Aş vrea să vă fac cunoştinţă cu o nouă ramură a ştiinţei,
una încă speculativă, dar extrem de incitantă,
şi care, cu siguranţă, se dezvoltă în mod spectaculos.
Biologia cuantică își pune o întrebare foarte simplă:
Oare mecanica cuantică,
acea teorie ciudată, minunată şi puternică
despre lumea subatomică a moleculelor și atomilor,
care susţine atât de mult fizica şi chimia modernă,
se manifestă și în cadrul celulei vii?
Cu alte cuvinte: există procese, mecanisme, fenomene
în cadrul organismelor vii care pot fi explicate
doar cu ajutorul mecanicii cuantice?
Biologia cuantică nu e ceva nou;
se studiază de pe la începutul anilor '30.
Dar abia în ultimii zece ani, experimente meticuloase
– în laboratoare de biochimie, folosind spectroscopie –
au dovedit clar că există unele mecanisme specifice
ce pot fi explicate doar prin mecanica cuantică.
Biologia cuantică alătură fizicieni cuantici, biochimiști,
biologi moleculari – e un domeniu interdisciplinar.
Eu vin din zona mecanicii cuantice, deci sunt fizician nuclear.
Am petrecut peste trei decenii
încercând să înțeleg mecanica cuantică.
Unul dintre fondatorii mecanicii cuantice, Niels Bohr,
a zis: „Dacă nu ești uimit de ea, atunci nu ai înțeles-o.”
Sunt fericit că încă sunt uimit de ea.
E un lucru bun.
Dar asta înseamnă că studiez cele mai mici structuri din Univers,
fundația realității.
Dacă ne gândim la scara de mărimi a lucrurilor,
începeți cu un obiect obișnuit, o minge de tenis
şi micşoraţi-i dimensiunea
la ochiul unui ac, la o celulă, la o bacterie, la o enzimă
și veți ajunge în universul nano.
Probabil ați mai auzit de nanotehnologie.
Un nanometru e a miliarda parte a unui metru.
Domeniul meu este nucleul atomic, acel punct minuscul din atom.
E chiar mai mic, în comparație.
Acesta este domeniul mecanicii cuantice,
iar fizicienii și chimiștii au avut destul timp
să încerce să se obișnuiască cu el.
De cealaltă parte, biologii au scăpat ieftin, părerea mea.
Sunt fericiți cu modelele lor de molecule din mingiuțe și bastonașe.
(Râsete)
Mingiuțele sunt atomii, bastonașele, legăturile dintre atomi.
Şi de nu pot să le construiască fizic în laborator,
la ora actuală dispun de calculatoare foarte puternice
care pot simula o moleculă uriașă.
Aceasta este o proteină alcătuită din 100 000 de atomi.
Nu este nevoie de foarte multă mecanică cuantică pentru a o explica.
Mecanica cuantică a fost dezvoltată în anii 1920.
E formată din reguli și idei matematice frumoase și puternice,
care explică lumea minusculă.
O lume care e foarte diferită de lumea noastră obișnuită,
făcută din trilioane de atomi.
E o lume construită pe probabilitate și șansă.
O lume neclară.
O lume a fantomelor,
unde particulele se pot comporta și ca unde.
Dacă ne imaginăm mecanica, fizica cuantică
ca fiind fundația realității în sine,
putem afirma că mecanica cuantică susține chimia organică.
Până la urmă, ea ne dă regulile care ne spun
cum se potrivesc atomii pentru a forma molecule organice.
Chimia organică, amplificată în complexitate,
dă biologia moleculară, care duce, desigur, la viața în sine.
Deci, într-un fel, nu e deloc surprinzător.
E aproape banal.
Veți zice: „Evident, până la urmă, viața depinde de mecanica cuantică."
Dar la fel și toate celelalte.
La fel și toată materia neanimată, – alcătuită din trilioane de atomi –
și ea există un nivel cuantic,
și noi trebuie să ne scufundăm în ciudățenia asta.
Însă în viața de zi cu zi, putem să uităm de ea.
Fiindcă odată ce se îmbină trilioane de atomi,
această ciudățenie cuantică dispare.
Biologia cuantică nu se ocupă de asta.
Biologia cuantică nu e atât de evidentă.
Bineînțeles că mecanica cuantică susține viața la nivel molecular.
Biologia cuantică încearcă să găsească non-trivialul,
– ideile countraintuitive din mecanica cuantică –
și să verifice dacă, într-adevăr, ele joacă un rol important
în explicarea proceselor vieții.
Iată exemplul meu perfect pentru cât de contraintuitivă e lumea cuantică.
Acesta e schiorul cuantic.
Pare întreg, complet sănătos,
totuși se pare că a ocolit același copac pe ambele părți, în același timp.
Dacă i-ați vedea urmele,
ați zice că e o scamatorie, desigur,
dar în lumea cuantică așa ceva se întâmplă tot timpul.
Particulele pot face multitasking, pot fi în două locuri simultan.
Pot face mai multe lucruri odată.
Particulele se pot comporta ca unde împrăștiate.
E aproape magic.
