A kvantumbiológiával megválaszolhatók az élet legfontosabb kérdései

Honnan tudja egy vörösbegy, hogy merre repüljön dél felé? Ennek magyarázata sokkal furább, mint gondolnánk: valószínűleg a kvantumfizikának köszönhetően. Jim Al-Khalili a kvantumbiológia rendkívül új és fura világát mutatja be nekünk, amit Einstein egyszerűen csak "kísérteties távolhatásnak" nevezett, ami segíti a madarakat a navigálásban, a kvantumhatások révén pedig az élet eredetének kérdésére kaphatjuk meg választ.

A tudomány egyik ígéretes ágával
szeretném önöket megismertetni,

ami egyelőre feltevéseken alapul,
de rendkívül izgalmas,

és egyike azoknak, amelyek
rohamosan fejlődnek.

A kvantumbiológia
egy egyszerű kérdést tesz fel:

Vajon a kvantummechanika --

ez a csodálatos, szokatlan
és ütős elmélet

a szubatomi világról,
atomokról és molekulákról,

ami a modern fizika és kémia
java részét alátámasztja --

játszik-e szerepet az élő sejtben is?

Másképp fogalmazva:
vannak-e az élő szervezetnek

olyan folyamatai,
szerkezetei és jelenségei,

amelyeket csak a kvantummechanika
segítségével lehet megválaszolni?

A kvantumbiológia nem új keletű;

az 1930-as évek eleje óta létezik.

De csak az utóbbi évtized
biokémiai laborokban történő

spektroszkópiás kísérletei

mutatták meg egyértelműen, hogy bizonyos
folyamatok magyarázatához

elengedhetetlen
a kvantummechanika bevonása.

A kvantumbiológia összehozza
a kvantumfizikusokat, a biokémikusokat

és a molekuláris biológusokat, létrehozva
egy interdiszciplináris területet.

Én a kvantumfizika világából jövök,
magfizikus vagyok.

Több mint 3 évtizede
a kvantummechanikán töröm a fejem.

A kvantummechanika egyik alapítója,
Niels Bohr szerint,

ha nem tartod elképesztőnek,
valószínűleg semmit sem fogtál fel belőle.

Szóval kissé örömmel tölt el,

hogy a mai napig bámulatba ejtőnek tartom.

Ez jó dolog.

Szóval, én a világegyetem legapróbb
szerkezeteit vizsgálom --

a valóság építőköveit.

Ha a méretekre gondolunk,

vegyünk egy hétköznapi tárgyat,
egy teniszlabdát például,

és csökkentsük méretét nagyságrendekkel,

a tű fokától a sejtig,
a baktériumig, egészen az enzimig --

míg végül elérjük a nano-világot.

Valószínűleg önök is hallottak már
a nanotechnológia kifejezésről.

Egy nanométer a méter milliárdod része.

Az én területem az atommag,
az a kis pont az atom belsejében.

Ez még annál is apróbb.

Ez a kvantummechanika területe.

A fizikusoknak és kémikusoknak

elég hosszú időbe telt,
míg ehhez hozzászoktak.

Ezzel ellentétben úgy vélem,
a biológusok könnyen megúszták.

Ők tökéletesen elégedettek a molekulákat
alkotó gömb-pálcika modellükkel.

(Nevetés)

A gömbök az atomok, a pálcikák pedig az
atomok közötti kötések.

Amikor ezeket fizikailag képtelenek
megépíteni a laborban,

akkor mára profi számítógépek
állnak rendelkezésükre,

melyek óriási molekulákat
képesek szimulálni.

Ez itt egy 100 000 atomból álló fehérje.

Ennek magyarázatához
nincs szükség a kvantummechanikára.

A kvantummechanikát 1920-ban dolgozták ki.

Csodálatos és hatékony matematikai
szabályok és gondolatok gyűjteménye,

ami az egészen apró világot írja le.

Ez a világ pedig merőben más,
mint a mi hétköznapi világunk,

amit sok billiónyi atom alkot.

Ez a világ valószínűségekre
és lehetőségekre épül.

Ez egy zűrzavaros világ.

Ez egy fantomvilág,
ahol a részecskék

hullámként is képesek viselkedni.

Ha a kvantummechanikára vagy
kvantumfizikára úgy gondolunk,

mint ami alapvetően
meghatározza a valóságot,

akkor nem meglepő, ha azt állítjuk,

hogy a kvantumfizika
a szerves kémia alappillére.

Végtére is, megadja számunkra
azt az elvet,

amivel a szerves molekulát alkotó
atomok illeszkedése írható le.

A szerves kémia bonyolultságát
megsokszorozva

eljutunk a molekuláris biológiához,
ami magához élethez vezet.

