Αρχική > βιολογία > Quantum life: The weirdness inside us

Quantum life: The weirdness inside us

image03 October 2011 by Michael Brooks,

New Scientist, Magazine issue 2832

Ideas from the stranger side
of physics could explain some
long-standing mysteries of biology

[Υπάρχει και μετάφραση στη συνέχεια…]

 

EVER felt a little incoherent? Or maybe you’ve been in two minds about something, or even in a bit of delicate state. Well, here’s your excuse: perhaps you are in thrall to the strange rules of quantum mechanics.

We tend to think that the interaction between quantum physics and biology stops with Schrödinger’s cat. Not that Erwin Schrödinger intended his unfortunate feline – suspended thanks to quantum rules in a simultaneous state of being both dead and alive – to be anything more than a metaphor. Indeed, when he wrote his 1944 book What is Life?, he speculated that living organisms would do everything they could to block out the fuzziness of quantum physics.

But is that the case? Might particles that occupy two states at once, that interact seemingly inexplicably over distances and exhibit other quantum misbehaviours actually make many essential life processes tick? Accept this notion, say its proponents, and we could exploit it to design better drugs, high-efficiency solar cells and super-fast quantum computers. There’s something we need to understand before we do, though: how did the quantum get into biology in the first place?

On one level, you might think, we shouldn’t be surprised that life has a quantum edge. After all, biology is based on chemistry, and chemistry is all about the doings of atomic electrons – and electrons are quantum-mechanical beasts at heart. That’s true, says Jennifer Brookes, who researches biological quantum effects at Harvard University. "Of course everything is ultimately quantum because electron interactions are quantised."

On another level, it is gobsmacking. In theory, quantum states are delicate beasts, easily disturbed and destroyed by interaction with their surroundings. So far, physicists have managed to produce and manipulate them only in highly controlled environments at temperatures close to absolute zero, and then only for fractions of a second. Finding quantum effects in the big, wet and warm world of biology is like having to take them into account in a grand engineering project, says Brookes. "How useful is it to know what electrons are doing when you’re trying to build an aeroplane?" she asks.

Might this received wisdom be wrong? Take smellMovie Camera, Brookes’s area of interest. For decades, the line has been that a chemical’s scent is determined by molecular shape. Olfactory receptors in the nose are like locks opened only with the right key; when that key docks, it triggers nerve signals that the brain interprets as a particular smell.

Is that plausible? We have around 400 differently shaped smell receptors, but can recognise around 100,000 smells, implying some nifty computation to combine signals from different receptors and process them into distinct smells. Then again, that’s just the sort of thing our brains are good at. A more damning criticism is that some chemicals smell similar but look very different, while others have the same shape but smell different. The organic compound benzaldehyde, for example, comes in two almost identical molecular arrangements, vanillin and isovanillin, that have very distinctive smells.

There is an alternative explanation. Around 70 years ago, even before the lock-and-key mechanism was suggested, the distinguished British chemist Malcolm Dyson suggested that, just as the brain constructs colours from different vibrational frequencies of light radiation, it interprets the characteristic frequencies at which certain molecules vibrate as a catalogue of smells.

The idea languished in obscurity until 1996, when Luca Turin, a biophysicist then at University College London, proposed a mechanism that might make vibrational sensing work: electron tunnelling. This phenomenon results from the basic fuzziness of quantum mechanics, and is a staple of devices from microchips to microscopes. When an electron is confined in an atom, it does not have an exactly defined energy but has a spread of possible energies. That means there is a certain probability that it will simply burrow through the energy barrier that would normally prevent it escaping the atom.

Turin’s idea is that when an odorous molecule lodges in the pocket of a receptor, an electron can burrow right through that molecule from one side to the other, unleashing a cascade of signals on the other side that the brain interprets as a smell. That can only happen if there is an exact match between the electron’s quantised energy level and the odorant’s natural vibrational frequency. "The electron can only move when all the conditions are met," Turin says. The advantage, though, is that it creates a smell without the need for an exact shape fit.

It was a controversial notion. In 2007 Brookes, then also working at University College London, and colleagues showed that the mechanism is physically plausible: the timescales are consistent with the speed with which the brain responds to smell, and the signals generated are large enough for the brain to process (Physical Review Letters, vol 98, p 038101). And in January this year Turin, now at the Alexander Fleming Biomedical Sciences Research Centre in Vari, Greece, and his colleagues delivered what looks like evidence for vibrational sensing. They showed that fruit flies can distinguish between two types of acetophenone, a common base for perfumes, when one contains normal hydrogen and the other contains heavier deuterium. Both forms have the same shape, but vibrate at different frequencies (Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1012293108). That sensitivity can only mean electron tunnelling, says Andrew Horsfield of Imperial College London, a co-author on Brookes’s paper: in classical models of electron flow the electron would not be sensitive to the vibrational frequency. "You can’t explain it without the quantum aspect."

