Θα ήθελα να σας παρουσιάσω έναν ανερχόμενο τομέα της επιστήμης,
που είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο, αλλά έχει τεράστιο ενδιαφέρον
και σίγουρα αναπτύσσεται με γρήγορους ρυθμούς.
Η κβαντική βιολογία θέτει ένα πολύ απλό ερώτημα:
Παίζει ρόλο η κβαντική μηχανική --
αυτή η περίεργη, υπέροχη και ισχυρή θεωρία
του υποατομικού κόσμου των ατόμων και των μορίων
που διέπει σε μεγάλο βαθμό τη σύγχρονη φυσική και χημεία --
και μέσα στο ζωντανό κύτταρο;
Δηλαδή: Υπάρχουν διεργασίες, μηχανισμοί, φαινόμενα
σε ζωντανούς οργανισμούς που μπορούμε να εξηγήσουμε μόνο
με τη βοήθεια της κβαντικής μηχανικής;
Η κβαντική βιολογία δεν είναι κάτι νέο.
Υπάρχει από τις αρχές της δεκαετίας του '30.
Αλλά μόλις την τελευταία δεκαετία περίπου επιμελή πειράματα --
σε εργαστήρια βιοχημείας, με τη χρήση φασματοσκοπίας --
έχουν δώσει σαφείς, απτές αποδείξεις πως υπάρχουν συγκεκριμένοι μηχανισμοί
που μπορούμε να εξηγήσουμε με την κβαντική μηχανική.
Η κβαντική βιολογία ενώνει φυσικούς κβαντικής μηχανικής, βιοχημικούς,
μοριακούς βιολόγους -- είναι πολύ διεπιστημονική.
Προέρχομαι από την κβαντική φυσική, άρα είμαι πυρηνικός φυσικός.
Έχω περάσει πάνω από τρεις δεκαετίες
προσπαθώντας να καταλάβω την κβαντική μηχανική.
Ο Νιλς Μπορ, από τους πατέρες της κβαντικής μηχανικής,
είπε: «Αν δε σας εκπλήσσει, τότε δεν την έχετε καταλάβει».
Έτσι, νιώθω χαρούμενος που εξακολουθεί να με εκπλήσσει.
Είναι κάτι καλό.
Αλλά σημαίνει ότι μελετώ τις μικρότερες δομές στο σύμπαν --
τα δομικά στοιχεία της πραγματικότητας.
Αν σκεφτούμε την κλίμακα μεγέθους,
ξεκινήσουμε με κάτι καθημερινό όπως ένα μπαλάκι του τένις,
και κατέβουμε τις τάξεις μεγέθους --
από το μάτι μιας βελόνας σε ένα κύτταρο, σε ένα βακτήριο, σε ένα ένζυμο --
τελικά φτάνουμε στον νανόκοσμο.
Τον όρο νανοτεχνολογία ίσως τον έχετε ακούσει.
Ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου.
Ο τομέας μου είναι ο πυρήνας του ατόμου, η μικρή κουκκίδα μέσα στο άτομο.
Είναι ακόμα μικρότερη σε κλίμακα.
Είναι ο χώρος της κβαντικής μηχανικής,
που φυσικοί και χημικοί έκαναν πολύ καιρό
να συνηθίσουν.
Οι βιολόγοι, από την άλλη, φαίνεται ότι το πήραν πιο ελαφρά.
Είναι ικανοποιημένοι με τα μοντέλα μορίων από μπάλες και ξυλάκια.
(Γέλια)
Οι μπάλες είναι τα άτομα, τα ξυλάκια είναι οι δεσμοί μεταξύ τους.
Όταν δεν μπορούν να τα φτιάξουν στο εργαστήριο,
έχουν πλέον πολύ ισχυρούς υπολογιστές
που θα προσομοιώσουν ένα τεράστιο μόριο.
Αυτή είναι μια πρωτεΐνη αποτελούμενη από 100.000 άτομα.
Δεν απαιτεί ιδιαίτερες γνώσεις στην κβαντική μηχανική για να ερμηνευτεί.
