Kako bi kvantna biologija mogla objasniti najveća životna pitanja

Kako crvendać zna letjeti na jug? Odgovor bi mogao biti čudniji nego što mislite: Kvantna fizika bi mogla biti uključena. Jim Al-Khalili sažima ekstremno novi, ekstremno neobični svijet kvantne biologije, u kojem nešto što je Einstein jednom nazvao "jeziva akcija u daljini" pomaže pticama da se orijentiraju, a kvantni učinci bi mogli objasniti i sam postanak života.

Želio bih vas upoznati s rastućim
područjem znanosti,

jednim koje je još uvijek spekulativno,
ali iznimno uzbudljivo

i zasigurno s jednim
koje vrlo brzo napreduje.

Kvantna biologija postavlja
vrlo jednostavno pitanje:

Igra li kvantna mehanika-

ta čudna,prekrasna
i moćna teorija

subatomskog svijeta
atoma i molekula,

koja objašnjava tako velik dio
moderne fizike i kemije-

ulogu u živućim stanicama?

Drugim riječima: Postoje li procesi,
mehanizmi, fenomeni

u živućim organizmima
koji se mogu objasniti samo

uz pomoć kvantne mehanike?

Kvantna biologija nije nova;

postoji od ranih 1930-ih.

Ali tek u posljednjem desetljeću
oprezni pokusi --

u biokemijskim laboratorijima,
uz korištenje spektometrije --

su pokazali vrlo jasne, čvrste dokaze
da postaje određeni specifični mehanizmi

za čije je objašnjenje potrebna
kvantna mehanika.

Kvantna biologija objedinjuje
kvantne fizičare, biokemičare,

molekularne biologe-
to je veoma interdisciplinarno područje.

Ja dolazim iz kvantne fizike,
dakle ja sam nuklearni fizičar.

Proveo sam više od tri desetljeća

pokušavajući shvatiti kvantnu mehaniku.

Jedan od utemeljitelja kvantne mehanike,
Niels Bohr,

je rekao, da ako vas ona ne zapanji,
da ju niste razumjeli.

Tako da sam ja na neki način sretan
da me ona još uvijek zapanjuje.

To je dobro.

Ali to znači da proučavam najmanje
strukture u svemiru-

građevni materijal stvarnosti.

Ako razmislimo o razmjeru veličina,

počevši od svakodnevnih predmeta kao
što je teniska lopta

i zatim krenuvši prema sve
manjim predmetima --

od iglene ušice do stanice, do bakterije,
do enzima,

na kraju dopijemo do nano-svijeta.

Možda ste čuli za pojam nanotehnologije.

Nanometar je milijarditi dio metra.

Moje područje je atomska jezgra,
a to je mala točka unutar atoma.

Čak je i manja.

To je domena kvantne mehanike

te su fizičari i kemičari
imali mnogo vremena

da se pokušaju naviknuti.

Biolozi, s druge strane,
su po mom mišllenju, prošli lakše.

Oni su jako sretni sa svojim kuglastim
i štapičastim modelima molekula.

(Smijeh)

Kuglice su atomi, štapići su
veze među atomima.

I kada ih ne mogu izgraditi fizički u
laboratoriju,

danas imaju veoma moćna računala,

koja simuliraju ogromne molekule.

Ovo je bjelančevina sastavljena od
100,000 atoma,

nije potrebno mnogo kvantne mehanike
da se objasni.

Kvantna mehanika se razvila 1920-ih.

To je skup prekrasnih i moćnih
matematičkih pravila i ideja

koje objašnjavaju svijet vrlo maloga.

I to je svijet veoma različit od našeg
svakodnevnog svijeta,

sastavljen od trilijuna atoma.

To je svijet izgrađen na vjerojatnosti
i prilici.

To je kaotičan svijet.

To je svijet opsjena,

u kojem se čestice mogu ponašati
kao valovi.

Ako zamislimo kvantnu mehaniku
ili kvantnu fiziku

kao osnovu naše stvarnosti,

onda nije začuđujuće što kažemo

da je kvantna fizika osnova
organske kemije.

Ipak nam ona daje pravila
koja nam govore

kako se atomi spajaju da stvore
organske molekule.

Organska kemija, poredana prema
kompleksnosti,

nam daje molekularnu biologiju,
koja nas naravno vodi do samog života.

Dakle, na neki način, to uopće nije
začuđujuće.

Gotovo je banalno.

Kažete: " Pa, naravno da život na kraju
mora ovisiti o kvantnoj mehanici."

Ali i sve ostalo.

Sva beživotna tvar,
sastavljena od trilijuna atoma.

Na kraju, postoji kvantna razina

u kojoj moramo prekopati
po toj čudnosti.

Ali u svakodnevnom životu,
možemo zaboraviti na to.

Zato što, jednom kad
spojite trilijune atoma,

nestaje kvanta neobičnosti.

O tome ne govori kvantna biologija.

Kvantna biologija nije toliko očita.

Naravno da kvantna mehanika stvara
život na molekularnoj razini.

Kvantna biologija se bavi potragom
za ne-banalnim-

kontraintuitivnim idejama
kvantne mehanike-

i proučava igra li ona doista
važnu ulogu

u opisivanju životnih procesa.

Ovo je moj savršen primjer
kontraintuitivnosti

kvantnog svijeta.

Ovo je kvantni skijaš.

Izgleda netaknuto,
izgleda savršeno zdravo,

ali ipak, izgleda da je zaobišao
obje strane drveta u isto vrijeme.

Pa, ako vidite ovakve stvari

pretpostavili bi ste da se radi
o triku, naravno.

Ali u kvantnom svijetu
se ovo stalno događa.

Čestice mogu činiti više zadataka,
biti na dva mjesta odjednom.

Mogu činiti više od jedne stvari
u isto vrijeme.

Čestice se mogu ponašati
kao valovi.

To je gotovo kao magija.

Fizičari i kemičari su se pokušavali
naviknuti

na ovu neobičnost gotovo stoljeće.

Ne krivim biologe

što nisu ili ne žele naučiti
kvantnu mehaniku.

Vidite, ova neobičnost je veoma delikatna;

i mi fizičari jako teško radimo
da ju zadržimo u laboratorijima.

Hladimo naše sustave gotovo
na apsolutnu nulu,

vršimo pokuse u vakuumu,

pokušavamo ju izolirati od
bilo kakve vanjske smetnje.

To je veoma drukčije od toplog, neurednog,
bučnog okoliša žive stanice.

Čini se da je sama biologija, ako pomislite na
molekularnu biologiju,

vrlo dobro uspjela objasniti
sve životne procese

kemijom -- kemijskim reakcijama.

I to su redukcijske, determinističke
kemijske reakcije,

koje pokazuju, vrlo bitno, da je život
sačinjen od istih tvari kao i sve drugo

i ako možemo zaboraviti na kvantnu
mehaniku u makro svijetu,

onda bismo morali moći zaboraviti
na nju i u biologiji također.

Pa, jedan se čovjek usudio razlikovati
svojom idejom.

Erwin Schrodinger,
poznat po Schrodingerovoj mački,

bio je austrijski fizičar.

On je bio jedan od začetnika kvantne
mehanike 1920-ih.

1944.je napisao knjigu nazvanu
" Što je život? "

Bila je nevjerojatno utjecajna.

Utjecala je na Francisa Cricka i
Jamesa Watsona,

koji su otkrili dvostruko zavojitu
strukturu DNA.

Parafrizirat ću opis iz knjige, on kaže:

Na molekularnoj razini, živući organizmi
imaju određen red,

svoju strukturu koja se dosta razlikuje

od nasumičnog termodinamičkog
nizanja atoma i molekula

u neživoj materiji jednake složenosti.

Zapravo, čini se da se živa tvar
u ovom redu, u ovoj strukturi

ponaša kao neživa tvar kada se ohladi
na temperaturu blizu apsolutnoj nuli,

na kojoj kvantni učinici igraju
veoma važnu ulogu.

Nešto je posebno u strukturi
-- u redu --

unutar žive stanice.

Dakle, Schrodinger je spekulirao da
kvantna mehanika možda igra ulogu u životu

To je veoma spekulativna,
dalekosežna ideja

i nije otišla veoma daleko.

Ali kako sam spomenuo na početku

u posljednjih 10 godina se provodi
sve više pokusa,

koji prikazuju gdje neki od određenih
fenomena u biologiji

iziskuju potrebu za kvantnom
mehanikom.

Želim s vama podijeliti samo par
uzbudljivih.

