«Бактерії Шредінгера»: диво квантової біології?

Квантовий світ вельми дивний. У теорії, так і на практиці, до певної міри, принципи квантового світу вимагають, щоб частка могла надаватися в двох місцях одночасно — це парадоксальне явище відоме як суперпозиція — і щоб дві частинки могли «застрягнути», обмінюючись інформацією через скільки завгодно великі відстані. Як саме — ніхто не знає в точності. Найвідомішим прикладом дивацтва квантового світу можна назвати кота Шредінгера, уявний експеримент, проведений Ервіном Шредінгер в 1935 році.

Австрійський фізик подумки помістив кота в ящик з потенційно смертельним радіоактивною речовиною. Дивні закони квантової механіки дозволяли коту існувати в суперпозиції двох станів — одночасно живому і мертвому — принаймні, до тих пір, поки ящик не буде розкритий і його вміст — виявлено.

Примхи квантового світу

При всій дивацтва, ця концепція була експериментально підтверджена незліченну кількість разів у квантових масштабах. Але при масштабуванні до нашого, так би мовити, більш простого і зрозумілого макроскопічного світу, все змінюється. Ніхто поки не бачив зірку, планету або кота в суперпозиції або в стані квантової заплутаності. Але з тих пір, як квантова теорія була вперше сформульована на початку 20 століття, вчені задавалися питанням, де саме перетинаються мікроскопічний і макроскопічний світи? Наскільки великою може бути квантова реальність і буде вона коли-небудь досить великий, щоб її найдивніші аспекти можна було тісно пов’язати з живими істотами? Протягом останніх двох десятиліть з’явилася область квантової біології шукала відповіді на ці питання, пропонуючи і проводячи експерименти над живими організмами, які могли б допомогти намацати межі квантової теорії.

Ці експерименти вже принесли цікаві, але непереконливі результати. На початку цього року, наприклад, вчені показали, що процес фотосинтезу — коли організми виробляють їжу, використовуючи світло — може включати деякі квантові ефекти. Навігація птахів або наш нюх також говорять про те, що квантові ефекти можуть проявлятися у живих істот самим незвичайним чином. Але це лише самий кінчик айсберга квантового світу. Досі нікому не вдавалося змусити цілий живий організм — навіть не одноклеточную бактерію — проявити квантові ефекти, такі як заплутаність або суперпозиція.

Читайте також  Новий тест дозволить передбачити, наскільки розумною буде дитина ще до її народження

І ось нова робота вчених Оксфордського університету змушує деяких здивовано підняти брови: в ній вони пишуть, що їм вдалося успішно заплутати бактерій з фотонами — частинками світла. Дослідження, проведене квантовим фізиком К’ярою Марлетто і опубліковане в жовтні в Journal of Physics Communications, являє собою аналіз експерименту, проведеного в 2016 році Девідом Коулсом з Університету Шеффілда та його колегами. У тому експерименті Коулс і компанія розмістили кілька сотень фотосинтезуючих зелених сірчаних бактерій між двома дзеркалами, поступово скорочуючи проміжок між дзеркалами до декількох сотень нанометрів — менше, ніж ширина людського волоса. Пропускаючи білий світ через дзеркала, вчені сподівалися, що фотосинтетические молекули в бактеріях утворюють пари — чи будуть взаємодіяти — з порожнечею, тобто бактерії будуть безперервно поглинати, випускати і заново абсорбувати стрибаючі фотони. Експеримент був успішним. Близько шести бактерій утворили пари за цією ознакою.

Марлетто і її колеги стверджують, що бактерії не тільки утворили пару з порожниною. У своєму аналізі вони продемонстрували, що енергетичні сигнатури, отримані в ході експерименту, можуть бути сумісні з фотосинтезирующими системами бактерій, заплутаних зі світлом в порожнині. По суті, здається, що деякі фотони одночасно вражали і пропускали фотосинтетические молекули всередині бактерії — це було відмітною ознакою заплутування.

«Наші моделі показують, що це явище можна вважати сигнатурою заплутаності між світлом і певними ступенями свободи всередині бактерій», говорить вона.

