БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 5, с. 1018-1021

ДИСКУССИИ

УДК 577.338, 538.945, 577.336

ГИПОТЕЗА О ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ФЕНОМЕНА ЖИЗНИ

(к дискуссии по статье Г.Р. Иваницкого

«XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики»)

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009, Москва, Моховая ул., 11/7

E-mail: asmolovich@petersmol.ru

Поступила в редакцию 15.03.2021 г.

После доработки 15.03.2021 г.

Принята к публикации 24.03.2021 г.

Предложена гипотеза о том, что в основе феномена жизни лежит макроскопическое квантовое

состояние органических структур, входящих в состав клетки, которое характеризуется наличием

энергетической щели в электронном спектре. Оценивается порядок ширины щели. Обсуждается

возможность обнаружить эту энергетическую щель в экспериментальном исследовании.

Ключевые слова: феномен жизни, куперовские пары, энергетическая щель, оптическая спектроскопия.

DOI: 10.31857/S0006302921050227

В статье Г.Р. Иваницкого «XXI век: что такое

В предисловии к своей монографии

[3]

жизнь с точки зрения физики» [1] значительное

Ф. Лондон предположил возможность некоторо-

место уделяется проблеме определения понятия

го квантового поведения, которое могло бы иг-

жизни, которое по наличию или отсутствию ка-

рать роль в биологических процессах, сходного с

кого-то признака или набора признаков могло бы

тем, что присутствует при сверхпроводимости и

дифференцировать живую и неживую материю,

сверхтекучести. Он писал, что определенные вза-

имодействия между макромолекулами в биохи-

что оказывается весьма непростой задачей. Кро-

мии можно понять не иначе, как порождение не-

ме того, в статье обсуждаются гипотезы возник-

коего квантового механизма, присущего системе

новения жизни. Эти проблемы вызвали большой

в целом. Это обеспечивает системе характерную

интерес и породили последующую дискуссию.

стабильность квантовых состояний с возможно-

Однако возможен другой подход к вопросу, выне-

стью изменений без участия процессов диссипа-

сенному в заголовок работы [1]. В настоящее вре-

ции. В работах [4, 5] У.А. Литтл обратил внимание

мя, когда структура ряда простейших живых орга-

на это замечание Ф. Лондона и отметил, что это

низмов изучена практически до атомного уровня,

совершенно новое и важное соображение для по-

как отмечено в работе [2], «все большее число

нимания живых систем. Затем У.А. Литтл предпо-

ученых начинает осознавать, что мы не знаем че-

ложил, что сверхпроводимость при близкой к

го-то самого главного». Чего же мы можем не

комнатной температуре может быть достигнута в

знать, детально зная структуру? Ответом может

органическом полимере, структура которого по-

быть то, что мы не знаем состояние этой структу-

добна структуре ДНК.

ры. Если рассматривать жизнь как особое состоя-

Позднее вопросы локальной сверхпроводимо-

ние органических структур, входящих в состав

сти рассматривались на молекулярном уровне.

клетки, физическая природа которого в настоя-

Сложные молекулы с сопряженными связями со-

щее время еще не известна, то слова «что такое

держат как электроны на внутренних орбитах (σ-

жизнь с точки зрения физики» можно понимать,

электроны), так и внешние электроны (π-элек-

как вопрос о том, какова эта природа, т.е. какой

троны) [6]. При этом π-электроны способны пе-

физический механизм лежит в ее основе. В этом

ремещаться вдоль всего молекулярного σ-остова

случае кажется естественным попробовать искать

(ядра атомов молекулы с σ-электронами), т.е. яв-

какие-то аналоги среди явлений, изученных в

ляются коллективными или делокализованными.

физике конденсированного состояния. Подоб-

Другими словами, π-электроны подобны свобод-

ный подход уже предлагался ранее рядом извест-

ным электронам в проводнике. Используя под-

ных физиков.

ход, использованный в работе [7], В.З. Кресин

1018

ГИПОТЕЗА О ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ФЕНОМЕНА ЖИЗНИ

1019

показал, что в π-электронной системе возможна

порядок 2k_BT_V, где T_V - некоторая температура,

парная корреляция, подобная образованию купе-

типичная для живых организмов, например, 300

ровских пар в сверхпроводнике [8]. При этом

К. Это дает оценку ширины энергетической щели

связь между электронами в парах обусловлена их

порядка 5×10^-2 эВ. Можно попытаться обнару-

взаимодействием с σ-остовом, который играет

жить эту энергетическую щель в эксперименталь-

здесь роль, подобную роли кристаллической ре-

ном исследовании.

