Вопросы, возникшие при чтении статьи Vasily Ogryzko «Quantum information processing at the cellular level. Euclidean approach», http://fr.arxiv.org/abs/0906.4279
Сайт автора статьи: http://sites.google.com/site/vasilyogryzko/
Цель статьи – предложить новое решения для объяснения внутриклеточной динамики живой клетки и автор предлагает последовательное использование квантовой механике, как начальной точки отсчета:
This means that we start from the full quantum mechanical description – considering a cell as a system of electrons and nuclei, governed mostly by the laws of electromagnetism.
Я должен сказать, что в последнее время общаюсь с людьми на everything-list [1] и мое мнение сейчас находится под впечатлением несколько пессимистического взгляда John Mike [2]
«What the WORLD is, if it exists (what does that mean?) what we call a «universe» or «existence» is hazy. No outside view.»
Можно заметить несколько разное восприятие мира в двух цитатах выше. С этой точки зрения к рассматриваемой статье как нельзя лучше подходит выражение Горького «Безумству храбрых поем мы песню».
С другой стороны, я химик по образованию и меня безусловно радует, что биологи начинают использовать в том числе квантовую механику для объяснения биологических процессов. Высказывания биологов, например что бактерии воспринимают внешний мир [3], ведут сексуальную жизнь [4], и вообще принимают решения, честно сказать вызывают внутреннее отторжение. Я также понимаю, что если слишком глубоко задуматься над глобальными вопросами, то тогда уже точно никакой частный вопрос решить не удасться. Поэтому я постараюсь быть конструктивным.
Здесь уместно отметить, что в статье автор также считает, что
«the marriage between quantum mechanics and biology could have an impact on the physics foundations as well»
поэтому я надеюсь, что мой текст будет в конечном итоге полезен.
Квантовая механика
Некоторое время назад мне попалась на глаза статья Quantum Microbiology [6], обсуждение которой на Linkedin познакомило меня со статьями Василия Огрызко. Я тогда написал к статье Quantum Microbiology небольшой отзыв [7] и он в какой-то степени применим также к рассматриваемой статье. Однако сейчас мне хотелось бы остановиться на другой стороне квантовой механики, а именно на ее интерпретации. В моем отзыве [7] я не затрагивал этого вопроса, поскольку для химиков квантовая механика в основном является просто полезным инструментом, с помощью которого можно получить необходимые свойства молекул. Без всякого сомнения химики также любят порассуждать про смысл волновой функции (надо отметить, что в светлом прошлом это занятие могло быть вредным для здоровья [8]), но они не зацикливаются на этом вопросе. Я вернусь к отношению настоящих химиков к квантовой механике в конце текста.
Если однако говорить про возможное влияние биологии и квантовой механики на основания физики, то тогда надо вспомнить, что интерпретация квантовой механики является до сих пор открытым вопросом. Например в копенгагенской интерпретации измерение влияет на волновую функцию и тогда возникает естественный вопрос, кто же проводит измерения, в особенности если мы рассмотрим не только клетку, но и всю вселенную как множество элементарных частиц. К слову сказать, на роль наблюдателя может в принципе претендовать и эмбрионная клетка [9]
IF microtubules in the brain have coherence properties that equate to consciousness
GIVEN that those microtubules map in the sense of a fate map from the cortex of the one cell (amphibian) embryo to the brain
THEN we ought to be able to investigate those coherence properties (consciousness?) in the one cell embryo.
Поэтому вот, может быть действительно слияние биологии и квантовой механики возможно. Тем не менее, сравним проблему интерпретации квантовой механики с цитатой из рассматриваемой статьи
First, I take quantum description as fundamental (i.e., the ‘first principles’) description of nature, and the classical description as its derivative – resulting from the so called ‘quantum to classical transition’.
Соотвественно, так не получается, по крайней мере в копенгагенской интерпретации. Было бы интересно узнать мнения автора по этому вопросу, какой интерпретации он придерживается и каким образом классическое описание плавно возникает из квантового.
Можно также показать потенциальные проблемы перехода от квантового к классическому описанию следующим образом. Давайте сравним уровни энергии и живую клетку.
