг соберет «Боинг». А вот авиаинженеры умеют собирать самолеты. Можем ли мы подобным образом собрать жизнь? На страницах этой книги мы уже не раз упоминали о том, что никому еще не удалось создать жизнь из инертных химических веществ. Согласно известному высказыванию Ричарда Фейнмана, это означает, что мы пока не до конца поняли сущность явления жизни. Однако, возможно, новые открытия квантовой биологии могут обеспечить нас тем самым средством, с помощью которого нам удастся создать жизнь, — новой, революционной формой технологии, основанной на жизни.

Мы, разумеется, знакомы с подобными технологиями и всецело от них зависим, особенно в сфере сельского хозяйства и производства пищевых продуктов. Мы питаемся продуктами, которые являются результатом таких технологий: хлеб, сыр, пиво и вино получаются в результате переработки муки, молока, зерна и сока фруктов дрожжами и бактериями. Подобным образом весь современный мир пользуется неживыми результатами деятельности некогда живых клеток, такими, например, как ферменты, которые Мэри Швейцер использовала для расщепления кости динозавра. Похожие ферменты применяются для расщепления природных волокон и изготовления тканей. Кроме того, они входят в состав моющих и чистящих средств. Биотехнологическая и фармакологическая индустрия, в которую вложены миллионы долларов, выпускает сотни продуктов (в том числе антибиотики), защищающих нас от инфекций. В энергетической промышленности применяется способность бактерий превращать избыточную биомассу в биотопливо. Многие материалы, без которых невозможно представить современную жизнь, например древесина и бумага, некогда были живой материей, как и те топливные ресурсы, которыми мы обогреваем дома и заправляем автомобили. Даже в XXI веке мы всецело зависимы от тысячелетней технологии, основанной на жизни. Если у вас остаются какие-либо сомнения на этот счет, прочтите роман-антиутопию Кормака Маккарти «Дорога». В этой книге описывается суровый мир, в котором окажется человечество, беспечно уничтожившее технологии жизни.

Однако у существующих технологий жизни есть свои ограничения. Например, несмотря на невероятно высокую энергетическую эффективность некоторых стадий процесса фотосинтеза, о которых мы говорили выше, большинство из них эффективными не являются. В целом эффективность превращения солнечной энергии в химическую (это превращение мы применяем в сельском хозяйстве) очень невысока. Дело в том, что собственные планы растений и бактерий отличаются от тех планов, которые строим мы с вами. Например, они производят растения и семена — казалось бы, рутинная работа, не требующая особых энергетических затрат, но тем не менее невероятно важная для выживания этих организмов. Так, бактерии, участвующие в производстве антибиотиков, ферментов и лекарственных средств, также делают это весьма неэффективно, поскольку их собственная программа, опирающаяся на эволюцию, заставляет их тратить силы на «ненужную» деятельность, например на производство новых бактериальных клеток.

Можем ли мы создать жизнь, которая действовала бы по нашей программе? Разумеется, можем. Мы уже давно пользуемся результатом успешного одомашнивания человеком диких растений и животных: выращивание злаков и разведение домашнего скота тоже является технологией, основанной на жизни. Однако искусственный отбор, благодаря которому мы имеем растения с более крупными семенами и послушных животных, удобных для разведения, все же имеет свои рамки. Например, миллиарды долларов ежегодно тратятся на удобрения, восполняющие утрату почвой азота вследствие интенсивного использования ее в земледелии. Бобовые культуры, например горох, не нуждаются в азотных удобрениях, поскольку в их корнях живут бактерии, захватывающие необходимый растению азот прямо из воздуха. Эффективность сельского хозяйства значительно возросла бы, если бы мы сумели вывести и зерновые культуры, которые могли бы сами добывать себе азот из воздуха, как это делает гороховое растение. Однако пока злаки с таким полезным свойством вывести не удалось.

Тем не менее даже такое ограничение преодолимо, по крайней мере частично. Генетические манипуляции с растениями, бактериями и даже животными (генная инженерия) получили широкое распространение в конце XX века. В наши дни большую часть урожая основных сельскохозяйственных культур, например сои, мы получаем с генетически модифицированных растений, невосприимчивых к болезням и воздействию гербицидов. Современные ученые работают над внедрением в геном злаков генов, отвечающих за получение азота из воздуха. Современную биотехнологическую промышленность невозможно представить без генетически модифицированных бактерий, которые широко применяются для производства антибиотиков и других лекарственных препаратов.

