«Бактерії Шредінгера»: диво квантової біології?

Дата:

2018-11-08 17:10:08

Перегляди:

65

Рейтинг:

1Дизлайк 0Любити

Поділитися:

«Бактерії Шредінгера»: диво квантової біології? Source:

Квантовий світ вельми дивний. У теорії, так і на практиці, до певної міри, принципи квантового світу вимагають, щоб частка могла надаватися в двох місцях одночасно — це парадоксальне явище відоме як суперпозиція — і щоб дві частинки могли «застрягнути», обмінюючись інформацією через скільки завгодно великі відстані. Як саме — ніхто не знає в точності. Найвідомішим прикладом дивацтва квантового світу можна назвати кота Шредінгера, уявний експеримент, проведений Ервіном Шредінгер в 1935 році.

Австрійський фізик подумки помістив кота в ящик з потенційно смертельним радіоактивною речовиною. Дивні закони квантової механіки дозволяли коту існувати в суперпозиції двох станів — одночасно живому і мертвому — принаймні, до тих пір, поки ящик не буде розкритий і його вміст — виявлено.

Примхи квантового світу

При всій дивацтва, ця концепція була експериментально підтверджена незліченну кількість разів у квантових масштабах. Але при масштабуванні до нашого, так би мовити, більш простого і зрозумілого макроскопічного світу, все змінюється. Ніхто поки не бачив зірку, планету або кота в суперпозиції або в стані квантової заплутаності. Але з тих пір, як квантова теорія була вперше сформульована на початку 20 століття, вчені задавалися питанням, де саме перетинаються мікроскопічний і макроскопічний світи? Наскільки великою може бути квантова реальність і буде вона коли-небудь досить великий, щоб її найдивніші аспекти можна було тісно пов'язати з живими істотами? Протягом останніх двох десятиліть з'явилася область квантової біології шукала відповіді на ці питання, пропонуючи і проводячи експерименти над живими організмами, які могли б допомогти намацати межі квантової теорії.

Ці експерименти вже принесли цікаві, але непереконливі результати. На початку цього року, наприклад, вчені показали, що процес фотосинтезу — коли організми виробляють їжу, використовуючи світло — може включати деякі квантові ефекти. Навігація птахів або наш нюх також говорять про те, що квантові ефекти можуть проявлятися у живих істот самим незвичайним чином. Але це лише самий кінчик айсберга квантового світу. Досі нікому не вдавалося змусити цілий живий організм — навіть не одноклеточную бактерію — проявити квантові ефекти, такі як заплутаність або суперпозиція.

І ось нова робота вчених Оксфордського університету змушує деяких здивовано підняти брови: в ній вони пишуть, що їм вдалося успішно заплутати бактерій з фотонами — частинками світла. Дослідження, проведене квантовим фізиком К'ярою Марлетто і опубліковане в жовтні в Journal of Physics Communications, являє собою аналіз експерименту, проведеного в 2016 році Девідом Коулсом з Університету Шеффілда та його колегами. У тому експерименті Коулс і компанія розмістили кілька сотень фотосинтезуючих зелених сірчаних бактерій між двома дзеркалами, поступово скорочуючи проміжок між дзеркалами до декількох сотень нанометрів — менше, ніж ширина людського волоса. Пропускаючи білий світ через дзеркала, вчені сподівалися, що фотосинтетические молекули в бактеріях утворюють пари — чи будуть взаємодіяти — з порожнечею, тобто бактерії будуть безперервно поглинати, випускати і заново абсорбувати стрибаючі фотони. Експеримент був успішним. Близько шести бактерій утворили пари за цією ознакою.

Марлетто і її колеги стверджують, що бактерії не тільки утворили пару з порожниною. У своєму аналізі вони продемонстрували, що енергетичні сигнатури, отримані в ході експерименту, можуть бути сумісні з фотосинтезирующими системами бактерій, заплутаних зі світлом в порожнині. По суті, здається, що деякі фотони одночасно вражали і пропускали фотосинтетические молекули всередині бактерії — це було відмітною ознакою заплутування.

«Наші моделі показують, що це явище можна вважати сигнатурою заплутаності між світлом і певними ступенями свободи всередині бактерій», говорить вона.

