Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден

Жизнь на грани

Ваша первая книга о квантовой биологии

Посвящается Пенни и Олли, Джули, Дэвиду и Кейт

Благодарности

Авторы работали над этой книгой на протяжении трех лет, хотя их сотрудничество в области новой увлекательной научной дисциплины, объединяющей квантовую механику, биохимию и биологию, длится почти два десятилетия. Однако, когда речь идет о такой междисциплинарной области знаний, как квантовая биология, едва ли возможно даже за такой длительный срок стать в ней полноценным экспертом, чувствующим себя уверенным и глубоко разбирающимся во всех смежных науках, которые и создают целостную картину новой области исследования. Не менее трудно браться за написание первой книги о такой области, особенно если эта книга адресована широкому кругу читателей, далеких от науки.

Совершенно точно никто из нас не смог бы написать такую книгу в одиночку, поскольку один из нас физик, а другой — биолог. Мы также с уверенностью можем сказать, что не смогли бы издать эту книгу, которой мы оба очень гордимся, если бы не помощь и советы многих людей, и большинство из них — ученые с мировым именем, признанные специалисты в своих исследовательских областях.

Мы безмерно благодарны Полу Дейвису за плодотворные обсуждения многих вопросов, связанных с квантовой механикой и значением ее явлений для биологических процессов, которые он вел с нами на протяжении 15 лет. Мы также благодарны многим физикам, химикам и биологам, которые ежегодно совершают научные прорывы в новой науке и обладают такими талантами и глубокими знаниями в своих исследовательских областях, каких у нас не было и нет. Мы выражаем особую признательность Дженнифер Брукс, Грегори Энджелу, Адаму Годбиру, Сету Ллойду, Александре Олайа-Кастро, Мартину Пленио, Санду Попеску, Торстену Ритцу, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону, Полу Стивенсону, Луке Турину и Влатко Ведралу. Мы также хотим поблагодарить Мирелу Дьюмик, координатора Института перспективных исследований Университета Суррея, которая практически в одиночку организовала международный симпозиум «Квантовая биология: актуальное состояние и возможности», успешно прошедший в Суррее в 2012 году (спонсорами симпозиума выступили IAS, BBSRC (Совет по научно-исследовательским работам в области биотехнологий и биологических наук) и проект MILES). Этот симпозиум позволил встретиться всем ведущим специалистам в области исследований квантовой биологии (новая наука только развивается, поэтому в данной научной области работает небольшое число ученых) и помог нам ощутить, что каждый из нас является частью действительно существующего исследовательского сообщества.

Когда текст данной книги был готов, мы попросили нескольких коллег из перечисленных выше просмотреть книгу и высказать свое мнение. Таким образом, мы выражаем благодарность Мартину Пленио, Дженнифер Брукс, Александре Олайа-Кастро, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону и Луке Турину. Мы также хотим поблагодарить Филипа Бола, Пита Доунза и Грега Ноулза — за то, что они прочитали весь текст или отдельные главы в последней редакции и высказали проницательные комментарии, которые оказались очень важными и помогли нам значительно улучшить книгу. Мы выражаем признательность нашему агенту Патрику Уолшу, без которого эта книга не была бы опубликована, и Салли Гаминара из издательства «Рэндом Хаус» за веру в нас и за искреннюю заинтересованность в нашем проекте. Патрик заслуживает особых благодарностей, как и Кэрри Плитт из издательства «Конвилл и Уолш», за их советы и предложения, касающиеся структуры и формата книги, и за то, какой эта книга получилась, особенно в сравнении с ее первоначальным видом. Мы также выражаем восхищение редакторским талантом Джиллиан Сомерскейлс.

Наконец, мы хотим выразить глубокую благодарность нашим семьям за неоценимую поддержку, особенно в периоды дедлайнов, установленных издателями, а также авторам — самим себе — за то, что мы откладывали все текущие дела и погружались с головой в ноутбуки. Мы потеряли счет вечерам, выходным и семейным праздникам, когда вместо того, чтобы провести время с близкими людьми, мы отдавали его квантовой биологии. Надеемся, что эта книга того стоит.

Мы верим, что самое интересное ожидает и нас, и новую науку — квантовую биологию — впереди, в будущем.

1. Введение

В этом году морозы в Европу пришли рано, вечерний воздух скован пронизывающим холодом. Дремлющие где-то в глубине сознания, пробуждаются целеустремленность и решительность молодой малиновки.

На протяжении нескольких предшествующих недель птица ежедневно съедала гораздо больше насекомых, пауков, червяков и ягод, чем ей обычно требуется. Теперь она весит вдвое больше, чем в августе, когда ее птенцы покинули гнездо. Этот лишний вес в основном составляют жировые запасы, которые понадобятся ей для поддержания сил в предстоящем нелегком путешествии.

