Квантова біологія може допомогти розгадати деякі з найбільших загадок життя

Від надзвичайної швидкості реакцій, що каталізуються ферментами, до роботи людського мозку, зараз досліджуються численні біологічні головоломки для підтвердження квантових ефектів.

• До Землі летить "комета століття": в 2021 році в небі з'явиться новий яскравий об'єкт

• Чому вони світяться: люмінесценція в живій природі

В одній з фізичних лабораторій Університету Шеффілда кілька сотень фотосинтетичних бактерій були вкладені між двома дзеркалами, розташованими на відстані менше мікрометра. Фізик Девід Коулз та його колеги забивали заповнену мікробами порожнину білим світлом, яке відбивалося навколо клітин так, як команда могла налаштуватися, регулюючи відстань між дзеркалами. Згідно з результатами, опублікованими в 2017 році, ця хитромудра установка призвела до того, що фотони світла фізично взаємодіють з фотосинтетичним механізмом у декількох цих клітинах, таким чином, команда могла змінити, налаштувавши експериментальну установку.1

Те, що дослідники могли контролювати взаємодію клітини зі світлом, було таким досягненням само по собі. Але більш дивна інтерпретація висновків відбулася наступного року. Коли Коулз та кілька співавторів повторно проаналізували дані, вони знайшли докази того, що характер взаємодії між бактеріями та фотонами світла був набагато дивнішим, ніж передбачав оригінальний аналіз. "Нам здався неминучим висновком, що опосередковано те, що [ми були] насправді свідками, було квантовим переплутанням", - каже фізик Оксфордського університету Влатко Ведрал, співавтор обох робіт.

Квантове заплутування відноситься до станів двох або більше частинок, які взаємозалежні, незалежно від відстані, що їх розділяє. Це одна з багатьох протиінтуїтивних особливостей субатомного ландшафту, коли такі частинки, як електрони та фотони, поводяться як частинки, так і хвилі одночасно, займають кілька позицій і станів одночасно і перетинають, мабуть, непроникні бар'єри. Процеси такого масштабу фіксуються складною математичною мовою квантової механіки і часто дають ефекти, які, здається, не піддаються здоровому глузду. (Див. Глосарій: інфографіка з квантової термінології.) За допомогою цієї мови Vedral та його колеги виявили підписи заплутаності між фотонами та бактеріями в даних експерименту Шеффілда.

Це майже смішно, протиречення, що квантові ефекти повинні зберігатися всередині клітин.

—Джим Аль-Халілі, Університет Суррея

Дослідники багато разів демонстрували заплутаність неживих об’єктів - у 2017 році вчені повідомили, що їм вдалося зберегти цю взаємозалежність між парами фотонів, розділеними на 1200 кілометрів. Але якщо припущення Ведрала та його колег про те, що явище відбувалося у бактеріях, є вірним, дослідження могло б ознаменувати перший раз, коли сплетіння спостерігалося всередині живого організму, і додати до зростаючої кількості доказів того, що квантові ефекти не такі незвичні в біологія, як колись вважали.2

Те, що квантові явища можна спостерігати в брудному світі живих систем, історично є крайньою ідеєю. Хоча квантові теорії точно описують поведінку окремих частинок, що складають всю речовину, вчені вже давно припускають, що масова дія мільярдів частинок, що кидаються навколо при температурі навколишнього середовища, заглушує будь-які дивні квантові ефекти і краще пояснюється більш звичними правилами класичного механіка, сформульована Ісааком Ньютоном та ін. Дійсно, дослідники, що вивчають квантові явища, часто виділяють частинки при температурах, що наближаються до абсолютного нуля - при яких майже весь рух частинок зупиняється - лише для того, щоб придушити фоновий шум.

"Чим тепліше навколишнє середовище, тим зайнятіше і шумніше, тим швидше зникають ці квантові ефекти", - говорить фізик-теоретик Університету Суррея Джим Аль-Халилі, який був співавтором книги 2014 року "Життя на межі", яка принесла так званий квант біології для неспеціалізованої аудиторії. «Отже, майже смішно, протилежне тому, що вони повинні зберігатися всередині клітин. І все ж, якщо вони це роблять - і є безліч доказів того, що в певних явищах вони це роблять, - то життя має робити щось особливе ".

Аль-Халілі та Ведрал є частиною групи науковців, що розширюється, і сьогодні стверджують, що ефекти квантового світу можуть бути головними для пояснення деяких найбільших загадок біології - від ефективності ферментного каталізу до пташиної навігації до людської свідомості - і навіть можуть бути предметом до природного відбору.

