Hayatın en büyük sorularını kuantum biyoloji nasıl açıklar

Kızılgerdan güneye uçmayı nasıl biliyor? Cevap düşündüğünüzden de tuhaf olabilir: Kuantum fiziği ilişkili olabilir. Jim Al-Khalili, Einstein'ın zamanında "tuhaf uzaktan etki " diye adlandırdığı kuşların yön bulmalarına yardım eden kuantum biyolojinin oldukça yeni, oldukça ilginç dünyasını bir araya topluyor. Belki de kuantum etkisi hayatın kökenini açıklayabilecek.

Bugün sizlere yükselişte olan,
tartışmalara açık

ama bir o kadar da heyecan
verici, hızla büyüyen

bir bilim alanından bahsetmek istiyorum.

Kuantum biyolojisi çok basit
bir soru sorar:

Kuantum mekaniği ---

modern fizik ve kimyanın
çoğuna zemin teşkil eden,

atom ve moleküllerin atomaltı dünyasının,

o tuhaf, mükemmel ve
güçlü teorisi ---

aynı zamanda canlı hücrelerde
rol oynuyor olabilir mi?

Yani, yaşayan organizmalarda
sadece kuantum mekaniği

yardımıyla açıklanabilecek süreçler,

mekanizmalar ya da fenomen var mı?

Kuantum biyolojisi yeni değil;

1930'ların başından beri ortalarda.

Ama sadece son 10 yılda yapılan
titiz deneyler --

biyokimya laboratuvarlarında
spektroskopi kullanılarak --

kuantum mekaniğinin açıklamasını
gerektirecek, belli başlı

mekanizmalarda oldukça temiz
ve güçlü bulgular göstermektedir.

Kuantum biyolojisi; kuantum fizikçileri,
biyokimyacıları, moleküler biyologları

bir araya getirmektedir
-- oldukça disiplinler arası bir alan.

Ben kuantum fiziğinden geliyorum,
bu yüzden nükleer fizikçiyim.

Kuantum mekaniğini anlamak için

30 yıldan fazla harcadım.

Kuantum mekaniği kurucularından
olan Niels Bohr diyor ki;

Kuantum fiziği kafanızı karıştırmadıysa
onu tam olarak anlamamışsınız demektir.

Bu yüzden bir bakıma mutluyum
hâlâ beni şaşırttığı için.

Bu iyi bir şey.

Ama evrendeki en küçük yapıları
inceliyorum demek bu --

gerçekliği oluşturan bloklar.

Eğer boyut ölçeğini düşünüyorsak,

tenis topundan başlayarak
günlük nesneleri göz önüne alırsak

ve sadece büyüklük ölçeklemesinde
aşağı doğru inersek --

iğne deliğinden bir hücreye kadar,
bakteriye kadar, enzime kadar --

sonunda nano-dünyaya erişirsiniz.

Nanoteknoloji terimini
duymuş olabilirsiniz.

Nanometre, bir metrenin milyarda biridir.

Benim alanım atomun içinde
küçük bir nokta olan atomik çekirdek.

Ölçekte daha da küçük.

Bu kuantum mekaniğinin alanı ve

fizikçiler ve kimyagerlerin
bu işe girişmeleri ve

adapte olmaları uzun zaman aldı.

Öte yandan biyologlar,
bana göre, ucuz kurtuldular.

Toplu ve çubuklu molekül modelleriyle
gayet mutluydular.

(Gülüşmeler)

Toplar atom, çubuklar ise
atomlar arası bağlardır.

Fiziksel olarak laboratuvarda
geliştiremediklerinde

günümüzde, devasa molekülleri
simüle etmek için

güçlü bilgisayarları var.

100.000 atomlu
bir protein.

Bunu açıklamak için çok da
kuantum mekaniğine ihtiyaç yok.

Kuantum mekaniği 1920'lerde geliştirildi.

