"Bakterie Schrödingera": cud biologii kwantowej?

Kwantowy świat jest bardzo dziwny. W teorii, i w praktyce, do pewnego stopnia, zasady kwantowego świata wymagają, aby cząstka mogła pojawiać się w dwóch miejscach jednocześnie — to paradoksalne zjawisko znane jako superpozycji — i aby dwie cząstki mogły "rozsypce", wymieniając się informacjami na dowolnie duże odległości. Jak to jest — nikt nie wie dokładnie. Najbardziej znanym przykładem dziwactwa kwantowego świata można nazwać kota Schrödingera, eksperyment myślowy, przeprowadzony Эрвином Шредингером w 1935 roku.

Austriacki fizyk psychicznie umieścił kota w pudełku z potencjalnie śmiertelną substancją radioaktywną. Dziwne prawa mechaniki kwantowej pozwalały kot istnieć w superpozycji dwóch stanów — jednocześnie żywym i martwym — przynajmniej do momentu, gdy pole nie zostanie otwarty, a jego zawartość — stwierdzono.

Dziwactwa kwantowego świata

Przy całej różnorodności, ta koncepcja została doświadczalnie potwierdzona niezliczoną ilość razy w skali kwantowej. Ale podczas skalowania do naszego, że tak powiem, bardziej proste i intuicyjne макроскопического świata, wszystko się zmienia. Nikt jeszcze nie widziałem gwiazdę, planetę lub kota w superpozycji lub w stanie kwantowej zamieszanie. Ale od czasu, jak kwantowa teoria została po raz pierwszy sformułowana na początku 20 wieku, naukowcy zastanawiali się, gdzie przecinają się mikroskopijny i макроскопический światy? Jak duży może być kwantowa rzeczywistość i czy będzie ona kiedykolwiek wystarczająco duży, aby jej najbardziej dziwne aspekty, które można ściśle powiązać z żywymi istotami? W ciągu ostatnich dwóch dekad pojawiająca się obszar biologii kwantowej szukałam odpowiedzi na te pytania, oferując i przeprowadzając eksperymenty nad żywymi organizmami, które mogłyby pomóc wyczuć granice teorii kwantowej.

Te eksperymenty już przyniosły ciekawe, ale niejednoznaczne wyniki. Na początku tego roku, na przykład, naukowcy wykazały, że proces fotosyntezy — gdy organizmy produkują żywność, za pomocą światła — może obejmować niektóre efekty kwantowe. Nawigacja ptaków lub nasz zmysł powonienia jest również mówią o tym, że efekty kwantowe mogą wystąpić u istot żywych, w najbardziej niezwykły sposób. Ale to tylko najbardziej czubek góry lodowej kwantowego świata. Do tej pory nikomu nie udało się zmusić cały żywy organizm — nawet nie одноклеточную bakterii — pokazać efekty kwantowe, takie jak zaangażowanie lub superpozycji.

I oto nowa praca naukowców z uniwersytetu w Oksfordzie sprawia, że niektóre ze zdziwieniem podnieść brwi: w niej piszą, że udało im się skutecznie zmylić bakterii z fotonów — cząstek światła. Badanie przeprowadzone fizykiem kwantowym-Chiara Марлетто i opublikowane w październiku w Journal of Physics Communications prezentuje analizę eksperymentu, przeprowadzonego w 2016 roku David Коулсом z Uniwersytetu w Sheffield i jego kolegami. W tym eksperymencie Коулс i spółka wprowadzili kilkaset фотосинтезирующих zielonych bakterii siarkowych między dwoma lustrami, stopniowo zmniejszając odstępy między lusterkami do kilkuset nanometrów — mniej niż szerokość ludzkiego włosa. Pomijam białe światło przez lustra, naukowcy mieli nadzieję, że фотосинтетические molekuły w bakteriach tworzą pary lub będą komunikować się z pustką, czyli bakterie będą stale wchłonąć, emituje i ponownie absorbować skaczące fotony. Eksperyment był udany. Około sześciu bakterii tworzą pary na tej podstawie.

Марлетто i jego koledzy twierdzą, że bakterie nie tylko tworzą parę z jamy. W swojej analizie demonstrowali, że sygnatury energetyczne uzyskane w trakcie eksperymentu, mogą być zgodne z фотосинтезирующими systemami bakterii, splątanych ze światłem w jamie. W istocie, wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie uderzali i przepuszczane фотосинтетические cząsteczki wewnątrz bakteriach — to było cechą zaciemniania.

"Nasze modele pokazują, że zjawisko to można uznać za podpisem zamieszanie między światłem i określonymi stopniami swobody wewnątrz bakterii", mówi ona.