Ovo je jedan od najpoznatijih fenomena
u kvantnom svijetu,

kvantno tuneliranje.

Lijeva kutija prikazuje valovitu,
raširenu distribuciju

kvantnog entiteta -- čestica,
poput elektrona,

koja nije mala kugla koja
se odbija od zida.

To je val koji ima određenu vjerojatnost
da je sposoban prodrijeti

kroz čvrst zid, poput duha koji
prelazi na drugu stranu.

Možete vidjeti slabu zraku svjetlosti
u desnoj kutiji.

Kvantno tuneliranje predlaže da čestica
može udariti u neprobojnu zapreku,

a ipak nekako, kao uz pomoć magije,

nestati s jedne strane, a pojaviti se
na drugoj.

Najljepši način da se to objasni je,
ako želite baciti loptu preko zida,

morate joj dati dovoljno energije
da prijeđe preko vrha zida.

U kvantnom svijetu ne morate ju baciti
preko zida,

možete ju baciti u zid, i postoji
određena vjerojatnost

da će nestati na jednoj strani,
a pojaviti se na drugoj.

Usputno rečeno, ovo nije špekulacija.

Sretni smo-pa, "sretni" nije prava riječ-

(Smijeh)

upoznati smo s ovim.

(Smijeh)

Kvantno tuneliranje se stalno događa,

zapravo, to je razlog zbog kojeg
sije Sunce.

Čestice se stope,

a zatim Sunce pretvori vodik u helij
kvantnim tuneliranjem.

70-ih i 80-ih je otkriveno da se kvantno
tuneliranje odvija i

unutar živih stanica.

Enzimi, ti pogoni života,
katalizatori kemijskih reakcija-

enzimi su biomolekule koje ubrzavaju
kemijske reakcije u živim stanicama,

mnogim, mnogim nizovima magnituda.

I oduvijek je misterij kako to čine.

Pa, bilo je otkriveno

da je jedan od trikova, za koje su enzimi
evoluirali da ih iskoriste,

je premiještanje subatomskih čestica,
kao što su elektroni i protoni

iz jednog dijela molekule u drugi
kvantnim tuneliranjem.

Učinkovito je, brzo je,
može nestati --

proton može nestati s jednog mjesta
i pojaviti se na drugom.

Enzimi u tome pomažu.

Ovo je istraživanje provedeno
80-ih godina,

od strane jedne grupe u Berkeleyju.
Judith Klinman.

Druge grupe u UK-u
su sada također potvrdile

da enzimi to stvarno čine.

Istraživanje koje je provela moja grupa-

kako sam spomenuo, ja sam
nuklearni fizičar,

ali sam shvatio da imam alate
za korištenje kvantne mehanike

u atomskim jezgrama, te da ih mogu
primijeniti i na druga područja.

Jedno pitanje koje smo postavili je

igra li kvatno tuneliranje ulogu
u mutacijama DNA.

Opet ponavljam, ovo nije nova ideja;
počeci su joj u 60-im godinama.

Dva ogranka DNA,
struktura dvostruke zavojnice

je spojena prečkama;
kao zavojite ljestve su.

I te prečke ljestvi su vodikove veze --

protoni, koji se ponašaju kao ljepilo
između dvije prečke.

Pa ako povećate, ono što čine je spajanje
tih velikih molekula-

nukleotida.

Još malo povećajte.

Dakle, ovo je računalna simulacija.

Dvije bijele kugle u sredini su protoni

i možete vidjeti dvostruku
vodikovu vezu,

Jedna preferira pretezati na jednu
stranu,a druga na drugu,

od dviju prečki vertikalnih linija
koje silaze, ne možete ih vidjeti.

Može se dogoditi da ta dva protona
preskoče.

Gledajte dvije bijele kugle.

Mogu skočiti na drugu stranu.

Ako se dvije prečke DNA tada odvoje,
dovodeći do procesa replikacije,

a dva protona su na krivim mjestima,

to može dovesti do mutacija.

Ovo je poznato pola stoljeća.

Pitanje je: Koliko je vjerojatno da
će to napraviti

i ako to naprave, kako to naprave?

Skoče li preko, kao lopta preko zida?

Ili kvantno tuneliraju preko,
čak i ako nemaju dovoljno energije?

Rane indikacije predlažu da
kvantno tuneliranje ima ulogu u ovome.