шетки в сверхпроводниках. Сложные молекулы с

сопряженными связями входят в состав биологи-

Укажем экспериментальные методы иденти-

чески активных веществ. В работах

[8,

фикации энергетической щели. Для измерения

В.З. Кресин ссылается на книгу А. и Б. Пюльма-

плотности состояний, включая идентификацию

нов [10], которая завершается главой «Делокали-

сверхпроводящей энергетической щели и энерге-

зация электронов и жизненные процессы». Там

тической щели волны зарядовой плотности, ши-

делается вывод, что присутствие электронного

роко используется туннельная спектроскопия

облака в сопряженных молекулах можно рассмат-

[14]. Метод использовался и для биологических

ривать, как главную основу жизни. В.З. Кресин

объектов. В частности, одиночные молекулы

делает предположение, что «парная корреляция

ДНК исследовали методом сканирующей тун-

коллективизированных электронов, приводящая

нельной спектроскопии [15-17]. Однако в этих

к возникновению щели в спектре, обеспечивает

работах представлен довольно большой разброс

стабильность, аналогичную той, которая наблю-

результатов измерений. Для идентификации

дается в сверхпроводящих металлах, а дальний

энергетической щели также используется тради-

порядок, обусловленный межэлектронной кор-

ционная оптическая спектроскопия в различных

реляцией, существенен для понимания механиз-

диапазонах длин волн электромагнитного спек-

ма связи, передачи возбуждений в биологически

тра (см. работы [18, 19] и ссылки в них). Этот ме-

активных веществах» (см. раздел «Сверхпроводи-

тод привлекателен для исследования живых объ-

мость и физика сложных молекул» в работе [8]).

ектов, поскольку является бесконтактным. Боль-

шинство исследований биологических объектов

Поясним, что сверхпроводящее состояние в

было проведено в спектральном диапазоне в про-

сложных молекулах не означает возможность

межутке между 600 и 2000 см^-1. При исследова-

протекания электрического тока с нулевым со-

нии бактерий и фагов были использованы следу-

противлением. Это лишь одно из характерных

ющие виды оптической спектроскопии: спектро-

(но не в данном случае) свойств сверхпроводяще-

скопия комбинационного рассеяния и

го состояния, наряду рядом других. Одно из них -

поверхностно-усиленная спектроскопия комби-

наличие энергетической щели в плотности элек-

национного рассеяния [20-24], когерентная ан-

тронных состояний вблизи уровня Ферми, внут-

тистоксовая спектроскопия комбинационного

ри которой нет разрешенных уровней энергии.

рассеяния [25], инфракрасная Фурье-спектро-

Ширина щели 2Δ соответствует энергии, связи

скопия [26], инфракрасная спектроскопия с вре-

куперовской пары электронов. Эта щель придает

менным разрешением [27, 28]. В работе [24] про-

стабильность сверхпроводящему состоянию, ведь

ведены спектроскопические исследования еди-

для разрушения состояния необходимо затратить

ничной бактерии, которую фиксировали в поле

энергию порядка ширины щели. Теория Барди-

зрения конфокального микроскопа с помощью

на-Купера-Шриффера предсказывает ширину

так называемого

«рамановского оптического

щели для обычных сверхпроводников при T = 0:

пинцета». По-видимому, этот метод следует счи-

2Δ = 3.52k_BT_c, где T_c - температура сверхпрово-

тать предпочтительным для идентификации

дящего перехода, а k_B - постоянная Больцмана

энергетической щели в живых структурах.

(выражение (45.18) в в работе [11]). Величины

Вопрос о том, где и как следует искать энерге-

энергетической щели для высокотемпературных

тическую щель, является дискуссионным. Оче-

сверхпроводников [12] и для волны зарядовой

видно, для этого исследования следует выбрать

плотности [13] отличаются от приведенного вы-

некоторые простые организмы. Ведь даже про-

ражения, но также имеют порядок 2k_BT_a, где T_a -

стые биологические объекты, такие как прокари-

температура сверхпроводящего или пайерлсов-

оты или вирусы, значительно сложнее, чем боль-

ского перехода соответственно.

шинство объектов физических исследований. Их

Наша гипотеза состоит в том, что в основе фе-

спектры тоже достаточно сложны, что затрудняет

номена жизни лежит макроскопическое кванто-

процесс идентификации энергетической щели. В

вое состояние органических структур, входящих в

случае использования в этих исследованиях бак-

состав клетки. Полагаем, что это не сверхпрово-

терий может помочь сравнение их спектров в

димость, но что стабильность этого состояния то-

нормальном и инактивированном состоянии, что

же обеспечивается наличием энергетической ще-

означает использование этих состояний в каче-

ли в электронном спектре. Предполагаем, что

стве маркеров живого (V, vita) и мертвого

ширина этой энергетической щели тоже имеет

(M, mort) (обозначения из работы [1]). Это будет

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

1020

СМОЛОВИЧ

аналогом сравнения спектров сверхпроводника

БЛАГОДАРНОСТИ

при температурах выше и ниже точки сверхпро-

Благодарю Е.Р. Лозовскую, А.А. Синченко,

водящего перехода (см. рис. 2 в работе [18] или

С.В. Чекалина, А.В. Калинина и Д.В. Клинова за

рис. 1 в работе [19]). Однако идентификация

полезные консультации и обсуждения.