"Ціле поле намагається довести свою аргументацію", - говорить К'яра Марлетто, фізик Оксфордського університету, яка співпрацювала з Коулзом і Ведралом над паперовим переплетенням. "Тобто квантова теорія застосовується не лише до цих [біологічних систем], але можна перевірити, чи використовуються ці [системи] квантовою фізикою для виконання своїх функцій".

Квантові ефекти у фундаментальних реакціях біології

До середини 1980-х рр. Каліфорнійський університет, Берклі, біохімік Джудіт Клінман була переконана, що традиційне пояснення ферментного каталізу є неповним. Сучасні теорії стверджували, що ферменти взаємодіють із субстратами на основі форми та класичної механіки, фізично зближуючи субстрати в їх активних центрах та стабілізуючи перехідні стани молекулярної структури для прискорення швидкості реакції до трильйона разів або більше. Але Клінман отримував дивні результати в експериментах in vitro з ферментом, вилученим з дріжджів.

Каталізуючи окислення бензилового спирту до бензальдегіду, фермент алкогольдегідрогенази зміщує атом водню з одного положення в інше. Несподівано, коли Клінман та її колеги замінили конкретні атоми водню в підкладці більш важкими ізотопами дейтерієм та тритієм, реакція різко сповільнилася. Хоча класичні пояснення ферментного каталізу дозволяли помірні ізотопні ефекти, вони не могли пояснити значного падіння швидкості, яку спостерігав Клінман. "Ми побачили відхилення від існуючих теорій", - каже вона.

Її команда продовжувала проводити розслідування, і в 1989 р. Опублікувала пояснення, спираючись на ідеї, які вже циркулюють серед дослідників ферментів: що каталіз передбачає квантовий трюк, який називається тунелювання.3 Квантове тунелювання - це все одно, що бити ногою через пагорб, пояснює Аль-Халилі футбол - це електрон або інша частинка, а пагорб - це енергетичний бар'єр, що перешкоджає реакції. "У класичному світі вам доведеться вдарити його досить сильно, щоб піднятись на гору і з іншого боку", - говорить він. "У квантовому світі вам не потрібно. Він може піти наполовину, зникнути і знову з’явитися з іншого боку ».

У цій та наступних роботах команда Клінмана стверджувала, що під час каталізу окислення бензилового спирту та багатьох інших реакцій перенос водню відбувається за допомогою тунелювання. Це допомагає пояснити, чому дейтерій і тритій часто затримують реакції - важчі частинки гірше проходять тунелювання і можуть ускладнити тунелювання інших частинок у тій же молекулі. Ефекти, що спостерігаються групою Клінмана, відтоді повторюються в інших лабораторіях щодо множинних ферментів і забезпечують одне з найбільш вагомих доказів квантових ефектів у біологічних системах, говорить Аль-Халілі. (Див. Інфографіку.)

Але хоча зараз загальновизнано, що тунелювання відбувається в процесі біологічного каталізу, дослідники розділяються щодо того, наскільки це важливо - і чи може воно бути предметом природного відбору. Наприклад, хімік Річард Фінке з Університету штату Колорадо показав, що деякі реакції виявляють ізотопну дію в однаковій мірі незалежно від того, присутній фермент чи ні, припускаючи, що малоймовірно, що ферменти особливо пристосовані для посилення тунельних ефектів у реакціях, які вони каталізують. Також незрозуміло, наскільки тунелювання пришвидшує реакції; Деякі дослідники стверджують, що ефект, як правило, сприяє не лише невеликому поштовху процесам, керованим переважно класичною механікою.

Клінман каже, що вона вважає, що тунелювання ферментів є набагато фундаментальнішим. "Наша точка зору полягає в тому, що ферменти створюють дуже точні та компактні структури активних ділянок", що сприяють тунелюванню, говорить вона. Наприклад, під час каталізу ферменти змінюють конформацію таким чином, що можуть наблизити донорські та акцепторні ділянки водню досить близько - приблизно на 0,27 нанометра один від одного, щоб полегшити тунелювання, зазначає вона.

Її група переслідувала цю ідею, мутуючи активні ділянки ферментів та спостерігаючи, як змінюються швидкість реакцій та ізотопні ефекти in vitro. Наприклад, на початку цього року команда створила версію ліпоксигенази сої, яка дещо неправильно розміщує її субстрати таким чином, що тунелювання водню може бути несприятливим. Порівняно з диким типом, каталітична сила мутантного ферменту на чотири порядки нижче, і він набагато чутливіший до заміщення водню дейтерієм.

