Мысли вслух о квантовой биологии

[imbg]

 
Мы недавно публиковали короткий обзор "Зарождение квантовой биологии". И у меня появилось пару мыслей, навеянных этим словосочетанием.

Я физику знаю отвратительно - но все-таки, имею определенное представление о ньютоновской и квантовой ее частях. Грубо говоря - в плане самих понятий: чем глубже в материю мы проникали, тем сложнее было применять наши обыденные понятия в все уменьшающимся объектам. Поведение электронов, протонов и меньших частичек описывается классической фразой из "ДМБ":

- Видишь суслика? И я не вижу. А он есть!



Более подробнее про казусы понятий в квантовой физике - на видео "Физика в половине девятого" у меня на народе.ру. 

Последнее время этот дуализм - различные подходы к макро- и микрообъектам - постоянно возникает у меня по отношению к живой клетке. Пока мы рассматриваем ее по частям, по молекулам - все вроде бы работает логично. Но как только пытаешься представить всю кухню вместе одномоментно - никакая макрологика не в силах объяснить, как живая клетка остается живой. Про многоклеточные организмы в этом контексте и думать не хочеться.

 

Посмотрим еще раз на то, что такое организм «на самом деле». «Единое целое» составлено из — 5*10^13 клеток — индивидуальных молекулярных машин. Клеток, в которых слаженно работают ~ 10^24—10^26 индивидуальных механизмов — макромолекул, структурно (но не жестко, а весьма лабильно) организованных в надмолекулярные функциональные комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь воссоздающиеся. И все это начинается на матрицах — генах, которых в каждой
клетке то ли 25, то ли 120 тыс.  А почти каждый ген альтернативно транскрибируется, транскрипты альтернативно сплайсируют, альтернативно полиаденилируются, редактируются, альтернативнотранслируются и т. д.

Даже по смехотворно заниженным оценкам, в самой примитивно представляемой динамике это дает 10^27 функциональных единиц, у которых рабочие поверхности (для того чтобы состоялось «единое целое») должны строго соответствовать друг другу для самосборки, восприятия регуляторных сигналов, обработки субстратов и прочего [3]. В каждой клетке организма ~ 7*10^9
пар оснований ДНК. Вероятность же мутирования такая, что при всем совершенстве репарации постоянно (!) динамически (т. е. в интервале реального времени между возникновением повреждения и его репарацией) часть генов мутантна.

Недавно эту величину оценивали в интервале от нескольких единиц до нескольких десятков генов на клетку. Но в последние годы, когда точность измерений возросла, а весь геном человека просеквенировали, оценки приходиться менять. Так, при использовании высокочувствительных методов определения апуриновых/апиримидиновых сайтов было установлено, что в каждой (!) клетке млекопитающих их число (в зависимости от ткани) составляет от 50 до 200 тыс. [4 ].

Это количество, являющееся равновесным между возникновением повреждений и их репарацией, присутствует постоянно — репарация не мгновенна. В геноме человека только 1,5 % всех последовательностей являются кодирующими [5]. Если принять (согласно все настойчивее приводимым оценкам), что число генов у человека действительно лежит в диапазоне от 25 тыс, то в среднем непрерывно в состоянии динамических мутаций в каждой клетке будет находиться несколько десятков мутантных генов. А ведь существуют и иные типы мутаций (а не только апуринизация).

Вот и выходит, что по мере углубления наших знаний оценка уровня динамических мутаций меняется только в сторону повышения. Да еще несколько генов уже через сутки—двое становятся мутантно-стабильными, т. е. какие-то динамические мутации закрепляются. Далее мутации неизбежно будут накапливаться. А в каждой клетке (в силу случайного характера повреждений) и динамические, и стабильные мутации будут разными.

В результате, начиная от любой условной точки отсчета, в которой все 100 % клеток были бы абсолютно полноценными, без единой мутации, уже через несколько суток все клетки из единого ансамбля превратятся в единое отмирающее скопление, в котором каждая клетка, имея «свои» мутации, воспроизводящие «свой» мутантный фенотип, будет отмирать «по-своему».

Так следует из существующих представлений. В действительности же такого нет. Почему?.. (Кордюм В.А. "Шагреневая кожа...")


