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.

Привет, девочки!

Вот обещанный отзыв о тех духах, которые вызвали огромный резонанс и большое количество дискуссий.

О бренде Escentric Molecules известно давно, о серой амбре еще раньше. Геза Шоен, взяв за основу синтетический аналог серой амбры - амброксан, создал вторую линию своих известных на весь мир духов (сознательно обхожу первую линию, ибо она на мне не звучит).

Разбора состава здесь не будет, но об амброксане напишу - что это, с чем его едят и т.д. Как известно, серая амбра является природным афродизиаком, но очень дорогим. Поэтому ее синтезировали и получился амброксан.

Амброксин или амброксан - особая молекула, которая дает очень разный аромат со множеством граней: амбра, мускус, древесные ароматы. Какой запах будет превалировать - зависит от состава духов и соседних ингредиентов.

Это основной компонент в Molecule 02 и Escentic 02. В чем же разница между двумя ароматами? В Molecule 02 мы имеет только амброксан и парфюмерную основу. Он практически не слышится (лично для меня) и идет очень близко к коже.

Но теперь речь пойдет о герое отзыва. В Escentic 02 помимо амброксана есть в составе известная Iso E Super, лабданум, пачули и кедр (это не все ингредиенты).

Я очень долго хотела этот аромат, с того момента, как прыснула его на запястье (аромат играет только на коже, поэтому не тестируйте его на блоттере). Запах был... ну да, наверное немного мужским. Сначала чувствуется цитрус, потом кислинка, а потом он раскрывается и больше я ничего не различаю и различать не хочу.

Он завораживает. Он бывает то свежим, то глубоким и восточным. То древесным, то откровенно сладковатым. Он бывает очень женственным, а бывает решительно мужским. Он окутывает вас чем-то неземным, непередаваемым. И правда на каждом человеке он разный. При этом он не является навязчивым, удушающим, он очень мягко ложится на тебя и хочется постоянно дышать им. Он под настроение. Сегодня ты идешь в офис в строгом костюме - он становится женственным и элегантным. Вечером идешь гулять в джинсах и кедах - он становится по-мальчишески свежим. А в выходные идешь к подруге на свадьбу - он становится чарующе сексуальным и мускусным. Шлейф просто окружает тебя со всех сторон. Каким должен быть аромат? Цветочным, фруктовым, древесным или восточным - это все неважно. Он должен быть интригующим, удивительным и невероятно сексуальным.

А еще он меняет другие ароматы. Еле уловимо, но они становятся иными, испытала на всей своей коллекции и пришла в восторг. Я вообще осталась во власти этого парфюма и не могу им надышаться.

Стойкость аромата впечатляет. Ношу весь день и ловлю изумленные взгляды. Даже вечером, приняв ванну, чувствую его на себе (кстати, нужно будет купить такой гель для душа). У меня даже в машине он обитает (все захватил, узурпатор).

О реакции окружающих. На работе говорят - так можешь пахнуть только ты, всегда чувствуется, когда ты проходишь мимо. Дома мой мужчина пользуется им сам и постоянно утыкается носом в мою шею)) Друзья говорят разное - то мужской от тебя запах (да, я такой люблю), кто-то брызнул на руку и чувствует морковку (да откуда же?), кто-то просто не может устоять на ногах и нюхает меня (бывает и такое). Еще одно доказательство, что она такая заразная разная, эта молекула.

Флакон кстати у него такой, как я люблю - просто и стильно, а главное для меня - без крышки (они все время теряются).

Резюмируя сказанное, Escentric 02 - такой разный, но в каждом своем проявлении ошеломляет и влюбляет в себя. Геза Шоен, спасибо за чудо. Никогда бы и не подумала, что оно может быть во флаконе духов, пока не вдохнула это творение со своей кожи.

P.S. Про подделки - покупала в ИДБ и полностью доверяю этому магазину. Стойкость, аромат - все говорит о том, что аромат ТОТ самый (кстати, никаких выпуклых треугольников на дне флакона давно нет, не ведитесь). Не жалейте денег и не заказывайте в интернет-магазинах. Поверьте, оно стоит того. И совсем ничего не стоит, если это подделка. Поэтому будьте внимательны и покупайте только оригинальный парфюм.

Молекулы - устойчивые соединения атомов - образуются из-за того, что атомы способны «делиться» друг с другом электронами. Устойчивость молекул можно охарактеризовать энергией диссоциации (или энергией связи), то есть энергией, которую необходимо передать молекуле, чтобы разделить ее на две части (для двухатомных молекул - для того, чтобы разделить на два отдельных атома). Величина этой энергии зависит от устройства электронных оболочек атомов: грубо говоря, чем охотнее атомы делятся электронами, тем сильнее связь, а значит, тем больше энергия диссоциации. В подавляющем большинстве молекул связь достаточно сильная; ее энергия составляет единицы или десятые доли электронвольта. В пересчете на макроскопические количества это порядка сотни килоджоулей на моль вещества, а в температурных единицах это отвечает тысячам и десяткам тысяч градусов (впрочем, реальная диссоциация молекул начинается при гораздо более низких температурах). Еще одним следствием довольно сильной химической связи является компактный размер молекул: атомы в молекуле сидят друг рядом с другом на расстоянии порядка размера самого атома.

Совершенно уникальным исключением из этой закономерности является димер гелия , молекула He 2 . Это неожиданно большая молекула - среднее расстояние между атомами гелия намного больше их размеров. Из-за этого димер гелия обладает исключительно маленькой энергией связи, около десятой доли микроэлектронвольта! Такая молекула разрушается не только при комнатной температуре, но и при температурах вплоть до милликельвинов. Можно с полным правом сказать, что это самая хрупкая молекула, известная на сегодняшний день.