Çok küçüklerin dünyasını açıklamak için
güzel ve güçlü matematik kuralları

ve fikirlerin topluluğudur.

Ve öyle bir dünya ki günlük hayatımızdan
oldukça farklı,

trilyonlarca atomdan oluşan.

Olasılık ve ihtimal üzerine
inşa edilmiş bir dünya.

Bulanık bir dünya.

Tayflar dünyasıdır,

parçacıkların aynı zamanda
yayılan dalgalar gibi davrandığı.

Kuantum mekaniğini veya
kuantum fiziğini düşünürsek, o zaman,

gerçekliğin kendisinin
temel dayanağı olarak,

Kuantum fiziğinin organik kimyaya

dayanak oluşturduğunu
söylememiz şaşırtıcı olmaz.

Neticede organik molekülleri oluşturmak

için atomların birleşme kurallarını verir.

Organik kimya;
karmaşıklıkta ölçeği büyütür

ve elbette hayata yönlendiren
moleküler biyolojiyi verir.

Yani bir bakıma, çok da şaşırtıcı değil.

Neredeyse sıradan.

"Elbette, hayat en nihayetinde kuantum

mekaniğine dayanmak
zorunda." diyebilirsiniz.

Ama diğer bütün şeyler de öyle.

Yani bütün cansız maddeler de,
trilyonlarca atomdan oluşan.

En nihayetinde, bu tuhaflığı

araştırmamız gereken bir
kuantum seviyesi var.

Ama günlük hayatta, bunu unutabiliriz.

Çünkü bir kere trilyonlarca
atomu topladığınızda,

o kuantum tuhaflığı birden dağılır.

Kuantum biyolojisi bununla
ilgili değildir.

Kuantum biyolojisi bu şekilde
aşikâr değildir.

Tabii ki, kuantum mekaniği, moleküler
seviyede hayata dayanak oluşturur.

Kuantum biyolojisi çözülmesi zor
olanı araştırmaktır --

kuantum mekaniğindeki mantık
dışı fikirleri--

ve hayatın sürecini tanımlamada önemli

bir rol oynadığını görmek içindir.

İşte benim kuantum dünyasının
mantık dışılığına

mükemmel örneğim.

Bu kuantum kayakçısı.

Sağlam görünüyor,
tamamen sağlıklı görünüyor,

fakat ağacın iki tarafından da aynı
anda geçmiş gibi görünüyor.

Bu tarz izler görürseniz,

bir tür akrobasi olduğunu
düşünürsünüz, tabii ki.

Ama kuantum dünyasında
bu hep olur.

Parçacıklar çoklu görev yürütebilirler,
aynı anda iki yerde olabilirler.

Birden çok şey yapabilirler
aynı anda.

Parçacıklar dalgalar gibi davranabilirler.

Neredeyse sihir gibidir.

Fizikçiler ve kimyagerler neredeyse
bir yüzyıl

geçirdiler bu tuhaflığa alışmak için.

Biyologları, kuantum mekaniğini

öğrenmek istemedikleri veya
zorunlu kalmadıkları için suçlamıyorum.

Gördüğünüz gibi bu tuhaflık çok narin

ve biz fizikçiler bunu
laboratuvarlarımızda

idame ettirmek için çok çalışıyoruz.

Neredeyse mutlak sıfıra
kadar sistemlerimizi soğutuyoruz,

deneylerimize vakumlarda devam ediyoruz,

herhangi bir dış parazitten
izole ediyoruz.

Yaşayan hücrenin gürültülü, dağınık
ve samimi ortamından tamamen farklı.

Biyoloji bizzat,
moleküler biyolojisi düşünürsek,

hayatın bütün süreçlerini tanımlamada
iyi iş çıkarmış gibi görünüyor

kimya açısından --
kimyasal reaksiyonlar.

