Ik wil jullie laten kennismaken met een opkomend gebied van de wetenschap.
Nog speculatief, maar enorm spannend
en zeker een dat zeer snel groeit.
Kwantumbiologie stelt een heel simpele vraag:
Speelt de kwantummechanica --
die rare, prachtige en krachtige theorie
van de subatomaire wereld van atomen en moleculen
en die ten grondslag ligt aan zoveel van de moderne natuur- en scheikunde --
ook een rol in de levende cel?
Met andere woorden:
zijn er processen, mechanismen, verschijnselen in levende organismen
die alleen kunnen worden verklaard door de kwantummechanica?
Nu is kwantumbiologie niet nieuw.
Ze is er al sinds de vroege jaren 30.
Maar pas in de laatste tien jaar of zo hebben zorgvuldige experimenten --
in biochemielabs, met behulp van spectroscopie --
heel duidelijke, harde bewijzen laten zien dat voor bepaalde specifieke mechanismen
kwantummechanica nodig is om ze uit te leggen.
Kwantumbiologie brengt kwantumfysici, biochemici
en moleculair biologen samen tot een zeer interdisciplinair vakgebied.
Ik kom uit de kwantumfysica, dus ben ik een kernfysicus.
Ik breek al meer dan drie decennia lang mijn hoofd over de kwantummechanica.
Een van de ontwerpers van de kwantummechanica, Niels Bohr,
zei: “Als het je niet verbaast, dan heb je het niet begrepen.”
Ik ben blij dat het me nog steeds verbaast.
Dat is goed.
Het betekent dat ik de allerkleinste structuren in het universum bestudeer,
de bouwstenen van de werkelijkheid.
Om je een idee te geven van de omvang,
begin maar bij een alledaags voorwerp, zoals een tennisbal,
en ga van daaruit naar een steeds kleinere orde van grootte:
het oog van een naald, een cel, een bacterie, een enzym
tot we uiteindelijk de nanowereld bereiken.
Nanotechnologie zal jullie wel wat zeggen.
Eén nanometer is één miljardste van een meter.
Mijn gebied is de atoomkern, dat kleine stipje in het atoom.
Zelfs nog kleiner op schaal.
Dit is het domein van de kwantummechanica.
Fysici en chemici hadden lange tijd nodig om eraan te wennen.
Biologen hebben er zich volgens mij nogal gemakkelijk vanaf gemaakt.
Ze waren al tevreden met hun bal-en-stokmodellen van moleculen.
(Gelach)
De ballen zijn de atomen, de stokjes de bindingen tussen de atomen.
En als ze ze niet fysiek in het lab kunnen bouwen,
dan kunnen ze nu met zeer krachtige computers
grote moleculen simuleren.
Dit is een eiwit met 100.000 atomen.
Je hebt niet veel kwantummechanica nodig om het te verklaren.
Kwantummechanica werd ontwikkeld in de jaren 20.
Het is een reeks mooie en krachtige wiskundige regels en ideeën
om de wereld van het zeer kleine te verklaren.
Een heel andere wereld
dan onze alledaagse wereld van biljoenen atomen.
Het is een wereld gebouwd op kans en toeval.
Het is een wazige wereld.
Het is een wereld van fantomen,
waar de deeltjes zich ook kunnen gedragen als uitdijende golven.
Als we ons kwantummechanica of kwantumfysica
als de fundamentele basis van de werkelijkheid zelf voorstellen,
dan is het niet verwonderlijk dat we zeggen:
kwantumfysica ondersteunt de organische chemie.
Ze vertelt ons immers volgens welke regels
de atomen in elkaar passen om organische moleculen te vormen.
Organische chemie, opgeschaald in complexiteit,
geeft ons de moleculaire biologie, wat uiteraard leidt tot leven zelf.
Eigenlijk moet het ons niet verbazen.
Het is bijna vanzelfsprekend.
Je zal zeggen: "Wel, natuurlijk moet leven
uiteindelijk afhangen van de kwantummechanica."
Maar dat geldt voor alles.
Alle levenloze materie, samengesteld uit triljoenen atomen.