Fizicienii și chimiștii au avut aproape un secol la dispoziţie
să se obișnuiască cu ciudățenia asta.
Nu-i învinovățesc pe biologi
că nu trebuie sau nu vor să învețe mecanica cuantică.
Ciudățenia asta e foarte delicată;
iar noi fizicienii, lucrăm din greu să o menținem în laboratoarele noastre.
Aducem sistemul la aproape zero absolut,
facem experimentele în vid,
încercăm să le izolăm de orice factor perturbator extern.
E foarte diferit de mediul cald, dezordonat, zgomotos dintr-o celulă vie,
Biologia, dacă ne gândim la biologia moleculară,
pare a descrie foarte bine toate procesele vieţii
din punct de vedere chimic, prin reacții chimice.
Acestea sunt reacții chimice reducționiste, deterministe,
ce arată că, în esență, viața e formată din aceleaşi chestii ca restul lucrurilor
și, dacă putem ignora mecanica cuantică în lumea macro,
atunci o putem ignora și în biologie.
Un om nu a fost de acord cu această idee.
Erwin Schrödinger, faimos pentru pisica lui,
a fost un fizician austriac.
A fost unul din fondatorii mecanicii cuantice în anii '20.
În 1944, a scris o carte numită „Ce este viața?"
A fost extraordinar de influentă.
I-a influențat pe Francis Crick și pe James Watson,
descoperitorii structurii dublu-helicoidale a ADN-ului.
Parafrazând o descriere din carte:
La nivel molecular, organismele vii au o anumită ordine, o structură,
care este foarte diferită
de aglomerările termodinamice aleatoare ale atomilor și moleculelor
din materia neînsuflețită de aceeași complexitate.
De fapt, materia vie pare a se comporta în această ordine, într-o structură,
exact ca materia neînsuflețită răcită până aproape de zero absolut,
unde influențele cuantice joacă un rol foarte important.
E ceva foarte special în structura, în ordinea dintr-o celulă vie.
Schrödinger a speculat că e posibil ca mecanica cuantică să aibă un rol în viață.
E o idee foarte speculativă, influentă,
care nu a ajuns prea departe.
Dar am menționat la început,
în ultimii 10 ani, au apărut experimente
care necesitată mecanica cuantică în explicarea unor fenomenele biologice.
Vreau să vă împărtășesc doar câteva dintre cele interesante.
Acesta e unul dintre cele mai cunoscute fenomene din lumea cuantică,
efectul tunel.
Căsuța din stânga arată distribuția odulatorie, extinsă,
a unei entități cuantice, – particulă, electron –
care nu e o mingiuță care sare de pe un perete.
E o undă cu o anumită probabilitate de penetrare a unui perete solid,
ca o fantomă care trece în partea cealaltă.
Puteți vedea o pată vagă de lumină în căsuța din partea dreaptă.
Efectul tunel sugerează că o particulă poate întâlni o barieră impenetrabilă,
totuși, cumva, ca prin farmec,
poate să dispară într-o parte și să reapară în cealaltă.
Cel mai ușor mod de explicat e: când vrei să arunci mingea peste un zid,
trebuie să-i dai destulă energie să treacă peste zid.
În lumea cuantică, nu trebuie să o arunci peste zid,
poți s-o arunci și în zid și există o probabilitate nenulă sigură
că va dispărea din partea ta de zid și va apărea în cealaltă parte.
Asta nu e speculație.
Suntem fericiți – „fericiți" nu e cuvântul potrivit...
(Râsete)
...suntem obișnuiți cu asta.
(Râsete)
Efectul tunel are loc tot timpul;
de fapt, e motivul pentru care strălucește Soarele.
Particulele fuzionează
și Soarele transformă hidrogenul în heliu prin efectul tunel.
În anii '70 și '80, s-a descoperit că efectul tunel apare și în celulele vii.
Enzimele – muncitori neobosiți ai vieții, catalizatorii reacțiilor chimice –
sunt biomolecule care accelerează reacțiile chimice în celulele vii,
cu multe, multe ordine de mărime.
Cum reușesc să facă asta a fost întotdeauna un mister.
S-a descoperit că unul din trucurile dezvoltate evolutiv de către enzime
e transferul de particule subatomice, – electroni și chiar protoni –
dintr-o parte în alta a moleculei, prin efectul tunel.
E eficient, e rapid, poate dispărea,
– un proton poate să dispară dintr-o parte și să apară în cealaltă.
Enzimele favorizează asta.
Acest studiu s-a efectuat în anii '80,
de către un grup din Berkeley, Judith Klinman.
Alte grupuri din Marea Britanie au confirmat și ele că enzimele fac asta.
Cercetări făcute de grupul meu...
Am spus, sunt fizician nuclear,
dar am realizat că uneltele mecanicii cuantice
folosite la nucleele atomice se pot folosi și în alte domenii.
O întrebare pe care ne-am pus-o
a fost dacă efectul tunel joacă vreun rol în mutațiile din ADN.
Nici asta nu e o idee nouă; a apărut la începutul anilor '60.
