Želio bih vas upoznati s rastućim područjem znanosti,
jednim koje je još uvijek spekulativno, ali iznimno uzbudljivo
i zasigurno s jednim koje vrlo brzo napreduje.
Kvantna biologija postavlja vrlo jednostavno pitanje:
Igra li kvantna mehanika-
ta čudna,prekrasna i moćna teorija
subatomskog svijeta atoma i molekula,
koja objašnjava tako velik dio moderne fizike i kemije-
ulogu u živućim stanicama?
Drugim riječima: Postoje li procesi, mehanizmi, fenomeni
u živućim organizmima koji se mogu objasniti samo
uz pomoć kvantne mehanike?
Kvantna biologija nije nova;
postoji od ranih 1930-ih.
Ali tek u posljednjem desetljeću oprezni pokusi --
u biokemijskim laboratorijima, uz korištenje spektometrije --
su pokazali vrlo jasne, čvrste dokaze da postaje određeni specifični mehanizmi
za čije je objašnjenje potrebna kvantna mehanika.
Kvantna biologija objedinjuje kvantne fizičare, biokemičare,
molekularne biologe- to je veoma interdisciplinarno područje.
Ja dolazim iz kvantne fizike, dakle ja sam nuklearni fizičar.
Proveo sam više od tri desetljeća
pokušavajući shvatiti kvantnu mehaniku.
Jedan od utemeljitelja kvantne mehanike, Niels Bohr,
je rekao, da ako vas ona ne zapanji, da ju niste razumjeli.
Tako da sam ja na neki način sretan da me ona još uvijek zapanjuje.
To je dobro.
Ali to znači da proučavam najmanje strukture u svemiru-
građevni materijal stvarnosti.
Ako razmislimo o razmjeru veličina,
počevši od svakodnevnih predmeta kao što je teniska lopta
i zatim krenuvši prema sve manjim predmetima --
od iglene ušice do stanice, do bakterije, do enzima,
na kraju dopijemo do nano-svijeta.
Možda ste čuli za pojam nanotehnologije.
Nanometar je milijarditi dio metra.
Moje područje je atomska jezgra, a to je mala točka unutar atoma.
Čak je i manja.
To je domena kvantne mehanike
te su fizičari i kemičari imali mnogo vremena
da se pokušaju naviknuti.
Biolozi, s druge strane, su po mom mišllenju, prošli lakše.
Oni su jako sretni sa svojim kuglastim i štapičastim modelima molekula.
(Smijeh)
Kuglice su atomi, štapići su veze među atomima.
I kada ih ne mogu izgraditi fizički u laboratoriju,
danas imaju veoma moćna računala,
koja simuliraju ogromne molekule.
Ovo je bjelančevina sastavljena od 100,000 atoma,
nije potrebno mnogo kvantne mehanike da se objasni.
Kvantna mehanika se razvila 1920-ih.
To je skup prekrasnih i moćnih matematičkih pravila i ideja
koje objašnjavaju svijet vrlo maloga.
I to je svijet veoma različit od našeg svakodnevnog svijeta,
sastavljen od trilijuna atoma.
To je svijet izgrađen na vjerojatnosti i prilici.
To je kaotičan svijet.
To je svijet opsjena,
u kojem se čestice mogu ponašati kao valovi.
Ako zamislimo kvantnu mehaniku ili kvantnu fiziku
kao osnovu naše stvarnosti,
onda nije začuđujuće što kažemo
da je kvantna fizika osnova organske kemije.
Ipak nam ona daje pravila koja nam govore
kako se atomi spajaju da stvore organske molekule.
Organska kemija, poredana prema kompleksnosti,
nam daje molekularnu biologiju, koja nas naravno vodi do samog života.
Dakle, na neki način, to uopće nije začuđujuće.
Gotovo je banalno.
Kažete: " Pa, naravno da život na kraju mora ovisiti o kvantnoj mehanici."
Ali i sve ostalo.
Sva beživotna tvar, sastavljena od trilijuna atoma.
Na kraju, postoji kvantna razina
u kojoj moramo prekopati po toj čudnosti.
