Квантовая механика для биологов

Я завершил прослушивание книги Джонджо Макфадден,  Джим Аль-Халили, Жизнь на грани: Начало эпохи квантовой биологии (Johnjoe McFadden, Jim Al-Khalili. Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology).

В целом, неплохая научно-популярная книга, в которой рассмотрены многие современные работы, связанные с тем, что авторы называют квантовой биологией. Я остался доволен. Особенно мне понравились многочисленные истории про то, как завиральная идея из изгоя превращается в общепринятую (восприятие магнитного поля у животных, перепитии вибрационной теории запахов, участие запутанных свойств квантовых частиц в биологических процессах, адаптивные мутации у бактерий и многие другие).

Значительная часть книги посвящена объяснению на популярном уровне квантовой механики и связи ее с классической механикой. Авторы книги, по всей видимости, исходили из того, что биологи совсем не знают квантовой механики и авторы старались представить странные идеи квантового мира в наглядной и доступной форме. К этому материалу у меня осталось скептическое отношение, которое я выражу ниже. Тем не менее, я должен сказать, что вряд ли можно ожидать что-то другое от научно-популярной книги.

Помимо прочего, в книге чувствуется желание авторов убедить читателей, что квантовые процессы играют центральную роль в биологии. Само название книги подчеркивает, что, по мнению авторов, жизнь балансирует между квантовым и классическим мирами. На этом пути в книге рассмотрены самые разные завиральные идеи, но должен отметить, что Макфадден и Аль-Халили всегда корректно отмечают, что такая-то завиральная идея уже нашла определенное признание или же завиральная идея еще только находится на пути к успеху и в настоящий момент пользуется поддержкой только небольшой группы ученых-энтузиастов.

Интересно отметить, что при рассмотрении сознания Макфадден и Аль-Халили не одобряют квантовую теорию сознания Пенроуза—Хамероффа. В качестве альтернативы авторы книги выдвигают другую завиральную идею: электромагнитную теорию сознания. Электромагнитное поле в мозге может координировать спайки нейронов и таким образом сознание надо искать не в спайках, а в скоординированных колебаниях электромагнитного поля. Квантовые же эффекты надо искать не микротрубочках, а в ионных каналах нейронов.

Перехожу к скептическому восприятию книги.

При продвижении квантовой биологии требуется сказать, что вот, без квантовой биологии проблемы жизни не решить. Макфадден и Аль-Халили построили свою аргументацию на этом пути следующим образом. Вначале они коротко рассмотрели открытия в биологии начав с Дарвина. На этом пути они все время отмечали, что жизнь так и осталась загадкой (mystery). Химики научилсь синтезировать органические молекулы: жизнь осталась загадкой. Открыта структура ДНК: что такое жизнь осталось загадкой. Молекулярная биология показала как функционирует клетка: что такое жизнь осталось загадкой. Системая биология изучила сложные взаимодействия в живых системах: что такое жизнь осталось загадкой. В синтетической биологии удалось создать синтетическую бактерию:  что такое жизнь осталось загадкой. Теперь приведу одну цитату из книги:

«… феномен [в квантовой механике] называется суперпозицией, когда частица может делать две, или сто, или миллион вещей одновременно. Это свойство отвечает за то, что наша вселенная так сложна и интересна.»

Я думаю, что ход мысли понятен. Однако меня не покидает подозрение, что даже после слияния биологии с квантовой механикой, жизнь по-прежнему останется загадкой. В особенности на это располагает сам аргумент, просто по индукции.

Далее Макфадден и Аль-Халили многократно повторяют свою идею в виде необходимости смена слогана «Порядок из хаоса» (жизнь на основе статистической термодинамики на базе классической механики) на «Порядок из порядка» (жизнь на основе квантовой когеренции). Для меня оба слогана остались загадкой. Классическая механика полностью детерминирована. Квантовая механика же, по крайней мере в копенгагенской интерпретации, индетерминирована. Нахождение хаоса в детерминизме и поиск порядка в индетерминизме вызывает у меня удивление.

Необходимо также отметить, что построить статистическую термодинамику на основе классической механики просто невозможно. Больцман в свом знаменитом выводе статистической энтропии исходил из того, что атом/молекула может принимать только дискретные значения энергии. Такое решение было вызвано тем, что переход к континууму энергий ни к чему хорошему не приводил. Более того, частные возможные решения на основе непрерывного спектра энергии приводили к противоречию с экспериментальными данными (например замороженные степени свободы). Поэтому классический мир, который предполагается в книге в качестве альтернативы квантовому миру в принципе невозможен: статистическия термодинамика работает только в случае учета квантовых эффектов.

Я химик по образованию и могу сказать, что рассмотрение любой химической реакции требует квантовой механики. Образование и разрушение химических связей невозможно объяснить в классической механики. В книге же каким-то образом получается, что протекание большинства химических реакций связано исключительно с классическим миром. Поэтому запал авторов по поводу квантовой биологии меня несколько удивил. Запутанность и когерентность, конечно, интересны, но я бы ожидал большей последовательности при рассмотрении квантовых эффектов. Приведу одну цитату про образование ковалентной связи:

«Эти совместные отрицательно заряженные электроны притягивают положительно заряженные ядра атомов с обоих сторон связи, действую таким образом как электронный клей, который держит атомы вместе в пептидной связи.»