И все же в этой сфере не обойтись без ограничений. Генная инженерия в основном занимается тем, что перемещает гены из одного вида живых организмов и растений в другой. Например, листья, но не зерна рисового растения содержат витамин A (бета-каротин), поэтому в одном из ведущих продуктов питания развивающихся стран мира едва ли найдется один из самых полезных витаминов. От витамина A зависит нормальное функционирование нашей иммунной системы и зрения. Его нехватка в самых бедных регионах планеты, где основным продуктом питания является рис, приводит к тому, что ежегодно в этих странах миллионы детей теряют зрение или умирают от инфекций. В 1990-х годах Питер Бейер из Фрайбургского университета и Инго Потрикус из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе внедрили в геном рисового растения два гена (один из генома нарцисса, другой — из бактерии), отвечающих за выработку витамина A, чтобы получить рис с высоким содержанием витамина A в зернах. Генетически модифицированный сорт «Золотой рис», как его назвал Бейер за золотисто-желтый цвет зерен, способен обеспечить детей развивающихся стран необходимым витамином A. Однако, несмотря на то что генная инженерия является довольно успешной технологией, она только начинает серьезные эксперименты с живой материей. Развивающаяся научная дисциплина — синтетическая биология — занимается разработкой революционных технологий на основе жизни, благодаря которым станет возможным появление новых ее форм.

Существует два взаимодополняющих подхода к синтетической биологии. О научном подходе «сверху вниз» мы уже упоминали, когда говорили о том, как известный генетик, пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер создал так называемую синтетическую жизнь, заменив геном бактерии микоплазмы синтетической копией того же генома. Замена генома живого организма сопровождалась незначительными изменениями в последовательности генов, и все же новый организм был настоящей бактерией микоплазмы: своим вмешательством ученые не сильно повлияли на биологию бактерии. В ближайшие годы Вентер и его команда планируют внести в геном синтетического организма радикальные изменения, однако согласно научному подходу «сверху вниз» эти изменения будут вводиться постепенно, шаг за шагом. Команда Вентера не создала новую жизнь — они лишь модифицировали одну из существующих ее форм.

Второй подход в синтетической биологии — принцип «снизу вверх» — является более радикальным. В рамках данного подхода ученые отдают предпочтения не модификации уже существующих живых организмов, а созданию новых форм жизни на основе инертных химических соединений. Многие посчитают подобные эксперименты опасными и даже кощунственными. Осуществимы ли такие проекты? Что ж, живые организмы вроде нас с вами — это удивительно сложно устроенные механизмы. Чтобы понять принципы их действия, как и в случае с любыми другими механизмами, необходимо провести инженерный анализ и так называемое обратное проектирование. Впоследствии можно использовать выявленные принципы для построения более совершенных механизмов.

Сторонники принципа синтетической биологии «снизу вверх» мечтают о создании новых форм жизни, которые могли бы изменить наш мир. Например, одно из самых важных понятий для современной архитектуры — экоустойчивость: архитекторы проектируют экоустойчивые дома, офисы, заводы и целые города. И тем не менее, несмотря на то что современные здания и города часто характеризуются как «самодостаточные», их функционирование всецело зависит от усилий и навыков действительно самодостаточных существ — людей, способных поддерживать необходимые условия данных объектов: когда ветер срывает черепицу с крыши вашего дома, вы вызываете строителя, который забирается на крышу и покрывает ее новой черепицей; когда у вас протекает труба, вы вызываете сантехника; когда ломается ваш автомобиль, вы обращаетесь за помощью к механику. В сущности, человек до сих пор своими руками исправляет тот ущерб, который наносят его вещам, машинам, домам ветер, дождь и другие природные явления, в основе которых лежит знакомое нам хаотичное движение молекул, напоминающее движение беспорядочно сталкивающихся бильярдных шаров.

