Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Аль-Халили Джим

Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии
Джонджо МакФадден

Джим Аль-Халили


New Science
Жизнь – самый экстраординарный феномен в наблюдаемой Вселенной; но как возникла жизнь? Даже в эпоху клонирования и синтетической биологии остается справедливой замечательная истина: никому еще не удалось создать живое из полностью неживых материалов. Жизнь возникает только от жизни. Выходит, мы до сих пор упускаем какой-то из ее основополагающих компонентов? Подобно книге Ричарда Докинза «Эгоистичный ген», позволившей в новом свете взглянуть на эволюционный процесс, книга «Жизнь на грани» изменяет наши представления о фундаментальных движущих силах этого мира. В ней авторы рассматривают как новейшие экспериментальные данные, так и открытия с переднего края науки, и делают это в неповторимо доходчивом стиле. Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден рассказывают о недостающем компоненте квантовой механики; феномене, который лежит в основе этой самой таинственной из наук.





Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден

Жизнь на грани

Ваша первая книга о квантовой биологии



Серия «New Science»



© ООО Издательство «Питер», 2016

Copyright © Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden 2014

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2017

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2017

© Серия «New Science», 2017


* * *


Посвящается Пенни и Олли, Джули, Дэвиду и Кейт







Благодарности


Авторы работали над этой книгой на протяжении трех лет, хотя их сотрудничество в области новой увлекательной научной дисциплины, объединяющей квантовую механику, биохимию и биологию, длится почти два десятилетия. Однако, когда речь идет о такой междисциплинарной области знаний, как квантовая биология, едва ли возможно даже за такой длительный срок стать в ней полноценным экспертом, чувствующим себя уверенным и глубоко разбирающимся во всех смежных науках, которые и создают целостную картину новой области исследования. Не менее трудно браться за написание первой книги о такой области, особенно если эта книга адресована широкому кругу читателей, далеких от науки.

Совершенно точно никто из нас не смог бы написать такую книгу в одиночку, поскольку один из нас физик, а другой – биолог. Мы также с уверенностью можем сказать, что не смогли бы издать эту книгу, которой мы оба очень гордимся, если бы не помощь и советы многих людей, и большинство из них – ученые с мировым именем, признанные специалисты в своих исследовательских областях.

Мы безмерно благодарны Полу Дейвису за плодотворные обсуждения многих вопросов, связанных с квантовой механикой и значением ее явлений для биологических процессов, которые он вел с нами на протяжении 15 лет. Мы также благодарны многим физикам, химикам и биологам, которые ежегодно совершают научные прорывы в новой науке и обладают такими талантами и глубокими знаниями в своих исследовательских областях, каких у нас не было и нет. Мы выражаем особую признательность Дженнифер Брукс, Грегори Энджелу, Адаму Годбиру, Сету Ллойду, Александре Олайа-Кастро, Мартину Пленио, Санду Попеску, Торстену Ритцу, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону, Полу Стивенсону, Луке Турину и Влатко Ведралу. Мы также хотим поблагодарить Мирелу Дьюмик, координатора Института перспективных исследований Университета Суррея, которая практически в одиночку организовала международный симпозиум «Квантовая биология: актуальное состояние и возможности», успешно прошедший в Суррее в 2012 году (спонсорами симпозиума выступили IAS, BBSRC (Совет по научно-исследовательским работам в области биотехнологий и биологических наук) и проект MILES). Этот симпозиум позволил встретиться всем ведущим специалистам в области исследований квантовой биологии (новая наука только развивается, поэтому в данной научной области работает небольшое число ученых) и помог нам ощутить, что каждый из нас является частью действительно существующего исследовательского сообщества.

