Ο Jim Al-Khalili και ο περίεργος κόσμος της κβαντικής βιολογίας. Jim Al-Khalili and the extremely strange world of quantum biology

Πώς ένας κοκκινολαίμης γνωρίζει να πετάξει νότια; Η απάντηση μπορεί να είναι πιο περίεργη από ό, τι νομίζετε: Η Κβαντική Φυσική μπορεί να εμπλέκεται. Ο Τζιμ Αλ-Καλίλι συλλέγει τον εξαιρετικά καινούριο, εξαιρετικά παράξενο κόσμο της Κβαντικής Βιολογίας, κάτι που ο Αϊνστάιν κάποτε αποκάλεσε «αλλόκοτη δράση από απόσταση» βοηθά την πλοήγηση των πτηνών, και τα κβαντικά φαινόμενα ίσως εξηγούν την καταγωγή της ίδιας της ζωής. It allows particles to be in two places at once, pass through impenetrable barriers or maintain spooky connections with other particles – but can quantum physics really govern biology? One of the most intriguing candidates for quantum biology is bird navigation. Many birds and other animals are known to navigate around the globe during their annual migrations by detecting the earth’s magnetic field: they have a built-in compass. But how it works is a mystery – the earth’s magnetic field is very weak; so weak that it’s difficult to see how it could be detected inside an animal’s body. Further puzzles emerged in studies with the European robin, which demonstrated that its compass is light-dependent, and that, unlike a conventional compass, it detects the angle of magnetic field lines relative to the Earth’s surface, rather than its orientation. No one had any idea why a compass should be light-dependent or how such a compass could detect the angle of the Earth’s magnetic field.

Ουρές σχηματίστηκαν έξω απ’ το αμφιθέατρο της Τεχνόπολης (στα πλαίσια του Athens Science Festival) για να παρακολουθήσουν τη διάλεξη του Jim Al-Khalili με τίτλο: «Είναι η ζωή κβαντομηχανική; Η αναδυόμενη επιστήμη της κβαντικής βιολογίας». 

Κρίνοντας από τα προηγούμενα βιβλία του, που επιτρέπουν ακόμα και όσους θεωρούν τους εαυτούς τους επιστημονικά αναλφάβητους να κατανοήσουν έννοιες όπως οι μαύρες τρύπες και ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, ελάχιστοι συγγραφείς είναι πιο κατάλληλοι από τον Αλ-Καλίλι για να περιγράψουν τον κόσμο του μέλλοντος. Ως καθηγητής κβαντικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σάρεϊ, είναι απόλυτα εξοικειωμένος με τις θεωρίες, την ορολογία και τις τελευταίες εξελίξεις στον χώρο των θετικών επιστημών. Επιπλέον, έχει επανειλημμένως βραβευθεί για το έργο του στην εκλαΐκευση της εξειδικευμένης γνώσης, γνωρίζει όλα τα «τρικ» για τη συγγραφή επιτυχημένων ιστοριών, ενώ τις παρομοιώσεις του θα ζήλευαν και οι πιο ταλαντούχοι μυθιστοριογράφοι. Πάντοτε μετριοπαθής, ο ίδιος υποστηρίζει ότι οι περισσότεροι ευφάνταστοι παραλληλισμοί στη «Ζωή στην κόψη», ανήκουν στον συνεργάτη του και καθηγητή μοριακής γενετικής Johnjoe McFadden. 30 years’ experience in nuclear reaction theory and few-body quantum scattering methods to study nuclear structure, particularly as applied to the study of exotic nuclei. Pioneered the application of few-body methods in nuclear reactions, in particular stripping and knockout reactions at fragmentation energies. Nuclear physics research has spanned a wide range of phenomena from low energy astrophysics and decay studies to hadron physics and meson production. Current interest is in open quantum systems and in particular quantum mechanisms in molecular biology. Recent papers include modelling proton tunnelling processes in DNA and the effects of environmental de-phasing and the quantum measurement problem. Also has a number of papers, review articles and books on the history of science. Jim Al-Khalili in his laboratory at the University of Surrey (Susannah Ireland)

Ο Jim Al-Khalili είναι καθηγητής Κβαντικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Surrey, διευθυντής του Τμήματος Επικοινωνίας και Διάδοσης Επιστημονικών Θεμάτων προς το ευρύ κοινό, παρουσιαστής εκπομπών στο BBC καθώς και ένας από πιο διάσημους συγγραφείς εκλαϊκευμένης επιστήμης στον κόσμο του οποίου τα βιβλία έχουν μεταφραστεί σε 22 γλώσσες ανά τον κόσμο.

