Bugün sizlere yükselişte olan, tartışmalara açık
ama bir o kadar da heyecan verici, hızla büyüyen
bir bilim alanından bahsetmek istiyorum.
Kuantum biyolojisi çok basit bir soru sorar:
Kuantum mekaniği ---
modern fizik ve kimyanın çoğuna zemin teşkil eden,
atom ve moleküllerin atomaltı dünyasının,
o tuhaf, mükemmel ve güçlü teorisi ---
aynı zamanda canlı hücrelerde rol oynuyor olabilir mi?
Yani, yaşayan organizmalarda sadece kuantum mekaniği
yardımıyla açıklanabilecek süreçler,
mekanizmalar ya da fenomen var mı?
Kuantum biyolojisi yeni değil;
1930'ların başından beri ortalarda.
Ama sadece son 10 yılda yapılan titiz deneyler --
biyokimya laboratuvarlarında spektroskopi kullanılarak --
kuantum mekaniğinin açıklamasını gerektirecek, belli başlı
mekanizmalarda oldukça temiz ve güçlü bulgular göstermektedir.
Kuantum biyolojisi; kuantum fizikçileri, biyokimyacıları, moleküler biyologları
bir araya getirmektedir -- oldukça disiplinler arası bir alan.
Ben kuantum fiziğinden geliyorum, bu yüzden nükleer fizikçiyim.
Kuantum mekaniğini anlamak için
30 yıldan fazla harcadım.
Kuantum mekaniği kurucularından olan Niels Bohr diyor ki;
Kuantum fiziği kafanızı karıştırmadıysa onu tam olarak anlamamışsınız demektir.
Bu yüzden bir bakıma mutluyum hâlâ beni şaşırttığı için.
Bu iyi bir şey.
Ama evrendeki en küçük yapıları inceliyorum demek bu --
gerçekliği oluşturan bloklar.
Eğer boyut ölçeğini düşünüyorsak,
tenis topundan başlayarak günlük nesneleri göz önüne alırsak
ve sadece büyüklük ölçeklemesinde aşağı doğru inersek --
iğne deliğinden bir hücreye kadar, bakteriye kadar, enzime kadar --
sonunda nano-dünyaya erişirsiniz.
Nanoteknoloji terimini duymuş olabilirsiniz.
Nanometre, bir metrenin milyarda biridir.
Benim alanım atomun içinde küçük bir nokta olan atomik çekirdek.
Ölçekte daha da küçük.
Bu kuantum mekaniğinin alanı ve
fizikçiler ve kimyagerlerin bu işe girişmeleri ve
adapte olmaları uzun zaman aldı.
Öte yandan biyologlar, bana göre, ucuz kurtuldular.
Toplu ve çubuklu molekül modelleriyle gayet mutluydular.
(Gülüşmeler)
Toplar atom, çubuklar ise atomlar arası bağlardır.
Fiziksel olarak laboratuvarda geliştiremediklerinde
günümüzde, devasa molekülleri simüle etmek için
güçlü bilgisayarları var.
100.000 atomlu bir protein.
Bunu açıklamak için çok da kuantum mekaniğine ihtiyaç yok.
Kuantum mekaniği 1920'lerde geliştirildi.
Çok küçüklerin dünyasını açıklamak için güzel ve güçlü matematik kuralları
ve fikirlerin topluluğudur.
Ve öyle bir dünya ki günlük hayatımızdan oldukça farklı,
trilyonlarca atomdan oluşan.
Olasılık ve ihtimal üzerine inşa edilmiş bir dünya.
Bulanık bir dünya.
Tayflar dünyasıdır,
parçacıkların aynı zamanda yayılan dalgalar gibi davrandığı.
Kuantum mekaniğini veya kuantum fiziğini düşünürsek, o zaman,
gerçekliğin kendisinin temel dayanağı olarak,
Kuantum fiziğinin organik kimyaya
dayanak oluşturduğunu söylememiz şaşırtıcı olmaz.
Neticede organik molekülleri oluşturmak
için atomların birleşme kurallarını verir.
Organik kimya; karmaşıklıkta ölçeği büyütür
ve elbette hayata yönlendiren moleküler biyolojiyi verir.
Yani bir bakıma, çok da şaşırtıcı değil.
Neredeyse sıradan.
"Elbette, hayat en nihayetinde kuantum
mekaniğine dayanmak zorunda." diyebilirsiniz.
Ama diğer bütün şeyler de öyle.
Yani bütün cansız maddeler de, trilyonlarca atomdan oluşan.
En nihayetinde, bu tuhaflığı
araştırmamız gereken bir kuantum seviyesi var.