Когда текст данной книги был готов, мы попросили нескольких коллег из перечисленных выше просмотреть книгу и высказать свое мнение. Таким образом, мы выражаем благодарность Мартину Пленио, Дженнифер Брукс, Александре Олайа-Кастро, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону и Луке Турину. Мы также хотим поблагодарить Филипа Бола, Пита Доунза и Грега Ноулза – за то, что они прочитали весь текст или отдельные главы в последней редакции и высказали проницательные комментарии, которые оказались очень важными и помогли нам значительно улучшить книгу. Мы выражаем признательность нашему агенту Патрику Уолшу, без которого эта книга не была бы опубликована, и Салли Гаминара из издательства «Рэндом Хаус» за веру в нас и за искреннюю заинтересованность в нашем проекте. Патрик заслуживает особых благодарностей, как и Кэрри Плитт из издательства «Конвилл и Уолш», за их советы и предложения, касающиеся структуры и формата книги, и за то, какой эта книга получилась, особенно в сравнении с ее первоначальным видом. Мы также выражаем восхищение редакторским талантом Джиллиан Сомерскейлс.

Наконец, мы хотим выразить глубокую благодарность нашим семьям за неоценимую поддержку, особенно в периоды дедлайнов, установленных издателями, а также авторам – самим себе – за то, что мы откладывали все текущие дела и погружались с головой в ноутбуки. Мы потеряли счет вечерам, выходным и семейным праздникам, когда вместо того, чтобы провести время с близкими людьми, мы отдавали его квантовой биологии. Надеемся, что эта книга того стоит.

Мы верим, что самое интересное ожидает и нас, и новую науку – квантовую биологию – впереди, в будущем.



    Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден,
    август 2014 года




1. Введение



В этом году морозы в Европу пришли рано, вечерний воздух скован пронизывающим холодом. Дремлющие где-то в глубине сознания, пробуждаются целеустремленность и решительность молодой малиновки.

На протяжении нескольких предшествующих недель птица ежедневно съедала гораздо больше насекомых, пауков, червяков и ягод, чем ей обычно требуется. Теперь она весит вдвое больше, чем в августе, когда ее птенцы покинули гнездо. Этот лишний вес в основном составляют жировые запасы, которые понадобятся ей для поддержания сил в предстоящем нелегком путешествии.

Ей впервые предстоит покинуть еловый лес в Центральной Швеции, где она прожила свою пока еще короткую жизнь и где еще несколько месяцев назад вырастила птенцов. К счастью для малиновки, прошлая зима была не такой суровой. Год назад она сама была птенцом и ей не хватило бы сил на столь длинный перелет. Но сейчас, когда родительские обязанности отложены до следующей весны, малиновке нужно думать только о себе и она готова лететь на юг от надвигающейся зимы в поисках более теплого климата.

Прошло несколько часов после захода солнца. Вместо того чтобы устроиться на ночь, птичка в надвигающихся сумерках садится на краешек одной из нижних веток огромного дерева, который служит ей домом с начала весны. Она отряхивается, напоминая при этом атлетку, которая разминает мышцы перед марафоном. Оранжевая грудка птички переливается в свете луны. Совсем рядом, спрятанное за стволом, покрытым мхом, находится ее гнездо. Когда-то она сама свила его невероятными усилиями и с невиданным усердием, но сейчас о них осталось лишь смутное воспоминание.

Не только наша малиновка готовится к перелету. Многие самцы и самки тоже решили, что эта ночь как никакая другая подходит для отправления в долгое путешествие на юг. С соседних деревьев доносится громкое, пронзительное щебетание, заглушающее привычные звуки обитателей леса, ведущих ночной образ жизни. Птицы словно объявляют во всеуслышание о своем отлете, но предупреждают остальных лесных пернатых, чтобы они хорошенько подумали, прежде чем занимать пустые гнезда малиновок во время их отсутствия. Ведь малиновки наверняка планируют вернуться сюда весной.

Малиновка резко поворачивает головку в одну сторону, потом в другую. Путь свободен, и она взмывает в вечернее небо. С приближением зимы ночи становятся длиннее, поэтому птичке придется лететь около десяти часов, прежде чем она позволит себе отдохнуть.

