Квантова механіка для біологів
Я завершив прослуховування книги Джонджо Макфадден, Джим Аль-Халілі, Життя на межі: Початок епохи квантової біології (Johnjoe McFadden, Jim Al-Khalili. Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology).
Переходжу до скептичному сприйняття книги.
При просуванні квантової біології потрібно сказати, що ось, без квантової біології проблеми життя не вирішити. Макфадден і Аль-Халілі побудували свою аргументацію на цьому шляху наступним чином. Спочатку вони коротко розглянули відкриття в біології почавши з Дарвіна. На цьому шляху вони весь час наголошували, що життя так і залишилася загадкою (mystery). Хіміки навчилися синтезувати органічні молекули: життя залишилася загадкою. Відкрита структура ДНК: що таке життя залишилося загадкою. Молекулярна біологія показала як функціонує клітина: що таке життя залишилося загадкою. Система біологія вивчила складні взаємодії в живих системах: що таке життя залишилося загадкою. У синтетичної біології вдалося створити синтетичну бактерію: що таке життя залишилося загадкою. Тепер приведу одну цитату з книги:
«... феномен [в квантовій механіці] називається суперпозицією, коли частка може робити дві, або сто, або мільйон речей одночасно. Це властивість відповідає за те, що наш всесвіт так складна і цікава. »
Я думаю, що хід думки зрозумілий. Однак мене не покидає підозра, що навіть після злиття біології з квантовою механікою, життя як і раніше залишиться загадкою. Особливо на це має сам аргумент, просто по індукції.
Далі Макфадден і Аль-Халілі багаторазово повторюють свою ідею у вигляді необхідності зміна слогана «Порядок з хаосу» (життя на основі статистичної термодинаміки на базі класичної механіки) на «Порядок з порядку» (життя на основі квантової когеренціі). Для мене обидва слогана залишилися загадкою. Класична механіка повністю детермінована. Квантова механіка ж, принаймні в копенгагенської інтерпретації, індетермінованих. Знаходження хаосу в детермінізм і пошук порядку в індетермінізм викликає у мене подив.
Необхідно також відзначити, що побудувати статистичну термодинаміку на основі класичної механіки просто неможливо. Больцман в свом знаменитому виведення статистичної ентропії виходив з того, що атом / молекула може приймати тільки дискретні значення енергії. Таке рішення було викликано тим, що перехід до континууму енергій ні до чого доброго не приводили. Більш того, приватні можливі рішення на основі безперервного спектра енергії приводили до протиріччя з експериментальними даними (наприклад заморожені ступеня свободи). Тому класичний світ, який передбачається в книзі в якості альтернативи квантовому світу в принципі неможливий: статистичної термодинаміки працює тільки в разі врахування квантових ефектів.
«Ці спільні негативно заряджені електрони притягають позитивно заряджені ядра атомів з обох сторін зв'язку, дію таким чином як електронний клей, який тримає атоми разом в пептидного зв'язку.»
Такий опис може бути підійде в якості метафори, але побудова агрумент на основі такої метафори нагадує мені побудова замку в хмарах, оскільки пояснення ковалентного зв'язку без квантової механіки неможливо.
Я скористаюся прикладом ковалентного зв'язку, щоб на ньому підкреслити складність пояснень в рамках квантової механіки. У кожному підручнику хімії ви знайдете молекулярні орбіталі і твердження, що освіта ковалентного зв'язку відбувається при заповненні молекулярної орбіталі двома електронами. Такий рівень пояснення ближче до реального стану справ, ніж те, що запропонували вище Макфадден і Аль-Халілі. Проте, молекулярна орбіталь є в певному сенсі химерою, оскільки вона виникає тільки в рамках наближеного рішення електронного рівняння Шредінгера. Розбити хвильову функцію молекули на молекулярні орбіталі принципово неможливо і це в свою чергу говорить про те, що навіть пояснення на рівні молекулярних орбіталей є тільки наближенням. Біологам, захопленим квантової біологією, було б непогано спочатку пройти нормальний курс квантової хімії.
