TEDGlobalLondon
Jim Al-Khalili: How quantum biology might explain life's biggest questions
Джим Эль-Халили: Как квантовая биология может разрешить загадки живой материи
Filmed:
Readability: 4.9
2,255,707 views
Как зарянка определяет в полёте, где юг? Ответ покажется вам странным: к этому может быть причастна квантовая физика. В своём выступлении Джим Эль-Халили знакомит нас с едва зародившимся, чрезвычайно необычным миром квантовой биологии, в котором явление, названное Эйнштейном «жутким дальнодействием», помогает птицам ориентироваться, а квантовые эффекты могут объяснить происхождение жизни как таковой.
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
Сегодня я бы хотел поговорить
00:13
I'd like to introduce you
to an emerging area of science,
to an emerging area of science,
0
1190
4528
о перспективной области науки,
00:17
one that is still speculative
but hugely exciting,
but hugely exciting,
1
5742
3943
области спорной, но чрезвычайно интересной
и, безусловно, стремительно развивающейся.
00:21
and certainly one
that's growing very rapidly.
that's growing very rapidly.
2
9709
2629
Квантовая биология
пытается ответить на вопрос:
пытается ответить на вопрос:
00:25
Quantum biology
asks a very simple question:
asks a very simple question:
3
13448
4048
могут ли законы квантовой механики
00:29
Does quantum mechanics --
4
17520
1350
00:30
that weird and wonderful
and powerful theory
and powerful theory
5
18894
3302
этой удивительной теории
о поведении субатомных частиц,
атомов и молекул,
атомов и молекул,
00:34
of the subatomic world
of atoms and molecules
of atoms and molecules
6
22220
2688
00:36
that underpins so much
of modern physics and chemistry --
of modern physics and chemistry --
7
24932
3488
лежащей в основе многих направлений
современной физики и химии,
современной физики и химии,
00:40
also play a role inside the living cell?
8
28444
3412
действовать также внутри живой клетки?
00:43
In other words: Are there processes,
mechanisms, phenomena
mechanisms, phenomena
9
31880
4079
Говоря иначе, происходят ли
в живых организмах такие явления,
в живых организмах такие явления,
00:47
in living organisms
that can only be explained
that can only be explained
10
35983
3988
которые можно было бы объяснить
00:51
with a helping hand
from quantum mechanics?
from quantum mechanics?
11
39995
2743
только с помощью квантовой механики?
Итак, квантовая биология
не новое направление.
не новое направление.
00:55
Now, quantum biology isn't new;
12
43546
1637
00:57
it's been around since the early 1930s.
13
45207
2401
Она возникла в начале 30-х.
00:59
But it's only in the last decade or so
that careful experiments --
that careful experiments --
14
47928
3715
И лишь недавно в ходе экспериментов
01:03
in biochemistry labs,
using spectroscopy --
using spectroscopy --
15
51667
3464
с применением спектроскопии
было доказано, что некоторые явления
объясняются с помощью квантовой механики.
объясняются с помощью квантовой механики.
01:07
have shown very clear, firm evidence
that there are certain specific mechanisms
that there are certain specific mechanisms
16
55155
6863
01:14
that require quantum mechanics
to explain them.
to explain them.
17
62042
2511
01:17
Quantum biology brings together
quantum physicists, biochemists,
quantum physicists, biochemists,
18
65674
3329
Квантовая биология интересует
квантовых физиков, биохимиков,
квантовых физиков, биохимиков,
01:21
molecular biologists --
it's a very interdisciplinary field.
it's a very interdisciplinary field.
19
69027
3641
молекулярных биологов — эта область
объединяет много дисциплин.
объединяет много дисциплин.
Я занимаюсь квантовой физикой,
я физик-ядерщик.
я физик-ядерщик.
01:24
I come from quantum physics,
so I'm a nuclear physicist.
so I'm a nuclear physicist.
20
72692
3929
01:28
I've spent more than three decades
21
76645
2265
Мне потребовалось более 30 лет,
чтобы освоить принципы квантовой механики.
01:30
trying to get my head
around quantum mechanics.
around quantum mechanics.
22
78934
2929
Один из основателей
квантовой механики, Нильс Бор,
квантовой механики, Нильс Бор,
01:33
One of the founders
of quantum mechanics, Niels Bohr,
of quantum mechanics, Niels Bohr,
23
81887
2493
сказал: «Если она не потрясла тебя —
ты её ещё не понял».
ты её ещё не понял».
01:36
said, If you're not astonished by it,
then you haven't understood it.
then you haven't understood it.
24
84404
3350
Так что я рад, что она до сих пор
восхищает меня.
восхищает меня.
01:40
So I sort of feel happy
that I'm still astonished by it.
that I'm still astonished by it.
25
88237
2843
Это здорово.
01:43
That's a good thing.
26
91104
1745
01:44
But it means I study the very
smallest structures in the universe --
smallest structures in the universe --
27
92873
6885
Я исследую мельчайшие частицы
во Вселенной,
во Вселенной,
01:51
the building blocks of reality.
28
99782
2075
кирпичики реального.
01:53
If we think about the scale of size,
29
101881
3215
Чтобы представить себе размеры изучаемого,
01:57
start with an everyday object
like the tennis ball,
like the tennis ball,
30
105120
2952
давайте возьмём, к примеру, теннисный мяч.
02:00
and just go down orders
of magnitude in size --
of magnitude in size --
31
108096
2901
Затем представим предметы
меньшего размера:
меньшего размера:
02:03
from the eye of a needle down to a cell,
down to a bacterium, down to an enzyme --
down to a bacterium, down to an enzyme --
32
111021
5197
игольное ушко, клетку,
бактерию, фермент, —
бактерию, фермент, —
02:08
you eventually reach the nano-world.