Жизнь устроена по-другому. Живые организмы способны поддерживать сами себя, обновляя, заменяя или «ремонтируя» поврежденные или изношенные ткани. До тех пор пока мы живы, мы действительно самодостаточны. Современная архитектура попыталась наделить многие знаковые здания, построенные в последние годы, определенными свойствами живых организмов. Например, башня Мэри-Экс, или «огурец», построенная в Лондоне в 2003 году по проекту Нормана Фостера, имеет уникальную поверхность из шестигранников, что позволяет небоскребу успешно выдерживать ветровые нагрузки. Такая особенность покрытия придает зданию сходство с морской губкой Euplectella aspergillum, известной также как цветочная корзиночка Венеры. Система кондиционирования воздуха, обеспечивающая вентиляцию и охлаждение здания Eastage Centre, построенного по проекту архитектора Мика Пирса в столице Зимбабве Хараре, устроена по принципу вентиляционной системы термитника. Рэйчел Армстронг, одна из руководителей исследовательской группы архитекторов AVATAR Гринвичского университета, придерживается еще более смелых взглядов — она считает возможным создание биометрической архитектуры и полностью самодостаточных зданий. Наряду с некоторыми другими архитекторами — мечтателями и единомышленниками, она увлечена идеей проектирования зданий из искусственно созданных живых клеток, которые будут способны сами поддерживать функционирование, устранять ущерб и самовоспроизводиться[190]. Подобные «живые» здания будут способны оценить степень ущерба, нанесенного им ветром, дождем или, скажем, наводнением, и, как любой живой организм, использовать внутренние ресурсы для самовосстановления.

Идеи Армстронг можно развить и подумать, как можно еще использовать свойства живых организмов в синтетической биологии. Материалы, созданные на основе жизни, можно использовать в протезировании, например в производстве искусственных конечностей и суставов, которые имели бы способность к самовосстановлению и защите самих себя от воздействия микробов, то есть обладали бы некоторыми важными свойствами живой ткани. Искусственные формы жизни можно было бы внедрять в человеческий организм, например, для поиска и уничтожения раковых клеток. Лекарственные препараты, топливо и продукты питания можно было бы создавать на основе синтетических форм жизни, не обремененных эволюционной историей. Можно также вполне серьезно говорить о будущем, в котором всю «черную» работу за людей будут выполнять живые роботы — андроиды. Они также могли бы заняться терраформированием Марса, созданием на красной планете условий для жизни людей, а также строительством космических кораблей, которые могли бы исследовать нашу Галактику.

Идеи создания синтетических форм жизни по принципу «снизу вверх» возникли еще в начале XX века, когда французский биолог Стефан Ледюк написал: «Подобно тому как синтетическая химия начиналась с искусственного создания простейших органических продуктов, синтетическая биология должна поначалу довольствоваться созданием форм, напоминающих низшие организмы»[191]. В главе 9 мы говорили о том, что даже современные «низшие организмы» — это сложнейшим образом организованные бактерии, состоящие из нескольких тысяч частей, которые невозможно синтезировать даже за очень длительный промежуток времени в рамках какого бы то ни было научного подхода. Жизнь, несомненно, начиналась с более простой формы, чем бактерия. Как мы уже говорили в этой главе, современные представления о нашем древнейшем предке связаны с молекулами самореплицирующейся ферментативной РНК (рибозимами) или белка, скопившимися в некоем пузырьке и таким образом сформировавшими простейшую клеточную структуру — протоклетку, способную к самовоспроизведению. Природа первых протоклеток, если они на самом деле существовали, остается полнейшей загадкой. Многие ученые полагают, что первые формы жизни сохранились в микроскопических порах древнейших пород (например, в горах Исуа, о которых мы говорили в главе 9), заполненных простыми биохимическими соединениями, способными поддерживать жизнь. Другие считают, что протоклетки представляли собой пузырьки или капельки биохимических соединений, связанных чем-то наподобие мембраны, плавающей в «первичном бульоне».

