Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии Аль-Халили Джим

Фред Уркухарт родился в 1912 году в Канаде, в городе Торонто. Там он учился в школе, расположенной вблизи рогозовых болот. Он проводил бессчетные часы, наблюдая за насекомыми, особенно за бабочками, населявшими камышовые заросли. Он очень любил раннее лето, когда на болота слетались тысячи монархов, знаменитых североамериканских бабочек с узнаваемой черно-оранжевой раскраской. Монархи остаются здесь на все лето, питаясь местным молочаем, а осенью улетают снова. Фреда всегда интересовал ответ на вопрос: куда же улетают эти бабочки?

Согласно святому Павлу, взрослые со временем отбрасывают все детское. Но только не Фред, который, даже повзрослев, по-прежнему интересовался тем, где зимуют монархи. Изучив зоологию в Университете Торонто и впоследствии став профессором в этой области, он вернулся к своему детскому вопросу. К тому времени он женился на Норе Паттерсон, также зоологе и любительнице бабочек.

Используя классические методы маркировки животных, Фред и Нора попытались раскрыть тайну исчезновения монархов. Задача была не из легких. В то время как метки, прикрепленные к лапкам малиновок или к плавникам китов, держатся крепко, приклеивание метки к хрупким перепончатым крыльям бабочек представляет собой настоящий вызов терпению ученого. Семейная команда экспериментировала с наклейками и липкими метками на крыльях насекомых, но метки отклеивались и падали, а меченые бабочки не могли нормально летать. Это продолжалось вплоть до 1940 года, когда решение было найдено: крошечные клейкие метки, похожие на те, что мы с таким трудом соскребаем с новой стеклянной посуды. Вооружившись специальным устройством, исследователи начали помечать и выпускать сотни бабочек-монархов, каждая из которых теперь имела при себе идентификационный номер и инструкцию, согласной которой нашедшему метку надлежало сообщить об этом «на кафедру зоологии Университета Торонто».

Но на миллионы особей американских монархов приходилось всего два Уркухарта, которые исследовали бабочек таким образом. Пара начала набор волонтеров. К 1950 году они создали сеть из тысяч энтузиастов, которые, в свою очередь, помечали, выпускали, ловили и «переписывали» сотни тысяч бабочек. По мере того как Фред и Нора обновляли карту, на которой отмечались места отлова и освобождения бабочек, постепенно стала вырисовываться следующая картина. Бабочек, выпущенных в Торонто, как правило, находили в южном направлении, на пути, который по диагонали пересекал Соединенные Штаты с северо-востока на юго-запад, проходя через Техас. Однако, несмотря на многочисленные экспедиции, Уркухарты не могли установить конечный пункт зимовья перелетных бабочек, который предположительно находился на юге США.

В конце концов Уркухарты обратили свои взоры южнее, и в 1972 году отчаявшаяся Нора написала о своем проекте в мексиканских газетах. Она обратилась с просьбой к добровольцам сообщать о любых наблюдениях и помочь с маркировкой бабочек. В феврале 1973 года Уркухарты получили письмо от Кеннета C. Брюггера из Мехико, который предлагал свою помощь. Каждый вечер Кен садился за руль своего автофургона и вместе с верной собакой Колой выезжал за город в поисках бабочек. Более чем через год, в апреле 1974 года, он сообщил, что наблюдал множество монархов в горах Сьерра-Мадре в Центральной Мексике. Позже, в конце того же года, Кен сообщил, что видел много бабочек с изорванными крыльями, а также мертвых особей вдоль дорог в горах Сьерра. Нора и Фред с уверенностью ответили, что большие скопления мигрирующих монархов стали жертвами голодных птичьих стай.

Вечером 9 января 1975 года взволнованный Кен позвонил Уркухартам с известием, что он «нашел колонию!.. Миллионы монархов — в вечнозеленых зарослях близ гор». Кен сообщил исследователям, что отправился туда по наводке мексиканских лесорубов, которые утверждали, будто бы видели стаи рыжих бабочек, когда пересекали горы с нагруженными ослами. Тогда в январе 1976 года при поддержке Национального географического общества Нора и Фред собрали экспедицию, чтобы найти и задокументировать таинственное место зимовки монархов, прибывающих в Мексику. На следующий день они отправились в деревню, чтобы совершить оттуда восхождение на «Гору бабочек», на высоту около трех тысяч метров. Такой трудный подъем на большую высоту не был привычным делом для уже немолодой пары (Фреду было 64), и они не были уверены, смогут ли они вообще добраться до вершины. Тем не менее с сердцами, выпрыгивавшими из груди, и с воспоминаниями о ярких бабочках, порхавших в солнечном свете Торонто, они достигли вершины — плато с редкими зарослями можжевельника и остролиста. И там не было никаких бабочек. Разочарованные и изнуренные, они спустились на поляну, заросшую хвойными деревьями, характерными для гор Центральной Мексики, — и именно здесь Фред и Нора наконец-то нашли то, что они искали полжизни: «Мириады бабочек — повсюду. В какой-то умиротворяющей полудреме они облепили ветви деревьев, подобно гирляндам, они окутали стволы деревьев и буквально укрыли землю живым ковром». Пока они стояли затаив дыхание, в восхищении от этого невероятного зрелища, ветка одного из деревьев обломалась, и среди упавших на него бабочек Фред заметил знакомую белую метку с его инструкцией: «на кафедру зоологии Университета Торонто». Эта конкретная бабочка была помечена добровольцем по имени Джим Гилберт из городка Часка, штат Миннесота, расположенного более чем в трех тысячах километров от места, где они находились[83]!

В наши дни путешествия бабочек-монархов считаются ярчайшим примером великих миграций животных. Каждый год в период с сентября по ноябрь миллионы монархов из юго-восточной Канады отправляются на юго-запад и совершают путешествие длиною несколько тысяч километров. Их путь лежит через пустыни, прерии, поля и горы, через географическое «игольное ушко» прохладных речных долин шириной 80 километров между Игл-Пасс и Дель-Рио в Техасе — к вершинам дюжины высоких гор в Центральной Мексике, где они в конце концов находят приют. А весной, после зимовки на прохладных вершинах мексиканских гор, монархи отправляются в обратный путь, к местам, где летом их ожидает огромное количество корма. Самое примечательное, что ни одна отдельно взятая бабочка не проделывает весь этот путь. Они размножаются по пути, так что бабочки, которые возвращаются в Торонто, — это внуки тех монархов, что покинули Канаду осенью.

Как этим насекомым удается перемещаться с такой точностью, что они могут достичь крошечной цели за тысячи километров от места рождения — цели, где ранее бывали только их предки? Это еще одна из тех огромных загадок природы, которые начинают проясняться только сейчас. Как и все мигрирующие животные, бабочки используют различные чувства, включая зрение и обоняние, а также солнечный компас, который помогает корректировать движение по Солнцу в течение дня, по так называемым циркадным часам, биохимическому процессу, присущему всем животным и растениям, который позволяет отслеживать смену дня и ночи в течение суток. Такие часы мы часто называем биологическими или внутренними.

Циркадные часы знакомы нам, например, по собственной усталости, накапливающейся к вечеру, бодрости, которую мы ощущаем утром, а также по тому, как тяжело порой переносим смену часовых поясов при длительном перелете. В последние несколько десятилетий была сделана целая череда увлекательных открытий, проливающих свет на механизм работы этих часов. Одним из наиболее удивительных является тот факт, что испытуемые, которые находятся в изоляции в условиях постоянного освещения, все равно способны поддерживать примерно 24-часовой цикл активности и отдыха, несмотря на отсутствие внешних ориентиров. Кажется, что наши «внутренние» — циркадные — часы жестко запрограммированы. Эти «встроенные» часы, задающие темп всему организму (наше «циркадное чутье»), находятся в головном мозге, а точнее, в гипоталамусе. Несмотря на то что люди в условиях постоянного освещения по-прежнему придерживаются примерно 24-часового цикла, их циркадные часы постепенно сдвигаются относительно реального времени суток, так что их периоды бодрствования и сна не будут синхронны с периодами бодрствования и сна у тех людей, которые не участвуют в эксперименте. Тем не менее при возвращении в условия естественного освещения циркадные часы испытуемых довольно быстро перенастраиваются на фактический цикл дня и ночи в процессе, который получил название «подгонка к суточному ритму».

Солнечный компас бабочек-монархов работает по принципу сравнения высоты Солнца с временем суток — отношения, которое изменяется как с широтой, так и с долготой. Должно быть, у них тоже есть свои биологические часы, которые, как и наши, автоматически подстраиваются под освещенность, чтобы компенсировать изменение во времени восхода и захода Солнца в течение долгой миграции. Но где же у монархов располагаются эти биологические часы?

Как выяснили Уркухарты, бабочки не самые простые животные для исследования; плодовые мушки, о которых мы говорили в предыдущей главе и которые способны учуять и проложить путь сквозь лабиринт, являются гораздо более удобными лабораторными насекомыми, так как они очень быстро размножаются и легко мутируют. Как и мы, плодовые мушки корректируют свои биологические ритмы по циклам смены дня и ночи. В 1998 году генетики обнаружили дрозофил-мутантов, у которых циркадный ритм не зависит от воздействия света[84]. Они выяснили, что мутация произошла в гене, кодирующем белок глаз под названием «криптохром». Подобно белковым каркасам фотосинтезирующих комплексов, которые обеспечивают целостность молекулы хлорофилла (как мы узнали из главы 4), криптохромные белки оборачиваются вокруг молекулы пигмента под названием ФАД (флавинадениндинуклеотид), который поглощает синий свет. Так же как в процессе фотосинтеза, поглощенный свет выбивает электрон из пигмента, что приводит к генерации сигнала, который поступает в мозг мушки, чтобы синхронизировать ее внутренние часы с каждодневной сменой дня и ночи. Мушки-мутанты, обнаруженные в 1998 году, утратили этот белок, так что их биологические часы уже не приспосабливаются к циклической смене дня и ночи: они утратили внутреннее ощущение времени.

Похожие криптохромные пигменты были позже найдены в глазах многих других животных, включая человека, и даже у растений и у фотосинтезирующих микробов, которым они помогают предсказывать время суток, лучше всего подходящее для фотосинтеза. Они могут представлять собой очень древний светочувствительный «датчик», который развился у микробов миллиарды лет назад, чтобы синхронизировать жизнедеятельность клетки с суточными ритмами.