33
116242
1729
это и будет мир размера «нано».
02:09
Now, nanotechnology may be
a term you've heard of.
a term you've heard of.
34
117995
2495
Вероятно, слово «нанотехнологии»
вам о чём-нибудь говорит.
вам о чём-нибудь говорит.
02:12
A nanometer is a billionth of a meter.
35
120841
2853
Нанометр — миллиардная часть метра.
02:16
My area is the atomic nucleus,
which is the tiny dot inside an atom.
which is the tiny dot inside an atom.
36
124560
4370
Моя область исследований — ядро,
крохотная точка внутри атома.
крохотная точка внутри атома.
02:20
It's even smaller in scale.
37
128954
1932
Оно ещё меньшего размера.
02:22
This is the domain of quantum mechanics,
38
130910
1918
Таков предмет изучения
квантовой механики,
квантовой механики,
02:24
and physicists and chemists
have had a long time
have had a long time
39
132852
2516
физики и химики давно пытаются
02:27
to try and get used to it.
40
135392
1301
привыкнуть к этому.
02:29
Biologists, on the other hand,
have got off lightly, in my view.
have got off lightly, in my view.
41
137248
4457
Биологам, по-моему, ещё повезло.
02:34
They are very happy with their
balls-and-sticks models of molecules.
balls-and-sticks models of molecules.
42
142071
4331
Они не нарадуются на палочки-шарики
пластиковых моделей молекул.
пластиковых моделей молекул.
02:38
(Laughter)
43
146426
1082
(Смех)
02:39
The balls are the atoms, the sticks
are the bonds between the atoms.
are the bonds between the atoms.
44
147532
3198
Шар представляет собой атом, а палочка —
связь между атомами.
связь между атомами.
И если они не могут
построить модель в лаборатории,
построить модель в лаборатории,
02:42
And when they can't build them
physically in the lab,
physically in the lab,
45
150754
2494
то сегодня в их распоряжении
мощные компьютеры
мощные компьютеры
02:45
nowadays, they have
very powerful computers
very powerful computers
46
153272
2392
02:47
that will simulate a huge molecule.
47
155688
1967
для создания модели молекул.
02:49
This is a protein made up
of 100,000 atoms.
of 100,000 atoms.
48
157679
3664
Вы видите модель белка,
состоящего из 100 000 атомов.
состоящего из 100 000 атомов.
02:54
It doesn't really require much in the way
of quantum mechanics to explain it.
of quantum mechanics to explain it.
49
162003
4335
Чтобы объяснить его свойства,
не требуются уравнения квантовой теории.
не требуются уравнения квантовой теории.
02:59
Quantum mechanics
was developed in the 1920s.
was developed in the 1920s.
50
167695
2889
Квантовая механика зародилась в 1920-х.
03:02
It is a set of beautiful and powerful
mathematical rules and ideas
mathematical rules and ideas
51
170965
6880
Это теория точных и ёмких
математических уравнений,
математических уравнений,
03:09
that explain the world of the very small.
52
177869
2608
которые описывают явления микромира.
03:12
And it's a world that's very different
from our everyday world,
from our everyday world,
53
180501
3372
И этот мир не похож
на нашу обыденную реальность,
на нашу обыденную реальность,
03:15
made up of trillions of atoms.
54
183897
1519
состоящую из триллионов атомов.
03:17
It's a world built
on probability and chance.
on probability and chance.
55
185440
3557
Это мир, балансирующий
между возможностью и вероятностью.
между возможностью и вероятностью.
03:21
It's a fuzzy world.
56
189818
1302
Мир неопределённости.
03:23
It's a world of phantoms,
57
191144
1730
Это мир фантомов,
03:24
where particles can also behave
like spread-out waves.
like spread-out waves.
58
192898
3348
где частицы могут вести себя, как волны.
03:30
If we imagine quantum mechanics
or quantum physics, then,
or quantum physics, then,
59
198157
2862
Если учесть, что квантовая механика,
или квантовая физика,
или квантовая физика,
03:33
as the fundamental
foundation of reality itself,
foundation of reality itself,
60
201043
5214
объясняет основополагающие явления
реальности вообще,
реальности вообще,
03:38
then it's not surprising that we say
61
206281
1730
логично предположить,
что квантовая физика объясняет
явления органической химии.
явления органической химии.
03:40
quantum physics underpins
organic chemistry.
organic chemistry.
62
208035
2420
03:42
After all, it gives us
the rules that tell us
the rules that tell us
63
210479
2120
Ведь она объясняет,
как атомы образуют органические молекулы.
03:44
how the atoms fit together
to make organic molecules.
to make organic molecules.
64
212623
2641
03:47
Organic chemistry,
scaled up in complexity,
scaled up in complexity,
65
215288
3239
Органическая химия, в свою очередь,
03:50
gives us molecular biology,
which of course leads to life itself.
which of course leads to life itself.
66
218551
3322
связана с молекулярной биологией,
а она — с живыми организмами.
а она — с живыми организмами.
03:54
So in a way, it's sort of not surprising.
67
222174
1977
Так что в каком-то смысле
это неудивительно.
это неудивительно.
03:56
It's almost trivial.
68
224175
1214
Почти обыденно.
03:57
You say, "Well, of course life ultimately
must depend of quantum mechanics."
must depend of quantum mechanics."
69
225413
4220
Вы скажете: «Конечно, жизнь должна
объясняться законами квантовой механики».
объясняться законами квантовой механики».
04:02
But so does everything else.
70
230141
2390
Но не только живая материя,
также всё остальное,
также всё остальное,
04:04
So does all inanimate matter,
made up of trillions of atoms.
made up of trillions of atoms.
