Маленькие трудолюбивые птички, европейские малиновки, каждый год совершают перелет из Скандинавии к теплым равнинам Экваториальной Африки, а весной возвращаются обратно. И совершают они это путешествие в 13 тыс. км совершенно естественно и просто.
Людей издавна интересовала загадка, обладают ли птицы и другие животные встроенным компасом. Вольфганг и Роевита Вильчко (Wolfgang Willschko. RoswiLha Wiltschko), супружеская пара из Франкфуртского университета в Германии, поймали несколько малиновок на их пути в Африку и поместили их во внешнее магнитное поле. К их удивлению, при изменении направления поля малиновки не могли отличить направления на север и на юг.
Птицы, однако, реагировали на магнитное наклонение, т.е, на угол, образуемый силовыми линиями поля с плоскостью горизонта. Следовательно, именно этот параметр обеспечивал ориентацию птиц в полете. Интересно, что пернатые, которых лишали возможности видеть, совершенно не реагировали на магнитное поле, т.е. птицы каким-то образом ощущали его глазами.
В 2000 г. Торетен Ритц (ThorsLen Ritz) с коллегами из Университета Южной Флориды, увлеченные изучением перелетных птиц, предположили, что ключ к разгадке - перепутывание. По их гипотезе, основанной на работах Клауса Шультена (Klaus Schulten) из Университета штата Иллинойс, в глазах птицы имеются определенные молекулы, два электрона которых образуют перепутанную пару, полный спин которой равен нулю.
Подобная ситуация не может быть представлена в рамках классической физики. Когда такая молекула поглощает видимый свет, его энергия передается электронам, они разделяются и становятся чувствительными к внешним воздействиям, включая магнитное поле. Наклонное магнитное поле по-разному воздействует на электроны пары, что создает дисбаланс, изменяющий химические реакции, в которые вступает молекула. Химические процессы в глазу преобразуют эти различия в нервные импульсы, создающие в мозгу птицы изображение магнитного поля.
Доказательства, предложенные Ритцем, конечно, нельзя считать прямыми, однако эксперименты, проведенные Кристофером Роджерсом (Crislofer T. Rogers) и Киминори Маэдой (Kiminori Maeda) из Оксфордского университета в условиях лаборатории (т.е. не на живом организме), показали, что эти молекулы действительно чувствительны к магнитному полю вследствие перепутывания электронных состояний.
Согласно вычислениям, проделанным мною с коллегами, квантовые эффекты сохраняются в глазу птицы в течение 100 микросекунд, что в данном контексте - довольно большой промежуток времени. Рекорд для искусственно сконструированной электрон-спиновой системы - примерно 50 микросекунд, Мы еще не знаем, как квантовые аффекты могут сохраняться столь долго в природных системах, но ответ на этот вопрос поможет нам выработать идеи, как защитить квантовые компьютеры от декогерентности.
Другой биологический процесс, в котором работает перепутывание, - фотосинтез, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Свет высвобождает внутри клетки электроны, стремящиеся найти путь в одно и то же место - центр химической реакции, где они отдают свою энергию и запускают реакции, снабжающие энергией клетки растения. Классическая физика не в состоянии объяснить, как они делают это с почти стопроцентной эффективностью.
Эксперименты, проведенные несколькими группами, например Грэма Флеминга (Graham Т. Fleming) и МоханаСаровара (Mohan Sarovar) с сотрудниками из Калифорнийского университета в Беркли, а также Грегори Скоулса (Gregory D. Scholes) из Университета Торонто, показали, что высокая эффективность процесса фотосинтеза определяется квантово-механическими эффектами. В квантовом мире частица не обязана в данный момент времени двигаться по единственной траектории, она может двигаться одновременно по всем возможным путям.
Электромагнитные поля, существующие внутри клетки растения, могут привести к тому, что некоторые из траекторий гасят друг друга, а другие взаимно усиливаются, тем самым уменьшается вероятность того, что электрон выберет бесполезную траекторию, и возрастает шанс его попадания непосредственно в реакционный центр.
В таком случае перепутывание сохраняется всего в течение малой доли секунды и охватывает молекулы, состоящие не более чем из 100 тыс. атомов. Существуют ли в природе примеры, когда перепутывание действует в объектах больших размеров и сохраняется более долго? Пока мы этого не знаем, но поиски ответа стимулируют развитие нового направления - квантовой биологии.
Автор статьи - Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), профессор Оксфордского университета
Полный вариант статьи размещен на сайте
