Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

Оглавление

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

Благодарности

1. Введение

Тайный мир призраков

Квантовая биология

Если квантовая механика – обычное дело, к чему такая шумиха вокруг квантовой биологии?

Литература к главе 1

2. Что такое жизнь

«Жизненная сила»

Триумф машин

Молекулярный бильярдный стол

Жизнь как хаос?

Присмотримся к жизни внимательней

Гены

Жизнь таинственно ухмыляется в ответ

Квантовая революция

Волновая функция Шредингера

Первопроходцы в квантовой биологии

Порядок из хаоса

Забвение идей

Литература к главе 2

3. Движущие механизмы жизни

Ферменты: выбор между быстрым или мертвым

Зачем нам нужны ферменты и как головастики теряют свои хвосты

Изменение ландшафта

Туда-сюда

Так ли велика объяснительная сила теории переходного состояния

Помыкание электронами

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование электронов в биологии

Перемещение протонов

Кинетический изотопный эффект

Так что же составляет «квантовую часть» квантовой биологии

Литература к главе 3

4. Квантовые биения

Главная загадка квантовой механики

Квантовое измерение

Путешествие к центру фотосинтеза

Квантовое биение

Литература к главе 4

5. В поисках дома Немо

Природа запахов

Проникновение в тайну запаха

Квантовый нос и его обоняние

Битва носов

Физики принюхиваются

Литература к главе 5

6. Бабочка, дрозофила и квантовая малиновка

Птичий компас

Квантовый спин и таинственные действия

Радикальное чувство направления

Литература к главе 6

7. Квантовые гены

Надежность передачи информации

Ненадежность

Жираф, боб и дрозофила

Роль протонов в кодировании информации

Совершают ли гены квантовые скачки

Литература к главе 7

8. Разум

Насколько необычно сознание

Механика мышления

Как разум движет материей

Расчеты с квантовыми битами

Расчеты с микротрубочками?

Квантовые ионные каналы?

Литература к главе 8

9. Как зародилась жизнь

Проблема «гадости»

От «гадости» к клеткам

Мир РНК

Сможет ли помочь квантовая механика

Как выглядел первый саморепликатор

Литература к главе 9

10. Квантовая биология: жизнь на границе бури

Приятные, приятные, приятные, приятные вибрации (боп-боп)

Размышления о движущих силах жизни

Жизнь на квантовом краю классической бури

Можно ли использовать результаты исследований квантовой биологии для создания новых технологий на основе жизни

Создание жизни по принципу «снизу вверх»

Первичная квантовая протоклетка

Литература к главе 10

Эпилог: квантовая жизнь

Об авторах

Отрывок из книги

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.

.....

Как же возникает дейтерий внутри Солнца? Первый шаг мы только что описали: два ядра атомов водорода, а точнее, два протона плотно приближаются друг к другу в результате туннелирования. При этом выделяется энергия, которая превращается в солнечный свет, согревающий нашу планету. Следующий шаг – объединение двух протонов. Оно не происходит в одно мгновение вовсе не потому, что при взаимодействии частиц не возникает достаточной для их слияния силы. Все атомные ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Если ядро содержит слишком много частиц того или другого типа, законы квантовой механики обязывают его выравнять баланс. Тогда лишние частицы принимают новую форму: протоны становятся нейтронами или нейтроны – протонами в результате процесса, получившего название «бета-распад». Вот что происходит при столкновении двух протонов: поскольку существование ядра, состоящего только из двух протонов, невозможно, один из них превращается в нейтрон. Оставшийся протон и образовавшийся нейтрон могут слиться в новый объект – дейтрон (ядро изотопа тяжелого водорода[3] – дейтерия). В дальнейшем ядерные реакции могут привести к формированию сложных ядер новых элементов, более тяжелых, чем водород: от гелия (ядро которого содержит два протона и один либо два нейтрона) до углерода, азота, кислорода и других.

Ключевой момент состоит в том, что дейтрон обязан своим существованием собственной способности пребывать одновременно в двух состояниях (в силу квантовой суперпозиции). Эта способность, в свою очередь, обусловлена тем, что протон и нейтрон могут объединяться двумя различными способами в зависимости от векторов спинов. Позже мы поговорим о том, что понятие спина связано с вращательным состоянием частицы, которое имеет квантовую природу и не может трактоваться как вращение объекта, например теннисного мячика, в терминах классической механики. Однако пока обратимся к обыденным, интуитивным представлениям о вращающейся частице. Вообразите, что внутри дейтрона протон и нейтрон исполняют совместный танец, поставленный блестящим хореографом, при этом одна частица движется в ритме медленного задушевного вальса, а другая танцует зажигательный джайв. Еще в 1930-е годы ученые открыли, что в ядре дейтерия две частицы исполняют вместе не какой-то один из этих танцев, а оба одновременно. Их в одно и то же время влечет ритм вальса и джайва, и именно это позволяет им составлять одно целое[4].

.....