71
232555
3615
например, неорганическое вещество,
состоящее из триллионов атомов.
состоящее из триллионов атомов.
04:08
Ultimately, there's a quantum level
72
236501
4878
В итоге на квантовом уровне
04:13
where we have to delve into
this weirdness.
this weirdness.
73
241403
2183
нам придётся иметь дело
с этой странной теорией.
с этой странной теорией.
04:15
But in everyday life,
we can forget about it.
we can forget about it.
74
243610
2416
А в обыденной жизни
мы можем о ней забыть.
мы можем о ней забыть.
04:18
Because once you put together
trillions of atoms,
trillions of atoms,
75
246404
3199
Потому что стоит собрать воедино
триллионы атомов,
триллионы атомов,
04:21
that quantum weirdness
just dissolves away.
just dissolves away.
76
249627
2615
как вся загадка исчезает.
04:27
Quantum biology isn't about this.
77
255288
2569
Но квантовая биология не об этом.
04:29
Quantum biology isn't this obvious.
78
257881
2556
Квантовая биология не так проста.
04:32
Of course quantum mechanics
underpins life at some molecular level.
underpins life at some molecular level.
79
260461
4229
Квантовая механика описывает свойства
живых организмов на молекулярном уровне.
живых организмов на молекулярном уровне.
04:37
Quantum biology is about looking
for the non-trivial --
for the non-trivial --
80
265254
6004
Квантовая биология рассматривает странные
04:43
the counterintuitive ideas
in quantum mechanics --
in quantum mechanics --
81
271282
4476
и противоречащие логике идеи
квантовой механики
квантовой механики
04:47
and to see if they do, indeed,
play an important role
play an important role
82
275782
3015
и пытается понять, действительно ли
они применимы
они применимы
04:50
in describing the processes of life.
83
278821
2452
к описанию процессов, происходящих
внутри живой клетки.
внутри живой клетки.
04:54
Here is my perfect example
of the counterintuitiveness
of the counterintuitiveness
84
282653
5220
Перед вами идеальный пример
такого парадокса
такого парадокса
04:59
of the quantum world.
85
287897
1446
квантового мира.
05:01
This is the quantum skier.
86
289367
1251
Квантовый лыжник.
05:02
He seems to be intact,
he seems to be perfectly healthy,
he seems to be perfectly healthy,
87
290642
2640
Кажется, что он цел и невредим,
05:05
and yet, he seems to have gone around
both sides of that tree at the same time.
both sides of that tree at the same time.
88
293306
4127
и тем не менее он умудрился одновременно
проехать по обе стороны дерева.
проехать по обе стороны дерева.
05:09
Well, if you saw tracks like that
89
297457
1663
«Такие следы на снегу, должно быть,
05:11
you'd guess it was some
sort of stunt, of course.
sort of stunt, of course.
90
299144
2309
какой-то трюк», — подумаете вы.
05:13
But in the quantum world,
this happens all the time.
this happens all the time.
91
301477
2591
Но в мире квантов это обычное дело.
05:16
Particles can multitask,
they can be in two places at once.
they can be in two places at once.
92
304864
3026
Частицы могут быть
в двух местах одновременно.
в двух местах одновременно.
05:19
They can do more than one thing
at the same time.
at the same time.
93
307914
2328
Они способны выполнять
сразу несколько задач.
сразу несколько задач.
05:22
Particles can behave
like spread-out waves.
like spread-out waves.
94
310266
2643
Частицы иногда демонстрируют свойства
хаотичных волн.
хаотичных волн.
05:25
It's almost like magic.
95
313298
1599
Это почти волшебство.
05:27
Physicists and chemists have had
nearly a century
nearly a century
96
315538
2749
Вот уже почти столетие физики и химики
05:30
of trying to get used to this weirdness.
97
318311
2646
пытаются освоиться
с этим загадочным миром.
с этим загадочным миром.
Биологи не виноваты в том,
05:33
I don't blame the biologists
98
321445
1350
что они не хотели или не хотят
изучать квантовую механику.
изучать квантовую механику.
05:34
for not having to or wanting
to learn quantum mechanics.
to learn quantum mechanics.
99
322819
2635
05:37
You see, this weirdness is very delicate;
100
325478
3198
Её принципы крайне сложно наблюдать.
05:40
and we physicists work very hard
to maintain it in our labs.
to maintain it in our labs.
101
328700
4450
И мы, физики, стараемся изо всех сил,
чтобы воссоздать нужные условия.
чтобы воссоздать нужные условия.
05:45
We cool our system down
to near absolute zero,
to near absolute zero,
102
333174
4204
Мы охлаждаем наши системы
почти до абсолютного нуля,
почти до абсолютного нуля,
05:49
we carry out our experiments in vacuums,
103
337402
1945
проводим эксперименты в вакууме,
05:51
we try and isolate it
from any external disturbance.
from any external disturbance.
104
339371
3527
пытаемся изолировать их от любого
внешнего воздействия,
внешнего воздействия,
05:55
That's very different from the warm,
messy, noisy environment of a living cell.
messy, noisy environment of a living cell.
105
343602
5078
что совсем не похоже на тёплую,
хаотичную среду живой клетки.
хаотичную среду живой клетки.
06:01
Biology itself, if you think of
molecular biology,
molecular biology,
106
349960
2787
Кажется, что биология как таковая,
молекулярная биология,
молекулярная биология,
06:04
seems to have done very well
in describing all the processes of life
in describing all the processes of life
107
352771
3457
стройно описывает процессы,
происходящие внутри живой клетки
происходящие внутри живой клетки
06:08
in terms of chemistry --
chemical reactions.
chemical reactions.
108
356252
2486
в терминах химии — химическими реакциями.