Криптохром также обнаружили и в антеннах бабочек-монархов. Это изначально ставило ученых в тупик: что зрительному пигменту делать в антеннах? Но усики насекомых являются удивительными органами, которые отвечают сразу за несколько чувств, в том числе за обоняние и слух, определение давления воздуха и даже силы тяжести. Могут ли они также отвечать за внутренние часы насекомого? Чтобы проверить эту гипотезу, ученые окрасили усики некоторых бабочек в черный цвет, тем самым предотвращая прием световых сигналов. Они обнаружили, что бабочки с зачерненными антеннами уже не могли подстраивать свой солнечный компас к смене дня и ночи: они утратили циркадное чувство. Ученые предположили, что именно в антеннах бабочки и размещаются биологические часы. Примечательно, что часы в антеннах бабочки могут улавливать свет даже при отделении от насекомого.

Действительно ли криптохром отвечает за подстройку биологических часов монарха? К сожалению, гены бабочек мутируют вовсе не так легко, как гены дрозофил, так что в 2008 году Стивен Репперт и его коллеги из Университета штата Массачусетс осуществили следующий замечательный эксперимент. Команда заменила поврежденный криптохромный ген у дрозофил-мутантов на здоровый ген бабочек-монархов и доказала, что способность синхронизировать внутренние часы со сменой дня и ночи у этих мушек была восстановлена[85]. Если криптохрому здоровых бабочек удалось вернуть плодовым мушкам чувство времени, то весьма вероятно, что он помогает как следует работать и таким важным биологическим часам монархов, которые позволяют долететь от Торонто до Мексики, ни разу не сбившись с пути.

Но какое отношение это все имеет к квантовой механике? Ответ относится к другому аспекту миграции животных, который мы называем «магниторецепция» — способность обнаруживать магнитное поле Земли. Как мы узнали из главы 1, многие существа, в том числе плодовые мушки и бабочки, обладают такой способностью, как магниторецепция. Обладают ею и малиновки, которые стали олицетворением квантовой биологии. К 2008 году стало ясно, что магнитное чувство малиновок как-то связано со светом (подробнее об этом позже), но природа светочувствительных рецепторов была неуловима. Стивен Репперт задался вопросом, может ли криптохром, который отвечает за светочувствительность мух и помогает им настраивать их внутренние часы, также отвечать и за магниторецепцию. Чтобы проверить свою теорию, он провел эксперимент вроде того, что был предпринят Габриэле Герлах, чтобы продемонстрировать обонятельную навигацию у рыб-клоунов (см. главу 5), в котором тестируемое животное вынуждено использовать сенсорные сигналы, чтобы выбрать один из двух путей к пище.

Исследователи обнаружили, что мух можно обучить связывать сладкое вознаграждение с наличием магнитного поля. Когда им предоставлялась возможность выбора лететь в намагниченный или ненамагниченный рукав лабиринта (без пищи, то есть без обонятельных сигналов), они выбирали намагниченный путь. Должно быть, мухи чувствуют магнитное поле. Так принимает ли в этом участие криптохром? Исследователи обнаружили, что дрозофилы-мутанты, у которых криптохрома не хватает, одинаково часто летели в оба рукава, демонстрируя, что криптохром имеет важное значение для их магнитной чувствительности.

В своей работе 2010 года группа Репперта также показала, что мухи сохраняют свою магнитную чувствительность и тогда, когда их криптохромные гены заменяют генами, кодирующими криптохром у бабочек-монархов[86]. Это доказывает, что бабочка-монарх может также использовать криптохром для обнаружения магнитного поля Земли. Работа той же группы ученых в 2014 году показала, что, как и европейская малиновка, с которой мы познакомились в главе 1, бабочка-монарх обладает светочувствительным компасом, который она использует, чтобы найти свой путь от Великих озер до мексиканских гор; и, как и предполагалось, он должен находиться в антеннах[87].

Но каким образом световой пигмент также может обнаруживать невидимое магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к нашей знакомой европейской малиновке.

Птичий компас

Как мы уже отмечали в главе 1, наша планета представляет собой гигантский магнит с магнитным полем, влияние которого распространяется от внутреннего ядра в космос на тысячи километров. Этот намагниченный «пузырь», «магнитосфера», защищает все живое на Земле, потому что без него солнечный ветер — поток высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем, — давно бы уничтожил нашу атмосферу. И в отличие от магнетизма обычного стержневого магнита, поле Земли меняется с течением времени, потому что его источником является расплавленное железное ядро Земли. Точно описать происхождение этого магнетизма довольно сложно, но обычно его объясняют через эффект «динамо-машины», который заключается в том, что электрические токи, порожденные циркуляцией жидких металлов в земной коре, в свою очередь, генерируют магнитное поле.

Так, жизнь на Земле обязана своим существованием этому защитному магнитному экрану. Но его польза для живых существ этим не ограничивается; ученые уже более века знают, что многие виды развили оригинальные способы ее использования. Так же как моряки используют магнитное поле Земли в течение тысяч лет, чтобы перейти океаны, многие другие обитатели Земли, в том числе морские и наземные млекопитающие, птицы (подобные нашей малиновке) и насекомые, в течение миллионов лет развили чувство, которое обнаруживает магнитное поле Земли, чтобы использовать его для навигации.

Самые ранние свидетельства о такой способности были представлены российским зоологом Александром фон Миддендорфом (1815–1894), который записывал места и даты прибытия нескольких видов перелетных птиц. На основании этих данных он нанес на карту ряд кривых, которые он назвал «изопиптезы» (линии одновременного прилета). По этой карте, отражавшей направления прилета птиц, он обнаружил тенденцию «сближения линий к северу», в направлении Северного магнитного полюса. Когда он опубликовал свои выводы в 1850 году, он предположил, что перелетные птицы ориентируются по магнитному полю Земли, используя его как «воздушные мореплаватели», которые могут перемещаться «несмотря на ветер, погоду, ночь и облачность»[88].

Большинство других биологов XIX века относились к этим выводом скептически. Парадоксально, что даже те ученые, которые были готовы принять более диковинные псевдонаучные явления вроде паранормальной активности — а многие видные ученые конца XIX века действительно их признавали, — не могли поверить, что магнитное поле влияет на жизнь. К примеру, Джозеф Ястров, американский психолог и исследователь психологии, в июле 1886 года опубликовал письмо в журнале Science, озаглавленное «Существование магнитной чувствительности». Он описал эксперименты, которые провел с целью проверки, могут ли люди так или иначе чувствовать магнитное поле, но сообщил, что вообще не обнаружил какой-либо чувствительности.

Тем не менее если вы оставите Ястрова с его мыслями позади и пойдете дальше, то в XX веке вы сможете найти работу Генри Йигли, американского физика, проводившего исследования для войск связи армии США во время Второй мировой войны. Навигация птиц представляла интерес для военных, так как почтовых голубей по-прежнему использовали для передачи сообщений и авиационные инженеры надеялись узнать об их навигационных способностях. Тем не менее, как именно птицам удавалось находить свой путь домой столь безошибочно, так и оставалось загадкой. Йигли разработал теорию о том, что почтовые голуби чувствуют как вращение Земли, так и ее магнитное поле. Это, по его словам, позволяет создавать «навигационную сеть» в птичьем мозге, давая ему координаты широты и долготы. Он даже проверил свою теорию, присоединив небольшие магниты к крыльям десяти голубей и немагнитных медных полосок того же веса — к крыльям десяти других. Восемь из десяти птиц с медными полосками, прикрепленными к крыльям, нашли свой путь домой, но только одному из десяти голубей с магнитами удалось вернуться в гнездо. Йигли пришел к выводу, что птицы используют для ориентирования магнитную навигационную чувствительность, которая могла быть нарушена прикрепленными магнитами[89].

Хотя результаты эксперимента Йигли были первоначально отклонены как надуманные, некоторые исследователи также не ставили под сомнение тот факт, что многие животные обладают чувствительностью к магнитному полю Земли и это позволяет им остро чувствовать направление. Морские черепахи, например, могут вернуться к пляжу, на котором родились, через тысячи километров от места кормежки в океане без каких-либо визуальных ориентиров; и исследователи показали, что навигационное чувство снижается, если к их головам прикрепить мощные магниты. В 1997 году команда из Университета Окленда в Новой Зеландии опубликовала исследование в журнале Nature с предположением, что радужная форель использует клетки магнитных рецепторов, расположенных в носу[90]. Если это подтвердится, это будет первый пример вида, который способен «унюхать» направление магнитного поля Земли! Микробы используют магнитное поле Земли, чтобы ориентироваться в мутной воде; и даже организмы, которые не мигрируют, такие как растения, по всей видимости, сохранили чувство магниторецепции.

Способность животных к обнаружению магнитного поля Земли больше не вызывает сомнений. По-прежнему тайной остается лишь то, как они это делают, не в последнюю очередь потому, что магнитное поле Земли является чрезвычайно слабым и вряд ли может влиять на какие-либо химические реакции в организме. Есть две основные теории, и обе, вероятно, будут верны для разных видов животных. Первая состоит в том, что магнитная чувствительность функционирует по принципу обычного магнитного компаса, а вторая — в том, что магниторецепция сродни «химическому компасу».

Первая теория — о том, что в той или иной форме обычный механизм компаса находится где-то в теле животного, была подкреплена открытием крошечных кристаллов магнетита, природного минерала оксида железа, у многих животных и микроорганизмов, что, вероятно, и обеспечивает их магнитную чувствительность. Например, бактерии, которые используют магнитную чувствительность для того, чтобы ориентироваться в мутных морских отложениях, часто содержат продолговатые кристаллы магнетита.

К концу 1970 года магнетит был обнаружен в телах различных видов животных, способных к навигации по магнитному полю Земли. Примечательно, что магнетит был найден внутри нейронов в верхней части клюва самых известных птичьих навигаторов — почтовых голубей[91]. Предположительно нейроны реагируют на магнитные сигналы, улавливаемые кристаллами магнетита, а затем посылают сигнал в мозг животного. Более поздние исследования показали, что голуби были дезориентированы и утрачивали способность отслеживать геомагнитное поле, когда маленькие магниты были прикреплены к верхним частям их клювов, где эти богатые магнетитом нейроны, по-видимому, и расположены. Казалось, что источник животной магниторецепции наконец-то удалось локализовать[92].

Тем не менее пришлось снова вернуться к исходной точке в 2012 году, когда еще одна работа была опубликована в Nature. Она описывала подробное 3D-изучение клюва голубя с использованием метода МРТ. Исследование показало, что магнетит в клетках клюва голубя почти наверняка не имеет ничего общего с магниторецепцией. На самом деле богатые железом клетки, называемые макрофагами, участвуют в выработке иммунитета к патогенам, но, насколько известно, не влияют на чувствительность к магнитному полю[93].

