Cum ar putea explica biologia cuantică marile întrebări ale vieţii

Cum știe un măcăleandru să zboare spre sud? Răspunsul ar putea fi mai ciudat decât credeți: ar putea ține de fizica cuantică. Jim Al-Khalili rezumă lumea extrem de nouă, extrem de extravagantă a biologiei cuantice, în care ceva ce Einstein a numit „acțiune macabră la distanță" ajută păsările să navigheze, în care mecanismele cuantice ar putea explica chiar originea vieții.

Aş vrea să vă fac cunoştinţă
cu o nouă ramură a ştiinţei,

una încă speculativă,
dar extrem de incitantă,

şi care, cu siguranţă,
se dezvoltă în mod spectaculos.

Biologia cuantică își pune
o întrebare foarte simplă:

Oare mecanica cuantică,

acea teorie ciudată,
minunată şi puternică

despre lumea subatomică
a moleculelor și atomilor,

care susţine atât de mult
fizica şi chimia modernă,

se manifestă și în cadrul celulei vii?

Cu alte cuvinte: există procese,
mecanisme, fenomene

în cadrul organismelor vii
care pot fi explicate

doar cu ajutorul mecanicii cuantice?

Biologia cuantică nu e ceva nou;

se studiază de pe la începutul anilor '30.

Dar abia în ultimii zece ani,
experimente meticuloase

– în laboratoare de biochimie,
folosind spectroscopie –

au dovedit clar că există
unele mecanisme specifice

ce pot fi explicate doar
prin mecanica cuantică.

Biologia cuantică alătură
fizicieni cuantici, biochimiști,

biologi moleculari –
e un domeniu interdisciplinar.

Eu vin din zona mecanicii cuantice,
deci sunt fizician nuclear.

Am petrecut peste trei decenii

încercând să înțeleg mecanica cuantică.

Unul dintre fondatorii
mecanicii cuantice, Niels Bohr,

a zis: „Dacă nu ești uimit de ea,
atunci nu ai înțeles-o.”

Sunt fericit că încă sunt uimit de ea.

E un lucru bun.

Dar asta înseamnă că studiez
cele mai mici structuri din Univers,

fundația realității.

Dacă ne gândim la
scara de mărimi a lucrurilor,

începeți cu un obiect obișnuit,
o minge de tenis

şi micşoraţi-i dimensiunea

la ochiul unui ac, la o celulă,
la o bacterie, la o enzimă

și veți ajunge în universul nano.

Probabil ați mai auzit de nanotehnologie.

Un nanometru e a miliarda parte
a unui metru.

Domeniul meu este nucleul atomic,
acel punct minuscul din atom.

E chiar mai mic, în comparație.

Acesta este domeniul mecanicii cuantice,

iar fizicienii și chimiștii
au avut destul timp

să încerce să se
obișnuiască cu el.

De cealaltă parte, biologii
au scăpat ieftin, părerea mea.

Sunt fericiți cu modelele lor de molecule
din mingiuțe și bastonașe.

(Râsete)

Mingiuțele sunt atomii, bastonașele,
legăturile dintre atomi.

Şi de nu pot să le construiască
fizic în laborator,

la ora actuală dispun
de calculatoare foarte puternice

care pot simula o moleculă uriașă.

Aceasta este o proteină
alcătuită din 100 000 de atomi.

Nu este nevoie de foarte multă
mecanică cuantică pentru a o explica.

Mecanica cuantică
a fost dezvoltată în anii 1920.

E formată din reguli și idei
matematice frumoase și puternice,

care explică lumea minusculă.

O lume care e foarte diferită
de lumea noastră obișnuită,

făcută din trilioane de atomi.

E o lume construită
pe probabilitate și șansă.

O lume neclară.

O lume a fantomelor,

unde particulele
se pot comporta și ca unde.

Dacă ne imaginăm mecanica,
fizica cuantică

ca fiind fundația realității în sine,

putem afirma că mecanica cuantică
susține chimia organică.

Până la urmă, ea ne dă
regulile care ne spun

cum se potrivesc atomii
pentru a forma molecule organice.