Как от одной картинки перейти к другой? Здесь будет уместна цитата про материю из A Different Universe [10] (мнение Нобелевского лаурета по физике)
By the most important effect of phase organisation is to cause objects to exist. This point is subtle and easily overlooked, since we are accustomed to thinking about solidification in terms of packing of Newtonian spheres. Atoms are not Newtonian spheres, however, but ethereal quantum-mechanical entities lacking that most central of all properties of an object – an identifiable position. This is why attempts to describe free atoms in Newtonian terms always result in nonsense statements such as their being neither here nor there but simultaneously everywhere. It is aggregation into large objects that makes a Newtonian description of the atoms meaningful, not the reverse. One might compare this phenomenon with a yet-to-be-filmed Stephen Spilberg movie in which a huge number of little ghosts lock arms and, in doing so, become corporeal.
Было бы интересно узнать, что автор думает по этому поводу.
Математическая модель и реальность
Василий Огрызко пишет:
I am biologist, and although I will use some formulae, I am not going to use them for calculations, but mostly for conceptual purposes, to clarify what I want to say.
В целом именно так химики относятся к квантовой механике и в следующем разделе я вернусь к этому утверждению с точки зрения настоящего химика (bench chemist). Я однако никогда не был настоящим химиком и большую часть жизни я симулирую (I simulate) самые разнообразные процессы на компьютере. На этом пути часто попадались ситуации, когда люди давали совершенно разные интерпретации уравнению, однако расчеты оставались без изменения. Поэтому я лично несколько подозрительно отношусь, когда люди используют формулы как символ, чтобы достичь понимания. Мне кажется, что расчет по уравнению дает много дополнительной информации о том, наскольку уравнение хорошо и в каком случае.
В статье автор вводит каталитическую силу для объяснения процессов внутриклеточной динамики. Мне осталось непонятным его аргументы, вполне возможно по причинам личного характера, изложенным выше. Так автор говорит
To illustrate the origin of the Cf force, I used as a model the molecular hydrogen ion, held together by the electron exchange between two protons.
Ион молекулы водорода – это хорошо известная модель в химии, для которой в настоящее время можно без особого труда провести квантовые расчеты на хорошем уровне. Наверное по этой причине, мне не удалось понять качественные объяснения автора в этом примере и в дальнейшем это обстоятельство привело к внутреннему отторжению аргументов автора. Я бы посоветовал автору сопоставить его рассмотрение иона водорода с таковым в химии. Это с моей точки зрения помогло бы лучше понять, что он понимает под каталитической силой.
Если в случае иона водорода проведение хороших расчетов не проблема, то квантово-механические расчеты целой клетке, даже самой маленькой и даже на самом грубом уровне, остаются за пределами человеческих возможностей. Здесь однако можно расмотреть вопрос в принципе: погадать, что было бы, если бы у нас были более мощные компьютеры. На этом пути возникает интересный вопрос о соотношении между математической моделью, выраженной например в виде компьютерной программы, и реальным объектом. Общение на everything-list [1] привело к тому, что в настоящей момент пропала определенность в моей точке зрения на этот счет и я хотел бы донести мои текущие сомнения. Это не относится к статье Огрызко напрямую, но если он говорит про влияние биологии на основания физики, то будет наверное полезным задуматься на этим вопросом.
Итак у нас есть например уравнение Шрёдингера и живая клетка. Предположим, что существует очень мощный компьютер, который в состоянии рассчитать живую клетку непосредственно по уравнению Шрёдингера. Таким образом у нас есть клетка in vivo и клетка in silico. Вопрос, в чем заключается отличие между ними? Вопрос несомненно абстрактный, но например утверждение, что клетка in silico обладает всей необходимой функциональностью клетки in vivo позволяет сказать, что тогда человек и его сознание также может быть помещено в in silico. Это в свою очередь приводит к тому, что ряд граждан считают, что мы уже находимся в некоторой симуляции, правда непонятно кем организованной (см. everything-list [1] и например [11]).