Smell is not the only thing that proponents of quantum biology think it might explain: there’s also the mechanism that powers the entire animal kingdom. We all run on adenosine triphosphate, or ATP, a chemical made in cells’ mitochondria by moving electrons through a chain of intermediate molecules. When we attempt to calculate how speedily this happens, we hit a problem. "In nature the process is much faster than it should be," says Vlatko Vedral, a quantum physicist at the University of Oxford.

Vedral thinks this is because it depends on the quality of "superposition" which allows the sort of quantum-mechanical wave that describes electrons to be in two places at once. He reckons quantum omnipresence might speed the electrons’ passage through the reaction chain. "If you could show superposition is there and it’s somehow also important for the electron flow, that would be very interesting," he says.

Vedral’s first calculations support the idea, but he says it is too early to make any claims. It is hard to estimate all the parameters involved in electron transport, and it is possible that the classical calculations just used the wrong numbers. "And as yet we have no experimental proof," he says. Such proof might be quite close by – in how plants and some bacteria get their energy. It seems photosynthesis might be very much a quantum game.

Quantum marines

Direct evidence that this is so came in 2007, when a group led by Graham Fleming at the University of California, Berkeley, took a close look at photosynthesis in the green sulphur bacterium Chlorobium tepidum. They detected "beating" signals characteristic of quantum wave interference in the photosynthesising centres of bacteria cooled to 77 kelvin (Nature, vol 446, p 782). In January last year, a group led by Gregory Scholes of the University of Toronto, Canada, showed a similar effect at room temperature in light-harvesting proteins from two marine algae (Nature, vol 463, p 644).

This is a trick we might like to learn from. Although photosynthesis is not particularly efficient overall, the initial stage of converting incoming photons into the energy of electrons within a photosynthesising organism’s light-gathering pigment molecules is extremely effective. When sunlight is weak, plants are able to translate more than 90 per cent of photons into an energy-carrying electron; in strong sunlight plants have to dump about half the energy to avoid overheating.

Scholes’s explanation for this is that when sunlight hits electrons, they are kicked into a quantum superposition that allows them to be in two places at once. That effectively "wires" light-gathering molecules to the reaction centre where the photosynthesis takes place for a few hundred femtoseconds. During that time, an electron can, according to quantum rules, take all paths between the two places simultaneously. Probing the process more closely causes the superposition to collapse – and reveals the electron to have taken the path that lost it the least energy.

Might we take a leaf out of biology’s book? Scholes thinks so. "Every year there are thousands of papers published on energy transfer," he says. "It sounds harsh but we haven’t learned a thing apart from the obvious." A better understanding of what is going on might also help us on the way to building a quantum computer that exploits coherent states to do myriad calculations at once. Efforts to do so have so far been stymied by our inability to maintain the required coherence for long – even at temperatures close to absolute zero and in isolated experimental set-ups where disturbances from the outside world are minimised.

This remains the central conundrum for the physicists studying quantum aspects of biology. If we can’t do these things in our isolated labs, how can a leaf in your less-than-isolated garden do it? If only the European robin could do more than warble chirpily. Perhaps then it could tell us – and explain its own apparent quantum superpowers, too (see "Bird’s eye view").

At the moment we have little more than educated guesses. One is that it is simply a wonder of evolution. Scholes thinks that proteins around algae’s light-harvesting equipment might have evolved structures that shield disturbances from the environment and so allow processes within to exploit the magic of quantum physics to give them a selective advantage. Vedral thinks something similar, although why and how nature would do this, he says, is "completely unclear".

Turin shrugs his shoulders, too. "Life’s 4 billion years of nanoscale R&D will have engineered many miracles," he says. We should learn to accept what we see and try to mimic it, he says – and not just in solar cells and quantum computers. While what makes a drug effective or ineffective is far from clear, for instance, we do know that the operation of things like neurotransmitters in our brains depends on redox reactions, which are all to do with electron flow. If those flows occur in weirder ways than we have hitherto imagined, that could open up a new path to design drugs to treat some of our most pernicious ailments.