 

Упрощенная схема некоторых  метаболических путей - на самом деле надо добавить еще тысячи подобных, и разместить в капельке диаметром 10-20 микрометров.

А вот если представить, что на уровне макромолекул или время замедляется, или силы действуют по другому - что угодно, что мы пока не в силах представить  из-за инерции мышления? Что если для макрообъектов нужно создать свою теорию, аналогичную квантовой физической теории? Тогда по крайней мере возникает оправдание - да, природа устроена не так, как мы это видим на макроуровне, но зато станет понятно, где искать ответ.

Например, компартментализация макромолекул абсолютно необходима для их функции. Но представить, что все молекулы длинными вереницами снуют туда-сюда, чтоб занять правильный компартмент в понятной для нас форме: из точки А в точку С через промежуточные точки В1, В2,... Вх - ведет к нонсенсу - в клетке не так много места, чтоб всем сотням тысяч молекул организованно перемещаться. Другое дело, если после синтеза молекула совершает нечто вроде "квантового скачка" - мгновенно попадает из точки синтеза в компартмент процессинга, а оттуда телепортируется в рабочий компартмент. Все это не настолько не правдоподобно, по крайней мере если сравнить с правдоподобностью существующих представлений (см. врезку выше).

Даже как это будет приблизительно выглядеть - сказать трудно, и у меня нет особо ярких идей на счет того, как же в реальности все процессы в клетке и организме протекают и регулируются. Но то, что они таки протекают и регулируются, сомневаться не приходится - мы то с вами живем, и размножаемся, и гены наши остаются стабильными в разумных пределах. 

В общем - суета сует с этими макромолекулами. Да, кстати - у кого есть идеи или ссылки на источники с другими объяснениями - милости прошу в комментарии.

Comments

[egzadereev.livejournal.com]

я уже давно использую пример корпускулярно-волнового дуализма в физике, когда говорю про моделирование популяций:) с одной стороны популяцию можно описать в терминах биомассы (непрерывное описание), с другой стороны в терминах особей (дискретное описание). В зависимости от целей можно использовать тот или иной подход

[ivanstor.livejournal.com]

У Менского есть идеи на этот счет.
Предельно утрируя: процесс квантовой редукции применительно к живой материи не полностью случаен, живая материя способна выбирать благоприятный для себя вариант. Более того, квантовая редукция и есть такой "выбор варианта" и существует только в связке с живой материей.
Книга: Менский М. Б. Человек и квантовый мир. Фрязино: «Век2», 2005. — 320 с. — (Наука для всех). ISBN 5-85099-161-1

Менский Михаил Борисович — доктор физ.-мат наук, профессор, вед. научный сотрудник Физического института им. Лебедева РАН.
Область научных интересов — квантовая теория поля, теория групп, квантовая гравитация, квантовая механика, квантовая теория измерений.
Также статьи в УФН (в книге есть библиография.

Возможно, есть смысл ознакомится с недавней обзорной статьей Иваницкого о подходах физиков к фундаментальным проблемам биологии. Она не столь радикальна, как работы Менского, зато охватывает более широкий круг вопросов.

[imbg.livejournal.com]

благодарю

[elisapeyron.livejournal.com]

я понимаю что это не объяснение, но я слышала про химический градиент, по которому ориентируются клетки чтоб узнать где у зародыша будет голова, а где хвост(к примеру). возможно внутри клетки существуют подобные механизмы и потому не нужно совершать последовательный перебор всех вариантов вроде "все молекулы длинными вереницами снуют туда-сюда, чтоб занять правильный компартмент". мне кажется представление о работе клетки пришедшее из программирование про массивы чисел и перебор под ифами к клеткам не применимы. они там четко "знают" что кому делать потому что находятся в выверенном хим. балансе. а все что могло сломаться сломалось миллионы лет назад и отсеялось отбором. осталась сбалансированная система, как солнечная. мы не слишком близко к солнцу и не слишком далеко и все планеты "знают" свои орбиты и периоды обращения. просто в клетках нам сложнее рассчитать эти орбиты по техническим причинам, а не по философским. ну собственно как и в физике элементарных частиц.

сори за непрошеное умничание...