И вот как раз сейчас наступает самый подходящий момент для того, чтобы вернуться к выдающемуся немецкому орнитологу Вольфгангу Вильчко, с которым мы познакомились в главе 1. Интерес Вильчко к птичьей навигации разгорелся в 1958 году, когда он присоединился к исследовательской группе во Франкфурте под руководством орнитолога Фрица Меркеля. Меркель был одним из немногих ученых, которые в то время изучали магнитную чувствительность животных. Один из его учеников, Ганс Фромм, уже показал, что некоторые птицы могут ориентироваться внутри пустых закрытых помещений. Это доказывало, что их навигационные способности не были основаны на визуальных ориентирах. Фромм предположил два возможных механизма: либо птицы получали какие-то радиосигналы от звезд, либо же они могли чувствовать магнитное поле Земли. Вольфганг Вильчко склонялся ко второй версии.

Осенью 1963 года Вильчко начал проводить эксперименты с европейскими малиновками, которые, как вы помните, обычно мигрируют между Северной Европой и Северной Африкой. Он поместил малиновок, пойманных в середине миграции, внутрь специальных камер, защищенных от магнитного излучения. Затем он подвергал птиц воздействию слабого искусственного статического магнитного поля, генерируемого устройством под названием «катушка Гельмгольца», которое может имитировать геомагнитное поле, но силу и направление которого можно изменять. Он обнаружил, что птицы, отловленные во время миграции, осенью или весной становились беспокойными и группировались с той стороны камеры, которая совпадала с направлением искусственного поля. После двух лет кропотливых усилий, в 1965 году, он опубликовал результаты, демонстрирующие, что птицы чувствительны к направлению наведенного поля и, соответственно, как он полагал, могут аналогично обнаруживать и магнитное поле Земли.

Эти эксперименты придали больший авторитет идее птичьей магниторецепции и дали толчок дальнейшим исследованиям. Но в то же время никто не имел ни малейшего представления, как это чувство работает: как чрезвычайно слабое магнитное поле Земли действительно может влиять на органы животных? Ученые не могли даже договориться о том, где в теле животных расположен чувствительный орган, отвечающий за магниторецепцию. Даже после того, как кристаллы магнетита были найдены у некоторых видов животных, подтверждая идею работы механизма обычного магнитного компаса, навигационная способность малиновки оставалась загадкой, потому что в ее теле магнетит обнаружен не был. Чувствительность малиновки также имеет некоторые необъяснимые особенности, которые не согласуются с принципом работы магнитного компаса; например, удивительно то, что птицы теряли способность, когда им завязывали глаза, указывая на то, что они должны «видеть» магнитное поле Земли. Но как животные могут видеть магнитное поле?

В 1972 году Вильчко (Вольфганг к тому времени стал работать в команде со своей женой Розвитой) обнаружили, что компас малиновки отличается от всех ранее изученных. Обычный компас имеет намагниченную иглу, один конец которой (ее южный полюс) притягивается к Северному магнитному полюсу Земли, а обратный конец — к Южному. Но есть и другой вид компаса, который не делает различий между магнитными полюсами. Такой компас, как вы помните из главы 1, называется инклинометром, он указывает на то, какой полюс находится ближе, и показывает, удаляетесь вы от полюса или приближаетесь к нему, но не указывает, к какому именно. Одним из способов получения такого рода информации является измерение угла между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Линии магнитного поля Земли и угол магнитного наклонения

Этот угол магнитного наклонения (inclination angle — отсюда и название для такого рода компаса) является почти вертикальным (указывает на землю) близко к полюсам и параллельно земле на экваторе. Между экватором и полюсами магнитные силовые линии проходят под острым углом к поверхности, достигая 90° на ближайшем полюсе. Таким образом, любое устройство, которое измеряет этот угол, может выступать в качестве инклинометра и обеспечивать информацию о направлениях.

В своих экспериментах в 1972 году Вильчко поместили птиц в защищенную от геомагнитного поля камеру и подвергли их воздействию искусственного магнитного поля. Что отличает этот эксперимент от предыдущих, так это то, что они поменяли полярность, повернув магнит на 180°, но это не оказало никакого влияния на поведение птиц: они ориентируются по отношению к ближайшему магнитному полюсу, каким бы он ни оказался, поэтому их чувствительность нельзя объяснять принципом обычного магнитного компаса. Исследование 1972 года показало, что магниторецепция малиновки работает по принципу инклинометра. Но как именно она работает, так и осталось загадкой.

Затем в 1974 году Вольфганг и Розвита были приглашены в Корнелльский университет в США американским экспертом по миграции птиц Стивом Эмленом. В 1960 году он разработал вместе со своим отцом Джоном, также весьма уважаемым орнитологом, специальную камеру для птиц, которая известна как воронка Эмлена[94]. Воронка имеет форму перевернутого конуса со штемпельной подушечкой на дне и промокательной бумагой на внутренних наклоненных сторонах (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Воронка Эмлена

Когда птица подпрыгивает или пытается взобраться по наклонной стенке, она оставляет видимые следы, которые дают информацию о предпочтительном направлении, в котором бы она полетела, если бы смогла выбраться. Среди видов птиц, которых изучали Вильчко в Корнельском университете, был индиговый овсянковый кардинал, небольшая североамериканская певчая птица, которая, как и европейская малиновка, мигрирует с помощью внутреннего компаса. Результаты годичного изучения поведения этой птички внутри воронки Эмлена были опубликованы в 1976 году[95]. Было установлено, что индиговый овсянковый кардинал, несомненно, как и малиновка, может обнаруживать геомагнитное поле. Вольфганг Вильчко считает, что эта первая публикация о корнельских исследованиях стала настоящим прорывом для его команды, потому что она развеяла все сомнения в том, что мигрирующие птицы имеют встроенный магнитный компас, и привлекла внимание многих ведущих орнитологов мира.

Конечно, никто в середине 1970-х годов не имел понятия, как именно работает биологический магнитный компас. Однако, как мы видели в главе 1, в том же году, в котором Вильчко и Стивен Эмлен опубликовали свою работу, немецкий химик Клаус Шультен предложил объяснение химического механизма, который связывает свет с магниторецепцией. Окончив Гарвард, Шультен с докторской степенью в области химической физики вернулся в Европу, где получил должность в Институте биофизической химии Макса Планка в Геттингене. Там он заинтересовался возможностью электронов, генерируемых в быстрой триплетной реакции под воздействием света, становиться квантово-запутанными. Его расчеты показали, что если запутанность действительно участвует в химических реакциях, то на скорость этих реакций должно влиять внешнее магнитное поле, и предложил способ доказательства своей теории.

Поскольку Шультен свободно говорил о своей новой идее, он заработал в Институте Макса Планка репутацию сумасшедшего. Его проблема заключалась в том, что он был физиком-теоретиком, который работал с бумагой, ручкой и компьютером, а не химиком. Не будучи практикующим химиком, он просто не мог надеть лабораторный халат и собственноручно провести эксперимент, который доказал бы его идеи. Таким образом, он был в положении, знакомом многим теоретикам, которым в голову пришла отличная идея. Им нужно найти дружески настроенного экспериментатора, готового взять тайм-аут в своем напряженном графике работы в лаборатории, чтобы проверить теорию, которая, как правило, оказывается неверной. Шультену не везло, он никак не мог убедить кого-либо из коллег-химиков опробовать свою идею, потому что никто из них не считал, что его эксперимент имеет хоть какие-то шансы на успех.

Источником этого коллективного скептицизма, как потом выяснил Шультен, был руководитель лаборатории Института Губерт Старк. В конце концов Шультен набрался смелости поговорить со Старком с глазу на глаз и найти наконец корни этого укоренившегося скептицизма: оказалось, Старк уже проводил подобный эксперимент и не обнаружил никакого влияния магнитного поля. Шультен был поражен. Казалось, что его гипотезу могла постигнуть участь, описанная эволюционным биологом Томасом Гексли: «Уродливый факт способен погубить прекрасную гипотезу».

Поблагодарив Старка за проведение эксперимента, удрученный Шультен собирался было покинуть свой пост, но потом вернулся и попросил разрешения посмотреть на разочаровывающие данные. Когда Старк показал ему материалы, настроение Шультена внезапно поднялось. Он заметил что-то, что пропустил Старк: небольшое, но значимое отклонение в данных, которое он и предсказывал. Он сказал, что это было «именно то, чего я ожидал, и поэтому я был очень рад, что я увидел это. Катастрофа превратилась в счастливый момент, потому что я знал, что искать. А Старк не знал»[96].

Шультен немедленно засел за работу, которая обещала стать настоящим научным прорывом. Но вскоре он получил еще один шок. За чашечкой кофе с коллегой Марией-Элизабет Мишель-Байерле на конференции в Техническом университете Мюнхена он выяснил, что Мишель-Байерле провела точно такой же эксперимент. Это поставило Шультена в этически затруднительное положение. Он мог рассекретить свое открытие и потенциально подсказать Мишель-Байерле срочно вернуться в Мюнхен, чтобы написать свою собственную работу, которая сделает его публикацию бессмысленной; или он мог бы извиниться и быстро поехать обратно в Геттинген, чтобы записать свои собственные результаты. Но если бы он сбежал, не говоря ни слова, а затем опубликовал работу первым, Мишель-Байерле могла бы впоследствии обвинить его в том, что он украл ее идею. Он вспоминает свои мысли: «Если я сейчас не скажу, что я проводил аналогичные исследования, то она может сказать, что я пошел домой, чтобы сделать эксперимент»[97]. В конце концов Шультен признался Мишель-Байерле, что он проделал аналогичную работу. Оба ученых остались до окончания конференции, а затем вернулись каждый к себе домой, чтобы написать свои собственные работы (работа Шультена появилась чуть раньше), описывающие открытия влияния квантовой запутанности на химические реакции.

В работе Шультена[98] 1976 года содержалось предположение о том, что квантовая запутанность влияет на скорость необычных быстрых триплетных реакций, сделанное на основании исследований в лаборатории Макса Планка; но его новаторская работа также содержала экспериментальные данные Старка, которые ясно показали, что химическая реакция была чувствительна к воздействию магнитных полей. С двумя большими результатами «2 в 1» многие ученые были бы удовлетворены, но Шультен, еще не достигший 30, обладал безрассудством молодости и был готов лезть на рожон и дальше. Изучив работы Вильчко по миграциям малиновки, где была поставлена задача нахождения правдоподобного химического механизма биологического компаса, он понял, что его вращающиеся электроны могли бы обеспечить такой механизм; и в статье 1978 года он предположил, что птичий компас зависит от механизма взаимодействия пар квантово-запутанных частиц.