Ama günlük hayatta, bunu unutabiliriz.
Çünkü bir kere trilyonlarca atomu topladığınızda,
o kuantum tuhaflığı birden dağılır.
Kuantum biyolojisi bununla ilgili değildir.
Kuantum biyolojisi bu şekilde aşikâr değildir.
Tabii ki, kuantum mekaniği, moleküler seviyede hayata dayanak oluşturur.
Kuantum biyolojisi çözülmesi zor olanı araştırmaktır --
kuantum mekaniğindeki mantık dışı fikirleri--
ve hayatın sürecini tanımlamada önemli
bir rol oynadığını görmek içindir.
İşte benim kuantum dünyasının mantık dışılığına
mükemmel örneğim.
Bu kuantum kayakçısı.
Sağlam görünüyor, tamamen sağlıklı görünüyor,
fakat ağacın iki tarafından da aynı anda geçmiş gibi görünüyor.
Bu tarz izler görürseniz,
bir tür akrobasi olduğunu düşünürsünüz, tabii ki.
Ama kuantum dünyasında bu hep olur.
Parçacıklar çoklu görev yürütebilirler, aynı anda iki yerde olabilirler.
Birden çok şey yapabilirler aynı anda.
Parçacıklar dalgalar gibi davranabilirler.
Neredeyse sihir gibidir.
Fizikçiler ve kimyagerler neredeyse bir yüzyıl
geçirdiler bu tuhaflığa alışmak için.
Biyologları, kuantum mekaniğini
öğrenmek istemedikleri veya zorunlu kalmadıkları için suçlamıyorum.
Gördüğünüz gibi bu tuhaflık çok narin
ve biz fizikçiler bunu laboratuvarlarımızda
idame ettirmek için çok çalışıyoruz.
Neredeyse mutlak sıfıra kadar sistemlerimizi soğutuyoruz,
deneylerimize vakumlarda devam ediyoruz,
herhangi bir dış parazitten izole ediyoruz.
Yaşayan hücrenin gürültülü, dağınık ve samimi ortamından tamamen farklı.
Biyoloji bizzat, moleküler biyolojisi düşünürsek,
hayatın bütün süreçlerini tanımlamada iyi iş çıkarmış gibi görünüyor
kimya açısından -- kimyasal reaksiyonlar.
Bunlar indirgemeci, deterministik kimyasal reaksiyonlar,
özellikle hayatın kendisinin de aynı şeylerden yapıldığını gösteren
ve makro dünyada kuantum mekaniğini unutursak,
biyolojide de unutabiliriz aynı şekilde.
Bir kişi aynı düşüncede değil bu fikirle.
Erwin Schrödinger, Schrödinger'in Kedisi ile ünlü,
Avusturyalı bir fizikçiydi.
1920'lerdeki kuantum mekaniğinin kurucularındandı.
1944'te "Hayat Nedir?" adlı bir kitap yazdı.
Son derece etkileyiciydi.
DNA'nın İkili-sarmal yapısının kaşiflerinden
Francis Crick ve James Watson'ı etkiledi.
Kitaptaki bir tanımı yorumlamak gerekirse, diyor ki:
Moleküler düzeyde, yaşayan organizmalar belirli bir düzene,
bir yapıya sahiptir, cansız maddelerin aynı karmaşıklığındaki
moleküller ve atomların rastgele termodinamik sürtünmeleri
onlar için farklıdır.
Hatta, yaşayan cisimler bu düzende, bu yapıda davranıyor
gibi görünüyor, tıpkı kuantum mekaniğin önemli bir rol oynadığı
mutlak sıfıra yakın soğutulmuş cansız cisimler gibi.
Bu yapıda özel bir şey var -- sıra --
yaşayan bir canlının içinde.
Schrödinger, kuantum mekaniğin hayatta bir rol oynayabileceği üzerine düşündü.
Oldukça spekülatif, geniş kapsamlı bir fikir
ve çok da başarıya ulaşmadı.
Ancak başlangıçta da değindiğim gibi,
son 10 yılda, deneyler gösteriyor ki,
biyolojideki bazı fenomenlerde kuantum mekaniği
gerekli gibi görünüyor.
Heyecan verici olanlardan bazılarını paylaşmak istiyorum.
Bu kuantum dünyasının en çok bilinen fenomenlerinden bir tanesi,
kauntum tünelleme.
Soldaki kutu, kuantum oluşumunun dalga benzeri,
yayılan dağılımını gösteriyor -- bir parçacık, elektron
benzeridir, duvardan seken küçük bir top değildir.
