Mada je suviše rano na osnovu dosadaših istraživanja izvoditi konkretne tvrdnje, spoj biologije i kvantne mehanike mogao bi u budućnosti da dovede do zanimljivih saznanja
Tekst: Vuk Radoičić
Sasvim je očekivano da priča o svetu u kome je moguće da se čestica nalazi na više mesta istovremeno zaintrigira gotovo svakoga, pa je tako kvantna fizika sa svojim zagonetnim pojmovima superpozicije, dualne prirode čestica i kvantne zamršenosti podstakla maštu i polako ali sigurno pronašla svoje mesto u popularnoj kulturi. Da li postoji neki nevidljivi most koji spaja kvantnu fiziku sa običnim svetom? Još pre 7o godina se austrijski fizičar i nobelovac Ervin Šredinger osvrnuo na ovo pitanje u svojoj knjizi Šta je život?. Jedna od glavnih teza knjige je pretpostavka da se neki biološki procesi mogu objasniti uz pomoć pravila i fenomena kvantne fizike.
Vlatko Vedral sa Univerziteta Oksford i Markus Arnt i Tomas Džafman sa Univerziteta u Beču 2009. godine ponovo pokreću ovo pitanje u svom radu Quantum physics meets biology, gde se suprotstavljaju mišljenju da kvantni fenomeni pripadaju isključivo kvantnom univerzumu. Moderna biologija se takođe bavi interakcijama molekula koji su u osnovi svih živih bića, dok se kvantna fizika fokusira na mikrosvet fotona, elektrona i atoma. Trojica pomenutih fizičara ukazuju na to da su se veličine objekata koji su predmeti istraživanja ove dve nauke izuzetno približile. Imajući ovo u vidu, prirodno se nameće pitanje uloge kvantne mehanike u biologiji, a put ka odgovoru možda može pokazati raspevani crvendać.
Poznato je da se ptice selice tokom svojih migracija orijentišu uz pomoć Zemljinog magnetnog polja kako bi došle do toplijih krajeva. Ono što je zaista fascinantno, prema rečima Seta Lojda, profesora na MIT-u, jeste način na koji bi mogao da funkcioniše taj ptičji kompas. Primećeno je da crvendać može da detektuje pravac magnetnog polja, ali i njegov ugao orijentacije. To objašnjava kako mogu da znaju geografsku širinu i pravac. Lojd skreće pažnju i na činjenicu da crvendać može da odredi pravac svog kretanja kada je izložen zelenom ili plavom svetlu. Pretpostavlja se da je molekul koji apsorbuje svetlost u oku ptice zaslužan za njihov unutrašnji kompas. Apsorbovani foton zatim dovodi radikalni par elektrona u molekulu do stanja pobuđenosti.
Fotonu je za to potrebno dovoljno energije što objašnjava zašto crvendaći reaguju na zeleno i plavo svetlo, koje ima veću talasnu dužinu od, na primer, crvenog. U trenutku kada molekul apsorbuje svetlost, pobuđeni par elektorna dolazi u stanje kvantne zamršenosti. Uprkos tome što dva elektrona ne mogu da komuniciraju ipak na neki način ostaju povezana u ovom stanju. Lojd navodi da je trenutno najbolje objašnjenje za ovaj ptičji kompas to da se spin pobuđenih parova elektrona menja pod uticajem snage i ugla orijentacije magnetnog polja zahvaljujući kvantnoj zamršenosti, pa to signalizira crvendaćima u kom pravcu treba da se kreću kako bi pobegli od okrutnih zima Skandinavije u prijatne predele Sredozemlja i severne Afrike.
Još jedan primer koji pokazuje da se procesi kvantne fizike mogu naći u prirodnom okruženju jeste proces fotosinteze. Postupak pretvaranja Sunčeve energije u hemijsku i njeno čuvanje u formi molekula šećera može na prvi pogled izgledati jednostavno. Posle više miliona pređenih kilometara, foton koji je krenuo od Sunca svoj put završava u molekulu hlorofila koji njegovim apsorbovanjem gubi jedan elektron. Elektron zatim mora da pronađe put do reaktivnog centra preko više različitih molekula, gde se skladišti kao hemijska energija. Naučnike je zbunjivalo kako elektron uspeva da pronađe rutu tako brzo i efikasno, gotovo bez ikakvog gubitka energije.
Tokom eksperimenta koji je 2007. sproveden na Univerzitetu u Berkliju naučnici su ispaljujući laserom kratke snopove svetlosti na fotosintetičke sisteme primetili da se putujući elektron ne ponaša kao čestica, već kao talas. Kroz radove Maksa Planka, Nilsa Bora i drugih utvrđeno je da su sve čestice u kvantnom svetu dualne prirode, što znači da sve čestice imaju svojstva talasa i obrnuto. Talasna svojstva elektronu omogućavaju da odjednom istraži sve moguće putanje do reaktivnog centra kako bi pronašao najbrži put umesto da istražuje jednu po jednu putanju. Ova teorija rešava problem klasične fizike koja predviđa značajn gubitak energije tokom transporta elektrona.
Lajnus Poling je četrdesetih godina prošlog veka ponudio teoriju koja se danas smatra standardnim objašnjenjem mehanizma čula mirisa. Mirise osećamo zahvaljujući „mirišljavim“ molekulima sa specifičnim oblikom koje registrujemo pomoću receptora u sluzokoži nosa. Mirišljivi molekul će se zakačiti samo za specifični receptor koji može da primi odgovarajući oblik molekula. Po Lojdovom mišljenju za ovu teoriju je problematično što čovek ima oko 400 receptora u nosu, a može da identifikuje do 10.000 različitih mirisa. Na isti problem ukazuje eksperiment koji je sproveo Luka Tjuring sa Instituta „Aleksandar Fleming“ u Grčkoj. Ako uzememo neki organski molekul koji u svojoj strukturi ima atome ugljenika, i zamenimo ih sa atomima silicijuma, dobićemo održivu hemijsku strukturu jer ugljenik i silicijum imaju istu valentnu vrednost pa će se vezati za isti receptor kao prvobitni molekul. Struktura sa atomima ugljenika će kod čoveka imati prijatnu mirisnu notu, dok će drugi molekul asocirati na miris pokvarenih jaja.
Kako je moguće da molekul koji je vezan za isti receptor daje potpuno drugačiji miris? Luka Tjuring tvrdi da miris ne određuje samo hemijska struktura molekula već i njegova frekvencija vibracije. Na ovaj zaključak ga je navelo zapažanje da se frekvencija menja kada se atomi ugljenika zamene sa silicijumom čiji je atom dosta teži. Takođe, izmenjeni molekul je vibrirao na frekvenciji koja je približna onoj koju imaju sumporna jedinjenja za koja je karakterističan miris pokvarenih jaja. Ideja je, kako Tjuring kaže, da neka hemijska veza u molekulu rezonuje sa određenom energijom koja omogućava elektronu na strani receptivnog molekula da „preskoči“ na drugu stranu. On vrši ovaj skok preko tunel efekta koji omogućava čestici kao što je elektron da savlada konačnu potencijalnu barijeru čak i kada je energija čestice niža od energije barijere. Elektron potom uzrokuje lančanu reakciju koja šalje signal mozgu da je receptor došao u kontakt sa određenim mirisom. Ovaj čitav proces, koji je u osnovi kvantni, ono je što zapravo daje nekom molekulu miris.