Мада је сувише рано на основу досадаших истраживања изводити конкретне тврдње, спој биологије и квантне механике могао би у будућности да доведе до занимљивих сазнања
Текст: Вук Радоичић
Сасвим је очекивано да прича о свету у коме је могуће да се честица налази на више места истовремено заинтригира готово свакога, па је тако квантна физика са својим загонетним појмовима суперпозиције, дуалне природе честица и квантне замршености подстакла машту и полако али сигурно пронашла своје место у популарној култури. Да ли постоји неки невидљиви мост који спаја квантну физику са обичним светом? Још пре 7о година се аустријски физичар и нобеловац Ервин Шредингер осврнуо на ово питање у својој књизи Шта је живот?. Једна од главних теза књиге је претпоставка да се неки биолошки процеси могу објаснити уз помоћ правила и феномена квантне физике.
Влатко Ведрал са Универзитета Оксфорд и Маркус Арнт и Томас Џафман са Универзитета у Бечу 2009. године поново покрећу ово питање у свом раду Quantum physics meets biology, где се супротстављају мишљењу да квантни феномени припадају искључиво квантном универзуму. Модерна биологија се такође бави интеракцијама молекула који су у основи свих живих бића, док се квантна физика фокусира на микросвет фотона, електрона и атома. Тројица поменутих физичара указују на то да су се величине објеката који су предмети истраживања ове две науке изузетно приближиле. Имајући ово у виду, природно се намеће питање улоге квантне механике у биологији, а пут ка одговору можда може показати распевани црвендаћ.
Познато је да се птице селице током својих миграција оријентишу уз помоћ Земљиног магнетног поља како би дошле до топлијих крајева. Оно што је заиста фасцинантно, према речима Сета Лојда, професора на МИТ-у, јесте начин на који би могао да функционише тај птичји компас. Примећено је да црвендаћ може да детектује правац магнетног поља, али и његов угао оријентације. То објашњава како могу да знају географску ширину и правац. Лојд скреће пажњу и на чињеницу да црвендаћ може да одреди правац свог кретања када је изложен зеленом или плавом светлу. Претпоставља се да је молекул који апсорбује светлост у оку птице заслужан за њихов унутрашњи компас. Апсорбовани фотон затим доводи радикални пар електрона у молекулу до стања побуђености.
Фотону је за то потребно довољно енергије што објашњава зашто црвендаћи реагују на зелено и плаво светло, које има већу таласну дужину од, на пример, црвеног. У тренутку када молекул апсорбује светлост, побуђени пар електорна долази у стање квантне замршености. Упркос томе што два електрона не могу да комуницирају ипак на неки начин остају повезана у овом стању. Лојд наводи да је тренутно најбоље објашњење за овај птичји компас то да се спин побуђених парова електрона мења под утицајем снаге и угла оријентације магнетног поља захваљујући квантној замршености, па то сигнализира црвендаћима у ком правцу треба да се крећу како би побегли од окрутних зима Скандинавије у пријатне пределе Средоземља и северне Африке.
Још један пример који показује да се процеси квантне физике могу наћи у природном окружењу јесте процес фотосинтезе. Поступак претварања Сунчеве енергије у хемијску и њено чување у форми молекула шећера може на први поглед изгледати једноставно. После више милиона пређених километара, фотон који је кренуо од Сунца свој пут завршава у молекулу хлорофила који његовим апсорбовањем губи један електрон. Електрон затим мора да пронађе пут до реактивног центра преко више различитих молекула, где се складишти као хемијска енергија. Научнике је збуњивало како електрон успева да пронађе руту тако брзо и ефикасно, готово без икаквог губитка енергије.
Током експеримента који је 2007. спроведен на Универзитету у Берклију научници су испаљујући ласером кратке снопове светлости на фотосинтетичке системе приметили да се путујући електрон не понаша као честица, већ као талас. Кроз радове Макса Планка, Нилса Бора и других утврђено је да су све честице у квантном свету дуалне природе, што значи да све честице имају својства таласа и обрнуто. Таласна својства електрону омогућавају да одједном истражи све могуће путање до реактивног центра како би пронашао најбржи пут уместо да истражује једну по једну путању. Ова теорија решава проблем класичне физике која предвиђа значајн губитак енергије током транспорта електрона.
Лајнус Полинг је четрдесетих година прошлог века понудио теорију која се данас сматра стандардним објашњењем механизма чула мириса. Мирисе осећамо захваљујући „миришљавим“ молекулима са специфичним обликом које региструјемо помоћу рецептора у слузокожи носа. Миришљиви молекул ће се закачити само за специфични рецептор који може да прими одговарајући облик молекула. По Лојдовом мишљењу за ову теорију је проблематично што човек има око 400 рецептора у носу, а може да идентификује до 10.000 различитих мириса. На исти проблем указује експеримент који је спровео Лука Тјуринг са Института „Александар Флеминг“ у Грчкој. Ако уземемо неки органски молекул који у својој структури има атоме угљеника, и заменимо их са атомима силицијума, добићемо одрживу хемијску структуру јер угљеник и силицијум имају исту валентну вредност па ће се везати за исти рецептор као првобитни молекул. Структура са атомима угљеника ће код човека имати пријатну мирисну ноту, док ће други молекул асоцирати на мирис покварених јаја.
Како је могуће да молекул који је везан за исти рецептор даје потпуно другачији мирис? Лука Тјуринг тврди да мирис не одређује само хемијска структура молекула већ и његова фреквенција вибрације. На овај закључак га је навело запажање да се фреквенција мења када се атоми угљеника замене са силицијумом чији је атом доста тежи. Такође, измењени молекул је вибрирао на фреквенцији која је приближна оној коју имају сумпорна једињења за која је карактеристичан мирис покварених јаја. Идеја је, како Тјуринг каже, да нека хемијска веза у молекулу резонује са одређеном енергијом која омогућава електрону на страни рецептивног молекула да „прескочи“ на другу страну. Он врши овај скок преко тунел ефекта који омогућава честици као што је електрон да савлада коначну потенцијалну баријеру чак и када је енергија честице нижа од енергије баријере. Електрон потом узрокује ланчану реакцију која шаље сигнал мозгу да је рецептор дошао у контакт са одређеним мирисом. Овај читав процес, који је у основи квантни, оно је што заправо даје неком молекулу мирис.