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.
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.
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.
Mi ennek örülünk — bár nem ez a jó kifejezés – inkább mondjuk úgy, hogy tudunk a jelenségről. 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.
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.
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!
Legutóbbi hozzászólások