Ей впервые предстоит покинуть еловый лес в Центральной Швеции, где она прожила свою пока еще короткую жизнь и где еще несколько месяцев назад вырастила птенцов. К счастью для малиновки, прошлая зима была не такой суровой. Год назад она сама была птенцом и ей не хватило бы сил на столь длинный перелет. Но сейчас, когда родительские обязанности отложены до следующей весны, малиновке нужно думать только о себе и она готова лететь на юг от надвигающейся зимы в поисках более теплого климата.

Прошло несколько часов после захода солнца. Вместо того чтобы устроиться на ночь, птичка в надвигающихся сумерках садится на краешек одной из нижних веток огромного дерева, который служит ей домом с начала весны. Она отряхивается, напоминая при этом атлетку, которая разминает мышцы перед марафоном. Оранжевая грудка птички переливается в свете луны. Совсем рядом, спрятанное за стволом, покрытым мхом, находится ее гнездо. Когда-то она сама свила его невероятными усилиями и с невиданным усердием, но сейчас о них осталось лишь смутное воспоминание.

Не только наша малиновка готовится к перелету. Многие самцы и самки тоже решили, что эта ночь как никакая другая подходит для отправления в долгое путешествие на юг. С соседних деревьев доносится громкое, пронзительное щебетание, заглушающее привычные звуки обитателей леса, ведущих ночной образ жизни. Птицы словно объявляют во всеуслышание о своем отлете, но предупреждают остальных лесных пернатых, чтобы они хорошенько подумали, прежде чем занимать пустые гнезда малиновок во время их отсутствия. Ведь малиновки наверняка планируют вернуться сюда весной.

Малиновка резко поворачивает головку в одну сторону, потом в другую. Путь свободен, и она взмывает в вечернее небо. С приближением зимы ночи становятся длиннее, поэтому птичке придется лететь около десяти часов, прежде чем она позволит себе отдохнуть.

Она разворачивается на 195° и выбирает курс на 15° западнее прямого южного направления. В ближайшее время она будет придерживаться этого курса и в хороший день преодолеет более трехсот километров. Она не имеет ни малейшего понятия ни о том, что ожидает ее в этом долгом путешествии, ни о том, как долго оно продлится. Места, окружающие ее родной ельник, хорошо ей знакомы, но буквально через несколько миль начинается новый для нее пейзаж — озера, долины, города, залитые лунным светом.

Ее путешествие окончится на одном из побережий Средиземного моря. Малиновка вовсе не летит в какие-то определенные края, но, когда она найдет подходящее местечко, она остановится там на зиму и обязательно запомнит окрестности, чтобы из года в год возвращаться сюда. Если у нее хватит сил, она, возможно, долетит до берегов Северной Африки. Но пока это ее первый долгий перелет, и на данный момент ее основная цель — побыстрее улететь подальше от страшных морозов надвигающейся северной зимы.

Кажется, наша путешественница вовсе не замечает других малиновок, которые летят в том же направлении. Многие из этих птиц уже не раз проделывали этот долгий путь. Она прекрасно видит ночью, но сейчас ее не интересуют ни окружающие пейзажи (как интересовали бы нас с вами, если бы мы совершали подобное путешествие), ни узоры звезд на ясном ночном небе. Наша малиновка не прокладывает себе путь по звездам, как это делают многие другие птицы, путешествующие ночью. Миллионы лет эволюции подарили ей замечательный навык, благодаря которому она легко запомнит маршрут длиной три тысячи километров и станет преодолевать его каждый год.

В мире животных миграция — обычное явление. Так, например, каждую зиму в озерах Северной Европы мечут икру миллионы особей лосося. Через некоторое время, разорвав оболочку икринок, мальки отправляются по рекам в моря Северной Атлантики, где они растут и крепнут. Через три года молодые особи лосося возвращаются на нерест в те же реки, где сами появились на свет. Североамериканская бабочка данаида монарх каждую осень мигрирует на большие расстояния, пролетая над всей территорией Соединенных Штатов. По пути данаиды монарх размножаются, и новые поколения бабочек возвращаются на север, к тем же деревьям, где весной окукливались их родители. Зеленые черепахи раз в три года откладывают яйца на песчаных берегах острова Вознесения в Южной Атлантике. Ради того, чтобы их потомство появилось на свет на тех же пляжах, покрытых яичной скорлупой, где однажды родились они сами, черепахи преодолевают расстояние в несколько тысяч километров. Этот ряд можно продолжить: многие виды птиц, киты, северные олени, лангусты, лягушки, саламандры и даже пчелы способны на такие далекие путешествия, от которых захватило бы дух у самых великих первопроходцев из рода человеческого.