[imbg.livejournal.com]

...они там четко "знают" что кому делать ...

В этом и суть. Просто мы не можем понять - как они это знают, могут ли они "знать " в принципе - и пытаемся свести все к притяжению-отталкиванию - а это и ведет к каше.

Миллионы людей в Киеве каждый день мигрируют туда-сюда. А теперь попробуем описать, как это происходит, не с точки зрения обывателя, а с точки зрения молбиолога - все тут же перемешывается :)

[elisapeyron.livejournal.com]

да-да, я понимаю постановку задачи и сложности! другое дело что я уж точно без малейшего понятия как можно было бы ее решить, а не то я бы в очереди на нобелевку стояла :D

[elisapeyron.livejournal.com]

да и еще про телепортацию. насколько я понимаю на таких растояниях она для объяснений и не нужна потому что нет уверенности что это та же элементарная частица что и была и никак нельзя ее зафиксировать. то есть я это так понимаю, как удар бельярдного шарика по другим. влетает в кучку шариков один, а вылетает с той стороны уже другой после взаимодействия. получается что-то вроде телепортации... но конечно пусть лучше физик ниже ответит, если снизойдет :)

[sergeyr.livejournal.com]

По-видимому, основных затыков два:

1. При попытке представить себе скорость броуновского движения.
Типовые скорости молекул газов при температурах от 0 до 40 градусов Цельсия - сотни м/с. Это даже и по привычным человеку меркам очень много - с такой скоростью пули летают. Скорости движения молекул в жидкостях - вопрос более сложный, т.к. они там больше колеблются, чем по прямой летают, но даже и для жидкостей скорость диффузии вполне макроскопически заметная - до нескольких см/с. А размеры клетки - до 50 мкм. Т.е. за секунду молекула может пересечь клетку из конца в конец случайными маршрутами _тысячи_ раз, а сколько она при этом выдержит хаотических соударений с соседними молекулами - это я даже оценивать боюсь (там какие-то астрономические цифры лезут).

2. Таки существуют явления типа сверхтекучести, т.е. проскакивания молекул друг сквозь друга за счёт эффекта квантовой неопределённости. Правда, для крупных молекул при рассматриваемых температурах этот эффект выражен слабо, но чем чёрт не шутит - может проскакивать через тонкие внутриклеточные "заслоны" всё же проще, чем молекулам гелия через толстые сплошные стенки сосудов "телепортами" прорываться. Yj в принципе этот эффект, по-моему, использовать излишне - первый пункт даёт вполне достаточное представление о том, как молекулы в любой толкучке могут быстро просачиваться к своим компартментам.

[gyurgy.livejournal.com]

Квантовые законы справедливы при любых масштабах просто при массах и обычных условиях мы близки к пределу -- классической механике. Это как я понимаю дело. В то же время можно попытаться учитывать квантовые эффекты и интегрировать. Как я понял строится сверхтекучесть.

Новые физические принципы к макромолекулам наверное придумывать не надо. Надо проинтегрировать уравнение Шредингера для макромолекулы. В лоб это не получится сделать -- размерность очень велика. Значит надо строить приближения разного порядка.

[imbg.livejournal.com]

все что я помню об уровнении Шредингера - что оно о четырех этажах.А Шредингера самого уважаю за книгу "Что такое жизнь с точки зрения физика". Проинтегрировать его уравнение я не смог бы даже в ВУЗе, когда помнил наизусть таблицы интегралов и логарифмов :)

[gyurgy.livejournal.com]

Оно простое. Гамильтониан может быть сложным. Так точно проинтегрировали лишь несколько случаев и очень давно.

Вот "Что такое жизнь с точки зрения физика" не читал -- пробел моего образования. Еще бы написали что такое жизнь с точки зрения математика. Это было бы адаптированное издание.

