Hoe kwantumbiologie de grootste vragen over het leven zou kunnen verklaren

Hoe weet een roodborstje naar het zuiden te vliegen? Het antwoord zou vreemder kunnen zijn dan je denkt: door kwantumfysica. Jim Al-Khalili geeft een overzicht van de uiterst nieuwe, uiterst vreemde wereld van de kwantumbiologie, waar iets dat Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde, vogels helpt navigeren en kwantumeffecten misschien de oorsprong van het leven zelf verklaren.

Ik wil jullie laten kennismaken
met een opkomend gebied van de wetenschap.

Nog speculatief, maar enorm spannend

en zeker een dat zeer snel groeit.

Kwantumbiologie stelt
een heel simpele vraag:

Speelt de kwantummechanica --

die rare, prachtige en krachtige theorie

van de subatomaire wereld
van atomen en moleculen

en die ten grondslag ligt aan zoveel
van de moderne natuur- en scheikunde --

ook een rol in de levende cel?

Met andere woorden:

zijn er processen, mechanismen,
verschijnselen in levende organismen

die alleen kunnen worden verklaard
door de kwantummechanica?

Nu is kwantumbiologie niet nieuw.

Ze is er al sinds de vroege jaren 30.

Maar pas in de laatste tien jaar of zo
hebben zorgvuldige experimenten --

in biochemielabs,
met behulp van spectroscopie --

heel duidelijke, harde bewijzen laten zien
dat voor bepaalde specifieke mechanismen

kwantummechanica nodig is
om ze uit te leggen.

Kwantumbiologie brengt
kwantumfysici, biochemici

en moleculair biologen samen
tot een zeer interdisciplinair vakgebied.

Ik kom uit de kwantumfysica,
dus ben ik een kernfysicus.

Ik breek al meer dan drie decennia lang
mijn hoofd over de kwantummechanica.

Een van de ontwerpers
van de kwantummechanica, Niels Bohr,

zei: “Als het je niet verbaast,
dan heb je het niet begrepen.”

Ik ben blij dat het me
nog steeds verbaast.

Dat is goed.

Het betekent dat ik de allerkleinste
structuren in het universum bestudeer,

de bouwstenen van de werkelijkheid.

Om je een idee te geven van de omvang,

begin maar bij een alledaags voorwerp,
zoals een tennisbal,

en ga van daaruit naar een steeds
kleinere orde van grootte:

het oog van een naald, een cel,
een bacterie, een enzym

tot we uiteindelijk
de nanowereld bereiken.

Nanotechnologie zal jullie wel wat zeggen.

Eén nanometer is
één miljardste van een meter.

Mijn gebied is de atoomkern,
dat kleine stipje in het atoom.

Zelfs nog kleiner op schaal.

Dit is het domein van de kwantummechanica.

Fysici en chemici hadden lange tijd nodig
om eraan te wennen.

Biologen hebben er zich volgens mij
nogal gemakkelijk vanaf gemaakt.

Ze waren al tevreden met
hun bal-en-stokmodellen van moleculen.

(Gelach)

De ballen zijn de atomen,
de stokjes de bindingen tussen de atomen.

En als ze ze niet fysiek
in het lab kunnen bouwen,

dan kunnen ze nu
met zeer krachtige computers

grote moleculen simuleren.

Dit is een eiwit met 100.000 atomen.

Je hebt niet veel kwantummechanica nodig
om het te verklaren.

Kwantummechanica werd ontwikkeld
in de jaren 20.

Het is een reeks mooie en krachtige
wiskundige regels en ideeën

om de wereld van het zeer kleine
te verklaren.

Een heel andere wereld

dan onze alledaagse wereld
van biljoenen atomen.

Het is een wereld
gebouwd op kans en toeval.

Het is een wazige wereld.

Het is een wereld van fantomen,

waar de deeltjes zich ook kunnen gedragen
als uitdijende golven.

Als we ons kwantummechanica
of kwantumfysica

als de fundamentele basis
van de werkelijkheid zelf voorstellen,

dan is het niet verwonderlijk
dat we zeggen:

kwantumfysica ondersteunt
de organische chemie.

Ze vertelt ons immers volgens welke regels

de atomen in elkaar passen
om organische moleculen te vormen.

Organische chemie,
opgeschaald in complexiteit,

geeft ons de moleculaire biologie,
wat uiteraard leidt tot leven zelf.

