Жизнь на грани [заметки]
1
Atkins P. W. Magnetic field effects // Chemistry in Britain, 1976. — № 12. — P. 214.
2
Emlen S., Wiltschko W., Demong N. and Wiltschko R. Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings // Science, 1976. — № 193. — P. 505–508.
3
В науке принято относить детерминистские физические теории, которые предшествовали квантовой механике (в том числе специальную и общую теории относительности), к классической физике в отличие от неклассической квантовой механики. — Здесь и далее примеч. авт.
4
Все же неправильно полагать, что туннельный эффект подразумевает преодоление барьеров физическими волнами; способность квантовой частицы в одно мгновение оказаться по другую сторону барьера описывается абстрактными математическими моделями волн. В этой книге мы будем стараться приводить аналогии квантовых явлений, интуитивно понятные читателям, однако реальность такова, что квантовая механика чрезвычайно контринтуитивна, поэтому авторы рискуют слишком упростить некоторые аналогии, пусть и с благородной целью максимально ясного изложения.
5
Все химические элементы имеют разновидности атомов, называемые изотопами. Отдельный элемент выделяется на основе количества протонов в ядре его атомов: атомные ядра водорода содержат один протон, ядра гелия — два и т. д. Однако количество нейтронов, содержащихся в ядре, может варьироваться. Так, водород имеет три разновидности (изотопа): обычно в атоме водорода содержится только протон, а более тяжелые изотопы — дейтерий и тритий — имеют в ядре, кроме протона, один или два нейтрона соответственно.
6
Строго говоря, дейтрон обязан своей стабильностью одному из свойств ядерных сил. Протон и нейтрон связываются благодаря тензорному взаимодействию, которое вынуждает эту пару частиц находиться в квантовой суперпозиции двух одновременных моментов импульса — S-волны и D-волны.
7
Следует оговориться, что специалисты в области квантовой физики не пользуются таким упрощенным языком. Правильнее будет сказать, что две удаленные, но запутанные частицы сохраняют нелокальную взаимозависимость потому, что являются частями одного и того же квантового состояния. Однако такая формулировка мало что проясняет, не правда ли?
8
Поскольку свет — это не только частицы, но и волна, поляризацию (в отличие от квантового спина) гораздо проще понимать как направление, в котором распространяется волна.
9
И вновь мы во многом упрощаем язык изложения, чтобы читатель мог себе представить описываемое максимально ясно. Измерение определенного свойства квантовой частицы (например, ее положения) означает, что у нас больше нет неопределенности относительно этого свойства — оно попадает в центр нашего внимания и перестает быть туманным, неясным. Однако это не означает, что отныне, с измеренным и описанным нами свойством, частица начинает вести себя традиционно, в рамках классической физики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга частица больше не имеет фиксированной скорости. На самом деле частица в определенном положении будет в тот момент времени находиться в состоянии суперпозиции, двигаясь одновременно со всеми возможными скоростями и во всех возможных направлениях. Что касается квантового спина, поскольку это свойство присуще только объектам микромира, его измерение точно не заставит частицу вести себя подобно объекту классической механики.
10
Во второй половине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электрические и магнитные силы представляют собой проявления одной и той же силы — электромагнетизма.
11
Имеется в виду стол для игры в американский бильярд, или пул.
12
Свободная энергия — одно из важнейших понятий термодинамики, содержание которого описание, приведенное в данной главе, иллюстрирует достаточно точно.
13
Стоит отметить, что некоторые биохимики того времени были виталистами.
14
Как ни странно, в то время эксперименты Эвери не были приняты учеными в качестве достаточного доказательства того, что генетическим материалом является именно ДНК. Споры об этом разгорелись с новым жаром лишь во времена Крика и Уотсона.
15
Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, в структуру которого входят углерод, азот, кислород и водород, а также хотя бы одной фосфатной группы. Все эти соединения закреплены на длинной нити ДНК.
16
Один микролитр равен одному миллиметру кубическому.
17
Harris S. Chemical potential: turning carbon dioxide into fuel // The Engineer, 2012. — 9 August. — http://www.theengineer.co.uk/energy-and-environment/in-depth/chemical-potential-turning-carbon-dioxide-into-fuel/1013459.article#ixzz2upriFA00.
18
Кстати, отношение энергии и частоты излучения выражено в уравнении, предложенном Максом Планком в 1900 году: E = ħω, где E — энергия, ω — частота, а ħ — величина, получившая название «постоянная Планка». Из уравнения видно, что величина энергии прямо пропорциональна показателю частоты.
19
Этот процесс называют редукцией или коллапсом волновой функции. В современных работах под этим понятием подразумевается изменение математического описания электрона, а вовсе не физическое разрушение настоящей волны.
20
Именно Макс Борн предложил вероятностную интерпретацию волновой функции Шредингера.
21
Die Naturwissenschaften, 1932. — Vol. 20. — P. 815–821.
22
Jordan Pascual, 1938, цит. по: Galison P., Gordin M. and Kaiser D., eds. Quantum Mechanics: Science and Society. — London: Routledge, 2002. — P. 346.
23
Данный закон записывается уравнением PV = nRT, где n — количество молей газа, R — газовая постоянная, P — давление, V — объем газа и T — температура.
24
Murphy M. P. and O’Neil L. A. J., eds. What is Life? The Next Fifty Years: Speculations on the Future of Biology. — Cambridge: Cambridge University Press, 1995.
25
Longuet-Higgins H. C. Quantum mechanics and biology // Biophysical Journal, 1962. — Vol. 2. — P. 207–215.
26
Feynman R. P., Leighton R. B. and Sands M. L. The Feynman Lectures on Physics. — Reading, MA: Addison-Wesley, 1964. — Vol. 1. — P. 3–6.
27
Приставка нано- означает одну миллиардную часть метра.