Szóval, valahogy mégsem olyan meglepő.

Majdhogynem triviális.

Mondhatnánk úgy is, "Hát persze, az élet
végső soron a kvantummechanikán múlik."

De így van ez szinte minden mással is.

Ugyanez érvényes a billiónyi atomból álló
összes élettelen anyagra is.

Végtére is, létezik egy kvantum-szint,

amelynek furcsaságába
bele kell ássuk magunkat..

De a mindennapokban
mindezt elfelejthetjük.

Ugyanis atomok billióit összerakva

az a bizonyos kvantumfurcsaság
szertefoszlik.

A kvantumbiológia nem erről szól.

A kvantumbiológia nem ennyire nyilvánvaló.

Persze a kvantummechanika egy bizonyos
molekuláris szinten támogatja az életet.

A kvantumbiológiával,
a nem triviálist keressük --

a józan észnek ellentmondó gondolatokat
a kvantummechanikában --,

hogy megnézzük, vajon tényleg
fontos szerepet játszanak-e

az élet folyamatainak leírásában.

Itt egy tökéletes példa arra,

amikor a kvantumvilág
ellentmond a józan észnek.

Ő itt egy kvantum-síelő.

Úgy tűnik egyben van,
úgy tűnik teljesen egészséges,

de mégis, mintha egyszerre két irányból
kerülte volna meg azt a fát.

Nos, hasonló nyomok láttán

természetesen azt hinnénk,
ez valamiféle trükk.

De a kvantumvilágban
lépten-nyomon ez történik.

A részecskék egyszerre két helyen
is képesek jelen lenni.

Egy időben akár több dologra is képesek.

A részecskék terjedő hullámként
is tudnak viselkedni.

Kész csoda az egész.

A fizikusoknak és kémikusoknak
majdnem egy évszázadba telt,

míg hozzászoktak ehhez a furcsasághoz.

Én nem hibáztatom a biológusokat,

hogy nem akartak
kvantummechanikát tanulni.

Ugyanis ez a furcsaság
rendkívül érzékeny,

és mi fizikusok keményen dolgozunk azon,
hogy megtartsuk őket a laborunkban.

A rendszereinket az abszolút
nulla fok közelébe hűtjük,

a kísérleteket vákuumban végezzük,

ügyelve arra, hogy megfelelően izolálva
legyenek bárminemű külső hatástól.

Ez teljesen eltér az élő sejtek meleg,
zajos és zűrzavaros környezetétől.

Maga a biológia,
mint a molekuláris biológia

egész jól helyt állt az élet összes
folyamatának leírásában

a kémia nyelvén -- a kémiai reakciókkal.

Ezek mind redukciós, determinisztikus
kémiai reakciók, melyek megmutatják,

hogy az élet valójában ugyanabból
az anyagból épül fel, mint minden más,

és ha el tudunk tekinteni
a makrovilágban a kvantummechanikától,

akkor a biológia területén
is nélkülözhetjük.

Nos, egy ember mégis szembement
ezzel az elképzeléssel.

Erwin Schrödinger, a híres
Schrödinger Macskája névadója,

osztrák fizikus volt.

Egyike azoknak, akik az 1920-as években
lerakták a kvantummechanika alapjait.

A "Mi az Élet?" című könyvét
1944-ben írta meg.

Óriási hatással bírt másokra,

mint Francis Crickre és James Watsonra

a DNS kettőshélix-szerkezetének
felfedezőire.

Hogy a könyvből idézzek, azt állítja:

az élő szervezetek molekuláris szinten
valamiféle szabály szerint rendeződnek,

egy olyan struktúrában, ami teljesen eltér

az ugyanolyan bonyolultságú
élettelen anyag

molekuláinak és atomjainak
véletlenszerű hőmozgásától

Valójában az élő anyag is
hasonlóképpen viselkedik,

mint az élettelen, az abszolút nullához
közeli hőmérsékleten,

ahol a kvantumhatásoknak
fontos szerepük van.

Van valami különleges
az élő sejteken belüli struktúrában --

egyfajta szabályszerűség.

Schrödinger felvetette a kvantummechanika
esetleges szerepét az életben.

Egy roppant spekulatív,
és merész elképzelés volt,

amivel sajnos nem jutott túl messzire.

De ahogy azt az elején is említettem,

az elmúlt 10 évben,
rengeteg kísérlet tört felszínre,

melyek megmutatták,
hogy a biológia egyes jelenségei

megkívánják a kvantummechanikát.

A legizgalmasabbak közül szeretnék
önökkel párat megismertetni.

