ברצוני להציג בפניכם תחום מדעי שמתחיל לצמוח,
כזה שעדיין הוא בגדר השערה, אבל מאוד מסקרן,
ולבטח כזה שצומח במהירות רבה.
ביולוגיה קוונטית שואלת שאלה מאוד פשוטה:
האם מכניקה קוונטית --
אותה תאוריה מוזרה, מופלאה ועוצמתית
של העולם התת-אטומי של אטומים ומולקולות,
אשר מהווה בסיס לחלקים גדולים של הפיזיקה והכימיה המודרניות --
האם היא ממלאת תפקיד גם בתוך תאים חיים?
במילים אחרות: האם ישנם תהליכים, מנגנונים ותופעות
ביצורים חיים שניתן להסבירם אך ורק בעזרת
ידה התומכת של המכניקה הקוונטית?
ביולוגיה קוונטית אינה דבר חדש;
היא קיימת מאז שנות ה-30 המוקדמות של המאה הקודמת.
אבל רק בעשור האחרון לערך, ניסויים קפדניים
במעבדות ביוכימיה, באמצעות ספקטרוסקופיה,
סיפקו ראיות חדות ומוצקות שישנם מנגנונים מסויימים שעבורם נדרשת
מכניקה קוונטית כדי להסבירם.
ביולוגיה קוונטית מכנסת יחד פיזיקאים קוונטיים, ביוכימאים,
ביולוגים מולקולריים -- זהו מחקר מאוד רב-תחומי.
אני מגיע מפיזיקה קוונטית, אני פיזיקאי גרעין.
ביליתי יותר מ-3 עשורים
בניסיון לעשות סדר בראשי עם מכניקת הקוונטים.
אחד ממייסדי מכניקה קוונטית, נילס בוהר,
אמר שאם אינך משתאה בגללה, סימן שלא הבנת אותה.
אז מבחינה זו אני חש מאושר שאני עדיין משתאה בגללה.
זה דבר טוב.
אבל פירוש הדבר הוא שאני חוקר את המבנה הכי זעיר ביקום --
את אבני הבניין של המציאות.
אם חושבים על מימדי הגודל,
אפשר להתחיל עם כדור טניס,
ונרד בסדרי גודל במימדים --
מחור של מחט לתא ומשם לחיידקים ואנזימים --
ובסוף נגיע לעולם ה-ננו.
יכול להיות ששמעתם את המושג ננוטכנולוגיה.
ננומטר זה מיליארדית המטר.
תחום עיסוקי הוא הגרעין האטומי, שהוא נקודה זעירה בתוך אטום.
הוא אפילו עוד יותר קטן במימדיו.
זהו התחום של מכניקה קוונטית,
ולפיזיקאים וכימאים לקח הרבה זמן
בנסותם להתרגל אליו.
הביולוגים, מצד שני, התחמקו מזה בשלום לדעתי.
הם מאושרים עם מודל הכדורים-ומקלות של מולקולות.
(צחוק)
הכדורים הם האטומים, המקלות הם הקשרים בין האטומים.
וכאשר הם אינם מצליחים לבנותם במעבדה,
כיום יש להם מחשבים מאוד חזקים
ליצירת הדמיות של מולקולות ענקיות.
זהו חלבון העשוי מ-100,000 אטומים.
כאן לא נזקקים כל-כך למכניקה קוונטית כדי לתת הסברים.
מכניקה קוונטית פותחה בשנות ה-20 של מאה ה-20.
זהו מערך יפיפה ועוצמתי של חוקים ורעיונות מתמטיים
המסבירים את עולם העצמים הזעירים.
וזהו עולם שונה מאוד מהעולם המוכר לנו,
הבנוי מטריליוני אטומים.
זהו עולם הנשען על הסתברות וסיכויים.
זהו עולם מטושטש.
זהו עולם רפאים,
בו חלקיקים יכולים להתנהג גם בתור גלים המשתרעים במרחב.
אם נחשוב על מכניקה קוונטית או פיזיקה קוונטית
בתור היסודות הבסיסיים של המציאות,
אז זה לא מפתיע שאנו אומרים
שפיזיקה קוונטית עומדת בבסיס כימיה אורגנית.
ככלות הכל, היא מעניקה לנו כללים האומרים לנו
כיצד האטומים מסתדרים ביחד כדי ליצור מולקולות אורגניות.
כימיה אורגנית, כאשר היא עולה דרגה במורכבותה,
אנו מקבלים ביולוגיה מולקולרית, אשר מובילה כמובן לחיים עצמם.
האמת זה לא כל-כך מפתיע.
זה כמעט מובן מאליו.
תאמרו, "ברור שחיים בסופו של דבר תלויים במכניקה קוונטית."
אבל ככה זה עם כל דבר אחר.
כך גם כל החומר הדומם, העשוי מטריליוני אטומים.