Jim Al-Khalili, «Ζωή στην κόψη – Η μυστηριώδης Κβαντική Βιολογία», Τραυλός

Στην Ελλάδα τα βιβλία του κυκλοφορούν από τις Εκδόσεις Τραυλός: «Σκουληκότρυπες, μαύρες τρύπες και χρονομηχανές» (2001), «Quantικά Παράδοξα» (2005), «Οι Δαίμονες της Φυσικής» (2014), καθώς και το καινούργιο του βιβλίο με τίτλο: «Ζωή στην κόψη – Η μυστηριώδης Κβαντική Βιολογία».

Η Κβαντική Βιολογία είναι ένας σχετικά καινούργιος κλάδος των θετικών επιστημών, ο οποίος όμως αντιμετωπίζεται με ιδιαίτερο σκεπτικισμό από την επιστημονική κοινότητα. Όμως τα ευρήματα των δύο τελευταίων ετών ωθούν όλο και περισσότερους επιστήμονες από τους χώρους της φυσικής, της χημείας και της βιολογίας να ασχοληθούν με αυτόν τον κλάδο. Η κβαντική μηχανική, μυστηριώδης από τη φύση της, μπορεί να περιγράψει την ανθρώπινη πραγματικότητα και να δώσει απαντήσεις σε αλλόκοτα φαινόμενα τα οποία οι άλλες επιστήμες αδυνατούν να εξηγήσουν. Ο κβαντικός κόσμος εξετάζει φαινόμενα στον μικρόκοσμο της τάξης των νανοχιλιοστών, στον οποίο ανήκουν τα μόρια και τα άτομα καθώς και το DNA. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να δώσει απαντήσεις σε υποατομικό επίπεδο, συνεπώς η κβαντική μηχανική, που χρονολογείται απ’ το 1920, μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τα δομικά στοιχεία του έμβιου κόσμου μας, καθώς τις βαθύτερες δομές της ύλης στο σύμπαν.

Οι επιστήμονες από το χώρο της φυσικής χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική για να εξηγήσουν θεωρίες όπως αυτή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Κατασκεύασαν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC – Large Hadron Collider) με τον οποίο, πράγματι, κατάφεραν να ανιχνεύσουν το μποζόνιο του Higgs, το θεμελιώδες σωματίδιο που δίνει μάζα στην ύλη και το επόμενο βήμα είναι να ανιχνεύσουν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Στην κβαντική μηχανική συμβαίνουν περίεργα, ασυνήθιστα, κόντρα στη λογική φαινόμενα, όπως αυτό που απεικονίζεται από τον σκιέρ που «διασχίζει» ένα δέντρο με πολύ φυσικό τρόπο! Αυτή η σχηματική αναπαράσταση δείχνει ότι πολλά περίεργα πράγματα μπορούν να συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Οι χημικοί επίσης έχουν χρησιμοποιήσει την κβαντική μηχανική ώστε να κατανοήσουν τις ιδιότητες των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Η ίδια η δομή, η ταξινόμηση των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα βασίζεται στην κβαντική μηχανική. Οι βιολόγοι πάλι αντιμετωπίζουν με σκεπτικισμό την κβαντική μηχανική. Όμως εφόσον η κβαντική μηχανική εξηγεί φαινόμενα της οργανικής χημείας και η οργανική χημεία εξηγεί φαινόμενα της μοριακής βιολογίας (κυτταρική βιολογία, γενετική, γονιδιωματική), αναγωγικά προκύπτει πως η κβαντική μηχανική είναι θεμελιώδης στη βιολογία δίνοντας απαντήσεις για τη συμπεριφορά των μορίων του έμβιου κόσμου (ζωή) όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο, ο άνθρακας και το νάτριο.

Η Κβαντική Βιολογία όμως είναι κάτι διαφορετικό. Δεν λέει ότι «πρέπει να περιγράψουμε τη ζωή επειδή όλα είναι φτιαγμένα από άτομα και τα άτομα είναι αντικείμενα της κβαντομηχανικής». Λέει κάτι διαφορετικό. Περί το 1940, ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) έγραψε το περίφημο βιβλίο «Τι είναι η ζωή;» [«Τι είναι η ζωή; Πνεύμα και ύλη – Αυτοβιογραφικά σκαριφήματα, Εκδόσεις Τραυλός, 1995] βασισμένο σε μια σειρά διαλέξεων.

