Želeo bih da vas upoznam sa jednim poljem nauke u nastajanju,
poljem koje je još uvek u domenu nagađanja,
ali koje je veoma uzbudljivo
i koje se svakako brzo razvija.
Kvantna biologija postavlja veoma jednostavno pitanje:
da li kvantna mehanika -
ta čudna i prelepa i moćna teorija
subatomskog sveta atoma i molekula
koja leži u osnovi moderne fizike i hemije -
takođe igra ulogu u živim ćelijama?
Drugim rečima, da li postoje procesi, mehanizmi, pojave
u živim organizmima koji jedino mogu biti objašnjeni
uz pomoć kvantne mehanike?
Sad, kvantna biologija nije nova;
postoji od ranih 1930-ih godina.
Međutim, tek tokom poslednje decenije pažljivi eksperimenti -
u biohemijskim laboratorijama koristeći spektroskopiju -
pokazali su veoma jasne, čvrste dokaze da postoje određeni specifični mehanizmi
kojima je potrebna kvantna mehanika da ih objasni.
Kvantna biologija povezuje kvantne fizičare, biohemičare
molekularne biologe - to je veoma interdisciplinarno polje.
Ja se bavim kvantnom fizikom, te sam nuklearni fizičar.
Proveo sam više od tri decenije
pokušavajući da razumem kvantnu mehaniku.
Jedan od osnivača kvantne mehanike, Nils Bor, rekao je:
„Ako nisi zadivljen njome, onda je ne razumeš."
Tako sam na neki način srećan što sam još uvek zadivljen njome.
To je dobra stvar.
To znači da proučavam najmanje strukture u univerzumu -
ono od čega je sagrađena realnost.
Ako razmišljamo o lestvici, veličini,
počnite od običnog predmeta kao što je teniska loptica
i samo krenite naniže ka manjim veličinama -
od iglenih ušiju do ćelije, pa do bakterije, pa do enzima -
na kraju dolazite do nanosveta.
Sad, možda ste čuli za nanotehnologiju.
Nanometar je milijarditi deo metra.
Moja oblast je jezgro atoma, koje je malecna tačka unutar atoma.
Čak je manja po veličini.
Ovo je oblast kvantne mehanike,
a fizičari i hemičari su imali dosta vremena
da pokušaju da se naviknu na nju.
Biolozi, na drugoj strani, lako su se izvukli, po mom mišljenju.
Oni su veoma srećni sa svojim modelima molekula od lopti i štapova.
(Smeh)
Lopte su atomi, a štapovi su veze između atoma.
Kada ne mogu da ih naprave fizički u svojim laboratorijama,
sada imaju veoma moćne kompjutere
koji će simulirati veliki molekul.
Ovo je protein sastavljen od 100 000 atoma.
Zapravo i nije potrebna kvantna mehanika da bi bio objašnjen.
Kvantna mehanika je razvijena 1920-ih godina.
Ona je skup prelepih i moćnih matematičkih pravila i ideja
koje objašnjavaju tako mali svet.
I to je svet koji se veoma razlikuje od našeg svakodnevnog sveta,
sačinjenog od triliona atoma.
To je svet izgrađen na mogućnosti i slučajnosti.
To je nejasan svet.
To je svet fantoma
u kome čestice mogu da se ponašaju kao talas koji se širi.
Ako zamislimo kvantnu mehaniku ili kvantnu fiziku
kao fundamentalnu osnovu same realnosti,
onda nije iznenađujuće što kažemo
da je kvantna fizika u osnovi organske hemije.
Ipak nam ona pruža pravila koja nam govore
kako se atomi spajaju da bi napravili molekul.
Organska hemija, koja je složenija,
daje nam molekularnu biologiju, koja naravno dovodi do samog života.
Tako, na neki način nije iznenađujuća.
Skoro da je obična.
Kažete: „Pa, naravno, život na kraju mora da zavisi od kvantne mehanike",
ali mora i sve ostalo.
Mora i sva neživa materija napravljena od triliona atoma.