Большинство сторонников принципа «снизу вверх» черпают вдохновение из различных теорий происхождения жизни и пытаются создать живые протоклетки, способные выживать в искусственно созданном в лаборатории первичном океане. Возможно, простейший вариант такой протоклетки — пузырек или капелька масла в воде или, наоборот, воды в масле. Получить такую протоклетку несложно: вы и сами миллион раз ставили этот эксперимент, например заправляя салат маслом. Известно, что вода и масло не вступают в реакции, поэтому быстро отделяются друг от друга. Однако, если вы добавите к ним вещество, молекулы которого займут место между молекулами воды и масла (этим веществом — сурфактантом — может послужить, например, горчица), и хорошенько перемешаете все три компонента, у вас получится густая, однородная заправка для салата. На самом деле полученная смесь только на вид густая и однородная: в ее структуре сохраняются триллионы отдельных стабильных капелек масла.

Мартин Ханцик, профессор Университета Южной Дании, получил удивительно правдоподобные протоклетки из капель масла в воде, которые он стабилизировал при помощи синтетического компонента моющих средств. Его протоклетки имеют очень простую структуру и состоят в основном только из пяти соединений. Если соблюдать правильные пропорции, эти соединения самоорганизуются в маслянистые капельки. Химия таких капелек очень проста: подобные протоклетки приходят в движение благодаря конвекции (передаче тепла) и подобным химическим силам, благодаря которым масляные капельки объединяются в более крупные пузырьки. Они также характеризуются способностью к простейшей форме роста и самовоспроизведения. Протоклетки способны поглощать «сырье» из окружающей среды и распадаться на две части[192].

Сравнение протоклеток Ханцика с живыми клетками как бы вывернуто наизнанку: протоклетки характеризуются маслянистой внутренней средой, а окружает их водная среда. Большинство исследователей все же склоняются к созданию протоклеток с внутренней водной средой. Это позволит заполнить протоклетки готовыми биомолекулами, растворимыми в воде. Так, в ходе эксперимента, проведенного в 2005 году, генетик Джек Шостак заполнил протоклетки рибозимами РНК[193]. Как вы помните (из главы 9), рибозимы — это молекулы РНК, кодирующие генетическую информацию, как и ДНК, и обладающие ферментативной активностью. Команда ученых продемонстрировала, что заполненным рибозимами протоклеткам свойственна простейшая форма наследственности: они, как и протоклетки Ханцика, в конце концов распадаются на две протоклетки. В 2014 году группа исследователей под руководством Себастиана Лекоммандо (Университет Неймегена имени святого Радбода, Нидерланды) создала еще один вид протоклетки, многочисленные ячейки которой были заполнены ферментами, способными, как и живые клетки, поддерживать простейший метаболизм, передающийся от одной ячейки к другой[194].

Эти динамичные, химически активные протоклетки представляют собой удивительные, впечатляющие конструкты. Но являются ли они простейшей формой жизни? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо сформулировать рабочее определение жизни. На первый взгляд, в определении должен присутствовать один из очевидных признаков живой клетки — способность к саморепликации, однако в некоторых случаях он не является обязательным. Большинство клеток взрослого организма, например красные кровяные тельца или нервные клетки, не реплицируются, однако они, несомненно, являются живыми клетками. Более того, некоторые люди, состоящие из миллиарда клеток, например буддийские монахи или католические священники, не заботятся (в большинстве случаев) о самовоспроизведении и все же являются очень даже живыми организмами. Итак, саморепликация, безусловно, является необходимой способностью для длительного существования любого вида живых организмов, однако она не представляет собой обязательное свойство жизни.

О другом свойстве жизни, еще более фундаментальном, чем самовоспроизведение, мы уже говорили, когда упоминали биомиметический подход в современной архитектуре: самодостаточность. Жизнь способна сама поддерживать себя в «живом состоянии». Таким образом, нашим минимальным требованием к протоклетке, созданной в лабораторных условиях в рамках синтетического подхода «снизу вверх», будет способность поддерживать жизнь в бурной термодинамической среде — тогда протоклетку можно будет классифицировать как живую.