Others think nature is leading us up the garden path. Is photosynthesis, for example, really made more efficient by exploiting quantum interference and superposition effects? "I think the jury is still out on this question," says Robert Blankenship of Washington University in St Louis, Missouri. "I think it is possible that, depending on the details of the system, it could just as easily decrease the efficiency." Simon Benjamin, a colleague of Vedral’s at the University of Oxford, wonders how we can really put long-lived quantum states to work if indeed they do pop up in natural systems. "It’s certainly too early to be making dramatic claims," he says.

All those stepping gingerly around this new field agree that caution is needed – yet there is a palpable sense of excitement. Max Planck first discovered quantum theory more than a century ago because of odd observations that could be explained in no other way. That led to the laser and the semiconductor and all the technological revolutions they have seeded. Quantum biology is at that early stage of inexplicable observations. Turin for one believes something big is emerging. "I can’t help thinking we are seeing just a small part of a far, far bigger iceberg," he says.

Bird’s eye view

Another instance of quantum effects in biology might be in how birds sense Earth’s magnetic field (New Scientist, 27 November 2010, p 42). In 2004, Thorsten Ritz of the University of California, Irvine, showed how magnetic disturbances that would only show up on systems that could detect transitions between particular quantum-mechanical atomic spin states could disrupt the compass of the European robin, Erithacus rubecula.

Ritz suggested that birds come equipped with a sensor system containing spin states that flip in response to changes in Earth’s magnetic field, producing signals that the bird’s brain in some way detects. But how?

The first proposal was that some apparatus in the eye initiates a chemical response. But this would require a constant, fast flipping of spins to keep chemical information flowing, whereas the birds seemed to maintain delicate spin states for extraordinarily long times of up to 100 microseconds.

According to the late Marshall Stoneham of University College London and his colleagues, the problem might be overcome if the birds used something similar to a human visual peculiarity that detects light polarisation. Known as Haidinger’s brush, this superimposes a faint, yellow bow-tie shape on our visual field, and is thought to result from the way blue light-absorbing lutein molecules are arranged in concentric circles within our eye. Stare at a blank piece of paper and a polarising filter or a blank document on a laptop screen and you can see it for yourself.

Stoneham calculated that a magnetic field could produce a similar distortion in a bird’s visual field, the orientation of which would change with a change in magnetic field. Crucially, that would occur only if quantum states lasted long enough to affect many of the bird’s light sensing molecules at the same time. Birds might see the result, Stoneham suggested, in a kind of a head-up display of the kind that is embedded in the windscreens of some luxury cars (arxiv.org/abs/1003.2628).

Michael Brooks is a consultant for New Scientist. His latest book is Free Radicals: The secret anarchy of science (Profile, 2011)

Σχολείο

Κβαντική ζωή: Η παραξενιά μέσα μας

[μετάφραση από physics4u]

Αισθάνεστε πάντα λίγο αβέβαιοι και ασυνάρτητοι; Ή ίσως έχετε δύο απόψεις για κάτι, ή ακόμη είσαστε λίγο σε μια ευαίσθητη κατάσταση. Λοιπόν, εδώ θα βρείτε τις δικαιολογίες σας: ίσως όλα αυτά να είναι ‘φερέφωνα’ των παράξενων κανόνων της κβαντομηχανικής.

    quantum-life

    Ιδέες από την παράξενη πλευρά της φυσικής θα μπορούσαν να εξηγήσουν κάποια μακροχρόνια μυστήρια της βιολογίας

    Έχουμε την τάση να πιστεύουμε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της βιολογίας σταματά με τη γάτα του Schrödinger. Όχι ότι ο Έρβιν Σρέντιγκερ προόριζε το ατυχές ζώο – υπέθετε χάρη στους κβαντικούς κανόνες να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις, της ζωντανής ύπαρξης και της απώλειας της ζωής – να είναι κάτι περισσότερο από ένα νοητικό αντικείμενο. Πράγματι, όταν το 1944 έγραψε το βιβλίο του Τι είναι ζωή;, σκέφτηκε ότι οι ζωντανοί οργανισμοί αποκλείεται να έχουν την ασάφεια της κβαντικής φυσικής.