Мне не кажется, что данная проблема самая актуальная и без всякого сомнения она уводит в сторону от решения реальных проблем. Однако когда нападает хандра, это дает хороший повод отбросить надоевшие проблемы и задуматься о вечном.
Химия, квантовая механика и понимание
Я процитирую еще раз Василия Огрызко
I am biologist, and although I will use some formulae, I am not going to use them for calculations, but mostly for conceptual purposes, to clarify what I want to say.
Как я уже упоминул, именно таким путем идут настоящие химики. Чтобы показать, к чему это приводит, я на скору руку я нашел в Интернете документ Решение качественных задач в курсе органической химии [12], который очень неплохо передает происходящее. Одна небольшая цитата (Я бы рекомендовал прочитать документ целиком, он небольшой. Также должен отметить, что разница с университетским курсом органической химии не очень большая).
Более сильный кислотный характер фенолов по сравнению с водой объясняется влиянием бензольного ядра. Неподеленная пара электронов атома кислорода вступает в сопряжение с пи-электронами бензольного ядра. В результате электронная плотность кислородного атома перемещается частично на связь кислород–углерод (увеличивая при этом электронную плотность в орто- и параположениях в бензольном ядре). Электронная пара связи кислород–водород сильнее притягивается к атому кислорода.
Видно, что химики создали свой собственный язык, который немного перекликается с квантовой механикой. Я думаю, что это одна из причин, по которой физики (и не только они) ненавидят химию. С другой стороны, именно такой язык помогает химикам синтезировать новые соединения. Молекулярная симуляция (molecular simulation) постепенно также находит свое место в практике настоящих химиков, но творческий подход остается. Физикам даже с применением современных компьютеров синтезировать новые вещества никак не удается, в этом отношении на их долю остается только решение вечных вопросов, далеких от практических применений.
С этой точки зрения введение нового языка биологов (например каталитическая сила), основанного на квантовомеханических представлениях представляется логичным. Почему бы и нет. Было бы только неплохо посмотреть, возможно ли например составить химико-биологический словарь. Это помогло бы привлечь на свою сторону химиков.
В заключение цитата из A Different Universe [10], которая показывает, что даже физик — Нобелевский лауреат сомневается в том, что слишком много математики – это хорошо.
The transition to the Age of Emergence brings to an end the myth of the absolute power of mathematics. This myth is still entrenched in our culture, unfortunately, a fact revealed routinely in the press and popular publications promoting the search for ultimate laws as the only scientific activity worth pursuing, notwithstanding massive and overwhelming experimental evidence that exactly the opposite is the case.
Цитата показывает, что в целом Василий на правильном пути. Единственное, это лучше всего не связываться с основаниями физики. Не уверен, что это поможет в решение биологических проблем.
[1] The everything list, http://groups.google.com/group/everything-list.
[2] John Mike, everything-list, http://groups.google.com/group/everything-list/msg/597a467f3a83b5d3
[3] Perception, Feedback, and Qualia, http://blog.rudnyi.ru/2011/01/perception-feedback-and-qualia.html
[4] Например, http://groups.google.com/group/embryophysics/t/ef2b94434fadb9fd: «Yes, bacterial conjugation is bacterial sex.»
[6] J. T. Trevors and L. Masson, Quantum Microbiology, Curr. Issues Mol. Biol. 13: 43-50, 2011
[7] Quantum Microbiology (Review), http://blog.rudnyi.ru/2011/03/quantum-microbiology.html
[8] «Состояние теории химического строения в органической химии». Стенографический отчет Всесоюзного совещания Академии наук СССР (Отделение химических наук) 11-14 июня 1951 г., Москва, Изд-во Академии наук СССР, 1952 г.
[9] Dick Gordon, everything-list, http://groups.google.com/group/everything-list/msg/76da2f473b3e9f96
[10] Robert B. Laughlin, A Different Universe. Цитаты из книги: http://blog.rudnyi.ru/tag/different-universe
[11] http://blog.rudnyi.ru/2010/08/computable-universes.html
[12] М.А. Александрова, Решение качественных задач в курсе органической химии, http://him.1september.ru/view_article.php?ID=200900203