Дослідники все ще кількісно визначають роль тунелювання в каталізі, і Клінман підкреслює важливість використання декількох методів, включаючи мутагенез та обчислювальне моделювання, щоб зрозуміти, як саме білки прискорюють реакції. Експериментальна еволюція ферментів, під час якої дослідники неодноразово відбирають білки, щоб підвищити їх каталітичну силу, також може дати розуміння внеску тунелів - хоча хоча б одна недавня спроба зробити це була безрезультатною. Минулого року команда, яка виробила фермент, що каталізує реакцію, що включає перенесення водню, повідомила, що квантове тунелювання "не спостерігалося, щоб суттєво змінювалося" протягом еволюційного процесу6.

Дискусія відображає триваючу розмову про функціональне значення квантових явищ в іншому з найважливіших біологічних процесів Землі - фотосинтезі. Поки Ведрал та його колеги досліджують, чи фотомеханічна техніка бактерій не заплутується з фотонами, інші групи вивчають, як черговий квантовий ефект може допомогти максимізувати ефективність передачі енергії фотосинтезу.

Під час реакції збору світла у рослин і деяких мікробів фотони збуджують електрони, що містяться в молекулах хлорофілу, створюючи сутності, які називаються екситонами. Потім ці екситони переносяться від молекули хлорофілу до молекули хлорофілу, поки не досягнуть реакційного центру - скупчення білків, де їх енергія може бути захоплена і збережена.

Екситони можуть втрачати енергію, коли вони переносяться, що означає, що чим більше кругових шляхів серед молекул хлорофілу, тим менше енергії досягає реакційного центру. Десятиліття тому фізики припустили, що цю марнотратство можна було б запобігти, якби процес передачі був квантово зв’язним. Тобто, якби екситони могли рухатися як хвилі, а не частинки, вони могли б одночасно випробувати всі шляхи до реакційного центру і пройти лише найбільш ефективний шлях. (Див. Ілюстрацію.)

У 2007 році команда під керівництвом хіміків hamрема Флемінга з Каліфорнійського університету в Берклі та Роберта Бланкеншипа з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі стверджувала, що спостерігала квантову когерентність у комплексах молекул хлорофілу, вилучених із зелених сірчаних бактерій, фотосинтезуючих мікробів, часто виявлених у глибокий океан, де доступність світла низька. Дослідники застосували техніку, яка аналізує енергію, поглинуту та випромінювану зразком, і виявили сигнал, який називається квантовим биттям - коливання, які вони інтерпретували як доказ когерентності - в комплексах, охолоджених до 77 Кельвінів. Протягом наступних кількох років вони та інші групи повторювали результати при температурі навколишнього середовища 8 та поширювали результати на комплекси хлорофілу з морських водоростей9 та шпинату10.

Чи відображають ці результати значущий квантовий внесок у передачу енергії у фотосинтезі, можна дискутувати. Наприклад, у 2017 році дослідники в Німеччині ще раз подивились на зелені сірчані бактерії і повідомили, що ефект когерентності тривав менше 60 фемтосекунд (0,00006 наносекунд) - занадто коротко, щоб допомогти передати енергію в реакційний центр.11 Але минулого року інша група стверджували, що в комплексах хлорофілу існує кілька типів когерентності, і деякі, здається, тривають досить довго, щоб бути корисними у фотосинтезі.12 Інші вчені вказують на підказки, що деякі бактерії можуть вмикати або вимикати вплив когерентності, виробляючи різні форми ключового світла -збирання білка.13 Такі висновки знову викликали припущення, що подібно до ферментів фотосинтетичні механізми могли розвинутися для використання квантових явищ.

Ефекти когерентності у фотосинтезі зараз є загальновизнаним явищем, вважає Бланкеншип. Як і у випадку з тунелюванням ферментів, «найактуальнішою дискусією на цьому етапі є те, чи справді вони впливають на [ефективність] системи або якийсь інший її аспект, що дає реальну біологічну користь. Я думаю, що журі все ще не вийшло ".

Квантові пояснення загадок в біології тварин

Кожної зими європейські маліни в північній частині континенту мігрують на сотні кілометрів на південь до Середземного моря. Це навігаційний подвиг, який став можливим завдяки магніторецепції - зокрема, здатності птахів визначати напрямок магнітного поля Землі. Але ранні спроби пояснити це шосте почуття, включаючи пропозицію, що птахи покладаються на внутрішні кристали магнетиту, не змогли отримати експериментальну підтримку.