Cele două lanțuri din ADN, structura de dublu-helix,
sunt legate prin trepte; ca o scară răsucită.
Treptele scării sunt legături de hidrogen:
protoni, cu rol de lipici între cele două lanțuri.
Dacă mărim imaginea, vedem că ele țin moleculele mari – nucleotidele – împreună.
Să mărim mai mult.
E o simulare computerizată.
Cele două mingi albe din mijloc sunt protoni,
observați că e o legătură dublă de hidrogen.
Una preferă să stea pe o parte; cealaltă, pe cealaltă parte
a celor două lanțuri, ale verticalelor care merg în jos și nu sunt vizibile.
Se poate întâmpla ca acești doi protoni să sară de cealaltă parte.
Priviți cele două mingi albe.
Pot sări către cealaltă parte.
Dacă cele două lanțuri de ADN se separă, pentru procesul de replicare,
și cei 2 protoni sunt în poziții greșite, poate apărea o mutație.
Știm asta de o jumătate de secol.
Întrebarea e cât de probabil e ca ei să facă asta
și, dacă o fac, cum o fac?
Sar peste, ca mingea care trece peste zid,
sau prin efectul tunel trec direct acolo, chiar fără destulă energie?
Indicațiile precoce arată că efectul tunel poate juca un rol aici.
Încă nu știm cât de important e acesta;
rămâne o întrebare deschisă.
E speculativă,
dar e una din întrebările extrem de importante
fiindcă, dacă efectul tunel are rol în mutații,
asta are o mulțime de implicații în înțelegerea anumitor tipuri de mutații,
chiar a celor care duc la transformarea în celule canceroase.
Un alt exemplu al mecanicii cuantice în biologie e coerența cuantică
într-unul din cele mai importante procese biologice, fotosinteza:
plantele și bacteriile iau lumina solară
și o folosesc pentru a produce biomasă.
Coerența cuantică înseamnă entități cuantice în multitasking.
E schiorul cuantic.
E un obiect care se comportă ca o undă,
astfel încât nu se mișcă doar într-o direcție sau în alta,
poate urma mai multe cărări în același timp.
Acum câțiva ani, lumea științei a fost şocată
la publicarea unei lucrări cu dovezi experimentale
dovedind coerența cuantică din bacterii în timpul fotosintezei.
Ideea e că fotonul, – particula de lumină, lumina solară,
cuanta de lumină – captată de o moleculă de clorofilă,
e apoi transmisă la centrul de reacție,
unde poate fi transformată în energie chimică.
Nu ajunge acolo pe un singur traseu, ci pe mai multe simultan,
optimizând calea cea mai eficientă spre centrul de reacţie,
fără a se disipa ca pierdere de căldură.
Coerență cuantică într-o celulă vie.
O idee remarcabilă,
iar dovezile se înmulțesc aproape săptămânal, cu apariția a noi articole
care confirmă că acest lucru are loc.
Al treilea și ultimul meu exemplu e cea mai frumoasă și minunată idee.
E încă o speculație, dar trebuie să v-o împărtășesc.
Măcăleandrul european migrează din Scandinavia
spre sud, către Mediteraneană, în fiecare toamnă
și, ca multe alte animale marine și chiar insecte,
el navighează percepând câmpul magnetic terestru.
Câmpul magnetic terestru este foarte, foarte slab;
de 100 de ori mai slab decât un magnet de frigider,
şi totuși afectează cumva chimia dintr-un organism viu.
Nu ne îndoim de acest lucru. Doi ornitologi germani,
Wolfgang şi Roswitha Wiltschko, au demonstrat în anii '70, că într-adevăr,
măcăleandrul își găsește drumul percepând cumva câmpul magnetic terestru
pentru informații direcționale, având o busolă încorporată.
Enigma, misterul era: Cum reușește asta?
Ei bine, singura teorie existentă
– nu știm dacă corectă, dar e singura existentă –
e că reușește prin entanglement cuantic, cuplare cuantică.
În retina măcăleandrului,
– nu vă mint – e o proteină, numită criptocrom, sensibilă la lumină.
În cadrul criptocromului, o pereche de electroni sunt entanglați cuantic.
Entanglarea cuantică apare când două particule sunt depărtate,
însă rămân cumva în legătură una cu cealaltă.
Până și Einstein ura ideea: a numit-o „acțiune macabră la distanță.”
(Râsete)
Dacă nici lui Einstein nu i-a plăcut, avem voie și noi.
Doi electroni entanglați cuantic într-o singură moleculă
dansează un dans delicat, sensibil la direcția în care zboară pasărea
în câmpul magnetic terestru.
Nu știm dacă e explicația corectă,
dar nu ar fi incredibil dacă mecanica cuantică ar ajuta păsările să navigheze?
Biologia cuantică se află încă la început.
Este încă speculativă.
Dar eu cred că se bazează pe știință solidă.
Mai cred și că în următorii zece ani
vom vedea că, de fapt, ea insuflă viața,
că lumea vie a evoluat prin mecanisme cuantice.
Priviți acest spațiu.
Mulțumesc.
(Aplauze)