ГОРИЗОНТЫ научного поиска

Квантовая биология. Что это?

На моей памяти вопрос "что это?" задавали, когда обнаружили влияние малых доз облучения после чернобыльской аварии. Долго шутили, пока не разобрались в механизме воздействия, отличного от прямого повреждения генома клетки. Потом обнаружили в области малых доз так называемый "эффект свидетеля" - феномен, при котором поврежденная клетка испускает сигнал, вызывающий адаптивную реакцию в соседних клетках. Выяснили, что этот эффект может быть представлен микрочастицами, фотонами и даже акустической волной. Малые дозы радиации с помощью "эффекта свидетеля" изменяют целую группу или популяцию клеток. Обсуждение этих феноменов было яростным. Теперь пришло время квантовой биологии. Что это? Я ищу ответ в своих исследованиях процессов адаптации дрожжевых клеток и видообразования бактерий туляремии в горах Армении.

Физикам известны квантовые свойства микрочастиц: дуализм, суперпозиция, запутанность и когерентность. Дуализм означает, что микрочастицы проявляют двойственное корпускулярно-волновое поведение; квантовый эффект нескольких независимых состояний равен их сумме; взаимосвязанное состояние двух или нескольких частиц оказывается запутанным, а их совместное действие - когерентным.

Современные технологии позволяют увидеть в биологии законы квантовой механики. При фотосинтезе происходит передача клетке энергии солнечных лучей благодаря дуализму фотонов, который дает возможность световой волне проникать сквозь клеточные мембраны (квантовый туннельный эффект). Туннельный эффект позволяет клеткам получать и испускать биофотоны - квантовые сигналы самих клеток (на рисунке). Точный механизм производства биофотонов неизвестен, но установлено, что они связаны с внутриклеточными процессами. Например, повреждение клетки стимулирует работу генома и других клеточных механизмов. Активность клетки сопровождают сигналы клетки соседям ("эффект свидетеля"). Показано, что биофотоны влияют на инициацию экспрессии генов, метаболизм и формирование внутриклеточной среды.

Распределение числа фотонов, излучаемых клетками дрожжей Saccharomyces cerevisiae
по времени их регистрации. Доклад Н.В.Дунина в ЛРБ ОИЯИ. 2024 г.

Известно, что изменение внутриклеточной среды вызывает реконструкцию пространственных структур макромолекул, в том числе белков и ДНК. Такие изменения макромолекул формируют новую группу клеток. Каков механизм этих адаптивных изменений? Связь структуры макромолекул со средой не может объясняться только минимизацией свободной энергии, так как такую зависимость мы не обнаруживаем в случае изменений ДНК. Можем предположить, что изменение внутриклеточной среды обновляет электромагнитные связи между молекулами и частицами. Внутриклеточные среды в группе связаны сигнальной коммуникацией и общей межклеточной средой. События в клетках одной группы связаны между собой, хотя могут происходить в разное время и разделены расстоянием. Можно заключить, что главными свойствами квантового мира живой клетки являются тесная коммуникация в группе клеток и корпускулярно-волновой дуализм биофотонов. Изменения среды в клетках и между клетками, вызванные старением и внешней средой, адаптируют всю группу клеток и формируют новую группу клеток.

Радиация стимулирует внутриклеточные механизмы, способствует выработке "эффекта свидетеля" и биофотонов. Известно, что биофотоны поврежденной клетки проникают сквозь мембрану в соседние клетки и повышают уровень экспрессии генов. Стимулируется экспрессия генов репарации, размножения, клеточной гибели. Развивается радиационный гормезис - повышение устойчивости части клеток. Повышение экспрессии генов наблюдают по количеству биофотонов, испускаемых клеткой. Периодичность повышения числа испускаемых биофотонов (на рисунке) свидетельствует об их связи с механизмами клетки. В настоящее время появилась возможность искусственного регулирования уровня экспрессии генов в эффекте свидетеля.

Квантовые эффекты изучаются и широко применяются в медицине. Изменение эмиссии биофотонов указывает на трансформацию функционирования клетки, и этот признак служит для обнаружения раковых клеток. Квантовые "эффекты свидетеля", возникающие вокруг опухоли и изменяющие соседние клетки, можно подавлять разными методами.

Как можно понять, что экосистема живет по законам квантовой механики? Армянские ученые исследовали влияние Мецаморской атомной станции на миллиардное сообщество почвенных бактерий. Они обнаружили, что очень слабая радиационная активность почвы, повреждающая только отдельные клетки бактерий и корней растений, инициирует размножение и повышение резистентности всей популяции одного штамма бактерий, вымирание популяции другого штамма и мутирование клеток веток растений. Передача сигнала в тканях, популяциях и в сообществах в почве, воде и в воздухе осуществляется с помощью квантовой сигнальной коммуникации. Согласованное изменение клеток сообщества и различие реакции в разных видах и подвидах клеток показывает когерентность внешней и внутриклеточной сред и особенности механизмов адаптации клеток. Другой пример из жизни сообщества - очаги бактерии туляремии в почве сохраняются многие десятки лет, образуя новые виды и подвиды. Вирусы, как и другие микроорганизмы, существуют в сообществах в почве, в воде и в популяциях животных и растений. Это возможно благодаря био­фотонной коммуникации разных, не только бактериальных, клеток. Можно перейти к жизни сообществ растений и животных, привести примеры "эффекта свидетеля" в популяциях животных. Это все возможно благодаря квантовой сигнализации.

Новые виды и подвиды появляются там, где происходит изменение условий среды и в новых условиях возможно размножение. Изменчивость среды влияет на внутриклеточные структуры согласно квантовым законам. Эта изменчивость передается в клеточной популяции, повышая общую жизнеспособность и эффективность размножения. Изменения модифицируют внешнюю среду. Таким образом, происходят непрерывные изменения в природе, которые сейчас начали изучать на стыке квантовой физики и биологии.

Современные исследования нашего живого мира уже сейчас возможны в Объединенном институте ядерных исследований. Для этого только нужно, чтобы биологи и физики начали совместное изучение квантовых механизмов в клетках дрожжей с помощью сверхточных детекторов фотонов. Такие исследования уже проводят наши коллеги за рубежом.

Эта статья посвящается Николаю Владимировичу Тимофееву-Ресовскому, который был участником Боровских семинаров, другом Нильса Бора и других физиков. Отсюда его исследования о природе генных мутаций, радиобиологии, радиоэкологии, эволюции. В 2025 году мы будем отмечать 125-летие со дня рождения Николая Владимировича.

Виктория КОРОГОДИНА, старший научный сотрудник ЛРБ