Наприкінці 1990-х років проблема привернула увагу Торстена Рітца, тоді аспіранта, який працював над квантовими ефектами у фотосинтезі під керівництвом покійного біофізика Клауса Шультена з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн. Він особливо зацікавився криптохромом, світлочутливим білком, що міститься в сітківці птахів, для якого зараз є "вагомі докази" ролі в магніторецепції, каже Рітц, який з тих пір переїхав до Каліфорнійського університету в Ірваїні. Тож у 2000 році, зосередившись на цьому білку та спираючись на попередні теоретичні роботи Шультена, Рітц, Шультен та інший колега з Іллінойсу опублікували те, що стане відомим як модель радикальних пар, щоб пояснити, як може працювати магніторецепція14.

Дослідники припустили, що реакції білка криптохрому генерують пару радикалів - молекул, кожна з яких має одинокий електрон. Поведінка цих електронів, які можуть бути кількісно заплутані між собою, чутлива до вирівнювання слабких магнітних полів, таких як Земля. Зміни у вирівнюванні цієї пари щодо магнітного поля теоретично можуть викликати хімічні реакції за течією, дозволяючи передавати інформацію якимось чином в мозок. (Див. Ілюстрацію.)

Гіпотеза породила кілька прогнозів, які Ріц продовжував випробовувати у співпраці з біологами, які вперше описали магніторецепцію у малінів, Росвітою та Вольфгангом Вільтчко. Наприклад, у дослідженні, опублікованому в 2004 році, команда піддала малинів діям магнітних полів, що коливаються з частотами та кутами, що, як передбачала модель, порушить чутливість пари радикалів до магнітного поля Землі - і ефективно знищить здатність птахів орієнтуватися.15

Ідея зросла з тих пір, із зростанням теоретичної підтримки. І два дослідження 2018 року про молекулярні властивості та закономірності експресії однієї версії криптохрому, Cry4, вказують на білок як на ймовірний кандидат-магніторецептор у зебрових вьюрків16 та європейських малінофатів17.

Потрібна додаткова робота, щоб визначити, чи дійсно пташина магніторецепція працює таким чином чи ні, та виявити, чи важливо заплутування між електронами пари радикалів. Вчені також не до кінця розуміють, як криптохром може передавати інформацію про магнітне поле в мозок, говорить Рітц. Тим часом його група зосереджена на експериментах з мутагенезу, які можуть допомогти розкрити магніточутливість криптохрому. Восени минулого року хімік Оксфордського університету Пітер Хоре та біолог Генрік Моурітсен з Університету Ольденбурга в Німеччині виграли європейське фінансування проекту QuantumBirds, який має подібні цілі.

Тепер вас не вважають абсолютно божевільним, якщо ви кажете, що вивчаєте квантову механіку в біології. Це просто вважається трохи шаленим.

- Johnjoe McFadden, Суррейський університет

Магніторецепція - не єдина загадка в сенсорній біології тварин, яка викликала інтерес серед квантових фізиків; ще одне науково таємниче почуття, яке дослідники сподіваються допомогти зламати, - це нюх. Традиційна теорія, згідно з якою молекули одоранту вписуються в білкові рецептори на нюхових нейронах, щоб викликати запахи, стикається з проблемою, що деякі молекули з майже однаковою формою мають абсолютно різні запахи, тоді як інші з різною стереохімією пахнуть однаково.

У середині 90-х років біофізик Університетського коледжу Лондона (UCL) Лука Турін, нині поважний критик парфумерії, припустив, що нюхові рецептори можуть бути чутливими не просто до форми, а до частот вібруючих зв'язків у молекулах пахучих речовин.18 Він стверджував, що коли одорант зв'язується з рецептором, якщо його зв'язки коливаються з певною частотою, вони можуть полегшити квантове тунелювання електронів всередині цього рецептора. За його моделлю цей перенос електронів запускає сигнальний каскад в нюховому нейроні, який в кінцевому підсумку посилає імпульс до мозку.

Експериментальні докази цієї ідеї досі невловимі, ​​каже Дженні Брукс, фізик UCL, яка сформулювала проблему математично, щоб показати, що вона теоретично здійсненна. "Але це частково тому, що це досить захоплююче". В останні роки дослідники шукали ізотопні ефекти, подібні до тих, що виявляються у функції ферментів. Якщо тунелювання відіграє істотну роль, молекули одоранту, що містять важчі ізотопи водню, повинні пахнути інакше, ніж у звичайних версіях, через нижчу частоту вібрації їх зв’язків.

