З глави 1 ви, мабуть, пам'ятаєте, що квантове тунелювання - це процес, в ході якого частинки долають непереборні бар'єри з тією ж легкістю, з якою звук проходить крізь стіни. Квантове тунелювання було відкрито в 1926 році німецьким фізиком Фрідріхом Хунду і незабаром після цього було успішно використано Георгієм Гамовим, Рональдом Гернеем і Едвардом Кондоном для пояснення поняття радіоактивного розпаду, причому всі троє застосували при цьому нову в той час математику квантової механіки. Квантове тунелювання стало одним з головних понять ядерної фізики, а згодом знайшло широке застосування в матеріалознавстві і хімії. Як ми вже говорили, цей ефект має величезне значення для земного життя, оскільки саме завдяки йому пари позитивно заряджених ядер водню, що знаходяться всередині Сонця, зливаються воєдино, починаючи тим самим процес перетворення водню в гелій, при якому виділяється величезна кількість сонячної енергії. І все ж до недавнього часу ніхто не припускав, що квантове тунелювання якось пов'язано з процесами, що протікають в живій матерії.
Квантове тунелювання можна розуміти як спосіб, за допомогою якого частинки, що знаходяться спочатку по одну сторону бар'єру, потрапляють на іншу його сторону, причому здоровий глузд підказує, що цей спосіб неможливий. Під «бар'єром» ми маємо на увазі фізично непереборний (без необхідної кількості енергії) ділянку простору - щось схоже на силові поля з наукової фантастики. Такий бар'єр може являти собою вузьку ділянку ізоляційного матеріалу, що розділяє провідники, або порожній простір, наприклад відстань між двома ферментами в дихальної ланцюга. Він також може бути чимось на зразок енергетичного «пагорба», який ми описували вище, і обмежувати швидкість протікання хімічних реакцій (див. Рис. 3.1). Уявіть собі м'ячик, який штовхнули вгору по схилу невисокого пагорба. Для того щоб м'ячик докотився до вершини, а потім скотився вниз по іншому схилу, необхідно штовхнути його досить сильно. Піднімаючись по схилу, м'яч буде сповільнювати рух і без необхідної кількості енергії (отриманої при досить сильному поштовху) просто зупиниться і скотиться туди, звідки його штовхнули. Відповідно до класичної механіки Ньютона, єдиний спосіб змусити м'яч подолати бар'єр у вигляді вершини пагорба полягає в тому, щоб надати йому достатню кількість енергії для подолання цієї «енергетичної» вершини. Але якби на місці м'яча опинився, скажімо, електрон, а пагорб представляв би собою бар'єр енергії відштовхування, існувала б ймовірність того, що електрон подолав би цей бар'єр у вигляді хвилі, прокладаючи собі альтернативний і більш ефективний шлях. Це і є квантове тунелювання (рис. 3.5).
Мал. 3.5. Квантове тунелювання крізь енергетичний ландшафт
Важливою особливістю квантового світу є те, що чим легше частка, тим легше вона долає енергетичний бар'єр. Отже, нічого дивного немає в тому, що, як тільки стало зрозуміло, що цей процес - звичайне явище для внутріатомної світу, вчені швидко виявили, що найбільш поширене в квантовому світі саме туннелирование електронів, оскільки вони представляють собою надзвичайно легкі елементарні частинки. Емісія електронів з металів під дією електричного поля була описана в кінці 1920-х років саме як тунельний ефект. Квантове тунелювання пояснило і то, як саме відбувається радіоактивний розпад: ядра певних атомів, наприклад урану, раптом викидають частку. Цей приклад вважається першим успішним застосуванням квантової механіки для вирішення проблем ядерної фізики. У сучасній хімії також детально описано квантове тунелювання електронів, протонів (ядер водню) і навіть більш важких атомів.
Важливою особливістю квантового тунелювання є його залежність (як і багатьох інших квантових явищ) від хвильової природи частинок речовини. Однак тіло, що складається з великої кількості частинок, яким необхідно подолати бар'єр, має підтримувати такі умови, в яких хвильові аспекти всіх його складових підходили б один одному (наприклад, збігалися б довжини хвиль). Іншими словами, тіло повинно являти собою те, що ми назвали б когерентної системою або просто системою, що працює «в унісон». Декогеренції описує процес, в ході якого безліч квантових хвиль стрімко вибиваються із загального ритму і порушують загальний когерентне поведінку, позбавляючи тіло здатності до квантовому тунелюванні. Частка може брати участь в квантовому тунелюванні, тільки якщо вона зберігає хвильові властивості, необхідні для подолання бар'єру. Ось чому великих об'єктів, наприклад футбольним м'ячам, не властиво квантове тунелювання: вони складаються з трильйонів атомів, поведінку і хвильові властивості яких неможливо скоординувати і перетворити в когерентну систему.
За квантовим мірками живі клітини також є великими об'єктами, тому з першого погляду можливість квантового тунелювання в теплому і вологому середовищі живих клітин, де атоми і молекули рухаються в основному безладно, здається неймовірною. Однак, як ми вже з'ясували, внутрішню будову ферменту відрізняється від невпорядкованою середовища клітини: рух його частинок являє собою скоріше добре поставлений танець, ніж метушливе штовханину. Давайте розберемося, наскільки важлива ця хореографія частинок для життя.