בסוף יש את הרמה הקוונטית בה עלינו להתחשב
בכל המוזרות הזו.
אבל בחיים הרגילים אפשר לשכוח ממנה.
כי ברגע ששמים ביחד טריליוני אטומים,
המוזרות הקוונטית פשוט נעלמת.
ביולוגיה קוונטית זה משהו אחר.
ביולוגיה קוונטית אינה מובנת מאליה.
ברור שמכניקה קוונטית עומדת בבסיס החיים ברמה מולקולרית כלשהי.
אבל ביולוגיה קוונטית זה לחפש את הבלתי מובן מאליו --
את הרעיונות שמנוגדים לאינטואיציה בתוך המכניקה הקוונטית --
ולבחון אם הם באמת ממלאים תפקיד חשוב
בתאור תהליכי החיים.
להלן הדוגמא המושלמת שלי למשהו שמנוגד לאינטואיציה
מהעולם הקוונטי.
זהו מחליק קוונטי.
הוא נראה בריא ושלם,
אבל נראה שהוא עבר בו-זמנית משני צידי העץ.
אם היינו רואים עקבות כאלה
היינו חושבים שזה איזה להטוט.
אבל בעולם הקוונטי זה קורה כל הזמן.
חלקיקים יכולים לבצע כמה משימות ולהיות בשני מקומות בו-זמנית.
הם יכולים לבצע יותר מדבר אחד בו-זמנית.
הם יכולים להתנהג כמו גלים המשתרעים במרחב.
זה כמעט כמו קסם.
לפיזיקאים וכימאים היתה כמעט מאה שלמה
לנסות להתרגל למוזרות זו.
אינני מאשים את הביולוגים
שאינם חפצים ללמוד מכניקה קוונטית.
כי העניין הוא שמוזרות זו היא עדינה מאוד;
ואנו הפיזיקאים עובדים מאוד קשה לקיים אותה במעבדות.
אנו מקררים את המערכות שלנו כמעט עד לאפס המוחלט,
אנו מבצעים את ניסויינו בואקום,
אנו מנסים לבודד אותם מהפרעות חיצוניות.
כל זה מאוד שונה מהסביבה החמה, הרועשת והמבולגנת של תא חי.
ביולוגיה עצמה, אם נחשוב על ביולוגיה מולקולרית,
מתברר שהיא מצליחה יפה מאוד בתיאור כל תהליכי החיים
במונחי כימיה -- תגובות כימיות.
והתגובות הכימיות הללו הן פשוטות וסיבתיות,
המראות שהחיים ביסודם עשויים מאותו חומר כמו כל דבר אחר,
ואם אנו יכולים לשכוח מהמכניקה הקוונטית בעולם המקרו,
אז אנו יכולים לשכוח ממנה גם בביולוגיה.
אדם אחד ביקש לחלוק על קביעה זו.
ארווין שרדינגר, מה"חתול של שרדינגר" המפורסם,
הוא היה פיזיקאי אוסטרי.
הוא היה אחד ממייסדי המכניקה הקוונטית בשנות ה-1920.
ב-1944, הוא כתב ספר בשם "מה זה חיים?"
הספר היה בעל השפעה עצומה.
הוא השפיע על פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון,
מגלי מבנה הסליל-הכפול של ה DNA.
בפרפרזה על תיאור בספר, הוא אומר:
ברמה המולקולרית, ליצורים חיים יש סדר מסויים,
יש להם תבנית שהיא מאוד שונה
מהתזזית התרמודינמית האקראית של אטומים ומולקולות
הקיימים בחומר דומם עם אותה מורכבות.
למעשה, חומר חי נראה מתנהל בסדר מסויים, בתבנית מוגדרת,
בדיוק כמו חומר דומם בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט,
בו תופעות קוונטיות ממלאות תפקיד חשוב.
יש משהו מיוחד בקשר לתבנית -- לסדר --
בתוך תא חי.
לכן, שרדינגר העלה השערה שמכניקה קוונטית ממלאת תפקיד בחיים.
זהו רעיון מאוד תאורטי ומרחיק-לכת,
והוא לא הגיע ממש רחוק.
אבל כפי שציינתי בתחילה,
ב-10 השנים האחרונות, צצים ועולים ניסויים
המצביעים כיצד תופעות מסויימות בביולוגיה עשויות
להיזדקק למכניקה קוונטית.
ברצוני לשתף אתכם בכמה תופעות מרגשות כאלה.
זוהי אחת התופעות הכי ידועות בעולם הקוונטי,
מינהור קוונטי.
התיבה משמאל מראה פריסה דמויית גל של ישות קוונטית --
חלקיק, כמו אלקטרון,
שאינו כמו כדור קטן הניתז מקיר.
