Молекула 02 простая. Живые клетки выкидывают квантовые трюки, нарушая законы физики

МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Австрийский физик Эрвин Шредингер в середине прошлого века первым попытался объяснить феномен жизни при помощи квантовой механики. Сейчас накопилось достаточно данных, чтобы строить гипотезы о том, как в организме возникают квантовые эффекты и зачем они вообще там нужны. РИА Новости рассказывает о последних достижениях квантовой биологии.

Кот Шредингера скорее жив

В книге "Что такое жизнь с точки зрения физики?", опубликованной в 1945 году, Шредингер описывает механизм наследственности, мутаций на уровне атомов и молекул через квантовую механику. Это способствовало открытию структуры ДНК и подтолкнуло биологов к созданию собственной теории, основанной на строгих физических принципах и экспериментальных данных. Однако квантовая механика пока остается за ее рамками.

Тем не менее квантовое направление в биологии продолжает развиваться. Его последователи активно ищут квантовые эффекты в реакциях фотосинтеза, физическом механизме обоняния и способности птиц чувствовать магнитное поле Земли.

Фотосинтез

Растения, водоросли и многие бактерии черпают энергию напрямую из солнечного света. Для этого у них есть своеобразные антенны в клеточных мембранах (светособирающие комплексы). Оттуда квант света попадает в реакционный центр внутри клетки и запускает каскад процессов, синтезирующих в итоге молекулу АТФ — универсальное топливо в организме.

Ученые обращают внимание на то, что преобразование квантов света происходит очень эффективно: все фотоны попадают с антенн в состоящий из белков реакционный центр. Туда ведет много путей, но как фотоны выбирают лучший? Может быть, они используют все пути сразу? Значит, нужно допустить наложение разных состояний фотонов друг на друга — квантовую суперпозицию.

Проводились эксперименты с живыми системами в пробирках, возбуждаемыми лазером, чтобы наблюдать квантовую суперпозицию и даже некий "квантовый бит", но результаты получились противоречивыми.

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, Depositphotos

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, Depositphotos

Птичий компас

Птичка под названием "малый веретенник" совершает беспосадочный перелет с Аляски в Новую Зеландию через Тихий океан — 11 тысяч километров. Малейшая ошибка в направлении стоила бы ей жизни.

Установлено, что птицы ориентируются по магнитному полю Земли. Некоторые перелетные певчие виды чувствуют направление магнитного поля с точностью до пяти градусов.

Для объяснения уникальных навигационных способностей ученые выдвинули гипотезу о встроенном птичьем компасе, представляющем собой частицы магнетита в теле.

В соответствии с другой точкой зрения, на сетчатке птичьего глаза есть особые белки-рецепторы, которые включаются под действием солнечного света. Фотоны выбивают из молекул белков электроны, превращая их в свободные радикалы. Те приобретают заряд и, словно магнитики, реагируют на магнитное поле. Его изменение способно переключать пару радикалов между двумя состояниями, которые существуют как бы одновременно. Предполагается, что птицы чувствуют разницу этих "квантовых скачков" и корректируют курс.

Обоняние

Человек различает тысячи запахов, но физические механизмы обоняния до конца не известны. Попадая на слизистую, молекула пахучего вещества встречается с белковой молекулой, каким-то образом ее распознающей и посылающей сигнал нервным клеткам.

Известно примерно 390 типов обонятельных рецепторов человека, которые комбинируются и воспринимают все возможные запахи. Считается, что пахучее вещество словно ключ открывает рецептор-замок. Однако молекула запаха при этом химически не изменяется. Как же рецептор ее опознает? Видимо, он чувствует что-то еще в этой молекуле.

Ученые предположили, что электроны туннелируют (проходят энергетические барьеры без дополнительной энергии) через молекулы запаха и переносят некий информационный код к рецепторам. Попытки соответствующих опытов на плодовых мушках и пчелах пока не дали внятных результатов .