Uiteindelijk bereiken we een kwantumniveau
waar we ons wel moeten verdiepen in deze rariteit.
Maar voor het dagelijks leven hoeft dat niet.
Want als je eenmaal biljoenen atomen bij elkaar hebt,
lost die kwantumrariteit zich vanzelf op.
Daar gaat kwantumbiologie niet over.
Kwantumbiologie is niet voor de hand liggend.
Natuurlijk onderbouwt kwantummechanica het leven
op een of ander moleculair niveau.
Kwantumbiologie gaat over het zoeken naar de niet-triviale,
de contra-intuïtieve ideeën in de kwantummechanica,
om te zien of ze inderdaad een belangrijke rol spelen
in de beschrijving van de processen van het leven.
Hier is mijn perfecte voorbeeld van de contra-intuïtiviteit
van de kwantumwereld: de kwantumskiër.
Hij lijkt intact en volkomen gezond,
toch lijkt hij tegelijkertijd
rond beide zijden van de boom te zijn gegaan.
Als je dergelijke sporen zag,
zou je natuurlijk denken dat het een soort stunt was.
Maar in de kwantumwereld gebeurt dit constant.
Deeltjes kunnen multitasken, ze kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn.
Ze kunnen meer dan één ding tegelijkertijd doen.
Deeltjes kunnen zich gedragen als uitdijende golven.
Het is bijna magie.
Fysici en chemici hadden bijna een eeuw nodig
om te wennen aan deze rariteit.
Ik verwijt het de biologen niet
dat ze geen kwantummechanica wilden of hoefden te leren.
Deze rariteit is iets heel delicaats.
Wij natuurkundigen doen ons best om ze in onze labs te houden.
We koelen ons systeem af tot in de buurt van het absolute nulpunt,
we doen onze experimenten in een vacuüm,
we proberen alle externe storingen te vermijden.
Dat is heel anders in de warme, rommelige,
onrustige omgeving van een levende cel.
De biologie, met name de moleculaire biologie,
lijkt er goed aan te hebben gedaan
de levensprocessen te beschrijven in termen van chemische reacties.
Het zijn reductionistische, deterministische chemische reacties,
wat aantoont dat leven in essentie
is gemaakt van hetzelfde materiaal als al het andere,
en als we in de macrowereld de kwantummechanica kunnen vergeten,
dan kan dat toch ook in de biologie, niet?
Iemand ging daar niet mee akkoord:
Erwin Schrödinger, die van de beroemde Schrödinger kat,
een Oostenrijks natuurkundige.
Hij was een van de ontwerpers van de kwantummechanica in de jaren 20.
In 1944 schreef hij een boek met de titel 'Wat is Leven?'.
Het was enorm invloedrijk.
Het beïnvloedde Francis Crick en James Watson,
de ontdekkers van de dubbele-helixstructuur van DNA.
Hij zegt bijvoorbeeld ergens:
“Op moleculair niveau hebben levende organismen een bepaalde orde,
een structuur die heel anders is
dan het willekeurige thermodynamische getuimel van atomen en moleculen
in levenloze materie van dezelfde complexiteit.
In feite lijkt levende materie zich te gedragen
in de orde, in een structuur,
als levenloze materie afgekoeld tot in de buurt van het absolute nulpunt,
waar de kwantumeffecten een zeer belangrijke rol spelen.
Er is iets bijzonders aan de structuur -- de orde -- in een levende cel.
Schrödinger speculeerde dus
dat kwantummechanica misschien een rol speelt in het leven.
Het is een zeer speculatief, vergaand idee
en het bracht het niet erg ver.
Maar zoals ik in het begin zei,
zijn er in de laatste 10 jaar proeven geweest
die voor een aantal verschijnselen in de biologie
kwantummechanica lijken nodig te hebben.
Ik wil een aantal opwindende daarvan met jullie delen.
Dit is een van de meest bekende verschijnselen in de kwantumwereld:
kwantumtunneling.
Het vak links toont de golfachtige, uitwaaierende distributie
van een kwantumentiteit -- een deeltje, zoals een elektron,
dat niet als een balletje tegen een muur stuitert.
