Кэтрин Оффорд
1 июня 2019 г.   the-scientist.com

От удивительной скорости катализируемых ферментами реакций до работы человеческого мозга, в настоящее время изучаются многочисленные биологические загадки для доказательства квантовых эффектов.

В одной из лабораторий физики Шеффилдского университета несколько сотен фотосинтезирующих бактерий расположились между двумя зеркалами, расположенными на расстоянии менее микрометра друг от друга. Физик Дэвид Коулз и его коллеги покрывали заполненную микробами полость белым светом, который отражался от клеток так, как команда могла настраиваться, регулируя расстояние между зеркалами. Согласно результатам, опубликованным в 2017 году, эта сложная установка вызвала физическое взаимодействие фотонов света с фотосинтетическим механизмом в горстке этих клеток, таким образом, команда могла измениться, настроив экспериментальную установку.

То, что исследователи могли контролировать взаимодействие клетки со светом, было само по себе достижением. Но более удивительная интерпретация результатов пришла в следующем году. Когда Коулз и несколько его коллег повторно проанализировали данные, они нашли доказательства того, что природа взаимодействия между бактериями и фотонами света была гораздо более странной, чем предполагал первоначальный анализ. «Нам казалось неизбежным вывод о том, что косвенно то, что [мы] были действительно свидетелями, было квантовой запутанностью», - говорит физик Оксфордского университета Влатко Ведрал , соавтор обеих работ.

Квантовая запутанность относится к состояниям двух или более частиц, являющихся взаимозависимыми, независимо от расстояния, разделяющего их. Это одна из многих противоречивых особенностей субатомного ландшафта, в котором частицы, такие как электроны и фотоны, ведут себя как частицы и волны одновременно, занимают несколько позиций и состояний одновременно и пересекают, по-видимому, непроницаемые барьеры. Процессы такого масштаба охватываются сложным математическим языком квантовой механики и часто производят эффекты, которые, кажется, бросают вызов здравому смыслу. (См. Глоссарий. Квантовая терминология, инфографика.) Именно на этом языке Ведрал и его коллеги обнаружили признаки запутанности между фотонами и бактериями в данных эксперимента Шеффилда.

Это почти смешно, нелогично, что квантовые эффекты должны сохраняться внутри клеток.
—Джим Аль-Халили, Университет Суррея

Исследователи неоднократно демонстрировали запутанность в неодушевленных объектах - в 2017 году ученые сообщили, что им удалось сохранить эту взаимозависимость между парами фотонов, разнесенными на 1200 километров . Но если предложение Ведрала и его коллег о том, что это явление имело место у бактерий, является верным, исследование могло бы отметить, что впервые в живом организме наблюдается запутывание, и добавить к растущему количеству доказательств того, что квантовые эффекты не столь необычны для биология, как когда-то верили.

То, что квантовые явления могут наблюдаться в грязном мире живых систем, исторически является незначительной идеей. В то время как квантовые теории точно описывают поведение отдельных частиц, составляющих всю материю, ученые долго предполагали, что массовое действие миллиардов частиц, толкающихся вокруг при температуре окружающей среды, заглушает любые странные квантовые эффекты и лучше объясняется более знакомыми правилами классического механика, сформулированная Исааком Ньютоном и другими. Действительно, исследователи, изучающие квантовые явления, часто изолируют частицы при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, при которых почти все движение частиц останавливается, просто чтобы подавить фоновый шум.

«Чем теплее среда, тем больше она занята и шумнее, тем быстрее исчезают эти квантовые эффекты», - говорит физик-теоретик из Университета Суррея Джим Аль-Халили , соавтор книги 2014 года под названием « Жизнь на краю», в которой появились так называемые квантовые эффекты. биология для непрофессионала. «Так что это почти смешно, нелогично, что они должны сохраняться внутри клеток. И все же, если они это делают - и есть много свидетельств того, что в определенных явлениях они это делают - тогда жизнь должна делать что-то особенное ».

Аль-Халили и Ведрал являются частью расширяющейся группы ученых, которые в настоящее время утверждают, что влияние квантового мира может иметь ключевое значение для объяснения некоторых из величайших загадок биологии - от эффективности ферментативного катализа до птичьего плавания и до человеческого сознания - и даже может быть предметом обсуждения. к естественному отбору.

«Вся сфера пытается доказать свою точку зрения», - говорит Кьяра Марлетто , физик из Оксфордского университета, которая сотрудничала с Коулсом и Ведралом в работе по изучению бактерий. «То есть квантовая теория применима не только к этим [биологическим системам], но и возможно проверить, используют ли эти [системы] квантовую физику для выполнения своих функций».

...Большинство идей в квантовой биологии все еще основаны скорее на теории, чем на экспериментальной поддержке, но ряд исследователей сейчас пытаются сократить разрыв. Команда Ведрала планирует собрать больше данных о запутывании бактерий позднее в этом году, и физик Саймон Греблахер из Технологического университета Делфта в Нидерландах предложил провести эксперименты по запутыванию с тардиградами. В 2017 году Аль-Халили и его соавтор « Жизнь на краю» , биолог из Университета Суррея Джонджо Макфадден , помогли создать докторский учебный центрдля квантовой биологии, чтобы поощрить междисциплинарное взаимодействие и продвинуть исследовательские усилия. По словам Макфаддена, среди более широкого сообщества ученых и спонсоров исследований «теперь вы не считаете себя полностью сумасшедшим, если говорите, что изучаете квантовую механику в биологии». «Это просто считается немного странным».

Подпись автора

Информационный перенос частот веществ, все подробности
Некоторые наши результаты