A kvantumvilágban ez az egyik
legismertebb jelenség,

az alagúthatás.

A bal oldali doboz egy részecskének,
-- olyannak, mint egy elektron --

hullámszerű, szétterülő
terjedését mutatja,

ez tehát nem golyó,
ami visszapattan a falról.

Ez egy hullám, ami egy bizonyos
valószínűséggel képes áthatolni

a tömör falon, ahogy egy lopakodó fantom
áthatol a túloldalra.

A jobb kéz felőli dobozban
egy halvány fényfolt látható.

Az alagúthatás alapján egy részecske
képes nekicsapódni egy tömör falnak,

és közben, valamilyen csoda folytán,

képes az egyik oldalról eltűnni,
és megjelenni a másikon.

A legjobb magyarázata ennek, hogy
ha egy labdát át akarunk hajítani a falon,

elég energiát kell adjunk neki,
hogy a fal fölött átjuttassuk.

A kvantumvilágban azonban
nem a fal fölött hajítjuk át,

hanem a falnak dobjuk,
és nem nulla valószínűsége annak,

hogy az oldalunkról eltűnik,
majd a másikon felbukkan.

Ez egyébként nem holmi feltételezés.

Mi ennek örülünk --
bár nem ez a jó kifejezés --

(Nevetés)

inkább mondjuk úgy,
hogy tudunk a jelenségről.

(Nevetés)

Az alagúthatás mindenütt jelen van;

valójában, a nap is emiatt süt.

A részecskék fuzionálnak egymással,
és a Nap

az alagúthatás révén a hidrogént
héliummá alakítja át.

A 70-es és 80-as években felfedezték,
hogy az élő sejtekben is

érvényesül az alagúthatás.

Az enzimek, az élet igáslovai,
a kémiai reakciók katalizátorai --

egyfajta biomolekulák, amelyek
sokszorosára gyorsítják fel

az élő sejtekben
végbemenő kémiai reakciókat.

A mai napig rejtély,
hogy mindezt hogyan csinálják.

Habár felfedezték.

hogy az enzimek által
kifejlesztett egyik trükk,

hogy képesek szubatomi részecskéket,
elektronokat és protonokat átvinni

a molekula egyik részéből a másikba,
az alagúthatást kihasználva.

Hatékony és gyors megoldás,
képes eltűnni --

a proton képes egy adott helyről
eltűnni, majd a másikon felbukkanni.

Az enzimek pedig mindebben segédkeznek.

Ezt a kutatást még
a 80-as években végezték,

főképp a Berkeley-i Judith Klinman
csoport tagjai.

Számos más brit csoportok is igazolták
a kísérlet eredményét, azaz,

hogy az enzimek valóban
így viselkednek.

A kísérletet a saját csoportom
is elvégezte --

szóval, ahogy már említettem,
magfizikus vagyok, és rájöttem,

hogy ezeket a kvantummechanikai
eszközöket, melyeket eddig csak

az atommagban alkalmazunk,
akár más területeken is használhatnánk.

Arra a kérdésre kerestük a választ,

hogy az alagúthatás vajon szerepet
játszik-e a DNS mutációjában.

Ismétlem, ez nem új keletű elmélet,
a 60-as évek elejére vezethető vissza.

A DNS két szálát, a kettős hélixet

kereszttartók fogják össze,
mint egy csigalépcsőt.

Ezek a kereszttartók hidrogénkötések --

protonok, melyek ragasztóul szolgálnak
a két szál között.

Szóval, ha ráközelítünk, láthatjuk,
hogy ezeket az óriási molekulákat

-- nukleotidokat -- fogják össze.

Közelítsünk rá még jobban!

Ez egy számítógépes szimuláció.

A középtájt látható
két fehér gömböcske két proton,

és látható a kettős hidrogénkötés.

A két szál - itt most nem látható -
függőleges vonala mentén haladva,

az egyik az egyik oldalon foglal helyet
inkább, míg a másik a másikon,

Előfordulhat az is, hogy ez a két proton
átugrik a másik oldalra.

Figyeljék a két fehér gömböt!

Képesek a túloldalra ugrani.

Amikor a DNS két fonala szétválik,
replikáció történik,

és ha a két proton nem megfelelő
pozícióban helyezkedik el,

akkor ez mutációhoz vezet.

Ez közel fél évszázada ismert.

A kérdés: Mennyire valószínű
az előfordulásuk,

és ha ez megtörténik, akkor hogyan?

Átugranak, mint a labda a falon?

Vagy alagúthatással jutnak át, annak
ellenére, hogy nincs kellő energiájuk?

A korai jelzések azt mutatják, hogy az
alagúthatásnak lehet itt szerepe.