06:10
And these are reductionist,
deterministic chemical reactions,
deterministic chemical reactions,
109
358762
4850
И это упрощённые химические реакции,
06:15
showing that, essentially, life is made
of the same stuff as everything else,
of the same stuff as everything else,
110
363636
5114
доказывающие, что живые клетки созданы
из того же материала, что и всё остальное.
из того же материала, что и всё остальное.
06:20
and if we can forget about quantum
mechanics in the macro world,
mechanics in the macro world,
111
368774
3060
Если мы можем не учитывать
квантовую теорию в макромире,
квантовую теорию в макромире,
06:23
then we should be able to forget
about it in biology, as well.
about it in biology, as well.
112
371858
3246
то можно забыть про неё и в биологии.
06:27
Well, one man begged
to differ with this idea.
to differ with this idea.
113
375706
3364
Один человек не согласился с этой идеей.
06:32
Erwin Schrödinger,
of Schrödinger's Cat fame,
of Schrödinger's Cat fame,
114
380062
3469
Эрвин Шрёдингер, известный своим
котом Шрёдингера, —
котом Шрёдингера, —
06:35
was an Austrian physicist.
115
383555
1317
австрийский физик.
06:36
He was one of the founders
of quantum mechanics in the 1920s.
of quantum mechanics in the 1920s.
116
384896
3183
В 1920-х он стал одним из основателей
квантовой механики.
квантовой механики.
06:40
In 1944, he wrote a book
called "What is Life?"
called "What is Life?"
117
388663
2707
В 1944-м он написал книгу
под названием «Что такое жизнь?».
под названием «Что такое жизнь?».
06:43
It was tremendously influential.
118
391839
1731
Эта работа стала настоящим прорывом.
06:45
It influenced Francis Crick
and James Watson,
and James Watson,
119
393594
2881
Она повлияла на Фрэнсиса Крика
и Джеймса Уотсона,
и Джеймса Уотсона,
открывших структуру двойной спирали ДНК.
06:48
the discoverers of the double-helix
structure of DNA.
structure of DNA.
120
396499
2523
06:51
To paraphrase a description
in the book, he says:
in the book, he says:
121
399343
3668
В своей книге он пишет:
06:55
At the molecular level,
living organisms have a certain order,
living organisms have a certain order,
122
403035
5786
«На молекулярном уровне в живых организмах
есть определённый порядок,
есть определённый порядок,
07:00
a structure to them that's very different
123
408845
3232
строй, присущий только им
и отличающийся
и отличающийся
07:04
from the random thermodynamic jostling
of atoms and molecules
of atoms and molecules
124
412101
4736
от термодинамического хаоса
атомов и молекул
атомов и молекул
07:08
in inanimate matter
of the same complexity.
of the same complexity.
125
416861
3706
в неживой материи такой же сложности.
07:13
In fact, living matter seems to behave
in this order, in a structure,
in this order, in a structure,
126
421504
5014
Похоже, что живая материя обнаруживает
тот же порядок, структуру,
тот же порядок, структуру,
07:18
just like inanimate matter
cooled down to near absolute zero,
cooled down to near absolute zero,
127
426542
3834
что и неживая, но охлаждённая
до абсолютного нуля,
до абсолютного нуля,
07:22
where quantum effects
play a very important role.
play a very important role.
128
430400
3033
где большую роль играют
квантовые эффекты.
квантовые эффекты.
07:26
There's something special
about the structure -- the order --
about the structure -- the order --
129
434280
4160
Есть что-то необычное
в структуре, в порядке
в структуре, в порядке
07:30
inside a living cell.
130
438464
1560
внутри живой клетки».
07:32
So, Schrödinger speculated that maybe
quantum mechanics plays a role in life.
quantum mechanics plays a role in life.
131
440048
5293
Шрёдингер предположил, что
квантовая механика распространяется
квантовая механика распространяется
и на живую материю.
07:38
It's a very speculative,
far-reaching idea,
far-reaching idea,
132
446096
3425
Это спорная, многообещающая гипотеза,
07:41
and it didn't really go very far.
133
449545
2873
не оправдавшая, как оказалось,
возложенных надежд.
возложенных надежд.
07:45
But as I mentioned at the start,
134
453536
1533
Но, как я уже говорил в начале,
07:47
in the last 10 years, there have been
experiments emerging,
experiments emerging,
135
455093
2799
последние десять лет
проводились эксперименты,
проводились эксперименты,
подтверждающие, что некоторые
биологические процессы
биологические процессы
07:49
showing where some of these
certain phenomena in biology
certain phenomena in biology
136
457916
4055
07:53
do seem to require quantum mechanics.
137
461995
1763
объясняются квантовой теорией.
Мне бы хотелось поделиться
некоторыми из этих удивительных идей.
некоторыми из этих удивительных идей.
07:55
I want to share with you
just a few of the exciting ones.
just a few of the exciting ones.
138
463782
3123
08:00
This is one of the best-known
phenomena in the quantum world,
phenomena in the quantum world,
139
468215
3707
Это одно из самых известных явлений
квантового мира —
квантового мира —
08:03
quantum tunneling.
140
471946
1701
туннельный эффект.
08:05
The box on the left shows
the wavelike, spread-out distribution
the wavelike, spread-out distribution
141
473671
4389
В левой части камеры находится
волнообразное, рассеянное распределение
волнообразное, рассеянное распределение
08:10
of a quantum entity --
a particle, like an electron,
a particle, like an electron,
142
478084
2761
пучка квантов — частицы,
например, электрона,
например, электрона,
08:12
which is not a little ball
bouncing off a wall.
bouncing off a wall.
143
480869
3637
и она отличается от мячика,
отскакивающего от стены.
отскакивающего от стены.