Według współautora badania Tristana Farrowa, który również z Oxfordu, po raz pierwszy zjawisko to zaobserwowano w żywym organizmie. "To na pewno klucz do dowód tego, że jesteśmy w jakiś sposób poruszamy się w kierunku pomysły «bakterie Schrödingera», że tak powiem," mówi. I to wskazuje na inny potencjalny przypadek przejawy biologii kwantowej w środowisku naturalnym: zielone серобактерии żyją w głębokim oceanie, gdzie deficyt живительного światła może stymulować kwantowo-mechaniczne ewolucyjne przystosowania się do przyspieszenia i utrzymania fotosyntezy.

U takich kontrowersyjnych wypowiedzi jest jednak wiele pułapek. Przede wszystkim, dowód zaciemniania w takim eksperymencie będzie pośrednio zależnym od tego, jak obserwator decyduje interpretować światło, płynący przez oraz wynikające z ograniczonych jamy bakterii. Марлетто i jej koledzy uznają, że klasyczny model, wolna od kwantowych efektów, też mogłaby wyjaśnić wyniki tego eksperymentu. Ale, oczywiście, fotony nie są klasycznymi nie są kwantowe. I jeszcze bardziej realistyczna "полуклассическая" model, korzystająca z prawa Newtona dla bakterii i kwantowe prawa dla fotonów, nie jest w stanie odtworzyć wyniki uzyskane Коулсом i jego kolegami w laboratorium. To wskazuje na to, że kwantowe efekty pojawiają się zarówno dla świata, jak i dla bakterii.

Innympułapka: energii bakterii i fotonu mierzyły się wspólnie, a nie pojedynczo. To, zdaniem Simona Греблахера z uniwersytetu Technologicznego w Delft w Holandii, który nie brał udziału w badaniu, jest pewnym ograniczeniem. "Może się wydawać, że dzieje się coś na poziomie kwantowym", mówi. "Ale… zazwyczaj, gdy pokazujemy zaangażowanie, mierzymy dwa systemy niezależnie", aby potwierdzić, że wszelkie kwantowe korelacje między nimi są prawdziwe.

Pomimo tych niepewności, dla wielu ekspertów kwantowej biologiczny przejście od teoretycznej marzeń do rzeczywistości, którą można dotknąć, to nie jest kwestia możliwości — to tylko kwestia czasu. Indywidualnie i zbiorowo molekuły poza systemów biologicznych wykazali już kwantowe efekty w laboranckich eksperymentach, przeprowadzonych przez dziesiątki lat, więc szukaj tych efektów wśród cząsteczek wewnątrz bakterii lub w ogóle naszych ciał nie wydaje się pozbawione sensu. W organizmach ludzi i innych organizmów wielokomórkowych istot, jednak takie molekularne efekty kwantowe byłoby trudno zauważyć, ale małe bakterii — dlaczego nie? "To miłe odkrycie, choć oczekiwana", mówi Греблахер. "Ale na pewno będzie zaskoczeniem, jeśli zaprezentować go na przykładzie rzeczywistego układu biologicznego".

Kilka grup badawczych, prowadzonych przez w tym Греблахером i Farrowa, mieć nadzieję rozwijać te pomysły jeszcze bardziej. Греблахер opracował eksperyment, który mógłby umieścić małe zwierzę — тихоходку — w stan superpozycji. To będzie o wiele trudniejsze, niż ukrywane bakterii ze światłem z powodu stosunkowo dużej wielkości тихоходок. Farrowa. egzamininuje sposoby poprawy eksperyment z bakteriami; w przyszłym roku on i jego koledzy mieć nadzieję mylić dwóch bakterii razem, nie dotykając światło.

"Chodzi o zrozumienie natury rzeczywistości i o tym, czy mają kwantowe efekty rolę w biologicznych funkcjach. Głęboko w korzeniu rzeczy wszystko jest kwantowym".

Może tak być, na przykład, że "dobór naturalny wymyślił sposób na żywych systemów naturalny sposób korzystać z kwantowe zjawiska", zauważa Марлетто, powołując się na przykład wspomniany fotosynteza серобактерий w głębokim morzu. Ale do tego trzeba zaczynać od małego. W czasie ostatniego eksperymentu został pomyślnie mylące milion atomów. Oczywiście, to nikła, nawet w porównaniu z bakteriami. Ale jeśli podejście bottom-up zadziała, pewnego dnia czeka nas skomplikowane na badanie makroskopowe poziomie istoty, przedmioty, a nawet ludzie.

Jak myślicie, czy to możliwe? Powiedz w naszej