Размышления о движущих силах жизни

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 [7].

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 О₂, 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 [8]. 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 [9]. 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 и заявили, что эти центры функционируют как «квантовые световые ловушки» [10]. 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 [11], 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 [12]. 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.