В то время вряд ли кто-то воспринял эту идею всерьез. Коллеги Шультена из Института Макса Планка считали ее просто еще одной из его сумасшедших теорий, и редакторы Science, ведущего научного журнала, куда он отправил статью в первую очередь, были столь же мало впечатлены, написав: «Менее смелый ученый отправил бы это в мусорную корзину»[99]. Шультен описывает свою реакцию: «Я почесал голову и подумал: это либо отличная идея, либо полная чушь! Я решил, что это отличная идея, и быстро опубликовал ее в одном немецком журнале!»[100]. Но на данном этапе большинство ученых из тех, которые вообще об этом узнали, поместили теорию Шультена в один ряд с псевдонаучными и паранормальными объяснениями магниторецепции.

Прежде чем мы сможем увидеть, как работы Шультена и Вильчко помогают объяснить нахождение птицами своего пути вокруг земного шара, необходимо вернуться к загадочному квантовому миру и внимательно рассмотреть явление запутанности, которое мы вкратце описывали в главе 1 этой книги. Возможно, вы помните, что запутанность настолько удивительна, что даже Эйнштейн настаивал, будто бы она не может быть правильной. Но сначала мы должны познакомить вас с еще одной неотъемлемой составляющей квантового мира — спином.

Квантовый спин и таинственные действия

Многие научно-популярные книги по квантовой механике использует понятие «квантовый спин», чтобы подчеркнуть всю странность субатомного мира. Мы решили не делать этого здесь просто потому, что данное понятие сильно отличается от всего, что мы можем передать на понятном всем языке. Но мы не можем больше оттягивать, так что начнем.

Так же как Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, у электронов и других элементарных частиц есть свойство, называемое спином, которое заключается в отличии от их нормального движения. Но, как мы отмечали в главе 1, этот квантовый спин отличается от всего, что мы можем представить на основе нашего повседневного опыта и знаний о вращающихся объектах, таких как теннисные мячи или планеты. Для начала стоит отметить, что не имеет никакого смысла говорить о скорости вращения электрона, ведь его спин может принимать только одно из двух возможных значений: он квантуется, как энергия квантуется на квантовом уровне. Электроны могут только — в широком смысле — вращаться или по часовой стрелке, или против. Это соответствует тому, что обычно называют спином по полю и спином против поля. И поскольку это квантовый мир со своими законами, электрон может, будучи не под наблюдением, вращаться в обоих направлениях одновременно. Можно сказать, что их спин представляет собой суперпозицию (то есть комбинацию или смесь) из спина по полю и спина против поля. В некотором смысле это может звучать даже более странно, чем то, что электрон может находиться в двух местах одновременно, — как может один электрон вращаться и по часовой стрелке, и против часовой стрелки одновременно?

Чтобы подчеркнуть, насколько нелогично понятие квантового спина, отметим, что после того, как электрон повернется на 360°, он не возвращается в исходное состояние; чтобы вернуться, он должен сделать два полных оборота. Это звучит странно, потому что мы до сих пор склонны представлять электрон как крошечную сферу вроде очень маленького теннисного мяча. Но теннисные мячи являются «обитателями» макромира, а электроны «живут» в субатомном квантовом мире, где действуют свои правила. На самом деле электроны не только не являются крошечными сферами, но о них нельзя даже сказать, что они вообще имеют размер. В общем-то, квантовый спин столь же реален, как и вращение теннисного мяча, просто он не имеет аналогов в привычной повседневной жизни и его нельзя нарисовать.

Тем не менее не стоит думать, что это просто абстрактное математическое понятие, которое существует только в учебниках и заумных лекциях по физике. Каждый электрон в вашем теле и во всей Вселенной вращается по-своему. В самом деле, если бы они этого не делали, мир, каким мы его знаем, в том числе и мы сами, просто не мог бы существовать, потому что квантовый спин играет ключевую роль в одной из самых важных идей в науке, а именно — принципе Паули, который лежит в основе всей химии.

Одно из последствий принципа Паули заключается в том, что если два спаренных электрона в атоме или молекуле имеют одинаковую энергию (как вы помните из главы 3, химические связи, удерживающие молекулы вместе, состоят из электронов, которые являются разделенными между атомами), то они должны иметь противоположные спины. Суммарный спин будет равен нулю, и тогда мы считаем их находящимися в синглетном состоянии. Это нормальное состояние пар электронов в большинстве атомов и молекул. Однако, когда электроны спарены на одном и том же энергетическом уровне, два электрона могут иметь однонаправленные спины, и это называется триплетным состоянием спина[101], как в реакции, которую изучал Шультен[102].

Вы наверняка знакомы с весьма сомнительными утверждениями о том, будто однояйцевые близнецы способны чувствовать эмоциональное состояние друг друга даже на большом расстоянии. Так или иначе, идея состоит в том, что близнецы соединены на психическом уровне, и это науке еще только предстоит понять. Аналогичные предположения были сделаны, чтобы объяснить, как собака чувствует, когда ее владелец приходит домой. Мы должны разъяснить, что ни один из этих примеров не имеет никакой научной ценности, хотя некоторые люди ошибочно пытались приписать им квантово-механическую природу. Тем не менее, хотя подобное «мгновенное действие на расстоянии» (как оно часто описывается) не имеет места в нашем повседневном классическом мире, это ключевая особенность мира квантовой механики. Его техническое название — «нелокальность», или «запутанность», и это имеет отношение к тому, что что-то, происходящее «здесь», может иметь мгновенный эффект «там» — независимо от того, как далеко это самое «там» находится.

Давайте рассмотрим пару игральных кубиков. Математическую вероятность выбросить два раза одно и то же число легко посчитать. Для любой грани, на которую приземляется кубик, вероятность выпасть составляет 1 к 6, такова же вероятность, что еще раз выпадет та же грань. Например, вероятность того, что выпадет четверка, — 1 к 6, а шансы выбросить две четверки — 1 к 36 (1/6 1/6 = 1/36). Вероятность такая же для любой пары чисел, любого дубля. И путем умножения 1/6 на 1/6 десять раз достаточно легко вычислить, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд (будь это, к примеру, две четверки, затем две единицы и т. д.) составляет около 1 к 60 миллионам! Это означает, что если каждый человек в Великобритании бросит пару кубиков десять раз подряд, то, по статистике, только одному будет удаваться выбрасывать все дубли.

Но представьте, что у вас есть пара кубиков, которые всегда приземляются на одну и ту же грань, когда их бросают вместе. Сама выпавшая грань остается случайной и, как правило, меняется при каждом броске, но в конечном счете на обоих кубиках всегда выпадает одна и та же грань. Очевидно, тут логично заподозрить какой-то трюк. Возможно, у этих кубиков есть сложный внутренний механизм, который управляет их движением так, чтобы они приземлялись на одинаковые грани в соответствии с запрограммированной последовательностью? Чтобы проверить эту теорию, вы можете начать бросать сначала один кубик, держа другой, а после этого бросаете пару. Теперь любая предварительно запрограммированная последовательность должна сбиться, а трюк должен перестать работать. Но, несмотря на эту стратегию, кубики продолжают и продолжают приземляться на одинаковые грани.

Другое возможное объяснение — это то, что кубики должны каким-то образом синхронизироваться перед каждым броском, обмениваясь сигналом на расстоянии. Хотя такой механизм представляется довольно сложным, его по крайней мере можно в принципе себе представить. Тем не менее любой подобный механизм должен иметь ограничение, налагаемое теорией относительности Эйнштейна, согласно которой ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света. Это дает вам средства для проверки, проходит ли вообще какой-то сигнал между кубиками: все, что вам нужно сделать, — это разнести кубики достаточно далеко друг от друга, так, чтобы времени для прохождения любого сигнала между бросками и их синхронизации просто не хватало. Давайте представим тот же трюк, что и выше, но организуем дело так, что один кубик будет брошен на Земле, а другой — в то же время на Марсе. Даже на самом близком расстоянии свет летит от Земли до Марса четыре минуты, так что вы понимаете: любой сигнал синхронизации должен иметь аналогичную задержку. Чтобы исключить этот фактор, вам просто следует бросать два кубика с интервалом менее четырех минут. Это должно помешать любому сигналу между бросками. Если они будут продолжать падать на одинаковую грань, то, по всей видимости, должна быть какая-то тесная связь между ними, которая игнорирует известное ограничение Эйнштейна.

Хотя описанный выше эксперимент не проводился с кубиками на разных планетах, аналогичные опыты были проделаны с квантово-запутанными частицами на Земле, и результаты показали, что отделенные частицы могут совершать такие же чудеса, как и наши кубики: их состояние коррелирует независимо от расстояния между ними. Эта удивительная особенность квантового мира, похоже, игнорирует ограничение скорости Эйнштейна, одна частица мгновенно воздействует на другую, как бы далеко друг от друга они ни находились. Термин «запутанность» для описания этого явления придумал Шредингер, который, как и сам Эйнштейн, не был поклонником того, что Эйнштейн назвал «ужасным действием на расстоянии». Но, несмотря на их скептицизм, квантовая запутанность была доказана во многих экспериментах и является одной из самых фундаментальных идей в квантовой механике, со многими следствиями и примерами в физике и химии — и, как мы увидим позже, возможно, в биологии тоже.

Чтобы понять, как квантовая запутанность связана с биологией, мы должны объединить две идеи. Первая идея — это наличие мгновенной связи между двумя частицами через пространство (запутанности). Вторая — способность одиночной квантовой частицы быть в суперпозиции в двух или более различных состояниях сразу: например, электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, тогда мы говорим, что он в суперпозиции состояний по полю и против поля. Мы объединяем эти две идеи, когда имеем два запутанных электрона в атоме, каждый — в суперпозиции двух спиновых состояний. Хотя ни один электрон не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона и сам испытывает обратное влияние. Но надо помнить, что пары электронов в одном атоме всегда находятся в синглетном состоянии, а это означает, что они должны иметь противоположные спины в любой момент времени: один должен быть по полю, а другой — против поля. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, в странном квантовом мире они должны в любой момент времени иметь противоположные спины.

