Бактерии научились использовать квантовую механику для защиты от токсинов
Исследование, проведенное учеными из Чикагского университета и Вашингтонского университета в Сент-Луисе, показало, как бактерия «настраивает» свою систему таким образом, чтобы она теряла энергию в присутствии кислорода, предотвращая разрушение фотосинтетического аппарата.
Физика квантового мира существенно отличается от привычных нам систем. Поэтому частицы, из которых состоят наши атомы и молекулы, резонируют с некой определенной вероятностью, пока целый ряд факторов не складывается таким образом, чтобы конкретная реакция стала неизбежной.
Мы до сих пор до конца не знаем, как именно квантовая механика влияет на сложные биологические системы и как именно некоторым существам удается использовать ее механизмы себе на пользу. Однако доказательства того, что квантовые эффекты могут быть встроены в живые системы, все чаще всплывают в научной среде.
Так, недавнее исследование показало, как изменения в магнитном поле влияют на спин электрона в светочувствительных белках, называемых криптохромами, — феномен, который может объяснить, как некоторые животные могут обнаруживать магнитосферу нашей планеты.
Тем не менее, одно дело — выявить тонкое, едва заметное влияние квантовых механизмов на сенсорные реакции. Но понять, как именно микроорганизм умудряется использовать их для защиты системы, от которой буквально зависит его жизнь — это совсем другое.
«Мы впервые видим, что жизнь настолько активно использует квантовые эффекты», — призналась химик из Чикагского университета Грег Энгель.
Как строго анаэробная бактерия, C. tepidum не хочет, чтобы через ее кишечник безудержно проходил кислород. То, что полезно для высвобождения энергии из глюкозы внутри наших клеток, разрушает устройство, превращающее свет в химические связи внутри микроба.
Ключом к этой цепи трансформирующих реакций является кластер белков и пигментов, называемый комплексом Фенна-Мэтьюз-Олсон (FMO). Он действует как посредник между светособирающими компонентами системы и «производственным цехом», где энергия преобразуется в химию.
Первоначально считалось, что FMO полагается на квантовую когерентность для выполнения своей работы, согласовывая волнообразную природу частиц, чтобы облегчить эффективный перенос электронов.
Более поздние исследования заставили переосмыслить роль этого строго квантового явления в работе FMO, заявив, что квантовая когерентность в действительности может замедлить весь процесс.
Используя метод сверхбыстрой лазерной спектроскопии для получения подробных сведений о деятельности комплекса, команда показала, как присутствие кислорода может изменить способ «направления» энергии от светособирающих компонентов к реакционному центру. Ученые обнаружили, что пара молекул цистеина находится в центре всей операции, действуя как спусковой механизм и высвобождая протон всякий раз, когда бактерия вступает в реакцию со случайным кислородом в среде.
Этот «потерянный» протон напрямую повлиял на квантовые механизмы в комплексе FMO, эффективно отводя энергию от областей, которые в противном случае были бы открыты для окисления. Хотя это означает, что бактерия временно лишена энергии, квантовое прерывание заставляет клетку «задерживать дыхание» до тех пор, пока она не освободится от токсического воздействия кислорода.
«Простота механизма предполагает, что он может быть обнаружен и в других фотосинтезирующих организмах в эволюционном ландшафте», — предположил ведущий автор Джейк Хиггинс, аспирант химического факультета Чикагского университета.
«Если большее количество организмов сможет динамически модулировать квантово-механические связи в своих молекулах, чтобы произвести большие изменения в физиологии, то природа может скрывать совершенно новый набор подобных эффектов и явлений, о которых мы пока даже не подозреваем».
Не исключено, что целый мир квантовой биологии ждет своего открытия.