В 1963 году Де-волт получил должность в Пенсильванском университете и стал работать вместе с Бриттоном Чансом, который был всего на два года старше, однако уже прославился на весь мир как один из самых выдающихся ученых в своей отрасли. Чанс получил две докторские степени — по физической химии и по биологии, поэтому его «отрасль» была достаточно широка, а научные интересы — многообразны. Большую часть времени он посвящал изучению структуры и функций ферментов, однако у него оставалось время и на занятия спортом: в 1952 году он стал золотым призером Олимпийских игр в парусном спорте.
Чанса интересовал вопрос о том, каким образом свет способствует передаче электронов от дыхательного фермента цитохрома к кислороду. Совместно с Мицуо Нишимура Чанс обнаружил, что перенос электронов из цитохрома к кислороду осуществляется внутри бактерии Chromatium vinosum даже в том случае, если ее клетки охлаждаются до температуры жидкого азота, то есть до –190 °C[41]. Однако было неясно, претерпевал ли процесс передачи электронов какие-либо изменения со снижением температуры. Ответ на этот вопрос мог бы пролить свет на работу всего молекулярного механизма, участвующего в передаче электронов. Чанс понял, что необходимо придать большую скорость начальному этапу реакции короткой, но сильной вспышкой света. Вот где пригодился опыт Дона Де-волта, который несколько лет проработал научным консультантом в небольшой компании, занимавшейся разработкой лазера, способного производить подобные световые импульсы.
Де-волт и Чанс провели совместный эксперимент, в ходе которого рубиновый лазер подавал короткую вспышку ярко-красного цвета в течение 30 наносекунд (30 миллиардных секунды) к бактериальным клеткам, заполненным дыхательными ферментами. Ученые обнаружили, что при снижении температуры скорость переноса электронов также снижалась, пока при температуре 100 К (–173 °C) реакция с переносом электронов не стала протекать в тысячу раз медленнее, чем при комнатной температуре. Это и ожидалось в случае, если процесс переноса электронов зависел только от количества тепловой энергии. Тем не менее, когда Де-волт и Чанс установили температуру реакции ниже 100 К, произошло нечто странное. Скорость процесса переноса электронов не снизилась, а стабилизировалась и продолжала оставаться неизменной, пока температура не упала до 35° выше абсолютного нуля (–238 °C). Это означало, что механизм переноса электронов не работает только на основе «классических» скачков электронов, описанных выше. За ответом вновь следует отправиться в квантовый мир, а именно рассмотреть такое явление, как квантовое туннелирование, которое мы упоминали в главе 1.
Из главы 1 вы, должно быть, помните, что квантовое туннелирование — это процесс, в ходе которого частицы преодолевают непреодолимые барьеры с той же легкостью, с какой звук проходит сквозь стены. Квантовое туннелирование было открыто в 1926 году немецким физиком Фридрихом Хундом и вскоре после этого было успешно использовано Георгием Гамовым, Рональдом Гернеем и Эдвардом Кондоном для объяснения понятия радиоактивного распада, причем все трое применили при этом новую в то время математику квантовой механики. Квантовое туннелирование стало одним из главных понятий ядерной физики, а впоследствии нашло широкое применение в материаловедении и химии. Как мы уже говорили, этот эффект имеет огромное значение для земной жизни, поскольку именно благодаря ему пары положительно заряженных ядер водорода, находящиеся внутри Солнца, сливаются воедино, начиная тем самым процесс превращения водорода в гелий, при котором выделяется огромное количество солнечной энергии. И все же до недавнего времени никто не предполагал, что квантовое туннелирование как-то связано с процессами, протекающими в живой материи.