Η κβαντική μηχανική αναπτύχθηκε τη δεκαετία του '20.
Είναι ένα σύνολο όμορφων και ισχυρών μαθηματικών κανόνων και ιδεών
που εξηγούν τον μικρόκοσμο.
Είναι ένας κόσμος πολύ διαφορετικός από τον καθημερινό μας κόσμο,
που έχει τρισεκατομύρια άτομα.
Ένας κόσμος χτισμένος στην πιθανότητα και την τύχη.
Είναι ένας ασαφής κόσμος.
Ένας κόσμος φαντασμάτων,
όπου τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως απλωμένα κύματα.
Αν φανταστούμε την κβαντική μηχανική ή την κβαντική φυσική
ως τη θεμελιώδη βάση της ίδιας της πραγματικότητας,
δε θα ήταν παράδοξο να πούμε ότι
η κβαντική φυσική είναι η βάση της οργανικής χημείας.
Άλλωστε, μας δίνει τους κανόνες που μας λένε
πώς τα άτομα συνδέονται και κάνουν οργανικά μόρια.
Η οργανική χημεία, κλιμακωμένη σε πολυπλοκότητα,
μας δίνει τη μοριακή βιολογία, που φυσικά οδηγεί στην ίδια τη ζωή.
Έτσι, δεν προκαλεί έκπληξη.
Είναι σχεδόν μηδαμινό.
Λένε: «Φυσικά, η ζωή πρέπει τελικά να εξαρτάται από την κβαντική μηχανική».
Αλλά το ίδιο ισχύει για τα πάντα.
Για όλη την άψυχη ύλη, που απαρτίζεται από τρισεκατομμύρια άτομα.
Τελικά, υπάρχει ένα κβαντικό επίπεδο
όπου πρέπει να εμβαθύνουμε αυτό το παράδοξο.
Αλλά στην καθημερινότητα, μπορούμε να το ξεχάσουμε.
Γιατί μόλις συγκεντρώσεις τρισεκατομμύρια άτομα,
αυτό το κβαντικό παράδοξο διαλύεται.
Η κβαντική βιολογία δεν έχει σχέση με αυτό
Δεν είναι τόσο προφανής.
Φυσικά η κβαντική μηχανική είναι η βάση της ζωής σε κάποιο μοριακό επίπεδο.
Η κβαντική βιολογία έχει να κάνει με την αναζήτηση των μη τετριμμένων,
των αντιφατικών ιδεών της κβαντικής μηχανικής
και εξετάζει αν πραγματικά παίζει σημαντικό ρόλο
στην περιγραφή των διαδικασιών της ζωής.
Αυτό είναι το τέλειο παράδειγμα της αντιφατικότητας
του κβαντικού κόσμου.
Αυτός ο κβαντικός σκιέρ,
φαίνεται να είναι καλά, να είναι εντελώς υγιής,
αλλά μοιάζει να έχει περάσει και από τις δύο πλευρές του δέντρου ταυτόχρονα.
Βλέπετε, αν δείτε τέτοια ίχνη
θα πιστέψετε ότι πρόκειται για κάποιο ακροβατικό.
Αλλά στον κόσμο των κβάντων, αυτό συμβαίνει συνέχεια.
Τα σωματίδια μπορούν να είναι σε δύο μέρη ταυτόχρονα.
Μπορούν να κάνουν πολλά πράγματα την ίδια στιγμή.
Μπορούν να συμπεριφέρονται σαν απλωμένα κύματα.
Είναι σχεδόν σαν μαγεία.
Οι φυσικοί και οι χημικοί εδώ και έναν αιώνα περίπου
προσπαθούν να συνηθίσουν αυτήν την ιδιομορφία.
Δε λέω ότι φταίνε οι βιολόγοι
που δεν μπορούν ή δε θέλουν να μάθουν κβαντική μηχανική.
Βλέπετε, αυτή η ιδιομορφία είναι πολύ εύθραυστη
κι εμείς οι φυσικοί δουλεύουμε πολύ σκληρά για να τη διατηρήσουμε στα εργαστήριά μας.