Het is een golf die zich met een zekere waarschijnlijkheid
door een stevige wand heen kan verplaatsen,
zoals een spook door een muur.
Je kunt een vage lichtvlek zien in het rechtervak.
Kwantumtunneling suggereert dat een deeltje
door een ondoordringbare barrière kan geraken
en op een of andere manier, als bij toverslag,
aan de ene kant kan verdwijnen om aan de andere kant weer op te duiken.
De mooiste manier om het uit te leggen is als je een bal over een muur wilt gooien,
moet je hem genoeg energie meegeven om over de muur te geraken.
In de kwantumwereld hoef je hem niet over de muur te gooien.
Gooi hem maar tegen de muur
en het kan zijn dat hij aan jouw kant zal verdwijnen
en aan de andere kant weer verschijnen.
Dat zuig ik niet uit mijn duim.
We zijn blij -- nou ja, 'blij' is nu niet het juiste woord --
(Gelach)
We zijn ermee vertrouwd.
(Gelach)
Kwantumtunneling gebeurt de hele tijd.
Het is in feite de reden dat de zon schijnt.
De deeltjes fuseren
en de zon zet waterstof om in helium door kwantumtunneling.
In de jaren 70 en 80 werd ontdekt dat kwantumtunneling
ook plaats vindt binnen levende cellen.
Enzymen, de werkpaarden van het leven, de katalysatoren van chemische reacties,
zijn biomoleculen die de snelheid van chemische reacties in levende cellen
met vele ordes van grootte opdrijven.
Het is nog altijd een raadsel hoe ze dit doen.
Men ontdekte dat een van de trucs die enzymen ontwikkelden,
bestond uit het overdragen van subatomaire deeltjes,
zoals elektronen en protonen,
van één deel van een molecuul naar een ander, door kwantumtunneling.
Het is efficiënt en snel;
een proton kan op de ene plaats verdwijnen en ergens anders verschijnen.
Enzymen helpen daarbij.
Dit is onderzoek uit de jaren 80,
met name door een groep in Berkeley, Judith Klinman.
Andere Britse groepen hebben nu bevestigd
dat enzymen dit echt doen.
Uit onderzoek van mijn groep --
ik zei al dat ik kernfysicus was,
maar ik realiseerde me dat ik deze tools van de kwantummechanica van atoomkernen
ook op andere gebieden kon toepassen --
Een vraag was of kwantumtunneling een rol speelt bij mutaties in DNA.
Nogmaals, dit is niet nieuw. Het gaat terug naar de vroege jaren 60.
De twee strengen van DNA, de dubbele-helixstructuur,
worden bijeengehouden door sporten, net een gedraaide ladder.
Die sporten zijn waterstofbruggen:
protonen die de twee strengen bij elkaar houden.
Ze houden deze grote moleculen,
de nucleotiden, samen.
Zoom nog wat in.
Dit is een computersimulatie.
De twee witte ballen in het midden zijn protonen.
Je kunt zien dat het een dubbele waterstofbinding is.
De ene wil aan de ene kant zitten, de andere aan de andere kant
van de twee strengen van verticale lijnen
die naar beneden lopen en die je niet kunt zien.
Het kan gebeuren dat deze twee protonen over kunnen springen.
Kijk naar de twee witte ballen.
Ze kunnen naar de andere kant springen.
Als de twee strengen van DNA dan uit elkaar gaan,
waardoor het replicatieproces begint,
en de twee protonen in de verkeerde posities staan,
kan dit leiden tot een mutatie.
Dat weten we al een halve eeuw.
De vraag is: hoe waarschijnlijk is het dat ze dat doen,
en als ze het doen, hoe doen ze het dan?
Springen ze over, net zoals de bal over de muur?
Of kunnen ze kwantumtunnelen, zelfs als ze niet genoeg energie hebben?
Vroege indicaties suggereren dat kwantumtunneling een rol kan spelen.
We weten nog steeds niet hoe belangrijk het is,
het is nog een open vraag.