08:16
It's a wave that has a certain probability
of being able to permeate
of being able to permeate
144
484530
4739
Это волна, с определённой вероятностью
проходящая
проходящая
08:21
through a solid wall, like a phantom
leaping through to the other side.
leaping through to the other side.
145
489293
3406
сквозь сплошную преграду, словно фантом,
перескакивающий на другую сторону.
перескакивающий на другую сторону.
08:24
You can see a faint smudge of light
in the right-hand box.
in the right-hand box.
146
492723
4098
Вы можете наблюдать бледное пятно света
в правой части камеры.
в правой части камеры.
08:29
Quantum tunneling suggests that a particle
can hit an impenetrable barrier,
can hit an impenetrable barrier,
147
497773
4612
Туннелирование — это когда микрочастица
отскакивает от непроницаемого барьера,
отскакивает от непроницаемого барьера,
08:34
and yet somehow, as though by magic,
148
502409
2460
и при этом, как по волшебству,
08:36
disappear from one side
and reappear on the other.
and reappear on the other.
149
504893
2444
исчезает с одной стороны
и появляется с другой.
и появляется с другой.
Лучше всего объяснить
этот эффект так: если вы хотите
этот эффект так: если вы хотите
08:39
The nicest way of explaining it is
if you want to throw a ball over a wall,
if you want to throw a ball over a wall,
150
507658
4251
перебросить мяч через стену,
08:43
you have to give it enough energy
to get over the top of the wall.
to get over the top of the wall.
151
511933
3577
вы должны дать мячу достаточно энергии,
чтобы он мог перелететь через неё.
чтобы он мог перелететь через неё.
08:47
In the quantum world,
you don't have to throw it over the wall,
you don't have to throw it over the wall,
152
515534
3058
В квантовом мире необязательно
перекидывать мяч через стену,
перекидывать мяч через стену,
08:50
you can throw it at the wall,
and there's a certain non-zero probability
and there's a certain non-zero probability
153
518616
3407
можно кинуть его в стену,
и с какой-то вероятностью, не равной нулю,
и с какой-то вероятностью, не равной нулю,
08:54
that it'll disappear on your side,
and reappear on the other.
and reappear on the other.
154
522047
3323
он исчезнет с одной стороны
и появится с другой.
и появится с другой.
08:57
This isn't speculation, by the way.
155
525394
1678
И, кстати, это вовсе не гипотеза.
08:59
We're happy -- well, "happy"
is not the right word --
is not the right word --
156
527096
3396
Мы с удовольствием — слово «удовольствие»
тут не очень подходит —
тут не очень подходит —
09:02
(Laughter)
157
530516
2045
(Смех)
09:04
we are familiar with this.
158
532585
1618
мы хорошо изучили это явление.
09:06
(Laughter)
159
534227
2745
(Смех)
09:08
Quantum tunneling
takes place all the time;
takes place all the time;
160
536996
2294
Тунннельный эффект происходит
сплошь и рядом.
сплошь и рядом.
09:11
in fact, it's the reason our Sun shines.
161
539314
2667
Без него у нас бы не было
солнечного света.
солнечного света.
09:14
The particles fuse together,
162
542655
1509
Частицы соединяются,
09:16
and the Sun turns hydrogen
into helium through quantum tunneling.
into helium through quantum tunneling.
163
544188
3698
и Солнце с помощью туннельного эффекта
превращает водород в гелий.
превращает водород в гелий.
09:21
Back in the 70s and 80s, it was discovered
that quantum tunneling also takes place
that quantum tunneling also takes place
164
549464
5220
В 70-х–80-х мы поняли, что
квантовое туннелирование происходит
квантовое туннелирование происходит
09:26
inside living cells.
165
554708
1192
также и в живых клетках.
09:28
Enzymes, those workhorses of life,
the catalysts of chemical reactions --
the catalysts of chemical reactions --
166
556290
6266
Ферменты, «рабочие лошадки» живых систем,
катализаторы химических реакций,
катализаторы химических реакций,
09:34
enzymes are biomolecules that speed up
chemical reactions in living cells,
chemical reactions in living cells,
167
562580
4166
ферменты — биомолекулы, ускоряющие
химические реакции в живых клетках
химические реакции в живых клетках
09:38
by many, many orders of magnitude.
168
566770
1703
во много-много раз.
09:40
And it's always been a mystery
how they do this.
how they do this.
169
568497
2784
Но как они это делают,
всегда оставалось загадкой.
всегда оставалось загадкой.
09:43
Well, it was discovered
170
571650
1189
Итак, удалось обнаружить,
09:44
that one of the tricks that enzymes
have evolved to make use of,
have evolved to make use of,
171
572863
4852
что один из приёмов,
который используют ферменты, —
который используют ферменты, —
09:49
is by transferring subatomic particles,
like electrons and indeed protons,
like electrons and indeed protons,
172
577739
5228
перемещение субатомных частиц,
таких, как электроны и протоны,
таких, как электроны и протоны,
09:54
from one part of a molecule
to another via quantum tunneling.
to another via quantum tunneling.
173
582991
4661
из одной части молекулы в другую
посредством квантового туннелирования.
посредством квантового туннелирования.
10:00
It's efficient, it's fast,
it can disappear --
it can disappear --
174
588333
2851
Это эффективно, быстро,
он может исчезнуть,
он может исчезнуть,
10:03
a proton can disappear from one place,
and reappear on the other.
and reappear on the other.
175
591208
3111
протон может исчезнуть из одного места
и появиться в другом.
и появиться в другом.
10:06
Enzymes help this take place.
176
594343
1629
Ферменты способствуют этому.
10:08
This is research that's been
carried out back in the 80s,
carried out back in the 80s,
177
596548
2683
Это выводы научной работы,
проведённой в 80-х годах
проведённой в 80-х годах
10:11
particularly by a group
in Berkeley, Judith Klinman.
in Berkeley, Judith Klinman.
