Gostaria de introduzi-lo em uma área emergente da ciência,
uma que ainda é especulativa mas extremamente emocionante,
e que certamente está crescendo rapidamente.
Biologia quântica faz uma pergunta muito simples:
será que a mecânica quântica,
aquela estranha, maravilhosa e poderosa
teoria do mundo subatômico dos átomos e moléculas,
que apoia tanto a física quanto a química moderna,
também desempenha um papel dentro da célula viva?
Em outras palavras: existem processos, mecanismos, fenômenos
em organismos vivos que só podem ser explicados
com uma mão amiga da mecânica quântica?
A Biologia quântica não é nova;
é conhecida desde o início dos anos 1930.
Mas só na última década, mais ou menos, que experimentos cuidadosos,
em laboratórios de bioquímica, usando espectroscopia,
mostraram com clareza fortes evidências da existência de mecanismos específicos
que necessitam da mecânica quântica para explicá-los.
A biologia quântica reúne físicos quânticos, bioquímicos,
biólogos moleculares. É um campo muito interdisciplinar.
Venho da física quântica, quer dizer sou um físico nuclear.
Passei mais de três décadas
tentando acomodar minha mente em torno de mecânica quântica.
Disse um dos fundadores da mecânica quântica, Niels Bohr:
"Se você não for surpreendido, então não a entendeu."
Então me sinto meio feliz, pois continuo espantado com ela.
Isso é uma coisa boa.
Mas isso significa que estudo as menores estruturas no universo:
os blocos de construção da realidade.
Se pensarmos em escala de tamanho,
começando por um objeto cotidiano como a bola de tênis,
e apenas baixar na ordem de grandeza,
do buraco da agulha, depois uma célula, depois uma bactéria, depois uma enzima,
você finalmente chega ao mundo nano.
Provavelmente já ouviu falar em nanotecnologia.
Um nanômetro é um bilionésimo de um metro.
Minha área é o núcleo atômico, que é o ponto minúsculo dentro de um átomo.
É ainda menor escala.
Este é o domínio da mecânica quântica,
com o qual os físicos e químicos passaram muito tempo
tentando se acostumar.
Os biólogos, por outro lado, ficaram mais ou menos de fora, na minha opinião.
Eles estão muito felizes com seus modelos moleculares de bolas e varetas.
(Risos)
As bolas são os átomos, as varetas são as ligações entre os átomos.
Quando não podem construí-los no laboratório,
hoje em dia, eles têm computadores poderosos
que vão simular um enorme molécula.
Esta é uma proteína composta de 100 mil átomos.
Realmente não exige muito da mecânica quântica para explicar isso.
Mecânica quântica foi desenvolvida na década de 1920.
É um conjunto bonito e poderoso de regras e ideias matemáticas
que explica o mundo do microcosmo.
E é um mundo muito diferente do nosso mundo cotidiano,
composto de trilhões de átomos.
É um mundo baseado em probabilidade e chance.
É um mundo distorcido.
É um mundo de fantasmas
no qual as partículas podem se comportar como ondas que se espalham.
Então, se imaginarmos a mecânica ou a física quântica
como base fundamental da própria realidade,
então não é surpreendente dizer
que a física quântica respalda a química orgânica.
Afinal de contas, ela nos dá as regras que diz
como os átomos se encaixam para fazer moléculas orgânicas.
Química orgânica, amplificada em complexidade,
nos dá biologia molecular, o que naturalmente conduz à própria vida.
De certa forma, não é tão surpreendente.
É quase trivial.
Você diz: "Em última análise a vida tem de depender da mecânica quântica ".
Mas o mesmo acontece com todo o resto.
O mesmo acontece com toda a matéria inanimada, composta de trilhões de átomos.
Em última análise, há um nível quântico
no qual temos que nos aprofundar nesta estranheza.
Mas na vida cotidiana, podemos esquecê-la.
Porque uma vez que você coloca juntos trilhões de átomos,
aquela esquisitice quântica simplesmente desaparece.
Biologia quântica não se trata disso.
Biologia quântica não é assim tão óbvia.
É claro que a mecânica quântica suporta a vida em algum nível molecular.
Biologia quântica é sobre a procura do não-trivial,
usar as ideias nada intuitivas da mecânica quântica,
e ver se elas, de fato, desempenham um papel importante
em descrever os processos da vida.
Aqui está o meu exemplo perfeito do que vai contra a intuição
no mundo quântico.
Este é o esquiador quântico.
Ele parece estar intacto, perfeitamente saudável,
embora pareça ter passado pelos dois lados, ao redor da árvore.
Bem, se você viu marcas como essas
você imaginaria que era algum tipo de truque, é claro.
Mas no mundo quântico, isso acontece o tempo todo.
As partículas são multitarefas, podem estar em dois lugares,
podem fazer mais de uma coisa ao mesmo tempo.
Elas podem se comportar como ondas que se espalham.
É quase como mágica.
Físicos e químicos tiveram quase um século
para tentar se acostumar com esta estranheza.
Não culpo os biólogos
por não precisarem ou quererem aprender a mecânica quântica.
