3 июня 2007 г.

Нетривиальные квантовые эффекты в биологии

Наткнулся в архиве на любопытную статью ArXiv:0705.1232, "Нетривиальные квантовые эффекты в биологии: скептическая точка зрения физиков". Это небольшая заметка (с очень хорошей библиографической подборкой), написанная для готовящегося к выпуску сборника статей "Квантовые аспекты жизни".

Первое впечатление, возникшее после её прочтения -- удивление тем, как много, оказывается, существует попыток "притянуть за уши" квантовые явления для функционирования биологических систем. Причем зачастую эти попытки во многом базируются на обычной неграмотности, поскольку уже простые оценки по порядку величины закрывают некоторые предложения. В этой статье терпеливо и довольно подробно объясняется — по-честному, по-физическому, — почему те или иные предложения либо неверны, либо сверхспекулятивны.

Вначале, чтобы не было недоразумения, авторы четко очерчивают предмет критики. Конечно, квантовые эффекты в молекулярной (!) биологии важны -- это и динамика возбуждения биомолекул, туннелирование протонов и электронов и т.д. (например, есть основания считать, что обоняние использует, кроме всего прочего, и резонансное туннелирование электронов в рецепторах). Это все "очевидные" — тривиальные — квантовые эффекты, и относятся они скорее не к биологии, а к молекулярной физике.

Утверждение авторов статьи состоит в том, что никаких предпосылок для более нетривиальных квантовых проявлений в живых системах нет.

Ниже перечислены некоторые из попыток привлечь квантовую механику в биологических системах и их критика авторами статьи.

1. Возникновение наследственности

С "наивно-химической" точки зрения возникновение живых (а точнее, скажем проще, размножающихся и адаптирующихся) систем кажется чрезвычайно маловероятным. (Этот аргумент, кстати, любят использовать и проповедники религии.) Как из таких простых начальных соединений могли возникнуть такие сложные и высоко специфические молекулы как, например, ДНК? Как природа "нашла" удобные молекулы для передачи наследственной информации?

При попытке ответить на этот вопрос возникло предложение "как-то приплести" квантовую механику -- ведь в ней можно осуществить "сверхэффективный квантовый перебор вариантов" и относительно быстро найти молекулы, удобные для передачи информации.

На самом деле, это лишь ничем не подкрепленное желание, не более того. Никаких конкретных механизмов возникновения в системе тенденции к возникновению химической реакции синтеза какой-то редчайшей молекулы никто не предложил. И более того, это пока и не требуется, поскольку спонтанное усложнение хим. состава происходит в определенных условиях само собой. Самоорганизация -- спонтанное возникновение относительно устойчивых структур, гораздо более сложных, чем можно было бы получить за то же время случайным конструированием -- хорошо известное в физике явление.

В дополнение к этому авторы отдельно обсуждают распространенное заблуждение, что якобы квантовый компьютер позволяет осуществить быстрый поиск в классической базе данных. Это неверно: быстрый поиск работает только в квантовой базе данных, т.е. база данных уже должна находится в когерентном состоянии. Если этого нет, то квантовый компьютер не дает никакого ускорения.

2. Туннелирование сквозь промежуточные формы

Другой вариант той же идеи: оптимизация естественного отбора при эволюции простейших форм жизни в более сложные.

Как известно, одно из первых возражений к дарвиновскому принципу естественного отбора состояло в том, что не наблюдаются промежуточные формы. Как природа умудряется пропустить их и сразу "слепить новое существо"?

Этот вопрос уже не является каким-то принципиальным препятствием для современного эволюционного учения, но есть и более экзотические предложения, основанные, в частности, на том же квантовом поиске.