Eigenlijk moet het ons niet verbazen.

Het is bijna vanzelfsprekend.

Je zal zeggen:
"Wel, natuurlijk moet leven

uiteindelijk afhangen
van de kwantummechanica."

Maar dat geldt voor alles.

Alle levenloze materie,
samengesteld uit triljoenen atomen.

Uiteindelijk bereiken we een kwantumniveau

waar we ons wel moeten
verdiepen in deze rariteit.

Maar voor het dagelijks leven
hoeft dat niet.

Want als je eenmaal
biljoenen atomen bij elkaar hebt,

lost die kwantumrariteit
zich vanzelf op.

Daar gaat kwantumbiologie niet over.

Kwantumbiologie is niet
voor de hand liggend.

Natuurlijk onderbouwt
kwantummechanica het leven

op een of ander moleculair niveau.

Kwantumbiologie gaat over het zoeken
naar de niet-triviale,

de contra-intuïtieve ideeën
in de kwantummechanica,

om te zien of ze inderdaad
een belangrijke rol spelen

in de beschrijving
van de processen van het leven.

Hier is mijn perfecte voorbeeld
van de contra-intuïtiviteit

van de kwantumwereld: de kwantumskiër.

Hij lijkt intact en volkomen gezond,

toch lijkt hij tegelijkertijd

rond beide zijden van de boom
te zijn gegaan.

Als je dergelijke sporen zag,

zou je natuurlijk denken
dat het een soort stunt was.

Maar in de kwantumwereld
gebeurt dit constant.

Deeltjes kunnen multitasken,
ze kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn.

Ze kunnen meer dan één ding
tegelijkertijd doen.

Deeltjes kunnen zich gedragen
als uitdijende golven.

Het is bijna magie.

Fysici en chemici hadden
bijna een eeuw nodig

om te wennen aan deze rariteit.

Ik verwijt het de biologen niet

dat ze geen kwantummechanica
wilden of hoefden te leren.

Deze rariteit is iets heel delicaats.

Wij natuurkundigen doen ons best
om ze in onze labs te houden.

We koelen ons systeem af tot in de buurt
van het absolute nulpunt,

we doen onze experimenten in een vacuüm,

we proberen alle externe
storingen te vermijden.

Dat is heel anders
in de warme, rommelige,

onrustige omgeving van een levende cel.

De biologie, met name
de moleculaire biologie,

lijkt er goed aan te hebben gedaan

de levensprocessen te beschrijven
in termen van chemische reacties.

Het zijn reductionistische,
deterministische chemische reacties,

wat aantoont dat leven in essentie

is gemaakt van hetzelfde materiaal
als al het andere,

en als we in de macrowereld
de kwantummechanica kunnen vergeten,

dan kan dat toch ook in de biologie, niet?

Iemand ging daar niet mee akkoord:

Erwin Schrödinger,
die van de beroemde Schrödinger kat,

een Oostenrijks natuurkundige.

Hij was een van de ontwerpers
van de kwantummechanica in de jaren 20.

In 1944 schreef hij een boek
met de titel 'Wat is Leven?'.

Het was enorm invloedrijk.

Het beïnvloedde Francis Crick
en James Watson,

de ontdekkers van
de dubbele-helixstructuur van DNA.

Hij zegt bijvoorbeeld ergens:

“Op moleculair niveau hebben
levende organismen een bepaalde orde,

een structuur die heel anders is

dan het willekeurige thermodynamische
getuimel van atomen en moleculen

in levenloze materie
van dezelfde complexiteit.

In feite lijkt levende materie
zich te gedragen

in de orde, in een structuur,

als levenloze materie afgekoeld
tot in de buurt van het absolute nulpunt,

waar de kwantumeffecten
een zeer belangrijke rol spelen.

Er is iets bijzonders aan de structuur
-- de orde -- in een levende cel.

Schrödinger speculeerde dus

dat kwantummechanica
misschien een rol speelt in het leven.

Het is een zeer speculatief, vergaand idee

en het bracht het niet erg ver.

Maar zoals ik in het begin zei,

zijn er in de laatste 10 jaar
proeven geweest

die voor een aantal verschijnselen
in de biologie

kwantummechanica lijken nodig te hebben.

Ik wil een aantal opwindende
daarvan met jullie delen.