Она разворачивается на 195° и выбирает курс на 15° западнее прямого южного направления. В ближайшее время она будет придерживаться этого курса и в хороший день преодолеет более трехсот километров. Она не имеет ни малейшего понятия ни о том, что ожидает ее в этом долгом путешествии, ни о том, как долго оно продлится. Места, окружающие ее родной ельник, хорошо ей знакомы, но буквально через несколько миль начинается новый для нее пейзаж – озера, долины, города, залитые лунным светом.

Ее путешествие окончится на одном из побережий Средиземного моря. Малиновка вовсе не летит в какие-то определенные края, но, когда она найдет подходящее местечко, она остановится там на зиму и обязательно запомнит окрестности, чтобы из года в год возвращаться сюда. Если у нее хватит сил, она, возможно, долетит до берегов Северной Африки. Но пока это ее первый долгий перелет, и на данный момент ее основная цель – побыстрее улететь подальше от страшных морозов надвигающейся северной зимы.

Кажется, наша путешественница вовсе не замечает других малиновок, которые летят в том же направлении. Многие из этих птиц уже не раз проделывали этот долгий путь. Она прекрасно видит ночью, но сейчас ее не интересуют ни окружающие пейзажи (как интересовали бы нас с вами, если бы мы совершали подобное путешествие), ни узоры звезд на ясном ночном небе. Наша малиновка не прокладывает себе путь по звездам, как это делают многие другие птицы, путешествующие ночью. Миллионы лет эволюции подарили ей замечательный навык, благодаря которому она легко запомнит маршрут длиной три тысячи километров и станет преодолевать его каждый год.

В мире животных миграция – обычное явление. Так, например, каждую зиму в озерах Северной Европы мечут икру миллионы особей лосося. Через некоторое время, разорвав оболочку икринок, мальки отправляются по рекам в моря Северной Атлантики, где они растут и крепнут. Через три года молодые особи лосося возвращаются на нерест в те же реки, где сами появились на свет. Североамериканская бабочка данаида монарх каждую осень мигрирует на большие расстояния, пролетая над всей территорией Соединенных Штатов. По пути данаиды монарх размножаются, и новые поколения бабочек возвращаются на север, к тем же деревьям, где весной окукливались их родители. Зеленые черепахи раз в три года откладывают яйца на песчаных берегах острова Вознесения в Южной Атлантике. Ради того, чтобы их потомство появилось на свет на тех же пляжах, покрытых яичной скорлупой, где однажды родились они сами, черепахи преодолевают расстояние в несколько тысяч километров. Этот ряд можно продолжить: многие виды птиц, киты, северные олени, лангусты, лягушки, саламандры и даже пчелы способны на такие далекие путешествия, от которых захватило бы дух у самых великих первопроходцев из рода человеческого.

На протяжении многих столетий человека волновал вопрос о том, как животным удается ориентироваться на нашей большой планете. Сейчас нам известно, что в распоряжении братьев наших меньших есть множество надежных методов: одни существа днем ориентируются по солнцу, а ночью – по звездам, другие запоминают знаки на местности, третьи путешествуют по планете благодаря запахам. Пожалуй, самым загадочным способом ориентации в пространстве является магниторецепция – способность ориентироваться по направлению и силе действия магнитного поля Земли. Именно этой способностью может похвастаться любая малиновка. В настоящее время наличие магниторецепции обнаружено и у других видов, однако нас интересует именно европейская малиновка (Erithacusrubecula), использующая эти необычные штурманские навыки в своем долгом путешествии.

Механизм, благодаря которому наша птица точно знает, в каком направлении и как долго ей лететь, встроен в ДНК, унаследованную от родителей. Его можно назвать сложной и необычной способностью, своего рода шестым чувством, которым малиновка пользуется для выбора точного курса. Как и многие другие птицы, а также насекомые и обитатели морей, малиновка ощущает малейшие изменения магнитного поля Земли и обрабатывает эту информацию внутренним навигационным механизмом, который подразумевает наличие в организме своеобразного химического компаса.