Chimia organică,
amplificată în complexitate,

dă biologia moleculară,
care duce, desigur, la viața în sine.

Deci, într-un fel,
nu e deloc surprinzător.

E aproape banal.

Veți zice: „Evident, până la urmă,
viața depinde de mecanica cuantică."

Dar la fel și toate celelalte.

La fel și toată materia neanimată,
– alcătuită din trilioane de atomi –

și ea există un nivel cuantic,

și noi trebuie să ne scufundăm
în ciudățenia asta.

Însă în viața de zi cu zi,
putem să uităm de ea.

Fiindcă odată ce se îmbină
trilioane de atomi,

această ciudățenie cuantică dispare.

Biologia cuantică nu se ocupă de asta.

Biologia cuantică nu e atât de evidentă.

Bineînțeles că mecanica cuantică
susține viața la nivel molecular.

Biologia cuantică încearcă
să găsească non-trivialul,

– ideile countraintuitive
din mecanica cuantică –

și să verifice dacă, într-adevăr,
ele joacă un rol important

în explicarea proceselor vieții.

Iată exemplul meu perfect pentru
cât de contraintuitivă e lumea cuantică.

Acesta e schiorul cuantic.

Pare întreg, complet sănătos,

totuși se pare că a ocolit același copac
pe ambele părți, în același timp.

Dacă i-ați vedea urmele,

ați zice că e o scamatorie, desigur,

dar în lumea cuantică așa ceva
se întâmplă tot timpul.

Particulele pot face multitasking,
pot fi în două locuri simultan.

Pot face mai multe lucruri odată.

Particulele se pot comporta
ca unde împrăștiate.

E aproape magic.

Fizicienii și chimiștii au avut
aproape un secol la dispoziţie

să se obișnuiască cu ciudățenia asta.

Nu-i învinovățesc pe biologi

că nu trebuie sau nu vor
să învețe mecanica cuantică.

Ciudățenia asta e foarte delicată;

iar noi fizicienii, lucrăm din greu
să o menținem în laboratoarele noastre.

Aducem sistemul la aproape zero absolut,

facem experimentele în vid,

încercăm să le izolăm de orice
factor perturbator extern.

E foarte diferit de mediul cald,
dezordonat, zgomotos dintr-o celulă vie,

Biologia, dacă ne gândim la
biologia moleculară,

pare a descrie foarte bine
toate procesele vieţii

din punct de vedere chimic,
prin reacții chimice.

Acestea sunt reacții chimice
reducționiste, deterministe,

ce arată că, în esență, viața e formată
din aceleaşi chestii ca restul lucrurilor

și, dacă putem ignora
mecanica cuantică în lumea macro,

atunci o putem ignora și în biologie.

Un om nu a fost
de acord cu această idee.

Erwin Schrödinger,
faimos pentru pisica lui,

a fost un fizician austriac.

A fost unul din fondatorii
mecanicii cuantice în anii '20.

În 1944, a scris o carte
numită „Ce este viața?"

A fost extraordinar de influentă.

I-a influențat pe Francis Crick
și pe James Watson,

descoperitorii structurii
dublu-helicoidale a ADN-ului.

Parafrazând o descriere din carte:

La nivel molecular, organismele vii
au o anumită ordine, o structură,

care este foarte diferită

de aglomerările termodinamice aleatoare
ale atomilor și moleculelor

din materia neînsuflețită
de aceeași complexitate.

De fapt, materia vie pare a se comporta
în această ordine, într-o structură,

exact ca materia neînsuflețită
răcită până aproape de zero absolut,

unde influențele cuantice
joacă un rol foarte important.

E ceva foarte special în structura,
în ordinea dintr-o celulă vie.

Schrödinger a speculat că e posibil ca
mecanica cuantică să aibă un rol în viață.

E o idee foarte speculativă, influentă,

care nu a ajuns prea departe.

Dar am menționat la început,

în ultimii 10 ani, au apărut experimente

care necesitată mecanica cuantică
în explicarea unor fenomenele biologice.