28
Schweitzer M. H., Suo Z., Avci R., Asara J. M., Allen M. A., Arce F. T. and Horner J. R. Analyses of soft tissue from Tyrannosaurus rex suggest the presence of protein // Science, 2007. — Vol. 316: 5822. — P. 277–280.
29
Дрожжи — это одноклеточные грибы.
30
Gross J. How tadpoles lose their tails: path to discovery of the first matrix metalloproteinase // Matrix Biology, 2004. — Vol. 23: 1. — P. 3–13.
31
Lienhard G. E. Enzymatic catalysis and transition-state theory // Science, 1973. — Vol. 180: 4082. — P. 149–154.
32
Разумеется, есть несколько очень важных исключений: прежде всего, такие соединения, как кислород, — они постоянно вступают в реакции, однако их запас на нашей планете не иссякает благодаря регулярным процессам, связанным в основном с жизнедеятельностью живых организмов, например растений, выделяющих кислород в атмосферу.
33
Исходные вещества реакции принято называть веществами, участвующими в реакции, или реагирующими веществами. Однако, если в реакции участвует катализатор (например, фермент), исходное вещество называют субстратом.
34
Названия многих ферментов начинаются с наименования вещества (субстрата), разрушающегося в ходе реакции, и оканчиваются на — аза. Таким образом, коллагеназа — это фермент, расщепляющий коллаген.
35
Этот тип связи относится к ковалентной связи.
36
Ионом называют атом или молекулу с электрическим зарядом, который является результатом утраты электронов (положительно заряженный ион) или их приобретения (отрицательно заряженный ион).
37
Tallant C., Marrero A. and Gomis-Ruth F. X. Matrix metalloproteinases: fold and function of their catalytic domains // Biochimica et Biophysica Acta (Molecular Cell Research), 2010. — Vol. 1803: 1. — P. 20–28.
38
Kirby A. J. The potential of catalytic antibodies // Acta Chemica Scandinavica, 1996. — Vol. 50: 3. — P. 203–210.
39
Как вы помните из главы 2, органеллы — это «органы» клетки, ее внутренние структуры, выполняющие определенные функции, например функцию дыхания.
40
DeVault Don and Chance Britton. Studies of photosynthesis using a pulsed laser: I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling // BioPhysics, 1966. — Vol. 6. — P. 825.
41
Большинство ученых пользуются единицей температуры К (кельвин). Изменение температуры на 1 К соответствует изменению на 1 °C. Начало шкалы температуры в кельвинах совпадает с абсолютным нулем, которому по шкале Цельсия соответствует температура –273 °C. Так, например, температура человеческого тела равна 310 К.
42
Hopfield J. J. Electron transfer between biological molecules by thermally activated tunneling // Proceedings of the National Academy of Sciences, 1974. — Vol. 71. — P. 3640–3644.
43
Возможно, у вас возникнет вопрос: зачем объяснять процессы слияния протонов внутри Солнца в терминах квантового туннелирования? Однако даже невероятно высокой внутрисолнечной температуры и давления недостаточно для того, чтобы два положительно заряженных протона преодолели электрическое отталкивание и слились в одно ядро. В таком случае на помощь приходит квантовая механика.
44
Cha Yuan, Murray Christopher J. and Klinman Judith. Hydrogen tunneling in enzyme reactions // Science, 1989. — Vol. 243: 3896. — P. 1325–1330.
45
Masgrau L., Basran J., Hothi P., Sutcliffe M. J. and Scrutton N. S. Hydrogen tunneling in quinoproteins // Archives of Biochemistry and Biophysics, 2004. — Vol. 428: 1. — P. 41–51; Masgrau L., Roujeinikova A., Johannissen L. O., Hothi P., Basran J., Ranaghan K. E., Mulholland A. J., Sutcliffe M. J., Scrutton N. S. and Leys D. Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling // Science, 2006. — Vol. 312: 5771. — P. 237–41.
46
Glowacki David R., Harvey Jeremy N. and Mulholland Adrian J. Taking Ockham’s razor to enzyme dynamics and catalysis // Nature Chemistry, 2012. — Vol. 4. — P. 169–76.
47
Из телесериала ВВС Fun to Imagine 2: Fire (1983), видео доступно по ссылке YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo.
48
Интервью CBC News доступно по ссылке: http://www.cbc.ca/news/technology/quantum-weirdness-used-by-plants-animals-1.912061.
49
Биения представляют собой колебания громкости — своего рода пульсацию, которая образуется двумя нотами практически одинаковой частоты и, таким образом, почти созвучными. Не следует путать биения с ритмом.
50
Щели действительно должны быть очень узкими и располагаться очень близко друг к другу. В опытах, которые проводили в 1990-е годы, экран представлял собой лист золотой фольги, а ширина щелей составляла порядка одного микрометра (одной тысячной миллиметра).
51
Мы допускаем, что датчик имеет 100 %-ную эффективность и точно дает нам знать, что атом проходит через щель, не влияя при этом на траекторию атома. Разумеется, на практике это невозможно, так как мы посредством наблюдения неизбежно нарушим путь прохождения атома, как мы увидим далее.
52
Engel G. S., Calhoun T. R., Read E. L., Ahn T.-K., Mancal T., Cheng Y.-C., Blankenship R. E. and Fleming G. R. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems // Nature, 2007. — Vol. 446. — P. 782–786.
53
Фемтосекунда равна одной миллионной от одной миллиардной секунды, или 10–15 секунд.
54
Задача странствующего моряка состоит в том, чтобы найти кратчайший путь, проходящий через несколько городов. Математически это описывается как задача недетерминированной полиномиальной сложности: это одна из задач, для которых не существует короткого решения, даже теоретического. Единственным способом найти оптимальное решение является полный перебор всех возможных маршрутов с множеством вычислений.