[crazykarsar.livejournal.com]

Новых придумывать действительно не надо. Интегрируют уравнение Шредингера. Причем численно, с помощью упрощающих приближений. Таких как Хартри-Фок, молекулярные орбитали разные, функционал плотности и т.д и т.п. Даже при этом, и при наличии крутого вычислительного кластера, никто в мире не считает такое даже для маленьких протеинов.
Однако, обходного пути тут нет. Есть надежда на появление квантовых компьютеров, а пока решаются либо простейшие похожие модельки, с простыми гамильтонианами, или маленькие молекулы. Возможно, появится свой Перельман... Только пока его нет. Скорее что-то радикальное тут сделают математики. Хотя они любят по 300 лет решать что-то неактуальное (шутка! не бить:)

[crazykarsar.livejournal.com]

Как физик, хочу заметить, что в основном популярные изложения квантовой механики создают достаточно превратное представление об этой науке. Особенно вредны "философские" подходы. Без знания основ, все рассуждения будут спекуляциями. Также не стоит доверять философским текстам ученых реально работающих в квантовой механике. Вне математического контекста и журнальных статей/учебников ничего полезного для научной работы найти нельзя. Кроме создания иллюзии, что в теме. Хотя, если есть желание поспекулировать, повыдвигать крутые теории и потом говорить что научное сообщество вас игнорирует, а также считать, что обогнали время, то можно. Чтобы делать выводы связанные с квантовой механикой надо владеть ее математическим аппаратом и излагать свою теорию на его основе. Хотя-бы самые важные пункты. Должна быть строгая логика изложения, владение терминами и фальсифицируемость итоговой теории в понятном эксперименте. Иначе попусту потратите время. Между динамикой популяций и квантовой механикой могут быть только грубые аналогии, на уровне точных аналогий - ничего общего.
Такое вот предостережение:-)

[imbg.livejournal.com]

вот это меня и беспокоит - что я владею материалом на уровне попсовой книжки Грина. Поэтому я был бы рад сотрудничеству с тем, кто владеет самой математикой - но пока врядли могу предложить что-то конкретное такому соавтору.Пожтому пока оттачиваю мысли посредством того же ЖЖ.
А в стан оскорбленных гениев вы меня не причисляйте - в реальной научной работе я вполне счастлив и продуктивен :)
P.S. Пользуясь случаем - так а скажите, на сколько возможно фищику доказать мгновенные телепортации макромолекул в массовом порядке внутри клетки - т.е. на довольно маленькие расстояния. я понимаю, формулировка звучит не очень, но суть я надеюсь вы поняли, а если знаете, как корректно перефразировать сам вопрос - тогда я был бы очень рад; если б дали приблизительный ответ - я был бы счастлив; если б ответ был бы "Нет не может в принципе" - это было бы просто чудесно, потому что я б тогда больше не думал на эту тему.

[gyurgy.livejournal.com]

У Грина много о Грине и мало о науке. К сожалению матаппарат квантовой механики действительно тяжел. А вот само применение к макромолекулам мне кажется интересным, хотя я подхожу с чисто математичеких позиций.

[crazykarsar.livejournal.com]

Никого я в стан оскорбленных гениев не причисляю:) Скорее это камень в огород тех, кто
увлекся такими спекуляцими. Для того чтобы делать такие обвинения в Вашем случае, нужно чтобы Вы на полном серьезе пробовали публиковать и/или нести в мир такие спекулятивные идеи. Осторожное прощупывание почвы, в любой новой области, только хорошо. Мой коммент был скорее пожеланием осторожности по отношению к "популярной" квантовой механике. В принципе, квантовая математика, в основе своей, не так сложна. Однако, в случае молекул, ничего кроме численных методов квантовой химии попросту нет. Сам работаю теоретиком в лаборатории структурной биологии. На данный момент есть хорошие начинания по учету квантовых эффектов на уровне макромолекул, но все еще без особых результатов. Насколько мне известно.
По поводу телепортации макромолекул в массовом порядке... Можете смело считать, что нет.
Туннельный эффект ,в квантовых расчетах не выражен настолько сильно. В данном случае, туннельный эффект позоляет преодолевать энергетический барьер между конформациями макромолекулы. Если же Вы имели ввиду квантовую телепортацию, а не туннельный эффект, то в ее случае объект не телепортируется на пустое место. Объект телепортируется в такой же объект, точнее телепортируется состояние объекта. При этом вначале оба объекта были в одном месте. Это очень грубое изложение, так что если кого-то покоробит, то прошу прощение.
Если бы существовала бы мгновенная телепортация молекул на любые расстояние, то мы бы жыли в квантовом мире и были бы очень заметны инные квантовые эффекты.