Katı bir duvardan mutlak sızma olasılığı olan bir dalgadır,
diğer tarafa doğru sıçrayan bir tayf gibi.
Kutunun sağ tarafında zayıf bir ışık lekesi görebilirsiniz.
Kuantum tünelleme; bir parçacığın delinmez bir bariyere çarpabileceğini
ve yine de bir şekilde, sihir yoluyla,
bir tarafta kaybolup diğer tarafta görünebileceğini öne sürer.
Bunu açıklamanın en hoş yolu; bir duvara top atmak istiyorsanız
duvarın üzerinden aşması için yeterli enerjiyi vermeniz gerekir.
Kuantum dünyasında; duvarın üzerinden atmanıza gerek yok,
duvara atabilirsiniz ve kesin bir sıfırdan farklı olasılıkla
sizin tarafınızda gözden kaybolup diğer tarafta görünür.
Bu bir tahmin değil bu arada.
Mutluyuz, yani, "mutlu" tam olarak doğru söz değil --
(Gülüşmeler)
aşinayız buna.
(Gülüşmeler)
Kuantum tünelleme her zaman gerçekleşir;
üstelik Güneş'imizin parlamasının da sebebi.
Parçacıklar bir araya gelerek kaynaşırlar
ve Güneş kuantum tünelleme ile hidrojeni helyuma çevirir.
70'ler ve 80'lerde, kuantum tünellemenin aynı zamanda yaşayan hücrelerde de
gerçekleştiği keşfedildi.
Enzimler, hayatın o yükünü çeken, kimyasal reaksiyonların katalizörleri--
enzimler yaşayan hücrelerdeki kimyasal reaksiyonları hızlandıran
biyomoleküllerdir, birçok büyüklük kertesi tarafından.
Nasıl yaptıkları her zaman bir gizemdir.
Keşfedildi ki
enzimlerin evrimleşerek faydalandığı hilelerden bir tanesi
atomaltı parçaçıkları, elektronlar ve protonlar gibi, molekülün
bir tarafından diğer tarafına kuantum tünellemeyle transfer etmeleri.
Verimli, hızlı, gözden kaybolabiliyor --
bir proton bir noktada gözden kaybolup diğer tarafta belirebilir.
Enzimler bunun meydana gelmesine yardım ediyor.
Bu araştırma 80'lerde özellikle Berkeley'deki
bir grup tarafından, Judith Klinman, yürütülmüştür.
İngiltere'deki diğer gruplar da enzimlerin gerçekten
bunu yapabildiğini tasdiklediler.
Benim grubumun yürüttüğü araştırmada --
bahsettiğim gibi bir nükleer fizikçiyim,
ancak fark ettim ki atomik çekirdeklerinde kullandığım kuantum
mekaniği aletlerim var ve onları farklı alanlarda da kullanabilirim.
Sorduğunuz bir soru ise
DNA mutasyonunda kuantum tünellemenin bir rolü olup olmadığı.
Tekrardan, bu yeni bir fikir değil, 1960'ların başına kadar dayanıyor.
DNA'nın iki ipliği, ikili sarmal yapı
basamaklarla birbirine tutunuyor bükülmüş bir merdiven gibi.
Ve o merdivenin basamakları hidrojen bağlarıdır --
protonlar iki iplik arasında yapışkan gibi davranırlar.
Yakınlaşırsanız, yaptıkları o büyük molekülleri tutmaktır --
nükleotidler -- birlikte.
Biraz daha yakınlaşın.
Bu bir bilgisayar simülasyonu.
Ortadaki iki beyaz top proton
ve ikili hidrojen bağı olduğunu görebilirsiniz.
Göremediğiniz düşey inen ipliklerin biri
bir tarafında bulunur, diğeri diğer tarafında.
Bu iki proton diğer tarafa sıçrayabilir.
Beyaz iki topu izleyin.
Diğer tarafa atlayabilirler.
DNA'nın iki ipliği daha sonra ayrılırsa, kendini eşleme sürecine götüren
ve iki proton yanlış pozisyonlardaysa
bu durum mutasyona neden olabilir.
Bu yarım asırdır biliniyor.
Soru ise: Bu yapmaları ne kadar olası
ve yaparlarsa da nasıl yapıyorlar?
Duvarın üzerinden giden top gibi diğer tarafa atlıyorlar mı?
Ya da yeterli enerjiye sahip olmasalar da
karşıya kuantum tünelleme mi yapıyorlar?
Eski belirtiler kuantum tünellemenin burada rol oynayabileceğini gösteriyor.
Ne kadar önemli olduğunu hâlâ bilmiyoruz,
hâlâ sonuca bağlanmamış bir sorun.