Пропоненты "квантовой идеи" говорят, что этот процесс можно представить как квантовый поиск живучей мутации. Однако -- кроме очевидного возражения о квантовой когерентности -- возникает и такой вопрос: непонятно, что именно должна искать природа. Мутация закрепится, если она окажется более приспособлена к выживанию во внешних условиях. Но на выживаемость надо проверить хотя бы пару-тройку поколений -- только после этого можно сказать, удачная мутация или нет. Т.е. получается, нужно чтоб квантовая когерентность поддерживалась не только в течение жизни одной особи, но и сохранялась между потомками. Но поскольку они будут взаимодействовать с окружающим миром, то это кажется совершенно невероятным.

3. Квантовый мозг

Есть попытки описать деятельность мозга как работу некоторого "квантового компьютера". Предполагается, что нейроны играют роль кубитов, между которыми поддерживается квантовая когерентность. При всей своей будоражащей воображение привлекательности это предложение сразу наталкивается на возражение: декогеретность объектов размером с клетку в обычных условиях (ведь нейроны в мозг находятся вовсе не в вакууме при сверхнизких температурах!) составляет порядка 10^(-20) сек. За это время не только не успеет пройти никакой сигнал, но и даже электронные облака едва успеют шелохнутся в самых активных химических реакциях.

Контрвозражение, что есть-де есть механизм коррекции квантовых ошибок, позволяющий устранить разрушающее действие декогеренции, несостоятелен, потому что порог, при котором этот механизм начинает действовать очень высокий. Ориентировочно, требуется, чтобы в каждом единичном акте квантовых вычислений вероятность ошибка составляла не более, чем доли процента, только тогда их можно скорректировать. Но для этого требуется, чтобы время когерентности было существенно больше хотя бы единичного акта квантового вычисления, что конечно в мозге не выполняется.

4. Квантовое сознание

Наконец, есть предложение, восходящее к Пенроузу, о том, что внутри полых трубочек, формирующих цикоскелет нейрона, происходит вызванный гравитацией(!) коллапс волновой функции. Этот коллапс, предполагается, приводит к ощущение самоосознания у высших жизненных форм.

Авторы эту идею, по-настоящему, не критикуют, замечая только, что она опирается на чрезвычайно спекулятивную, никак не проверенную связь между квантовой механикой и гравитацией. Авторы уделяют этому моменту много места, считая, по-видимому, что среди биологов (или просто не-физиков, интересующихся описанными вопросами) нет четкого понимания статуса разных теорий в фундаментальной физике.

Я тут замечу лишь то, что и в обычной нейронауке есть механизмы (связанные с незатухающими нелокализованными возбуждениями с сети нейронов, специфические для мозга с большой поверхностью коры головного мозга), могущие объяснить самоосознание. Конечно, эти предположения требуется проверять экспериментально, но по крайней мере они основаны на "кондовой" физиологии, а не на идеях о квантовой гравитации.

В общем, многие скептические утверждения, приведенные в статье, мне кажутся очевидными, но раз есть группа энтузиастов, которые их не учитывают, то подробное перечисление действительно полезно.

[Комментарии на Элементах]

11 комментариев:

  1. А вот интересно, такое явление, как перемещение дислокаций или дефектов в кристаллах, является ли квантовым эффектом?

    ОтветитьУдалить
  2. Перемещение дислокаций при нагрузке происходит за счет последовательного перепрыгивания ионов в более энергетически выгодные узлы. Это перепрыгивание вполне себе классическое, температурно-активированное, а вовсе не за счет туннелирования. Вообще, общее правило на заметку -- при "обычных" температурах ионы обычно никогда не туннелируют.

    ОтветитьУдалить
  3. То есть, если построить кристалл из классических идеальных атомов, то все эти явления будут всё равно?

    Спасибо. Если можно, ещё вопрос.

    А фононы? Являются ли фононы квантовыми частицами, ведь у них есть спин? Будут ли существовать фононы в веществе из классических атомов-шариков?

    ОтветитьУдалить
  4. Да, движение дислокаций будет все равно.

    Про фононы Вы как-то не очень четко спрашиваете. Звуковые колебания будут и в полностью классическом случае. В квантовой теории эти колебания можно проквантовать. Но в чем для Вас принципиальная разница -- рассматривать эти колебания как классические или как квантовые? Или Вы имеете в виду какую-то конкретную задачу?