Na kraju, postoji kvantni nivo
gde moramo da uronimo u ovu čudnovatost,
ali u svakodnevnom životu možemo da zaboravimo na nju
zato što se, kada jednom sastavite trilione atoma,
ta kvantna čudnovatost prosto rasprši.
Kvantna biologija nije o tome.
Kvantna biologija nije toliko očigledna.
Naravno, kvantna mehanika je u osnovi života na molekularnom nivou.
Kvantna biologija bavi se traženjem netrivijalnog -
neočekivanih ideja u kvantnoj mehanici -
i proverom da li one stvarno igraju bitnu ulogu
u opisivanju životnih procesa.
Ovo je moj savršeni primer neočekivanosti kvantnog sveta.
Ovo je kvantni skijaš.
Izgleda kao da je netaknut, izgleda kao da je savršeno zdrav,
pa ipak, izgleda kao da je skijao sa obe strane drveta istovremeno.
Pa, ako biste videli takve tragove
pretpostavili biste da se radi o nekakvoj akrobaciji, naravno,
ali u kvantnom svetu ovo se stalno dešava.
Čestice mogu da multitaskuju, mogu da budu na dva mesta istovremeno.
One mogu da rade više od jedne stvari istovremeno.
Čestice mogu da se ponašaju kao talasi koji se šire.
To je skoro kao magija.
Skoro vek fizičari i hemičari
pokušavali su da se naviknu na ovu čudnovatost.
Ne krivim biologe
što nisu morali ili želeli da nauče kvantnu mehaniku.
Vidite, ova čudnovatost veoma je delikatna,
a mi, fizičari, radimo veoma naporno da bismo je održali
u svojim laboratorijama.
Hladimo naš sistem skoro do apsolutne nule,
vršimo eksperimente u vakuumima
i pokušavamo da je izolujemo od bilo kakvih spoljašnjih smetnji.
To se veoma razlikuje od toplog, zbrkanog, bučnog ambijenta žive ćelije.
Biologija sama po sebi, ako mislite na molekularnu biologiju,
čini se da je dosta dobro opisala sve životne procese
u kontekstu hemije - hemijskih reakcija
i ovu su redukcionističke, determinističke hemijske reakcije,
koje pokazuju da je u suštini život sačinjen od istih stvari kao i sve ostalo
i ako možemo da zaboravimo na kvantnu mehaniku u makrosvetu,
onda bi trebalo da možemo da zaboravimo na nju u biologiji takođe.
Pa, jedan čovek se nije slagao sa ovom idejom.
Ervin Šredinger, iz poznate Šredingerove mačke,
bio je austrijski fizičar.
Bio je jedan od osnivača kvantne mehanike 1920-ih.
Godine 1944. napisao je knjigu „Šta je život?”.
Bila je neverovatno uticajna.
Uticala je na Fransisa Krika i Džejmsa Votsona,
koji su otkrili dvostruko spiralnu strukturu DNK.
Da parafraziram opis u knjizi,
on kaže da na molekularnom nivou, živi organizmi imaju određeni red,
strukturu koja je veoma različita
od nasumičnog termodinamičnog guranja između atoma i molekula
u neživoj materiji iste složenosti.
Zapravo, čini se da se živa materija ponaša u ovom redu, strukturi,
kao neživa materija koja je ohlađena do skoro apsolutne nule,
gde kvantni efekti igraju veoma bitnu ulogu.
Postoji nešto posebno u vezi sa ovom strukturom - redom -
u živoj ćeliji,
te je Šredinger spekulisao da možda kvantna mehanika igra neku ulogu u životu.
To je veoma spekulativna, raširena ideja
i nije zapravo daleko odmakla.
Međutim, kao što sam pomenuo na početku,
u poslednjih 10 godina pojavljuju se eksperimenti
koji pokazuju da određene pojave u biologiji
izgleda zahtevaju kvantnu mehaniku.
Želim da podelim sa vama samo nekoliko uzbudljivih.
Ovo je jedna od najpoznatijih pojava u kvantnom svetu,
kvantno tunelovanje.
Kutija levo pokazuje talasastu, šireću distribuciju
kvantnog entiteta - čestice poput elektrona,
koji nije loptica koja odskače od zida.