Магниторецепция во многом остается загадкой. Проблема заключается в том, что магнитное поле Земли очень слабое. Его напряженность на поверхности планеты равна 30–70 микротесла: этой силы хватает на то, чтобы отклонить ровную и практически свободную от трения стрелку компаса, но это лишь сотая часть силы, которая могла бы притянуть обычный магнитик для холодильника. В этом и заключается загадка: если животные способны чувствовать магнитное поле, оно должно каким-то образом оказывать воздействие на одну из многочисленных химических реакций, протекающих в организме. В конце концов, именно так все живые существа, включая нас с вами, воспринимают любой внешний сигнал. Однако количество энергии взаимодействия магнитного поля Земли с молекулами внутри клетки составляет менее одной миллиардной количества энергии, необходимого для того, чтобы разрушить или создать химическую связь. Так каким же чудесным образом малиновка чувствует магнитное поле?

Загадка, даже самая простая, весьма пленительна, ведь всегда существует вероятность того, что ее разгадка может привести к существенному сдвигу в нашем понимании мира. В XVI веке размышления Коперника над одной из второстепенных нестыковок в геометрии Птолемеевой геоцентрической модели мира привели к тому, что человечество лишилось права считать свой мир центром тяжести всей Вселенной. Дарвин, например, одержимо интересовался географическим распределением видов на планете и много думал о том, почему виды вьюрков и пересмешников, изолированные на островах, так сильно отличаются от континентальных. Не в последнюю очередь именно эти размышления привели его к выдвижению теории эволюции. Немецкий физик Макс Планк, проливший свет на тайну теплового излучения и распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, пришел в ходе разгадки этой тайны к мысли о том, что энергия существует в форме дискретных порций, называемых квантами. Идея Планка легла в основу квантовой теории, совершившей переворот в физике в 1900 году. Так может ли ответ на вопрос о том, каким образом птицы ориентируются в пространстве, совершить революцию в биологии? Да, может (как бы смело это ни звучало).

Не следует забывать, что загадки такого рода собирают вокруг себя толпы псевдоученых и мистиков. Как заметил в одной из своих работ 1976 года профессор химии Оксфордского университета Питер Эткинс, «проблема влияния магнитного поля на химические реакции всегда притягивала внимание шарлатанов» [1]. Так, известно множество экзотических толкований механизма, которым пользуются для ориентации в пространстве мигрирующие птицы, – от телепатии и лей-линий (невидимых путей, которые соединяют различные места, представляющие археологический или географический интерес, и предположительно связаны с духовной энергией) до понятия «морфического резонанса», введенного Рупертом Шелдрейком, парапсихологом с сомнительной репутацией. Опасения Эткинса, высказанные им в 1970-е годы, вполне понятны. Они отражают скептицизм, присущий большинству ученых того времени, относительно предположений о том, что животные способны чувствовать магнитное поле земли. В то время просто невозможно было представить (по крайней мере, в рамках традиционной биохимии), что у живого организма может быть некий молекулярный механизм, позволяющий ощущать воздействие магнитного поля.

Однако в том же году, когда Питер Эткинс высказал свой скептицизм, супружеская пара франкфуртских орнитологов Вольфганг и Росвита Вильчко опубликовали в Science, одном из ведущих мировых научных журналов, сенсационную статью, в которой доказывалось, что малиновки действительно чувствуют магнитное поле [2]. Орнитологи обнаружили, что птицы реагируют на магнитное поле благодаря внутреннему механизму и принцип действия данного механизма коренным образом отличается от принципа работы обычного компаса. Компас различает северный и южный магнитные полюса, в то время как малиновка способна различать лишь полюс и экватор.

