Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

В главе 4 мы описали квантовую когерентность при фотосинтезе как своего рода молекулярный оркестр, в составе которого музыканты — когерентные молекулы пигмента — демонстрируют очень четкую и слаженную игру. Однако система, элементы которой работают в унисон, сталкивается с одной проблемой: во внутриклеточном пространстве слишком шумно. Молекулярный оркестр исполняет свою программу не в тихом концертном зале, а в месте, напоминающем деловой центр города, — посреди какофонии молекулярного шума. Этот шум мешает музыкантам исполнять партии — вибрации экситона, которые то и дело выбиваются из общего ритма, что приводит к нарушению и без того хрупкого состояния квантовой когерентности.

С этой проблемой постоянно сталкиваются физики и инженеры, работающие над созданием таких приборов, как квантовые компьютеры. Специалисты используют две основные стратегии сдерживания молекулярного шума. Во-первых, когда это возможно, они стараются охлаждать системы практически до абсолютного нуля. При таких низких температурах молекулярные колебания затихают, что, в свою очередь, приводит к затиханию молекулярного шума. Во-вторых, внутри молекулярной студии звукозаписи они создают вокруг своих систем своего рода стеклянный щит, сквозь который не проникает шум окружающей среды. Разумеется, внутри живых клеток нет никаких студий звукозаписи, а растения и бактерии живут в теплой среде. Так как же фотосистемам удается так долго поддерживать мелодию оркестра квантовой когерентности?

Дело в том, что реакционные центры фотосинтеза используют две разновидности молекулярного шума для поддержания, а вовсе не нарушения когерентности. К первой разновидности относится более или менее слабый, низкий шум, который иногда называют белым шумом . Он напоминает теле- или радиопомехи, улавливаемые на всех частотах [176] Амплитуда колебаний достаточно мала, поэтому распространение помех не сопровождается передачей большого количества энергии. . Белый шум исходит из термальных столкновений окружающих молекул и частиц, например молекул воды с ионами металлов, которыми заполнено пространство живой клетки. Ко второй разновидности относится цветной шум , более громкий. Этот шум характеризуется ограниченным диапазоном частот, подобно тому как окрашенный (видимый глазом) свет ограничен узким диапазоном частот электромагнитного спектра. Источником цветного шума являются колебания более крупных молекулярных структур в составе хлоропластов, например молекул пигмента (хлорофилла) и белковых структур, обеспечивающих их целостность. Белки, в свою очередь, представляют собой нити, на которые нанизаны аминокислотные бусины. Аминокислотные бусы закручены так, что на них легко держатся молекулы хлорофилла. Их изгибы и связи отличаются гибкостью, и они могут совершать колебания, но только на определенных частотах, подобно гитарным струнам. В свою очередь, молекулы пигмента также имеют собственную частоту колебаний. Эти колебания и производят цветной шум, который, как музыкальный аккорд, строится всего из нескольких нот. Фотосинтетическая реакционная система использует белый и цветной шум для продвижения когерентного экситона к реакционному центру.

К разгадке того, как живая клетка использует данные разновидности молекулярных колебаний, одновременно (в 2008–2009 годах) и независимо пришли две группы исследователей. Одну из них возглавляли супруги Мартин Пленио и Сюзана Хуэльга, на тот момент работавшие в Великобритании. Их давно интересовало влияние внешнего шума на динамику квантовых систем, поэтому они не были сильно удивлены, когда услышали об эксперименте с фотосинтезом, который в 2007 году провел Грэм Флеминг (об этом эксперименте мы говорили в главе 4). Сразу после этого они опубликовали несколько статей (не так уж широко цитируемых), в которых предлагалась модель того, что, по их мнению, происходит в ходе данного эксперимента [177] Plenio M. B. and Huelga S. F. Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules // New Journal of Physics, 2008. — Vol. 10; Caruso F., Chin A. W., Datta A., Huelga S. F. and Plenio M. B. Highly efficient energy excitation transfer in light-harvesting complexes: the fundamental role of noise-assisted transport // Journal of Chemical Physics, 2009. — Vol. 131. . Они предположили, что шумная среда живой клетки придает импульс квантовой динамике и скорее поддерживает, чем нарушает квантовую когерентность фотосинтетических комплексов и других биологических систем.

Другая группа ученых работала над той же проблемой по другую сторону Атлантики: коллектив специалистов по квантовой информации из МТИ под руководством Сета Ллойда, который ранее, как вы помните, считал наличие квантово-механических механизмов в растениях «бредовой идеей». Вместе с коллегами из соседнего Гарварда Ллойд внимательно исследовал фотосинтетический комплекс водорослей, в котором Флеминг и Энгель обнаружили квантовые биения [178] Mohseni M., Rebentrost P., Lloyd S. and Aspuru-Guzik A. Environmentassisted quantum walks in photosynthetic energy transfer // Journal of Chemical Physics, 2008. — Vol. 129: 17. . Они показали, что замедлению или ускорению квантового продвижения когерентного экситона способствует шум внутриклеточного пространства. Все зависит от того, насколько громким является этот шум. Если температура системы достаточно низкая и сама система находится в состоянии покоя, экситон бесцельно колеблется, не стремясь никуда продвинуться. При относительно высокой температуре и шумной среде возникает так называемый квантовый эффект Зенона , задерживающий квантовое перемещение. Между этими двумя полярными состояниями находится зона Златовласки — совокупность условий, при которых возникают колебания, способствующие квантовому перемещению экситона.

Квантовый эффект Зенона назван именем древнегреческого философа Зенона Элейского, сформулировавшего философские проблемы в форме серии парадоксов, один из которых известен как апория о полете стрелы. Рассуждая о летящей стреле, Зенон отметил, что в каждый момент времени она занимает определенное положение. Если бы стрелу можно было наблюдать в какое-то определенное мгновение, то мы бы увидели, что в это мгновение она неподвижна и находится над землей в состоянии покоя. Парадокс заключается в том, что полет стрелы представляет собой последовательность застывших моментов времени, в которых стрела не движется. Если все эти моменты сложить, стрела летит. Как же последовательность моментов покоя образует движение? Дело в том, что определенный промежуток времени не состоит из последовательности неделимых промежутков отсутствия времени. Однако этот вывод ожидал своего часа, пока в XVII веке не был разработан математический анализ — спустя более двух тысячелетий с тех пор, как Зенон сформулировал свои апории. И все же парадокс Зенона сохранился по крайней мере в названии одного из самых оригинальных эффектов квантовой механики. Квантовые стрелы действительно способны замереть в полете благодаря акту наблюдения за ними.