55
Mercer I. P., El-Taha Y. C., Kajumba N., Marangos J. P., Tisch J. W. G., Gabrielsen M., Cogdell R. J., Springate E. and Turcu E. Instantaneous mapping of coherently coupled electronic transitions and energy transfers in a photosynthetic complex using angle-resolved coherent optical wave-mixing // Physical Review Letters, 2009. — Vol. 102: 5.
56
Collini E., Wong C. Y., Wilk K. E., Curmi P. M., Brumer P. and Scholes G. D. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature // Nature, 2010. — Vol. 463: 7281. — P. 644–647.
57
Panitchayangkoon G., Hayes D., Fransted K. A., Caram J. R., Harel E., Wen J., Blankenship R. E. and Engel G. S. Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010. — Vol. 107: 29. — P. 12 766–12 770.
58
Calhoun T. R., Ginsberg N. S., Schlau-Cohen G. S., Cheng Y. C., Ballottari M., Bassi R. and Fleming G. R. Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II // Journal of Physical Chemistry B, 2009. — Vol. 113: 51. — P. 16 291–16 295.
59
Когда мы говорим «сгорание воды», мы, конечно, не имеем в виду, что вода является топливом, как уголь, но мы свободно используем этот термин для описания молекулярного процесса окисления.
60
Тут мы должны сделать оговорку: квантовая механика все еще не может объяснить силу тяготения, так как теория относительности (под которой мы понимаем гравитацию) несовместима с квантовой механикой. Объединение квантовой механики и теории относительности для построения квантовой теории гравитации остается одной из величайших задач современной физики.
61
К сожалению, популярность этого фильма привела к тому, что сохранение рыб-клоунов в дикой природе оказалось под угрозой. Рыбы-клоуны стали излюбленной добычей браконьеров, которые продают любителям аквариумов амфиприонов в больших количествах. Не нужно держать Немо у себя дома! Помните: настоящий дом амфиприонов — коралловый риф!
62
Считается, что при сильных приливах нерест облегчается.
63
Исход, гл. 30, 34–5.
64
Цит. по: Le Guerer A. Scent: The Mysterious and Essential Power of Smell. — N.Y.: Kodadsha America Inc., 1994. — P. 12.
65
1-метил-4-(1-метилэтиленил) — циклогексен.
66
1 пикоампер равен 10–12 ампер.
67
Eisner R. Richard Axel: one of the nobility in science // P & S Columbia University College of Physicians and Surgeons, 2005. — Vol. 25: 1.
68
В данном контексте экспрессия означает активность гена в процессе преобразования информации в РНК, которая запускает механизм синтеза белка, кодируемого данным геном, например фермента или обонятельного рецептора.
69
Традиционно мускус получали из нескольких естественных источников, в том числе половых желез мускусного оленя, лицевых желез мускусного быка, испражнений лесной куницы и мочи барсука. Тем не менее в наше время в парфюмерии применяется только синтетический мускус.
70
Sell C. S. On the unpredictability of odor // Angewandte Chemie, International Edition (English), 2006. — Vol. 45: 38. — P. 6254–6261.
71
Хиральные молекулы не совмещаются в пространстве со своим зеркальным отражением.
72
Если быть точными, Хендрикс играл на обычной гитаре, перевернув ее в другую сторону и переставив струны так, что ми большой октавы оказывалась нижней струной, как и на левосторонней гитаре.
73
Mori K. and Shepherd G. M. Emerging principles of molecular signal processing by mitral/tufted cells in the olfactory bulb // Seminars in Cell Biology, 1994. — Vol. 5: 1. — P. 65–74.
74
Например, (4S,4aS,8aR)-(K) — геосмин и его зеркальный изомер (4R,4aR,8aS)-(C) — геосмин имеют одинаковый специфический запах сырой земли.
75
Turin L. The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell. — London: Faber & Faber, 2006. — P.4.
76
Turin L. A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception // Chemical Senses, 1996. — Vol. 21: 6. — P. 773–791.
77
Turin. The Secret of Scent. — P. 176.
78
Burr C. The Emperor of Scent: A True Story of Perfume and Obsession. — N.Y.: Random House, 2003.
79
Keller A. and Vosshall L. B. A psychophysical test of the vibration theory of olfaction // Nature Neuroscience, 2004. — Vol. 7: 4. — P. 337–338.
80
От термина «аносмия», обозначающего отсутствие способности различать запахи. Приобретенная аносмия обычно связана с поражением назального эпителия. Врожденная аносмия встречается редко.
81
Franco M. I., Turin L., Mershin A. and Skoulakis E. M. Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction // Proceedings of the National Academy of Science, 2011. — Vol. 108: 9. — P. 3797–3802.
82
Brookes J. C., Hartoutsiou F., Horsfield A. P. and Stoneham A. M. Could humans recognize odor by phonon assisted tunneling? // Physical Review Letters, 2007. — Vol. 98: 3.
83
Urquhart F. A. Found at last: the monarch’s winter home // National geographic. — Aug. 1976.
84
Stanewsky R., Kaneko M., Emery P., Beretta B., Wager-Smith K., Kay S. A., Rosbash M. and Hall J. C. The cryb mutation identifies cryptochrome as a circadian photoreceptor in Drosophila // Cell, 1998. — Vol. 95: 5. — P. 681–692.
85
Zhu H., Sauman I., Yuan Q., Casselman A., Emery-Le M., Emery P. and Reppert S. M. Cryptochromes define a novel circadian clock mechanism in monarch butterflies that may underlie sun compass navigation // PLOS Biology, 2008. — Vol. 6: 1.
86
Reppert D. M., Gegear R. J. and Merlin C. Navigational mechanisms of migrating monarch butterflies // Trends in Neurosciences, 2010. — Vol. 33: 9. — P. 399–406.