German physicist Pascual Jordan in the 1920s

Ήταν ο πρώτος που διατύπωσε το ερώτημα: «Πόσο σημαντική είναι η Κβαντική Μηχανική στη ζωή;» Εννοούσε όμως όχι τη «συμβατική» συνεισφορά της κβαντομηχανικής στο υποατομικό επίπεδο, αλλά τα περίεργα φαινόμενα που αναπαρίστανται στην απεικόνιση με τον σκιέρ. Μήπως, μάλιστα, οτιδήποτε σημαντικό στη ζωή, οφείλεται ακριβώς στην κβαντική μηχανική; Τι είναι αυτό που δίνει ζωή σε ένα αντικείμενο; Όμως παρότι αυτοί οι προβληματισμοί οδηγούσαν στη γέννηση της Κβαντικής Βιολογίας, εγκαταλείφθηκαν μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο πόλεμο. Εκείνη την εποχή η πυρηνική φυσική καθώς και η μοριακή βιολογία έκαναν άλματα χωρίς την κβαντική μηχανική, συνεπώς δεν υπήρχε η ανάγκη για έναν νέο επιστημονικό κλάδο. Σημαντική ήταν επίσης και η συνεισφορά του Pascual Jordan ο οποίος ασχολήθηκε με το ερώτημα: «είναι η κβαντομηχανική απαραίτητη για την εξήγηση της ζωής;» Ιδεολογικά ήταν ένθερμος υποστηρικτής των ναζί και ένας από τους λόγους που εγκαταλείφθηκε τότε η Κβαντική Βιολογία για δεκαετίες ήταν ο συσχετισμός του Pascual Jordan με το ναζιστικό κόμμα.

Ο Philip Ball, καλεσμένος του θεωρητικού φυσικού Jim Al-Khalili, μας εξηγεί πως τα φαινόμενα της κβαντικής θεωρίας εκδηλώνονται σε βιολογικό επίπεδο. Ο Philip Ball με βασικό πτυχίο στη χημεία και διδακτορικό στη φυσική, είναι συγγραφέας πολλών βιβλίων και εκλαϊκευμένων επιστημονικών άρθρων σε Nature, New Scientist, New York Times, The Guardian κ.ά. What is quantum biology? Philip Ball explains how strange quantum effects take place in the messy world of biology, and how these are behind familiar biological phenomena such as smell, enzymes and bird's migration.

Το 2011, με ένα άρθρο του Philip Ball στο επιστημονικό περιοδικό Nature, άρχισε η αναγέννηση της Κβαντικής Βιολογίας.

Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden

Ο Jim Al-Khalili άρχισε να ασχολείται με προβλήματα της βιολογίας, που ίσως χρειάζονταν την συμβολή της κβαντικής μηχανικής, πριν από είκοσι χρόνια. Το 1997, ένας μοριακός βιολόγος, συνάδερφος του Jim Al-Khalili στο Πανεπιστήμιο Surrey, o Johnjoe McFadden, έκανε ένα σεμινάριο στο Τμήμα της Φυσικής μιλώντας για προσαρμοστικές μεταλλάξεις (adaptive mutations) προσπαθώντας να εξηγήσει γιατί ορισμένα βακτήρια ακολουθούν μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μεταλλάξεων. Είναι σαν να μπορούν να προβλέψουν ποια μετάλλαξη θα είναι η ευνοημένη και ακολουθούν αυτήν την κατεύθυνση, ενώ στην πραγματικότητα οι μεταλλάξεις πρέπει να γίνονται τυχαία. Σε αυτό το πρόβλημα ο Johnjoe McFadden πρότεινε ότι μπορεί να υπάρχει μια κβαντομηχανική εξήγηση. Η ιδέα αυτή απορρίφθηκε ως τρελή από την πλειοψηφία των επιστημόνων, αλλά για τον Jim Al-Khalili ήταν η έναρξη μιας συνεργασίας με τον Johnjoe McFadden. Έκτοτε υπήρξε έντονη αντιπαράθεση αλλά και πειραματικά αποτελέσματα που οδηγούσαν στο συμπέρασμα ότι κάποια φαινόμενα της βιολογίας μπορούν να εξηγηθούν μόνο με την κβαντική μηχανική, μόνο με τις περίεργες ιδιότητες που αποδίδονται στα σωματίδια στην κβαντική μηχανική.