[http://users.livejournal.com/_hellmaus_/]

По-моему, вы преувеличиваете... Макромолекул в клетке не 10^24, а порядка 10^10 (если мы берем мол.массу средней макромолекулы 10 кДа и эукариотную клетку диаметром 20 мкм, состоящую на 80% из воды). Типов макромолекул еще намного меньше - ведь не далеко не каждая молекула белка имеет ошики трансляции. Слаженно работают не все макромолекулы всего организма, а только те, которые встречаются в одном компартменте клетки или в одном типе межклеточной среды.

Скорее некорректен перенос на клетку оценок надежности, привычных для computer science. Я как-то давно писал на эту тему: http://users.livejournal.com/_hellmaus_/82208.html

[imbg.livejournal.com]

ну расчеты не мои, но все таки я скорее с ними согласен, чем нет. Но даже 10^10 - огромная цифра!

[antihydrogen.livejournal.com]

Вот тут человек испытывал деликатные сомнения практически по тому же поводу, что и вы http://ivanov-petrov.livejournal.com/1523219.html?thread=75659795, и я сделал прикидку скорости процесса http://ivanov-petrov.livejournal.com/1523219.html?thread=75659795#t75659795, все вроде бы сошлось (хотя моя физическая интуиция подсказывает мне, что концентрация на самом деле гораздо меньше, чем я брал, но это должно компенсироваться тем, что сечение скорее всего гораздо больше).

А по поводу телепортации и туннелирования вам уже сверху правильно написали: под квантовой телепортацией подразумевается вовсе не перепрыг материального объекта с места на место, а передача квантового состояния (волновой функции) одного объекта другому точно такому же объекту. Вероятность же туннелировать для макромолекулы из точку А в точку Б куда меньше, чем вероятность просто продиффундировать из А в Б, потому что молекула тяжелая. Еще тут можно добавить, что квантовые эффекты (типа той же квантовой телепортации, или, скажем, неопределенности положения центра масс) для биологических объектов (как и прочих макроскопических тел) подавлены из за декогерентности, вызванной взаимодействием с окружением. Единственный способ добиться квантовых эффектов для биологической системы, совместимый с современной физикой: взять организм, засунуть его в вакуум, идеально изолировать от окружающей среды и охладить до 10^{-очень много} кельвинов, тогда можно добиться, чтобы неопределенность положения центра масс организма была соизмерима с размерами организма :)

[imbg.livejournal.com]

благодарю. Вы дали возможность очистить место в мозгу для новвых идей/

Только я не понял, почему вы скорость меряете в Герцах?
"...скорость реакции 100 герц.."

[triggg.livejournal.com]

Почитал я пост и комменты – всё та же проблема в отсутствии логики в науке. Генетика и биология, как и физика, экономика, философия, увы, топчутся на старом фундаменте формальной логики. Примеры ошибочного подхода в следующих цитатах:

пример корпускулярно-волнового дуализма в физике, когда говорю про моделирование популяций…
процесс квантовой редукции применительно к живой материи не полностью случаен, живая материя способна выбирать благоприятный для себя вариант…
о подходах физиков к фундаментальным проблемам биологии…
представление о работе клетки пришедшее из программирование про массивы чисел и перебор под ифами…
с точки зрения молбиолога - все тут же перемешывается…
Надо проинтегрировать уравнение Шредингера для макромолекулы…
"Что такое жизнь с точки зрения физика"…
что такое жизнь с точки зрения математика…
Особенно вредны "философские" подходы…
на сколько возможно фищику доказать мгновенные телепортации макромолекул в массовом порядке внутри клетки…
Делайте системные сопостановление систем...
Например, что двигает людей циклично ходить на работу и домой. Ответ очевиден, но выразить его в терминах биологии не получится…
и до сих пор стараюсь пользоваться аналогиями - но к сожалению пока что бестолку…

