Джим Аль-Халили – Квант (страница 43)

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) представляет собой удивительную технику, принцип действия которой объяснить довольно просто. В частности, ПЭТ применяется для получения изображения мозга жертвы инсульта или новорожденного младенца, подвергшегося при рождении кислородной недостаточности. Сначала в тело вводится глюкоза, содержащая безвредные радиоактивные изотопы углерода или азота, которые переносятся в мозг. Затем путем измерения концентрации глюкозы, источника энергии для мозга, в различных областях выделяются области высокой и низкой нервной активности.

Как работает ПЭТ-сканер. Атомы нестабильного изотопа используются, чтобы направить молекулы глюкозы в мозг. Ядра этих атомов подвергаются бета-распаду путем испускания позитрона (античастицы электрона). Этот позитрон быстро сталкивается с атомным электроном и аннигилирует, высвобождая два идущих друг за другом гамма-фотона. ПЭТ-сканер состоит из массивов фотонных детекторов, которые регистрируют гамма-лучи сцинтиллирующими кристаллами. Многие атомы в этих кристаллах возбуждаются единственным высокоэнергетическим гамма-лучом, но быстро падают на начальный уровень, высвобождая менее энергетические фотоны. Эти фотоны, в свою очередь, запускают высвобождение каскада электронов внутри трубки фотоэлектронного умножителя, в результате чего на выходе мы видим электрическую пульсацию. Эти сигналы используются, чтобы срез за срезом построить карту мозга на основании концентрации глюкозы в различных его областях. Хотя возможность заглянуть внутрь человеческого мозга при помощи радиоактивных атомов, которые выплевывают антивещество, и может показаться пугающей, на самом деле ПЭТ-сканеры причиняют меньше вреда, чем рентгеновские лучи.

Радиоактивные изотопы в глюкозе подвергаются бета-распаду и испускают позитроны. Эти частицы почти сразу встречаются с электронами и происходит процесс аннигиляции пар, в ходе которого электрон и позитрон исчезают во вспышке света, испуская два энергетических фотона. Эти фотоны регистрируются детекторами, называемыми фотоэлектронными умножителями, и их пути прослеживаются до той самой точки внутри мозга, где произошла аннигиляция электрона и позитрона. Таким образом обнаруживается распавшееся радиоактивное ядро, а следовательно, и перенесшая его глюкоза. В результате регистрации большого количества таких фотонных пар за определенный отрезок времени создается серия изображений, которая показывает изменения в концентрации глюкозы.

Квантовая механика и генетические мутации

Несколько лет назад мы с моим коллегой-микробиологом Джонджо Мак-Фадденом опубликовали в американском журнале Biosystems спекулятивную статью, в которой предположили квантовое происхождение необычного типа генетической мутации, известной как адаптивная мутация, бактерии Е. coli. Спекулятивной эта статья была по двум причинам. Во-первых, процесс адаптивных мутаций был и в некотором роде остается объектом противоречий. Во-вторых, предлагаемый нами квантовый механизм требовал наличия у живых клеток определенного уникального квантового свойства, иначе вся наша теория не выдерживала бы никакой критики.

Теперь мы знаем, что свойства генетического кодирования молекул ДНК во всех живых клетках объясняются природой водородных связей между базовыми парами. Как только Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли двойную спираль ДНК, стало известно, что определенные естественные мутации могут происходить из-за произвольного квантового туннелирования протонов с одного места ДНК в другое, что приводит к формированию другой химической связи. Эта своего рода случайная ошибка в коде ДНК случается в одном случае на миллиард, но, когда это происходит, мы получаем квантовую мутацию. Таким образом, квантовая механика явно сыграла некоторую роль в процессе эволюции.

Адаптивные мутации невозможно объяснить столь же очевидным образом. Когда штамму клеток Е. coli, называемому lac-, поскольку он лишен энзима, позволяющего ему питаться лактозой, дают одну лактозу, ожидается, что большинство клеток погибнет от голода. Однако немногие случайным образом мутируют в штамм lac+, который может питаться лактозой и расти, а следовательно, начинает делиться. Было обнаружено, что в присутствии лактозы в lac+ Е. coli мутирует гораздо больше lac-, чем в ее отсутствие, даже несмотря на то что они не могут знать о присутствии лактозы, пока не произойдет мутация. Это казалось настоящим волшебством.