    Όμως, ποιά είναι η αλήθεια; Μήπως τα σωματίδια που καταλαμβάνουν δύο καταστάσεις συγχρόνως, που αλληλεπιδρούν φαινομενικά ανεξήγητα σε μακρινές αποστάσεις και παρουσιάζουν άλλες κβαντικές περίεργες συμπεριφορές, στην πραγματικότητα εφαρμόζουν πολλές βασικές βιολογικές διεργασίες; Με την αποδοχή αυτής της ιδέας, λένε οι υποστηρικτές της, θα μπορούσαμε να την εκμεταλλευτούμε για να σχεδιάσουμε τόσο καλύτερα φάρμακα, όσο και υψηλής απόδοσης ηλιακές κυψέλες μέχρι και πολύ γρήγορους κβαντικούς υπολογιστές. Πάντως υπάρχει κάτι που πρέπει να κατανοήσουμε πριν τα φτιάξουμε: το πώς η κβαντική βιολογία μπαίνει σε πρώτη μοίρα;

    Σε ένα πρώτο επίπεδο, μπορείτε να σκεφτείτε, δεν πρέπει να εκπλήσσει το γεγονός ότι η ζωή έχει μια σχέση με την κβαντομηχανική. Γιατί η βιολογία βασίζεται στην χημεία, και η χημεία έχει να κάνει με την κατορθώματα των ηλεκτρονίων – και τα ηλεκτρόνια είναι κβαντομηχανικά θηρία στην καρδιά του ατόμου. Αυτό είναι αλήθεια, λέει η Jennifer Brookes, η οποία ερευνά τις βιολογικές επιπτώσεις της κβαντομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Φυσικά, τα πάντα είναι εν τέλει κβαντομηχανική επειδή τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν κβαντισμένα”.

    Σε άλλο επίπεδο, αυτό είναι δύσκολο να συμβαίνει. Στη θεωρία, οι κβαντικές καταστάσεις είναι ευαίσθητα πράγματα, διαταράσσονται εύκολα και καταστρέφονται μόλις αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους. Μέχρι στιγμής, οι φυσικοί έχουν καταφέρει να τις παράγουν και να τις χειραγωγήσουν μόνο σε εξαιρετικά ελεγχόμενα περιβάλλοντα και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, και εν συνεχεία μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Η εύρεση κβαντικών φαινομένων στους μεγάλους, υγρούς και ζεστούς κόσμους της βιολογίας είναι σαν να χρειάζεται να τα λάβει υπόψη κανείς σε ένα μεγάλο τεχνικό έργο, εξηγεί η Jennifer Brookes. "Πόσο χρήσιμο είναι να γνωρίζετε τι κάνουν τα ηλεκτρόνια όταν προσπαθείτε να φτιάξετε ένα αεροπλάνο;" ρωτάει.

    Μήπως αυτή η άποψη είναι λάθος; Πάρτε τις μυρωδιές, την περιοχή ενδιαφέροντος της Brookes. Για δεκαετίες, η άποψη των ειδικών ήταν ότι η μυρωδιά μιας χημικής ουσίας καθορίζεται από το μοριακό σχήμα της. Οι οσφρητικοί δέκτες στη μύτη είναι σαν κλειδαριές που ανοίγουν μόνο με το σωστό κλειδί (το μοριακό κατάλληλο κλειδί). Όταν αυτό το κλειδί ταιριάζει, δίνει το έναυσμα σε νευρικά σήματα που ο εγκέφαλος ερμηνεύει ως μια συγκεκριμένη μυρωδιά.

    Είναι εύλογο αυτό; Για να δούμε. Έχουμε περίπου 400 υποδοχείς όσφρησης με διαφορετικό σχήμα, αλλά μπορεί να αναγνωρίσουν περίπου 100.000 μυρωδιές, υπονοώντας πως κάποιος ικανός υπολογιστής συνδυάζει σήματα από διαφορετικούς υποδοχείς και τους επεξεργάζεται δίνοντας διαφορετικές μυρωδιές. Και σε αυτό το γεγονός οι εγκέφαλοί μας δουλεύουν πολύ καλά. Μια πιο αρνητική και καταδικαστική κριτική για την άποψη αυτή είναι ότι ορισμένες χημικές ουσίες μυρίζουν παρόμοια, αλλά είναι πολύ διαφορετικές, ενώ άλλες έχουν την ίδια μορφή, αλλά μυρίζουν διαφορετικά. Η οργανική ένωση βενζαλδεΰδη, για παράδειγμα, έρχεται σε δύο σχεδόν ίδιες μοριακές μορφές, τη βανιλίνη και την ισο-βανιλλίνη, που έχουν πολύ χαρακτηριστική μυρωδιά η κάθε μία.