Note, esta estranheza é muito delicada;
e nós, físicos, trabalhamos muito duro para mantê-la em nossos laboratórios.
Esfriamos nosso sistema perto do zero absoluto,
realizamos nossos experimentos em vácuos,
tentamos e o isolamos de qualquer perturbação externa.
É muito diferente do meio quente, caótico e barulhento de uma célula viva.
A própria biologia, se você pensar em biologia molecular,
parece ter feito muito bem a descrição de todos os processos da vida
em termos de química, reações químicas.
E são reações químicas reducionistas, determinísticas,
mostrando que, em essência, a vida é feita do mesmo material que o resto,
e se podemos esquecer mecânica quântica no mundo macro,
então devemos ser capazes de esquecê-la na biologia, também.
Bem, um homem implorou para discordar desta ideia.
Erwin Schrödinger, do famoso gato de Schrödinger,
foi um físico austríaco.
Ele foi um dos fundadores da mecânica quântica na década de 1920.
Em 1944, ele escreveu um livro chamado "O que é vida?"
Ele foi tremendamente influente.
Ele influenciou Francis Crick e James Watson,
os descobridores da estrutura de dupla hélice do DNA.
Parafraseando uma descrição no livro, ele diz:
"Em termos moleculares, os organismos vivos têm uma certa ordem,
uma estrutura para eles que é muito diferente
dos encontros termodinâmicos aleatórios dos átomos e moléculas
na matéria inanimada de mesma complexidade.”
Realmente, parece que a matéria viva
comporta-se, nesta ordem, numa estrutura,
assim como matéria inanimada resfriada perto do zero absoluto,
na qual os efeitos quânticos exercem um papel muito importante.
Há algo especial sobre a estrutura, a ordem,
dentro de uma célula viva.
Então, Schrödinger especulou que talvez mecânica quântica exerce um papel na vida.
É uma ideia muito especulativa, e de longo alcance,
e ela realmente não foi muito longe.
Mas como mencionei no início,
nos últimos 10 anos, alguns experimentos mostram que certos fenômenos biológicos
parecem precisar da mecânica quântica.
Quero compartilhar com você apenas alguns dos mais emocionantes.
Este é um dos mais conhecidos fenômenos no mundo quântico,
tunelamento quântico.
A caixa à esquerda mostra um tipo de onda em distribuição espalhada
de uma entidade quântica: uma partícula, como um elétron
que não é uma pequena esfera quicando de uma parede.
É uma onda que tem uma certa probabilidade de atravessar uma parede sólida,
como um fantasma, pulando para o outro lado...
Você pode ver uma leve mancha de luz na caixa à direita.
Pelo tunelamento quântico, a partícula pode bater numa barreira impenetrável,
e ainda de alguma forma, como que por mágica,
desaparecer de um lado e reaparecer no outro.
A melhor maneira de explicá-lo é: se você quiser atirar uma bola sobre uma parede,
você tem que dar-lhe energia suficiente para passar por cima da parede.
No mundo quântico, você não precisa jogá-la por cima da parede,
você pode jogá-la na parede, e há uma certa probabilidade maior que zero
de que ela vai desaparecer do seu lado, e reaparecer no outro.
Isto não é hipótese, de forma alguma.
Estamos felizes. Bem, "felizes" não é a palavra certa,
(Risos)
estamos familiarizados com isso.
(Risos)
O tunelamento quântico ocorre todo o tempo;
na verdade, é a razão do nosso Sol brilhar.
As partículas fundem-se,
e o Sol transforma hidrogênio em hélio através de tunelamento quântico.
Nos anos 70 e 80, descobriu-se que tunelamento quântico ocorre também
dentro de células vivas.
Enzimas, esses burros de carga da vida, os catalisadores de reações químicas.
As enzimas são biomoléculas que aceleram reações químicas em células vivas,
por muitos e muitos graus de magnitude.
E sempre foi um mistério como elas fazem isso.
Bem, descobriu-se
que um dos truques que as enzimas evoluíram para usar,
é pela transferência de partículas subatômicas, como os elétrons e prótons,
de uma parte de uma molécula para outra, pelo tunelamento quântico.
É eficiente, é rápido, ele pode desaparecer,
um próton pode desaparecer de um lugar, e reaparecer em outro.
Enzimas ajudam isto acontecer.
Esta é uma pesquisa que foi realizada nos anos 80,
particularmente por um grupo em Berkeley, Judith Klinman.
Outros grupos no Reino Unido agora também confirmaram
que as enzimas realmente fazem isso.
Pesquisa realizada pelo meu grupo;
eomo mencionei antes, eu sou um físico nuclear,
mas percebi que tenho as ferramentas da mecânica quântica para usar
no núcleo atômico, e assim posso usar essas ferramentas em outras áreas também.
Uma pergunta que fizemos
é se tunelamento quântico tem algum papel nas mutações do DNA.
De novo, não é uma ideia nova; ela vem do início dos anos 60.
As duas fitas de DNA, a estrutura de dupla hélice,
são mantidas juntas por degraus; é como uma escada torcida.