Объяснение здесь может дать идея квантовой суперпозиции. Видите ли, в каждой клетке мутация lac – в lac+ может объясняться туннелированием одного протона между двумя соседними положениями. С точки зрения квантовой механики, конечно, волновая функция протона такова, что есть определенная вероятность его обнаружения в любом из этих положений, то есть она пребывает в суперпозиции осуществленного и неосуществленного туннелирования. При условии что такая квантовая когерентность может достаточно долго поддерживаться в клетке, вся ДНК должна превратиться в суперпозицию мутировавших и не мутировавших состояний.

Проблема, само собой, заключается в декогеренции, в просачивании квантовой странности в окружающую среду. Это должно занимать не более одной миллионной доли секунды, то есть слишком быстро, чтобы в клетке произошли необходимые изменения и она (или часть ее волновой функции) мутировала в тот штамм, который знает о присутствии лактозы и может ее перерабатывать. Однако мы хотели, чтобы суперпозиция сохранялась достаточно долго, чтобы декогеренцию вызывала сама лактоза. В таком случае лактоза фактически открывает коробку с котом Шрёдингера и приводит к коллапсу волновой функции клетки, которая начинает описывать лишь одно состояние из двух возможных. Это происходит потому, что при наличии верного штамма Е. coli запускаются химические реакции с участием лактозы, которые также могут вызывать декогеренцию. Если декогеренция в присутствии лактозы проявляется быстрее, чем в ее отсутствие, мы можем объяснить неожиданные результаты, полученные в экспериментах по адаптивной мутации.

Причина этого в таком случае кроется в простом механизме, где повторяющиеся измерения «тянут» квантовую систему из одного состояния в другое. Если лактоза «измеряет» клетку и выясняет, что она пребывает в мутировавшем состоянии lac+, что происходит редко, то клетка начинает питаться этой лактозой и расти. Но если клетка пребывает в состоянии lac-, то ничего не происходит, и она снова возвращается в суперпозицию двух состояний. Следовательно, чем чаще будет проводиться измерение, тем более регулярным станет появление мутаций lac+.

К несчастью, поверить, что квантовая когерентность будет так долго сохраняться в столь сложной и активной среде, как живая клетка, весьма нелегко. Это возможно, только если клетка ведет себя совершенно иначе, чем неодушевленная система эквивалентного размера, сложности и температуры. И правда, в 1944 году в своей знаменитой книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шрёдингер предположил, что живые клетки поддерживают структуру и порядок, эквивалентный порядку обычной материи при температуре, стремящейся к абсолютному нулю – в режиме, где квантовые эффекты сохраняются гораздо дольше. Но, поскольку никто до конца не понимает, что именно делает жизнь такой особенной, наша теория остается спекуляцией.

За прошедшее с момента публикации статьи время я несколько охладел к этой идее. Однако физик Пол Дэвис – один из немногих, кто воспринял наше предположение на ура, – тоже интересуется этими вопросами. Он утверждает, что нам еще предстоит должным образом понять природу декогеренции, не говоря уже о сложных квантовых свойствах живых клеток, поэтому нам еще работать и работать в этом направлении.

Микроскопы для наблюдения за атомами

К началу 1930-х годов развитие оптических микроскопов – таких микроскопов, которые направляют свет на образец посредством системы линз, – достигло потолка. Длина волны видимого света ограничила максимальное приближение примерно до 1000× (а разрешающую способность – до долей микрона). Желание рассмотреть в живых клетках более мелкие детали привело ученых к мысли об использовании гораздо более коротких волн. Здесь и оказалась полезной квантовая волновая природа электронов. Длины волн материи, соответствующих пучкам электронов, существенно меньше длин волн видимого света. Первый электронный микроскоп был разработан в Германии в 1931 году и использовался для направления пучка электронов для исследования строения и состава образцов. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) работает по тому же принципу, что и диапроектор, где часть пучка проходит сквозь образец, в результате чего его изображение проецируется на экран.

После Второй мировой войны появился новый тип электронного микроскопа, так называемый растровый электронный микроскоп (РЭМ). Он сканирует поверхность образца электронным пучком. Изображение поверхности формируется путем сбора и усиления электронов, которые отскакивают от образца или выбиваются из него.

Успехи в области микроскопии привели к тому, что сегодня разрешение позволяет разглядеть отдельные атомы. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), впервые разработанный в начале 1980-х, предполагает скольжение острой проводящей металлической иглы над поверхностью образца. Электроны получают возможность осуществлять квантовое туннелирование сквозь промежуток на поверхность образца, а вырабатываемый таким образом измеряемый электрический ток соответствует ширине промежутка, а следовательно, и положению атомов на поверхности образца.