Теперь давайте разделим два запутанных электрона, чтобы они больше не находились в одном атоме. Если мы затем решим измерить спиновое состояние одного электрона, мы заставим его выбрать, в какую сторону вращаться. Скажем, мы измерили, что это спин по полю. Поскольку электроны были в запутанном синглетном спиновом состоянии, это означает, что другой электрон должен теперь иметь спин против поля. Но вспомните, что перед измерением они оба были в суперпозиции двух состояний. После измерения оба имеют различные состояния: один из них по полю, другой — против. Таким образом, второй электрон мгновенно и дистанционно изменил свое физическое состояние с суперпозиции на вращение в одном направлении (по полю) без контакта. Все, что мы сделали, — это измерили состояние его «напарника». И, в принципе, не имеет значения, как далеко находится второй электрон — он может быть на другом конце Вселенной, и эффект будет тот же: измерение лишь одного из пары запутанных электронов сразу же разрушит суперпозицию второго, как бы далеко он ни находился.

Вот вам полезная аналогия, которая может помочь в понимании того, о чем мы тут говорим (хоть немножко!). Представьте себе пару перчаток, каждая из которых находится в запечатанной коробке, а расстояние между коробками — многие километры. В вашем распоряжении оказывается одна из этих коробок, и, прежде чем вы ее откроете, вы не узнаете, какая именно перчатка там лежит — левая или правая. Как только вы откроете коробку и узнаете, что там, например, правая перчатка, вы тут же поймете, что в другой коробке — левая, независимо от того, как далеко другая коробка находится. Здесь важно то, что не изменилось ничего, кроме вашихзнаний. Во второй коробке всегда лежала левая перчатка, это не зависит от того, решились вы открыть свою коробку или нет.

Квантовая запутанность сильно отличается от описанной ситуации. Перед измерением ни один электрон не имеет определенного направления вращения. Только сам акт измерения (любой из запутанных частиц) заставляет оба электрона изменять свое состояние квантовой суперпозиции на какое-либо одно — по полю или против поля. С перчатками же все было иначе: вы просто не знали, какая из них была во второй коробке (но она там всегда была). Мало того, что квантовое измерение одного электрона заставляет его «выбрать», вращаться ему по полю или против поля, этот «выбор» мгновенно заставляет его «напарника» тоже определиться с состоянием — независимо от того, как далеко он находится.

Существует еще одна тонкость, о которой нужно помнить. Как мы уже говорили, два электрона находятся в синглетном состоянии, когда они соединены вместе и вращаются в противоположных направлениях, и в триплетном состоянии, когда они вращаются в одном направлении. Если один электрон из синглетной пары, находящейся в одном атоме, перескакивает в соседний атом, его спин может перевернуться, то есть он будет вращаться в том же направлении, что и его парный электрон, оставшийся «дома», тем самым переходя в триплетное состояние. Однако, несмотря на нахождение в текущий момент в разных атомах, пара может по-прежнему поддерживать свою запутанность, в которой они остаются квантово-механически соединенными вместе.

Но это квантовый мир, и то, что электрон, выпрыгнувший из атома, теперь может поменять свой спин, не означает, что он обязательно должен это сделать. Каждый из двух электронов будет по-прежнему находиться в суперпозиции, вращаясь в обоих направлениях сразу; а как таковая пара электронов будет существовать в суперпозиции, находясь в синглетном и триплетном состоянии одновременно: вращаясь в одном и том же или в противоположных направлениях одновременно!

Так что теперь, когда вы подготовлены, хотя, вероятно, и пребываете в легком замешательстве, самое время представить самую странную и в то же время самую замечательную идею в области квантовой биологии.

Радикальное чувство направления

В начале этой главы мы обсуждали проблему, как может что-то столь слабое, как магнитное поле Земли, обеспечить достаточную энергию для того, чтобы изменить ход химической реакции и тем самым генерировать биологический сигнал, который будет сообщать, например, малиновке, в каком направлении она должна лететь. Оксфордский химик Питер Хор провел отличную аналогию, поясняя, как такая крайняя чувствительность может быть возможной: «Представьте, что у нас есть гранитный блок весом один килограмм. Сможет ли муха его опрокинуть? Здравый смысл подсказывает, что ответ, безусловно, „нет“. Но предположим, камень балансирует на одном ребре. Очевидно, что он не будет стабильным в таком положении и будет иметь тенденцию к падению влево или вправо. Теперь предположим, что в то время, как блок балансирует таким образом, муха приземляется на его правую сторону. Даже несмотря на то, что энергия, переданная мухой, будет крошечной, этого может быть достаточно, чтобы блок упал вправо, а не влево»[103].

Мораль заключается в том, что крошечные энергии могут иметь значительные последствия, но только если система, в которой они работают, очень тонко сбалансирована между двумя различными состояниями. Так, чтобы обнаружить влияние очень слабого магнитного поля Земли, нам нужен химический эквивалент балансирующего на одном ребре гранитного блока — так, чтобы на него могли значительно влиять малейшие внешние воздействия, подобные слабому магнитному полю.

А теперь мы возвращаемся к Клаусу Шультену и его быстрым триплетным реакциям. Вы можете помнить, что электронные связи между атомами часто образуются в результате разделения пары электронов. Электроны этой пары всегда являются запутанными и почти всегда находятся в синглетном спиновом состоянии, то есть электроны имеют противоположные спины. Тем не менее надо отметить, что два электрона могут оставаться запутанными даже после того, как связь между атомами нарушена. Разделенные атомы, которые теперь называются свободными радикалами, могут расходиться, делая возможным изменение направления спина одного из запутанных электронов — сейчас уже находящихся в разных атомах, — тогда электроны оказываются в суперпозиции синглетного и триплетного состояний, как в описанной Шультеном быстрой триплетной реакции.

Важной особенностью этой квантовой суперпозиции является то, что она не обязательно равновесно сбалансирована: вероятности «поймать» пару запутанных электронов в синглетном или триплетном состоянии не равны. И самое главное, баланс между этими двумя вероятностями чувствителен к любым внешним магнитным полям. На самом деле угол магнитного поля по отношению к ориентации разделенной пары сильно влияет на вероятность обнаружить его в синглетном или триплетном состоянии.

Пары радикалов имеют тенденцию к крайней нестабильности, поэтому их электроны часто рекомбинируют с образованием продуктов химической реакции. Но точный химический характер продукта будет зависеть от синглет-триплетного баланса, высокочувствительного к магнитным полям. Чтобы понять, как это работает, мы можем думать о свободных радикалах как о промежуточной стадии реакции, как в метафоре с балансирующим гранитным блоком. В этом состоянии реакция настолько чувствительна к изменениям, что даже слабое магнитное поле — вспомним метафору с мухой — с индукцией менее 100 микротесла, подобное земному, является достаточным, чтобы повлиять на способ выпадения синглет-триплетного «жребия» и на появление определенных продуктов химической реакции[104]. Наконец мы объяснили механизм, посредством которого магнитные поля могут влиять на химические реакции, и, как утверждал Шультен, обеспечивать работу птичьего магнитного компаса.

Но Шультен понятия не имел, где именно в теле птицы эта предполагаемая реакция радикалов проходит, — по-видимому, было бы разумнее всего предположить, что они расположены в головном мозге. Но для того, чтобы механизм заработал, пара радикалов должна для начала возникнуть (как и гранитный блок кто-то должен поставить на ребро). Шультен представил свою работу в Гарварде в 1978 году, где описал эксперименты, проведенные его группой в Геттингене, в которых лазерный импульс был использован для создания радикалов из пар запутанных электронов. В аудитории был выдающийся ученый по имени Дадли Хершбах, который впоследствии получил Нобелевскую премию по химии. В конце лекции Хершбах спросил с добродушной насмешкой: «Но Клаус, где же у птицы находится лазер?» Под давлением и чтобы остроумно ответить уважаемому старшему преподавателю, Шультен предположил, что если действительно свет был необходим, чтобы активировать пару радикалов, то, возможно, этот процесс происходит в глазах птиц.

В 1977 году, за год до статьи Шультена о парах радикалов, оксфордский физик Майк Лиск предположил в другой статье в Nature, что источник магнитной чувствительности действительно может лежать в пределах фоторецепторов глаз[105]. Он также предположил, что молекула пигмента глаз, родопсина, отвечает за нее. Когда Вольфганг Вильчко прочитал статью Лиска, он был заинтригован, хотя у него и не было экспериментальных доказательств того, что свет играет определенную роль в птичьей магниторецепции. Таким образом, он поставил задачу проверить идею Лиска.

В это время Вильчко проводит эксперименты с почтовыми голубями, чтобы увидеть, собирают ли они магнитную навигационную информацию по пути, чтобы затем использовать ее для поиска пути домой. Он выяснил, что подвергание голубей воздействию другого магнитного поля во время транспортировки нарушает их способность находить обратный путь. Вдохновленный теорией Лиска, он решил снова провести эксперимент, на этот раз без нарушения магнитного поля. Вместо этого он транспортировал голубей в полной темноте в коробке на крыше своего автобуса «Фольксваген». У птиц возникли трудности с нахождением пути домой. Это свидетельствовало о том, что им нужен свет, чтобы помочь построить магнитную «карту» пути «туда», которую они затем могли бы использовать для возвращения домой.

Вильчко наконец встретился с Клаусом Шультеном на конференции во Французских Альпах в 1986 году. Они были к этому времени убеждены, что магниторецепция малиновки основана на действии света, попадающего в глаза, но, как и почти все остальные, кто интересовался биохимическими эффектами магнитных полей, они не были еще убеждены, что гипотеза о парах радикалов была верной. Действительно никто не знал, где в глазах может сформироваться пара радикалов. Затем, в 1998 году, белковый пигмент криптохром был обнаружен в глазах плодовых мушек, и, как мы описали ранее в этой главе, было доказано, что он отвечает за настройку циркадных ритмов. Важно отметить, что криптохром был известен как вид белка, способный образовывать свободные радикалы в процессе взаимодействия со светом. Эта идея была подхвачена Шультеном и его сотрудниками, чтобы предположить, что криптохром и был тем самым неуловимым рецептором птичьего химического компаса. Их работа была опубликована в 2000 году и стала одной из классических работ по квантовой биологии[106]. Главным автором этой работы был, конечно, Торстен Риц, о котором мы уже говорили в главе 1 и который на данный момент работает над докторской диссертацией с Клаусом Шультеном. В настоящее время на физическом факультете Университета Калифорнии в Ирвине Торстен сегодня считается одним из ведущих мировых экспертов по магниторецепции.