178
599255
4037
исследовательской группой в Беркли
под руководством Джудит Клинман.
под руководством Джудит Клинман.
10:15
Other groups in the UK
have now also confirmed
have now also confirmed
179
603316
2205
Британские учёные сегодня
также подтверждают
также подтверждают
10:17
that enzymes really do this.
180
605545
1411
выявленные факты о ферментах.
10:21
Research carried out by my group --
181
609048
2549
Исследование, проведённое моей группой, —
10:23
so as I mentioned,
I'm a nuclear physicist,
I'm a nuclear physicist,
182
611621
2434
как я уже говорил, я физик-ядерщик,
10:26
but I've realized I've got these tools
of using quantum mechanics
of using quantum mechanics
183
614079
3055
и я понял, что могу использовать
принципы квантовой механики
принципы квантовой механики
10:29
in atomic nuclei, and so can apply
those tools in other areas as well.
those tools in other areas as well.
184
617158
5085
и в других областях науки.
10:35
One question we asked
185
623404
1810
Мы хотели, например, понять,
10:37
is whether quantum tunneling
plays a role in mutations in DNA.
plays a role in mutations in DNA.
186
625238
4298
имеет ли место туннельный эффект
в мутациях ДНК.
в мутациях ДНК.
10:41
Again, this is not a new idea;
it goes all the way back to the early 60s.
it goes all the way back to the early 60s.
187
629843
3660
Опять же, идея не новая: впервые
она прозвучала ещё в 60-х.
она прозвучала ещё в 60-х.
10:45
The two strands of DNA,
the double-helix structure,
the double-helix structure,
188
633527
2961
Две нити ДНК, структура двойной спирали,
10:48
are held together by rungs;
it's like a twisted ladder.
it's like a twisted ladder.
189
636512
2823
связаны вместе ступеньками, словно
винтовая лестница.
винтовая лестница.
10:51
And those rungs of the ladder
are hydrogen bonds --
are hydrogen bonds --
190
639359
3507
И ступеньки этой лестницы —
водородные связи,
водородные связи,
10:54
protons, that act as the glue
between the two strands.
between the two strands.
191
642890
3790
протоны, как клей, скрепляющие нити ДНК.
10:58
So if you zoom in, what they're doing
is holding these large molecules --
is holding these large molecules --
192
646704
4750
Так что если увеличить изображение,
окажется, что они связывают
окажется, что они связывают
эти большие молекулы, нуклеотиды, вместе.
11:03
nucleotides -- together.
193
651478
1607
11:06
Zoom in a bit more.
194
654130
1150
Увеличим ещё немного.
11:07
So, this a computer simulation.
195
655304
1916
Это компьютерная модель.
11:09
The two white balls
in the middle are protons,
in the middle are protons,
196
657855
3542
Два белых шарика в середине — протоны,
11:13
and you can see that
it's a double hydrogen bond.
it's a double hydrogen bond.
197
661421
2299
это двойная водородная связь.
11:15
One prefers to sit on one side;
the other, on the other side
the other, on the other side
198
663744
3314
Один предпочитает находиться
с одной стороны, второй —
с одной стороны, второй —
11:19
of the two strands of the vertical lines
going down, which you can't see.
going down, which you can't see.
199
667082
4558
по другую сторону двух вертикальных нитей,
уходящих вниз, на модели этого не видно.
уходящих вниз, на модели этого не видно.
11:24
It can happen that
these two protons can hop over.
these two protons can hop over.
200
672410
3395
Бывает, что два протона меняются местами.
11:27
Watch the two white balls.
201
675829
1436
Следите за белыми шариками.
11:29
They can jump over to the other side.
202
677748
1998
Они могут перескочить на другую сторону.
11:32
If the two strands of DNA then separate,
leading to the process of replication,
leading to the process of replication,
203
680239
5646
Если две нити ДНК затем разделяются,
что приводит к репликации,
что приводит к репликации,
11:37
and the two protons
are in the wrong positions,
are in the wrong positions,
204
685909
3199
и два протона находятся
не на своих местах,
не на своих местах,
11:41
this can lead to a mutation.
205
689132
1763
может случиться мутация.
11:43
This has been known for half a century.
206
691204
1872
Мы знаем об этом уже полвека.
11:45
The question is: How likely
are they to do that,
are they to do that,
207
693100
2343
Вопрос вот в чём: какова вероятность,
что они поменяются, и если да — то
каким образом?
каким образом?
11:47
and if they do, how do they do it?
208
695467
2378
11:49
Do they jump across,
like the ball going over the wall?
like the ball going over the wall?
209
697869
3019
Они перескакивают, как мяч через стену?
11:52
Or can they quantum-tunnel across,
even if they don't have enough energy?
even if they don't have enough energy?
210
700912
3502
Или используют туннельный эффект,
даже если у них недостаточно энергии?
даже если у них недостаточно энергии?
11:57
Early indications suggest that
quantum tunneling can play a role here.
quantum tunneling can play a role here.
211
705089
4252
Первые исследования предполагают,
что здесь имеет место туннельный эффект.
что здесь имеет место туннельный эффект.
12:01
We still don't know yet
how important it is;
how important it is;
212
709365
2124
Мы не знаем, насколько важную роль
он играет;
он играет;
12:03
this is still an open question.
213
711513
1792
пока этот вопрос остаётся без ответа.