87
Guerra P. A., Gegear R. J. and Reppert S. M. A magnetic compass aids monarch butterfly migration // Nature Communications, 2014. — Vol. 5: 4164. — P. 1–8.
88
Middendorf A. T. von. Die Isepiptesen Russlands Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands. — St Petersburg, 1853.
89
Yeagley H. L. and Whitmore F. C. A preliminary study of a physical basis of bird navigation // Journal of Applied Physics, 1947. — Vol. 18: 1035.
90
Walker M. M., Diebel C. E., Haugh C. V., Pankhurst P. M., Montgomery J. C. and Green C. R. Structure and function of the vertebrate magnetic sense // Nature, 1997. — Vol. 390: 6658. — P. 371–376.
91
Hanzlik M., Heunemann C., Holtkamp-Rotzler E., Winklhofer M., Petersen N. and Fleissner G. Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons // Biometals, 2000. — Vol. 13: 4. — P. 325–331.
92
Mora C. V., Davison M., Wild J. M. and Walker M. M. Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon // Nature, 2004. — Vol. 432. — P. 508–511.
93
Treiber C., Salzer M., Riegler J., Edelman N., Sugar C., Breuss M., Pichler P., Cadiou H., Saunders M., Lythgoe M., Shaw J. and Keays D. A. Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons // Nature, 2012. — Vol. 484. — P. 367–370.
94
Не путать с Эмленом Таннелом, великим американским футболистом 1950-х годов.
95
Emlen S. T., Wiltschko W., Demong N. J., Wiltschko R. and Bergman S. Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings // Science, 1976. — Vol. 193: 4252. — P. 505–508.
96
Pollack L. That nest of wires we call the imagination: a history of some key scientists behind the bird compass sense. — May 2012. — P. 5: http://www.ks.uiuc.edu/History/magnetoreception.
97
Pollack L. That nest of wires we call the imagination: a history of some key scientists behind the bird compass sense. — May 2012, p. 6.
98
Schulten K., Staerk H., Weller A., Werner H.-J. and Nickel B. Magnetic field dependence of the geminate recombination of radical ion pairs in polar solvents // Zeitschrift für Physikale Chemie, 1976. — Vol. 101. — P. 371–390.
99
Pollack L. That nest of wires we call the imagination. — P. 11.
100
Schulten K., Swenberg C. E. and Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion // Zeitschrift für Physikale Chemie, 1978. — Vol. 111. — P. 1–5.
101
Термин «триплетный» здесь может ввести в заблуждение неспециалиста в квантовой механике, тем более что речь идет о паре электронов, так что здесь необходимо краткое пояснение: считается, что электрон имеет спин 1/2. Так, когда пара электронов имеют противоположные спины, эти значения в сумме дают ноль (1/2 — 1/2 = 0). Это касается синглетного спинового состояния. Но когда их спины однонаправленны, эти значения складываются (1/2 + 1/2 = 1). Термин «триплетный» относится к тому, что комбинированный спин 1 может быть в трех возможных направлениях (по полю, против поля, в сторону).
102
Два неспаренных электрона в молекуле кислорода, которые держат два атома вместе, обычно находятся в триплетном состоянии.
103
From Hore P. The quantum robin // Navigation News. — Oct. 2011.
104
Lambert N. Quantum biology // Nature Physics, 2013. — Vol. 9: 10. И источники, упомянутые в данном издании.
105
Leask M. J. M. A physicochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons // Nature, 1977. — Vol. 267. — P. 144–145.
106
Ritz T., Adem S. and Schulten K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds // Biophysical Journal, 2000. — Vol. 78: 2. — P. 707–718.
107
Liedvogel M., Maeda K., Henbest K., Schleicher E., Simon T., Timmel C. R., Hore P. J. and Mouritsen H. Chemical magnetoreception: bird cryptochrome 1a is excited by blue light and forms long-lived radicalpairs // PLOS One, 2007. — Vol. 2: 10.
108
Куры, конечно, не мигрируют, даже в дикой природе. Но они, оказывается, по-прежнему сохранили способность к магниторецепции.
109
Nießner C., Denzau S., Stapput K., Ahmad M., Peichl L., Wiltschko W. and Wiltschko R. Magnetoreception: activated cryptochrome 1a concurs with magnetic orientation in birds // Journal of the Royal Society Interface, 2013. — Nov. 6. — Vol. 10: 88.
110
Ritz T., Thalau P., Phillips J. B., Wiltschko R. and Wiltschko W. Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass // Nature, 2004. — Vol. 429. — P. 177–180.
111
Engels S., Schneider N.-L., Lefeldt N., Hein C. M., Zapka M., Michalik A., Elbers D., Kittel A., Hore P. J. and Mouritsen H. Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird // Nature, 2014. — Vol. 509. — P. 353–356.
112
Gauger E. M., Rieper E., Morton J. J., Benjamin S. C. and Vedral V. Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass // Physical Review Letters, 2011. — Vol. 106: 4.
113
Ahmad M., Galland P., Ritz T., Wiltschko R. and Wiltschko W. Magnetic intensity affects cryptochrome-dependent responses in Arabidopsis thaliana // Planta, 2007. — Vol. 225: 3. — P. 615–624.
114
Vacha M., Puzova T. and Kvicalova M. Radio frequency magnetic fields disrupt magnetoreception in American cockroach // Journal of Experimental Biology, 2009. — Vol. 212: 21. — P. 3473–3477.
115
По новым данным, в 2010 году в том же районе было уже менее 93°: https://ru.wikipedia.org/wiki/Полюсы_холода. — Примеч. пер.