За словами співавтора дослідження Трістана Фарроу, який також з Оксфорда, вперше це явище було помічене в живому організмі. «Це безумовно ключ до доказу того, що ми якимось чином рухаємося в бік ідеї «бактерій Шредінгера», так сказати», говорить він. І це натякає на інший потенційний випадок прояву квантової біології в природному середовищі: зелені сіробактерії мешкають в глибокому океані, де дефіцит цілющого світла може стимулювати квантово-механічні еволюційні адаптації для розгону і підтримки фотосинтезу.

Читайте також  SpaceX отримала схвалення на зміну схеми установки супутників Starlink

У таких суперечливих заяв є, втім, безліч підводних каменів. Насамперед, доказ заплутування в такому експерименті буде непрямим, залежним від того, як спостерігач вирішує інтерпретувати світ, що протікає крізь і випливає з обмежених порожниною бактерій. Марлетто і її колеги визнають, що класична модель, вільна від квантових ефектів, також могла б пояснити результати цього експерименту. Але, звичайно, фотони не є класичними зовсім — вони квантові. І все ж більш реалістична «полуклассическая» модель, що використовує закони Ньютона для бактерій і квантові закони для фотонів, не може відтворити результати, отримані Коулсом і його колегами в лабораторії. Це вказує на те, що квантові ефекти проявляються як для світу, так і для бактерій.

Інший підводний камінь: енергії бактерій і фотона вимірювалися спільно, а не поодинці. Це, за словами Саймона Греблахера з Технологічного університету Делфта в Нідерландах, який не брав участі в дослідженні, є певним обмеженням. «Може здатися, що відбувається щось на квантовому рівні», говорить він. «Але… звичайно, коли ми демонструємо заплутаність, ми вимірюємо дві системи незалежно», щоб підтвердити, що будь-які квантові кореляції між ними будуть справжніми.

Незважаючи на ці невизначеності, для багатьох експертів квантово-біологічний перехід від теоретичної мрії до реальності, яку можна помацати, це не питання можливості — це питання часу. Окремо та колективно молекули за межами біологічних систем вже проявили квантові ефекти в лабораторних експериментах, проведених за десятки років, тому пошук цих ефектів серед молекул всередині бактерій або взагалі наших тіл здається не позбавленим сенсу. В організмах людей та інших багатоклітинних істот, втім, такі молекулярні квантові ефекти було б важко помітити, але в малюсіньких бактерій — чому б і ні? «Це приємне відкриття, хоч і очікуване», говорить Греблахер. «Але воно, безумовно, буде сюрпризом, якщо продемонструвати його на прикладі реальної біологічної системи».

Читайте також  SpaceX відправить туристів навколо Місяця, але вона не перша, хто давав такі обіцянки

Кілька дослідницьких груп, очолюваних в тому числі Греблахером і Фарроу, сподіваються розробити ці ідеї ще більше. Греблахер розробив експеримент, який міг би помістити крихітне тварина — тихоходку — стан суперпозиції. Це буде набагато складніше, ніж заплутування бактерій зі світлом із-за порівняно великого розміру тихоходок. Фарроу розглядає способи поліпшити експеримент з бактеріями; в наступному році він і його колеги сподіваються заплутати двох бактерій разом, не чіпаючи світло.

«Мова йде про розуміння природи реальності і про те, чи мають квантові ефекти роль у біологічних функціях. Глибоко в корені речей є квантовим».

Може бути так, наприклад, що «природний відбір придумав способи для живих систем природним чином використовувати квантові явища», зазначає Марлетто, приводячи в приклад вищезгаданий фотосинтез серобактерий в глибокому морі. Але для цього потрібно починати з малого. В ході недавнього експерименту був успішно заплутаний мільйон атомів. Звичайно, це мізер навіть порівняно з бактеріями. Але якщо підхід знизу-вгору спрацює, одного разу нас чекає заплутані на макроскопічному рівні істоти, предмети і навіть люди.

Степан Лютий

Обожнюю технології в сучасному світі. Хоча частенько і замислююся над тим, як далеко вони нас заведуть. Не те, щоб я прям і знаюся на ядрах, пікселях, коллайдерах і інших парсеках. Просто приходжу в захват від того, що може в творчому пориві вигадати людський розум.

You may also like...

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *