Jak kvantová biologie možná vysvětluje největší otázky týkající se života

Jak pozná červenka obecná, že letí na jih? Odpověď může být podivnější, než byste čekali: možná v tom má prsty kvantová fyzika. Jim Al-Khalili shrnuje, jak velice moderní, velmi podivný svět kvantové biologie, kde kvantovové provázání částic Einstein kdysi nazval "přízračným působením na dálku", pomáhá ptákům navigovat a jak kvantové jevy možná vysvětlují původ samotného života.

Rád bych vám představil
rodící se oblast vědy,

která je stále ještě spekulativní,
ale obrovsky vzrušující

a která se nepochybně
velmi rychle rozvíjí.

Kvantová biologie si klade
velice jednoduchou otázku:

Hraje kvantová mechanika ‒

ta podivná a nádherná a mocná teorie

subatomárního světa atomů a molekul,

který tvoří základ velké části
moderní fyziky a chemie ‒

také nějakou roli v živých buňkách?

Jinými slovy:
Existují v živých organismech

procesy, mechanismy, jevy,
které lze vysvětlit výlučně

pomocí kvantové mechaniky?

Kvantová biologie není nová věc.

Objevila se někdy na začátku 30. let.

Ale teprve v posledních asi deseti letech
došlo na pečlivé experimenty ‒

v biochemických laboratořích,
za použití spektroskopie ‒

které nám daly velmi jasné a pádné důkazy,
že existují určité specifické mechanismy,

které se bez kvantové
mechaniky nedají vysvětlit.

Kvantová biologie spojuje
kvantové fyziky, biochemiky,

molekulární biology ‒
je velice interdisciplinární vědou.

Mým oborem je kvantová fyzika,
jsem jaderný fyzik.

Přes třicet let se snažím

do kvantové mechaniky nějak proniknout.

Jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky,
Niels Bohr, říkal:

„Pokud vás nenaplňuje úžasem,
tak jste ji nepochopili.“

Mám tak trochu štěstí,
že mě pořád ještě úžasem naplňuje.

To je dobře.

Znamená to ale, že studuji
nejmenší struktury ve vesmíru –

základní kameny reality.

Když uvážíme škálu rozměrů,

začneme u obyčejných věcí
jako je tenisový míček

a půjdeme vždy o řád směrem dolů –

přes ucho jehly k buňce,
dál k bakterii, enzymu ‒

až se nakonec dostaneme do nano-světa.

Asi jste už slyšeli
o pojmu nanotechnologie.

Nanometr je miliardtina metru.

Mým oborem jsou atomová jádra,
což jsou ty malinké tečky uvnitř atomů.

To je ještě o řád menší rozměr.

Je to oblast kvantové mechaniky

a fyzikům a chemikům
trvalo hodně dlouho,

než si ji vyzkoušeli
a než si na ni zvykli.

Naopak biologové si to
podle mě trošku ulehčili.

Ke štěstí jim úplně stačí
modely molekul z tyček a míčků.

(Smích)

Míčky jsou atomy a tyčky
vazby mezi nimi.

A když je nedokážou fyzicky
sestavit v laboratoři,

mají dnes velmi výkonné počítače,

které jim obrovské molekuly nasimulují.

Toto je protein tvořený 100 000 atomy.

K jeho vysvětlení nepotřebují příliš
přemýšlet o kvantové mechanice.

Kvantová mechanika se objevila
ve 20. letech 20. století.

Je to soubor krásných a mocných
matematických pravidel a myšlenek,

které vysvětlují svět
velmi malých částí.

Je to úplně jiný svět,
než jaký denně vidíme,

který je tvořen biliony atomů.

Je to svět postavený
na pravděpodobnosti a náhodě.

Velice mlhavý svět.

Svět fantomů,

kde se částice umí také chovat
jako rozprostírající se vlny.

Pokud si kvantovou mechaniku
nebo kvantovou fyziku představíme

jako základní podstatu samotné reality,

tak nás nepřekvapí, když se říká,

že kvantová fyzika tvoří základ
organické chemie.

Konec konců dává nám
pravidla, která říkají,

jak se atomy spojují
a tvoří organické molekuly.

Od organické chemie vede
cesta k řádově složitější

molekulární biologii, která pochopitelně
vede až k samotnému životu.

Takže to vlastně není vůbec překvapivé.

Je to skoro banální.

Řeknete si: „No pochopitelně, že život
v zásadě závisí na kvantové mechanice.“

Ale stejně tak všechno ostatní.

Všechna neživá hmota
tvořená biliony atomů.

Na počátku je vždy kvantová úroveň,

na které se musíme ponořit
do těhle podivností.

Ale v každodenním životě
na to nemusíme myslet.

Protože jakmile dáte
dohromady miliardy atomů,

kvantové podivnosti se
prostě rozplynou.

Kvantová biologie o tomhle není.

Není tak jednoznačná.

Kvantová mechanika samozřejmě
tvoří základ života na molekulární úrovni.

Ale kvantová biologie hledá
netriviální názory ‒

myšlenky, které se v kvantové
mechanice příčí intuici ‒

a zjišťuje, jestli skutečně
hrají důležitou roli

při popisu životních procesů.

Dám vám svůj nejlepší příklad,
jak se kvantový svět

chová navzdory očekávání.

Toto je kvantový lyžař.

Zdá se, že je celistvý,
vypadá naprosto zdravě,

a přesto se zdá, že kolem toho stromu
projel z obou stran současně.

Kdybyste takové stopy viděli,

napadlo by vás, že jde
o nějaký kaskadérský kousek.

Ale v kvantovém světě
se to děje v jednom kuse.

Částice dělají víc věcí naráz,
mohou být na dvou místech najednou.

Umí dělat více než jednu věc současně.

Částice se mohou šířit jako vlny.

Je to téměř magie.

Fyzici a chemici si na tyto podivnosti

zvykali skoro celé století.

Nevyčítám biologům,

že se nemuseli nebo nepotřebovali
kvantovou mechaniku učit.

Tyhle podivnosti jsou velmi delikátní

a nám fyzikům dá hodně práce
je laboratorně potvrdit.

Chladíme své soustavy
skoro k absolutní nule,

pokusy provádíme ve vakuu,

snažíme se je izolovat
od jakýchkoliv vnějších vlivů.

Je to úplně jiné než teplé, zaneřáděné,
hlučné prostředí v živé buňce.

Biologie jako taková,
pokud se bavíme o té molekulární,

je docela úspěšná v tom,
jak popisuje životní procesy

z pohedu chemie ‒ chemických reakcí.

Jsou to redukcionistické
a deterministické chemické reakce,

které ukazují, že život je v podstatě
vyroben ze stejné hmoty jako vše ostatní

a když zapomeneme na kvantovou
mechaniku v makrosvětě,

tak bychom se jí nemuseli
asi zabývat ani v biologii.

No, ale jeden člověk si dovolil
s touhle představou nesouhlasit.

Erwin Schrödinger, proslavený
svojí „Schrödingerovou kočkou“,

byl rakouský fyzik.

Byl jedním ze zakladatelů
kvantové mechaniky ve 20. letech.

V roce 1944 napsal knihu „Co je život?“.

Měla nesmírný vliv.

Ovlivnila Francise Cricka
a Jamese Watsona,

objevitele dvoušroubovice DNA.

Když budu parafrázovat
popis v knize, tak říká:

Živé organismy mají
na molekulární úrovni určitý řád,

vlastní strukturu, která se velmi liší

od náhodného termodynamického
pošťuchování atomů a molekul

v neživé hmotě o stejném
stupni složitosti.

Vlastně se zdá, že živá hmota se
tímto řádem a strukturou řídí

stejně jako neživá hmota
ochlazená až k absolutní nule,

kde kvantové jevy hrají
velmi důležitou roli.

Je tedy něco zvláštního
na struktuře – na řádu –

uvnitř živé buňky.

Schrödinger se domníval, že kvantová
mechanika možná hraje v životě roli.

Je to velmi spekulativní
a dalekosáhlá myšlenka

a opravdu nešla příliš do hloubky.

Ale jak jsem na začátku zmínil,

v posledních deseti letech
se začaly rozvíjet experimenty,

které ukazují, jak některé
konkrétní jevy v biologii

zdá se kvantovou mechniku vyžadují.

Chci se s vámi podělit jen o pár
opravdu vzrušujících případů.

Toto je jeden z nejznámějších
jevů kvantového světa,

kvantové tunelování.

V rámečku vlevo je vidět
vlnovité, rozprostírající se rozložení

kvantové entity –
částice, jako je elektron,

která nevypadá jako míček
odrážející se ode zdi.

Je to vlna, u které existuje
určitá pravděpodobnost,

že projde pevnou stěnou, jako přelud,
který proskočí na druhou stranu.

V pravé části rámečku vidíte
slabou světelnou mlhu.

Kvantové tunelování říká, že částice
může narazit na nepropustnou bariéru,

a přesto nějak, jakoby magicky,

zmizet na jedné straně
a objevit se na druhé.

Nejlépe si to lze vysvětlit tak,
že když chcete přehodit míč přes zeď,

musíte mu dát dostatek energie,
aby se přes ni dostal.

V kvantovém světě nemusíte
míč přes zeď házet,

můžete ho hodit na zeď a on
s jistou nenulovou pravděpodobností

na vaší straně zmizí
a objeví se na druhé.

Tohle mimochodem není spekulace.

Jsme rádi – no, „rádi“
není to pravé slovo –

(Smích)

Důvěrně ho známe.

(Smích)

Ke kvantovému tunelování
dochází v jednom kuse.

Je to vlastně důvod, proč Slunce svítí.

Částice spolu fúzují

a Slunce mění pomocí kvantového
tunelování vodík na helium.

Již v 70. a 80. letech bylo zjištěno,
že ke kvantovému tunelování dochází

i uvnitř živých buněk.

Enzymy, tažní koně života,
katalyzátory chemických reakcí –

jsou biomolekuly, které urychlují
chemické reakce v živých buňkách

o mnoho řádů.

A vždycky bylo záhadou, jak to dělají.

No a zjistilo se,

že jedním z triků, který si
enzymy vyvinuly k použití,

je přesun subatomárních částic,
jako jsou elektrony a dokonce protony,

z jedné části molekuly do jiné
pomocí kvantového tunelování.

Je to účinné, rychlé,
umožňuje to, aby mizely –

proton může z jednoho místa
zmizet a objevit se na jiném.

Enzymy tomu napomáhají.

Toto je výzkum, který se
uskutečnil už v 80. letech,

zejména skupinou v Berkeley,
Judith Klinmanovou.

Jiné skupiny ve Velké Británii
teď také potvrdily,

že to enzymy skutečně dělají.

Výzkum vedený mojí skupinou –

a jak jsem už zmínil, jsem jaderný fyzik,

ale uvědomil jsem si, že mám nástroje
využívající kvantovou mechaniku

v atomových jádrech, a že je mohu
aplikovat také v jiných oblastech.

Kladli jsme si otázku,

jestli kvantové tunelování
hraje roli při mutacích v DNA.

A to opět není nová myšlenka,
je známa už od začátku 60. let.

Ta dvě vlákna DNA,
struktura dvoušroubovice,

drží pohromadě příčkami –
vypadá to jako zkroucený žebřík.

A ty příčky na žebříku
jsou vodíkové vazby –

protony, které fungují jako
lepidlo mezi těmi dvěma vlákny.

Když si je přiblížíte,
uvidíte, že drží pohromadě

tyto velké molekuly – nukleotidy.

Přiblížíme je trochu víc.

Tady to je počítačová simulace.

Ty dvě bílé kuličky
uprostřed jsou protony

a vidíte, že je to
dvojitá vodíková vazba.

Jeden se usadil na jedné straně,
druhý na druhé straně

těch dvou vláken, těch svislých linií
směřujících dolů, které teď nevidíte.

Ale může se stát,
že tyto dva protony přeskočí.

Sledujte ty dvě bílé kuličky.

Můžou přeskočit na druhou stranu.

Když se pak ta dvě vlákna oddělí,
aby začala proces replikace

a ty dva protony jsou zrovna
na špatném místě,

tak to může vést k mutaci.

Ví se o tom už půl století.

Otázkou je, jaká je
pravděpodobnost, že to udělají

a pokud to udělají, tak jak?

Přeskočí, jako míč hozený přes zeď?

Nebo se přenesou kvantovým tunelováním,
i když nemají dostatek energie?

Prvotní náznaky napovídají, že v tom
může hrát roli kvantové tunelování.