116
Дно ледника, непосредственно накрывающего озеро, образовалось более чем 400 тысяч лет назад, однако само озеро могло замерзнуть еще раньше. Пока неясно, этот ли ледник накрыл озеро изначально, или он пришел на смену более ранним ледникам, а также замерзало ли озеро в перерыве между ледниковыми периодами.
117
Организмы, живущие в средах с экстремальными (с точки зрения человека) условиями.
118
Shtarkman Y. M., Kocer Z. A., Edgar R., Veerapaneni R. S., D’Elia T., Morris P. F. and Rogers S. O. Subglacial Lake Vostok (Antarctica) accretion ice contains a diverse set of sequences from aquatic, marine and sediment-inhabiting bacteria and eukarya // PLOS One, 2013. — Vol. 8: 7.
119
Онкологические заболевания возникают вследствие мутаций в генах, контролирующих рост клеток. Мутации приводят к неконтролируемому росту клеток и, следовательно, к возникновению опухоли.
120
Watson J. D. and Crick F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid // Nature, 1953. — Vol. 171. — P. 737–738.
121
Разумеется, новая теория эволюции с таким же успехом могла бы называться теорией естественного отбора Уоллеса, по имени великого британского натуралиста и географа Альфреда Рассела Уоллеса, который, путешествуя в тропиках, подхватил малярию и, проходя лечение в больнице и рассуждая о выживании, пришел к тем же идеям, что и Дарвин.
122
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. Пер. с англ. 6-го изд. [1872]. — СПб.: 1991. Глава 4.
123
Термин «генетический» был предложен в 1905 году Уильямом Бэтсоном, английским генетиком и сторонником идей Менделя. Термин «ген» был введен в научный оборот четырьмя годами позже датским ботаником Вильгельмом Иогансеном для различения совокупности внешних признаков индивида (его фенотипа) и его генов (генотипа).
124
Watson J. D. and Crick F. H. C. Genetic implications of the structure of deoxyribonucleic acid // Nature, 1953. — Vol. 171. — P. 964–969.
125
Альтернативные таутомерические соединения гуанина и тимина называют также енольной формой или кетоформой в зависимости от положения протонов; таутомеры цитозина и аденина называют кетоформой или аминоформой.
126
Wang W., Hellinga H. W. and Beese L. S. Structural evidence for the rare tautomer hypothesis of spontaneous mutagenesis // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. — Vol. 108: 43. — P. 17 644–17 648.
127
Datta A. and Jinks-Robertson S. Association of increased spontaneous mutation rates with high levels of transcription in yeast // Science, 1995. — Vol. 268: 5217. — P. 1616–1619.
128
Bachl J., Carlson C., Gray-Schopfer V., Dessing M. and Olsson C. Increased transcription levels induce higher mutation rates in a hypermutating cell line // Journal of Immunology, 2001. — Vol. 166: 8.
129
Cui P., Ding F., Lin Q., Zhang L., Li A., Zhang Z., Hu S. and Yu J. Distinct contributions of replication and transcription to mutation rate variation of human genomes // Genomics, Proteomics and Bioinformatics, 2012. — Vol. 10: 1. — P. 4–10.
130
Cairns J., Overbaugh J. and Millar S. The origin of mutants // Nature, 1988. — Vol. 335. — P. 142–145.
131
Cairns John on Watson Jim. Cold Spring Harbor Oral History Collection. Интервью доступно по ссылке: http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/james-d-watson/meeting-jim-watson/watson/.
132
Gribbin J. In Search of Schrödinger’s Cat. — London: Wildwood House, 1984; repr. Black Swan, 2012.
133
Escherichia coli.
134
Имеется в виду модель, не имеющая строгой математической базы.
135
McFadden J. and Al-Khalili J. A quantum mechanical model of adaptive mutation // Biosystems, 1999. — Vol. 50: 3. — P. 203–211.
136
На самом деле в образовании пары оснований участвуют несколько водородных связей, однако приводимое нами сравнение работает и в упрощенной форме, если свести модель водородной связи к одному протону.
137
Голодающие бактерии, испытывающие стресс, могут продолжать попытки копировать собственную ДНК, однако попытки репликации будут, скорее всего, неудачными ввиду нехватки ресурсов для организации процесса, поэтому клетка будет создавать лишь короткие цепочки, соответствующие нескольким генам.
138
McFadden J. Quantum Evolution. — London: HarperCollins, 2000.
139
Критический обзор книги опубликован здесь: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101019 ответ авторов можно найти по ссылке: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0110083.
140
Hendrickson H., Slechta E. S., Bergthorsson U., Andersson D. I. and Roth J. R. Amplification-mutagenesis: evidence that «directed» adaptive mutation and general hypermutability result from growth with a selected gene amplification // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2002. — Vol. 99: 4.
141
Например, Stumpf J. D., Poteete A. R. and Foster P. L. Amplification of lac cannot account for adaptive mutation to Lac+ in Escherichia coli // Journal of Bacteriology, 2007. — Vol. 189: 6.
142
Например, Kryachko E. S. The origin of spontaneous point mutations in DNA via Lowdin mechanism of proton tunneling in DNA base pairs: cure with covalent base pairing // International Journal Of Quantum Chemistry, 2002. — Vol. 90: 2; Zhao Zhen Min, Zhang Qi Ren, Gao Chun Yuan and Zhuo Yi Zhong. Motion of the hydrogen bond proton in cytosine and the transition between its normal and imino states // Physics Letters A, 2006. — Vol. 359: 1. — P. 10–13.
143
Один из самых интересных вопросов современной квантовой биологии — сама ли жизнь «обнаружила» квантовые преимущества, или квантовая механика случайно оказалась бок о бок с генетикой.
144
Интервью для the Los Angeles Times, 14 февраля 1995 года.
145
К удивлению киноманов, фильм Херцога снят в 3D.