Ψύχουμε τα συστήματά μας για να φτάσουμε κοντά στο απόλυτο μηδέν,
κάνουμε τα πειράματά μας στο κενό,
προσπαθούμε να τα απομονώσουμε από οποιαδήποτε εξωτερική διατάραξη.
Μεγάλη η διαφορά από το θερμό, ακατάστατο και θορυβώδες περιβάλλον ενός κυττάρου.
Η ίδια η βιολογία, αν σκεφτείτε τη μοριακή βιολογία,
φαίνεται να εξηγεί καλά την περιγραφή των βιολογικών διεργασιών της ζωής
σε σχέση με τη χημεία -- τις χημικές αντιδράσεις.
Πρόκειται για απλουστευτικές, προσδιοριστικές χημικές αντιδράσεις,
που δείχνουν ότι η ζωή είναι φτιαγμένη από τα ίδια υλικά που υπάρχουν παντού
και αν μπορούμε να ξεχνάμε την κβαντική μηχανική στον μακρόκοσμο
τότε θα πρέπει να μπορούμε να την ξεχνάμε και στη βιολογία.
Κάποιος διαφώνησε με αυτή την ιδέα.
Ο Έρβιν Σρέντινγκερ, γνωστός για τη Γάτα του Σρέντινγκερ,
ήταν Αυστριακός φυσικός.
Ήταν από τους ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής στη δεκαετία του '20.
Το 1944, έγραψε ένα βιβλίο με τίτλο «Τι είναι η ζωή;».
Το βιβλίο είχε τεράστια επιρροή.
Επηρέασε τον Φράνσις Κρικ και τον Τζέιμς Γουότσον,
που ανακάλυψαν τη διπλή ελικοειδή δομή του DNA.
Παραφράζοντας μια περιγραφή στο βιβλίο, λέει:
«Στο μοριακό επίπεδο, οι έμβιοι οργανισμοί έχουν συγκεκριμένη τάξη,
μια δομή που είναι πολύ διαφορετική
από την τυχαία θερμοδυναμική διάταξη ατόμων και μορίων
στην άβια ύλη ίδιας πολυπλοκότητας.
Στην ουσία, η έμβια ύλη μοιάζει να συμπεριφέρεται έτσι, με μια δομή
όπως η άβια ύλη που ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν,
όπου τα κβαντικά φαινόμενα παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο.
Υπάρχει κάτι ξεχωριστό στη δομή -- η τάξη --
μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο».
Άρα, ο Σρέντινγκερ υπέθεσε ότι ίσως η κβαντική μηχανική παίζει ρόλο στη ζωή.
Είναι μια πολύ υποθετική, φιλόδοξη ιδέα
και δεν προχώρησε ιδιαίτερα.
Όμως όπως ανέφερα στην αρχή,
την τελευταία δεκαετία, γίνονται πειράματα,
που δείχνουν πού κάποια από αυτά τα φαινόμενα της βιολογίας φαίνεται
όντως να απαιτούν κβαντική μηχανική.
Θέλω να μοιραστώ μαζί σας μερικά από τα εξαιρετικά ενδιαφέροντα.
Αυτό είναι ένα από τα πλέον γνωστά φαινόμενα στον κβαντικό κόσμο,
η κβαντική σήραγγα.
Το κουτί στα αριστερά δείχνει την κυματοειδή, διάσπαρτη κατανομή
μιας κβαντικής οντότητας: ένα σωματίδιο, πχ ένα ηλεκτρόνιο,
που δεν είναι μια μικρή μπάλα που αναπηδάει από έναν τοίχο.
Είναι ένα κύμα που έχει μια πιθανότητα να μπορέσει να διαπεράσει
έναν στέρεο τοίχο, σαν ένα φάντασμα που περνάει στην άλλη πλευρά.
Μπορείτε να δείτε μια αμυδρή κηλίδα φωτός στο δεξί κουτί.