Stále ještě nevíme, jak moc důležitou;

je to stále ještě otevřená otázka.

Jsou to dohady,

ale je to jedna z otázek,
která je tak důležitá,

že pokud kvantová mechanika
hraje roli při mutacích,

bude to mít určitě velké důsledky

v porozumění určitým druhům mutací,

možná i těch, které vedou ke změně
běžné buňky na rakovinnou.

Dalším příkladem kvantové mechaniky
v biologii je kvantová koherence,

v jednom z nejdůležitějších
procesů v biologii – fotosyntéze:

rostliny a bakterie
přijímají sluneční světlo

a pomocí jeho energie vytváří biomasu.

Kvantová koherence je myšlenka
multitaskingu mezi kvantovými entitami.

To je ten kvantový lyžař.

Je to předmět, který se chová jako vlna,

takže se nepohybuje jen jedním
nebo druhým směrem,

ale dokáže se pohybovat současně
po více různých drahách.

Před několika lety byl
vědecký svět šokován,

když byl uveřejněn článek
s experimentálními důkazy,

že ke kvantové koherenci
dochází uvnitř bakterií,

které provádějí fotosyntézu.

Jde o myšlenku, že foton –
částice světla, slunečního světla,

kvantum světla zachycené
molekulou chlorofylu,

je následně doručeno do něčeho,
čemu říkáme reakční centrum,

kde se může proměnit
na chemickou energii.

A cestou tam nejde
jen po jedné dráze;

putuje po více drahách naráz,

aby našlo nejefektivnější způsob,
jak se dostat do reakčního centra

a nerozptýlilo se jako ztrátové teplo.

Kvantová koherence, která se
odehrává uvnitř živé buňky.

Pozoruhodná myšlenka

a stále přibývají důkazy skoro každý týden
s každým novým vydaným článkem,

který potvrzuje, že se to skutečně děje.

Můj třetí a poslední příklad
je nejkrásnější, užasná myšlenka.

Ještě pořád je hodně spekulativní,
ale musím se s vámi o ni podělit.

Červenka obecná migruje ze Skandinávie

až ke Středozemnímu moři, každý podzim,

a jako mnoho dalších mořských
živočichů a dokonce i hmyz

se řídí podle zemského magnetického pole.

Magnetické pole Země
je ale velice slaboučké;

100 krát slabší než magnetka na lednici,

a přesto nějak ovlivňuje
chemii v živých organismech.

O tom není pochyb –
německý pár ornitologů,

Wofgang a Roswitha Wiltschkovi,
v 70. letech skutečně potvrdili,

že červenky nacházejí cestu tak,
že vnímají magnetické pole Země,

které jim dává informace o směru –
jako vestavěný kompas.

Záhadou ale bylo, jak to dělají.

A jediná teorie, kterou máme –

nevíme, jestli je to správná teorie,
ale je jediná k dispozici –

říká, že to dělají pomocí něčeho,
čemu se říká kvantové provázání.

Na sítnici červenky –

bez legrace – uvnitř její sítnice
je bílkovina zvaná kryptochrom,

která je citlivá na světlo.

V kryptochromu je pár elektronů,
které jsou kvantově provázány.

Ke kvantovému provázání dochází,
když jsou dvě částice daleko od sebe,

a přesto jsou spolu nějak v kontaktu.

Dokonce i Einstein tu myšlenku nenáviděl,

říkal tomu „přízračné působení na dálku“.

(Smích)

Takže když se to nelíbí Einsteinovi,
tak nám to může být taky proti srsti.

Dva kvantově provázané elektrony
uvnitř jedné molekuly

tancují jemný taneček,

který je velmi citlivý na to,
kterým směrem pták letí

v magnetickém poli Země.

Nevíme, jestli je to správné vysvětlení,

ale nebylo by úžasné, kdyby kvantová
mechanika sloužila ptákům k navigaci?

Kvantová biologie je ještě v plenkách.

Stále je spekulativní.

Ale věřím, že se zakládá na poctivé vědě.

Také si myslím, že
v nadcházejících deseti letech

začneme poznávat, že vlastně
prostupuje vším životem –

že život vyvinul triky,
jak využívat kvantový svět.

Sledujte, co bude dál.

Děkuji vám.

(Potlesk)