Hur kvantbiologi skulle kunna besvara livets största frågor

Hur vet en rödhake hur den ska flyga söderut? Svaret kan kanske vara konstigare än du tror: Kvantfysik kan vara inblandad. Jim Al-Khalili summerar den extremt nya, extremt konstiga kvantbiologiska världen, där något som Einstein en gång kallade "kuslig påverkan på avstånd" hjälper fåglar att navigera, och kvantmekanikens effekter kan kanske förklara själva ursprunget till livet.

Jag vill introducera er för
ett framväxande område inom vetenskapen,

ett som fortfarande är spekulativt
men enormt spännande,

och absolut ett som växer mycket snabbt.

Kvantbiologin ställer
en mycket enkel fråga:

Om kvantmekaniken,

denna märkliga och fantastiska
och kraftfulla teori

om den subatomära världen
av atomer och molekyler

som ligger till grund för så mycket
av modern fysik och kemi

även har en uppgift
inuti de levande cellerna?

Med andra ord: finns det processer,
mekanismer, fenomen

i levande organismer
som endast kan förklaras

med hjälp av kvantmekaniken?

Visst, kvantbiologin är inte ny;

den har funnits sedan tidigt 30-tal.

Men det är endast under det senaste
decenniet som noggranna experiment

på biokemiska laboratorier,
med hjälp av spektroskopi

tydligt har visat säkra bevis på att
där finns vissa specifika mekanismer

där kvantmekaniken behövs
för att förklara dem.

Kvantbiologi för samman
kvantfysiker, biokemister,

molekylärbiologer - det är ett väldigt
ämnesöverskridande område.

Jag kommer från kvantfysiken,
jag är kärnfysiker.

Jag har ägnat mer än tre årtionden

med att söka förståelse om kvantmekanik.

En av grundarna
till kvantmekaniken, Niels Bohr,

sa: om du inte förbluffas av det,
så har du inte förstått det.

Så jag är faktiskt glad över
att jag fortfarande förbluffas.

Det är härligt.

Det innebär att jag studerar de absolut
minsta strukturerna i universum,

verklighetens byggblock.

Om vi tänker oss en storleksskala

som utgår från ett vardagligt föremål
som en tennisboll

och går ner i storleksordning

från ett nålsöga ner till en cell,
ner till en bakterie, ner till ett enzym

kommer man så småningom
ner till nanovärlden.

Nanoteknik är säkert en term
som du hört talas om.

En nanometer är en miljarddels meter.

Mitt område är atomkärnan
som är den lilla pricken inuti en atom.

Den är till och med ännu mindre.

Detta är kvantmekanikens domän,

och fysiker och kemister
har haft gott om tid

att vänja sig vid det.

Biologer har å andra sidan klarat sig
lindrigt undan, som jag ser det.

De är nöjda med sina molekylmodeller
med kulor och pinnar.

(Skratt)

Kulorna är atomer, pinnarna är
bindningarna mellan atomerna.

Och när de inte kan bygga dem
fysiskt i labbet,

kan de idag ta till kraftfulla datorer

som simulerar en väldigt stor molekyl.

Detta är ett protein som byggs upp
av 100 000 atomer.

Det behövs inte så mycket
kvantmekanik för att förklara det.

Kvantmekaniken utvecklades på 1920-talet.

Det är en uppsättning av vackra
och kraftfulla matematiska lagar och idéer

som förklarar den minsta av världar.

Och det är en värld som är väldigt olik
den vanliga världen,

bestående av biljontals atomer.

Det är en värld som är byggd på
sannolikheter och slumpen.

Det är en diffus värld.

Det är en värld av spöken,

där partiklar också kan uppföra sig
som vågor som sprids.

Om vi tänker oss kvantmekanik
eller kvantfysik,

som grunden för själva verkligheten,

då är det inte konstigt att vi säger
att kvantfysik

är grunden till den organiska kemin.

Den ger ju oss de regler som beskriver

hur atomer passar ihop
för att bilda organiska molekyler.

Organisk kemi som skalas upp
i komplexitet,

ger oss molekylärbiologi,
som ger upphov till själva livet.

Så på ett sätt är det inte förvånande.

Det är nästan trivialt.

Ni säger, "Ja, självklart är livet
ytterst beroende av kvantmekanik."

Men det är ju allting annat också.

Det är all livlös materia,
som består av biljoner atomer.

Ytterst finns det en kvantnivå

där vi måste ta tag i dessa konstigheter.

Men i det dagliga livet
kan vi strunta i det.

Eftersom då du väl har satt ihop
biljontals atomer,

kommer de konstiga kvantgrejerna
att bli oviktiga.

Kvantbiologi handlar inte om detta.

Kvantbiologin är inte det här uppenbara.

Naturligtvis ligger kvantmekaniken
till grund för livet på molekylärnivå.

Kvantbiologi söker efter
det som inte är trivialt,

de bakvända idéerna i kvantmekaniken,

och för att se om de faktiskt
spelar en viktig roll

i beskrivningen av livsprocesserna.

Här är mitt perfekta exempel på bakvändhet

i kvantvärlden.

Här är en kvantskidåkare.

Han verkar vara intakt,
han verkar vara helt frisk.

men ändå ser det ut som om han har
rundat trädet på båda sidor på en gång.

Om du såg spår som detta,

skulle du förstås tro
att det var ett trick.

Men i kvantvärlden
händer detta hela tiden.

Partiklar kan multitaska
och vara på två ställen samtidigt

De kan göra mer än en sak samtidigt.

Partiklar kan bete sig som spridda vågor.

Det är nästan magiskt.

Fysiker och kemister har haft
nästan ett århundrade

med att försöka vänja sig
vid dessa konstigheter.

Jag förstår att biologerna

varken behöver eller vill
lära sig kvantmekanik.

De här konstigheterna är mycket känsliga,

och vi fysiker jobbar hårt för att
kunna ha dem i våra labb.

Vi kyler ner våra system
till nära absoluta nollpunkten,

vi utför våra experiment i vaakum,

vi försöker isolera dem
från alla yttre störningar.

Helt skilt från den varma, stökiga,
högljudda miljön i en levande cell.

Biologin, om du tänker på
molekylärbiologi,

verkar ha klarat sig bra med att
beskriva alla livets processer

med kemiska termer, kemiska reaktioner.

Och detta är reduktionistiska,
determiniska kemiska reaktioner,

som visar att livet är uppbyggt
av samma saker som allting annat,

och om vi kan strunta i
kvantmekaniken i makrovärlden,

så borde vi kunna strunta i den
inom biologin också.

Men en man såg annorlunda på saken.

Erwin Schrödinger,
med sin berömda Schrödingers katt,

var en österrikisk fysiker.

Han var en av grundarna
av kvantmekaniken på 1920-talet.

1944 skrev han en bok
som heter "What is life?"

Den var oerhört inflytelserik.

Den influerade Francis Crick
och James Watson,

de som upptäckte DNA:s
dubbelhelix-struktur.

För att citera en beskrivning i boken,
säger han:

På molekylärnivå har levande organismer
en speciell ordning,

en egen struktur som är väldigt olik

den slumpvisa termodynamiska trängseln
av atomer och molekyler

i icke levande material
av samma komplexitet.

Faktum är att levande materia verkar
bete sig på det här sättet, i en struktur,

precis som livlös materia som är nerkyld
till nära absoluta nollpunkten,

där kvantmekaniska effekter
spelar en viktig roll.

Det är något speciellt med
strukturen, ordningen

inuti levande celler.

Så, Schrödinger spekulerade i
att kvantmekaniken kanske påverkade livet.

Det är en väldigt spekulativ,
långtgående idé,

och den kom inte så långt.

Men som jag nämnde i början,

under de senaste 10 åren,
har det utvecklats experiment.

som visar var några av
dessa speciella biologiska fenomen

faktiskt verkar behöva kvantmekanik.

Jag vill dela med mig
av några få spännande exempel.

Detta är ett av de mest välkända fenomenen
inom kvantvärlden,

tunneleffekt.