    Υπάρχει και μια εναλλακτική εξήγηση πάνω σε αυτό το ζήτημα. Περίπου 70 χρόνια πριν, ακόμη και πριν προταθεί η ‘κλειδαριά’ και το ‘κλειδί’ στο μηχανισμό της όσφρησης, ο διακεκριμένος Βρετανός χημικός Malcolm Dyson προτείνει ότι, ακριβώς όπως ο εγκέφαλος κατασκευάζει χρώματα από διάφορες παλμικές συχνότητες της ακτινοβολίας του φωτός, ο ίδιος ερμηνεύει τις χαρακτηριστικές συχνότητες στις οποίες ορισμένα μόρια δονούνται, σαν έναν κατάλογο των οσμών.

    Αυτή η ιδέα δυστυχώς έπεσε στην αφάνεια μέχρι το 1996, όταν ο Luca Turin, βιοφυσικός στο Πανεπιστημιακό Κολλέγιο του Λονδίνου, προτείνει ένα μηχανισμό που θα μπορούσε να κάνει εργασία παλμικής ανίχνευσης: τα ηλεκτρόνια που ανοίγουν σήραγγα σε φράγμα δυναμικού. Το φαινόμενο αυτό προκύπτει από τη βασική ασάφεια της κβαντικής μηχανικής, και είναι βασικό συστατικό των συσκευών από μικροτσίπ έως τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο περιορίζεται σε ένα άτομο, δεν έχει ακριβώς μια καθορισμένη ενέργεια, αλλά έχει μια δέσμη πιθανής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια καθορισμένη πιθανότητα ότι θα ‘ανοίξει’ σήραγγα μέσα από το φράγμα της ενέργειας, που κανονικά θα έπρεπε να εμποδίζει την διαφυγή του ηλεκτρονίου από το άτομο.

    Η ιδέα του Turin είναι ότι όταν ένα εύοσμο μόριο αποτίθεται στον θύλακα ενός υποδοχέα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ανοίξει μια ‘δίοδο’ μέσα σε αυτό το μόριο, από τη μία πλευρά έως την άλλη, εξαπολύοντας έτσι ένα χείμαρρο σημάτων από την άλλη πλευρά, που ο εγκέφαλος ερμηνεύει ως μια συγκεκριμένη μυρωδιά. Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο εάν υπάρχει απόλυτη αντιστοιχία μεταξύ κβαντισμένου επίπεδου ενέργειας του ηλεκτρονίου και της φυσικής συχνότητας δόνησης του αρώματος του. «Το ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μόνο όταν πληρούνται όλες οι προϋποθέσεις», λέει ο Turin. Το πλεονέκτημα, όμως, είναι ότι δημιουργεί μια μυρωδιά χωρίς την ανάγκη να ταιριάζει ένα ακριβές σχήμα.

    Ήταν όντως μια αμφιλεγόμενη έννοια. Το 2007 ο Brookes, στο ίδιο Κολλέγιο του Λονδίνου, και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι ο μηχανισμός αυτός είναι φυσικά εύλογος: τα χρονοδιαγράμματα είναι σύμφωνα με την ταχύτητα με την οποία ανταποκρίνεται ο εγκέφαλος στη μυρωδιά, και τα σήματα που παράγονται είναι αρκετά μεγάλα για να τα επεξεργαστεί ο εγκέφαλος. Και φέτος τον Ιανουάριο ο Turin, που τώρα δουλεύει στο Ερευνητικό Κέντρο Βιοϊατρικών Επιστημών “Αλέξανδρος Φλέμινγκ” στη Βάρη, και οι συνεργάτες του έδωσε στοιχεία για κάτι που μοιάζει με την ανίχνευση της δόνησης. Έδειξαν λοιπόν ότι οι μύγες των φρούτων μπορεί να κάνουν διάκριση μεταξύ δύο τύπων ακετοφαινόνης, μια κοινή βάση για τα αρώματα, όταν το ένα περιέχει κανονικό υδρογόνο και το άλλο περιέχει το βαρύτερο δευτέριο. Και οι δύο μορφές έχουν την ίδια μορφή, αλλά δονούνται σε διαφορετικές συχνότητες. Αυτή η ευαισθησία μπορεί να σημαίνει μόνο ότι τα ηλεκτρόνια ανοίγουν μια κβαντομηχανική σήραγγα, λέει ο Andrew Horsfield του Imperial College του Λονδίνου, ένας από τους συντάκτες της εργασίας του Brookes: σε κλασικά πρότυπα της ηλεκτρονιακής ροής το ηλεκτρόνιο δεν θα είναι ευαίσθητο στις συχνότητα δόνησης. "Δεν μπορώ να το εξηγήσω, χωρίς την πτυχή της κβαντικής μηχανικής."