За словами співавтора дослідження Трістана Фарроу, який також з Оксфорда, вперше це явище було помічене в живому організмі. «Це безумовно ключ до доказу того, що ми якимось чином рухаємося в бік ідеї «бактерій Шредінгера», так сказати», говорить він. І це натякає на інший потенційний випадок прояву квантової біології в природному середовищі: зелені сіробактерії мешкають в глибокому океані, де дефіцит цілющого світла може стимулювати квантово-механічні еволюційні адаптації для розгону і підтримки фотосинтезу.

У таких суперечливих заяв є, втім, безліч підводних каменів. Насамперед, доказ заплутування в такому експерименті буде непрямим, залежним від того, як спостерігач вирішує інтерпретувати світ, що протікає крізь і випливає з обмежених порожниною бактерій. Марлетто і її колеги визнають, що класична модель, вільна від квантових ефектів, також могла б пояснити результати цього експерименту. Але, звичайно, фотони не є класичними зовсім — вони квантові. І все ж більш реалістична «полуклассическая» модель, що використовує закони Ньютона для бактерій і квантові закони для фотонів, не може відтворити результати, отримані Коулсом і його колегами в лабораторії. Це вказує на те, що квантові ефекти проявляються як для світу, так і для бактерій.

Іншийпідводний камінь: енергії бактерій і фотона вимірювалися спільно, а не поодинці. Це, за словами Саймона Греблахера з Технологічного університету Делфта в Нідерландах, який не брав участі в дослідженні, є певним обмеженням. «Може здатися, що відбувається щось на квантовому рівні», говорить він. «Але… зазвичай, коли ми демонструємо заплутаність, ми вимірюємо дві системи незалежно», щоб підтвердити, що будь-які квантові кореляції між ними будуть справжніми.

Незважаючи на ці невизначеності, для багатьох експертів квантово-біологічний перехід від теоретичної мрії до реальності, яку можна помацати, це не питання можливості — це питання часу. Окремо та колективно молекули за межами біологічних систем вже проявили квантові ефекти в лабораторних експериментах, проведених за десятки років, тому пошук цих ефектів серед молекул всередині бактерій або взагалі наших тіл здається не позбавленим сенсу. В організмах людей та інших багатоклітинних істот, втім, такі молекулярні квантові ефекти було б важко помітити, але в малюсіньких бактерій — чому б і ні? «Це приємне відкриття, хоч і очікуване», говорить Греблахер. «Але воно, безумовно, буде сюрпризом, якщо продемонструвати його на прикладі реальної біологічної системи».

Кілька дослідницьких груп, очолюваних в тому числі Греблахером і Фарроу, сподіваються розробити ці ідеї ще більше. Греблахер розробив експеримент, який міг би помістити крихітне тварина — тихоходку — стан суперпозиції. Це буде набагато складніше, ніж заплутування бактерій зі світлом із-за порівняно великого розміру тихоходок. Фарроу розглядає способи поліпшити експеримент з бактеріями; в наступному році він і його колеги сподіваються заплутати двох бактерій разом, не чіпаючи світло.

«Мова йде про розуміння природи реальності і про те, чи мають квантові ефекти роль у біологічних функціях. Глибоко в корені речей є квантовим».

Може бути так, наприклад, що «природний відбір придумав способи для живих систем природним чином використовувати квантові явища», зазначає Марлетто, приводячи в приклад вищезгаданий фотосинтез серобактерий в глибокому морі. Але для цього потрібно починати з малого. В ході недавнього експерименту був успішно заплутаний мільйон атомів. Звичайно, це мізер навіть порівняно з бактеріями. Але якщо підхід знизу-вгору спрацює, одного разу нас чекає заплутані на макроскопічному рівні істоти, предмети і навіть люди.

Як думаєте, це можливо? Розкажіть в нашому

Більше:

Чи можна захиститися від ВІЛ на генному рівні

Чи можна захиститися від ВІЛ на генному рівні

лютує Чума XX століття і в XXI столітті. СНІД вже давно визнається багатьма справжньою проблемою людства, яку треба якось вирішувати. Люди будують теорії, звідки він узявся і чому треба чи не треба переживати за його приводу, але одне ясно точно. З н...

Що не так з тестами на коронавірус?

Що не так з тестами на коронавірус?