To je talas za koji postoji određena verovatnoća
da može da prodre kroz čvrsti zid
kao fantom koji iskače na drugoj strani.
Možete videti bledu svetlosnu mrlju u kutiji na desnoj strani.
Kvantno tunelovanje sugeriše da čestica može udariti u neprobojnu prepreku
i ipak nekako, kao magijom,
iščeznuti na jednoj strani i pojaviti se na drugoj.
Najbolji način da se to objasni je ako hoćete da bacite loptu preko zida,
morate da joj date dovoljno energije da pređe preko vrha zida.
U kvantnom svetu ne morate da je bacate preko zida;
možete da je bacite ka zidu
i postoji određena verovatnoća veća od nule
da će nestati s vaše strane i pojaviti se na suprotnoj strani.
Ovo inače nije spekulacija.
Mi smo srećni - pa, „srećni” i nije prava reč -
(Smeh)
mi smo upoznati sa ovim.
(Smeh)
Kvantno tunelovanje se dešava stalno;
zapravo, ono je razlog što Sunce sija.
Čestice se združuju
i Sunce pretvara vodonik u helijum preko kvantnog tunelovanja.
Tokom '70-ih i '80-ih otkriveno je da se kvantno tunelovanje takođe dešava
unutar živih ćelija.
Enzimi, ovi pokretači života, katalizatori hemijskih reakcija -
enzimi su biomolekuli koji ubrzavaju hemijske reakcije u živim ćelijama
mnogo, mnogo desetina puta
i uvek je bila misterija kako ovo čine.
Pa, otkriveno je
da jedan od trikova koji enzimi koriste pošto su evoluirali
jeste transfer subatomskih čestica poput elektrona i protona
sa jednog kraja molekula na drugi, putem kvantnog tunelovanja.
To je efikasno, brzo, može nestati -
proton može nestati s jednog mesta i pojaviti se na drugom mestu.
Enzimi pomažu da se ovo desi.
Ovo je istraživanje koje je vršeno '80-ih
posebno od strane grupe na Berkliju, Džudit Klinman.
Druge grupe u Ujedinjenom Kraljevstvu takođe su sad potvrdile
da enzimi stvarno ovo rade.
Istraživanje koje je sprovela moja grupa -
kao što sam pomenuo, ja sam nuklearni fizičar,
ali sam shvatio da posedujem alate za upotrebu kvantne mehanike
u atomskom jezgru i zato mogu da primenim te alate takođe u drugim oblastima.
Jedno pitanje koje smo postavili
jeste da li kvantno tunelovanje igra ulogu u mutaciji DNK.
Opet, ovo nije nova ideja; postoji od ranih '60-ih.
Dve niti DNK, dvospiralna struktura,
spojene su prečagama, kao uvrnute merdevine
i te prečage merdevina jesu vodonične veze -
protoni koji se ponašaju kao lepak između dve niti.
Dakle, ako uveličate, oni drže te velike molekule -
nukleotide - zajedno.
Uveličajte još malo.
Dakle, ovo je kompjuterska simulacija.
Dve bele lopte u sredini su protoni
i možete videti da je to dupla vodonična veza.
Jedan više voli da sedi na jednoj strani, drugi na drugoj strani dveju niti,
na dve vertikalne linije koje se spuštaju nadole
koje ne možete videti.
Može se desiti da ova dva protona mogu da preskoče preko.
Gledajte ove dve bele lopte.
Mogu da preskoče na drugu stranu.
Ako se dve niti DNK razdvoje dovodeći do procesa replikacije,
a dva protona su na pogrešnim mestima,
ovo može da dovede do mutacije.
Ovo je poznato poslednjih 50 godina.
Pitanje je - koliko je verovatno da oni to učine
i, ako učine, kako to rade?
Da li preskaču kao lopta koja ide preko zida
ili prelaze preko putem kvantnog tunelovanja,
čak i ako nemaju dovoljno energije?
Početne naznake sugerišu da kvantno tunelovanje ovde igra ulogu.
Još uvek ne znamo koliko je bitno;
to je još uvek otvoreno pitanje.