"Поведение любой сложной системы, в частности живой клетки, определяется микроскопическими процессами (химией), а такие процессы можно описать только квантовой механикой. У нас просто нет никакой альтернативы. Другой вопрос, насколько эффективно это описание сегодня. Квантовая механика сложных систем — это называется квантовой информатикой — пока в зачаточном состоянии", — комментирует РИА Новости Юрий Ожигов, сотрудник кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики факультета ВМиК МГУ имени М. В. Ломоносова.

Профессор полагает, что прогрессу в квантовой биологии препятствует то, что современные физические приборы заточены на неживые объекты, опыты на живых системах поставить с их помощью проблематично.

"Надеюсь, это временные трудности", — заключает он.

При расстоянии между атомами, соответствующем длине химической связи, то есть при том расстоянии, которое обнаруживается в реальной молекуле, связывающая МО по энергии всегда ниже, чем отдельные атомы, а разрыхляющая МО всегда выше. Это строгий результат, вытекающий из законов квантовой механики. Будет хорошей аппроксимацией сказать, что уменьшение энергии на связывающей МО равно увеличению энергии на разрыхляющей МО.

На рис. 12.6 представлена простая диаграмма, показывающая, как атомные орбитали объединяются и образуют молекулярные орбитали. Мы будем использовать такого рода диаграммы в последующих главах. Две атомные 1s -орбитали - по одной для каждого атома H - изображены на рисунке слева и справа. Линии, проходящие через них, - это нулевой уровень энергии для молекулярных орбиталей, то есть эти линии соответствуют энергии атомов, когда они разнесены так далеко, что не чувствуют друг друга. В центре изображены энергетические уровни связывающей и разрыхляющей МО. Они обозначен b в случае связывающей орбитали (b - от англ. bonding ) * соединяющие атомные орбитали с МО, показывают, что обе атомные орбитали объединяются и дают две МО, когда атомы образуют молекулу.

Рис. 12.6. Диаграмма энергетических уровней, представляющая объединение двух атомных 1s-орбиталей в связующую и разрыхляющую МО, когда атомы находятся на расстоянии, равном длине химической связи r 0 , которое соответствует энергетическому минимуму для связывающей МО. Связывающая МО ниже по энергии, чем атомные орбитали, а разрыхляющая МО настолько же выше по энергии. Связывающая МО обозначается b , а разрыхляющая МО - *

Диаграмма энергетических уровней МО, приведённая на рис. 12.6, показывает два энергетических состояния, участвующих в образовании молекулы водорода. Однако мы ещё не произвели «заселение» двух электронов. Данная диаграмма аналогична диаграмме энергетических уровней многоэлектронного атома (см. рис. 11.1). Нам даны энергетические уровни, но для понимания того, что получится, нужно ещё расселить по ним электроны. Имеется два электрона - по одному от каждого атома водорода. Мы знаем, что электроны размещаются на самом нижнем доступном энергетическом уровне до тех пор, пока число электронов не нарушает принцип Паули, то есть на каждой орбитали может находиться максимум два электрона со спаренными спинами. Это применимо к МО так же, как и к атомным орбиталям.

b и имеют спаренные спины. Когда атомы разнесены далеко, электроны имеют энергию, соответствующую линиям атомных 1s -орбиталей. Связывающая МО имеет существенно более низкую энергию. Именно это уменьшение энергии обеспечивает целостность молекулы. Два электрона находятся на молекулярной орбитали. Ни один из них не связан с конкретным атомом. Ковалентная связь состоит в совместном использовании электронов атомами.

Рис. 12.7. Диаграмма МО молекулы водорода. Два электрона (стрелки), по одному от каждого атома водорода, занимают низший энергетический уровень, а их спины спарены. Их энергия ниже, чем у отдельных атомов. Тем самым за счёт совместного использования электронов образуется связь