Ali u svakodnevnom životu, možemo zaboraviti na to.
Zato što, jednom kad spojite trilijune atoma,
nestaje kvanta neobičnosti.
O tome ne govori kvantna biologija.
Kvantna biologija nije toliko očita.
Naravno da kvantna mehanika stvara život na molekularnoj razini.
Kvantna biologija se bavi potragom za ne-banalnim-
kontraintuitivnim idejama kvantne mehanike-
i proučava igra li ona doista važnu ulogu
u opisivanju životnih procesa.
Ovo je moj savršen primjer kontraintuitivnosti
kvantnog svijeta.
Ovo je kvantni skijaš.
Izgleda netaknuto, izgleda savršeno zdravo,
ali ipak, izgleda da je zaobišao obje strane drveta u isto vrijeme.
Pa, ako vidite ovakve stvari
pretpostavili bi ste da se radi o triku, naravno.
Ali u kvantnom svijetu se ovo stalno događa.
Čestice mogu činiti više zadataka, biti na dva mjesta odjednom.
Mogu činiti više od jedne stvari u isto vrijeme.
Čestice se mogu ponašati kao valovi.
To je gotovo kao magija.
Fizičari i kemičari su se pokušavali naviknuti
na ovu neobičnost gotovo stoljeće.
Ne krivim biologe
što nisu ili ne žele naučiti kvantnu mehaniku.
Vidite, ova neobičnost je veoma delikatna;
i mi fizičari jako teško radimo da ju zadržimo u laboratorijima.
Hladimo naše sustave gotovo na apsolutnu nulu,
vršimo pokuse u vakuumu,
pokušavamo ju izolirati od bilo kakve vanjske smetnje.
To je veoma drukčije od toplog, neurednog, bučnog okoliša žive stanice.
Čini se da je sama biologija, ako pomislite na molekularnu biologiju,
vrlo dobro uspjela objasniti sve životne procese
kemijom -- kemijskim reakcijama.
I to su redukcijske, determinističke kemijske reakcije,
koje pokazuju, vrlo bitno, da je život sačinjen od istih tvari kao i sve drugo
i ako možemo zaboraviti na kvantnu mehaniku u makro svijetu,
onda bismo morali moći zaboraviti na nju i u biologiji također.
Pa, jedan se čovjek usudio razlikovati svojom idejom.
Erwin Schrodinger, poznat po Schrodingerovoj mački,
bio je austrijski fizičar.
On je bio jedan od začetnika kvantne mehanike 1920-ih.
1944.je napisao knjigu nazvanu " Što je život? "
Bila je nevjerojatno utjecajna.
Utjecala je na Francisa Cricka i Jamesa Watsona,
koji su otkrili dvostruko zavojitu strukturu DNA.
Parafrizirat ću opis iz knjige, on kaže:
Na molekularnoj razini, živući organizmi imaju određen red,
svoju strukturu koja se dosta razlikuje
od nasumičnog termodinamičkog nizanja atoma i molekula
u neživoj materiji jednake složenosti.
Zapravo, čini se da se živa tvar u ovom redu, u ovoj strukturi
ponaša kao neživa tvar kada se ohladi na temperaturu blizu apsolutnoj nuli,
na kojoj kvantni učinici igraju veoma važnu ulogu.
Nešto je posebno u strukturi -- u redu --
unutar žive stanice.
Dakle, Schrodinger je spekulirao da kvantna mehanika možda igra ulogu u životu
To je veoma spekulativna, dalekosežna ideja
i nije otišla veoma daleko.
Ali kako sam spomenuo na početku
u posljednjih 10 godina se provodi sve više pokusa,
koji prikazuju gdje neki od određenih fenomena u biologiji
iziskuju potrebu za kvantnom mehanikom.
Želim s vama podijeliti samo par uzbudljivih.
Ovo je jedan od najpoznatijih fenomena u kvantnom svijetu,
kvantno tuneliranje.
Lijeva kutija prikazuje valovitu, raširenu distribuciju
kvantnog entiteta -- čestica, poput elektrona,
koja nije mala kugla koja se odbija od zida.