Чтобы понять, как работает подобный компас, следует обратиться к силовым линиям магнитного поля – невидимым линиям, определяющим направление действия магнитного поля. Именно вдоль этих линий отклоняется стрелка компаса, когда прибор помещен в любое место магнитного поля. Многие из нас наблюдали эти линии в узоре, складывающемся из железных опилок на бумажном листе, под который подкладывали магнитный брусок. А теперь представьте, что наша Земля – это гигантский магнит, из Южного полюса которого выходят силовые линии и, огибая Землю огромными петлями, входят в ее Северный полюс (рис. 1.1). В районе полюсов эти линии направлены почти строго вертикально вовнутрь или вовне, однако чем дальше от полюсов, тем больший изгиб они приобретают, проходя почти параллельно поверхности Земли в районе экватора. Компас, который измеряет угол магнитного наклонения между силовыми линиями поля и поверхностью Земли (мы будем называть его инклинометр), способен различать направление к полюсу и направление к экватору, однако он не отличает Северного полюса от Южного, поскольку на обоих полюсах угол между силовыми линиями поля и поверхностью Земли одинаков. В 1976 году супруги Вильчко установили, что механизм магниторецепции у малиновки работает так же, как инклинометр. Проблема заключалась в том, что никто не мог объяснить принцип действия подобного биологического инклинометра: в то время биологический механизм, позволяющий птице определять угол магнитного наклонения, был не только неизвестен, но и немыслим. Оказалось, что разгадка этой тайны кроется в одной из самых потрясающих научных теорий нашего времени и связана с одной из самых удивительных наук – квантовой механикой.








Рис. 1.1. Магнитное поле Земли




Тайный мир призраков


Если устроить опрос среди ученых и поинтересоваться у них, какая научная теория, по их мнению, является самой успешной, всеохватывающей и важной, ответ будет с большой вероятностью зависеть от того, задаете вы вопрос ученому-физику или биологу. Большинство биологов считают самой глубокой теорией, когда-либо выдвинутой ученым, дарвиновскую теорию эволюции путем естественного отбора. Физики же наверняка отдадут пальму первенства квантовой механике, во многом лежащей в основании физики и химии и открывающей перед нами удивительно полную картину строения Вселенной. Действительно, без объяснительной силы квантовой механики рушатся все наши современные представления о мире.

Каждый из нас хоть что-нибудь да слышал о квантовой механике. Более того, представления о том, что в этих сложнейших научных дебрях ориентируются только ничтожное количество очень умных людей, давно стали частью массовой культуры. На самом деле квантовая механика является неотъемлемой частью жизни каждого человека с самого начала XX века. В основе этой научной дисциплины лежит математическая теория, разработанная в середине 1920-х годов для объяснения процессов в мире ничтожно малых величин (так называемом микромире) – например, поведения атомов, из которых состоит все вокруг, а также свойств частиц гораздо меньших размеров. Так, описывая правила поведения электронов внутри атомов, квантовая механика становится фундаментом химии, материаловедения и даже электроники. Математические правила моделирования, разработанные в рамках квантовой механики (несмотря на ее странность и сухость), лежат в основе большинства научно-технических достижений последних 50 лет.



Читать бесплатно другие книги:

Самый полезный и компактный прикладной справочник по автономному выживанию без специального снаряжения. Всё о правильном...
Кто сказал, что в эпоху викингов жизнь была бесхитростной и простой?.. Можно было, оказывается, съездив за море с посоль...
В сборник “Джентльмены-мошенники” вошли рассказы Гая Бутби, Эрнеста Уильяма Хорнунга и Фредерика Ирвинга Андерсона – пис...
Она повстречала незнакомца в уютном кафе. Решила рассказать ему семь историй из своей жизни, но знала, что в ответ ничег...
Пятый очерк: «Об Истине Я ЕСМЬ…5 …скрываемой в иудаизме». Авраам и все последующие патриархи и пророки дали правильные з...
Партнеры всемирно известной компании BCG Мартин Ривз, Кнут Хаанес и Джанмеджая Синха написали книгу о том, как достичь м...