Статья 2000 года важна по двум причинам. Во-первых, она назвала криптохром кандидатом на то, чтобы быть ответственным за химический компас птиц; во-вторых, там красиво — хотя и сугубо теоретически — и подробно описано, как ориентируются птицы в магнитном поле Земли и как на это влияет то, что они видят.

Первый шаг в их схеме — поглощение фотона синего света светочувствительной молекулой пигмента, ФАД (флавинадениндинуклеотида), которая находится в белке криптохроме и с которой мы встречались ранее в этой главе. Как уже говорилось, энергия этого фотона используется для извлечения электрона из одного из атомов в молекуле ФАД, что создает вакансию для электрона. Она может быть заполнена другим электроном из пары запутанных электронов в аминокислоте триптофане внутри белка криптохрома. Важно, однако, что отданный электрон остается запутанным со своим партнером. Пара запутанных электронов может затем образовать суперпозицию синглет-триплетных состояний, которая является той химической системой, которую Клаус Шультен считает столь чрезвычайно чувствительной к магнитному полю. Опять же тонкий баланс синглет-триплетных состояний очень чувствителен к силе и углу магнитного поля Земли, так что направление, в котором летит птица, зависит от состава конечных химических продуктов, создаваемых в ходе химической реакции. Так или иначе, в механизме, который не совсем ясен до сих пор, эта разница — «в какую сторону падает гранитный блок» — генерирует сигнал, который посылается в птичий мозг, чтобы сообщить ему, где находится ближайший магнитный полюс.

Этот механизм с парами радикалов, предложенный Ритцем и Шультеном, был, конечно, очень элегантным, но реальным ли? В то время не было даже никаких доказательств, что криптохром может генерировать свободные радикалы при воздействии света. Тем не менее в 2007 году другой группе немецких ученых, на этот раз на базе Университета Ольденбурга, во главе с Хенриком Моуритсеном, удалось изолировать молекулы криптохрома сетчатки садовой славки и показать, что они действительно создают долгоживущие пары радикалов при воздействии синего света[107].

Мы понятия не имеем, как это магнитное «видение» выглядит для птиц, но, поскольку криптохром является пигментом глаз, который потенциально делает работу, похожую на работу пигментов опсина и родопсина, обеспечивающих цветное зрение, возможно, то, что видят птицы, окрашено дополнительным цветом, невидимым для нас (подобно тому как некоторые насекомые могут видеть ультрафиолетовое излучение), показывающим магнитное поле Земли.

Когда Торстен Риц предложил свою теорию в 2000 году, не было никаких доказательств того, что криптохром вовлечен в магниторецепцию; но теперь, благодаря работе Стива Репперта и его коллег, стало известно, что этот пигмент участвует в механизме обнаружения внешних магнитных полей у плодовых мушек и бабочек-монархов. В 2004 году исследователи обнаружили три типа криптохромных молекул в глазах малиновки; а затем в 2013 году статья четы Вильчко (все еще таких же активных, хотя Вольфганг и ушел на пенсию) показала, что криптохром, экстрагированный из глаз цыплят[108], поглощает свет на тех частотах, которые, как они обнаружили, имеют важное значение для магниторецепции[109].

Но действительно ли процесс основывается на принципах квантовой механики? В 2004 году Торстен Ритц пошел работать с Вильчко, чтобы попытаться разделить обычный магнитный компас и химический компас, основанный на механизме свободных радикалов. Работу компаса, безусловно, можно нарушить чем угодно магнитным: поднесите компас близко к магниту — и он будет указывать на северный полюс магнита, а не Земли. Стандартный стержневой магнит производит статическое магнитное поле, а это значит, что оно не меняется со временем. Тем не менее возможно также генерировать переменное магнитное поле — путем, например, вращения стержневого магнита, — и это уже более интересно. Работу обычного компаса все еще можно нарушить путем воздействия переменного магнитного поля, но только если его колебания достаточно медленны для того, чтобы игла компаса за ними поспевала. Если колебания происходят слишком быстро, скажем сотни раз в секунду, то игла компаса уже не может их отслеживать и их влияние сводится к нулю. Так, обычный компас может перестать правильно работать из-за магнитных полей, колеблющихся на низких частотах, но не на высоких.

Однако химический компас будет реагировать совсем иначе. Вы помните, что химический компас предположительно зависит от пар радикалов, находящихся в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Поскольку эти два состояния различаются по своей энергии, а энергия связана с частотой, система будет связана с такой частотой, которая, принимая во внимание энергию, будет находиться в диапазоне около миллиона колебаний в секунду. Классическое объяснение того, что происходит (хотя это не совсем верно), — это представление, что пара электронов «переключается» между синглетным и триплетным состояниями много миллионов раз в секунду. В этом состоянии система может взаимодействовать с переменным магнитным полем, вступая с ним в резонанс, но только если поле совершает колебания с той же частотой, что и пара радикалов: только если, используя нашу предыдущую музыкальную аналогию, они «звучат в унисон». Резонанс затем подает в систему энергию, и она изменяет критический баланс между синглетным и триплетным состояниями, от которого химический компас и зависит — по сути, опрокидывая наш метафорический гранитный блок, прежде чем он успевает обнаружить магнитное поле Земли. Так, в отличие от обычного магнитного компаса, компас, основанный на парах радикалов, будет нарушаться магнитными полями, колеблющимися на очень высоких частотах.

Команда Ритц — Вильчко поставила эксперимент, чтобы проверить это очень четкое предсказание теории пар радикалов с помощью любимых европейских малиновок: к низко- или высокочастотным магнитным полям окажется чувствительным их компас? Они подождали осени, когда птицы начали становиться беспокойными и стали собираться мигрировать на юг, и поместили их в воронки Эмлена. Ученые применяли переменные поля разных направлений и разных частот и ждали, чтобы увидеть, могут ли поля нарушить естественную способность птиц ориентироваться.

Результаты были поразительными: манитное поле с частотой 1,3 МГц (то есть колеблющееся 1,3 миллиона циклов в секунду), в тысячи раз слабее, чем поле Земли, тем не менее может нарушить способность птиц ориентироваться. Но с увеличением или уменьшением частоты поле делалось менее эффективным. Так, оказалось, что поле резонирует с чем-то, вибрирующим на очень высоких частотах в птичьем компасе, — явно не с обычным магнитным компасом, а с чем-то похожим на запутанную пару радикалов в суперпозиции синглетного и триплетного состояний. Этот интригующий результат[110] также показывает, что если запутанная пара существует, то она должна быть в состоянии выжить в условиях декогеренции по крайней мере микросекунды (миллионные доли секунды), так как в противном случае ее жизнь была бы слишком коротка для обнаружения максимумов и минимумов приложенного переменного магнитного поля.

Однако значение этих результатов недавно было поставлено под сомнение. Группа Хенрика Моуритсена из Университета Ольденбурга показала, что искусственные электромагнитные помехи от широкого спектра электронных устройств, просачиваясь через стенки незащищенных деревянных жилищ птиц на территории университетского городка, нарушают их магнитную ориентацию. Но способность возвращается, как только их помещают в специальные алюминиевые камеры, которые экранируют около 99 % городских электромагнитных помех. Важно отметить: их результаты показывают, что разрушительное воздействие радиочастотных электромагнитных полей не может быть ограничено узкой полосой частот[111].

Таким образом, все еще есть аспекты системы, которые остаются загадкой: например, почему компас малиновки должен быть настолько индивидуально чувствительным к переменным магнитным полям и как свободные радикалы могут оставаться запутанными достаточно долго, чтобы обеспечить биологическую разницу. Но в 2011 году статья лаборатории Влатко Ведрала из Оксфорда представила квантовые теоретические расчеты предлагаемого химического компаса и показала, что суперпозиция и запутанность должны быть устойчивыми в течение по крайней мере десятка микросекунд, что значительно превышает длительность, полученную во многих сопоставимых искусственных молекулярных системах; это потенциально достаточно долго, чтобы сообщить малиновке, куда именно ей следует лететь[112].

Эти знаменательные исследования вызвали взрыв интереса к магниторецепции, которая в настоящее время обнаружена у широкого диапазона видов, включая целый ряд птиц, лангустов, скатов, акул, финвалов, дельфинов, пчел и даже микробов. В большинстве случаев механизмы еще не исследованы, но криптохром-ассоциированная магниторецепция в настоящее время обнаружена у широкого диапазона существ — от нашей славной малиновки, кур и плодовых мушек, которых мы уже упоминали, до многих других организмов, включая растения[113]. Исследования, опубликованные чешской группой в 2009 году, доказали наличие магниторецепции у американского таракана и показали, что, как и у малиновки, она может быть нарушена высокочастотными переменными магнитными полями[114]. Последующие исследования, представленные на конференции в 2011 году, показали, что компас тараканов имеет в своей основе криптохром.

Открытие того, что подобные способности так широко распространены в природе и имеют общий механизм, дает основания предполагать, что они были унаследованы от общего предка. Но общий предок кур, малиновок, плодовых мушек, растений и тараканов жил давным-давно, более 500 миллионов лет назад. Так, квантовые компасы, вероятно, очень древние и, должно быть, обеспечивали навигационные навыки рептилий и динозавров, которые бродили по болотам мелового периода рядом с тираннозавром Рексом, с которым мы встречались в главе 3 (напомним, что современные птицы, такие как малиновки, произошли от динозавров), рыб, которые плавали в пермских морях, древних членистоногих, что ползали в кембрийских океанах, а возможно, даже докембрийских микробов, которые были предками всей клеточной жизни. Кажется, что эйнштейновское «таинственное действие на расстоянии», возможно, помогает существам найти свой путь вокруг земного шара на протяжении большей части истории нашей планеты.

Самое холодное место на Земле располагается не на Южном полюсе, как вы могли бы подумать, а в центре восточной части Антарктического ледяного щита, примерно в 1300 километрах от полюса. Здесь зимние температуры обычно падают на несколько десятков градусов ниже нуля по шкале Цельсия. Самая низкая температура на Земле, –89,2 °C[115], была зарегистрирована 21 июля 1983 года в Восточной Антарктиде. Это место получило название «Южный полюс холода». При таких низких температурах крошится сталь, а дизельное топливо замерзает так, что его можно резать цепной пилой.

При таких морозах в воздухе практически не остается влажности. Кроме того, здесь, на оледенелых равнинах, постоянно дуют сильные ветры, что превращает Восточную Антарктиду в самое суровое место на нашей планете.

