Эта книга недетский разговор про историю нашей страны. Через маленькие трагедии и радости обычных людей. Через вещи, забытые на пыльных антресолях.
Каждая страница - это целая эпоха, со своими маленькими радостям и печалями, и главным персонажем этой книги является время.
Джим Аль-Халили. Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии
Джим Аль-Халили известен своими научно-популярными фильмами, но не только.
Цена - 430 руб.
Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии
Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology
Джим Аль-Халили, Джонджо МакФадден
Издательство Питер
Серия New Science
Количество страниц 416
Год выпуска 2017
ISBN 978-5-496-02158-6, 978-0307986818
Тираж 3000
Твердый переплет
Переводчик Г. Сивченко
Иллюстратор
С. Заматевская
Цена - 430 руб.
Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность
на начальных этапах фотосинтеза в бактериях и растениях работают квантовые эффекты. Энергия поглощенного фотона порождает электронное возбуждение, которое удивительно быстро и эффективно передается в реакционный центр фотосистемы. Этот процесс работает столь слаженно именно за счет квантовой когерентности промежуточных возбуждений. Однако в понимании этого квантового процесса оставались загадки, которые удалось разрешить только сейчас. В двух работах, опубликованных в Nature Physics и Nature Chemistry, было показано, что когерентность эта — не чисто электронная, а вибронная, то есть связывающая в единое целое электронное возбуждение и атомное колебание внутри молекулы. Этот результат не только проясняет фундаментальный механизм фотосинтеза, но и позволяет рассчитывать на то, что опыт природы будет использован для создания еще более эффективных светочувствительных элементов.
Квантовые эффекты в биологии
С микроскопической точки зрения жизнь — это длинная череда огромного количества параллельно протекающих атомных и электронных процессов. Но атомы и электроны подчиняются законам квантовой механики. Отсюда возникает совершенно естественный вопрос: не использует ли жизнь, хоть в каком-то своем проявлении, квантовые эффекты?
На тему квантовых эффектов в биологии надо говорить очень аккуратно. Во-первых, надо избегать переливания из пустого в порожнее. Квантовая механика ответственна за существование и свойства атомов и молекул, а значит, определяет и свойства вещества, как живого, так и неживого. Это — тривиальное приложение квантовой механики, и непосредственно к биологии оно не относится. Во-вторых, не следует впадать и в ничем не обоснованные фантазии. Существует достаточно много попыток разной степени маргинальности привязать квантовомеханические эффекты к наследственности, к биологической эволюции и даже к природе сознания. Эти предположения, повторюсь, спекулятивны, и они сталкиваются со стеной критики, преодолеть которую не могут.
Однако между этими двумя крайностями есть и настоящие научные вопросы. Существуют ли биологически важные молекулы или их крупные комплексы, которые реально используют нетривиальные, «негарантированные» квантовые эффекты для выполнения своих функций? «Негарантированные» они в том смысле, что они не определяются свойствами отдельных атомов, а возникают только в сложных молекулах специального вида; что их биологический эффект невозможно объяснить во всех деталях без привлечения квантовой механики.
Несколько десятилетий назад это были спорные вопросы. Сейчас мы уже знаем ответ: да, существуют, и такие молекулы реально работают в живых организмах. Этих примеров пока не так много, но тот факт, что они есть, во-первых, впечатляет сам по себе, а во-вторых, может оказаться очень полезным для разработки новых, еще более эффективных технологий. Краткий обзор квантовых эффектов в биологии см. в популярной заметке Зарождение квантовой биологии, а более серьезное обсуждение — в недавнем обзоре в журнале Nature Physics, а также в только что опубликованной книге Quantum Effects in Biology.
Квантовая когерентность при фотосинтезе
Один из самых ярких и изученных эффектов касается механизма фотосинтеза, а точнее, самых первых его этапов. Сложный молекулярный комплекс, используемый бактериями и растениями для улавливания света, поглощает фотон и возбуждает электронную структуру молекулы. Это электронное возбуждение обычно находится вдали от реакционного центра — той части комплекса, которая способна использовать это возбуждение для создания долгоживущего мембранного электрического потенциала или для каких-то иных целей. В результате перед фотосистемой встает задача — передать электронное возбуждение от точки поглощения фотона к точке передачи энергии в реакционный центр.
В принципе, такая передача может происходить и обычным способом. За счет взаимодействия между молекулами электронное возбуждение просто перескакивает с одного островка на другой, пока не достигает нужной точки. Здесь каких-то специальных квантовомеханических эффектов вроде как и не требуется. Проблемы, однако, начинаются тогда, когда пытаешься сопоставить числа. Известно, что эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия практически каждого поглощенного фотона достигает реакционного центра, а не теряется по пути. Заметьте, это всё происходит не в стерильных лабораторных условиях, а при комнатной температуре в реальных молекулах, погруженных в биологический раствор и постоянно подвергающихся хаотическим тепловым столкновениям с окружающими молекулами. Кроме того, было отмечено, что этот процесс протекает поразительно быстро; настолько быстро, что время переброса граничит с минимально разрешенным по законам квантовой механики!
Теоретическое моделирование показало, что при заданном пространственном расположении только специально подобранная квантовая связь между островками способна так быстро передавать возбужденное состояние. «Квантовость» здесь проявляется в том, что первоначальное возбуждение не прыгает с одного конкретного островка на другой. Оно делокализуется, одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение на нужном островке — это и есть квантовая когерентность. А в 2007 году, с помощью недавно разработанной методики двумерной электронной спектроскопии 2DES (см. ниже), были проведены эксперименты со светочувствительным FMO-комплексом зеленых серобактерий, которые убедительно доказали, что перемещение электронного возбуждения действительно идет в соответствии с квантовыми законами и использует квантовую когерентность.
Вибронный механизм передачи энергии
Доказательство причастности квантовой когерентности к биологическим светоиндуцированным процессам не только стало ключевым открытием в этой области биофизики, но и породило новые загадки. Главная из них — непонятная живучесть квантовой когерентности. Вообще говоря, электронные процессы в молекулах развиваются на фемтосекундных временных масштабах. На временах порядка пикосекунды (1 пс = 1000 фс) уже активно шевелятся сами атомы за счет теплового движения. По идее, это хаотичное тепловое движение должно разрушать квантовую когерентность электронных возбуждений. Однако эксперименты упорно показывают, что эта когерентность живет пикосекунду и больше (рис. 2).
Если не получается сделать заказ. Не отчаивайтесь - просто напишите письмо на info@piterbooks.ru или позвоните нам по телефону: +7(952) 23-000-23
Так же Вы можете бесплатно послать нам Обратный звонок запрос - мы перезвоним