146
Цит. по: Hadamard J. Essay on the Psychology of Invention in the Mathematical Field. — Princeton: Princeton University Press, 1945. However, according to Daniel Dennett in ‘Memes and the exploitation of imagination’, Journal of Aesthetics and Art Criticism, 1999. — Vol. 48.
147
McFadden J. The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning // Journal of Consciousness Studies, 2013. — Vol. 20: 3–4. — P. 152–182.
148
Chauvet et al. Dawn of Art.
149
Kinsbourne M. Integrated cortical field model of consciousness // Experimental and Theoretical Studies of Consciousness, CIBA Foundation Symposium No. 174. — Chichester: Wiley, 2008.
150
Размеры Интернета не так легко оценить, но каждая веб-страница в настоящее время ссылается в среднем на чуть менее сотни других страниц, в то время как нейроны имеют синаптические связи с тысячами других нейронов. Таким образом, если говорить о связях, то их около триллиона между веб-страницами и примерно в сотни раз больше между нейронами в человеческом мозге. Но Интернет удваивается в размере каждые несколько лет, поэтому ожидается, что он будет соперничать по сложности с человеческим мозгом в течение ближайших десяти лет. Станет ли Интернет тогда сознательным?
151
Для читателя-физика: описанное нами здесь является сферой Блоха.
152
В действительности нити представляют собой математическую зависимость между фазой и амплитудой запутанных кубитов, представленную в уравнении Шредингера.
153
Saeedi K., Simmons S., Salvail J. Z., Dluhy P., Riemann H., Abrosimov N. V., Becker P., Pohl H.-J., Morton J. J. L. and Thewalt M. L. W. Room-temperature quantum bit storage exceeding 29 minutes using ionized donors in silicon-28 // Science, 2013. — Vol. 342: 6160.
154
Hofstadter D., Escher Gödel. Bach: An Eternal Golden Braid. — N. Y: Basic Books, 1999; first publ. 1979.
155
Penrose R. Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness. — Oxford: Oxford University Press, 1994.
156
Джонджо [Макфадден], пользуясь случаем, хотел бы извиниться перед Хамероффом за ошибочное написание его имени в книге «Квантовая эволюция».
157
Hameroff S. Quantum computation in brain microtubules? The Penrose — Hameroff «Orch OR» model of consciousness // Philosophical Transactions of the Royal Society Series A, 1998. — Vol. 356: 174; Hameroff S. and Penrose R. Consciousness in the universe: a review of the «Orch OR» theory // Physics of Life Reviews, 2014. — Vol. 11.
158
Это еще одна сложная концепция, но Пенроуз предложил совершенно особенную интерпретацию проблемы измерения в квантовой механике, предположив, что в достаточно сложных (и, следовательно, более массивных) квантовых системах их гравитационное влияние на пространство-время создает возмущение, которое разрушает волновую функцию, превращая квант в классическую систему, и что этот процесс порождает наши мысли. Подробности этой экстраординарной теории хорошо описаны в книгах Пенроуза, но стоит сказать, что его предложение имеет на сегодняшний день мало приверженцев среди исследователей квантовой физики.
159
Tegmark M. Importance of quantum decoherence in brain processes // Physical Review E, 2000. — Vol. 61.
160
Пикосекунда — это одна миллионная от одной миллионной доли (или 10–12) секунды.
161
Смотреть, например, Litt A., Eliasmith C., Kroon F. W., Weinstein S. and Thagard P. Is the brain a quantum computer? // Cognitive Science, 2006. — Vol. 30: 3.
162
Bernroider G. and Summhammer J. Can quantum entanglement between ion transition states effect action potential initiation? // Cognitive Computation, 2012. — Vol. 4.
163
McFadden J. Synchronous firing and its influence on the brain’s electromagnetic field: evidence for an electromagnetic theory of consciousness // Journal of Consciousness Studies, 2002. — Vol. 9. — P. 23–50; Pockett S. The Nature of Consciousness: A Hypothesis. — Lincoln, NE: Writers Club Press, 2000; John E. R. A field theory of consciousness // Consciousness and Cognition, 2001. — Vol. 10: 2; McFadden J. The CEMI field theory closing the loop // Journal of Consciousness Studies, 2013. — Vol. 20: 1–2. — P. 153–168.
164
McFadden J. The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning.
165
Anastassiou C. A., Perin R., Markram H. and Koch C. Ephaptic coupling of cortical neurons // Nature Neuroscience, 2011. — Vol. 14: 2. — P. 217–223; Frohlich F. and McCormick D. A. Endogenous electric fields may guide neocortical network activity // Neuron, 2010. — Vol. 67: 1. — P. 129–143.
166
McFadden J. The CEMI field theory closing the loop.
167
Singer W. Consciousness and the structure of neuronal representations // Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 1998. — Vol. 353: 1377. — P. 1829–1840.
168
Земля, как полагают, сформировалась из остатков звезды около 4,5 миллиарда лет назад, но на формирование твердой земной коры ушло около полутора миллиардов лет.
169
Miller S. L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions // Science, 1953. — Vol. 117: 3046. — P. 528–529.
170
Это исключает вирусы, которые могут реплицироваться только с помощью живой клетки.
171
Cairns-Smith S. L. Seven Clues to the Origin of Life: A Scientific Detective Story. — Cambridge: Cambridge University Press, 1985; new edn 1990.
172
McFadden J. Quantum Evolution; McFadden J. and Al-Khalili J. Quantum coherence and the search for the first replicator // in D. Abbott, P. C. Davies and A. K. Patki, eds. Quantum Aspects of Life. — London: Imperial College Press, 2008.
173
Patel A. Quantum algorithms and the genetic code // Pramana Journal of Physics, 2001. — Vol. 56. — P. 367–381; available at: http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002037.pdf.