Сьогодні багато демонізують Гейтса, звинувачуючи його в навмисному чипировании населення (от тільки як?) і заодно всіх смертних гріхах. Розповідаємо, чому американський мільярдер насправді молодець і зовсім не рептилоид Яким би тривожним це не здавал...

15 кращих цитат Альберта Ейнштейна про науку і життя

15 кращих цитат Альберта Ейнштейна про науку і життя

Альберт Ейнштейн був синонімом слова «Геній». Саме так, з великої літери. Не дарма кажуть, що талановита людина талановита у всьому. Геніальність теж можна назвати талантом, так як це унікальна особливість людини бути розумним, розважливим ...

Примітка (0)

Ця стаття не має коментарів, будьте першим!

Додати коментар

Новини

Вчені змінять вага кілограма, щоб уникнути катастроф

Вчені змінять вага кілограма, щоб уникнути катастроф

У сьогоднішньому світі, коли вчені щодня розробляють нові технології у сферах медицини, космонавтики та військової справи, навіть найменше відхилення від стандартів міжнародної системи одиниць СІ може стати причиною катастрофи. Що...

Як ваші цифрові втілення будуть жити після смерті? Чи будуть?

Як ваші цифрові втілення будуть жити після смерті? Чи будуть?

Цифрова життя після смерті, можливо, скоро стане реальністю. Але чи потрібно вам це? Скупчення даних, які ми створюємо, незабаром можуть зробити можливими цифрових аватарів, які будуть жити після нас після нашої смерті, втішаючи б...

Датські фізики засумнівалися у виявленні гравітаційних хвиль

Датські фізики засумнівалися у виявленні гравітаційних хвиль

Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль було відкрито світу 11 лютого 2016 року і породило заголовки по всьому світу. За це відкриття в 2017 році фізики отримали Нобелівську премію і офіційно запустили нову епоху гравітаційної а...

Воскресіння вимерлих видів почнеться з мандрівного голуба

Воскресіння вимерлих видів почнеться з мандрівного голуба

Коли в 1914 році в зоопарку Цинциннаті помер мандрівний голуб Березня, почався кінець прекрасної епохи. Колись домінуючі види в східній частині Північної Америки, мандрівні голуби населяли ліси величезними зграями, до декількох мі...

Простими словами: що таке теорія суперструн?

Простими словами: що таке теорія суперструн?

Сьогодні наукова картина світу складається таким чином, що нашій Всесвіту управляє два набору законів — загальна теорія відносності, яка пояснює прекрасну роботу гравітації, квантова механіка, яка описує три інші взаємодії всесвіт...

Як шукають інопланетян? З якими загадками і проблемами стикається SETI

Як шукають інопланетян? З якими загадками і проблемами стикається SETI

Якщо інопланетяни намагаються поговорити з нами (або якщо не намагаються), Джилл Тартер знайде їх першою. Вона заснувала Інститут пошуку позаземного розуму (SETI) в 1984 році і керувала його дослідницьким центром багато років. Над...

Honda і MIT спільно створюють ШІ, який буде повністю самостійно навчатися

Honda і MIT спільно створюють ШІ, який буде повністю самостійно навчатися

У сфері штучного інтелекту і, так званого, глибокого машинного навчання існує вже чимало напрацювань. Однак всі наявні на сьогодні самонавчальні нейронні мережі мають один суттєвий момент: вони не є повністю самостійними. Тобто, ї...

Астрономи підтвердили зіткнення між двома галактиками-супутниками Чумацького Шляху

Астрономи підтвердили зіткнення між двома галактиками-супутниками Чумацького Шляху

Якщо ви подивитеся на небо вночі, перебуваючи в південній півкулі, ви побачите два світяться хмари, що стоять осторонь від Чумацького Шляху. Ці хмари зірок є галактиками-супутниками Чумацького Шляху: Мале та Велике Магеллановы Хма...

Смерть: як буде вмирати Всесвіт?

Смерть: як буде вмирати Всесвіт?

Одного разу ви помрете. Через секунд або через тисячу років, неважливо. Ваше тіло та всі його складові перестануть функціонувати і возз'єднаються з Землею як звичайний, неживий матеріал. Земля теж помре, охоплена розширюється, ста...