12:06
It's speculative,
214
714199
1150
Это лишь гипотеза,
12:07
but it's one of those questions
that is so important
that is so important
215
715373
2643
но это один из тех
особенно важных моментов,
особенно важных моментов,
12:10
that if quantum mechanics
plays a role in mutations,
plays a role in mutations,
216
718040
2446
ведь если квантовая механика
причастна к мутациям,
причастна к мутациям,
12:12
surely this must have big implications,
217
720510
2299
разумеется, это значительным образом
повлияет
повлияет
12:14
to understand certain types of mutations,
218
722833
2694
на наше понимание отдельных видов мутаций,
12:17
possibly even those that lead
to turning a cell cancerous.
to turning a cell cancerous.
219
725551
3756
возможно, даже мутаций, которые
делают клетку раковой.
делают клетку раковой.
12:22
Another example of quantum mechanics
in biology is quantum coherence,
in biology is quantum coherence,
220
730803
5299
Ещё один пример квантовой механики
в биологии — квантовая когерентность,
в биологии — квантовая когерентность,
12:28
in one of the most
important processes in biology,
important processes in biology,
221
736126
2353
сопутствующая важнейшему процессу
в биологии —
в биологии —
12:30
photosynthesis: plants
and bacteria taking sunlight,
and bacteria taking sunlight,
222
738503
3941
фотосинтезу: растения и бактерии
поглощают свет
поглощают свет
12:34
and using that energy to create biomass.
223
742468
2954
и используют его энергию,
чтобы производить биомассу.
чтобы производить биомассу.
12:38
Quantum coherence is the idea
of quantum entities multitasking.
of quantum entities multitasking.
224
746215
4152
При квантовой когерентности пучки квантов
выполняют сразу несколько задач.
выполняют сразу несколько задач.
12:42
It's the quantum skier.
225
750912
1604
Например, как квантовый лыжник.
12:44
It's an object that behaves like a wave,
226
752540
2952
Объект ведёт себя как волна,
12:47
so that it doesn't just move
in one direction or the other,
in one direction or the other,
227
755516
2902
так что он не просто движется
в том или ином направлении,
в том или ином направлении,
12:50
but can follow multiple pathways
at the same time.
at the same time.
228
758442
3320
а может одновременно передвигаться
несколькими траекториями.
несколькими траекториями.
12:54
Some years ago,
the world of science was shocked
the world of science was shocked
229
762708
3916
Пару лет назад научное сообщество
было поражено работой,
было поражено работой,
12:58
when a paper was published
showing experimental evidence
showing experimental evidence
230
766648
3584
которая предоставляла
экспериментальные доказательства того,
экспериментальные доказательства того,
13:02
that quantum coherence
takes place inside bacteria,
takes place inside bacteria,
231
770256
3776
что квантовая когерентность происходит
внутри бактерии
внутри бактерии
и так сопутствует
процессу фотосинтеза.
процессу фотосинтеза.
13:06
carrying out photosynthesis.
232
774056
1686
13:07
The idea is that the photon,
the particle of light, the sunlight,
the particle of light, the sunlight,
233
775766
3064
Суть в том, что фотон, частица света,
солнечного света,
солнечного света,
13:10
the quantum of light
captured by a chlorophyll molecule,
captured by a chlorophyll molecule,
234
778854
3344
квант света, захваченный
хлорофилльной молекулой,
хлорофилльной молекулой,
13:14
is then delivered to what's called
the reaction center,
the reaction center,
235
782222
2591
затем переносится в так называемый
«реакционный центр»,
«реакционный центр»,
13:16
where it can be turned into
chemical energy.
chemical energy.
236
784837
2064
где он преобразуется в химическую энергию.
13:18
And in getting there,
it doesn't just follow one route;
it doesn't just follow one route;
237
786925
2648
На пути в этот центр он следует
не по одному маршруту,
не по одному маршруту,
13:21
it follows multiple pathways at once,
238
789597
2215
а сразу по нескольким,
13:23
to optimize the most efficient way
of reaching the reaction center
of reaching the reaction center
239
791836
4337
чтобы максимально быстро
достигнуть реакционного центра,
достигнуть реакционного центра,
не растратив при этом избыточное тепло.
13:28
without dissipating as waste heat.
240
796197
1721
13:31
Quantum coherence taking place
inside a living cell.
inside a living cell.
241
799228
3309
Квантовая когерентность может происходить
внутри живой клетки.
внутри живой клетки.
13:34
A remarkable idea,
242
802561
2120
Удивительная идея,
13:36
and yet evidence is growing almost weekly,
with new papers coming out,
with new papers coming out,
243
804705
6235
и доказательства этой гипотезы
публикуются почти еженедельно
публикуются почти еженедельно
13:42
confirming that this
does indeed take place.
does indeed take place.
244
810964
2212
и подтверждают,
что наши догадки верны.
что наши догадки верны.
13:45
My third and final example
is the most beautiful, wonderful idea.
is the most beautiful, wonderful idea.
245
813555
4739
Третий и последний пример —
идея прекрасная и изумительная.
идея прекрасная и изумительная.
13:50
It's also still very speculative,
but I have to share it with you.
but I have to share it with you.
246
818318
4063
Тоже пока на уровне домысла,
но мне бы хотелось поделиться ей с вами.
но мне бы хотелось поделиться ей с вами.
13:54
The European robin
migrates from Scandinavia
migrates from Scandinavia
247
822405
4612
Зарянки каждую осень мигрируют
из Скандинавии в Средиземноморье,
13:59
down to the Mediterranean, every autumn,
248
827041
2635
и, как и многие морские животные
и даже насекомые,
и даже насекомые,
14:01
and like a lot of other
marine animals and even insects,
marine animals and even insects,
249
829700
3373
14:05
they navigate by sensing
the Earth's magnetic field.
the Earth's magnetic field.
250
833097
4300
они ориентируются в пространстве
по магнитному полю Земли.
по магнитному полю Земли.