Η κβαντική σήραγγα δείχνει ότι αν ένα σωματίδιο χτυπήσει ένα αδιαπέραστο εμπόδιο
μπορεί, ως δια μαγείας,
να χαθεί από μια πλευρά και να εμφανιστεί στην άλλη.
Το καλύτερο παράδειγμα είναι όταν θέλετε να πετάξετε μια μπάλα πάνω από έναν τοίχο,
πρέπει να της δώσετε αρκετή ενέργεια για να περάσει από πάνω.
Στον κβαντικό κόσμο, δε χρειάζεται να την πετάξετε από πάνω,
αλλά να την πετάξετε στον τοίχο και υπάρχει μια μη-μηδενική πιθανότητα
να εξαφανιστεί από τη δική σας πλευρά και να εμφανιστεί στην άλλη.
Παρεμπιπτόντως, δεν πρόκειται για υπόθεση.
Είμαστε ευτυχείς -- «ευτυχείς» δεν είναι η κατάλληλη λέξη --
(Γέλια)
που είναι κάτι που γνωρίζουμε.
(Γέλια)
Η κβαντική σήραγγα λαμβάνει χώρα συνέχεια.
Στην ουσία, είναι ο λόγος που λάμπει ο Ήλιος μας.
Το σωματίδια συγχωνεύονται
και ο Ήλιος μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο μέσω της κβαντικής σήραγγας.
Τις δεκαετίες του '70 και '80, ανακαλύφθηκε ότι η κβαντική σήραγγα συμβαίνει επίσης
μέσα στα ζωντανά κύτταρα.
Τα ένζυμα, αυτοί οι εργάτες της ζωής, οι καταλύτες των χημικών αντιδράσεων --
βιομόρια που επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις στα ζωντανά κύτταρα,
κατά πάρα πολλές τάξεις μεγέθους.
Και πάντα ήταν ένα μυστήριο το πώς το κάνουν αυτό.
Ανακαλύφθηκε, λοιπόν,
ότι ένα από τα κόλπα που έφτασαν να χρησιμοποιούν τα ένζυμα
είναι η μεταφορά υποατομικών σωματιδίων όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια,
από ένα μέρος του μορίου στο άλλο μέσω της κβαντικής σήραγγας.
Είναι αποτελεσματικό και γρήγορο, μπορεί να εξαφανιστεί --
το πρωτόνιο εξαφανίζεται από ένα μέρος και εμφανίζεται σε άλλο.
Τα ένζυμα βοηθούν σε αυτό.
Πρόκειται για έρευνα που διεξήχθη τη δεκαετία του '80,
ειδικότερα, από μια ομάδα στο Μπέρκλεϊ, της Τζούντιθ Κλίνμαν.
Άλλες ομάδες στη Μ. Βρετανία έχουν επιβεβαιώσει
ότι τα ένζυμα το κάνουν αυτό.
Έρευνα έγινε και από την ομάδα μου --
όπως σας ανέφερα είμαι πυρηνικός φυσικός,
αλλά συνειδητοποίησα ότι αυτά τα εργαλεία της κβαντικής μηχανικής
στους πυρήνες των ατόμων, μπορώ να τα εφαρμόζω και αλλού.
Ένα ερώτημα που θέσαμε
είναι αν η κβαντική σήραγγα παίζει ρόλο στις μεταλλάξεις του DNA.
Και πάλι, αυτή δεν είναι καινούρια ιδέα. Ξεκίνησε τη δεκαετία του '60.
Τα δύο στελέχη του DNA, η δομή της διπλής έλικας,
είναι ενωμένα με σκαλοπάτια. Είναι σαν περιστρεφόμενη σκάλα.
Και αυτά τα σκαλοπάτια της σκάλας είναι οι δεσμοί υδρογόνου --
πρωτόνια, που ενεργούν ως η κόλλα ανάμεσα στις δύο έλικες.
Οπότε αν κάνεις ζουμ, αυτό που κάνουν κρατάει αυτά τα μεγάλα μόρια --
νουκλεοτίδια -- ενωμένα.