Lådan till vänster visar den våglika,
spridningsfördelningen

av en kvantenhet,
en partikel, som en elektron,

som inte är en liten boll
som studsar mot väggen.

Det är en vågrörelse som har en speciell
sannolikhet av att kunna passera

igenom en fast vägg, som ett spöke
som glider igenom till andra sidan.

Ni kan se en svag ljusfläck
i den högra lådan.

Tunneleffekt innebär att en partikel
kan stöta på en ogenomtränglig barriär,

och ändå på något sätt, som magi,

försvinna från en sida och dyka upp
på den andra.

Det bästa sättet att förklara det på är
om du vill kasta en boll över en mur,

så måste du ge den tillräckligt
med energi för att nå över krönet.

I kvantvärlden behöver du inte
kasta den över muren,

du kan kasta den mot muren, och det finns
en viss icke-noll sannolikhet

att den försvinner på din sida
och dyker upp på den andra.

Detta är inga gissningar.

Vi är glada -
"glada" är kanske inte rätt ord -

(Skratt)

vi känner till detta väl.

(Skratt)

Tunneleffekt sker hela tiden;

faktum är att det är orsaken till
att vår sol lyser.

Partiklarna går ihop,

och solen omvandlar väte till helium
med hjälp av tunneleffekt.

På 70- och 80-talet, upptäcktes det
att tunneleffekt också sker

inuti levande celler.

Enzymer, dessa livets arbetsmyror,
katalysatorer av kemiska reaktioner,

enzymer är biomolekyler som snabbar på
kemiska reaktioner i levande celler,

många, många gånger om.

Och hur de gör det,
har alltid varit ett mysterium.

Men man upptäckte

att ett av tricken
som enzymerna har utvecklat,

är att förflytta subatomära partiklar,
som elektroner och faktiskt även protoner,

från en del av molekylen
till en annan genom att tunnla.

Det är effektivt, det är snabbt,
den kan försvinna,

en proton kan försvinna från en plats,
och dyka upp på en annan.

Enzymer hjälper till med detta.

Detta är forskning som pågått
sedan 80-talet,

speciellt av ett team i Berkeley,
Judith Klinman.

Andra team i Storbritannien
har nu bekräftat

att enzymer verkligen gör så.

Forskning som gjorts av mitt team,

som jag sa tidigare, jag är kärnfysiker,

men jag inser att jag kan använda
kvantmekaniken som verktyg

i atomkärnan, och kan även använda
dessa verktyg på andra områden.

En fråga som vi ställde

är huruvida tunneleffekten spelar
en roll vid mutationer i DNA.

Återigen, detta är ingen ny idé;
den dateras tillbaka till tidigt 60-tal.

De två DNA-strängarna,
dubbel helix-strukturen,

hålls ihop av stegpinnar;
det är som en spiralvriden stege.

Alla dessa stegpinnar i stegen
är vätebindningar,

protoner, som fungerar som limmet
mellan de två strängarna.

Så om du zoomar in, det de gör
är att hålla ihop dessa stora molekyler,

nukleotider.

Zooma in lite till.

Detta är ju en datorsimulation.

De två vita kulorna i mitten
är protoner,

och ni kan se att det är
dubbla vätebindningar.

En föredrar att vara på den ena sidan,
och en på den andra sidan

av de två strängarna i den vertikala
linjen som sträcker sig nedåt, som du ser.

Det kan inträffa att dessa två protoner
hoppar över.

Titta på dessa två vita kulor.

De kan hoppa över till andra sidan.

Om dessa två DNA-strängar separerar,
och inleder replikationsprocessen,

och de två protonerna
befinner sig på fel ställe,

kan detta leda till en mutation.

Detta har varit känt i 50 år.

Frågan är: Hur stor är sannolikheten
att de gör det,

och om de gör det, hur gör de det?

Hoppar de över,
som bollen som tar sig över muren?

Eller tunnlar de igenom, även om
de inte har tillräckligt med energi?

Tidiga indikationer tyder på att
tunneleffekten kan ha betydelse här.