энергетической щели в спектре бактерии будет

осложнена тем, что в живой клетке протекают из-

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

вестные процессы, связанные с ее жизнедеятель-

Работа выполнена в рамках государственного

ностью. Эти процессы также вносят вклад в раз-

задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

ницу спектров живых и мертвых клеток [23]. Воз-

можно, для поиска энергетической щели следует

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

использовать спектры отдельных органелл клет-

ки или отдельных биологических молекул, содер-

Автор заявляет об отсутствии конфликта инте-

жащихся в клетке, например, молекул белков.

ресов.

Другим вариантом является использование

для поиска энергетической щели спектров виру-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

сов. Относительно того, являются ли вирусы

Настоящая работа не содержит описания ис-

формой жизни или органическими структурами,

следований с использованием людей и животных

которые взаимодействуют с живыми организма-

в качестве объектов.

ми, мнения расходятся. В работе [1] вирусы на-

званы «организмами на краю жизни». Когда ви-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

русы находятся вне клетки-хозяина, они не про-

являют жизненных характеристик в виде

1. Г. Р. Иваницкий, Успехи физ. наук 180 (4), 337

(2010).

метаболизма, репликации и т.д. Можно предло-

жить использование в качестве маркеров V и

2. В. П. Реутов и А. Н. Шехтер, Успехи физ. наук

180 (4), 393 (2010).

M вирусов, находящихся внутри и вне клетки-хо-

зяина. Для этих исследований подойдет процесс

3. F. London, Superfluids, Vol. 1 (John Wiley & Sons,

Inc., N. Y., 1950).

инфицирования бактерий фагами. В этом случае

следует сравнивать спектры ДНК фагов до попа-

4. W. A. Little, Phys. Rev. 134 (6), A1416 (1964).

дания в клетку бактерии и во время нахождения

5. У. Литтл, Успехи физ. наук 86 (2), 315 (1965).

ДНК фага внутри клетки. Здесь учитывается, что

6. V. Z. Kresin and Y. N. Ovchinnikov, Annals Phys. 417,

при инфицировании внутрь бактерии попадает

168141 (2020).

только ДНК фага, а его белковая оболочка (кап-

7. А. И. Ларкин и А. Б. Мигдал, Журн. эксперим. и

сид) остается снаружи мембраны. Кроме того,

теорет. физики 44 (5), 1703 (1963).

при попадании ДНК фага в клетку происходят

8. В. З. Кресин, Журн. структурной химии 12 (4), 745

изменения процессов жизнедеятельности бакте-

(1971).

рии, связанные с ее инфицированием. В ряде

9. В. З. Кресин, Сверхпроводимость и сверхтекучесть

(Наука, М., 1978).

процессов ДНК фага принимает непосредствен-

ное участие, что приведет к изменениям в ее

10. 10. Б. Пюльман и А. Пюльман, Квантовая биохимия

(Мир, М., 1965).

спектре и осложнит идентификацию энергетиче-

ской щели. Отдельной задачей является разделе-

11. В. В. Шмидт, Введение в физику сверхпроводников

(МЦНМО, М., 2000).

ние спектров фагов, бактерий и раствора, в кото-

ром они находятся. Для этого существуют специ-

12. T. Timusk and B. Statt, Reports Progr. Phys. 62 (1), 61

(1999).

альные методы (см. работу

[29]), которые

13. P. Monceau, Advances Phys. 61 (4), 325 (2012).

успешно применяются в том числе при спектро-

скопии фагов и бактерий. В частности, эти мето-

14. Y. I. Latyshev, in Electron Transport in Nanosystems,

Ed. by J Bonča and S Kruchinin (Springer, Dordrecht,

ды позволяют отличать спектр бактерии от спек-

2008), p. 155.

тра фага, а также спектры разных видов фагов

15. M. S. Xu, S. Tsukamoto, S. Ishida, et al., Appl. Phys.

друг от друга [20].

Lett. 87 (8), 083902 (2005).

Таким образом, обсуждена гипотеза о феноме-

16. E. Shapir, H. Cohen, A. Calzolari, et al. Nature Mater.

не жизни как макроскопического квантового со-

7 (1), 68 (2008).

стояния органических структур, входящих в со-

17. N. Fardian-Melamed, G. Eidelshtein, D. Rotem, et al.,

став клетки, которое характеризуется наличием

Adv. Mater. 31 (35), 1902816 (2019).

энергетической щели в электронном спектре. Об-

18. T. Timusk, Physics in Canada 67 (2), 99 (2011).

суждена также возможность экспериментальной

19. О. В. Мисочко, Физика твердого тела 40 (6), 998

идентификации этой щели.

(1998).

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021