Bunlar indirgemeci,
deterministik kimyasal reaksiyonlar,

özellikle hayatın kendisinin de
aynı şeylerden yapıldığını gösteren

ve makro dünyada kuantum
mekaniğini unutursak,

biyolojide de unutabiliriz aynı şekilde.

Bir kişi aynı düşüncede değil bu fikirle.

Erwin Schrödinger,
Schrödinger'in Kedisi ile ünlü,

Avusturyalı bir fizikçiydi.

1920'lerdeki kuantum mekaniğinin
kurucularındandı.

1944'te "Hayat Nedir?"
adlı bir kitap yazdı.

Son derece etkileyiciydi.

DNA'nın İkili-sarmal yapısının
kaşiflerinden

Francis Crick ve James Watson'ı etkiledi.

Kitaptaki bir tanımı
yorumlamak gerekirse, diyor ki:

Moleküler düzeyde,
yaşayan organizmalar belirli bir düzene,

bir yapıya sahiptir, cansız maddelerin
aynı karmaşıklığındaki

moleküller ve atomların rastgele
termodinamik sürtünmeleri

onlar için farklıdır.

Hatta, yaşayan cisimler bu
düzende, bu yapıda davranıyor

gibi görünüyor, tıpkı kuantum
mekaniğin önemli bir rol oynadığı

mutlak sıfıra yakın
soğutulmuş cansız cisimler gibi.

Bu yapıda özel bir şey var
-- sıra --

yaşayan bir canlının içinde.

Schrödinger, kuantum mekaniğin hayatta
bir rol oynayabileceği üzerine düşündü.

Oldukça spekülatif,
geniş kapsamlı bir fikir

ve çok da başarıya ulaşmadı.

Ancak başlangıçta da
değindiğim gibi,

son 10 yılda, deneyler gösteriyor ki,

biyolojideki bazı fenomenlerde
kuantum mekaniği

gerekli gibi görünüyor.

Heyecan verici olanlardan
bazılarını paylaşmak istiyorum.

Bu kuantum dünyasının en çok
bilinen fenomenlerinden bir tanesi,

kauntum tünelleme.

Soldaki kutu, kuantum oluşumunun
dalga benzeri,

yayılan dağılımını gösteriyor --
bir parçacık, elektron

benzeridir, duvardan seken
küçük bir top değildir.

Katı bir duvardan mutlak sızma olasılığı
olan bir dalgadır,

diğer tarafa doğru sıçrayan
bir tayf gibi.

Kutunun sağ tarafında zayıf bir
ışık lekesi görebilirsiniz.

Kuantum tünelleme; bir parçacığın
delinmez bir bariyere çarpabileceğini

ve yine de bir şekilde, sihir yoluyla,

bir tarafta kaybolup diğer
tarafta görünebileceğini öne sürer.

Bunu açıklamanın en hoş yolu;
bir duvara top atmak istiyorsanız

duvarın üzerinden aşması için
yeterli enerjiyi vermeniz gerekir.

Kuantum dünyasında; duvarın
üzerinden atmanıza gerek yok,

duvara atabilirsiniz ve kesin bir sıfırdan
farklı olasılıkla

sizin tarafınızda gözden kaybolup
diğer tarafta görünür.

Bu bir tahmin değil bu arada.

Mutluyuz, yani, "mutlu" tam olarak
doğru söz değil --

(Gülüşmeler)

aşinayız buna.

(Gülüşmeler)

Kuantum tünelleme
her zaman gerçekleşir;

üstelik Güneş'imizin
parlamasının da sebebi.

Parçacıklar bir araya
gelerek kaynaşırlar

ve Güneş kuantum tünelleme ile
hidrojeni helyuma çevirir.

70'ler ve 80'lerde, kuantum tünellemenin
aynı zamanda yaşayan hücrelerde de

gerçekleştiği keşfedildi.

Enzimler, hayatın o yükünü çeken,
kimyasal reaksiyonların katalizörleri--

enzimler yaşayan hücrelerdeki kimyasal
reaksiyonları hızlandıran

biyomoleküllerdir,
birçok büyüklük kertesi tarafından.