    Η μυρωδιά δεν είναι το μόνο πράγμα που πιστεύουν οι υποστηρικτές της κβαντικής βιολογίας  ότι μπορούν να εξηγήσουν : υπάρχει και ο μηχανισμός που δίνει ενέργεια σε όλο το ζωικό βασίλειο. Όλοι παράγουμε την τριφωσφορική αδενοσίνη, ή ATP, μια χημική ουσία μέσα στα μιτοχόνδρια των κυττάρων, με την κίνηση ηλεκτρονίων μέσω μιας αλυσίδας ενδιάμεσων μορίων. Όταν προσπαθούμε να υπολογίσουμε πόσο γρήγορα συμβαίνει αυτό, βλέπουμε να υπάρχει ένα πρόβλημα. «Στη φύση η διαδικασία είναι πολύ ταχύτερη από ό, τι θα πρέπει να είναι», λέει ο Vlatko Vedral, ένας κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

    Ο Vedral θεωρεί ότι αυτό γίνεται επειδή εξαρτάται από την ποιότητα της "υπέρθεσης", το οποίο επιτρέπει το είδος του κβαντομηχανικού κύματος, που περιγράφει τα ηλεκτρόνια, να είναι σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αυτός υπολογίζει πως η κβαντική πανταχού παρουσία θα μπορούσε να επιταχύνει το πέρασμα των ηλεκτρονίων μέσα από την αλυσιδωτή αντίδραση. "Αν μπορούσαμε να δείξουμε ότι η επαλληλία (υπέρθεση) είναι εκεί και είναι κατά κάποιο τρόπο, επίσης, σημαντική για την ροή ηλεκτρονίων, τότε θα ήταν πολύ ενδιαφέρον”, υποστηρίζει.

    Οι πρώτοι υπολογισμοί του Vedral υποστηρίζουν αυτή την άποψη, όμως υποστηρίζει ότι είναι πολύ νωρίς για να κάνει κάποιους ισχυρισμούς. Είναι δύσκολο να εκτιμηθεί το σύνολο των παραμέτρων που εμπλέκονται στον τομέα της μεταφοράς ηλεκτρονίων, και είναι πιθανό ότι οι κλασικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούν απλώς λάθος αριθμούς. «Και ακόμη δεν έχουμε καμιά πειραματική απόδειξη γι αυτό», τονίζει. Αυτή η απόδειξη μπορεί να είναι αρκετά κοντά – για το πώς τα φυτά και ορισμένα βακτήρια παίρνουν την ενέργειά τους. Φαίνεται πως η φωτοσύνθεση μπορεί να είναι ένα καλό κβαντικό παιχνίδι.

    Άμεση απόδειξη ότι η φωτοσύνθεση λειτουργεί έτσι ήρθε το 2007, όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον Graham Fleming στο Πανεπιστήμιο του Berkeley, παρατήρησε από κοντά μια φωτοσύνθεση στο πράσινο θειούχο βακτήριο Chlorobium tepidum. Οι επιστήμονες εντόπισαν χαρακτηριστικά σήματα της συμβολής κβαντικών κυμάτων στα φωτοσυνθετικά κέντρα των βακτηρίων που ψύχθηκαν έως τους 77 βαθμούς Κέλβιν. Τον Ιανουάριο του περασμένου έτους, μια ομάδα με επικεφαλής τον Gregory Scholes του Πανεπιστημίου του Τορόντο, έδειξε μια παρόμοια επίδραση σε θερμοκρασία δωματίου σε πρωτεΐνες που συλλέγουν το φως σε δύο θαλάσσια φύκια (άλγη).

    Είναι ένα τέχνασμα που θα θέλαμε να μάθουμε. Παρά το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε γενικές γραμμές, το αρχικό στάδιο της μετατροπής εισερχόμενων φωτονίων σε ενέργεια των ηλεκτρονίων από μόρια μέσα σε φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που συλλέγουν το φως, είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό. Όταν το φως του ήλιου είναι αδύναμο, τα φυτά είναι σε θέση να ‘μεταφράσουν’ περισσότερο από το 90 τοις εκατό των φωτονίων σε ηλεκτρόνια που μεταφέρουν ενέργεια. Στο ισχυρό φως του ήλιου πάντως τα φωτοσυνθετικά φυτά απορρίπτουν περίπου το ήμισυ της ενέργειας για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση!