To je val koji ima određenu vjerojatnost da je sposoban prodrijeti
kroz čvrst zid, poput duha koji prelazi na drugu stranu.
Možete vidjeti slabu zraku svjetlosti u desnoj kutiji.
Kvantno tuneliranje predlaže da čestica može udariti u neprobojnu zapreku,
a ipak nekako, kao uz pomoć magije,
nestati s jedne strane, a pojaviti se na drugoj.
Najljepši način da se to objasni je, ako želite baciti loptu preko zida,
morate joj dati dovoljno energije da prijeđe preko vrha zida.
U kvantnom svijetu ne morate ju baciti preko zida,
možete ju baciti u zid, i postoji određena vjerojatnost
da će nestati na jednoj strani, a pojaviti se na drugoj.
Usputno rečeno, ovo nije špekulacija.
Sretni smo-pa, "sretni" nije prava riječ-
(Smijeh)
upoznati smo s ovim.
(Smijeh)
Kvantno tuneliranje se stalno događa,
zapravo, to je razlog zbog kojeg sije Sunce.
Čestice se stope,
a zatim Sunce pretvori vodik u helij kvantnim tuneliranjem.
70-ih i 80-ih je otkriveno da se kvantno tuneliranje odvija i
unutar živih stanica.
Enzimi, ti pogoni života, katalizatori kemijskih reakcija-
enzimi su biomolekule koje ubrzavaju kemijske reakcije u živim stanicama,
mnogim, mnogim nizovima magnituda.
I oduvijek je misterij kako to čine.
Pa, bilo je otkriveno
da je jedan od trikova, za koje su enzimi evoluirali da ih iskoriste,
je premiještanje subatomskih čestica, kao što su elektroni i protoni
iz jednog dijela molekule u drugi kvantnim tuneliranjem.
Učinkovito je, brzo je, može nestati --
proton može nestati s jednog mjesta i pojaviti se na drugom.
Enzimi u tome pomažu.
Ovo je istraživanje provedeno 80-ih godina,
od strane jedne grupe u Berkeleyju. Judith Klinman.
Druge grupe u UK-u su sada također potvrdile
da enzimi to stvarno čine.
Istraživanje koje je provela moja grupa-
kako sam spomenuo, ja sam nuklearni fizičar,
ali sam shvatio da imam alate za korištenje kvantne mehanike
u atomskim jezgrama, te da ih mogu primijeniti i na druga područja.
Jedno pitanje koje smo postavili je
igra li kvatno tuneliranje ulogu u mutacijama DNA.
Opet ponavljam, ovo nije nova ideja; počeci su joj u 60-im godinama.
Dva ogranka DNA, struktura dvostruke zavojnice
je spojena prečkama; kao zavojite ljestve su.
I te prečke ljestvi su vodikove veze --
protoni, koji se ponašaju kao ljepilo između dvije prečke.
Pa ako povećate, ono što čine je spajanje tih velikih molekula-
nukleotida.
Još malo povećajte.
Dakle, ovo je računalna simulacija.
Dvije bijele kugle u sredini su protoni
i možete vidjeti dvostruku vodikovu vezu,
Jedna preferira pretezati na jednu stranu,a druga na drugu,
od dviju prečki vertikalnih linija koje silaze, ne možete ih vidjeti.
Može se dogoditi da ta dva protona preskoče.
Gledajte dvije bijele kugle.
Mogu skočiti na drugu stranu.
Ako se dvije prečke DNA tada odvoje, dovodeći do procesa replikacije,
a dva protona su na krivim mjestima,
to može dovesti do mutacija.
Ovo je poznato pola stoljeća.
Pitanje je: Koliko je vjerojatno da će to napraviti
i ako to naprave, kako to naprave?
Skoče li preko, kao lopta preko zida?
Ili kvantno tuneliraju preko, čak i ako nemaju dovoljno energije?
Rane indikacije predlažu da kvantno tuneliranje ima ulogu u ovome.
Još uvijek ne znamo koliko je važno;
to je još otvoreno pitanje.