היא כמו גל שיש לו סבירות מסויימת לחדור
דרך קיר מוצק, מין קפיצת רפאים אל עבר הצד השני.
ניתן לראות כתם קלוש של אור בצד הימני של התיבה.
מינהור קוונטי מעלה את האפשרות שחלקיק עשוי לפגוע במחסום בלתי חדיר,
ועדיין איכשהו, כאילו במין קסם,
להיעלם בצד אחד ולהופיע בצד השני.
הדרך הכי טובה להסביר זאת היא כאשר רוצים לזרוק כדור מעל חומה,
יש להעניק לכדור מספיק אנרגיה לעלות מעל ראש החומה.
בעולם הקוונטי אין צורך לזרוק מעל החומה,
אלא ניתן לזרוק אל עבר החומה ויש סבירות מסויימת
שהוא ייעלם בצד שלך ויופיע בצד האחר.
זו אינה רק השערה,
אנו שמחים -- טוב, "שמחים" אינה המילה המתאימה --
(צחוק)
אנו מכירים את התופעה.
(צחוק)
מינהור קוונטי מתרחש כל הזמן;
למעשה, הוא הסיבה שהשמש מאירה.
החלקיקים מתמזגים ביחד,
והשמש הופכת מימן להליום באמצעות מינהור קוונטי.
בשנות ה-70 ו-80, התגלה שמינהור קוונטי מתרחש גם
בתאים חיים.
אנזימים, אותם סוסי העבודה של החיים, הקטליזטורים של תגובות כימיות --
אנזימים הם מולקולות ביולוגיות המאיצות תגובות כימיות בתאים חיים
בהרבה סדרי-גודל.
וזו תמיד היתה תעלומה כיצד הם עושים זאת.
ובכן, התגלה
שאחד התכסיסים שהאנזימים התפתחו כדי לעשות בו שימוש,
הוא העברת חלקיקים תת-אטומיים כמו אלקטרונים ופרוטונים,
מחלק אחד של מולקולה למישנהו באמצעות מינהור קוונטי.
זה יעיל, זה מהיר, הוא יכול להיעלם --
פרוטון יכול להיעלם ממקום אחד ולהופיע באחר.
האנזימים מסייעים לזה להתרחש.
זה מחקר שנעשה כבר בשנות ה-80,
במיוחד על-ידי קבוצה בברקלי, של ג'ודית קלינמן.
גם קבוצות אחרות בבריטניה אימתו
שאנזימים אכן עושים זאת.
מחקר שנעשה על-ידי הקבוצה שלי --
כאמור, אני פיזיקאי גרעין,
אבל הבנתי שיש לי הכלים להשתמש במכניקה קוונטית
בגרעין האטום ולכן אוכל להשתמש בהם גם בתחומים אחרים.
שאלה אחת ששאלנו היתה
האם מינהור קוונטי ממלא תפקיד במוטציות של DNA.
שוב, זה לא רעיון חדש; הוא הולך אחורה עד שנות ה-60 המוקדמות.
שני סלילי ה-DNA של הסליל-הכפול, מוחזקים יחד
על-ידי תמיכות רוחביות; זה כמו סולם מפותל.
ותמיכות אלו של הסולם הם קשרי מימן --
פרוטונים הפועלים כדבק בין שני הסלילים.
כך שאם מתקרבים אליהם, רואים שהם מחזיקים את המולקולות הגדולות --
נוקלאוטידים -- ביחד.
נתקרב עוד.
זוהי הדמיית מחשב.
שני הכדורים הלבנים במרכז הם פרוטונים,
וניתן לראות שזהו קשר דו-מימני.
אחד מעדיף להיות בצד אחד, והאחר בצד השני
של שני הסלילים שממשיכים אנכית למטה, דבר שלא ניתן לראות כאן.
יכול לקרות מצב ששני הפרוטונים הללו יקפצו.
תביטו בשני הכדורים הלבנים.
הם יכולים לנתר לצד השני.
אם אחר-כך שני הסלילים נפרדים, דבר המוביל לתהליך שיכפול,
ושני הפרוטונים במיקום לא-נכון,
זה יכול להוביל למוטציה.
זה ידוע כבר חצי מאה.
השאלה היא מה הסיכוי שהם יעשו זאת,
ואם כן, כיצד הם עושים זאת?
האם הם קופצים לרוחב, כמו הכדור שעובר מעל חומה?
או שהם עוברים באמצעות מינהור קוונטי, גם אם אין להם מספיק אנרגיה?
סימנים מקדימים מרמזים שמינהור קוונטי עשוי למלא כאן תפקיד.
עדיין איננו יודעים עד כמה הוא קריטי;
זוהי עדיין שאלה פתוחה.