Такое описание может быть подойдет в качестве метафоры, но построение агрумента на основе такой метафоры напоминает мне построение замка в облаках, поскольку объяснение ковалентной связи без квантовой механики невозможно.

Я воспользуюсь примером ковалентной связи, чтобы на нем подчеркнуть сложность объяснений в рамках квантовой механики. В каждом учебнике химии вы найдете молекулярные орбитали и утверждение, что образование ковалентной связи происходит при заполнении молекулярной орбитали двумя электронами. Такой уровень объяснения  поближе к реальному положению дел, чем то, что предложили выше Макфадден и Аль-Халили. Тем не менее, молекулярная орбиталь является в определенном смысле химерой, поскольку она возникает только в рамках приближенного решения электронного уравнения Шрёдингера. Разбить волновую функцию молекулы на молекулярные орбитали принципиально невозможно и это в свою очередь говорит о том, что даже объяснение на уровне молекулярных орбиталей является только приближением. Биологам, увлеченным квантовой биологией, было бы неплохо вначале пройти нормальный курс квантовой химии.

Другим подводным камнем при рассмотрении квантовой механики является интерпретация квантовой механики, которая крутится вокруг связи между квантовых и классическим миром путем измерения. Химики в этом отношении обычно остаются на уровне «заткнись и вычисляй». Есть уравнения, они позволяют решить необходимые задачи, соотвественно понимание уравнения сводится к умению его решить. Поэтому химики, по крайне мере это было так, когда я занимался химией, довольны копенгагенской интерпретацией, где для связи квантового и классического миров необходим наблюдатель.

При объяснении жизни такой подход уже вряд ли пройдет, поскольку в данном случае необходимо найти наблюдателя внутри клетки. По всей видимости поэтому Макфадден и Аль-Халили выбрали интерпретацию квантовой механики в рамках декогерентности. В книге вроде бы предполагается. что измерения могут проводить другие молекулы: одна молекула меряет что-то у другой молекулы, бац, произошла декогеренция.

Я должен признаться, что пока только слышал про эту интерпретацию и не могу точно сказать, как она устроена. Описание в книге оставляет желать лучшего. Отмечу только, что декогеренция является далеко не единственной интерпретаций. Многие современные физики разделяют многомировую интерпретацию, где измерение ведет к расщеплению мира. Одна молекула произвела измерения и, бац, вся вселенная расщепилась на две. Квантовым биологам требуется внимательно следить в какой из вселенных они при этом оказываются.

Биология накладывает свой отпечаток на изложение материала. Особенно интересно наблюдать телеологический стиль изложения биологии при переходе к молекулам, когда оказывается, что каждый фермент выполняет свою определенную функцию. Только остается непонятно, откуда фермент узнал, какую из функций он должен выполнять.

Например в книге много раз упоминается, что молекула хлорофилла должна передать поглощенную энергию фотона из точки поглощения в реакционный центр. Я бы однако ожидал, что молекуле хлорофилла абсолютно безразлично, перейдет ли энергия из точки поглощения в реакционный центр или нет. Более того, я бы высказал крамольную мысль, что молекула хлорофилла даже не подзревает, что она поглощает энергию фотона, и что эта самая энергия превращается в так необходимые человечеству углеводороды.

Конечно, можно сказать, что все разговоры про функции являеются фигурой речи, когда каждый понимает о чем идет речь. Тем не менее можно увидеть определеннию разницу. Если молекула хлорофилла должна заниматься передачей энергии, то можно сказать, что, вот, молекула занимается квантовыми вычислениями, чтобы определить оптимальный путь передачи энергии. Если же хлорофиллу нет никакого дела до передачи энергии, то квантовые вычисления как-то подвисают в воздухе.

Завершу еще одной цитатой:

«Природные наномашины на молекулярном уровне выполняют хорошо поставленный танец, действия которого были спроектированы миллионами лет естественного отбора для манипуляции движениями фундаментальных частиц природы.»

Что тут сказать, биологи просто неисправимы.

В заключение еще раз отмечу, что книга в целом неплохая. Собран большой фактический материал, который позволяет сравнительно быстро понять, откуда и куда дует ветер. Кроме того, завиральные идеи хорошо заполняют дорогу из дома на работу и обратно и помогают справиться с повседневностью быта.

См. также

Квантовая биология в Рунете

Паскуаль Йордан — пионер квантовой биологии

Мои слайдики по молекулярному моделированию:
Molecular Dynamics/Molecular Simulation for MST

Переведенные цитаты

«… a phenomen called superposition whereby particles can do two — or a hundred, or a million — things at once. This property is responsible for the fact that our universe is richly complex and interesting.»

«These shared negatively charged electrons attract positively charged atomic nuclei of the atoms on either side of the bond, thereby acting as a kind of electronic glue that holds the atoms together in the peptide bond.»

«This nanomachines of nature are performing, at a molecular level, a carefully choreographed dance whose actions have been engineered by millions of years of natural selection to manipulate the motion of the fundamental particles of matter.»

Обсуждение

http://evgeniirudnyi.livejournal.com/114585.html


Comments are closed.