Dit is een van de meest bekende
verschijnselen in de kwantumwereld:

kwantumtunneling.

Het vak links toont de golfachtige,
uitwaaierende distributie

van een kwantumentiteit
-- een deeltje, zoals een elektron,

dat niet als een balletje
tegen een muur stuitert.

Het is een golf die zich
met een zekere waarschijnlijkheid

door een stevige wand
heen kan verplaatsen,

zoals een spook door een muur.

Je kunt een vage lichtvlek zien
in het rechtervak.

Kwantumtunneling suggereert
dat een deeltje

door een ondoordringbare
barrière kan geraken

en op een of andere manier,
als bij toverslag,

aan de ene kant kan verdwijnen
om aan de andere kant weer op te duiken.

De mooiste manier om het uit te leggen is
als je een bal over een muur wilt gooien,

moet je hem genoeg energie meegeven
om over de muur te geraken.

In de kwantumwereld hoef je hem
niet over de muur te gooien.

Gooi hem maar tegen de muur

en het kan zijn dat hij
aan jouw kant zal verdwijnen

en aan de andere kant weer verschijnen.

Dat zuig ik niet uit mijn duim.

We zijn blij -- nou ja, 'blij'
is nu niet het juiste woord --

(Gelach)

We zijn ermee vertrouwd.

(Gelach)

Kwantumtunneling gebeurt de hele tijd.

Het is in feite de reden
dat de zon schijnt.

De deeltjes fuseren

en de zon zet waterstof om
in helium door kwantumtunneling.

In de jaren 70 en 80 werd ontdekt
dat kwantumtunneling

ook plaats vindt binnen levende cellen.

Enzymen, de werkpaarden van het leven,
de katalysatoren van chemische reacties,

zijn biomoleculen die de snelheid
van chemische reacties in levende cellen

met vele ordes van grootte opdrijven.

Het is nog altijd een raadsel
hoe ze dit doen.

Men ontdekte dat een van de trucs
die enzymen ontwikkelden,

bestond uit het overdragen
van subatomaire deeltjes,

zoals elektronen en protonen,

van één deel van een molecuul
naar een ander, door kwantumtunneling.

Het is efficiënt en snel;

een proton kan op de ene plaats
verdwijnen en ergens anders verschijnen.

Enzymen helpen daarbij.

Dit is onderzoek uit de jaren 80,

met name door een groep
in Berkeley, Judith Klinman.

Andere Britse groepen hebben nu bevestigd

dat enzymen dit echt doen.

Uit onderzoek van mijn groep --

ik zei al dat ik kernfysicus was,

maar ik realiseerde me dat ik deze tools
van de kwantummechanica van atoomkernen

ook op andere gebieden kon toepassen --

Een vraag was of kwantumtunneling
een rol speelt bij mutaties in DNA.

Nogmaals, dit is niet nieuw.
Het gaat terug naar de vroege jaren 60.

De twee strengen van DNA,
de dubbele-helixstructuur,

worden bijeengehouden door sporten,
net een gedraaide ladder.

Die sporten zijn waterstofbruggen:

protonen die de twee strengen
bij elkaar houden.

Ze houden deze grote moleculen,

de nucleotiden, samen.

Zoom nog wat in.

Dit is een computersimulatie.

De twee witte ballen
in het midden zijn protonen.

Je kunt zien dat het
een dubbele waterstofbinding is.

De ene wil aan de ene kant zitten,
de andere aan de andere kant

van de twee strengen van verticale lijnen

die naar beneden lopen
en die je niet kunt zien.

Het kan gebeuren dat deze twee protonen
over kunnen springen.

Kijk naar de twee witte ballen.

Ze kunnen naar de andere kant springen.

Als de twee strengen van DNA
dan uit elkaar gaan,

waardoor het replicatieproces begint,

en de twee protonen
in de verkeerde posities staan,

kan dit leiden tot een mutatie.

Dat weten we al een halve eeuw.

De vraag is: hoe waarschijnlijk
is het dat ze dat doen,

en als ze het doen,
hoe doen ze het dan?

Springen ze over,
net zoals de bal over de muur?

Of kunnen ze kwantumtunnelen,
zelfs als ze niet genoeg energie hebben?

Vroege indicaties suggereren
dat kwantumtunneling een rol kan spelen.