Vi vet fortfarande inte
hur viktigt det är;

det är fortfarande en öppen fråga.

Det är spekulativt,

men det är en av dessa frågor
som är så viktiga

för om kvantmekanik påverkar mutationer,

så måste detta ha stora konsekvenser,

för att kunna förstå
vissa typer av mutationer,

möjligtvis även de som gör celler
till cancerceller.

Ett annat exempel på kvantmekanik
i biologi är kvantkoherens,

i en av de viktigaste
biologiska processerna,

fotosyntes; växter och bakterier
tar solljus,

och använder energin
till att skapa biomassa.

Kvantkoherens är idén om att kvantenheter
kan göra flera saker samtidigt.

Det är kvantskidåkaren.

Det är ett föremål
som beter sig som en våg,

så den inte rör sig i endast en riktning,

utan den kan följa flera vägar samtidigt.

För några år sedan chockades
den vetenskapliga världen

när en artikel publicerades som
visade på experimentella bevis

för att kvantkoherens skedde
inuti bakterier,

då de utförde fotosyntes.

Idén var att fotonen,
ljuspartikeln, solljuset,

ljuskvanten som fångas
av klorofyllmolekylen,

levereras till ett så kallat
reaktionscenter,

där den kan omvandlas till kemisk energi.

Och när den tar sig dit
följer den inte en enda väg;

den följer multipla vägar samtidigt,

för att optimera den mest effektiva vägen
för att nå reaktionscentrat

utan att bli till spillvärme.

Kvantkoherens sker inuti en levande cell.

En anmärkningsvärd idé,

och ändå så växer bevismängden
varje vecka med nya publiceringar,

som bekräftar att detta verkligen händer.

Mitt tredje och sista exempel är den
vackraste och mest underbara idén.

Den är fortfarande väldigt spekulativ,
men jag måste berätta den för er.

Den europeiska rödhaken
flyttar från Skandinavien

ner till Medelhavet varje höst,

och precis som flera andra
marina djur och även insekter,

så navigerar de genom att känna av
jordens magnetfält.

Nu är jordens magnetfält
väldigt, väldigt svagt;

ca 100 gånger svagare
än en kylskåpsmagnet,

och ändå så påverkar det kemin
på något sätt, inuti levande organismer.

Det ifrågasätts inte;
ett par tyska ornitologer,

Wolfgang och Roswitha Wiltschko,
bekräftade på 70-talet att

rödhakarna hittar genom att på något sätt
känna av jordens magnetfält,

för att få information om riktningen,
en inbyggd kompass.

Mysteriet var: hur gör den det?

Nå, den enda teorin som finns,

vi vet inte om det är den rätta teorin,
men det är den enda,

är att det sker med så kallad
kvantmekanisk sammanflätning.

Inuti rödhakens näthinna,

jag skojar inte, inuti rödhakens
näthinna finns ett protein, kryptokrom,

som är ljuskänsligt.

I kryptokrom finns ett elektronpar som
är kvantmekaniskt sammanflätat.

Kvantmekanisk sammanflätning
är när två partiklar är ifrån varandra,

men ändå på något sätt
är i kontakt med varandra.

Einstein avskydde den här idén,

han kallade det
"kuslig verkan på avstånd."

(Skratt)

Så om Einstein inte gillar det,
då får vi alla vara obekväma med det.

Två kvantmekaniskt sammanflätade
elektroner i en molekyl

dansar en delikat dans

som är väldigt känslig
för fågelns flygriktning

i jordens magnetfält.

Vi vet inte om det är
den rätta förklaringen,

men oj, skulle det inte vara spännande om
kvantmekaniken hjälpte fåglar att navigera?

Kvantbiologin är fortfarande i sin linda.

Den är fortfarande spekulativ.

Men jag tror att den är grundad
i solid vetenskap.

Jag tror också att under det
kommande årtiondet eller så,

kommer vi att börja se
att det faktiskt genomsyrar livet,

att livet har utvecklat knep
för att utnyttja kvantvärlden.

Håll ögonen på det här området.

Tack.

(Applåder)