Квантовые состояния жизни

Вверху 2D-оптическая решетка, в центре которой бозонный конденсат (светлый цилиндр); внизу «встряска» решетки, в результате чего образуется «ров» с белыми дезорганизованными бозонами, неспособными давать конденсат. Иллюстрация Phsiorg

Класс элементарных частиц бозоны названы в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. Бозоны, к которым относится, например, фотон, имеют спин, равный нулю или целому числу. Это позволяет им образовывать при охлаждении как бы единый атом. В отличие от них другие элементарные частицы, фермионы (в честь итальянского физика Энрико Ферми) – электрон, протон и нейтрон, а также кварки – имеют спин +/–0,5; что не позволяет им объединяться в конденсат. Но зато именно фермионы дали углеродную жизнь.

Парадокс состоит в том, что углеродная жизнь все же зависит от солнечных фотонов (то есть бозонов). Энергия фотонов возбуждает электроны, которые расщепляют воду. Образующиеся при этом водородные ионы заряжают АТФ, основной энергоноситель клеток. В свою очередь, возбужденные электроны релаксируют, отдавая запасенную энергию в виде фотонов.

Группа ученых, работающих в университетах Миннесоты, Мэриленда и Монаш в Мельбурне, предсказали трансмутацию взаимодействующих в световой решетке бозонов в фермионы. (Или, если говорить строго, бозоны начинают показывать фермионную статистику.) При этом в плоскости решетки появляется глубокий ров, а бозоны, проявляющие фермионные свойства, теряют «согласованность» друг с другом и способность к конденсации. Их выводы опубликованы в Physical Review Letters.

На примере фотосинтеза видно, что жизнь тесно связана с квантовыми состояниями и переходами. Долгие десятилетия нейробиологи видели причину болезни Альцгеймера в накоплении бляшек нейротоксического амилоида. Однако большая группа ученых из Европы, Японии и Саудовской Аравии доказала, что выключение гена одного из белков, «сидящих» в оболочке нервной клетки, резко снижает амилоидное бремя. Об этом можно почитать в Science Translational Medicine.

В свое время биологи полагали также, что главными регуляторами нервной активности являются натрий и калий (недаром кардиологи прописывают пациентам калиевые препараты и диеты). Потом было открыто, что в самом начале генерации импульса огромную роль играют ионы кальция, которые первыми идут в клетки, прокладывая дорогу калию и натрию. В свете новых открытий оказалось, что внутриклеточный кальций интегрирует разные сигнальные системы, в том числе и отвечающие за развитие стволовых клеток. В журнале Nature описываются стволовые клетки слизистой тонкого кишечника, дающие энтероциты, которые располагаются по периметру кишки наподобие цифр в часах. Однако резкое увеличение концентрации кальциевых ионов приводит к бурному размножению стволовых клеток, что может приводить к опухолям. Авторы статьи полагают, что им удалось открыть еще одну мишень для будущих антираковых средств.

Но это в будущем, а пациентам надо помогать сейчас. Александр Боровский из Калифорнийского университета в г. Дэвисе с коллегами предложил комбинированный подход к лечению, объединив магнитно-резонансный томограф и ультразвуковую хирургию в виде теплового удара по опухолевой ткани. Эти результаты опубликованы в журнале J. Clinical Investigation. Хотя успешные опыты проведены на мышиной модели человеческой опухоли (грудной железы), ученые указывают на то, что все части их комплекса уже допущены к клиническому применению. Лекарство к опухоли они доставляли с помощью липосом, то есть наночастиц с жировыми-липидными стенками. Точное «наведение» липосом на опухоль с помощью сочетания МРТ и ультразвукового прогревания увеличивало концентрацию лекарства на 50%.

Прогресс наноэлектроники позволил резко повысить мощность компьютеров, что, в свою очередь, привело к повышению разрешающей способности томографов и МРТ. Сотрудники Пенсильванского университета в Филадельфии с помощью МРТ нового поколения смогли увидеть очаги не поддающейся лечению эпилепсии в глубине височной доли (см. Science Translational Medicine). Нелишне будет напомнить в заключение, что МРТ-изображение строится путем определения квантового состояния спинов протонных (водородных) фермионов, отличающихся, как сказано, от бозонов с их способностью давать конденсат.