Het is speculatief,
maar het is een van die vragen die zo belangrijk is
omdat als kwantummechanica een rol speelt bij mutaties
dit zeker grote consequenties heeft
voor het begrijpen van die mutaties.
Misschien zelfs degenen die leiden tot het ontstaan van kankercellen.
Een ander voorbeeld van kwantummechanica in de biologie is 'kwantumcoherentie',
in een van de belangrijkste processen in de biologie,
namelijk de fotosynthese: hoe planten en bacteriën
de energie van het zonlicht gebruiken om biomassa aan te maken.
Kwantumcoherentie is het idee van multitasking door kwantumentiteiten.
Het is de kwantumskiër.
Het is een object dat zich gedraagt als een golf,
zodat het zich niet alleen beweegt in de ene of de andere richting,
maar meerdere paden tegelijk kan volgen.
Enkele jaren geleden werd de wereld van de wetenschap geschokt,
toen een document werd gepubliceerd met experimenteel bewijs
dat kwantumcoherentie in bacteriën
bij de fotosynthese plaatsvindt.
Het idee is dat het foton, het lichtdeeltje, het zonlicht,
het lichtkwantum gevangen door een chlorofylmolecuul,
naar het zogenaamde reactiecentrum wordt gebracht,
waar het wordt omgezet in chemische energie.
Daar geraakt het niet via één enkele route,
maar via meerdere routes tegelijk
om op de meest efficiënte manier het reactiecentrum te bereiken
zonder als restwarmte te worden afgevoerd.
Kwantumcoherentie vindt plaats in een levende cel.
Een opmerkelijk idee,
en toch verschijnen bijna wekelijks nieuwe papers met bewijsmateriaal
die bevestigen dat dit inderdaad gebeurt.
Mijn derde en laatste voorbeeld is het mooiste, het prachtigste idee.
Ook nog zeer speculatief, maar ik moet het vertellen.
Het Europese roodborstje migreert ieder najaar
van Scandinavië naar de Middellandse Zee.
Net als veel zeedieren en zelfs insecten
navigeren ze op basis van het aardmagnetisch veld.
Dat magnetisch veld is zeer, zeer zwak.
Wel 100 keer zwakker dan een koelkastmagneet,
en toch is het op de een of andere manier van invloed
op de chemie in een levend organisme.
Daarover bestaat geen twijfel - een Duits echtpaar van ornithologen,
Wolfgang en Roswitha Wiltschko bevestigden in de jaren 70
dat het roodborstje zijn weg vindt door het aardmagnetisch veld te voelen.
Het krijgt richtingsinformatie met een ingebouwd kompas.
Maar: hoe werkt het?
De enige theorie die we hebben --
we weten niet of het juist is, maar we hebben niets anders --
is dat dat gaat door wat we noemen kwantumverstrengeling.
In het netvlies van het roodborstje --
ik hou je niet voor de gek --
in het netvlies van het roodborstje zit het eiwit cryptochroom,
dat lichtgevoelig is.
In cryptochroom zijn een paar elektronen kwantumverstrengeld.
Kwantumverstrengeling betekent dat twee deeltjes ver uit elkaar,
toch ergens in contact met elkaar blijven.
Zelfs Einstein haatte dit idee.
Hij noemde het ‘spookachtige actie op afstand’.
(Gelach)
Als Einstein het al niet leuk vond,
hoe zit het dan met ons?
Twee kwantumverstrengelde elektronen in één enkel molecuul
dansen een delicate dans
die zeer gevoelig is voor de richting waarin de vogel vliegt
in het aardmagnetisch veld.
We weten niet of het de juiste verklaring is,
maar zou het niet spannend zijn
als kwantummechanica vogels hielp navigeren?
Kwantumbiologie staat nog in de kinderschoenen.
Ze is nog steeds speculatief.
Maar ik denk dat ze gebouwd is op solide wetenschap.
Ik denk ook dat we in de komende tien jaar of zo
gaan inzien dat ze het hele leven doordringt,
dat het leven trucs heeft ontwikkeld die gebruik maken van de kwantumwereld.
Hou het in de gaten.
Dankjewel.
(Applaus)