Іншим підводним каменем при розгляді квантової механіки є інтерпретація квантової механіки, яка крутиться навколо зв'язку між квантових і класичних світом шляхом вимірювання. Хіміки в цьому відношенні зазвичай залишаються на рівні «писок і обчислюй». Є рівняння, вони дозволяють вирішити необхідні завдання, соотвественно розуміння рівняння зводиться до вміння його вирішити. Тому хіміки, принаймні це було так, коли я займався хімією, задоволені копенгагенської інтерпретацією, де для зв'язку квантового та класичного світів необхідний спостерігач.
При поясненні життя такий підхід вже навряд чи пройде, оскільки в даному випадку необхідно знайти спостерігача всередині клітини. По всій видимості тому Макфадден і Аль-Халілі вибрали інтерпретацію квантової механіки в рамках декогерентності. У книзі начебто передбачається. що вимірювання можуть проводити інші молекули: одна молекула міряє щось в іншої молекули, бац, сталася декогеренції.
Я повинен зізнатися, що поки тільки чув про цю інтерпретацію і не можу точно сказати, як вона влаштована. Опис в книзі залишає бажати кращого. Зазначу тільки, що декогеренції є далеко не єдиною інтерпретацій. Багато сучасні фізики поділяють многоміровая інтерпретацію, де вимір веде до розщеплення світу. Одна молекула справила вимірювання і, бац, весь всесвіт расщепилась на дві. Квантовим біологам потрібно уважно стежити в який з всесвітів вони при цьому виявляються.
Біологія накладає свій відбиток на виклад матеріалу. Особливо цікаво спостерігати телеологічний стиль викладу біології при переході до молекул, коли виявляється, що кожен фермент виконує свою певну функцію. Тільки залишається незрозуміло, звідки фермент дізнався, яку з функцій він повинен виконувати.
Наприклад в книзі багато разів згадується, що молекула хлорофілу повинна передати поглинену енергію фотона з точки поглинання в реакційний центр. Я б проте очікував, що молекулі хлорофілу абсолютно байдуже, чи перейде енергія з точки поглинання в реакційний центр чи ні. Більш того, я б висловив крамольну думку, що молекула хлорофілу навіть не подзревает, що вона поглинає енергію фотона, і що ця сама енергія перетворюється в так необхідні людству вуглеводні.
Звичайно, можна сказати, що всі розмови про функції являеются фігурою мови, коли кожен розуміє про що йде мова. Проте можна побачити певні різницю. Якщо молекула хлорофілу повинна займатися передачею енергії, то можна сказати, що, ось, молекула займається квантовими обчисленнями, щоб визначити оптимальний шлях передачі енергії. Якщо ж хлорофілу немає ніякого діла до передачі енергії, то квантові обчислення якось підвисають в повітрі.
Завершу ще однією цитатою:
«Природні наномашини на молекулярному рівні виконують добре поставлений танець, дії якого були спроектовані мільйонами років природного відбору для маніпуляції рухами фундаментальних частинок природи.»
Що тут сказати, біологи просто непоправні.
На закінчення ще раз зазначу, що книга в цілому непогана. Зібраний великий фактичний матеріал, який дозволяє порівняно швидко зрозуміти, звідки і куди дме вітер. Крім того, завіральние ідеї добре заповнюють дорогу з дому на роботу і назад і допомагають впоратися з повсякденністю побуту.
перекладені цитати
«... a phenomen called superposition whereby particles can do two - or a hundred, or a million - things at once. This property is responsible for the fact that our universe is richly complex and interesting. »
«These shared negatively charged electrons attract positively charged atomic nuclei of the atoms on either side of the bond, thereby acting as a kind of electronic glue that holds the atoms together in the peptide bond.»
«This nanomachines of nature are performing, at a molecular level, a carefully choreographed dance whose actions have been engineered by millions of years of natural selection to manipulate the motion of the fundamental particles of matter.»