Одним из наиболее изученных проявлений квантовых эффектов в биологических системах является квантовая когерентность, наблюдаемая в процессах переноса энергии при фотосинтезе. Эксперименты с использованием двумерной фемтосекундной спектроскопии показали, что в фотосинтетических комплексах, таких как FMO-комплекс (Fenna–Matthews–Olson), передача возбуждения осуществляется не классическим способом «прыжков» между молекулами, а с участием когерентных суперпозиций квантовых состояний.
Формально, эволюция квантово-механического состояния |ψ(t)⟩ в фотосинтетическом комплексе описывается уравнением Шрёдингера с гамильтонианом, включающим взаимодействия между хромофорами, фононное окружение и взаимодействие с излучением. При этом когерентное поведение наблюдается на временах до нескольких сотен фемтосекунд, что, по меркам «горячих» и «шумных» биологических сред, является неожиданно долгим.
Ключевые аспекты:
Ферменты значительно ускоряют химические реакции в живых организмах. На квантовом уровне это может быть связано с эффектами туннелирования, особенно в реакциях переноса лёгких частиц — протонов, электронов и даже ионов водорода. В классической механике, если потенциальный барьер выше энергии частицы, переход невозможен. Однако в квантовой механике вероятность туннелирования выражается через экспоненциальную зависимость:
$$ P \sim \exp\left(-\frac{2}{\hbar} \int \sqrt{2m(V(x) - E)} dx\right) $$
Ферменты могут стабилизировать конфигурацию молекулы так, что туннелирование становится термодинамически выгодным. Например, в реакциях с участием дегидрогеназ или моноаминоксидаз наблюдается повышение изотопного эффекта, что указывает на туннелирование при переносе протонов.
Физико-биологические параметры:
Феномен магниточувствительности в биологических системах, например, ориентация перелётных птиц по магнитному полю Земли, связан с квантовыми эффектами спиновой динамики в радикальных парах. Согласно гипотезе радикальной пары, при фотохимическом возбуждении молекулы происходит образование двух радикалов с несвязанными электронами, находящимися в квантовой суперпозиции синглетного и триплетного состояний:
|ψ⟩ = cs|S⟩ + ct|T⟩
Спиновое состояние может эволюционировать под воздействием внешнего магнитного поля, что влияет на вероятность химической реакции или выхода сигнала. Таким образом, молекулярная система может функционировать как магнитный сенсор.
В биофизике активно исследуется белок криптохром — кандидат на роль магниточувствительного биомолекулярного рецептора. Изменения в его фотохимических свойствах в зависимости от ориентации в магнитном поле подтверждаются спектроскопическими методами и экспериментами in vivo.
Фундаментальной проблемой в применении квантовой механики к биологическим системам является вопрос устойчивости квантовых эффектов при наличии теплового шума. Декогеренция — процесс разрушения квантовых суперпозиций под действием внешней среды — типично происходит на ультракоротких временных масштабах. Однако биологические структуры, как выясняется, могут демонстрировать механизмы, защищающие от быстрой декогеренции:
Таким образом, несмотря на биологическую «теплую и влажную» среду, квантовые эффекты в ряде случаев могут сохраняться и использоваться системами живого организма.
Растущая область теоретической и экспериментальной квантовой биофизики поднимает вопрос о возможной роли квантовой информации в передаче и обработке сигналов в нейронных системах. Например, в гипотезах Пенроуза и Хамероффа предполагается существование квантовых вычислений в микротрубочках нейронов. Хотя экспериментальных подтверждений этому пока нет, идея открыла новые горизонты в изучении связи сознания и квантовой механики.
Кроме того, предполагается участие квантовых эффектов в процессах:
Использование квантовых явлений в искусственно созданных биосистемах и наноустройствах становится направлением прикладной квантовой биофизики. Например:
Применение квантовых сенсоров позволяет получать информацию о внутриклеточных процессах с недостижимой ранее точностью как по пространственному, так и по временно́му разрешению.
Квантовые эффекты в биологических системах демонстрируют принципиально новый уровень организации живой материи. Они не только предоставляют объяснение отдельным высокоэффективным процессам, но и требуют пересмотра фундаментальных представлений о границах применимости квантовой механики в макроскопических, шумных, самоорганизованных системах. На стыке физики, биологии и информационных наук развивается новая научная парадигма, где живая система — это не только биохимический реактор, но и квантовый процессор, использующий законы микромира для повышения эффективности и надежности своей функциональности.