    Η εξήγηση του Scholes για το τελευταίο γεγονός είναι ότι όταν το ηλιακό φως ‘χτυπά’ τα ηλεκτρόνια, αυτά μεταφέρονται σε μια κβαντική υπέρθεση που τους επιτρέπει να είναι σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αυτό ουσιαστικά ενεργοποιεί μόρια που συλλέγουν το φως στο κέντρο της αντίδρασης, όπου η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα για μερικές εκατοντάδες femtoseconds (10−15 seconds). Κατά την περίοδο αυτή, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί, σύμφωνα με τους κβαντικούς κανόνες, να ακολουθήσει όλες τις τροχιές μεταξύ δύο θέσεων ταυτόχρονα. Ο έλεγχος της διαδικασίας πιο στενά αναγκάζει την υπέρθεση να καταρρεύσει – και αποκαλύπτει έτσι ότι το ηλεκτρόνιο έχει λάβει την πορεία εκείνη στην οποία έχασε τη λιγότερη ενέργεια.

    Μπορεί να πάρουμε ένα φύλλο από το βιβλίο της βιολογίας; Ο Scholes νομίζει ότι μπορούμε. «Κάθε χρόνο υπάρχουν χιλιάδες εργασίες που δημοσιεύτηκαν για τη μεταφορά της ενέργειας», λέει. "Ακούγεται σκληρό, αλλά δεν έχουμε μάθει τίποτα εκτός από το προφανές."

    Μια καλύτερη κατανόηση του τι συμβαίνει εκεί μέσα θα μπορούσε να μας βοηθήσει, επίσης, στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή που εκμεταλλεύεται σύμφωνες (coherent) καταστάσεις για να εκτελέσουν μυριάδες υπολογισμούς ταυτόχρονα. Οι προσπάθειες μας για να το καταφέρουμε εμποδίζονται μέχρι σήμερα από την ανικανότητά μας να διατηρήσουμε την απαιτούμενη συνοχή για αρκετά χρόνο – ακόμα και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν και σε απομονωμένες πειραματικές ρυθμίσεις με τις οποίες ελαχιστοποιούνται οι διαταραχές από τον έξω κόσμο.

    Αυτό παραμένει το κεντρικό αίνιγμα για τους φυσικούς που μελετούν τις κβαντικές πτυχές της βιολογίας. Αν δεν μπορούμε να κάνουμε αυτά τα πράγματα στα απομονωμένα εργαστήριά μας, πώς μπορεί ένα φύλλο στον όχι και τόσο απομονωμένο κήπο σας να το καταφέρει;

    Αυτή τη στιγμή έχουμε κάτι περισσότερο από εκπαιδευτικές εικασίες. Η μία από αυτές είναι ότι είναι απλά ένα θαύμα της εξέλιξης. Ο Scholes πιστεύει ότι πρωτεΐνες γύρω από μόρια που συλλέγουν το φως στα φύκια, θα μπορούσαν να έχουν εξελίξει δομές που προστατεύουν από διαταραχές από το περιβάλλον και έτσι επιτρέπουν τέτοιες διεργασίες, για να εκμεταλλευτούν τη μαγεία της κβαντικής φυσικής. Ο Vedral σκέφτεται κι αυτός κάτι παρόμοιο, αν και το γιατί και το πώς η φύση θα το κάνει αυτό, λέει, είναι «εντελώς ασαφές».

    Ο Turin έχει αρκετές επιφυλάξεις. "4.000.000.000 χρόνια ζωής θα έχει κατασκευάσει πολλά θαύματα”, λέει. Θα πρέπει να μάθουμε να δεχόμαστε αυτό που βλέπουμε και να προσπαθήσουμε να το μιμηθούμε, λέει – και όχι μόνο στις ηλιακές κυψέλες και στους κβαντικούς υπολογιστές. Ενώ αυτό που κάνει ένα φάρμακο αποτελεσματικό ή αναποτελεσματικό είναι πολύ μακριά από το να είναι σαφές. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι η λειτουργία των νευροδιαβιβαστών στον εγκέφαλο μας εξαρτάται από αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, τα οποία έχουν όλα να κάνουν με την ροή των ηλεκτρονίων. Σε περίπτωση που οι εν λόγω ροές εμφανίζονται με τρόπους πιο περίεργους από ό,τι έχουμε φανταστεί μέχρι τώρα, θα μπορούσε αυτό να ανοίξει ένα νέο δρόμο για το σχεδιασμό φαρμάκων, για τη θεραπεία ορισμένων από τις πιο ολέθριες ασθένειες μας.