К сожалению, согласно такому упрощенному определению ни одно из существующих поколений искусственно полученных протоклеток нельзя отнести к формам жизни. Даже протоклетки, способные на некоторые чудеса вроде простейшей формы репликации (деление на две части), производят дочерние клетки, которые на самом деле не похожи на клетки старшего поколения: в них содержится гораздо меньше компонентов (рибозимов или ферментов), поэтому на дальнейших стадиях репликации эти компоненты в конце концов растрачиваются полностью. Подобным образом, несмотря на то что протоклетки, полученные группой под руководством Лекоммандо, способны поддерживать метаболизм, свойственный простейшим живым организмам, их нужно постоянно заполнять активными биомолекулами, без которых протоклетки теряют самодостаточность. Существующие поколения протоклеток, полученных в лабораторных условиях, напоминают механические часы с заводным механизмом: они способны сохранять химическую активность при поддержке готовых ферментов и субстратов, пока запасы этих поддерживающих веществ не иссякнут. Затем под воздействием хаотичных ударов окружающих молекул структура протоклеток постепенно разрушается, их поведение становится все более случайным и беспорядочным, и в конце концов они растворяются в окружающей их среде. Таким образом, искусственные протоклетки, в отличие от живых, не способны «заводить» собственный механизм жизни.

Возможно, в протоклетках отсутствует какой-то важный компонент? Синтетическая биология — очень молодая дисциплина. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия специалисты в этой области совершат немало новых открытий. В последней части нашей книги мы бы хотели поговорить о том, что квантовая механика может предоставить ту самую недостающую искру жизни, необходимую для того, чтобы искусственные формы жизни стали по-настоящему живыми. Создание синтетической жизни на основе квантовой механики могло бы предоставить человечеству не только революционно новые технологии и возможности, но и наконец дать подсказку, которая приведет нас к ответу на вопрос, который мы задавали на протяжении всей книги: что есть жизнь?

Мы, как и многие другие исследователи, считаем, что описание механизма жизни в рамках термодинамики является неполным, поскольку оно не учитывает способности живой материи управлять явлениями квантового мира. Мы уверены, что жизнь зависит от законов квантовой механики. Но правы ли мы? Как мы уже говорили, данное предположение едва ли возможно проверить с помощью современных технологий, поскольку мы не имеем возможности проникнуть в живую клетку так глубоко, чтобы отключать и снова включать действующий в ней квантовый механизм. Тем не менее мы выдвигаем гипотезу о том, что жизнь, естественная или искусственная, невозможна без тех таинственных свойств квантового мира, о которых мы говорили в этой книге. Единственный способ проверить нашу гипотезу заключается в том, чтобы создать синтетические формы жизни с квантовыми свойствами и, если это возможно, без них и проверить, какие из них являются более жизнеспособными.

Давайте представим, что нам необходимо создать простую живую клетку из неживой материи; возможно, это будет клетка, способная выполнять простые задачи, например найти себе пищу в своего рода «первичном море», также созданном в лабораторных условиях. Наша задача заключается в том, чтобы создать две такие модели. Одна клетка должна использовать таинственные свойства квантовой механики (назовем ее квантовой протоклеткой), а другая не будет их использовать (мы будем называть ее классической протоклеткой).

Хорошим отправным пунктом для обеих моделей могли бы стать протоклетки Себастиана Лекоммандо, состоящие из многочисленных ячеек, связанных мембранами. Мы можем использовать различные ячейки протоклетки для разграничения различных функций жизни. Затем мы должны обеспечить нашу протоклетку источником энергии — для этого мы будем использовать неограниченную энергию протонов — частиц солнечного света. Заполним одну из ячеек протоклетки молекулами пигмента и каркасного белка — таким образом мы получим одну из форм солнечной батареи, способной улавливать протоны и превращать их энергию в экситоны. Иными словами, мы получим искусственный хлоропласт. Однако беспорядочно перемешанные молекулы пигмента вряд ли смогут обеспечить высокоэффективную передачу энергии, которая характеризует процесс фотосинтеза. В подобной молекулярной неразберихе невозможно поддерживать квантовую когерентность, необходимую для эффективного переноса энергии. Чтобы получить квантовые биения, мы должны заставить молекулы пигмента двигаться так, чтобы когерентная волна прошла через всю систему клетки.