Κάνε ζουμ πιο πολύ.
Αυτή είναι μια προσομοίωση υπολογιστή.
Οι δύο λευκές μπάλες στη μέση είναι τα πρωτόνια
και βλέπετε ότι είναι διπλός δεσμός υδρογόνου.
Ο ένας προτιμά να κάθεται στη μία πλευρά, ο άλλος, στην άλλη πλευρά
των δύο ελίκων των κάθετων γραμμών που πάνε κάτω, το οποίο δε βλέπετε.
Μπορεί να συμβεί αυτά τα δύο πρωτόνια να πηδήξουν πάνω.
Δείτε τις δύο άσπρες μπάλες.
Μπορούν να πηδήξουν πάνω στην άλλη πλευρά.
Αν οι δύο έλικες του DNA τότε χωριστούν, κάτι που οδηγεί στην αντιγραφή
και τα δύο πρωτόνια είναι σε λάθος θέσεις,
αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μετάλλαξη.
Είναι κάτι γνωστό εδώ και μισό αιώνα.
Ερώτηση: Πόσο πιθανό είναι να το κάνουν αυτό
και αν το κάνουν, πώς το κάνουν;
Πηδάνε όπως η μπάλα που πάει πάνω από την τοίχο;
Ή χρησιμοποιούν την κβαντική σήραγγα ακόμη κι αν δεν έχουν πολλή ενέργεια;
Οι πρώτες εκτιμήσεις εκτιμούν ότι η κβαντική σήραγγα παίζει ρόλο εδώ.
Ακόμα δεν ξέρουμε όμως πόσο σημαντικός είναι.
Είναι ένα ανοιχτό ζήτημα.
Είναι θεωρητικό,
αλλά είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα
και αν η κβαντική μηχανική επηρεάζει τις μεταλλάξεις
σίγουρα αυτό θα έχει μεγάλες επιπτώσεις
στην κατανόηση συγκεκριμένων τύπων μεταλλάξεων,
ίσως ακόμα και αυτών που μετατρέπουν ένα κύτταρο σε καρκινογόνο.
Άλλο παράδειγμα της κβαντικής μηχανικής στη βιολογία είναι η κβαντική συνοχή,
σε μία από τις πιο σπουδαίες εργασίες στη βιολογία
τη φωτοσύνθεση: τα φυτά και τα βακτήρια παίρνουν το φως του ήλιου
και χρησιμοποιούν την ενέργεια αυτή για να φτιάξουν βιομάζα.
Η κβαντική συνοχή είναι η ιδέα της πολλαπλότητας των κβαντικών οντοτήτων.
Είναι ο κβαντικός σκιέρ.
Είναι ένα αντικείμενο που συμπεριφέρεται σαν κύμα
έτσι ώστε να μην κινείται απλά σε μία ή έτερη κατεύθυνση,
αλλά να μπορεί να ακολουθεί πολλαπλές διαδρομές την ίδια στιγμή.
Κάποια χρόνια πριν, ο κόσμος της επιστήμης σοκαρίστηκε
όταν δημοσιεύθηκε ένα κείμενο, το οποίο έδειχνε πειραματική απόδειξη
ότι η κβαντική συνοχή λαμβάνει χώρα μέσα στα βακτήρια,
πραγματοποιώντας τη φωτοσύνθεση.
Έτσι, το φωτόνιο, το σωματίδιο φωτός, το φως του ήλιου,
το κβάντο φωτός που δέχεται ένα μόριο χλωροφύλλης,
μεταφέρεται μετά στο ονομαζόμενο ως κέντρο αντίδρασης,
όπου μετατρέπεται σε χημική ενέργεια.
Και για να πάει εκεί, δεν ακολουθεί μόνο ένα μονοπάτι.
Ακολουθεί πολλαπλές διαδρομές ταυτόχρονα,
για να βελτιστοποιήσει το δρόμο για να φτάσει το κέντρο αντίδρασης
μη διαχεόμενο ως θερμότητα αποβλήτων.