Почему не существует молекулы гелия He 2 ? У каждого из двух отдельных атомов He на 1s -орбитали имеется по два электрона. Поэтому диаграмма МО будет такой же, как на рис. 12.6. Однако теперь нам необходимо расселить по энергетическим уровням МО четыре электрона. На рис. 12.8 представлена диаграмма МО с четырьмя электронами. Первый электрон заселяется на связывающую МО, поскольку это низшее энергетическое состояние. Второй электрон также попадает на связывающую МО со спином, противоположным первому. Принцип Паули гласит, что ни у каких двух электронов не могут совпадать все квантовые числа. Два электрона на связывающей МО имеют разные спиновые квантовые числа: s =+ 1/2 и s =- 1/2 . Существуют только эти два значения спинового квантового числа, так что третий электрон не может попасть на связывающую МО. Он должен занять следующий энергетический уровень, который представлен разрыхляющей МО. Четвёртый электрон также может заселиться на разрыхляющую МО с противоположным спином. Два электрона на связывающей МО имеют энергию ниже, чем в отдельных атомах, но два электрона на разрыхляющей МО повышают энергию ровно настолько, насколько связывающие электроны её понижают. В результате не возникает никакого уменьшения энергии в сравнении с отдельными атомами. Целостность молекулы обеспечивается тем, что связанные атомы имеют более низкую энергию, чем отдельные атомы. В случае атомов гелия уменьшения энергии, которое привело бы к образованию устойчивой конфигурации, не происходит, и поэтому связь не возникает. В следующей главе мы познакомимся с аналогичным поведением благородного газа неона.

Рис. 12.8. Диаграмма МО гипотетической молекулы гелия. Имеется четыре электрона (стрелки), по два от каждого атома гелия. Два из них занимают связывающую МО. Два других в силу принципа Паули отправляются на разрыхляющую МО. В целом уменьшения энергии не происходит, и поэтому связь не возникает

Чтобы оценить прогностические возможности простых диаграмм, таких как изображённые на рис. 12.7 и 12.8, рассмотрим четыре возможные молекулы. Это молекулярный ион водорода H 2 + , молекула водорода H 2 , молекулярный ион гелия He 2 + и молекула He 2 . Молекулярный ион H 2 + состоит из двух ядер водорода (протонов) и одного электрона. Подобно одноатомному катиону Na + , он является положительно заряженным, поскольку электронов у него на один меньше, чем протонов. He 2 + - это молекулярный ион, состоящий из двух ядер гелия (по два протона в каждом) и трёх электронов. Таким образом, в нём имеется четыре положительно заряженных частицы (четыре протона) и три отрицательно заряженных электрона.

На рис. 12.9 представлена диаграмма энергетических уровней МО для этих четырёх молекул. Атомные энергетические уровни опущены. Молекулярный ион H 2 + имеет только один электрон, так что он занимает самый нижний энергетический уровень - связывающую МО. Энергия получается ниже, чем у разделённых атомов, но лишь на величину, примерно вдвое меньшую, чем у молекулы H 2 , которая имеет два электрона на связывающей МО. Молекула H 2 обладает полной ковалентной связью. Говорят, что она имеет порядок связи, равный 1. Молекулярный ион H 2 + имеет порядок связи, равный 1/2 .

Рис. 12.9. Диаграмма энергетических уровней МО для четырёх молекул: молекулярного иона водорода H 2 + , молекулы водорода H 2 , молекулярного иона гелия He 2 + и молекулы He 2

Молекулярный ион He 2 + имеет три электрона. Первые два из них находятся на связывающей МО, но в силу принципа Паули третий электрон должен размещаться на разрыхляющей МО. Два электрона понижают энергию относительно раздельных атомов, но третий электрон повышает эту энергию. В целом имеет место уменьшение энергии. Молекулярный ион He 2 + существует в природе и имеет порядок связи, равный 1/2 . Как уже говорилось, молекула He 2 имеет два связывающих электрона и два разрыхляющих электрона. Связь не возникает, то есть порядок связи равен нулю. Молекулы He 2 не существует.

В табл. 12.1 содержится количественная информация об этих четырёх молекулах. В ней приводятся число связывающих электронов, число разрыхляющих электронов и итоговый результат, равный разности числа связывающих электронов и числа разрыхляющих. В таблице также приводится порядок связи. Последние две колонки особенно интересны.