В 2013 году группе ученых из Чикагского университета под руководством Грега Энджела, пионера в области квантового фотосинтеза, удалось решить эту проблему, объединив молекулы в фиксированную группу с помощью химических связей. Как и в случае с комплексом FMO, в котором Энджел впервые обнаружил квантовые биения (см. главу 4), искусственно созданная система молекул пигмента также произвела когерентные квантовые биения, которые продолжались несколько десятков фемтосекунд, причем при комнатной температуре[195]. Итак, чтобы обеспечить солнечную батарею нашей квантовой протоклетки экситонами, чья эффективность будет зависеть от когерентности, мы заполним ее молекулами пигмента, связанными способом, предложенным Энджелом. Классическая протоклетка будет содержать те же пигменты, однако они будут располагаться в ней в случайном порядке, так что экситону придется с большим трудом прокладывать путь через всю систему. Таким образом мы смогли бы проверить, зависит эффективность продвижения экситона от фотосинтеза или нет.

Однако, как мы уже говорили, захват частиц света является только первой стадией фотосинтеза. Затем нам необходимо преобразовать нестабильную энергию экситона в стабильную химическую форму. Ученые уже добились результатов в этом направлении. После того как в 2013 году группа ученых под руководством Скалли опубликовала статью о том, что фотосинтетический реакционный центр является не чем иным, как квантовой паровой машиной, исследователи пришли к мысли о том, что биологические квантовые паровые машины могут стать образцом для создания более эффективных фоточувствительных клеток[196]. Позже в том же году ученые из Кембриджского университета, ухватившись за эту идею, создали подробную модель искусственной фоточувствительной клетки, которая должна функционировать как квантовая паровая машина[197]. Группа исследователей смоделировала искусственный реакционный центр из молекулы пигмента, связанной с другими молекулами способом Энджела, и показала, что при данном расположении молекул перенос экситона к молекуле-акцептору осуществляется с эффективностью, превышающей предел Карно, как и в эксперименте Скалли с естественным процессом фотосинтеза.

Итак, давайте представим, что наша квантовая солнечная батарея оснащена искусственным реакционным центром, устроенным по модели команды ученых из Кембриджа, который способен улавливать электроны высокой энергии в виде стабильной химической энергии. Мы снова создадим систему, которую будем противопоставлять классической фоточувствительной клетке, осуществляющей подобный перенос энергии без преодоления предела Карно. Захваченная клеткой энергия солнечного света может использоваться для создания сложных биомолекул, например молекул пигмента.

Однако, как и электроны, биосинтетические реакции нуждаются в дополнительном количестве энергии, которое в наших клетках (см. главу 3) обеспечивается клеточным дыханием. «Вдохновившись» дыханием, мы переместим несколько высокоэнергетических электронов в ячейку клетки, которая выполняет функцию электростанции. Здесь электроны туннелируют от одного фермента к другому, как и в естественной дыхательной цепи, и образуют АТФ — носитель молекулярной энергии клетки. Перед нами стоит новая задача: сконструировать в клетке дыхательный центр и оценить роль квантовой механики в этом важнейшем биологическом процессе.

Оснащенная источником электронов и дополнительной энергии, наша квантовая фоточувствительная клетка способна производить собственные биомолекулы. Однако для этого она нуждается в источнике сырья для биомолекул, а попросту — в пище. Итак, мы обеспечиваем нашу клетку таким источником — простым сахаром, а точнее, глюкозой, растворенной в нашем лабораторном «первичном океане» (среде, в которой пребывает наша клетка). Нам потребуется встроить в клетку работающие на энергии АТФ станции переработки сахара, закачивающие глюкозу в клетку и при помощи других ферментов, способных управлять отдельными атомами молекул глюкозы (здесь мы имеем дело уже с квантовой инженерией), образующие более сложные биомолекулы. Многие из этих ферментов обычно используют туннелирование электронов и протонов (об этом мы говорили в главе 3), однако наша задача снова будет заключаться в том, чтобы смоделировать два варианта клеток (один — с возможностью использовать свойства квантового мира, другой — без), чтобы проверить, действительно ли квантовая механика обеспечивает эти движущие силы жизни необходимой энергией.