Не буду говорить конкретно по каждой цитате, в общем и в конкретном. В физике камнем логического преткновения является понятие и явление «сила». В экономике – «стоимость». В философии – логика, как единство материи и мышления. А в биологии – понятие и явление «жизнь». Как сила, стоимость, логика, так и жизнь, является пока что для ученых неким нематериальным явлением, существующим только в рассуждении, в мыслях. Поэтому все, как физики, так и экономисты с биологами и генетиками, пытаются в рассмотрении и исследовании элементов, найти законы бытия, материи, жизни, в отрыве элементов явлений со всем явлением. В действительности всё взаимосвязано, и, к примеру, процессы в клетке происходят только тогда, когда она жива. Поэтому, даже по самому этому факту, следует рассматривать процессы в клетке и организме только во взаимосвязи и обусловленности с жизнью. Точно также и в физике дальнейшее её развитие тормозится тем, что физики не учитывают взаимосвязь силы с физическими процессами и явлениями. Ну а словоблудие в философии, где «дух» философов оторван от действительности и не имеет никакой взаимосвязи с реальностью, настолько очевидно всем физикам и генетикам :) что они выплеснули за борт вместе с философией и её ребёнка – логику бытия. А бытие, и жизнь в том числе, существует не по законам и формулам формальной логики.

[imbg.livejournal.com]

ну, в принципе тонко подмечено - но какие практические выводы из этого можно сделать? Т.е. как всю эту логику можно перенести на конкретную задачу? В моем вопросе - это объяснить необъяснимое - путаницу в метаболизме клетки, которую мы наблюдаем при простом сложении многих процессов вместе.

Привет, все ещё живы? :))

[triggg.livejournal.com]

Трудная, однако, задача оказалась. Неживой мир оказалось проще проанализировать. Но даже первые рассуждения выводят вообще на какую-то религиозно-фантастико-мифологическую э-э-э-э...не знаю как назвать :)) Будучи атеистом и кондовым материалистом, даже в стремак кидает :))
Вот первое рассуждение:

Всё что нас окружает и мы сами, всё это мы называем бытие. Внутри бытия мы различаем две фломы бытия – неживую природу и живую природу. Бытие состоит из двух форм материи – живой и неживой.
Живая форма материи состоит в свою очередь из животного мира и растительного.
Общее свойство и животного и растительного миров состоит в том, что все они сами в свою очередь состоят из организмов. Организм является элементарной единицей живых миров.
Но организмы обоих миров состоят из органов, которые, в свою очередь состоят из клеток.
Таким образом, наиболее элементарной частицей живой материи является клетка.

На мой взгляд - противоречия с действительностью нет. А это главное условие того, что исследование идет в научном русле.

Для своей жизни и организм и клетка, требуют средства существования. Средства существования дает им окружающая действительность. Окружающая действительность состоя из двух миров, дает средства существования как из неживой природы, так и из живой. С этой точки зрения, живой мир разделяется на организмы, которые питаются веществами неживой природы – растения; и организмы, которые питаются другими организмами живой природы – животные.

Потребление веществ природы не уничтожает их внутри организмов и клетки. То же количество вещества выводится из организмов и клеток обратно в природу как в течение жизни, так и при смерти организма и клетки. Отсюда следует общее свойство живых организмов и клеток – обмен веществ между живой и неживой природой. Но отсюда следует и то, что обмен веществ – это жизнь, это сущность жизни, её главный признак и форма её существования.

Логика исследования

[triggg.livejournal.com]

С точки зрения диалектической логики, анализ должен начинаться с общих свойств и признаков, поскольку не зная общих свойств, мы не сможем согласовать конкретные свойства.
Также диалектический метод требует соблюдения дуализма природы, который заключается в том, что предмет исследования должен рассматриваться в противопложностях своего общего свойства. Пока идет в это русле - дуализм соблюдается. Живая и неживая природа - противоположности друг друга. Рстительный и животный миры тоже противоположности друг друга.

Re: Привет, все ещё живы? :))

[imbg.livejournal.com]

Втему ли мое замечание - обмен веществ идет постоянно, но он ведет к разрушению организма/клеток. Последнии в свою очередь стараются этот вред нивелировать с помощью хитроумных контрмер. Т.е. обмен веществ им нужен, но он их и убивает - одна из теорий старения-это как раз постепенное и хроническое отравление организма продуктами обмена.

Однако пока что мы в таких рассуждениях не приблизились к какому-нибудь конкретному ответу - если он вообще есть.