Квантовая механика уже достаточно глубоко проникла в смежные научные области. В попытке объяснить в терминах квантовой теории саму жизнь она даже породила свою собственную биологию. Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – внутри спирали ДНК.

Поэтическое изображение того, как работает
квантовая запутанность на примере двух людей
в разных точках земного шара
(иллюстрация Jared Hodges/Deviantart.com).

Новорождённая квантовая биология (quantum biology) официально не признана научной дисциплиной. Однако она уже превратилась в одну из самых интересных и захватывающих тем передовых исследований. Например, раскрывающих важную роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе.

Новое исследование провела группа физиков из Национального университета Сингапура (NSU). Элизабет Рипер (Elizabet Rieper) и её коллеги исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается именно благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).

Оказывается и такое привычное всем явление, как навигация у птиц, описывается законами квантовой механики: свежая статья греческих учёных, исследующая эту возможность, выложена в открытый доступ на сайте ArXiv.org (Emily Fox).

Чтобы проверить свою смелую теорию, учёные построили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней каждый нуклеотид состоит из облака электронов вокруг центрального положительно заряженного ядра. Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. При этом смещение облака туда и обратно приводит к образованию гармонического осциллятора.

Ещё одна упрощённая иллюстрация принципа квантовой сцепленности. Условные кубики, находящиеся в такой связи, при одновременном броске выдавали бы одинаковые, но при этом, несомненно, случайные значения (иллюстрация A. Franzen, Albert Einstein Institute).

Рипер с коллегами заинтересовались, что же произойдёт с колебаниями облаков (фононами), когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. По мнению учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые облака теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, чтобы обеспечить стабильность всей структуры.

Поскольку фононы по сути являются квантовыми объектами, они могут существовать в виде суперпозиции состояний и умеют «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, влияющих на спираль извне.

«Очевидно, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов могут быть запутаны лишь при нулевой температуре», – говорит Рипер.

На рисунке изображён эскиз базовой пары нуклеотидов ДНК. Положительно заряженное ядро обозначено красным, отрицательное внешнее электронное облако – сине-жёлтым. В положении равновесия центр обеих частей совпадает, так что никакого постоянного диполя не образуется (иллюстрация Rieper et al.).

В своей пока неопубликованной научными изданиями статье физики приводят доказательство, что эффект запутывания в принципе, может возникнуть и при комнатной температуре.

А возможно это потому, что длина волны у описанных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это позволяет формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват). После этого фононы не могут «сбежать».

Данный эффект не будет иметь особенного значения для гигантской молекулы, если только он не распространяется на всю спираль. Однако компьютерное моделирование, проведённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и вправду колоссален.

Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с движениями соседей — фононы при этом находятся в суперпозиции состояний. А общая картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: вдоль всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности. Общее же движение спирали оказывается равным нулю.

Модель спирали ДНК, на которой увеличен фрагмент с двумя соседними парами оснований. Синим выделены электронные облака в двух крайних позициях своих колебаний, направления которых отмечают стрелки (иллюстрация Rieper et al.).

Если пытаться описать эту модель исключительно в рамках классической физики, то ничего из перечисленного произойти не сможет: «классическая» спираль должна хаотично вибрировать и распадаться на части.

По мнению исследователей, именно квантовые эффекты ответственны за «склеивание» ДНК. Но, как и в случае с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (правда, занятой объектами макромира), – главный вопрос не оригинален: как этот вывод доказать?

Ответа пока нет. Команда Рипер в конце своей статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую влияет на способ «считывания» информации из ДНК. Дескать, в будущем это удастся проверить и использовать экспериментально. Как именно – пока никто даже не предполагает.

Несмотря на некоторую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Ведь квантовые эффекты уже находили в самых неожиданных местах, например в электрической цепи, но покамест никто не замахивался на претензии такого масштаба – микроскопического и в то же время невероятно важного.

В свете изложенного тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в твёрдом теле человек выглядит забавно, поскольку не подозревает, что самым ярким примером такой системы является он сам.