Vreau să vă împărtășesc
doar câteva dintre cele interesante.

Acesta e unul dintre cele mai cunoscute
fenomene din lumea cuantică,

efectul tunel.

Căsuța din stânga arată
distribuția odulatorie, extinsă,

a unei entități cuantice,
– particulă, electron –

care nu e o mingiuță
care sare de pe un perete.

E o undă cu o anumită probabilitate
de penetrare a unui perete solid,

ca o fantomă
care trece în partea cealaltă.

Puteți vedea o pată vagă de lumină
în căsuța din partea dreaptă.

Efectul tunel sugerează că o particulă
poate întâlni o barieră impenetrabilă,

totuși, cumva, ca prin farmec,

poate să dispară într-o parte
și să reapară în cealaltă.

Cel mai ușor mod de explicat e:
când vrei să arunci mingea peste un zid,

trebuie să-i dai destulă energie
să treacă peste zid.

În lumea cuantică, nu trebuie
să o arunci peste zid,

poți s-o arunci și în zid
și există o probabilitate nenulă sigură

că va dispărea din partea ta de zid
și va apărea în cealaltă parte.

Asta nu e speculație.

Suntem fericiți – „fericiți"
nu e cuvântul potrivit...

(Râsete)

...suntem obișnuiți cu asta.

(Râsete)

Efectul tunel are loc tot timpul;

de fapt, e motivul pentru care
strălucește Soarele.

Particulele fuzionează

și Soarele transformă hidrogenul
în heliu prin efectul tunel.

În anii '70 și '80, s-a descoperit
că efectul tunel apare și în celulele vii.

Enzimele – muncitori neobosiți ai vieții,
catalizatorii reacțiilor chimice –

sunt biomolecule care accelerează
reacțiile chimice în celulele vii,

cu multe, multe ordine de mărime.

Cum reușesc să facă asta
a fost întotdeauna un mister.

S-a descoperit că unul din trucurile
dezvoltate evolutiv de către enzime

e transferul de particule subatomice,
– electroni și chiar protoni –

dintr-o parte în alta a moleculei,
prin efectul tunel.

E eficient, e rapid, poate dispărea,

– un proton poate să dispară
dintr-o parte și să apară în cealaltă.

Enzimele favorizează asta.

Acest studiu s-a efectuat în anii '80,

de către un grup din Berkeley,
Judith Klinman.

Alte grupuri din Marea Britanie
au confirmat și ele că enzimele fac asta.

Cercetări făcute de grupul meu...

Am spus, sunt fizician nuclear,

dar am realizat că uneltele
mecanicii cuantice

folosite la nucleele atomice
se pot folosi și în alte domenii.

O întrebare pe care ne-am pus-o

a fost dacă efectul tunel
joacă vreun rol în mutațiile din ADN.

Nici asta nu e o idee nouă;
a apărut la începutul anilor '60.

Cele două lanțuri din ADN,
structura de dublu-helix,

sunt legate prin trepte;
ca o scară răsucită.

Treptele scării
sunt legături de hidrogen:

protoni, cu rol de lipici
între cele două lanțuri.

Dacă mărim imaginea, vedem că ele țin
moleculele mari – nucleotidele – împreună.

Să mărim mai mult.

E o simulare computerizată.

Cele două mingi albe din mijloc
sunt protoni,

observați că e o legătură
dublă de hidrogen.

Una preferă să stea pe o parte;
cealaltă, pe cealaltă parte

a celor două lanțuri, ale verticalelor
care merg în jos și nu sunt vizibile.

Se poate întâmpla ca acești doi protoni
să sară de cealaltă parte.

Priviți cele două mingi albe.

Pot sări către cealaltă parte.

Dacă cele două lanțuri de ADN se separă,
pentru procesul de replicare,

și cei 2 protoni sunt în poziții greșite,
poate apărea o mutație.

Știm asta de o jumătate de secol.

Întrebarea e cât de probabil e
ca ei să facă asta

și, dacă o fac, cum o fac?

Sar peste, ca mingea
care trece peste zid,

sau prin efectul tunel trec direct acolo,
chiar fără destulă energie?

