Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Джонджо Макфадден — профессор молекулярной генетики в Суррейском университете, научный редактор ведущих учебных пособий по молекулярной биологии и системной биологии туберкулеза. Более десяти лет занимается исследованиями туберкулеза и менингита, изобрел успешный молекулярный тест для диагностики менингита. За свои открытия удостоен премии Вольфсона от Королевского научного общества Великобритании. Автор и соавтор нескольких научно-популярных книг. Макфадден регулярно публикует в газете Guardian научно-популярные статьи — в частности, о генномодифицированных растениях, психоделических препаратах и квантовой механике.

Atkins P. W. Magnetic field effects // Chemistry in Britain, 1976. — № 12. — P. 214.

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.

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.

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.

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.

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.

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?

Поскольку свет — это не только частицы, но и волна, поляризацию (в отличие от квантового спина) гораздо проще понимать как направление, в котором распространяется волна.

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.

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.

Имеется в виду стол для игры в американский бильярд, или пул.

Свободная энергия — одно из важнейших понятий термодинамики, содержание которого описание, приведенное в данной главе, иллюстрирует достаточно точно.

Стоит отметить, что некоторые биохимики того времени были виталистами.

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.

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.

Один микролитр равен одному миллиметру кубическому.

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.

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.

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.

Именно Макс Борн предложил вероятностную интерпретацию волновой функции Шредингера.

Die Naturwissenschaften, 1932. — Vol. 20. — P. 815–821.

Jordan Pascual, 1938, цит. по: Galison P., Gordin M. and Kaiser D., eds. Quantum Mechanics: Science and Society. — London: Routledge, 2002. — P. 346.

Данный закон записывается уравнением PV = nRT, где n — количество молей газа, R — газовая постоянная, P — давление, V — объем газа и T — температура.

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.

Longuet-Higgins H. C. Quantum mechanics and biology // Biophysical Journal, 1962. — Vol. 2. — P. 207–215.

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.

Приставка нано- означает одну миллиардную часть метра.

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.

Дрожжи — это одноклеточные грибы.

Gross J. How tadpoles lose their tails: path to discovery of the first matrix metalloproteinase // Matrix Biology, 2004. — Vol. 23: 1. — P. 3–13.

Lienhard G. E. Enzymatic catalysis and transition-state theory // Science, 1973. — Vol. 180: 4082. — P. 149–154.

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.

Исходные вещества реакции принято называть веществами, участвующими в реакции, или реагирующими веществами. Однако, если в реакции участвует катализатор (например, фермент), исходное вещество называют субстратом.

Названия многих ферментов начинаются с наименования вещества (субстрата), разрушающегося в ходе реакции, и оканчиваются на — аза. Таким образом, коллагеназа — это фермент, расщепляющий коллаген.

Этот тип связи относится к ковалентной связи.