Но эти места не всегда были такими враждебными. Суша Антарктического материка была частью древнего суперконтинента Гондваны и располагалась в районе экватора. Эта часть Гондваны была покрыта обильной растительностью, среди которой преобладали семенные папоротники, гинкговые деревья и саговники. В этих зарослях паслись динозавры и травоядные рептилии, например листрозавры, напоминавшие носорогов. Однако около 80 миллионов лет назад огромный материк стал распадаться на части и один из фрагментов постепенно отдалялся на юг, со временем достигнув Южного полюса. Так образовалась Антарктида. Около 65 миллионов лет назад на Землю упал астероид. В результате падения небесного тела все динозавры и гигантские рептилии вымерли, освободив экологическое пространство для теплокровных млекопитающих. Несмотря на значительную удаленность Антарктиды от места удара, ее фауна и флора подверглись серьезным изменениям: папоротники и саговники уступили место лиственным лесам, которые населяли вымершие виды сумчатых, рептилий и птиц, в том числе гигантские пингвины. Реки с быстрым течением и глубокие озера, кишащие костными рыбами и членистоногими, разливались по долинам материка.

Постепенно уровень парниковых газов в атмосфере снижался, что привело к падению средней температуры воздуха в Антарктиде. Циркулирующие вокруг материка океанические течения также становились холоднее, и около 34 миллионов лет назад поверхность рек и озер южного материка стала замерзать зимой. Примерно 15 лет назад зимний лед покрывал континент круглый год, надежно спрятав реки и озера под свой плотный покров. Постепенно планета продолжала охлаждаться, и на Антарктиду надвинулись массивные ледники, уничтожив ее обитателей — млекопитающих, рептилий и земноводных — и похоронив землю, озера и реки под гигантскими слоями льда шириной несколько километров. С тех пор Антарктида находится в ледяном и морозном плену.

Первым человеком, ступившим на континентальную Антарктиду, стал американский охотник на тюленей капитан Джон Дейвис. Это случилось в XIX веке, а в XX веке на замерзшем материке появились первые постоянные поселения: сразу несколько стран заявили о своих территориальных правах на материк и стали строить здесь исследовательские станции. Первая советская антарктическая станция «Мирный» была открыта на побережье 13 февраля 1956 года. Именно отсюда два года спустя участники экспедиции отправились в глубь материка с целью основать станцию вблизи геомагнитного полюса. Полярников преследовали снежные бури, они увязали в рыхлом снегу, переносили лютый мороз (–55 °C) и нехватку кислорода. Наконец 16 декабря 1957 года, в разгар южнополушарного лета, они достигли геомагнитного полюса и основали станцию «Восток».

С тех пор на научно-исследовательской станции «Восток» практически непрерывно работают ученые. В команду исследователей в разное время входили от 20 до 25 ученых и инженеров, производящих геомагнитные и атмосферные измерения. Одна из основных научных задач команды «Востока» — изучение по ледяному покрову под станцией изменений климата в прошлом. В 1970-е инженеры-полярники пробурили во льду несколько скважин глубиной до 952 метров и достигли слоя льда, относящегося к последнему ледниковому периоду Земли. Возраст этого слоя — десятки тысяч лет. В 1980-х годах на станцию было доставлено новое буровое оборудование, с помощью которого исследователи достигли глубины 2202 метра. К 1996 году инженерам-полярникам удалось пробурить скважину глубиной 3623 метра и достигнуть слоя возрастом 420 тысяч лет.

Однако вскоре бурение было приостановлено. Под дном скважины было обнаружено нечто странное. К слову, еще в 1974 году, за 20 лет до находки, стало известно, что глубоко под станцией «Восток» располагается что-то очень необычное: британские сейсмологи выявили аномальные показатели для области площадью десять тысяч квадратных километров под слоем льда примерно четыре километра шириной. Российский географ Андрей Петрович Капица предположил, что радиолокационная аномалия свидетельствует о существовании огромного подледного озера, находящегося в изоляции от биосферы Земли и не замерзшего благодаря огромному давлению льда и теплым геотермальным источникам. Гипотеза Капицы подтвердилась в 1996 году, когда были получены снимки со спутника: подводное озеро глубиной до 500 метров (от поверхности воды до дна), площадью, равной примерно площади озера Онтарио, действительно существовало. Команда ученых назвала этот подледный водоем озером Восток.

После обнаружения подо льдом древнего озера буровые работы на станции «Восток» приобрели новое значение: скважина, становясь все глубже, приближалась к уникальной биологической среде. Озеро Восток было изолировано от поверхности и биосферы Земли сотни тысяч (если не миллионов) лет[116] — настоящий затерянный мир. Что произошло с животными, растениями, водорослями и микробами, населявшими озеро, пока оно не попало в ледниковый плен, обрекая живые организмы на абсолютный мрак и холод? Вымерла ли жизнь в озере, или каким-нибудь существам удалось выжить и приспособиться к условиям жизни под слоем льда шириной несколько километров? Если в озере сохранилась жизнь, то это должны быть очень стойкие организмы, столкнувшиеся с экстремальными, суровыми условиями: ужасный холод, кромешный мрак, давление на воду ледяной глыбы, более чем в 300 раз превышающее давление, которое испытывает поверхность любого другого земного озера. И все же известны удивительно разнообразные формы жизни, которые чудом приспосабливаются к другим экстремальным условиям, например на раскаленных краях вулканических кратеров, в кислотных озерах, даже в темных подводных туннелях на глубине несколько тысяч метров. Возможно, в озере Восток также сохранилась уникальная экосистема экстремофилов[117].

Открытие озера под толстым слоем льда приобрело еще большее значение благодаря другому открытию, совершенному в 1980 году. За полмиллиарда миль от Земли космический аппарат «Вояджер-2» сфотографировал поверхность Европы, спутника Юпитера. Снимки позволили ученым выдвинуть правдоподобную гипотезу о существовании под ледяной поверхностью Европы жидкого океана. Если жизнь могла сохраниться на протяжении сотен тысяч лет в воде под километрами антарктического льда, возможно, и на Европе в океане, накрытом льдом, существуют некие формы жизни. Поиски живых организмов в озере Восток стали репетицией еще более захватывающих поисков внеземных форм жизни.

Бурение было приостановлено в 1996 году, когда до поверхности озера оставалось около 100 метров льда: нельзя было допустить контакта древней подледной воды с пропитанной керосином буровой головкой, на которой могли находиться микроорганизмы и вещества с поверхности Земли. Тем не менее был изучен состав озерного льда, взятого из других скважин. Термальные источники влияют на озеро таким образом, что его вода под покровом ледника то замерзает, то оттаивает. Этот процесс продолжается с тех пор, как озеро навсегда покрылось льдом, так что самый нижний слой льда — это не ледниковый лед, а замерзшая озерная вода, или аккреционный лед. Слой аккреционного льда над водой озера Восток достигает нескольких десятков метров. Несколько скважин, пробуренных ранее, достигли глубины, на которой залегал аккреционный лед, и в 2013 году впервые были опубликованы результаты подробного исследования образцов замерзшей воды озера Восток[118]. Основной вывод статьи заключался в следующем: скрытое подо льдом озеро является средой обитания сложной системы организмов — как одноклеточных бактерий, грибов и простейших, так и более сложных животных — моллюсков, червей, анемонов и даже членистоногих. Ученым даже удалось определить особенности метаболизма этих существ, а также их вероятные места и условия обитания.

Однако в данной главе мы хотим подробнее поговорить не об удивительной экосистеме озера Восток, а о том, как любая экосистема может сохраниться в изоляции на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Озеро Восток и правда представляет собой модель всей нашей планеты, которая, по сути, оказалась изолированной от внешних воздействий, за исключением солнечных фотонов, на четыре миллиарда лет и все же сохранила богатую и многообразную экосистему, несмотря на угрозы извержений крупных вулканов, столкновений с астероидами и изменений климата. Как же удается жизни — невероятно сложной и многообразной — выносить все испытания, уготованные окружающей средой, и сохраняться на протяжении тысяч и даже миллионов лет?

Ключ к пониманию этой тайны кроется в образце вещества, которое было изучено командой биологов, работающих на станции и озере Восток, — в нескольких микрограммах химического соединения, извлеченного из замерзшей озерной воды. Это вещество играет главную роль в непрерывности и многообразии жизни на нашей планете и состоит из самых необычных молекул, известных во Вселенной. Мы называем это вещество ДНК.

Образцы ДНК, полученные из замерзшей воды озера Восток, исследовали ученые из Университета Боулинг Грин, США. Для расшифровки последовательности из миллионов фрагментов молекул ДНК, извлеченных из воды озера Восток, ученые применили технологию секвенирования, которая ранее использовалась для расшифровки генома человека. Затем они сравнили ДНК из озера Восток с данными из базы, содержащей информацию о последовательности генов в геномах тысяч организмов, обитающих на нашей планете. Было обнаружено, что многие последовательности генов в образцах озера Восток идентичны или почти совпадают с генами бактерий, грибов, членистоногих и других существ, живущих и надо льдом, особенно в холодных озерах и глубоких и темных морских тоннелях, то есть в условиях, вероятно немного приближенных к среде озера Восток. Сходства генов позволили ученым выдвинуть вполне обоснованные предположения о природе и образе жизни существ, оставивших образцы ДНК глубоко подо льдом.

Однако не забывайте, что организмы, обитавшие в озере Восток, попали в ледовый плен на сотни тысяч лет. Сходства последовательностей ДНК этих организмов с последовательностями геномов существ, обитающих на поверхности Земли, объясняются наличием у них общих предков, которые населяли Антарктиду до того, как она превратилась в ледовый континент. Последовательности генов предков, таким образом, копировались организмами, обитающими подо льдом и на поверхности Земли на протяжении жизни тысяч поколений. И все же, несмотря на многочисленные случаи копирования на протяжении сотен тысяч лет, некоторые гены остались неизмененными. Каким-то удивительным образом сложная генетическая информация, которая определяет форму, отличительные признаки и функции организмов, живущих на Земле и в воде подо льдом, надежно, практически без ошибок передавалась из поколения в поколение на протяжении сотен тысяч лет.

Способность генетической информации надежно копировать себя и передаваться из поколения в поколение (эту способность мы и называем наследственностью), безусловно, играет главную роль в сохранении жизни. Гены — особые участки ДНК — кодируют белки и ферменты, которые в процессе метаболизма создают биомолекулы всех возможных живых клеток — от фотосинтетических пигментов растений и бактерий до обонятельных рецепторов животных и загадочных внутренних магнитных компасов птиц, одним словом, отвечают за любой признак живого организма. Многие биологи утверждают, что самокопирование является основной отличительной чертой жизни. Однако живые организмы не могли бы создавать копии самих себя, если бы они не были способны сперва копировать инструкции к самокопированию. Таким образом, жизнь возможна именно благодаря процессу наследственности — высококачественному копированию генетической информации. В главе 2 мы говорили о том, что тайна наследственности (то, каким образом генетическая информация может надежно передаваться из поколения в поколение) была той самой загадкой, которая убедила Эрвина Шредингера в том, что гены являются квантово-механическими сущностями. Но был ли он прав? Объясняет ли квантовая механика механизм наследственности? Поговорим об этом подробнее.

