Як відомо, квантова фізика вивчає природу і поведінку матерії та енергії в найдрібніших масштабах. Традиційно вважалася, що вона не має прямого відношення до біології, орієнтованої надослідження живих систем.
Однак дедалі більше фактів свідчать про те, що деякі біологічні явища можуть залежати від квантових ефектів, які виходять за межі простих хімічних взаємодій, що регулюються класичною фізикою. Такі ефекти можуть включати квантову заплутаність - феномен, коли дві або більше частинок співіснують в одному квантовому стан і поводяться як одна замкнута система, навіть якщо вони розділені великими відстанями.
У нещодавній статті, опублікованій в The Hindu, доктор Аніл Анантасвамі, науковий журналіст і письменник, досліджує деякі інтригуючі приклади квантової біології - галузі, яка має на меті зрозуміти, як живі організми використовують квантову механіку у своєму повсякденному житті.
Він опитав декількох експертів у цій галузі, таких як доктор Джонджо МакФадден, молекулярний генетик і співавтор книги "Життя на межі: становлення квантової біології", та Влатко Ведрал, фізик-теоретик і співавтор книги "Декодування реальності: Всесвіт як квантова інформація".
Одним з найяскравіших прикладів квантової біології вони вважають фотосинтез - процес, за допомогою якого рослини та деякі бактерії перетворюють світло на хімічну енергію.
За словами МакФаддена, експерименти показали, що деякі фотосинтетичні молекули можуть передавати енергію від світлозбиральних антен до реакційних центрів з майже 100% ефективністю. А це неможливо зробити “класичними” способами.
Він пояснює, що фотосинтез відбувається тому, що молекули переплетені між собою і з навколишнім середовищем, утворюючи квантову мережу, яка дозволяє їм досліджувати всі можливі шляхи одночасно і знаходити оптимальне рішення. Тобто “жити” з технологічною точки зору.
Інший приклад - магніторецепція, здатність деяких тварин, наприклад, птахів та комах, відчувати магнітне поле Землі і використовувати його для власної навігації.
Доктор Ведрал каже, що один з можливих механізмів таких здібностей базується на квантовій заплутаності між електронами в певних молекулах, які називаються криптохромами , що містяться в очах деяких тварин.
За його словами, електрони можуть утворювати пари, чутливі до магнітних полів. А відтак вони впливають на хімічні реакції в молекулах. А ті, в свою чергу, реагують на сигнали, що надходять до мозку.
Аніл Анантасвамі також обговорює інші потенційні застосування квантової біології, задаючи цілком перспективні питання:
- Як ферменти каталізують реакції?
- Як реплікується і мутує ДНК?
- Як “спілкуються” нейрони?
Він каже, що квантова біологія - це не лише захопливе наукове дослідження, але й філософське, оскільки кидає виклик нашим традиційним уявленням про фізичну реальність, причинність та свободу волі.
На завершення він цитує МакФаддена, який підкреслює, що квантова біологія не є новою наукою, а радше новим поглядом на стару науку. За його словами, квантова фізика може запропонувати глибше і всебічне розуміння життя і його таємниць.
Почнемо відповідати на питання.
Як ферменти каталізують реакції?
Ферменти - це біологічні молекули, зазвичай білки, які діють як каталізатори біохімічних реакцій. Вони прискорюють швидкість реакцій, знижуючи енергію активації - енергетичний бар'єр, який необхідно подолати для того, щоб реагенти утворили продукти.
Ферменти необхідні для життя, оскільки вони регулюють багато життєво важливих процесів, таких як метаболізм, реплікація ДНК і передача сигналів.
Але як ферменти досягають такої чудової каталітичної ефективності? Класична фізика може пояснити деякі аспекти функціонування ферментів, наприклад, роль форми та структури ферменту у зв'язуванні та орієнтації реагентів або роль оточення ферменту у стабілізації перехідного стану.
Однак класична фізика не описує деякі спостережувані особливості ферментативного каталізу - значне збільшення швидкості, висока специфічність і селективність, а також температурна залежність.
Тут на допомогу приходить квантова фізика. Одним із квантових ефектів, який може сприяти ферментативному каталізу, є квантове тунелювання.
Квантове тунелювання - це явище, при якому частинка проходить через потенційний бар'єр, що перевищує її енергію. Квантове тунелювання здатне полегшити перенесення електронів або протонів між реагентами та ферментом, що часто є ключовим етапом у багатьох біохімічних реакціях.
Квантове тунелювання залежить від кількох факторів, зокрема, маси та енергії частинки, ширини і висоти бар'єру, а також ступені зв'язку між частинкою та її оточенням. Ферменти можуть модулювати ці фактори своєю структурою і динамікою, таким чином посилюючи або пригнічуючи квантовий тунелювання відповідно до своїх потреб.
