Това, разбира се, е много млада, но вече много добре позната интердисциплинарна наука, наречена квантова биология. Подробен преглед на тази тема може да се намери в материала „Квантовия биокомпютър” (една от следващите публикации), но тук е достатъчно да се запознаем накратко със същността на темата и най-интересните постижения от пред последния период.
Тъй като експерименталната физика и микробиологията усвоиха технологии за деликатното изследване на природосъобразните процеси в микроскопски мащаб, постепенно стана ясно, че проблемите, за които се смяташе, че са повече или по-малко „разбрани“(разгадани), всъщност бяха изпълнени с много по-голяма дълбочина и мистерия. По-специално, в много фини експерименти, те започнаха да откриват (и днес вече е доста надеждно установен факт), че редица явления, които отдавна са известни в биологичните организми – като фотосинтезата на растенията или ориентацията на мигриращите птици в магнитното поле на Земята – са станали възможни чрез специфичните ефекти на квантовата физика.
Съвсем наскоро, в края на двадесети век, за самото популяризиране на този вид идеи, всеки изследовател в научните среди щеше да бъде подложен на приятелски подигравка – като шарлатан и псевдо-учен. За такива хипотези, които фундаментално противоречат на основните принципи на квантовата физика, и само невежи и полуобразования могат сериозно да говорят за такива „като безсмислици“ ... Въпреки това самият живот принуди учените да гледат нещата сега по съвсем различен начин. Големите проблеми на човечеството с изключително неефективно използване на природните енергийни ресурси са накарали науката да разгледа по-отблизо как се осъществява преобразуването на енергия в растенията.
Общият механизъм на фотосинтезата на растенията от доста време (и арогантно) беше прието да се счита за разбран. Но ако разглеждаме задачата не като цяло, а в принципно важни детайли, как точно растенията и бактериите трансформират слънчевата енергия в химическа енергия с огромна, почти 100% ефективност? – то се оказа, че никой не знае отговора ... (За да стане по-ясно колко важно е да се задават въпросите конкретно, а не изобщо, за сравнение, трябва да се припомни, че в компютрите, използвани от хората все още няма силиконови чипове, почти цялата енергия, доставена в системата, е безполезна. отива за разсейване на топлината.)
Проучванията показват, че ключът към ефективността на фотосинтезата, както изглежда, е скоростта на реакцията. Преобразуването на слънчевата енергия в биосистемите става почти мигновено, така че една много малка част от нея се губи за отделяне на топлина. Но как точно този най-моментален трансфер на енергия е организиран в обичайно спокойни живи клетки е много стара научна мистерия, която физиците започнаха сериозно да се замислят и справят едва през 2005-2007 г.
Тогава постепенно става ясно, че отговорът на такъв неотложен въпрос лежи и е в квантово-механичните ефекти. По-специално, получено е пряко доказателство, че по време на фотосинтезата важна роля в процесите на пренос на енергия – от фото-антенните молекули до реакционните централни конвертори – играе изненадващо дълготрайна квантова кохерентност (т.е. взаимно съгласувано вълноподобно поведение) на електрони в молекули, абсорбиращи светлината.
Благодарение на такава съгласуваност, биосистемата, подобно на квантовия компютър, търси най-късия предавателен път между всички възможни, след което по този маршрут енергията се предава с минимални загуби. С други думи, задачата, върху която създателите на нашите квантови компютри се борят безуспешно в продължение на много години, е да осигурят стабилна и дълготрайна съгласуваност на кубитите (сегашните ни ĸoмпютpи paбoтят c лoгичecĸитe 0 и 1, а ĸвaнтoвитe битoвe (ĸyбититe) ocвeн в 0 и 1 мoгaт дa cа в cъcтoяниe нa cyпepпoзиция – eднoвpeмeннo 0 и 1. Ho зa дa ocтaнaт дългo в тoвa cъcтoяниe ce изиcĸвa cпeциaлизиpaнo oxлaждaнe) в квантовия регистър – природата, както се оказва, е била решена повече от успешно, още преди милиони години.
Ясно е, вероятно, че подкрепата на биомолекулярните машини за квантовата механика – за да се поддържат жизнените им процеси – се превръща в много, много голяма изненада за учените. На първо място, поради температурата, при която протича този процес. Квантовата кохерентност на една система във висока степен е крехко състояние. Най-малкото външно влияние – и нищо не остава от съгласуваността на елементите ... В своите експерименти с кубитите (ĸвaнтoвитe битoвe), физиците могат да поддържат такива регистърни състояния за известно време – но само във внимателно изолирана среда от външни въздействия и при много ниски температури.
До скоро обаче никой не бе в състояние ясно и убедително да обясни как това може да се случи в топло и мокро, т.е. „напълно зашумена“ среда вътре в живите същества ..., но през 2017 година се случи. Но и когато това може още по-добре да бъде обяснено, потвърждавайки теорията с още и още нови експерименти, тогава квантовата биология ще се превърне в революционно постижение на човечеството. Фактът, че този важен етап не е далеч, няма особени съмнения – тъй като природата наистина знае как да го направи, това означава, че и ние ще се научим.
Но как точно клетъчните молекули остават кохерентни за толкова дълго време в квантов мащаб, при такива високи температури и дори при относително големи разстояния между молекулите – всичко това засега остава неясно и загадъчно за учените. Въпреки че различни идеи, разбира се има и то достатъчно дори в изобилие. Да се занимаваме дори и с повърхностни описания на всички тези конкуриращи се хипотези поне за сега е разбира се е доста рано. Защото в момента за тях няма никакви експериментални доказателства. Въпреки това, вероятно има смисъл да се подчертаят някои ключови моменти, които са общи за много модели.