Надежность передачи информации

Мы принимаем как должное способность живых организмов копировать геномы с высокой точностью, однако на самом деле это один из удивительнейших и важнейших аспектов жизни. Ошибка в копировании ДНК (иными словами, мутация) случается в одном случае на миллиард. Чтобы представить себе уровень точности копирования информации, вообразите весь текст этой книги: приблизительно миллион букв, знаков препинания и пробелов. Теперь представьте тысячу книг такого же объема на библиотечных полках. Вы получаете задание точно скопировать тексты тысячи книг, каждую буковку и каждый пробел. Как вы думаете, сколько ошибок вы сделаете? Именно этим и занимались средневековые переписчики, вручную копировавшие тексты до изобретения печатного станка. Несмотря на старания, переписчики допускали (и это неудивительно) много ошибок, что видно из множества несходных копий одних и тех же средневековых текстов. Безусловно, компьютеры способны копировать информацию с высокой точностью, однако это возможно только благодаря современным электронным цифровым технологиям. Представьте, что копировальная машина создана из влажного, вязкого материала. Сколько, по-вашему, ошибок такая машина совершит при считывании и записи скопированной информации? Если этот влажный, вязкий материал представляет собой одну из клеток вашего организма, в которой информация кодируется с помощью ДНК, то вероятность ошибки — менее одной на миллиард.

Высокая точность копирования информации имеет огромное значение для живого организма: структура живой ткани настолько сложна, что для ее копирования требуется не менее сложный набор инструкций, в котором одна-единственная ошибка может привести к фатальным последствиям. Геном, хранящийся в наших клетках, содержит около трех миллиардов букв генетического алфавита, кодирующих около 15 тысяч наших генов. Даже геномы самых простых бактерий, способных к самокопированию, к примеру тех, что живут в подледном озере Восток, состоят из нескольких тысяч генов, записанных на миллионах генетических букв. Несмотря на то что большинство организмов приобретают небольшое количество мутаций в каждом поколении, незначительный их перебор при передаче следующему поколению может вызвать серьезные проблемы. У человека это проявляется в виде генетических заболеваний или нежизнеспособности рожденного потомства. Кроме того, в процессе копирования любые клетки организма (клетки крови, кожи и другие) должны передать их ДНК дочерней клетке. Сбои в этом процессе приводят к онкологическим заболеваниям[119].

Так каким же образом квантовая механика связана с наследственностью? Чтобы разобраться в этом вопросе, перенесемся с вами в 1953 год, в Кембридж, в тот февральский день, когда Фрэнсис Крик вошел в «Игл паб» и заявил, что они с Джеймсом Уотсоном «открыли секрет жизни». Позже в том же году они опубликовали статью, перевернувшую мир науки[120]. В статье была представлена структура ДНК и описан набор простых правил, с помощью которых были найдены ответы на два из самых важных и таинственных вопросов жизни: как кодируется и наследуется биологическая информация.

Мы хотели бы отдельно остановиться на одном из аспектов открытия генетического кода, который, по мнению многих, имеет второстепенное значение, — на форме двойной спирали молекулы ДНК. Эта изящная структура и правда удивительна. Форма молекулы ДНК по праву стала одним из самых культовых изображений науки. Ее печатают на майках, выбирают в качестве эмблемы сайта и даже воспроизводят в архитектурных сооружениях. Однако двойная спираль, в сущности, только каркас. Главный секрет ДНК кроется в том, от чего зависит целостность спирали.

В главе 2 мы кратко говорили о том, что спиральную структуру ДНК (рис. 7.1) образует сахарофосфатный остов, несущий основную информацию ДНК: цепи оснований — гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A). Уотсон и Крик заметили, что линейная последовательность оснований складывается в код, который, как они предположили, и является генетическим кодом.

Рис. 7.1. Структура ДНК: а — двойная спираль Уотсона и Крика; б — схема связи между спаренными основаниями A и T; в — схема связи между спаренными основаниями G и T. На схемах водородные связи (общий протон), объединяющие два основания в пару, показаны пунктирными линиями. В этом стандартном (каноническом) представлении сплетения оснований, предложенном Уотсоном и Криком, основания изображаются в их обычной, нетаутомерной форме

В последнем предложении своей эпохальной статьи Уотсон и Крик высказали мысль о том, что структура ДНК помогает раскрыть вторую величайшую тайну жизни: «От нашего внимания не ускользнуло и то, что открытая нами специфически сплетенная структура молекулы представляет собой механизм копирования генетического материала». От внимания ученых не ускользнула важнейшая особенность двойной спирали: информация, записанная на одной цепи (последовательность оснований), присутствует на второй цепи в виде «обратной копии»: аденин на одной цепи всегда связывается тимином на другой цепи, а гуанин всегда образует связи только с цитозином. Уникальное сплетение оснований двух цепей (пары A — T и G — C) поддерживается слабыми химическими связями, а именно водородными. Этот «клей», связывающий две цепочки, в сущности, состоит из одного протона, который два основания делят между собой и который имеет большое значение для нашего дальнейшего повествования, поскольку мы подробно рассмотрим природу этой связи. Однако именно слабый характер связи между парными цепочками ДНК в молекуле предполагает наличие копирующего механизма: цепочки легко отделяются друг от друга, и каждая из них может стать образцом для построения новой, комплементарной цепи, в результате чего получаются две копии первоначальной двойной спирали. То же самое происходит, когда в процессе деления клетки копируются гены. Цепи двойной спирали с комплементарной информацией отделяются друг от друга. К каждой из них получает доступ фермент ДНК — полимераза. Затем фермент прикрепляется к одиночной цепочке и скользит вдоль последовательности нуклеотидов, считывая каждую букву и с высокой точностью помещая соответствующее основание в новую растущую цепь: если фермент распознает A, то помещает напротив T, а если видит G — помещает C, и так до конца, пока не получится целая комплементарная цепь. То же самое происходит со второй цепочкой, в результате чего образуются две копии изначальной двойной спирали — по одной на каждую дочернюю клетку.

Этот, казалось бы, простой процесс является основой продолжения жизни на нашей планете. Когда Шредингер в 1944 году высказал идею о том, что необычайно высокая степень надежности и точности наследственности не может быть обусловлена классическими законами (он настаивал на том, что гены слишком малы, чтобы подчиняться принципу «порядок из хаоса»), он предположил, что гены представляют собой нечто наподобие апериодических кристаллов. Так ли это?

Кристаллы, например крупинки соли, обычно имеют характерную форму. Например, кристаллы хлорида натрия (обычной пищевой соли) имеют форму кубика, а молекулы воды в замерзшем состоянии представляют собой шестиугольные призмы, которые разрастаются в чудесные, бесконечно многообразные формы снежинок. Это удивительное многообразие форм возможно благодаря большому количеству способов сворачивания молекул внутри кристалла, которые управляются квантовыми законами, определяющими формы молекул. Однако обычные кристаллы, несмотря на высокую упорядоченность, не способны кодировать большое количество информации, поскольку в них, подобно узору на обоях, повторяется одна и та же единица кода. Таким образом, структура целого кристалла может быть описана одним простым правилом. Шредингер предположил, что гены являются так называемыми апериодическими кристаллами — с регулярно повторяющейся молекулярной структурой, как в обычном кристалле, но с некоторыми вариациями. Так, например, между повторяющимися структурами могут быть разные интервалы, или периоды (отсюда и название «апериодические»), или повторяющие структуры могут незначительно отличаться друг от друга, напоминая скорее сложный орнамент гобелена, нежели простые обои. Ученый предположил, что слегка измененные повторяющиеся структуры кодируют наследственную информацию и что их порядок, как в любом кристалле, кодируется на квантовом уровне. Не забывайте, что эти идеи были высказаны Шредингером за десятилетие до Уотсона и Крика — всего за несколько лет до того, как были открыты структура и материал генов.

Был ли прав Шредингер? Первый очевидный факт — код ДНК действительно состоит из повторяющихся участков, ДНК-оснований, и в этом смысле он является апериодическим, поскольку каждый повторяющийся участок может быть занят одним из четырех оснований. Гены и правда являются апериодическими кристаллами, как и предсказывал Шредингер. Но апериодические кристаллы не обязательно кодируют информацию на квантовом уровне: нерегулярные растры на фотографической пластинке образуются кристаллами соли серебра, в которых нет ничего квантово-механического. Чтобы понять, был ли прав Шредингер, предполагая, что гены являются квантовыми сущностями, мы должны подробнее рассмотреть структуру оснований ДНК и особенно природу связи комплементарных (парных) оснований — A с T и G с C.

Скрученная форма молекулы ДНК, хранящей генетический код, обусловлена химическими связями, благодаря которым комплементарные основания образуют пары. Как мы уже упоминали, эти связи (их называют водородными связями) формируются одиночными протонами, а точнее, ядрами атомов водорода. Протон является общим для двух атомов, каждый из которых относится к одному из комплементарных оснований, расположенных на разных цепочках напротив друг друга. Именно этот протон и связывает основания в пару (см. рис. 7.1). Основание A связывается с основанием T потому, что в каждой молекуле A протоны находятся в подходящих позициях для формирования водородных связей только с основанием T. A не может образовать пары с C, поскольку протоны расположены в молекулах так, что связи с C не образуются.

Регулируемое протонами спаривание азотистых оснований и есть генетический код, который копируется и передается следующему поколению. И это вовсе не разовая передача информации наподобие закодированного сообщения, написанного в одноразовом блокноте, который уничтожается сразу после использования. Генетический код должен постоянно считываться на протяжении жизни клетки, обеспечивая работу механизма по производству белков, которые, в свою очередь, отвечают за образование движущих сил жизни — ферментов, управляющих всеми остальными функциями клетки. Считывание кода осуществляется ферментом РНК-полимеразой, который, как и ДНК-полимераза, читает порядок кодирующих протонов вдоль цепи ДНК. Подобно тому как буквы на странице, расположенные в правильном порядке, складываются в значимое сообщение или в сюжет целой книги, порядок протонов на двойной спирали определяет историю жизни.