Špekulativno je,
ali to je jedno od onih pitanja koje je tako važno
da, ako kvantna mehanika ima ulogu u mutacijama,
sigurno da to mora imati snašne implikacije,
da se razumiju određene vrste mutacija,
čak i one koje vode to pretvaranja stanice u kancerogenu.
Još jedan primjer kvantne mehanike u biologiji je kvantna koherencija,
u jednom od najvažnijih procesa u biologiji,
fotosintezi: biljke i bakterije upijaju sunčevu svjetlost
i koriste tu energiju da prozvedu biomasu.
Kvantna koherencija je ideja kvantnih entiteta koji izvršavaju više zadataka.
To je kvantni skijaš.
To je predmet koji se ponaša poput vala,
tako da se ne pomiče samo u jednu ili drugu stranu,
ali može slijediti više puteva u isto vrijeme.
Prije nekoliko godina, svijet znanosti se šokirao
kada je bila izdana studija koja je pokazala eksperimentalne dokaze
da se kvatna koherencija odvija unutar bakterija,
da provodi fotosintezu.
Ideja je da foton, čestica svjetlosti, sunčeva svjetolost,
kvant svjetlosti uhvačen u molekulu klorofila
bude isporučen u tzv.reakcijski centar,
gdje se može pretvoriti u kemijsku energiju.
I da stigne do tamo ne slijedi samo jednu rutu;
slijedi više puteva istovremeno,
da bi optimizirao najučinkovitiji način dolaska do reakcijskog centra
bez da se utroši kao toplina.
Kvantna koherencija se odvija unutar žive stanice.
Izvanredna ideja,
dokazi se pojavljuju na gotovo tjednoj bazi izlaskom novih studija
koje potvrđuju da se to doista događa.
Moj treći i posljednji primjer je najljepša, predivna ideja.
Isto je dosta špekulativna, ali moram ju podijeliti s vama.
Europski crvendać migrira iz Skandinavije
prema Sredozemlju svake jeseni,
te kao mnoge druge morske životinje i čak kukci,
orijentiraju se osjećanjem europskog magnetnog polja.
Zemljino magnetsko polje je veoma, veoma slabo;
100 puta slabije od magneta za hladnjak,
a ipak ima učinak na kemiju-nekako- unutar živih organizama.
Tu nema dvojbe -- njemački par ornitologa,
Wolfgang i Roswitha Wiltschko, 1970-ih, su čak potvdili
da crvendać pronalazi svoj put nekako osjećajući Zemljino magnetsko polje
koje mu daje informaciju smjera -- ugrađeni kompas.
Zagonetka, misterij je bio: Kako to čini?
Pa, jedina teorija je --
ne znamo je li točna teorija, ali je jedina --
da to čini nečim što se zove kvantna zapreka.
U crvendaćevoj mrežnici --
ne zezam vas -- u crvendaćevoj mrežnici se nalazi protein zvan kriptokrom
koji je osjetljiv na svjetlo.
U kriptokromu je par elektrona u kvantnoj zapreci.
Kvantna zapreka je kada su dvije čestice udaljene,
a ipak nekako ostaju u kontaktu.
I Einstein je mrzio tu ideju;
nazvao ju je "jeziva akcija na udaljenosti".
(Smijeh)
Dakle, ako se Einsteinu ne sviđa, onda nam svima može biti neugodna.
Dva kvantno zapriječena elektrona u jednoj jedinoj molekuli
plešu delikatan ples
koji je veoma senzitivan prema smjeru ptičjeg leta
u Zemljinom magnetnom polju.
Ne znamo je li to točno objašnjenje,
ali wow, ne bi li bilo uzbudljivo kad bu kvantna mehanika pomagala pticama u
orijentaciji?
Kvantna biologija je još u povojima.
Još je špekulativna.
Ali ja vjerujem da je izgrađena na čvrstoj znanosti.
Također mislim da ćemo u nadolazećem desetljeću ili slično,
početi shvaćati da ona zapravo prodire u život --
da je ovaj život razvio trikove da koristi kvantni svijet.
Pogledajte ovaj svemir.
Hvala.
(Pljesak)