Преди всичко важна роля в обезпечаването на целия процес, може би имат структурите на белтъчните матрици, които сами не участват непосредствено в „изчисленията“ на оптималния маршрут за предаване на енергията, но именно в тях са вплетени (втъкани) тези светлочувствителните пигменти-антени, които осигуряват приемане и предаване на сигнала. Тъй като не се постига никаква кохерентност без тези протеинови структури, се прави извода, че матриците най-вероятно играят ролята на механизъм за „квантова корекция на грешки”, известна при квантовите изчисления.
Освен това има добре обосновани резултати, които показват, че единствено само квантовите (или, още повече, класическите) ефекти на физиката не са достатъчни, за да обосноват устойчива или стабилната квантова кохерентност в биосистемите. Но в същото време е възможно теоретично да се симулира процесът, ако го разглеждаме като специален, много деликатен вид смес от квантови и класически ефекти. Роден, както се предполага, в резултат на последователната работа на генетичните алгоритми за подбор.
Финлaндcĸи cпeциaлиcти в средата на 2017 година cъздaдoxa пъpвoтo aвтoнoмнo ycтpoйcтвo зa oxлaждaнe нa ĸyбити. Toвa e xлaдилниĸ oт cъвceм нoв тип, ĸoйтo мoжe дa ce изпoлзвa зa oxлaждaнe нa вcяĸaĸви ĸвaнтoви ycтpoйcтвa. B ocнoвaтa нa тoзи xлaдилниĸ зa ĸyбити e eнepгийнaтa бapиepa, paздeлящa двa ĸaнaлa – eдиният в cъcтoяниe нa cвpъxпpoвoдимocт, пpeз ĸoйтo eлeĸтpoнитe пpeминaвaт бeз ниĸaĸвo cъпpoтивлeниe, дoĸaтo втopият ĸaнaл e cтaндapтeн, c eлeĸтpичecĸo cъпpoтивлeниe, ĸoйтo зaбaвя eлeĸтpoнитe пpи тяxнoтo движeниe. Caмo eлeĸтpoнитe c дocтaтъчнo виcoĸa eнepгия мoгaт дa пpecĸoчaт тaзи бapиepa и дa пoпaднaт нa cвpъxпpoвoдящaтa мaгиcтpaлa, ĸoятo дa ги извeдe извън ĸвaнтoвoтo ycтpoйcтвo. Ocтaнaлитe eлeĸтpoни c пo-ниcĸa eнepгия биxa ocтaнaли зaвинaги в ĸaнaлa c oбиĸнoвeнa пpoвoдимocт, нo имaт гoлям шaнc дa взeмaт фoтoн, циpĸyлиpaщ в peзoнaтopa нa ĸвaнтoвoтo ycтpoйcтвo. B тoзи cлyчaй eлeĸтpoнът пpидoбивa нeoбxoдимaтa eнepгия зa пpecĸaчaнe нa бapиepaтa, a peзoнaтopът пo тoзи нaчин гyби eнepгия и ce oxлaждa дo пo-ниcĸa тeмпepaтypa. Cлeдвaщaтa cтъпĸa нa финлaндcĸитe yчeни e oбeдинявaнeтo нa нaнoxлaдилниĸa c ĸyбит. От тази картина като цяло е ясно, че постиженията на "квантово-изчислителния" механизъм за фотосинтезата в растенията днес се счита за една от важните задачи на квантовата биология. Така, че планината от научни статии около тази тема нараства забележимо всяка година. Този експеримент е публикуван в https://www.kaldata.com/.
Най-накрая, несъвсем скорошен резултат - публикуван в изданието на списание Nature Communications – през януари 2014 г., разкри още един много тънък механизъм за взаимодействието на елементите на системата при фотосинтезата. По това време – между „класическите“ колективни вибрации на атоми-хромофори, в резултат на генериране на резонанс с осцилации на електрони и феноменът на енергийния обмен, който вече е отбелязан като резултат от чисто квантова природа ...
Въпреки, че всички тези идеи отразяват опити за решаване на проблеми от различни страни и не е много трудно да се види, че всички те определено имат нещо общо. Колкото повече учените научават за тънкостите на процеса, толкова повече изглежда, че отговорът на мистерията на фотосинтезата е скрит в много фино взаимодействие на известни явления както на класическата, така и на квантовата физика. И въпреки, че никой не може да Ви обясни защо се случва това, но това беше в същия период на „първите големи открития“ на квантовата биология - т.е. през 2005–2007 г. - в съвсем различна област на експерименталната физика се случи друго, което е доста съгласувано и последва много важна серия от открития.
Такива открития, които са пряко свързани с физиката на колебанията, също лежат ясно на кръстопътя на класическата и квантовата физика. По същество това не са твърде сложни експерименти, които ни позволяват да визуализираме и просто – в чисто класическа система – да покажем същността и структурата на "напълно неразбираемите" явления на квантовата механика с нейния корпускулярно-вълнов дуализъм. Факт е, че светлината притежава както корпускулярни (свойства на частица) и вълнови свойства, се нарича корпускулярно-вълнов дуализъм. Потвърдено е и от вълните на Дьо Бройл, че и микрочастиците притежават този дуализъм.
Подробно описание на тази любопитна посока на най-новите експериментално-теоретични изследвания може да се намери в материала „Quantum Physics for Dummies ”. Вече е време да преминем към финала и да обясним малко по-подробно как изглеждат многообещаващите и вълнуващи връзки между биология, квантова физика, загадъчната природа на съзнанието и дори – което звучи много изненадващо – скритата от нас геометрията на Вселената.