זה עדיין השערתי,
אבל זו אחת מאותן השאלות הכל-כך חשובות
שאם אכן מכניקה קוונטית ממלאת תפקיד במוטציות,
לבטח יהיו לזה השלכות גדולות
על הבנת סוגי מוטציות מסויימים,
אולי אפילו כאלו הגורמות לתא להפוך לסרטני.
דוגמא אחרת למכניקה קוונטית בביולוגיה היא קוהרנטיות קוונטית,
באחד מהתהליכים הכי חשובים בביולוגיה,
פוטו-סינתזה: צמחים וחיידקים קולטים אור-שמש,
ומשתמשים באותה אנרגיה ליצירת מסה ביולוגית.
קוהרנטיות קוונטית הוא רעיון של ריבוי-משימות לישויות קוונטיות.
זה הגולש הקוונטי.
זהו עצם שמתנהג כמו גל,
כך שהוא לא רק נע בכיוון זה או אחר,
אלא יכול לעבור במסלולים רבים בו-זמנית.
לפני כמה שנים, העולם הוכה בהלם
כאשר פורסם מאמר שהציג ראיות מדעיות
שקוהרנטיות קוונטית מתרחשת בחיידקים,
ומפעילה פוטו-סינתזה.
הרעיון הוא שפוטון, חלקיק האור, אור השמש,
קוונטת אור שנקלטת על-ידי מולקולת כלורופיל,
משוגרת אל מה שנקרא מרכז התגובה,
היכן שהוא יכול להפוך לאנרגיה כימית.
ובדרכו לשם, הוא אינו עובר רק במסלול אחד;
הוא עובר במסלולים רבים בו-זמנית,
כדי להגיע בדרך בעלת היעילות המירבית אל מרכז התגובה
מבלי לבזבז אנרגיה ביצירת חום.
קוהרנטיות קוונטית מתרחשת בתוך תא חי.
רעיון בלתי רגיל,
ובכל זאת מצטברים ממצאים כמעט בכל שבוע עם פרסום מאמרים חדשים,
המאוששים שזה אכן מתרחש.
הדוגמא השלישית והאחרונה שלי היא הרעיון היפה מכולן.
זה עדיין בגדר השערה, אבל עליי לשתף אתכם בזה.
אדום-החזה (ציפור) האירופאי נודד מסקנדינביה
דרומה לים-התיכון בכל סתיו,
וכמו הרבה בעלי-חיים ימיים אחרים ואפילו חרקים,
הם מנווטים על-ידי קליטת השדה המגנטי של הארץ.
אבל השדה המגנטי של הארץ הוא מאוד, מאוד חלש;
הוא חלש פי-100 ממגנט של מקרר,
ובכל זאת הוא משפיע על הכימיה -- איכשהו -- בתוך יצורים חיים.
אין כאן ספק -- זוג צפרים גרמני,
וולפגנג ורוזוויטה וילטסשקו, בשנות ה-70, הוכיחו שאכן
אדום-החזה מוצא את דרכו עלי-ידי קליטת השדה המגנטי של הארץ,
הנותן לו מידע על כיוון - מין מצפן מובנה.
החידה, התעלומה היתה: כיצד הוא עושה זאת?
התאוריה היחידה שקיימת --
אין אנו יודעים אם זו התאוריה הנכונה, אבל התאוריה היחידה שקיימת
היא שהוא עושה זאת באמצעות מה שנקרא "שזירה קוונטית".
בתוך הרשתית של אדום-החזה --
אני לא צוחק -- בתוך רשתית אדום-החזה יש חלבון שנקרא cryptochrome,
הרגיש לאור.
בתוך ה-cryptochrome יש זוג אלקטרונים השזורים קוונטית.
שזירה קוונטית זה כאשר שני חלקיקים נמצאים רחוק זה מזה,
ובכל זאת הם קשורים זה בזה.
אפילו איינשטיין שנא רעיון זה;
הוא קרא לזה "פעולת רפאים ממרחק".
(צחוק)
אז אם איינשטיין לא אוהב את זה, אז לכולנו מותר להרגיש לא נוח עם זה.
שני אלקטרונים השזורים קוונטית במולקולה אחת
רוקדים ריקוד עדין
שמאוד רגיש לכיוון בו הציפור עפה
בתוך השדה המגנטי של הארץ.
איננו יודעים אם זהו ההסבר הנכון,
אבל האם זה לא יהיה מרתק אם מכניקה קוונטית מסייעת לציפורים לנווט?
ביולוגיה קוונטית נמצאת עדיים בחיתוליה.
היא עדיין בגדר השערה.
אבל אני מאמין שהיא מושתתת על מדע מוצק.
אני גם חושב שבעשור הקרוב בערך,
נתחיל לראות זאת באופן מעשי, היא ממלאת את החיים --
החיים פיתחו תכסיסים שמנצלים את העולם הקוונטי.
שימו לב לתחום זה.
תודה לכם.
(מחיאות כפיים)