Nasıl yaptıkları her zaman bir gizemdir.

Keşfedildi ki

enzimlerin evrimleşerek faydalandığı
hilelerden bir tanesi

atomaltı parçaçıkları, elektronlar
ve protonlar gibi, molekülün

bir tarafından diğer tarafına
kuantum tünellemeyle transfer etmeleri.

Verimli, hızlı,
gözden kaybolabiliyor --

bir proton bir noktada gözden kaybolup
diğer tarafta belirebilir.

Enzimler bunun meydana
gelmesine yardım ediyor.

Bu araştırma 80'lerde
özellikle Berkeley'deki

bir grup tarafından,
Judith Klinman, yürütülmüştür.

İngiltere'deki diğer gruplar
da enzimlerin gerçekten

bunu yapabildiğini tasdiklediler.

Benim grubumun yürüttüğü araştırmada --

bahsettiğim gibi
bir nükleer fizikçiyim,

ancak fark ettim ki atomik çekirdeklerinde
kullandığım kuantum

mekaniği aletlerim var ve onları farklı
alanlarda da kullanabilirim.

Sorduğunuz bir soru ise

DNA mutasyonunda kuantum
tünellemenin bir rolü olup olmadığı.

Tekrardan, bu yeni bir fikir değil,
1960'ların başına kadar dayanıyor.

DNA'nın iki ipliği, ikili sarmal yapı

basamaklarla birbirine tutunuyor
bükülmüş bir merdiven gibi.

Ve o merdivenin basamakları
hidrojen bağlarıdır --

protonlar iki iplik arasında
yapışkan gibi davranırlar.

Yakınlaşırsanız, yaptıkları o
büyük molekülleri tutmaktır --

nükleotidler -- birlikte.

Biraz daha yakınlaşın.

Bu bir bilgisayar simülasyonu.

Ortadaki iki beyaz top proton

ve ikili hidrojen bağı olduğunu
görebilirsiniz.

Göremediğiniz düşey inen ipliklerin biri

bir tarafında bulunur,
diğeri diğer tarafında.

Bu iki proton diğer tarafa sıçrayabilir.

Beyaz iki topu izleyin.

Diğer tarafa atlayabilirler.

DNA'nın iki ipliği daha sonra ayrılırsa,
kendini eşleme sürecine götüren

ve iki proton yanlış pozisyonlardaysa

bu durum mutasyona neden olabilir.

Bu yarım asırdır biliniyor.

Soru ise: Bu yapmaları ne kadar olası

ve yaparlarsa da nasıl yapıyorlar?

Duvarın üzerinden giden top
gibi diğer tarafa atlıyorlar mı?

Ya da yeterli enerjiye
sahip olmasalar da

karşıya kuantum tünelleme mi yapıyorlar?

Eski belirtiler kuantum tünellemenin
burada rol oynayabileceğini gösteriyor.

Ne kadar önemli olduğunu
hâlâ bilmiyoruz,

hâlâ sonuca bağlanmamış bir sorun.

Spekülatif bir durum

ama çok önemli olan sorulardan biri,

kuantum mekaniği mutasyonda
önemli bir rol oynuyorsa

elbette bunun büyük sonuçları olacaktır,

mutasyonun belli tiplerini anlamak için

hatta muhtemelen hücrenin
kanserli hücreye dönüşümü gibi.

Kuantum mekaniğinin biyolojideki
diğer bir örneği ise kuantum koheransı,

biyolojideki en önemli
süreçlerden bir tanesi,

fotosentez: Bitkiler ve
bakteriler güneş ışığı enerjisi

kullanarak biyokütle üretmesi.

Kuantum koheransı, kuantum oluşumlarının
aynı anda birden çok işi yapması fikridir.

Bu kuantum tayfıdır.