Наприклад, ферменти можуть використовувати водневі зв'язки або іони металів для зменшення висоти або ширини бар'єру, або використовувати коливальні режими для з'єднання з тунелюючою частинкою.
Квантове тунелювання експериментально спостерігалося на прикладі гідрогенази (royalsocietypublishing.org), яка каталізують окислення або відновлення водню; цитохромоксидаза (theconversation.com), яка каталізує останній етап клітинного дихання; і ДНК-полімерази (nature.com), що каталізує синтез ДНК.
Теоретичні моделі також передбачили квантове тунелювання в інших ферментах, в першу чергу нітрогенази, відповідальної за фіксацію азоту, і моноаміноксидази — вона “деградує” нейромедіатори.
Ще одним квантовим ефектом, який впливає на ферментний каталіз, - квантова когерентність. Мова йде про властивість квантових систем, в яких два або більше станів можуть існувати в суперпозиції, тобто вони присутні одночасно, поки спостереження не зруйнує їх в один стан.
Квантова когерентність може дозволити ферментам досліджувати кілька шляхів реакції одночасно і знаходити “оптимальне рішення”.
Теоретичні дослідження також припускають наявність квантової когерентності в інших біологічних системах - нюх, магніторецепція та нейронна комунікація. Однак, чи відіграє квантова когерентність функціональну роль у ферментному каталізі, залишається відкритим питанням.
Дослідники також звертають увагу на ферментний каталіз, який доповнює і збагачує класичний погляд. Зрозумівши, як ферменти використовують квантові ефекти для своєї користі, ми зможемо глибше зрозуміти молекулярні механізми життя та його еволюції.
Як реплікується і мутує ДНК?
У світі біології процес реплікації та мутації ДНК вважається наріжним каменем життя. Ми вже давно розуміємо механіку цих процесів, але останні досягнення квантової фізики проливають нове світло на ці фундаментальні явища. Давайте заглибимось у квантовий погляд на реплікацію та мутацію ДНК.
Класичний погляд на реплікацію та мутації ДНК
На класичному рівні реплікація ДНК передбачає поділ подвійної спіралі на дві нитки, кожна з яких слугує шаблоном для створення нової, комплементарної нитки. Цей процес відбувається за допомогою ДНК-полімерази і гелікази.
Мутації, з іншого боку, виникають, коли в процесі реплікації відбувається помилка, що призводить до змін у послідовності ДНК. Це може бути пов'язано з різними факторами, включаючи вплив радіації, певних хімічних речовин та помилки під час самої реплікації ДНК.
Квантова механіка реплікації ДНК
Тут також на допомогу приходить квантове тунелювання - воно “дозволяє” водневим зв'язкам між нуклеотидами розриватися і утворюватися більш ефективно, ніж вважалося раніше.
У квантовій сфері мутація перетворюється на взаємодією між ймовірнісним характером квантової механіки та детермінованим характером класичної фізики. Хоча виникнення мутації - ймовірнісна подія, її наслідки впливають на загалом передбачуваний фенотип організму.
Але де вступає в гру квантовий світ? Квантова система може перебувати в декількох станах одночасно, тобто основа ДНК перебуває в "суперпозиції" як мутованого, так і не мутованого стану до моменту вимірювання (або до завершення реплікації). Заплутаність додає ще один рівень складності до процесу реплікації та мутації ДНК.
Як “спілкуються” нейрони
Нейрони - це основні одиниці нервової системи, що відповідають за обробку та передачу інформації по всьому тілу. Вони зв'язуються один з одним через спеціалізовані з'єднання, які називаються синапсами, де електричні сигнали перетворюються на хімічні і навпаки.
Хімічні сигнали передаються нейромедіаторами, а ті, в свою чергу, зв'язуються з рецепторами на постсинаптичному нейроні і викликають відповідну реакцію.
Але як нейрони "спілкуються" між собою? Синаптична передача, нейронне кодування та свідомість, які краще пояснюються квантовим тунелюванням.
Останнє спостерігалося в потенціалкерованих калієвих каналах (arxiv.org), які регулюють збудливість нейронів; ацетилхолінових рецепторах (nature.com), які опосередковують синаптичну передачу в нервово-м'язових з'єднаннях; і на прикладі транспортерів серотоніну (arxiv.org), регулюючих настрій і когнітивні процеси.
Але як вибудовується сам процес “комунікації”, ми не знаємо. Навіть експерименти і математичне моделювання вказують на вірогідність задіяних ферментів, однак прописати !фізику процесу” ми ще не знаємо.
Власне кажучи, квантове тунелювання та когерентність “виникають” не тому, що так точно описати біологічні процеси, а тому, що... ми не здатне запропонувати альтернативну теорію. Або підтвердити існуючу. У нас не існує інших іструментів пояснень квантових ефектів в біології (якщо про них взагалі можна говорити).