    Άλλοι νομίζουν πως η φύση μας οδηγεί σε λάθος δρόμο. Η φωτοσύνθεση, για παράδειγμα, γίνεται πραγματικά πιο αποτελεσματική με την αξιοποίηση της κβαντικής συμβολής και των φαινομένων της επαλληλίας; «Νομίζω ότι η κρίση δεν έχει γίνει ακόμα σε αυτό το ζήτημα», λέει ο Robert Blankenship του Πανεπιστημίου Washington στο St Louis στην πολιτεία Μισούρι. Άλλοι αναρωτιούνται πώς μπορούμε στην πράξη να κάνουμε να δουλέψουν μακρόβιες κβαντικές καταστάσεις, γιατί είναι σίγουρα πολύ νωρίς για να το πετύχουμε.

    Όλα αυτά τα βήματα γύρω από αυτό το νέο πεδίο χρειάζονται προσοχή. Στο Ινστιτούτο Max Planck ανακάλυψαν αρχικά την κβαντική θεωρία, περισσότερο από έναν αιώνα πριν, λόγω των περίεργων παρατηρήσεων που δεν μπορούσαν να εξηγηθούν με κανέναν άλλο τρόπο. Αυτό οδήγησε στα λέιζερ και τους ημιαγωγούς και όλες τις τεχνολογικές επαναστάσεις που ακολούθησαν. Η κβαντική βιολογία βρίσκεται τώρα σε αυτό το πρώιμο στάδιο των ανεξήγητων παρατηρήσεων. Ο Turin πιστεύει ότι κάτι μεγάλο γεννιέται. "Δεν μπορώ να μην σκέφτομαι ότι βλέπουμε μόνο ένα μικρό μέρος ενός πολύ, πολύ μεγαλύτερου παγόβουνου”, τονίζει.

    Ένα άλλο παράδειγμα των επιπτώσεων της κβαντικής μηχανικής στη βιολογία μπορεί να είναι στο πώς τα πουλιά αισθάνονται το γήινο μαγνητικό πεδίο. Το 2004, ο Thorsten Ritz του Πανεπιστημίου στο Irvine, έδειξε το πως οι μαγνητικές διαταραχές, που θα εμφανίζονται μόνο σε συστήματα που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις μεταβάσεις μεταξύ συγκεκριμένων κβαντομηχανικών καταστάσεων spin, θα μπορούσαν να διαταράξουν την πυξίδα του είδους Erithacus rubecula.

    Ο Ritz προτείνει ότι τα πουλιά έρχονται εφοδιασμένα με ένα σύστημα αισθητήρων που περιέχει καταστάσεις σπιν που αλλάζουν ανάλογα με τις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο της Γης, παράγοντας σήματα που το μυαλό του πουλιού με κάποιο τρόπο ανιχνεύει. Αλλά πώς;

    Η πρώτη πρόταση ήταν ότι κάποια συσκευή στο μάτι αρχίζει μια χημική αντίδραση. Αλλά αυτό θα απαιτούσε μια συνεχή, ταχεία αναστροφή των σπιν για να διατηρήσει χημικές ροές πληροφορίες, ενώ τα πουλιά φαίνεται να διατηρούν λεπτές καταστάσεις σπιν, για εξαιρετικά μεγάλα χρονικά διαστήματα έως και 100 μικροδευτερόλεπτα.

    Σύμφωνα με τον Marshall Stoneham του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου του Λονδίνου, το πρόβλημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί αν τα πουλιά χρησιμοποιούσαν κάτι παρόμοιο με μια ανθρώπινη οπτική ιδιαιτερότητα, που ανιχνεύει την πόλωση του φωτός.

    Ο Stoneham υπολόγισε ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να παράγει μια παρόμοια στρέβλωση στο οπτικό πεδίο ενός πουλιού, ο προσανατολισμός του οποίου θα αλλάξει με μια αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο. Κυρίως, αυτό θα συμβεί μόνο αν οι κβαντικές καταστάσεις διατηρηθούν αρκετό καιρό για να επηρεάσουν πολλά από τα μόρια του πουλιού που αισθάνονται το φως την ίδια στιγμή. Τα πτηνά μπορούν να δουν το αποτέλεσμα, πρότεινε ο Stoneham, μπροστά τους σε ένα είδος μιας οθόνης, παρόμοιας με αυτήν που συναντάμε ενσωματωμένη στο παρμπρίζ κάποιων πολυτελών αυτοκινήτων.

    Πηγή: New Scientist

Κατηγορίες:βιολογία Ετικέτες: ,
  1. Δεν υπάρχουν σχόλια.
  1. No trackbacks yet.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Αρέσει σε %d bloggers: