Jag vill introducera er för ett framväxande område inom vetenskapen,
ett som fortfarande är spekulativt men enormt spännande,
och absolut ett som växer mycket snabbt.
Kvantbiologin ställer en mycket enkel fråga:
Om kvantmekaniken,
denna märkliga och fantastiska och kraftfulla teori
om den subatomära världen av atomer och molekyler
som ligger till grund för så mycket av modern fysik och kemi
även har en uppgift inuti de levande cellerna?
Med andra ord: finns det processer, mekanismer, fenomen
i levande organismer som endast kan förklaras
med hjälp av kvantmekaniken?
Visst, kvantbiologin är inte ny;
den har funnits sedan tidigt 30-tal.
Men det är endast under det senaste decenniet som noggranna experiment
på biokemiska laboratorier, med hjälp av spektroskopi
tydligt har visat säkra bevis på att där finns vissa specifika mekanismer
där kvantmekaniken behövs för att förklara dem.
Kvantbiologi för samman kvantfysiker, biokemister,
molekylärbiologer - det är ett väldigt ämnesöverskridande område.
Jag kommer från kvantfysiken, jag är kärnfysiker.
Jag har ägnat mer än tre årtionden
med att söka förståelse om kvantmekanik.
En av grundarna till kvantmekaniken, Niels Bohr,
sa: om du inte förbluffas av det, så har du inte förstått det.
Så jag är faktiskt glad över att jag fortfarande förbluffas.
Det är härligt.
Det innebär att jag studerar de absolut minsta strukturerna i universum,
verklighetens byggblock.
Om vi tänker oss en storleksskala
som utgår från ett vardagligt föremål som en tennisboll
och går ner i storleksordning
från ett nålsöga ner till en cell, ner till en bakterie, ner till ett enzym
kommer man så småningom ner till nanovärlden.
Nanoteknik är säkert en term som du hört talas om.
En nanometer är en miljarddels meter.
Mitt område är atomkärnan som är den lilla pricken inuti en atom.
Den är till och med ännu mindre.
Detta är kvantmekanikens domän,
och fysiker och kemister har haft gott om tid
att vänja sig vid det.
Biologer har å andra sidan klarat sig lindrigt undan, som jag ser det.
De är nöjda med sina molekylmodeller med kulor och pinnar.
(Skratt)
Kulorna är atomer, pinnarna är bindningarna mellan atomerna.
Och när de inte kan bygga dem fysiskt i labbet,
kan de idag ta till kraftfulla datorer
som simulerar en väldigt stor molekyl.
Detta är ett protein som byggs upp av 100 000 atomer.
Det behövs inte så mycket kvantmekanik för att förklara det.
Kvantmekaniken utvecklades på 1920-talet.
Det är en uppsättning av vackra och kraftfulla matematiska lagar och idéer
som förklarar den minsta av världar.
Och det är en värld som är väldigt olik den vanliga världen,
bestående av biljontals atomer.
Det är en värld som är byggd på sannolikheter och slumpen.
Det är en diffus värld.
Det är en värld av spöken,
där partiklar också kan uppföra sig som vågor som sprids.
Om vi tänker oss kvantmekanik eller kvantfysik,
som grunden för själva verkligheten,
då är det inte konstigt att vi säger att kvantfysik
är grunden till den organiska kemin.
Den ger ju oss de regler som beskriver
hur atomer passar ihop för att bilda organiska molekyler.
Organisk kemi som skalas upp i komplexitet,
ger oss molekylärbiologi, som ger upphov till själva livet.
Så på ett sätt är det inte förvånande.
Det är nästan trivialt.
Ni säger, "Ja, självklart är livet ytterst beroende av kvantmekanik."
Men det är ju allting annat också.
Det är all livlös materia, som består av biljoner atomer.
Ytterst finns det en kvantnivå
där vi måste ta tag i dessa konstigheter.
Men i det dagliga livet kan vi strunta i det.
Eftersom då du väl har satt ihop biljontals atomer,
kommer de konstiga kvantgrejerna att bli oviktiga.
Kvantbiologi handlar inte om detta.
Kvantbiologin är inte det här uppenbara.
Naturligtvis ligger kvantmekaniken till grund för livet på molekylärnivå.
Kvantbiologi söker efter det som inte är trivialt,
de bakvända idéerna i kvantmekaniken,
och för att se om de faktiskt spelar en viktig roll
i beskrivningen av livsprocesserna.
Här är mitt perfekta exempel på bakvändhet
i kvantvärlden.
Här är en kvantskidåkare.
Han verkar vara intakt, han verkar vara helt frisk.
men ändå ser det ut som om han har rundat trädet på båda sidor på en gång.
Om du såg spår som detta,
skulle du förstås tro att det var ett trick.
Men i kvantvärlden händer detta hela tiden.
Partiklar kan multitaska och vara på två ställen samtidigt
De kan göra mer än en sak samtidigt.
Partiklar kan bete sig som spridda vågor.
Det är nästan magiskt.
Fysiker och kemister har haft nästan ett århundrade
med att försöka vänja sig vid dessa konstigheter.
Jag förstår att biologerna
varken behöver eller vill lära sig kvantmekanik.
De här konstigheterna är mycket känsliga,
och vi fysiker jobbar hårt för att kunna ha dem i våra labb.
Vi kyler ner våra system till nära absoluta nollpunkten,
vi utför våra experiment i vaakum,
vi försöker isolera dem från alla yttre störningar.
Helt skilt från den varma, stökiga, högljudda miljön i en levande cell.
Biologin, om du tänker på molekylärbiologi,
verkar ha klarat sig bra med att beskriva alla livets processer
med kemiska termer, kemiska reaktioner.
Och detta är reduktionistiska, determiniska kemiska reaktioner,
som visar att livet är uppbyggt av samma saker som allting annat,
och om vi kan strunta i kvantmekaniken i makrovärlden,
så borde vi kunna strunta i den inom biologin också.
Men en man såg annorlunda på saken.
Erwin Schrödinger, med sin berömda Schrödingers katt,
var en österrikisk fysiker.
Han var en av grundarna av kvantmekaniken på 1920-talet.
1944 skrev han en bok som heter "What is life?"
Den var oerhört inflytelserik.
Den influerade Francis Crick och James Watson,
de som upptäckte DNA:s dubbelhelix-struktur.
För att citera en beskrivning i boken, säger han:
På molekylärnivå har levande organismer en speciell ordning,
en egen struktur som är väldigt olik
den slumpvisa termodynamiska trängseln av atomer och molekyler
i icke levande material av samma komplexitet.
Faktum är att levande materia verkar bete sig på det här sättet, i en struktur,
precis som livlös materia som är nerkyld till nära absoluta nollpunkten,
där kvantmekaniska effekter spelar en viktig roll.
Det är något speciellt med strukturen, ordningen
inuti levande celler.
Så, Schrödinger spekulerade i att kvantmekaniken kanske påverkade livet.
Det är en väldigt spekulativ, långtgående idé,
och den kom inte så långt.
Men som jag nämnde i början,
under de senaste 10 åren, har det utvecklats experiment.
som visar var några av dessa speciella biologiska fenomen
faktiskt verkar behöva kvantmekanik.
Jag vill dela med mig av några få spännande exempel.
Detta är ett av de mest välkända fenomenen inom kvantvärlden,
tunneleffekt.
Lådan till vänster visar den våglika, spridningsfördelningen
av en kvantenhet, en partikel, som en elektron,
som inte är en liten boll som studsar mot väggen.
Det är en vågrörelse som har en speciell sannolikhet av att kunna passera
igenom en fast vägg, som ett spöke som glider igenom till andra sidan.
Ni kan se en svag ljusfläck i den högra lådan.
Tunneleffekt innebär att en partikel kan stöta på en ogenomtränglig barriär,
och ändå på något sätt, som magi,
försvinna från en sida och dyka upp på den andra.
Det bästa sättet att förklara det på är om du vill kasta en boll över en mur,
så måste du ge den tillräckligt med energi för att nå över krönet.
I kvantvärlden behöver du inte kasta den över muren,
du kan kasta den mot muren, och det finns en viss icke-noll sannolikhet
att den försvinner på din sida och dyker upp på den andra.
Detta är inga gissningar.
Vi är glada - "glada" är kanske inte rätt ord -
(Skratt)
vi känner till detta väl.
(Skratt)
Tunneleffekt sker hela tiden;
faktum är att det är orsaken till att vår sol lyser.
Partiklarna går ihop,
och solen omvandlar väte till helium med hjälp av tunneleffekt.
På 70- och 80-talet, upptäcktes det att tunneleffekt också sker
inuti levande celler.
Enzymer, dessa livets arbetsmyror, katalysatorer av kemiska reaktioner,
enzymer är biomolekyler som snabbar på kemiska reaktioner i levande celler,
många, många gånger om.
Och hur de gör det, har alltid varit ett mysterium.
Men man upptäckte
att ett av tricken som enzymerna har utvecklat,
är att förflytta subatomära partiklar, som elektroner och faktiskt även protoner,
från en del av molekylen till en annan genom att tunnla.
Det är effektivt, det är snabbt, den kan försvinna,
en proton kan försvinna från en plats, och dyka upp på en annan.
Enzymer hjälper till med detta.
Detta är forskning som pågått sedan 80-talet,
speciellt av ett team i Berkeley, Judith Klinman.
Andra team i Storbritannien har nu bekräftat
att enzymer verkligen gör så.
Forskning som gjorts av mitt team,
som jag sa tidigare, jag är kärnfysiker,
men jag inser att jag kan använda kvantmekaniken som verktyg
i atomkärnan, och kan även använda dessa verktyg på andra områden.
En fråga som vi ställde
är huruvida tunneleffekten spelar en roll vid mutationer i DNA.
Återigen, detta är ingen ny idé; den dateras tillbaka till tidigt 60-tal.
De två DNA-strängarna, dubbel helix-strukturen,
hålls ihop av stegpinnar; det är som en spiralvriden stege.
Alla dessa stegpinnar i stegen är vätebindningar,
protoner, som fungerar som limmet mellan de två strängarna.
Så om du zoomar in, det de gör är att hålla ihop dessa stora molekyler,
nukleotider.
Zooma in lite till.
Detta är ju en datorsimulation.
De två vita kulorna i mitten är protoner,
och ni kan se att det är dubbla vätebindningar.
En föredrar att vara på den ena sidan, och en på den andra sidan
av de två strängarna i den vertikala linjen som sträcker sig nedåt, som du ser.
Det kan inträffa att dessa två protoner hoppar över.
Titta på dessa två vita kulor.
De kan hoppa över till andra sidan.
Om dessa två DNA-strängar separerar, och inleder replikationsprocessen,
och de två protonerna befinner sig på fel ställe,
kan detta leda till en mutation.
Detta har varit känt i 50 år.
Frågan är: Hur stor är sannolikheten att de gör det,
och om de gör det, hur gör de det?
Hoppar de över, som bollen som tar sig över muren?
Eller tunnlar de igenom, även om de inte har tillräckligt med energi?
Tidiga indikationer tyder på att tunneleffekten kan ha betydelse här.
Vi vet fortfarande inte hur viktigt det är;
det är fortfarande en öppen fråga.
Det är spekulativt,
men det är en av dessa frågor som är så viktiga
för om kvantmekanik påverkar mutationer,
så måste detta ha stora konsekvenser,
för att kunna förstå vissa typer av mutationer,
möjligtvis även de som gör celler till cancerceller.
Ett annat exempel på kvantmekanik i biologi är kvantkoherens,
i en av de viktigaste biologiska processerna,
fotosyntes; växter och bakterier tar solljus,
och använder energin till att skapa biomassa.
Kvantkoherens är idén om att kvantenheter kan göra flera saker samtidigt.
Det är kvantskidåkaren.
Det är ett föremål som beter sig som en våg,
så den inte rör sig i endast en riktning,
utan den kan följa flera vägar samtidigt.
För några år sedan chockades den vetenskapliga världen
när en artikel publicerades som visade på experimentella bevis
för att kvantkoherens skedde inuti bakterier,
då de utförde fotosyntes.
Idén var att fotonen, ljuspartikeln, solljuset,
ljuskvanten som fångas av klorofyllmolekylen,
levereras till ett så kallat reaktionscenter,
där den kan omvandlas till kemisk energi.
Och när den tar sig dit följer den inte en enda väg;
den följer multipla vägar samtidigt,
för att optimera den mest effektiva vägen för att nå reaktionscentrat
utan att bli till spillvärme.
Kvantkoherens sker inuti en levande cell.
En anmärkningsvärd idé,
och ändå så växer bevismängden varje vecka med nya publiceringar,
som bekräftar att detta verkligen händer.
Mitt tredje och sista exempel är den vackraste och mest underbara idén.
Den är fortfarande väldigt spekulativ, men jag måste berätta den för er.
Den europeiska rödhaken flyttar från Skandinavien
ner till Medelhavet varje höst,
och precis som flera andra marina djur och även insekter,
så navigerar de genom att känna av jordens magnetfält.
Nu är jordens magnetfält väldigt, väldigt svagt;
ca 100 gånger svagare än en kylskåpsmagnet,
och ändå så påverkar det kemin på något sätt, inuti levande organismer.
Det ifrågasätts inte; ett par tyska ornitologer,
Wolfgang och Roswitha Wiltschko, bekräftade på 70-talet att
rödhakarna hittar genom att på något sätt känna av jordens magnetfält,
för att få information om riktningen, en inbyggd kompass.
Mysteriet var: hur gör den det?
Nå, den enda teorin som finns,
vi vet inte om det är den rätta teorin, men det är den enda,
är att det sker med så kallad kvantmekanisk sammanflätning.
Inuti rödhakens näthinna,
jag skojar inte, inuti rödhakens näthinna finns ett protein, kryptokrom,
som är ljuskänsligt.
I kryptokrom finns ett elektronpar som är kvantmekaniskt sammanflätat.
Kvantmekanisk sammanflätning är när två partiklar är ifrån varandra,
men ändå på något sätt är i kontakt med varandra.
Einstein avskydde den här idén,
han kallade det "kuslig verkan på avstånd."
(Skratt)
Så om Einstein inte gillar det, då får vi alla vara obekväma med det.
Två kvantmekaniskt sammanflätade elektroner i en molekyl
dansar en delikat dans
som är väldigt känslig för fågelns flygriktning
i jordens magnetfält.
Vi vet inte om det är den rätta förklaringen,
men oj, skulle det inte vara spännande om kvantmekaniken hjälpte fåglar att navigera?
Kvantbiologin är fortfarande i sin linda.
Den är fortfarande spekulativ.
Men jag tror att den är grundad i solid vetenskap.
Jag tror också att under det kommande årtiondet eller så,
kommer vi att börja se att det faktiskt genomsyrar livet,
att livet har utvecklat knep för att utnyttja kvantvärlden.
Håll ögonen på det här området.
Tack.
(Applåder)