    ОтветитьУдалить
  5. Нет, это чистое любопытство, просто интересно.

    А в каком случае можно проквантовать что-нибудь классическое? Всегда, когда есть волны?

    Означает ли это, что все квантовые явления, включая принцип неопределённости, запутанность и т.п. можно найти и в классическом мире?

    ОтветитьУдалить
  6. Нет, квантовые вещи в классическом мире отсутствуют (только не спрашиваейте меня про 'тХоофта :) ). Насчет квантования, мне кажется, на эти вопросы уже непросто ответить достаточно точно, но в то же время понятно и за небольшое время. Краткий ответ: квантование какой-то системы это не "надстройка" над классической теорией этой системы, а новая теория, строящаяся для той же системы. Но тут надо дальше разъяснять "первичное" квантование, вторичное квантование и т.д. Мне кажется будет лучше и продуктивнее, если Вы просто поизучаете этот вопрос по какому-нибудь учебнику, правда я не знаю, что именно Вам посоветовать.

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный15/12/08 19:10

    Кстати, нигде не встречал серьёзной критики работ Бома (David Joseph Bohm) и Карла Прибрама (Karl H. Pribram) о голографической структуре мозга и вселенной в целом. Причем, читая работы о голограммных моделях теории струн, как-то нигде не видел никаких аналогий с работами упомянутых выше людей (первая половина 70-ых и вплоть до начала 90-ых). Хотя простому обывателю может показаться, что у них есть общие точки. Причем, в отличие от разных мракобесов, и Прибрама и Бом являются заслуженными специалистами в своих областях (нейрофизиология и квантовая физика). Возможно, эти темы сейчас не рассматриваются, т.к. они уже устарели, ведь Бом умер ещё в 1992 году, а Прибрам уже слишком стар (1917 г.р.) для полноценной научной деятельности (не встречал никаких его публикаций датированных позже 1998). В итоге, есть такое ощущение, что работы в области Голономной модели мозга не оставили никакого следа в научном мире. Хотя голографическая модель зрения (в рамках модели мозга), по-моему, не имеет каких-либо противоречий с остальными исследования в этой области.
    Если кому-то будет интересно, вот более или менее свежа работа с анализом Голономной модели мозга, которую я нашел :
    http://www.acsa.net/bcngroup/jponkp/

    Работы Бома есть в большом количестве и на русском языке, их найти не сложно.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный28/11/09 15:51

    Уважаемый Игорь, ваше удивление большому количеству попыток "притянуть за уши" квантовые явления для описания собственно ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ биологических систем вполне понятно - уже существуют другие,"менее спекулятивные", подходы. Интересно ваше мнение на тему ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ таких систем (например, живых клеток человека) с различного рода излучением (ионизирующим и неионизирующим). Каким образом подходить к физичекому описанию такого взаимодействия? Сейчас развивается новое направление, plasma medicine, и занимаются этим, в основном, физики работающие в области низкотемпературной плазмы. Речь идёт о применении плазмы для воздействия на процессы в живых клетках с целью, например, улучшения клеточного метаболизма и, как следствие, ожидается открытие новых терапевтических возможностей в медицине. Каким образом, вы считаете, стоит подходить к исследованию и физическому описанию механизмов такого взаимодействия?

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный1/8/14 16:40

    "Этот аргумент, кстат"
    Поправить на "Этот аргумент, кстати"

    ОтветитьУдалить
  10. ставлю на то, что Ваше неверие, Игорь, в существование прямой и непосредственной связи между квантовой механикой (в более общем виде, теорией квантовой информации) и феноменом жизни будет посрамлено.. и довольно скоро!)) Вы сами сможете в этом убедиться.
    но все равно спасибо за внимательное и качественное оппонирование идеям -- это только способствует их дальнейшему развитию.

    ОтветитьУдалить