Još uvijek ne znamo koliko je važno;

to je još otvoreno pitanje.

Špekulativno je,

ali to je jedno od onih pitanja
koje je tako važno

da, ako kvantna mehanika ima ulogu
u mutacijama,

sigurno da to mora imati
snašne implikacije,

da se razumiju određene vrste mutacija,

čak i one koje vode to pretvaranja
stanice u kancerogenu.

Još jedan primjer kvantne mehanike u
biologiji je kvantna koherencija,

u jednom od najvažnijih procesa
u biologiji,

fotosintezi: biljke i bakterije
upijaju sunčevu svjetlost

i koriste tu energiju da prozvedu
biomasu.

Kvantna koherencija je ideja kvantnih
entiteta koji izvršavaju više zadataka.

To je kvantni skijaš.

To je predmet koji se ponaša poput vala,

tako da se ne pomiče samo u jednu
ili drugu stranu,

ali može slijediti više puteva
u isto vrijeme.

Prije nekoliko godina,
svijet znanosti se šokirao

kada je bila izdana studija
koja je pokazala eksperimentalne dokaze

da se kvatna koherencija odvija
unutar bakterija,

da provodi fotosintezu.

Ideja je da foton, čestica svjetlosti,
sunčeva svjetolost,

kvant svjetlosti uhvačen u molekulu
klorofila

bude isporučen u tzv.reakcijski centar,

gdje se može pretvoriti u kemijsku
energiju.

I da stigne do tamo ne slijedi samo
jednu rutu;

slijedi više puteva istovremeno,

da bi optimizirao najučinkovitiji način
dolaska do reakcijskog centra

bez da se utroši kao toplina.

Kvantna koherencija se odvija unutar
žive stanice.

Izvanredna ideja,

dokazi se pojavljuju na gotovo tjednoj
bazi izlaskom novih studija

koje potvrđuju da se to doista događa.

Moj treći i posljednji primjer je
najljepša, predivna ideja.

Isto je dosta špekulativna,
ali moram ju podijeliti s vama.

Europski crvendać migrira
iz Skandinavije

prema Sredozemlju svake jeseni,

te kao mnoge druge morske životinje
i čak kukci,

orijentiraju se osjećanjem europskog
magnetnog polja.

Zemljino magnetsko polje je veoma,
veoma slabo;

100 puta slabije od magneta
za hladnjak,

a ipak ima učinak na kemiju-nekako-
unutar živih organizama.

Tu nema dvojbe -- njemački par ornitologa,

Wolfgang i Roswitha Wiltschko, 1970-ih,
su čak potvdili

da crvendać pronalazi svoj put nekako
osjećajući Zemljino magnetsko polje

koje mu daje informaciju smjera --
ugrađeni kompas.

Zagonetka, misterij je bio:
Kako to čini?

Pa, jedina teorija je --

ne znamo je li točna teorija,
ali je jedina --

da to čini nečim što se zove
kvantna zapreka.

U crvendaćevoj mrežnici --

ne zezam vas -- u crvendaćevoj mrežnici
se nalazi protein zvan kriptokrom

koji je osjetljiv na svjetlo.

U kriptokromu je par elektrona
u kvantnoj zapreci.

Kvantna zapreka je kada su dvije
čestice udaljene,

a ipak nekako ostaju u kontaktu.

I Einstein je mrzio tu ideju;

nazvao ju je "jeziva akcija na
udaljenosti".

(Smijeh)

Dakle, ako se Einsteinu ne sviđa,
onda nam svima može biti neugodna.

Dva kvantno zapriječena elektrona
u jednoj jedinoj molekuli

plešu delikatan ples

koji je veoma senzitivan prema
smjeru ptičjeg leta

u Zemljinom magnetnom polju.

Ne znamo je li to točno
objašnjenje,

ali wow, ne bi li bilo uzbudljivo kad bu
kvantna mehanika pomagala pticama u

orijentaciji?

Kvantna biologija je još u povojima.

Još je špekulativna.

Ali ja vjerujem da je izgrađena na
čvrstoj znanosti.

Također mislim da ćemo u nadolazećem
desetljeću ili slično,

početi shvaćati da ona zapravo
prodire u život --

da je ovaj život razvio trikove
da koristi kvantni svijet.

Pogledajte ovaj svemir.

Hvala.

(Pljesak)