Таблица 12.1. Свойства молекулярного иона водорода H 2 + , молекулы водорода H 2 , молекулярного иона гелия He 2 + и молекулы He 2

Связ. электроны, Разр. электроны, Разность, Порядок связи, Длина связи, Энергия связи

H 2: 2; 0; 2; 1; 0,74A; 7,2 10 -19 Дж

H 2 + : 1; 0; 1; 1/2 ; 1,06A; 4,2 10 -19 Дж

He 2 + : 2; 1; 1; 1/2 ; 1,08A; 5,4 10 -19 Дж

He 2: 2; 2; 0; 0; Нет; Нет

Данные, приведённые в табл. 12.1, - это результаты экспериментальных измерений. Прежде всего, остановимся на длине химической связи. Она выражена в ангстремах (1 A = 10 -10 м ). Молекулярный ион H 2 + имеет связь порядка 1/2 и длину химической связи 1,06 A. Для сравнения отметим, что молекула H 2 имеет полноценную связь порядка 1 и длину химической связи 0,74 A. Дополнительный электрон на связывающей МО в молекуле H 2 удерживает атомы крепче и потому теснее. Молекулярный ион He 2 + имеет связь порядка 1/2 и длину химической связи 1,08 A, которая лишь незначительно больше, чем у молекулярного иона H 2 + . Конечно, He 2 - это не молекула и поэтому не имеет химической связи. В последнем столбце приведена энергия связи в единицах 10 -19 Дж . Интересна относительная сила связи. Молекула H 2 нать, будет ли существовать связь, и дают информацию о том, насколько сильной она окажется.

В этой главе мы воспользовались представлениями о молекулярных орбиталях для рассмотрения простейших молекул. Обсуждение касалось только атомов, содержащих 1s -электроны. Все остальные атомы и молекулы содержат больше электронов и больше орбиталей. В следующей главе представленные здесь идеи будут использоваться для анализа двухатомных молекул, включающих более крупные атомы, такие как молекула кислорода O 2 и молекула азота N 2 . Эти две молекулы являются основными составляющими воздуха, которым мы дышим.

Духи Молекула 02 считаются одними из самых известных среди ароматов селективной парфюмерии. Построенные на всего лишь одной центральной ноте они подходят и мужчинам, и женщинам.

Аромат Молекула 02

Духи Молекула Эксцентрик 02 были выпущены в продажу в 2008 году и с тех пор не сходят с прилавков. Их создатель – парфюмер Геза Шоен создал аромат вокруг центральной ноты – молекулы амброскана или серой амбры, что и дало название парфюму. Духи позиционируются как и выпускаются во флаконах по 30, 50 и 100 мл. Желая протестировать в магазине парфюм Молекула 02, лучше попросить консультанта брызнуть каплю духов вам на руку, а затем некоторое время походить с ним. Только тогда вы сможете почувствовать, как раскрывается аромат. В противном же случае, на тестовой полоске, вам может показаться, что у духов нет вовсе никакого запаха.

Инновационность состава духов Молекула номер 2 заключается в том, что невозможно выделить три традиционных парфюмерных аккорда в его композиции. Порядок раскрытия, в котором сначала следуют верхние ноты, затем средние – ноты «сердца» – и, наконец, вы слышите позже всех раскрывающиеся, но дольше всего остающиеся базовые ноты, здесь нарушен. В этом селективном парфюме вы все время ощущаете на коже главный компонент, который, в зависимости от различных условий, может звучать по-разному. Состав аромата Молекула 2 можно представить следующим образом:

• центральная нота: амброскан;
• дополнительные ноты: бор, амбринол, древесные ноты.

Духи Молекула 1 или 2?

Немного ранее Молекулы 02 в коллекции ароматов от этого знаменитого парфюмера появились духи Молекула 01. При покупке перед многими встает необходимость выбора из двух этих чарующих и необычных ароматов. Считается, что Молекула 01 – более легкий и летний аромат, а Молекула 02 – более зимний и тяжелый. Действительно, сильнее всего аромат Молекулы 02 раскрывается при контрасте теплой кожи и холодного морозного воздуха, а также после перехода с улицы в теплое помещение. Этот парфюм более плотный, насыщенный, в нем сильнее древесная и амбровая композиция, именно в холодное время года она не звучит слишком удушающе или навязчиво, а раскрывается во всей красе, согревая своим ароматом хозяйку парфюма.