Ideje iz neznane strani fizike bi lahko razložite nekatere dolgo obstajajoče skrivnosti biologije.
STE se že kdaj počutili malček nekonherentno? Ali sta bili v dveh umih glede nečasa ali ali celo malo v krhkem stanju? No, tukaj je vaše opravičilo: mogoče sta popolnoma pod vplivom neznanih pravil kvantne mehanike.
Težimo k temu, da mislimo, da se interakcija med kvantno fiziko in bilogijo konča z Schrödingerjevo mačko. Ne zato, ker je Erwin Schrödinger namenil svojo nesrečno mačko - zaradi kvantnih pravil se nahaja v simultanem stanju bitja živosti in mrtvosti hkrati. Dejansko je, ko je leta 1944, ko je pisal svojo knjigo Kaj je življenje?, razglabljal o tem, da bi živi organizmi naredili vse, kar lahko, da bi odstranili zamegljenost kvantne fizike.
Pa vendar, ali se gre za to? Ali bi lahko delci, ki zavzemajo dva prostora hkrati, ki delujejo med sabo na videz nerazložljivo na velike razdalje in kažejo na druga neprimerna kvantna vedenja, pravzaprav vplivali na mnoge bistvene procese življenja, da se odvijajo? Če sprejmemo to notacijo, njene zagovornike, bo lahko uporabili njeno shemo za izboljšanje zdravil, visoko učinkovitih sončnih celic in sper hitrih kvantnih računalnikov. Nekaj moramo vsekakor razumeti preden sprejmemo vse to: kako je kvantni svet sploh prišel v biologijo?
Na eni strani bi lahko morda mislili, da ne bi smeli biti presenečeni, da ima življenje kvantni rob. Na koncu vsa biologija temelji na kemiji, in pri kemiji se gre vse o delovanju elektronov v atomih - in elektroni so kvantno-mehanične zveri v osnovi. To je res, pravi Jennifer Brookles, ki raziskuje biološke kvantne učinke na Harvardski Univerzi. “Seveda je vse dokončno kvantuum, ker je medsebojno delovanje elektronov kvantizirano.”
Pa drugi strani pa je osupljivo. V teoriji, so kvantna stanja krhke zveri, ki se lahko vznemirijo in uničijo že pri medsebojnem delovanju z okolico. Do sedaj so znanstveniki uspeli ustvariti in manipulirati z njimi le v visoko kontroliranih okoljih pri temperaturah, ki so blizu absolutne ničle, in to le za delček sekunde. Odkriti kvantne učinke v velikem, mokrem in toplem svetu biologije, je kot, da bi jih vzeli v ozir v velikem inženirskem projektu, pravi Brookles. “Kako uporabno je vedeti, kaj delajo elektroni, ko poizkušaš zgraditi letalo?”, se vprašuje.
Ali je lahko to prejeto znanje napačno? Vzemimo vonj, področje, ki zanima Brooklesovo. Desetletja je veljalo, da je kemični vonj določen z obliko molekul. Olafaktorski receptorji v nosu so kot ključavnice, ki jih odpre le pravi ključ; ko je vstavljen ta ključ, vzburi živčne signale, ki jih um interpretira kot določen vonj.
Je to verjetno? Imamo okoli 400 različno oblikovanih receptorjev za vonj, vendar pa le-ti zmorejo prepoznati okoli 100.000 vonjev, kar nakazuje na nek spreten izračun za kombiniranje signalov iz različnih receptorjev in jih precesirati v vonje, ki se razlikujejo. Potem je pa ponovno to le vrsta stvari, v kateri so naši možgani dobri. Bolj obremenilna kritika ja ta, da nekatere kemikalije dišijo podobno vendar pa izgledajo zelo drugače, medtem, ko imajo druge enako obliko, vendar pa dišijo različno. Organski spojini vanillin in isovanilllin na primer dišita zelo različno, vendar pa imata dve zelo podobno oblikovani postavitvi enake molekule.
Obstaja alternativna razlaga. Pred približno 70 leti, celo pred tem, ko je bil predlagan mehanizem kluč-in-kjlučavnica, je sugeriral ugleden blitanski kemik Malcolm Dyson, da na enak način, kot možgani ustvarjajo barvo iz različnih vibracijskih frekvenc svetlobnega sevanja, da tudi interpretira karakteristične frekvence na kateri vibrirajo določene molekule v katalogu vonjev.