Dalga gibi davranan bir nesnedir,

bir yöne ya da diğerine
hareket etmekle kalmıyor,

hatta birden çok yolları
takip edebiliyor aynı zamanda.

Birkaç yıl önce,
bilim dünyası yayınlanan

bir makalenin gösterdiği bakteri içinde
fotosentez yaparken

meydana gelen kuantum koheransı

kanıtı ile şok oldu.

Fikir ise, ışığın temel birimi
olan foton, güneş ışığı,

kuantum ışığı klorofil molekülü
tarafından yakalandı,

daha sonra kimyasal enerjiye
dönüştürülebileceği

reaksiyon merkezi denilen
yere gönderildi.

Ve oraya gidince, yalnızca
tek bir rotayı takip etmiyor,

aynı anda birden çok rotayı takip ediyor,

reaksiyon merkezine ısı
israf etmeksizin en verimli

yolla ulaşımı optimize etmek için.

Kuantum koheransı canlı
hücrede gerçekleşiyor.

Göze çarpan bir fikir,

yeni makalelerlede de kanıtlar
neredeyse haftalık olarak artıyor,

bunun gerçekten de
meydana geldiğini onaylayarak.

Üçüncü ve son örneğim ise
bu en güzel, en müthiş olan fikir.

Hâlâ spekülatif ama sizinle
paylaşmalıyım.

Avrupalı kızılgerdan
İskandinavya'dan Akdeniz'e göç eder,

her sonbahar ve diğer tüm

deniz canlıları hatta böcekler gibi,

Dünya'nın manyetik alanını
hissederek yön alırlar.

Şimdi, Dünya'nın manyetik alanı
çok ama çok zayıf;

buzdolabı magnetinden 100
kat daha zayıf

ama yine de kimyayı etkiliyor --

bir şekilde -- yaşayan bir
organizma içerisinde.

Şüphesiz -- Alman bir kuş
uzmanı çifti,

Wolfgang ve Roswitha Wiltschko,
1970'lerde kızılgerdanın

Dünya'nın manyetik alanını
bir şekilde hissederek,

yönsel bilgi vererek -- dâhili pusula gibi
yolunu bulduğunu onayladı.

Bulmaca, gizem ise:
Bunu nasıl yapıyor?

Elimizdeki tek teori --

doğru teori mi bilmiyoruz
ancak elimizdeki tek teori --

kuantum dolanıklığı diye bilinen
bir şey ile yapıyor olması.

Kızılgerdanın retinasında --

sizi kandırmıyorum -- kızılgerdanın
retinasında "cryptochrome" adında

bir protein var ışığa duyarlı.

Cryptochrome' larda, bir çift
elektron kuantum dolanıktır.

Kuantum dolanıklığı, iki parçacık çok uzak

ancak bir şekilde birbiriyle
bağlantılı kaldıklarında olur.

Einstein bile bu fikirden
nefret etmiş ve

"tuhaf uzaktan etki" olarak
adlandırmıştır.

(Gülüşmeler)

Yani Einstein sevmemişse
bizde bu durumdan rahatsız olabiliriz.

Tek bir molekülde iki kuantum
dolanık elektron

zarif bir şekilde dans ediyorlar,

kuşların uçtuğu alana duyarlı

Dünya'nın manyetik alanında.

Doğru cevap olup olmadığını bilmiyoruz

ancak kuantum mekaniği kuşların yön

bulmasına yardım ediyor olsa,
müthiş olmaz mıydı?

Kuantum biyoloji hâlâ emekleme çağında.

Hâlâ spekülatif.

Ama bilimde sağlam temellere

dayanacağına inanıyorum.

Ayrıca inanıyorum ki
önümüzdeki 10 yılda,

gerçekleşeceğini göreceğiz,
hayata yayılıyor --

kuantum dünyasından faydalanacak
hileler geliştiren hayata.

Takipte olun!

Teşekkürler.

(Alkışlar)