We weten nog steeds niet
hoe belangrijk het is,

het is nog een open vraag.

Het is speculatief,

maar het is een van die vragen
die zo belangrijk is

omdat als kwantummechanica
een rol speelt bij mutaties

dit zeker grote consequenties heeft

voor het begrijpen van die mutaties.

Misschien zelfs degenen die leiden
tot het ontstaan van kankercellen.

Een ander voorbeeld van kwantummechanica
in de biologie is 'kwantumcoherentie',

in een van de belangrijkste
processen in de biologie,

namelijk de fotosynthese:
hoe planten en bacteriën

de energie van het zonlicht gebruiken
om biomassa aan te maken.

Kwantumcoherentie is het idee
van multitasking door kwantumentiteiten.

Het is de kwantumskiër.

Het is een object
dat zich gedraagt als een golf,

zodat het zich niet alleen beweegt
in de ene of de andere richting,

maar meerdere paden tegelijk kan volgen.

Enkele jaren geleden werd de wereld
van de wetenschap geschokt,

toen een document werd gepubliceerd
met experimenteel bewijs

dat kwantumcoherentie in bacteriën

bij de fotosynthese plaatsvindt.

Het idee is dat het foton,
het lichtdeeltje, het zonlicht,

het lichtkwantum gevangen
door een chlorofylmolecuul,

naar het zogenaamde
reactiecentrum wordt gebracht,

waar het wordt omgezet
in chemische energie.

Daar geraakt het niet
via één enkele route,

maar via meerdere routes tegelijk

om op de meest efficiënte manier
het reactiecentrum te bereiken

zonder als restwarmte te worden afgevoerd.

Kwantumcoherentie vindt plaats
in een levende cel.

Een opmerkelijk idee,

en toch verschijnen bijna wekelijks
nieuwe papers met bewijsmateriaal

die bevestigen dat dit inderdaad gebeurt.

Mijn derde en laatste voorbeeld
is het mooiste, het prachtigste idee.

Ook nog zeer speculatief,
maar ik moet het vertellen.

Het Europese roodborstje
migreert ieder najaar

van Scandinavië naar de Middellandse Zee.

Net als veel zeedieren en zelfs insecten

navigeren ze op basis
van het aardmagnetisch veld.

Dat magnetisch veld is zeer, zeer zwak.

Wel 100 keer zwakker
dan een koelkastmagneet,

en toch is het op de een
of andere manier van invloed

op de chemie in een levend organisme.

Daarover bestaat geen twijfel
- een Duits echtpaar van ornithologen,

Wolfgang en Roswitha Wiltschko
bevestigden in de jaren 70

dat het roodborstje zijn weg vindt
door het aardmagnetisch veld te voelen.

Het krijgt richtingsinformatie
met een ingebouwd kompas.

Maar: hoe werkt het?

De enige theorie die we hebben --

we weten niet of het juist is,
maar we hebben niets anders --

is dat dat gaat door wat we noemen
kwantumverstrengeling.

In het netvlies van het roodborstje --

ik hou je niet voor de gek --

in het netvlies van het roodborstje
zit het eiwit cryptochroom,

dat lichtgevoelig is.

In cryptochroom zijn een paar elektronen
kwantumverstrengeld.

Kwantumverstrengeling betekent
dat twee deeltjes ver uit elkaar,

toch ergens in contact met elkaar blijven.

Zelfs Einstein haatte dit idee.

Hij noemde het
‘spookachtige actie op afstand’.

(Gelach)

Als Einstein het al niet leuk vond,

hoe zit het dan met ons?

Twee kwantumverstrengelde elektronen
in één enkel molecuul

dansen een delicate dans

die zeer gevoelig is voor de richting
waarin de vogel vliegt

in het aardmagnetisch veld.

We weten niet
of het de juiste verklaring is,

maar zou het niet spannend zijn

als kwantummechanica
vogels hielp navigeren?

Kwantumbiologie
staat nog in de kinderschoenen.

Ze is nog steeds speculatief.

Maar ik denk dat ze gebouwd is
op solide wetenschap.

Ik denk ook dat we
in de komende tien jaar of zo

gaan inzien dat ze
het hele leven doordringt,

dat het leven trucs heeft ontwikkeld
die gebruik maken van de kwantumwereld.

Hou het in de gaten.

Dankjewel.

(Applaus)