14:10
Now, the Earth's magnetic field
is very, very weak;
is very, very weak;
251
838968
2427
Однако магнитное поле Земли
очень-очень слабое,
очень-очень слабое,
в 100 раз слабее,
чем у магнита на холодильнике,
чем у магнита на холодильнике,
14:13
it's 100 times weaker
than a fridge magnet,
than a fridge magnet,
252
841419
2080
14:15
and yet it affects the chemistry --
somehow -- within a living organism.
somehow -- within a living organism.
253
843523
5601
но оно неким образом влияет
на химические процессы в живом организме.
на химические процессы в живом организме.
14:21
That's not in doubt --
a German couple of ornithologists,
a German couple of ornithologists,
254
849932
3806
Это факт — в 1970-х немецкие орнитологи,
14:25
Wolfgang and Roswitha Wiltschko,
in the 1970s, confirmed that indeed,
in the 1970s, confirmed that indeed,
255
853762
4260
супруги Вольфганг и Росвита Вилчко,
подтвердили,
подтвердили,
14:30
the robin does find its way by somehow
sensing the Earth's magnetic field,
sensing the Earth's magnetic field,
256
858046
3977
что зарянка действительно ориентируется
в пространстве по магнитному полю Земли,
в пространстве по магнитному полю Земли,
14:34
to give it directional information --
a built-in compass.
a built-in compass.
257
862047
3327
как будто у неё есть встроенный компас.
14:37
The puzzle, the mystery was:
How does it do it?
How does it do it?
258
865398
2249
Загадка вот в чём: как она это делает!
14:40
Well, the only theory in town --
259
868351
3030
Единственная имеющаяся у нас теория —
14:43
we don't know if it's the correct theory,
but the only theory in town --
but the only theory in town --
260
871405
3436
мы не знаем, верна ли она,
но других у нас нет —
но других у нас нет —
что это связано с таким явлением,
как квантовая запутанность.
как квантовая запутанность.
14:46
is that it does it via something
called quantum entanglement.
called quantum entanglement.
261
874865
2984
14:50
Inside the robin's retina --
262
878567
2374
В сетчатке зарянок —
14:52
I kid you not -- inside the robin's retina
is a protein called cryptochrome,
is a protein called cryptochrome,
263
880965
4232
я не шучу — в сетчатке зарянок
есть криптохром,
есть криптохром,
14:57
which is light-sensitive.
264
885221
1380
светочувствительный белок.
14:58
Within cryptochrome, a pair of electrons
are quantum-entangled.
are quantum-entangled.
265
886625
3939
Внутри криптохрома пара электронов
квантово запутаны.
квантово запутаны.
15:02
Now, quantum entanglement
is when two particles are far apart,
is when two particles are far apart,
266
890588
3232
При квантовой запутанности две частицы
находятся далеко друг от друга,
находятся далеко друг от друга,
15:05
and yet somehow remain
in contact with each other.
in contact with each other.
267
893844
2834
и тем не менее они взаимозависимы.
Даже Эйнштейну это явление
не нравилось.
не нравилось.
15:08
Even Einstein hated this idea;
268
896991
1446
15:10
he called it "spooky action
at a distance."
at a distance."
269
898461
2039
Он называл его «жутким дальнодействием».
15:12
(Laughter)
270
900524
1881
(Смех)
15:14
So if Einstein doesn't like it,
then we can all be uncomfortable with it.
then we can all be uncomfortable with it.
271
902429
3443
Уж если Эйнштейну оно не нравилось,
то нам тем более может не нравиться.
то нам тем более может не нравиться.
15:17
Two quantum-entangled electrons
within a single molecule
within a single molecule
272
905896
2853
Два квантово запутанных электрона
внутри одной молекулы
внутри одной молекулы
15:20
dance a delicate dance
273
908773
1471
танцуют изящный танец
15:22
that is very sensitive
to the direction the bird flies
to the direction the bird flies
274
910268
2541
в зависимости от того, в какую сторону
летит птица
летит птица
15:24
in the Earth's magnetic field.
275
912833
1531
относительно магнитного поля Земли.
15:26
We don't know if it's
the correct explanation,
the correct explanation,
276
914848
2610
Мы не знаем, верно ли
это предположение,
это предположение,
15:29
but wow, wouldn't it be exciting
if quantum mechanics helps birds navigate?
if quantum mechanics helps birds navigate?
277
917482
4544
но разве не здорово, если окажется,
что птицы действительно находят дорогу
что птицы действительно находят дорогу
с помощью квантовой механики.
15:35
Quantum biology is still in it infancy.
278
923069
2721
Квантовая биология пока только
начинает развиваться.
начинает развиваться.
15:37
It's still speculative.
279
925814
3484
Пока что всё на уровне гипотез.
15:41
But I believe it's built on solid science.
280
929742
3849
Но я уверен, что они построены
на бесспорных научных фактах.
на бесспорных научных фактах.
15:45
I also think that
in the coming decade or so,
in the coming decade or so,
281
933917
3809
Я также полагаю,
что в ближайшее десятилетие
что в ближайшее десятилетие
15:49
we're going to start to see
that actually, it pervades life --
that actually, it pervades life --
282
937750
4841
мы поймём, что квантовые явления
повсеместно встречаются в живой материи,
повсеместно встречаются в живой материи,
15:54
that life has evolved tricks
that utilize the quantum world.
that utilize the quantum world.
283
942615
4596
что в живых организмах происходят
квантовые явления.
квантовые явления.
16:00
Watch this space.
284
948026
1428
Следите за ними.
16:01
Thank you.
285
949478
1157
Спасибо.
16:02
(Applause)
286
950659
2202
(Аплодисменты)
ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicistPhysicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."
Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
More profile about the speakerJim Al-Khalili | Speaker | TED.com