U domenu je nagađanja,
ali je jedno od onih pitanja koje je toliko bitno,
ako kvantna mehanika igra ulogu u mutacijama,
svakako ovo mora imati bitne implikacije
za razumevanje određenih tipova mutacija,
moguće čak i onih koji dovode do pretvaranja ćelija u kancerogene.
Drugi primer kvantne mehanike u biologiji je kvantna koherencij
u jednom od najvažnijih procesa u biologiji, fotosintezi -
biljke i bakterije uzimaju Sunčevu svetlost
i koriste tu energiju za stvaranje biomase.
Kvantna koherencija je ideja da kvantni entiteti rade
više poslova istovremeno.
To je kvantni skijaš.
To je objekat koji se ponaša kao talas,
tako da se ne kreće samo u jednom ili drugom pravcu,
već može da prati više putanja istovremeno.
Pre nekoliko godina svet nauke je bio šokiran
kada je objavljen rad koji pokazuje eksperimentalne dokaze
da se kvantna koherencija odigrava unutar bakterija,
vršeći fotosintezu.
Ideja je da foton, čestica svetlosti, Sunčeve svetlosti,
kvantum svetlosti koga je uhvatio molekul hlorofila
biva predat onome što se zove reakcioni centar,
gde može biti pretvoren u hemijsku energiju.
I dolazeći tamo, ne prati samo jednu putanju;
prati više putanja istovremeno
da bi na najefikasniji način stigao do reakcionog centra
bez da nestane kao toplota koja je nus-proizvod.
Kvantna koherencija se dešava unutar živih ćelija.
Izuzetna ideja,
pa ipak dokazi narastaju skoro nedeljno sa novim radovima koji se pojavljuju,
potvrđujući da se ovo zaista odigrava.
Moj treći i poslednji primer jeste najlepša, najdivnija ideja.
Takođe je još uvek u domenu nagađanja, ali moram da je podelim sa vama.
Evropski crvendaći migriraju
iz Skandinavije do Mediterana svake jeseni
i kao dosta drugih morskih životinja, čak i insekata
nalaze put osećajući Zemljino magnetno polje.
Sad, Zemljino magnetno polje je veoma, veoma slabo;
ono je sto puta slabije od magneta frižidera,
pa ipak utiče na hemiju - nekako - unutar živih organizama.
Ovo ne podleže sumnji - nemački par orintologa,
Volfgan i Rosvita Vilčko, 1970-ih potvrdili su
da crvendać zaista nalazi svoj put osećajući nekako Zemljino magnetno polje
koje pruža informacije o pravcu, ugrađeni kompas.
Zagonetka, misterija je - kako to radi?
Pa, jedina postojeća teorija -
ne znamo da li je ispravna, ali je jedina postojeća teorija -
jeste da to čini putem nečega što se zove kvantno uplitanje.
Unutar crvendaćeve mrežnjače -
ne šalim se - u crvendaćevoj mrežnjači je protein nazvan kriptohrom,
koji je osetljiv na svetlost.
Sa kriptohromom par elektrona je kvantno isprepletan.
Sad, kvantno uplitanje je kada su dve čestice razdvojene,
a ipak nekako ostaju u kontaktu jedna sa drugom.
Čak je i Anštajn mrzeo ovu ideju;
nazvao ju je „sablasna radnja na distanci.”
(Smeh)
Dakle, ako je Anštajn ne voli, onda kod svih nas može stvarati nelagodu.
Dva kvantno isprepletana elektrona unutar jednog molekula
plešu delikatnim plesom
koji je osetljiv na pravac kojim ptice lete
u Zemljinom magnetnom polju.
Ne znamo da li je ovo ispravno objašnjenje,
ali opa, zar ne bi bilo uzbudljivo kada bi kvantna mehanika
pomagala pticama da nađu put?
Kvantna biologija je još uvek u fazi razvoja.
Još uvek je u domenu nagađanja,
ali verujem da je izgrađena na jakoj nauci.
Takođe mislim da ćemo u decenijama koje dolaze
početi da uviđamo da zapravo prožima život -
da život ima razvijene trikove koji koriste kvantni svet.
Posmatrajte ovaj prostor.
Hvala vam.
(Aplauz)