Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

В 1977 году физики из Техасского университета опубликовали статью о том, что в квантовом мире может происходить нечто, напоминающее апорию Зенона о полете стрелы [179] Misra B. and Sudarshan G. The Zeno paradox in quantum theory // Journal of Mathematical Physics, 1977. — Vol. 18. — P. 746: http://dx.doi.org/10.1063/1.523304. . Квантовый эффект Зенона (как впоследствии было названо данное парадоксальное явление) заключается в том, что частые наблюдения предотвращают некоторые квантовые события. К примеру, если постоянно наблюдать за радиоактивным атомом, то он никогда не распадется — этот эффект можно описать старой пословицей «Кто над чайником стоит, у того он не кипит». В реальности чайник в конце концов закипает, наблюдаете вы за ним или нет, однако, если вас одолевает жажда и вам очень хочется чаю, вам кажется, что чайник закипает целую вечность, — время будто бы замедляется. Однако, как указывал Гейзенберг, в квантовом мире акт наблюдения (или измерения) неизбежно влияет на поведение наблюдаемого объекта.

Чтобы понять, как относится парадокс Зенона к реальной жизни, обратимся снова к одной из стадий фотосинтеза — стадии переноса энергии. Давайте представим, что молекула хлорофилла внутри зеленого листочка захватила фотон солнечного света и преобразовала его энергию в экситон. В классическом понимании экситон — это частица, локализованная в пространстве и времени. Однако, как показал опыт с двумя щелями, квантовые частицы обладают также свойствами волны, позволяющими им пребывать в состоянии квантовой суперпозиции — во многих местах одновременно. Именно волновые свойства экситона играют ключевую роль в квантовом переносе энергии, поскольку благодаря этим свойствам экситон, как и волна воды, может распространяться одновременно в нескольких направлениях. Тем не менее квантовая волна может разбиться о рифы молекулярного шума внутри листа. Вследствие декогерентности экситон теряет волновые свойства и вновь превращается в локализованную частицу, занимающую одно определенное положение. Таким образом, молекулярный шум действует на частицу как своего рода постоянное измерение, и, если он достаточно интенсивен, декогерентность будет происходить очень быстро и у квантовой когерентности не остается шансов помочь экситону достичь пункта назначения. В этом и заключается квантовый эффект Зенона: волны из мира квантовой механики постоянно разбиваются о преграды из мира классической физики.

В ходе изучения влияния молекулярного шума (колебаний) на работу фотосинтетического комплекса бактерий команда ученых из МТИ обнаружила, что для квантового переноса оптимальными являются температуры, при которых бактерии и растения осуществляют фотосинтез. Идеальное совпадение оптимальных условий для квантового переноса энергии и температур, при которых протекает жизнедеятельность живых организмов, является примечательным фактом. Этот факт, по утверждению ученых, говорит о том, что квантовое эволюционное проектирование процесса перемещения экситона совершенствовалось на протяжении трех миллиардов лет действия естественного отбора и привело к созданию идеальных условий для самой важной биохимической реакции в биосфере. Как было отмечено авторами данного исследования в одной из поздних статей, «естественный отбор дает импульс квантовым системам для достижения ими той степени квантовой когерентности, которая „как раз хороша“ для максимальной эффективности» [180] Lloyd S., Mohseni M., Shabani A. and Rabitz H. The quantum Goldilocks effect: on the convergence of timescales in quantum transport. — 2011. .

И все же благоприятные молекулярные колебания не ограничиваются такой разновидностью, как белый шум. В настоящее время считается, что ключевую роль в сдерживании декогерентности играет также цветной шум, производимый ограниченным диапазоном колебаний молекул хлорофилла или окружающих их белков. Если проводить аналогии, то белый тепловой шум можно представить как шум радиопомех, производимых плохо настроенным радиоприемником, а колебания цветного шума — как простой ритм вроде повторяющегося «боп-боп» в песне Good Vibrations («Приятные вибрации») группы The Beach Boys. Однако не следует забывать о том, что экситон также способен вести себя как волна и производить когерентные квантовые биения, которые были описаны Грэмом Флемингом и его коллегами. В двух статьях, опубликованных в 2012 и 2013 годах учеными из группы Мартина Пленио, работающей в Ульмском университете (Германия), говорится о том, что, когда когерентный экситон сбивается со своего ритма вследствие воздействия белого шума, настроить его на «верную мелодию» может цветной шум, если колебания экситона и окружающих его молекул белков (собственно цветной шум) войдут в один и тот же ритм [181] Chin A. W., Huelga S. F. and Plenio M. B. Coherence and decoherence in biological systems: principles of noise-assisted transport and the origin of long-lived coherences // Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2012. — Vol. 370; Chin A. W., Prior J., Rosenbach R., Caycedo-Soler F., Huelga S. F. and Plenio M. B. The role of non-equilibrium vibrational structures in electronic coherence and recoherence in pigment-protein complexes // Nature Physics, 2013. — Vol. 9: 2. — P. 113–118. . Уже в 2014 году в журнале Nature появилась статья Александры Олайа-Кастро, в которой автор изложила результаты блестящего теоретического исследования. Оказалось, что экситон и колебания окружающих молекул (цветной шум) имеют общий квант энергии — явление, которое не может быть описано без обращения к теории квантовой механики [182] O’Reilly E. J. and Olaya-Castro A. Non-classicality of molecular vibrations activating electronic dynamics at room temperature // Nature Communications, 2014. — Vol. 5. .

Чтобы в полной мере оценить роль двух рассмотренных нами разновидностей молекулярного шума в процессе перемещении экситона, предлагаем вам вернуться к метафоре из мира музыки, которую мы приводили выше, и вновь представить фотосистему в виде оркестра. На этот раз музыкантами являются молекулы пигмента (хлорофилла), а исполняемой мелодией — экситон. Представьте, что мелодия начинается с соло скрипки — так молекула хлорофилла захватывает фотон и преобразует его энергию в колебания экситона. Затем мелодию-экситон подхватывают остальные струнные инструменты, затем духовые, и наконец вступают ударные, чей ритм символизирует реакционный центр. Кроме того, в нашем воображении оркестр исполняет эту мелодию в театре, где слушатели в зале постоянно производят белый шум — шуршат пакетами, ерзают в креслах, кашляют и чихают. Дирижер в нашей метафоре исполняет роль цветного шума.

Для начала представим, что мы оказались в зале и в этот вечер публика особенно расшумелась — музыканты с трудом слышат своих коллег и самих себя. Посреди громкого гула первая скрипка начинает свою партию, однако остальные музыканты не слышат ее и, следовательно, не могут вовремя подхватить мелодию. Это и есть ситуация, в которой возникает квантовый эффект Зенона: слишком интенсивный шум препятствует квантовому переносу энергии. Однако при очень низком уровне шума, скажем в пустом зале без единого зрителя, музыканты слышат только игру друг друга, поэтому все подхватывают первую партию, словно никак не могут избавиться от мелодии, застрявшей в голове, и сыграть каждый свою партию. Это обратная ситуация избытка квантовой когерентности, в которой экситон постоянно колеблется в пределах системы, однако так и не останавливается в каком-либо определенном месте.