Zamisel je utonilav pozabi do 1996 leta, ko je Luca Turin, takrat biofizik na Univerzitetnem Kolidžu London predlagal mehanizem, ki bi lahko naredil, da bi vibarcijsko čutenje delovalo; tuneliranje elektronov. Ta fenomen se pojavi kot rezultat osnovne nejasnosti kvantne mehanike in se pojavlja v napravah od mikročipa do mikroskopa. Ko je elektron ujet v atomu, nima točno definirane energije, toda ima celo vrsto možnih energij. To pomeni, da obstaja določena verjetnost, da se bo preprosto prebil skozi energetsko bariero, ki mu bo v normalnem preprečevala, da pobegne atomu.
Turinova ideja je, da ko molekula vonjave pristane v žepu receptorja, da se lahko elektron prebije prav skozi to molekulo iz ene strani v drugo in sprosti celo kaskado signalov na drugi strani, kjer jih možgani interpretirajo kot vonj. To se lahko zgodi le, če se popolnoma skladata nivoja kvantizirane energije elektrona in naravna vibracijska frekvenca dišeče snovi. “Elektron se lahko premakne, ko so zadovoljeni vsi pogoji.”, pravi Turin. Prednost je v tem, da to ustvari volj brez potrebe po natančnem skladanju z obliko.
To je bila kontroverzna notacija, Leta 2007 je Brookes, ko je delala na Univerzitetnem Kolidžu London, skupaj s kolegi pokazala, da je mehanizem fizično možen: časovne lestvice se skladajo s hitrostjo, s katero vonj odgovori na vonj in da so ustvarjeni signali dovolj veliki za možgane, da jih sprocesirajo (Physical Review Letters, vol 98, p 038101). In januarja to leto je Turin, sedaj na Raziskovalnem centru za biokemične raziskave Aleksandra Fleminga v Vari, Grčija skupaj s svojimi kolegi priskrbel nekaj, kar izgleda kot dokaz za vibracijsko čutenje. Pokazali so, da sadne mušice lahko razlikujejo med dvema tipoma acetophenona, splošnega temelja za parfume, ko eden vsebuje normalni vodik in drug težji devterij. Obe formi imata enako obliko, vendar pa vibrirata na različnih frekvencah (Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1012293108). Ta občutljivost lahko pomeni le tuneliranje elektronov, pravi Andrew Horsfieldiz Ipmerialnega Kolidža London, soavtor Brookesovega prispevka: v klasičnih modelih toka elektronov elektroni naj ne bi bili občutljivi na vibracijsko frekvenco. “Tega ne moreš razložiti brez kvantnega učinka.”
Vonj pa ni edina stvar, za katero mislijo zagovorniki kvantne biologije, da bi jo lahko razjasnila: obstaja tudi mehanizem, ki poganja celotno živalsko kraljestvo. Naši bilološki ‘stroji’ tečejo na adenozino trifosfate ali ATP, kemikalijo, ki je narejena v celičnih mitohondrijih s premikanjem elektronov skozi verigo prepletenih molekul. Ko poizkušamo računati kako hitro se to zgodi, naletimo na težavo. “V naravi je proces dosti hitrejši kot bi smel biti.”, pravi Vlatko Vedral, kvantni fizik na Univerzi v Okfordu.
Vedral misli, da je to zaradi tega, ker je odvisno od kvalitete “superpozicije”, ki dovoljuje vrsto kvantno-mehaničnega vala, ki opiše elektrone, kot tiste, ki bi naj bili na dveh krajih hkrati. On ocenjuje, da bi kvantna omiprezenca lahko pospešila elektronski prehod skozi reakcijsko verigo. “Če bi lahko pokazali, da obstaja superpozicija in da je nekako pomembna za tok elektronov, bi bilo to zelo zanimivo”, pravi-
Vedralovi prvi izračuni podpirajo zamisel, vendar pa pravi, da je še prezgodaj delati kakršnekoli trditve. Težko je oceniti vse parametra, ki so vključeni v transport elektronov in je mogoče, da so klasični izračuni le uporabili napačne številke. “In še vedno, nimamo eksperimentalnega dokaza,” pravi. Takšen dokaz bi lahko bil zelo blizu s tem, kako rastline in nekatere bakterije dobijo njihovo energijo. Zdi se, da je fotosinteza lahko zelo verjetno kvantna igra.
Več: >>>