Из-за своей хрупкости молекула He 2 с трудом поддается экспериментальному изучению. Любой стандартный способ изучения молекул (посветить светом, облучить электронами, даже просто положить на поверхность) тут же ее разрушит. Всё, что вы можете делать, это получать сверххолодную струю гелия, в которой некоторая часть атомов гелия будет объединена в димеры, и регистрировать датчиком поток молекул He 2 (на самом деле, и это не так просто: димер гелия впервые зарегистрировали в 1993 году). Возникает нетривиальный вопрос: как в такой ситуации определить размер этой молекулы, то есть как измерить длину химической связи He–He, если молекула разваливается при малейшем возмущении?

Задача

Придумайте постановку эксперимента, который позволил бы определить размер молекулы димера гелия.

Подсказка

К настоящему времени придумано несколько способов измерить этот размер. Один из них - чисто геометрический, а второй использует простейшие квантовые свойства вещества. На всякий случай, поясним, что молекулу He 2 надо представлять себе не в виде привычной «гантельки», в которой два более-менее локализованных атома разделены большим расстоянием (рис. 2, слева), а в виде большого сферического облака, в котором размазаны два атома гелия (рис. 2, справа).

Решение

Простейший эксперимент по определению размеров молекулы He 2 заключается в том, чтобы пропускать холодную струю гелия через мелкое сито с известными размерами ячеек (рис. 3). Молекула димера гелия сможет беспрепятственно пролететь сквозь ячейку сита, только если ее центр масс попадет внутрь штрихового квадрата. В противном случае молекула «стукнется» о сито и от удара развалится на отдельные атомы. Измерив, насколько эффективный размер ячейки для He 2 отличается от реального геометрического размера (а это можно сделать, сравнив вероятности пролета для атомарного гелия и для его димера), можно определить размер молекулы.

Второй способ, который использует квантовые свойства вещества, заключается в изучении дифракции этих молекул на наноразмерной дифракционной решетке. Молекулы вещества, так же как и свет, обладают волновыми свойствами и поэтому способны испытывать дифракцию. Дифракция на решетке приводит к тому, что движение света (или частиц) отклоняется от прямолинейного на некоторые определенные углы - получаются дифракционные пики (см. рис. 4). Закон, по которому интенсивность этих пиков спадает с ростом угла, определяется эффективной шириной щели, которая для молекул димера гелия меньше реальной ширины. Эту зависимость тоже можно промерить и извлечь отсюда размер молекулы.

Послесловие

Размер молекулы димера гелия был в 1995 году. Эксперименты были выполнены по первой методике, причем в них использовался целый набор наноситечек с отверстиями от 98 до 410 нм. Измерения показали, что среднее расстояние между атомами гелия в димере составляет 62 ± 10 ангстрема. Это совершенно гигантская величина для атомной физики; напомним, что диаметр одного атома гелия - меньше 1 ангстрема!

Вторая методика была экспериментально реализована в 2000 году и дала чуть меньшее и более точное значение 52 ± 4 ангстрема. Отметим, что этот способ является в каком-то смысле неразрушающим: даже столь хрупкие молекулы отклоняются от первоначального направления движения, не разваливаясь, за счет своих волновых свойств.

Здесь полезно еще раз взглянуть на рис. 2. Тот факт, что среднее расстояние между атомами гелия в димере составляет примерно 52 ангстрема, вовсе не означает, что атомы крутятся друг относительно друга именно на таком расстоянии. На самом деле, два атома размазаны в очень широком диапазоне расстояний: от нескольких до нескольких сотен (!) ангстрем. На рис. 5 показана теоретически рассчитанная волновая функция димера в зависимости от межатомного расстояния. Интересно отметить, что такое аномально широкое и несимметричное распределение приводит к тому, что среднее (то есть средне-взвешенное) межатомное расстояние совсем не совпадает с наиболее вероятным расстоянием (при котором волновая функция имеет максимум).

Настолько размазанная молекула - явление совершенно необычное для атомной физики, и потому экспериментаторы долго искали способ не только измерить среднее межатомное расстояние, но и прощупать сам профиль волновой функции. Это удалось сделать совсем недавно, в прошлом году , с помощью так называемого кулоновского взрыва молекулы. Когда молекула поглощает фотон, из нее быстро вылетает один или несколько электронов. В данном случае удавалось с помощью одного фотона выбить по одному электрону из каждого атома гелия. В результате от химической связи не оставалось и следа: два иона гелия начинали сильно отталкиваться друг от друга и разлетались в разные стороны. По углам и скоростям вылета электронов и ядер можно восстановить то, в каком состоянии находились ядра в момент ионизации.

Последняя любопытная вещь, которую тут стоит упомянуть, относится к изотопам гелия. Все описанные эксперименты проводились с гелием-4. Более легкий изотоп гелия, гелий-3, вообще не образует димеров. Химическая связь He–He в нём такая же, но квантовое дрожание атомов гелия-3 сильнее, и поэтому они не способны удержаться вместе. Для того чтобы удержать атомы гелия-3 в компактном кластере, требуется не два, не три, не четыре, а примерно 30 атомов. Только тогда их взаимное притяжение оказывается достаточно сильным, чтобы удерживать атомы вместе. Выражаясь поэтично, можно сказать, что гелий-3 - это вещество, которое начинается не с молекул, а с капелек.