E esses degraus da escada são ligações de hidrogênio,
prótons, que atuam como uma cola entre as duas fitas.
Se aumentarmos o zoom, veremos que elas mantêm estas grandes moléculas,
os nucleotídeos, juntas.
Aproximando um pouquinho.
Esta é uma simulação de computador.
As duas bolas brancas no meio são prótons.
Veja que são duas ligações por pontes de hidrogênio.
Um prefere estar de um lado; o outro, do outro lado
das duas fitas nas linhas verticais descendo, que você não pode ver.
Pode acontecer que estes dois prótons pulem.
Olhe as duas bolas brancas.
Elas podem pular para o outro lado.
Se as duas fitas de DNA se separarem, levando ao processo de cópia,
e os dois prótons estiverem nas posições erradas,
isto pode levar a uma mutação.
Isto é conhecido há meio século.
A pergunta é: qual a chance deles fazerem isso,
e se eles fazem, como fazem?
Será que eles saltam, como a bola que vai por cima da parede?
Ou podem atravessar pelo túnel quântico, mesmo que não tenham energia suficiente?
Há indícios de que o tunelamento quântico pode ter um papel aqui.
Ainda não sabemos o quanto é importante;
esta ainda é uma questão em aberto.
É especulativa,
mas é uma daquelas perguntas que é tão importante
que, se a mecânica quântica tem algum papel nas mutações,
certamente isso deve ter grandes implicações
para entender certos tipos de mutações,
quiçás até mesmo os que fazem célula sadia transformar-se em uma célula cancerosa.
Outro exemplo da mecânica quântica na biologia é coerência quântica,
em um dos mais importantes processos na biologia,
a fotossíntese: plantas e bactérias, recebem a luz solar,
e usam essa energia para criar biomassa.
Coerência quântica é a ideia de entidades quânticas efetuando multitarefa.
É o esquiador quântico.
É um objeto que se comporta como uma onda,
ou seja, não se limita a movimentar em uma direção ou outra,
mas pode seguir vários caminhos ao mesmo tempo.
Alguns anos atrás, o mundo da ciência ficou chocado
quando um documento foi publicado mostrando evidências experimentais
de que a coerência quântica ocorre dentro de bactérias,
na realização da fotossíntese:
A ideia é que o fóton, a partícula de luz, a luz solar,
o quantum de luz capturado por uma molécula de clorofila,
é então entregue ao que é chamado centro de reação,
no qual pode ser transformado em energia química.
E para chegar lá, não segue uma rota única;
segue vias múltiplas de uma só vez,
para otimizar o modo mais eficiente de atingir o centro de reação
sem se dissipar na forma de calor.
Coerência quântica ocorrendo dentro de uma célula viva.
Uma ideia notável,
não obstante a evidência crescer quase semanalmente, com novos trabalhos,
confirmando que isto de fato ocorre.
Meu terceiro e último exemplo é o mais bonito, uma ideia maravilhosa.
Ainda é muito especulativa, mas tenho de compartilhá-la com vocês.
O pisco europeu migra da Escandinávia
para o Mediterrâneo, a cada outono,
e como muitos dos outros animais marinhos e até mesmo insetos,
eles navegam através da detecção do campo magnético da Terra.
Agora, o campo magnético da Terra é muito fraco;
é cem vezes mais fraco que um ímã de geladeira,
e ainda assim de alguma forma afeta a química dentro de um organismo vivo.
Não há dúvidas; um casal alemão de ornitólogos,
Wolfgang e Roswitha Wiltschko, nos anos 1970, confirmaram que de fato,
o pisco encontra seu caminho de alguma forma sentindo o campo magnético da Terra,
para dar-lhe a informação de direção, como uma bússola embutida.
O quebra-cabeça, o mistério foi: Como ele faz ?
Bem, a única teoria conhecida...
não sabemos se ela é correta, mas é a única teoria conhecida,
é que ele faz isso através de algo chamado de entrelaçamento quântico.
Dentro da retina do pisco,
sem brincadeira, há uma proteína chamada criptocromo, dentro retina do tordo
que é sensível à luz.
Dentro da criptocromo, um par de elétrons estão quânticamente emaranhados.
Agora, o entrelaçamento quântico é quando duas partículas estão distantes,
e ainda assim permanecem em contacto uma com a outra.
Até Einstein odiava essa idéia;
chamou-a de "ação fantasmagórica a uma distância ".
(Risos)
Então, se Einstein não gosta, podemos nos sentir desconfortáveis.
Dois elétrons quanticamente entrelaçados em uma única molécula
dançando uma dança delicada
que é muito sensível à direção em que o pássaro voa
no campo magnético da Terra.
Não sabemos se é a explicação correta,
mas não seria empolgante se a mecânica quântica ajudasse os pássaros a navegar?
Biologia quântica ainda está em sua infância.
Ainda é especulativa.
Mas eu acredito que ela é construída em ciência sólida.
Também acho que na próxima década
vamos começar a ver que, na verdade, ela permeia a vida
e que a vida desenvolveu truques que utiliza o mundo quântico.
Veja a este espaço.
Obrigado.
(Aplausos)