Η κβαντική συνοχή λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο.
Μια αξιοσημείωτη ιδέα,
ακόμη και απόδειξη που γίνεται όλο και πιο γνωστή,
που επιβεβαιώνει ότι αυτό πράγματι συμβαίνει.
Το τρίτο μου και τελευταίο παράδειγμα είναι η πιο όμορφη, υπέροχη ιδέα.
Είναι επίσης ακόμα πολύ θεωρητικό, αλλά πρέπει να το μοιραστώ μαζί σας.
Ο κοκκινολαίμης μεταναστεύει από τη Σκανδιναβία
στη Μεσόγειο, κάθε φθινόπωρο
και όπως πολλά άλλα θαλάσσια ζώα, ακόμα και έντομα,
καθοδηγούνται με την αίσθηση του μαγνητικού πεδίου της Γης.
Τώρα, το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι πολύ αδύναμο.
Είναι 100 φορές πιο αδύναμο από ένα μαγνητάκι ψυγείου,
αλλά επηρεάζει τη χημεία -- με κάποιον τρόπο -- ενός οργανισμού.
Δεν υπάρχει αμφιβολία για αυτό -- ένα ζευγάρι Γερμανών ορνιθολόγων,
ο Βόλφγκανγκ και η Ροσβίθα Βίλτσκο, τη δεκαετία του '70, επιβεβαίωσαν ότι
ο κοκκινολαίμης βρίσκει το δρόμο του με την αίσθηση του μαγνητικού πεδίου,
δίνοντάς του κατευθυντήριες πληροφορίες -- μια ενσωματωμένη πυξίδα.
Το αίνιγμα, το μυστήριο ήταν: Πώς το κάνει;
Λοιπόν, η μόνη θεωρία που υπήρχε --
δεν ξέρουμε αν είναι η σωστή, αλλά η μόνη --
είναι ότι το κάνει μέσω της κβαντικής διεμπλοκής.
Μέσα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του κοκκινολαίμη
-- δεν αστειεύομαι -- υπάρχει μια πρωτεΐνη που ονομάζεται κρυπτοχρωμίνη,
η οποία έχει φωτο-ευαισθησία.
Μέσα στην κρυπτοχρωμίνη, ένα ζεύγος ηλεκτρονίων είναι κβαντικά ενωμένα.
Τώρα η κβαντική διεμπλοκή είναι όταν 2 σωματίδια είναι απομακρυσμένα,
αλλά κατά κάποιον τρόπο παραμένουν σε επαφή.
Ο Αϊνστάιν μισούσε την ιδέα.
Την αποκαλούσε «αλλόκοτη δράση από απόσταση».
(Γέλια)
Οπότε αν δεν αρέσει στον Αϊνστάιν, μπορούμε να μην είμαστε άνετα με αυτό.
Δύο κβαντικά διεμπλεκόμμενα ηλεκτρόνια, μέσα σε ένα μόριο,
χορεύουν έναν ντελικάτο χορό
που είναι ευαίσθητος στη διεύθυνση που πετάει το πτηνό
στο μαγνητικό πεδίο της Γης.
Δεν ξέρουμε αν αυτή είναι η σωστή εξήγηση,
αλλά δε θα ήταν συναρπαστικό αν η κβαντική μηχανική βοηθούσε τα πτηνά;
Η κβαντική βιολογία βρίσκεται ακόμα σε νηπιακή ηλικία.
Είναι ακόμη θεωρητική.
Αλλά πιστεύω ότι είναι χτισμένη σε στέρεη επιστήμη.
Επίσης πιστεύω ότι από την επόμενη δεκαετία,
θα αρχίσουμε να βλέπουμε ότι πραγματικά διαποτίζει τη ζωή --
ότι η ζωή έχει εξελίξει τρικ που χρησιμοποιούν τον κβαντικό κόσμο.
Παρακολουθήστε αυτόν τον χώρο.
Σας ευχαριστώ.
(Χειροκρότημα)