Нас всех подстерегает случай

[egovoru]

Больцмановская статистическая механика описывает поведение совокупности частиц, каждая из которых подчиняется ньютоновским законам движения (как говорят, представляет собой твердый бильярдный шар). Случайность движения молекул идеального газа – результат только нашего незнания параметров этого движения: если бы мы, как Лапласов демон, знали координаты и скорости всех индивидуальных молекул в начальный момент времени и обладали достаточными вычислительными мощностями, мы могли бы рассчитать координаты и скорости всех молекул в любой другой момент времени. А вот распад радиоактивного атомного ядра – процесс случайный в другом смысле: никакое знание его начального состояния не поможет нам определить тот момент времени, когда оно распадется – то есть, это фундаментальная случайность квантового мира.

Меня сбивает с толку то, что эта разница случайностей относится только к нашим моделям физических процессов, а не к ним самим. Соответственно, я теряюсь, когда пытаюсь определить, какого рода случайностью является та или иная физическая случайность, не входящая в хрестоматийный набор примеров. Вот, например, ионные каналы в клеточных мембранах: они постоянно открываются и закрываются, случайно переходя из одного состояния в другое. Что же, это случайность от нашего незнания или принципиальная квантовая? Похоже, это вопрос не такой уж детский: большинство исследователей трактуют эту случайность как больцмановскую, но есть и такие, кто разрабатывает квантово-механическoе описание.

При моделировании структуры макромолекул и симуляции молекулярной динамики стандартный подход, позволяющий сэкономить время – гибридный: квантовую механику, требующую длительных вычислений, используют для моделирования самого важного участка молекулы (например, реакционного центра фермента), а классическую – для остальных ее частей. Вот, например, как выглядит созданная нашими коллегами-физиками симуляция проникновения иона калия через светозависимый калийный канал, который мы изучаем.

Большой синий ион калия диффундирует через пору светозависимого калийного канала под действием приложенного электрохимического потенциала (плюс – внизу, минус – наверху). Маленькие оранжевые шарики – молекулы воды; белые спирали представляют скелет полипептидной цепи канала; показаны также боковые цепи некоторых аминокислотных остатков, участвующих в обратимом связывании иона калия, и ретинальный хромофор; липиды бислоя, куда встроена молекула канала, не показаны, но были включены в симуляцию (иллюстрация из статьи Morizumi с соавт. 2025)