Spekülatif bir durum
ama çok önemli olan sorulardan biri,
kuantum mekaniği mutasyonda önemli bir rol oynuyorsa
elbette bunun büyük sonuçları olacaktır,
mutasyonun belli tiplerini anlamak için
hatta muhtemelen hücrenin kanserli hücreye dönüşümü gibi.
Kuantum mekaniğinin biyolojideki diğer bir örneği ise kuantum koheransı,
biyolojideki en önemli süreçlerden bir tanesi,
fotosentez: Bitkiler ve bakteriler güneş ışığı enerjisi
kullanarak biyokütle üretmesi.
Kuantum koheransı, kuantum oluşumlarının aynı anda birden çok işi yapması fikridir.
Bu kuantum tayfıdır.
Dalga gibi davranan bir nesnedir,
bir yöne ya da diğerine hareket etmekle kalmıyor,
hatta birden çok yolları takip edebiliyor aynı zamanda.
Birkaç yıl önce, bilim dünyası yayınlanan
bir makalenin gösterdiği bakteri içinde fotosentez yaparken
meydana gelen kuantum koheransı
kanıtı ile şok oldu.
Fikir ise, ışığın temel birimi olan foton, güneş ışığı,
kuantum ışığı klorofil molekülü tarafından yakalandı,
daha sonra kimyasal enerjiye dönüştürülebileceği
reaksiyon merkezi denilen yere gönderildi.
Ve oraya gidince, yalnızca tek bir rotayı takip etmiyor,
aynı anda birden çok rotayı takip ediyor,
reaksiyon merkezine ısı israf etmeksizin en verimli
yolla ulaşımı optimize etmek için.
Kuantum koheransı canlı hücrede gerçekleşiyor.
Göze çarpan bir fikir,
yeni makalelerlede de kanıtlar neredeyse haftalık olarak artıyor,
bunun gerçekten de meydana geldiğini onaylayarak.
Üçüncü ve son örneğim ise bu en güzel, en müthiş olan fikir.
Hâlâ spekülatif ama sizinle paylaşmalıyım.
Avrupalı kızılgerdan İskandinavya'dan Akdeniz'e göç eder,
her sonbahar ve diğer tüm
deniz canlıları hatta böcekler gibi,
Dünya'nın manyetik alanını hissederek yön alırlar.
Şimdi, Dünya'nın manyetik alanı çok ama çok zayıf;
buzdolabı magnetinden 100 kat daha zayıf
ama yine de kimyayı etkiliyor --
bir şekilde -- yaşayan bir organizma içerisinde.
Şüphesiz -- Alman bir kuş uzmanı çifti,
Wolfgang ve Roswitha Wiltschko, 1970'lerde kızılgerdanın
Dünya'nın manyetik alanını bir şekilde hissederek,
yönsel bilgi vererek -- dâhili pusula gibi yolunu bulduğunu onayladı.
Bulmaca, gizem ise: Bunu nasıl yapıyor?
Elimizdeki tek teori --
doğru teori mi bilmiyoruz ancak elimizdeki tek teori --
kuantum dolanıklığı diye bilinen bir şey ile yapıyor olması.
Kızılgerdanın retinasında --
sizi kandırmıyorum -- kızılgerdanın retinasında "cryptochrome" adında
bir protein var ışığa duyarlı.
Cryptochrome' larda, bir çift elektron kuantum dolanıktır.
Kuantum dolanıklığı, iki parçacık çok uzak
ancak bir şekilde birbiriyle bağlantılı kaldıklarında olur.
Einstein bile bu fikirden nefret etmiş ve
"tuhaf uzaktan etki" olarak adlandırmıştır.
(Gülüşmeler)
Yani Einstein sevmemişse bizde bu durumdan rahatsız olabiliriz.
Tek bir molekülde iki kuantum dolanık elektron
zarif bir şekilde dans ediyorlar,
kuşların uçtuğu alana duyarlı
Dünya'nın manyetik alanında.
Doğru cevap olup olmadığını bilmiyoruz
ancak kuantum mekaniği kuşların yön
bulmasına yardım ediyor olsa, müthiş olmaz mıydı?
Kuantum biyoloji hâlâ emekleme çağında.
Hâlâ spekülatif.
Ama bilimde sağlam temellere
dayanacağına inanıyorum.
Ayrıca inanıyorum ki önümüzdeki 10 yılda,
gerçekleşeceğini göreceğiz, hayata yayılıyor --
kuantum dünyasından faydalanacak hileler geliştiren hayata.
Takipte olun!
Teşekkürler.
(Alkışlar)