Indicațiile precoce arată că efectul tunel
poate juca un rol aici.

Încă nu știm cât de important e acesta;

rămâne o întrebare deschisă.

E speculativă,

dar e una din întrebările
extrem de importante

fiindcă, dacă efectul tunel
are rol în mutații,

asta are o mulțime de implicații
în înțelegerea anumitor tipuri de mutații,

chiar a celor care duc la transformarea
în celule canceroase.

Un alt exemplu al mecanicii cuantice
în biologie e coerența cuantică

într-unul din cele mai importante
procese biologice, fotosinteza:

plantele și bacteriile iau lumina solară

și o folosesc pentru a produce biomasă.

Coerența cuantică înseamnă
entități cuantice în multitasking.

E schiorul cuantic.

E un obiect care se comportă ca o undă,

astfel încât nu se mișcă doar
într-o direcție sau în alta,

poate urma mai multe cărări
în același timp.

Acum câțiva ani,
lumea științei a fost şocată

la publicarea unei lucrări
cu dovezi experimentale

dovedind coerența cuantică din bacterii
în timpul fotosintezei.

Ideea e că fotonul,
– particula de lumină, lumina solară,

cuanta de lumină –
captată de o moleculă de clorofilă,

e apoi transmisă la centrul de reacție,

unde poate fi transformată
în energie chimică.

Nu ajunge acolo pe un singur traseu,
ci pe mai multe simultan,

optimizând calea cea mai eficientă
spre centrul de reacţie,

fără a se disipa ca pierdere de căldură.

Coerență cuantică
într-o celulă vie.

O idee remarcabilă,

iar dovezile se înmulțesc aproape
săptămânal, cu apariția a noi articole

care confirmă că acest lucru are loc.

Al treilea și ultimul meu exemplu
e cea mai frumoasă și minunată idee.

E încă o speculație,
dar trebuie să v-o împărtășesc.

Măcăleandrul european
migrează din Scandinavia

spre sud, către Mediteraneană,
în fiecare toamnă

și, ca multe alte animale marine
și chiar insecte,

el navighează percepând
câmpul magnetic terestru.

Câmpul magnetic terestru
este foarte, foarte slab;

de 100 de ori mai slab
decât un magnet de frigider,

şi totuși afectează cumva
chimia dintr-un organism viu.

Nu ne îndoim de acest lucru.
Doi ornitologi germani,

Wolfgang şi Roswitha Wiltschko,
au demonstrat în anii '70, că într-adevăr,

măcăleandrul își găsește drumul
percepând cumva câmpul magnetic terestru

pentru informații direcționale,
având o busolă încorporată.

Enigma, misterul era:
Cum reușește asta?

Ei bine, singura teorie existentă

– nu știm dacă corectă,
dar e singura existentă –

e că reușește prin entanglement cuantic,
cuplare cuantică.

În retina măcăleandrului,

– nu vă mint – e o proteină,
numită criptocrom, sensibilă la lumină.

În cadrul criptocromului, o pereche
de electroni sunt entanglați cuantic.

Entanglarea cuantică apare când
două particule sunt depărtate,

însă rămân cumva
în legătură una cu cealaltă.

Până și Einstein ura ideea: a numit-o
„acțiune macabră la distanță.”

(Râsete)

Dacă nici lui Einstein nu i-a plăcut,
avem voie și noi.

Doi electroni entanglați cuantic
într-o singură moleculă

dansează un dans delicat, sensibil
la direcția în care zboară pasărea

în câmpul magnetic terestru.

Nu știm dacă e explicația corectă,

dar nu ar fi incredibil dacă mecanica
cuantică ar ajuta păsările să navigheze?

Biologia cuantică se află încă la început.

Este încă speculativă.

Dar eu cred că se bazează
pe știință solidă.

Mai cred și că în următorii zece ani

vom vedea că, de fapt,
ea insuflă viața,

că lumea vie a evoluat
prin mecanisme cuantice.

Priviți acest spațiu.

Mulțumesc.

(Aplauze)