174
Термин, используемый для обозначения беспорядочных молекулярных вибраций.
175
Из песни The Beach Boys «Good vibrations».
176
Амплитуда колебаний достаточно мала, поэтому распространение помех не сопровождается передачей большого количества энергии.
177
Plenio M. B. and Huelga S. F. Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules // New Journal of Physics, 2008. — Vol. 10; Caruso F., Chin A. W., Datta A., Huelga S. F. and Plenio M. B. Highly efficient energy excitation transfer in light-harvesting complexes: the fundamental role of noise-assisted transport // Journal of Chemical Physics, 2009. — Vol. 131.
178
Mohseni M., Rebentrost P., Lloyd S. and Aspuru-Guzik A. Environmentassisted quantum walks in photosynthetic energy transfer // Journal of Chemical Physics, 2008. — Vol. 129: 17.
179
Misra B. and Sudarshan G. The Zeno paradox in quantum theory // Journal of Mathematical Physics, 1977. — Vol. 18. — P. 746: http://dx.doi.org/10.1063/1.523304.
180
Lloyd S., Mohseni M., Shabani A. and Rabitz H. The quantum Goldilocks effect: on the convergence of timescales in quantum transport. — 2011.
181
Chin A. W., Huelga S. F. and Plenio M. B. Coherence and decoherence in biological systems: principles of noise-assisted transport and the origin of long-lived coherences // Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2012. — Vol. 370; Chin A. W., Prior J., Rosenbach R., Caycedo-Soler F., Huelga S. F. and Plenio M. B. The role of non-equilibrium vibrational structures in electronic coherence and recoherence in pigment-protein complexes // Nature Physics, 2013. — Vol. 9: 2. — P. 113–118.
182
O’Reilly E. J. and Olaya-Castro A. Non-classicality of molecular vibrations activating electronic dynamics at room temperature // Nature Communications, 2014. — Vol. 5.
183
Stewart I. Does God Play Dice? The New Mathematics of Chaos. — Harmondsworth: Penguin UK, 1997; Kauffman S. The Origins of Order: Self-Organization and Selection in EVolution. — N.Y.: Oxford University Press, 1993; Gleick J. Chaos: Making a New Science. — N.Y.: Random House, 1997.
184
Scully M. O., Chapin K. R., Dorfman K. E., Kim M. B. and Svidzinsky A. Quantum heat engine power can be increased by noise-induced coherence // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. — Vol. 108: 37.
185
Dorfman K. E., Voronine D. V., Mukamel S. and Scully M. O. Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013. — Vol. 110: 8.
186
Растения имеют фотосистемы двух разновидностей — I и II.
187
Ferretti M., Novoderezhkin V. I., Romero E., Augulis R., Pandit A., Zigmantas D. and Grondelle R. Van. The nature of coherences in the B820 bacteriochlorophyll dimer revealed by two-dimensional electronic spectroscopy // Physical Chemistry Chemical Physics, 2014. — Vol. 16.
188
Pudney C. R., Guerriero A., Baxter N. J., Johannissen L. O., Waltho J. P., Hay S. and Scrutton N. S. Fast protein motions are coupled to enzyme H-transfer reactions // Journal of the American Chemical Society, 2013. — Vol. 135.
189
Klinman J. P. and Kohen A. Hydrogen tunnelling links protein dynamics to enzyme catalysis // Annual Review of Biochemistry, 2013. — Vol. 82. — P. 471–496.
190
Armstrong R. and Spiller N. Living quarters // Nature, 2010. — Vol. 467. — P. 916–919.
191
Ludec S. The Mechanism of Life. — London: William Heinemann, 1914.
192
Toyota T., Maru N., Hanczyc M. M., Ikegami T. and Sugawara T. Selfpropelled oil droplets consuming «fuel» surfactant // Journal of the American Chemical Society, 2009. — Vol. 131: 14.
193
Chen I. A., Salehi-Ashtiani K. and Szostak J. W. RNA catalysis in model protocell vesicles // Journal of the American Chemical Society, 2005. — Vol. 127: 38.
194
Peters R. J., Marguet M., Marais S., Fraaije M. W., Hest J. C. van and Lecommandoux S. Cascade reactions in multicompartmentalized polymersomes // Angewandte Chemie International Edition (English), 2014. — Vol. 53: 1. — P. 146–150.
195
Hayes D., Griffin G. B. and Engel G. S. Engineering coherence among excited states in synthetic heterodimer systems // Science, 2013. — Vol. 340: 6139.
196
Dorfman et al. Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine.
197
Creatore C., Parker M. A., Emmott S. and Chin A. W. An efficient biologically-inspired photocell enhanced by quantum coherence. — 2013.
198
Tan C., Saurabh S., Bruchez M. P., Schwartz R. and Leduc P. Molecular crowding shapes gene expression in synthetic cellular nanosystems // Nature Nanotechnology, 2013. — Vol. 8: 8. — P. 602–608; Cheung M. S., Klimov D. and Thirumalai D. Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2005. — Vol. 102: 13.
Фантастические масштабы и диапазон тем, которыми занимается современная физика, поражают воображение. Мы знаем, из чего состоит всё (или почти всё), что нас окружает, видим невидимое, исследуем связи всех кубиков мироздания, можем проследить эволюцию Вселенной чуть ли не с момента зарождения пространства и времени, а законы физики позволяют создавать технологии, которые меняют нашу жизнь. Всё, что окружает вас в настоящий момент, всё, что создало или построило человечество, стало реальностью благодаря нашему понимаю законов природы – сил, участвующих в формировании мира и свойств материи, на которую эти силы воздействуют.