Квантовое туннелирование можно понимать как способ, с помощью которого частицы, находящиеся сначала по одну сторону барьера, попадают на другую его сторону, причем здравый смысл подсказывает, что этот способ невозможен. Под «барьером» мы подразумеваем физически непреодолимый (без необходимого количества энергии) участок пространства — что-то похожее на силовые поля из научной фантастики. Такой барьер может представлять собой узкий участок изоляционного материала, разделяющего проводники, или пустое пространство, например расстояние между двумя ферментами в дыхательной цепи. Он также может быть чем-то вроде энергетического «холма», который мы описывали выше, и ограничивать скорость протекания химических реакций (см. рис. 3.1). Представьте себе мячик, который толкнули вверх по склону невысокого холма. Для того чтобы мячик докатился до вершины, а затем скатился вниз по другому склону, необходимо толкнуть его достаточно сильно. Поднимаясь по склону, мяч будет замедлять движение и без необходимого количества энергии (полученной при достаточно сильном толчке) просто остановится и скатится туда, откуда его толкнули. Согласно классической механике Ньютона, единственный способ заставить мяч преодолеть барьер в виде вершины холма заключается в том, чтобы придать ему достаточное количество энергии для преодоления этой «энергетической» вершины. Но если бы на месте мяча оказался, скажем, электрон, а холм представлял бы собой барьер энергии отталкивания, существовала бы вероятность того, что электрон преодолел бы этот барьер в виде волны, прокладывая себе альтернативный и более эффективный путь. Это и есть квантовое туннелирование (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Квантовое туннелирование сквозь энергетический ландшафт
Важной особенностью квантового мира является то, что чем легче частица, тем легче она преодолевает энергетический барьер. Следовательно, ничего удивительного нет в том, что, как только стало понятно, что этот процесс — обычное явление для внутриатомного мира, ученые быстро обнаружили, что наиболее распространено в квантовом мире именно туннелирование электронов, поскольку они представляют собой чрезвычайно легкие элементарные частицы. Эмиссия электронов из металлов под действием электрического поля была описана в конце 1920-х годов именно как туннельный эффект. Квантовое туннелирование объяснило и то, как именно происходит радиоактивный распад: ядра определенных атомов, например урана, вдруг выбрасывают частицу. Этот пример считается первым успешным применением квантовой механики для решения проблем ядерной физики. В современной химии также подробно описано квантовое туннелирование электронов, протонов (ядер водорода) и даже более тяжелых атомов.
Важной особенностью квантового туннелирования является его зависимость (как и многих других квантовых явлений) от волновой природы частиц вещества. Однако тело, состоящее из большого количества частиц, которым необходимо преодолеть барьер, должно поддерживать такие условия, в которых волновые аспекты всех его составляющих подходили бы друг другу (например, совпадали бы длины волн). Иными словами, тело должно представлять собой то, что мы назвали бы когерентной системой или попросту системой, работающей «в унисон». Декогеренция описывает процесс, в ходе которого множество квантовых волн стремительно выбиваются из общего ритма и нарушают общее когерентное поведение, лишая тело способности к квантовому туннелированию. Частица может участвовать в квантовом туннелировании, только если она сохраняет волновые свойства, необходимые для преодоления барьера. Вот почему крупным объектам, например футбольным мячам, не свойственно квантовое туннелирование: они состоят из триллионов атомов, поведение и волновые свойства которых невозможно скоординировать и превратить в когерентную систему.
По квантовым меркам живые клетки также являются крупными объектами, поэтому с первого взгляда возможность квантового туннелирования в теплой и влажной среде живых клеток, где атомы и молекулы движутся в основном беспорядочно, кажется невероятной. Однако, как мы уже выяснили, внутренне строение фермента отличается от неупорядоченной среды клетки: движение его частиц представляет собой скорее хорошо поставленный танец, нежели суетливую толкотню. Давайте разберемся, насколько важна эта хореография частиц для жизни.
Квантовое туннелирование электронов в биологии
Де-волт и Чанс провели свой знаменитый эксперимент в 1966 году. Прошло всего несколько лет, и неожиданный температурный профиль эксперимента оказался вполне объяснимым. Джон Хопфилд — еще один американский ученый, сфера интересов которого охватывает несколько научных дисциплин — от молекулярной биологии и физики до компьютерных технологий. Хопфилд знаменит прежде всего как изобретатель ассоциативной нейронной сети, однако его всегда интересовали также и физические процессы, имеющие большое значение для биологии. В 1974 году он опубликовал работу под названием «Перенос электронов между биомолекулами путем термоактивированного туннелирования»[42], в которой предложил теоретическую модель, объясняющую результаты эксперимента Де-волта и Чанса. Хопфилд указал на то, что при высокой температуре энергии колебаний молекул будет достаточно для того, чтобы электроны могли достичь вершины барьера без туннелирования. При снижении температуры энергии колебаний будет недостаточно для того, чтобы поддержать ферментативную реакцию. Однако Де-волт и Чанс обнаружили, что реакция не прекращается при низких температурах. Хопфилд предположил, что при низких температурах электрон приводится в положение, при котором он оказывается на середине склона энергетического холма, при этом расстояние до вершины, которое он должен преодолеть, становится короче, а шансы на успешное осуществление квантового туннелирования — выше. И он оказался прав: перенос электронов путем туннелирования происходит даже при очень низких температурах, как и показали Де-волт и Чанс.