Висновки неоднозначні. У 2013 році група Туріна повідомила, що люди можуть розрізняти одоранти, що містять диф Через два роки інші дослідники не змогли відтворити результати і назвали теорію „неправдоподібною”. 20 Але ця ідея не вийшла з моди. У 2016 році інша команда повідомила, що медоносні бджоли можуть розрізняти запахи за різними ізотопами21, тоді як нещодавнє теоретичне дослідження представляє набір нових прогнозів, які допоможуть перевірити валідність моделі.

Теоретична робота також викликає інтерес до квантово-біологічних пояснень з набагато меншою експериментальною підтримкою. Наприклад, деякі дослідники припускають, що ефекти когерентності, які відіграють роль у фотосинтезі, можуть також сприяти таким поширеним біологічним явищам, як зір і клітинне дихання. Інші припускають, що тунелювання протонів може сприяти спонтанним мутаціям ДНК, хоча теоретичні роботи Аль-Халілі та його колег припускають, що це не дуже ймовірно, принаймні для модельованих ними пар аденин-тиміну.23

Мабуть, найбільш екстремальним поширенням квантової фізики на тваринне царство є думка, що дивні квантові ефекти можуть зіграти певну роль у мозку людини. Університет Каліфорнії, Санта-Барбара, фізик Метью Фішер стверджував, що нейрони мають молекулярну техніку, здатну поводитися як квантовий комп'ютер, який замість використання бітів 0 або 1 оперує кубітами, одиницями інформації, які можуть мати як 0, так і 1 одночасно.24

Кубіти мозку, як запропонував Фішер, кодуються в станах фосфатних іонів всередині молекул Познера, скупчень фосфатів і кальцію, що знаходяться в кістці і, можливо, в мітохондріях певних клітин. Нещодавня теоретична робота його команди стверджує, що стани фосфатних іонів у різних молекулах Познера можуть переплутатися між собою годинами або навіть днями, і, отже, можуть виконувати швидкі та складні обчислення.25 Фішер нещодавно отримав фінансування для створення міжнародне співробітництво, яке називається QuBrain, для експериментального пошуку цих ефектів. Багато неврологів висловлюють скептицизм щодо того, що проект призведе до позитивних результатів.

Запуск квантової біології в роботу

Більшість ідей у ​​квантовій біології все ще керуються теорією, а не експериментальною підтримкою, але низка дослідників намагається скоротити розрив. Пізніше цього року команда Ведрала планує зібрати більше даних про заплутаність бактерій, а фізик Саймон Гроблахер з Нідерландського технологічного університету Делфт запропонував провести експерименти з переплутуванням з тардіградами. У 2017 році Аль-Халілі та його співавтор «Життя на межі», біолог Університету Суррея, Джонджо Макфадден, допомогли створити докторський навчальний центр з квантової біології для заохочення міждисциплінарних перехресних зв’язків та просування наукових досліджень. Серед ширшого співтовариства вчених та фінансуючих досліджень «тепер вас не вважають абсолютно божевільним, якщо ви говорите, що вивчаєте квантову механіку в біології», - говорить Макфадден. "Це просто вважається трохи шаленим".

Дослідники, які розмовляли з The Scientist, також наголошують, що незалежно від того, чи отримують теоретичні механізми експериментальну підтримку, спекуляції в квантовій біології самі по собі є цінними. "Оскільки ми мініатюризуємо наші технології, ми маємо величезну інформацію в біологічному світі, з якої можна черпати натхнення", - каже фізик-теоретик і дослідник квантових обчислень Адріана Маре, керівник інновацій в технологічній компанії SAP Africa. "Це прекрасна можливість дослідити, що таке життя, а також вивчити уроки, як оптимально розробляти процеси в цьому мікромасштабі".

Реальні програми охоплюють технології від більш ефективних сонячних елементів до нових класів біосенсорів. Минулого року одна група запропонувала конструкцію "біоміметичного носа", частково засновану на квантовій теорії нюху, для виявлення мініатюрних концентрацій одорантів.26 А Хоре та інші підкреслили механізм пар радикалів, який може лежати в основі магніторецепції для використання в пристрої для виявлення слабких магнітних полів.

"Ми можемо використовувати отриману інформацію для проектування систем на цих принципах, - каже Рітц, - навіть якщо виявиться, що це не так, як це роблять птахи".

Джерело 

Біологія