Jelenleg nem tudjuk még,
mekkora ennek a jelentősége;

ez továbbra is nyitott kérdés.

Ez egyelőre puszta sejtés,

a kérdés mégis nagyon fontos,

ugyanis ha a kvantummechanika
szerepet játszik a mutációban,

akkor annak óriási következménye lehet

a mutációk egyes típusainak megértésében,

lehet, hogy épp azokban,
amelyek rákos elváltozást okoznak.

A kvantummechanika egy másik példája
a biológiában a kvantumkoherencia

a biológia egyik legfontosabb
folyamatában, a fotoszintézisben,

mellyel a növények és a baktériumok
a nap fényéből nyert energiával

élő anyagot hoznak létre.

A kvantumkoherencia a kvantumrészecskék
kettős viselkedésének elmélete.

Ő itt a kvantumsíelő.

Egy olyan valami,
amely hullámként viselkedik,

és nemcsak egyik
vagy másik irányba mozog,

hanem egyszerre akár több
útvonalon is képes haladni.

Pár évvel ezelőtt
a tudományos világot megdöbbentette,

amikor bizonyító erejű kísérleti
eredmények kerültek napvilágra arról,

hogy a baktériumok belsejében
kvantumkoherencia zajlik

a fotoszintézis során.

Az elképzelés szerint a fotont,
a fény részecskéjét vagy kvantumját

elnyeli egy klorofillmolekula,

majd elkerül az ún. reakcióközpontba,

ahol kémiai energiává képes átalakulni.

Az odavezető úthoz pedig nem
csak egyetlen útvonalon halad,

hanem egyszerre többön is;

kiválasztva a reakcióközponthoz vezető
optimális útvonalat,

hőveszteség nélkül.

Egy élő sejt belsejében
kvantumkoherencia zajlik!

Figyelemre méltó elmélet,

és szinte hetente jelennek meg
újabbnál újabb publikációk,

amelyek az elméletet erősítik.
A harmadik, utolsó példám

a legcsodálatosabb,
leggyönyörűbb elképzelés.

Ez is egyelőre csak sejtésen alapul,
de meg kell osszam önökkel.

Az európai vörösbegy minden ősszel

Skandináviából a Földközi-tenger
vidékére vándorol, és eközben --

sok tengeri állathoz
és rovarhoz hasonlóan --

a Föld mágneses terét érzékelve
tájékozódik.

Nos, a Föld mágneses tere
nagyon, nagyon gyenge;

egy hűtőmágnesnél 100-szor gyengébb.

Mégis valamilyen módon,
hatással van az élő szervezet kémiájára.

Ez nem kérdéses --
egy német ornitológus pár,

Wolfgang és Roswitha Wiltschko
1970-ben bebizonyították,

hogy a vörösbegy valóban képes
érzékelni a Föld mágneses terét,

és segítségével tájékozódni --
akár egy beépített iránytű.

A rejtély az volt:
Hogyan csinálja mindezt?

Nos, az egyetlen
kézzelfogható magyarázat --

nem biztos, hogy valóban ez a helyes,
de biztos, hogy az egyetlen --

hogy valószínűleg az ún.
kvantumkeveredés miatt képes rá.

A vörösbegy retinájában --

nem vicc -- a vörösbegy retinájában
létezik egy fehérje, a kriptokróm,

ami fényérzékeny.

A kriptokrómon belül egy elektronpárban
kvantum-összefonódás áll fenn.

Kvantum-összefonódásról akkor beszélünk,
amikor két távoli részecske között

mégis valami módon kapcsolat van.

Ezt az elképzelést
maga Einstein is utálta;

és "kísérteties távolhatásnak" nevezte.

(Nevetés)

Ha Einstein nem kedvelte,
akkor azt hiszem nekünk sem kell.

Két elektron egyetlen molekulában
"összefonódik" egymással,

gyengéd táncot járnak,

ami érzékeny a madár repülési útvonalára

a Föld mágneses terében.

Nem tudjuk, hogy valóban ez-e
a helyes magyarázat,

de milyen izgi lenne, ha a madarak
a kvantummechanika révén navigálnának.

A kvantumbiológia egyelőre még
nagyon gyerekcipőben jár

és csupa feltételezésekből áll.

De meggyőződésem,
hogy szilárd tudományos alapokra épül,

és abban is hiszek, hogy valamikor
az elkövetkezendő évtizedben

bebizonyosodik majd,
hogy hatással van az életre,

hogy az élet trükköket fejlesztett ki,
hogy kihasználja a kvantumvilágot.

Kísérjék figyelemmel ezt a területet!

Köszönöm.

(Taps)