Ми знаємо, як розгадати таємниці часу і простору. Але нам потрібен колайдер розміром з Сонячну систему

Ми знаємо, як розгадати таємниці часу і простору. Але нам потрібен колайдер розміром з Сонячну систему

Гравітація неймовірно слабка сила. Просто вдумайтеся: ви можете відірвати свою ногу від землі, незважаючи на всю масу Землі, яка її притягує. Чому вона така слабка? Невідомо. І, можливо, буде потрібно дуже і дуже великий науковий ...

Конденсат Бозе-Ейнштейна вперше провели в космосі

Конденсат Бозе-Ейнштейна вперше провели в космосі

Міжнародна група вчених успішно виробила конденсат Бозе-Ейнштейна в космосі. У своїй роботі, опублікованій в журналі Nature, група описує створення невеликого експериментального пристрою, яке вивезли на ракету в космос, і експерим...

Нові мемристори розміром з атом покращать продуктивність нейромереж

Нові мемристори розміром з атом покращать продуктивність нейромереж

Комп'ютерні нейромережі, на основі яких будується штучний інтелект, влаштовані за своєю суттю також, як і їх анатомічні прабатьки. Для того, щоб ШІ навчався чогось нового, потрібно зміцнювати старі і створювати нові зв'язки між ел...

DARPA хоче навчити штучний інтелект «здоровому глузду»

DARPA хоче навчити штучний інтелект «здоровому глузду»

Забавна штука штучний інтелект. Він може ідентифікувати об'єкти за лічені секунди або частки секунди, наслідувати людського голосу і рекомендувати музику, але більшості машинних «інтелектів» бракує самого базового розуміння повсяк...

Які таємниці Биткоина ховає заморожений мозок Хала Фінні?

Які таємниці Биткоина ховає заморожений мозок Хала Фінні?

протягом багатьох років одного з розробників кріптовалюти Bitcoin Хала Фінні вважали можливим творцем, який ховався під ім'ям Сатоши Накамото. Деякі навіть підозрювали, що Фінні міг бути власником 700 000 биткоинов, які були намай...

Напівсвіт-полуматерия: нові частинки можуть привести до революції в області обчислювальної техніки

Напівсвіт-полуматерия: нові частинки можуть привести до революції в області обчислювальної техніки

Вчені виявили нові частинки, які можуть лягти в основу майбутньої технологічної революції, заснованої на фотонних схемах, і призвести до розвитку надшвидких обчислювальних методів на базі світла. В даний час обчислення базуються н...

Бактерії, плаваючі над нашими головами, можуть впливати на погоду

Бактерії, плаваючі над нашими головами, можуть впливати на погоду

Ми, люди, пишаємося своїми здібностями до адаптації, але бактерії завжди були на крок попереду в цій грі, що розтягнулася на мільярди років. Наші мікробіологічні брати спокійно існують в самих неприємних для існування середовищах,...

Неандертальці пережили Льодовиковий період завдяки турботі

Неандертальці пережили Льодовиковий період завдяки турботі

Те, яким чином неандертальці зуміли пережити суворий Льодовиковий період — до цих пір залишається для вчених невирішеною до кінця загадкою. До 2018 року було відомо, що для виживання вони брали кілька стратегій, включаючи групову ...

Створено мову програмування для біохімічних реакцій

Створено мову програмування для біохімічних реакцій

У фармакології і біохімії основна складність часто полягає в тому, що багато реакції та їх похідні, хоч і можна передбачити, вибудувати структуру необхідного речовини з необхідними властивостями «з нуля» все-таки досить складно. ...

Здається, Хаббл знайшов першу экзолуну

Здається, Хаббл знайшов першу экзолуну

Перша — як підозрюють вчені — экзолуна потрапила у фокус об'єктива. Спостереження космічного телескопа ім. Хаббла впевнено говорять на користь місяця розміром з Нептун обертається навколо газової екзопланети в 8000 світлових роках...

Запропоновано ефективний спосіб перетворення води в екологічно чисте паливо

Запропоновано ефективний спосіб перетворення води в екологічно чисте паливо

насправді вже давно ведуться розробки у сфері створення засобів по виробленню енергії з води. На ділі все звучить просто: треба лише розірвати зв'язки між воднем і киснем у молекулі води і ви отримаєте доступ до практично невичерп...