Проектируя нашу квантовую протоклетку, мы должны будем предусмотреть еще одно ее свойство — способность укрощать разрушительные силы молекулярного шума, чтобы поддерживать квантовую когерентность. В настоящее время нам слишком мало известно о том, каким образом это удается живой клетке, поэтому мы едва ли способны искусственно создать клетку с таким свойством. Здесь могут быть задействованы многие факторы: например, известно, что избыточное количество молекул в среде живой клетки влияет на ход многих биохимических реакций[198], а также способствует сдерживанию разрушительного влияния молекулярного шума. Поэтому нам придется заполнить протоклетку биомолекулами практически «под завязку», чтобы создать подобие заполненной молекулами среды живой клетки в надежде, что это поможет направить силу термодинамических шквалов и порывов на поддержание квантовой когерентности.

И все же наша квантовая протоклетка представляет собой слишком капризное судно — на его борту заранее должны присутствовать все необходимые ферменты. Чтобы она обладала самодостаточностью, мы должны создать в одной из ее ячеек центр управления. В центр управления необходимо поместить геном из искусственно созданной ДНК, способной кодировать все необходимые клетке белки, а также механизм, превращающий код, основанный на квантовых протонах, в белки. Это напоминает эксперимент Крейга Вентера в рамках синтетического подхода «сверху вниз» с той лишь разницей, что наш геном будет встроен в неживую протоклетку. И последнее: мы могли бы обеспечить нашу протоклетку системой навигации. В этом случае протоклетка будет обладать молекулярным нюхом, способным определять расположение питательных веществ посредством обонятельного рецептора, действующего на основе квантовой запутанности (принцип действия обонятельного рецептора описан в главе 5), а также молекулярным мотором, который будет обеспечивать движение протоклетки по «первичному океану». Возможно, мы могли бы создать в клетке квантовую навигационную систему, которой обладает описанная нами в начале книги малиновка. Подобная система позволила бы протоклетке без труда ориентироваться в лабораторном «первичном океане».

Описанный нами проект представляет собой эпизод из области научной фантастики. Он не более реален, чем шекспировский Ариэль. В описании мы опустили огромное количество подробностей и, в целях простого и ясного изложения, не упомянули о многих других колоссально трудных задачах, с которыми сталкиваются ученые, берущиеся за проект на основе принципа «снизу вверх» синтетической биологии. Если бы какая-нибудь группа ученых и взялась за подобный проект, стало бы ясно, что невозможно запустить все необходимые процессы одновременно, как это предусматривает наш воображаемый алгоритм. Для начала в протоклетке необходимо обеспечить самый простой или самый понятный процесс, возможно фотосинтез. Этот первый шаг уже будет огромным достижением, а полученная протоклетка — идеальной моделью для исследования роли квантовой когерентности в процессе фотосинтеза. Если бы создание такой протоклетки было возможным, следующие этапы эксперимента заключались бы в усложнении ее строения. В конце концов, мы, возможно, могли бы получить синтезированную живую клетку. Мы предполагаем, что подобный проект осуществим при условии тесного сотрудничества синтетической биологии с квантовой механикой. Мы уверены, что механизм жизни не работает, если не имеет связи с квантовым миром.

Итак, если взяться за детальную разработку описанного нами проекта, возможно, в результате ученым удастся создать новую форму жизни, а значит, дать человечеству поистине революционную технологию — искусственную жизнь, функционирующую на краю квантового и видимого миров. Синтезированные живые клетки могли бы стать строительным материалом для экоустойчивых и самодостаточных «живых» зданий. Такие клетки могли бы выполнять задачи микрохирургов, внедряемых в организм человека для замены или восстановления поврежденных или изношенных тканей. Фантастические возможности квантовой биологии, которые мы рассмотрели в данной книге (фотосинтез и действие ферментов, квантовые обонятельные рецепторы и геномы, квантовые компасы и, возможно, даже квантовый мозг), могут однажды быть использованы для создания дивного нового мира синтезированных живых организмов, которые избавили бы своих создателей от рутинной работы по удовлетворению большинства потребностей.

Однако самое важное, на наш взгляд, заключается в следующем: возможность создать жизнь с нуля ответит наконец на главный вопрос биологии «Что есть жизнь?» и утверждение Фейнмана «Мы не понимаем того, чего не можем создать» больше не будет относиться к таинственному феномену жизни. Если нам удастся создать искусственную жизнь, мы наконец сможем утверждать, что понимаем жизнь и ее удивительную способность укрощать силы хаоса и плыть на всех парусах по узкому проливу — границе видимого и квантового миров.