История ДНК – это сага, полная блестящих научных открытий, невероятных случайностей, грубых ошибок. Она начинается с обнаружения нуклеина в конце 1860-х годов и заканчивается публикацией книги Джеймса Уотсона «Двойная спираль» в 1968 году. За эти 100 лет появились Нобелевская премия, антибиотики, рентгеновская кристаллография, радар и атомная бомба, не говоря уже о том, что прошли две разрушительные мировые войны, – и каждое из этих событий повлияло на открытие ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разгадали загадку двойной спирали, но Гарет Уильямс показывает, что их вклад был последним кусочком гигантского пазла, который собирали несколько десятилетий многие забытые историей ученые.
«Любая история, в том числе история развития жизни на Земле, – это замысловатое переплетение причин и следствий. Убери что-то одно, и все остальное изменится до неузнаваемости» – с этих слов и знаменитого примера с бабочкой из рассказа Рэя Брэдбери палеоэнтомолог Александр Храмов начинает свой удивительный рассказ о шестиногих хозяевах планеты. Мы отмахиваемся от мух и комаров, сражаемся с тараканами, обходим стороной муравейники, что уж говорить о вшах! Только не будь вшей, человек остался бы волосатым, как шимпанзе.
Что такое, в сущности, лес, откуда у людей с ним такая тесная связь? Для человека это не просто источник сырья или зеленый фитнес-центр – лес может стать местом духовных исканий, служить исцелению и просвещению. Биолог, эколог и журналист Адриане Лохнер рассматривает лес с культурно-исторической и с научной точек зрения. Вы узнаете, как устроена лесная экосистема, познакомитесь с различными типами леса, характеризующимися по составу видов деревьев и по условиям окружающей среды, а также с видами лесопользования и с некоторыми аспектами охраны лесов. «Когда видишь зеленые вершины холмов, которые волнами катятся до горизонта, вдруг охватывает оптимизм.
О чем рассказал бы вам ветеринарный врач, если бы вы оказались с ним в неформальной обстановке за рюмочкой крепкого не чая? Если вы восхищаетесь необыкновенными рассказами и вкусным ироничным слогом Джеральда Даррелла, обожаете невыдуманные истории из жизни людей и животных, хотите заглянуть за кулисы одной из самых непростых и важных профессий – ветеринарного врача, – эта книга точно для вас! Веселые и грустные рассказы Алексея Анатольевича Калиновского о людях, с которыми ему довелось встречаться в жизни, о животных, которых ему посчастливилось лечить, и о невероятных ситуациях, которые случались в его ветеринарной практике, захватывают с первых строк и погружают в атмосферу доверительной беседы со старым другом! В формате PDF A4 сохранен издательский макет.
Это книга о бродячих псах. Отношения между человеком и собакой не столь идилличны, как это может показаться на первый взгляд, глубоко в историю человечества уходит достаточно спорный вопрос, о том, кто кого приручил. Но рядом с человеком и сегодня живут потомки тех первых неприрученных собак, сохранившие свои повадки, — бродячие псы. По их следам — не считая тех случаев, когда он от них улепетывал, — автор книги колесит по свету — от пригородов Москвы до австралийских пустынь.Издание осуществлено в рамках программы «Пушкин» при поддержке Министерства иностранных дел Франции и посольства Франции в России.
В книге рассказывается история главного героя, который сталкивается с различными проблемами и препятствиями на протяжении всего своего путешествия. По пути он встречает множество второстепенных персонажей, которые играют важные роли в истории. Благодаря опыту главного героя книга исследует такие темы, как любовь, потеря, надежда и стойкость. По мере того, как главный герой преодолевает свои трудности, он усваивает ценные уроки жизни и растет как личность.
Что такое время в современном понимании и почему оно обладает именно такими свойствами? Почему время всегда двигается в одном направлении? Почему существуют необратимые процессы? Двадцать лет назад Стивен Хокинг пытался объяснить время через теорию Большого Взрыва. Теперь Шон Кэрролл, один из ведущих физиков-теоретиков современности, познакомит вас с восхитительной парадигмой теории стрелы времени, которая охватывает предметы из энтропии квантовой механики к путешествию во времени в теории информации и смысла жизни. Книга «Вечность.
Испокон веков люди обращали взоры к звездам и размышляли, почему мы здесь и одни ли мы во Вселенной. Нам свойственно задумываться о том, почему существуют растения и животные, откуда мы пришли, кто были наши предки и что ждет нас впереди. Пусть ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и вообще всего не 42, как утверждал когда-то Дуглас Адамс, но он не менее краток и загадочен — митохондрии.Они показывают нам, как возникла жизнь на нашей планете. Они объясняют, почему бактерии так долго царили на ней и почему эволюция, скорее всего, не поднялась выше уровня бактериальной слизи нигде во Вселенной.
«Карло Ровелли – это человек, который сделал физику сексуальной, ученый, которого мы называем следующим Стивеном Хокингом». – The Times Magazine Что есть время и пространство? Откуда берется материя? Что такое реальность? «Главный парадокс науки состоит в том, что, открывая нам твердые и надежные знания о природе, она в то же время стремительно меняет ею же созданные представления о реальности. Эта парадоксальность как нельзя лучше отражена в книге Карло Ровелли, которая посвящена самой острой проблеме современной фундаментальной физики – поискам квантовой теории гравитации. Упоминание этого названия многие слышали в сериале “Теория Большого взрыва”, но узнать, в чем смысл петлевой гравитации, было почти негде.
Надеемся, что отсутствие формул в книге не отпугнет потенциальных читателей. Шон Кэрролл – физик-теоретик и один из самых известных в мире популяризаторов науки – заставляет нас по-новому взглянуть на физику. Столкновение с главной загадкой квантовой механики полностью поменяет наши представления о пространстве и времени. Большинство физиков не сознают неприятный факт: их любимая наука находится в кризисе с 1927 года. В квантовой механике с самого начала существовали бросающиеся в глаза пробелы, которые просто игнорировались.