Είναι αναγκαίο λοιπόν να αναφερθούν μερικά πειραματικά αποτελέσματα καθώς και η περίεργη κβαντική εξήγησή τους. Ένα ηλεκτρόνιο είναι παγιδευμένο σε έναν περιορισμένο χώρο και παρότι κανονικά δεν πρέπει να μπορεί να διαπεράσει ένα ενεργειακό φράγμα, η σκιά του φαίνεται να διαπερνά το φράγμα, δίνοντας την εικόνα ενός σωματιδίου-φάντασμα. Στη βιολογία τα ένζυμα λειτουργούν σαν κυτταρικοί καταλύτες: έχουν την ιδιότητα να επιταχύνουν πολύπλοκες διαδικασίες. Για να δράσουν σαν καταλύτες θα πρέπει να μεταφέρουν με μεγάλη ταχύτητα στοιχειώδη σωματίδια μέσα σε ένα κύτταρο και ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο είναι μέσω κβαντικών τούνελ. Αυτή ήταν η πρώτη επιβεβαιωμένη ένδειξη ότι εκπληκτικά κβαντικά φαινόμενα συμβαίνουν εντός των κυττάρων έμβιων οργανισμών! Το αμέσως επόμενο ερώτημα που προκύπτει είναι κατά πόσο μπορούν να ανιχνευθούν κβαντικά τούνελ στο DNA και ειδικά στις μεταλλάξεις. Μπορεί λοιπόν η κβαντική μηχανική να βοηθήσει στις μεταλλάξεις και συνεπώς επέμβει στην εξέλιξη που μέχρι τώρα θεωρείται μια τυχαία διαδικασία;

Άλλο ένα παράδειγμα είναι η όσφρηση. Στη μύτη υπάρχουν υποδοχείς μορίων και ένα μόριο μπορεί να χωρέσει σε έναν τέτοιο υποδοχέα αν έχει το κατάλληλο μέγεθος και μόνο τότε στέλνει σήμα στον εγκέφαλο ότι πρόκειται για μια ορισμένη μυρωδιά (shape theory). Πρόσφατα όμως, ανακαλύφθηκε ότι μόρια διαφορετικού μεγέθους έχουν διαφορετική μυρωδιά. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με μια νέα θεωρία που εξετάζει τη συχνότητα δόνησης των συγκεκριμένων μορίων και η συχνότητα των δονήσεων είναι μέρος της κβαντικής μηχανικής, συνεπώς η κβαντική μηχανική μπορεί τελικά να εξηγήσει τον μηχανισμό της όσφρησης.

Άλλο ένα παράδειγμα είναι ο σκιέρ και η φωτοσύνθεση! Η απεικόνιση μας δείχνει ότι ο σκιέρ είναι καλά παρότι έχει διασχίσει ένα δέντρο και το δέντρο φυσικά βρίσκεται στη θέση του, δηλαδή περίεργα φαινόμενα συμβαίνουν ταυτόχρονα. Στην πυρηνική φυσική ο πυρήνας του μόλυβδου 186 βρίσκεται ταυτόχρονα σε τρία διαφορετικά σχήματα: σφαιρικό, πεπλατυσμένο και ωοειδές. Στην κβαντική μηχανική αυτό το φαινόμενο εξηγείται με την αρχή της υπέρθεσης. Η αρχή της υπέρθεσης έχει εφαρμογή στη φωτοσύνθεση. Κατά τη φωτοσύνθεση όταν ένα φωτόνιο προσκρούει σε ένα μόριο χλωροφύλλης θα πρέπει να μετασχηματίσει τη φωτεινή ενέργεια σε χημική για τη δημιουργία βιομάζας. Η συμπεριφορά του φωτονίου είναι όμοια με τη συμπεριφορά του σκιέρ. Δείχνει να ακολουθεί όλες τις δυνατές διαδρομές μέχρι να φτάσει στο μόριο της χλωροφύλλης.

Ενήλικος κοκκινολαίμης. European Robin (Erithacus rubecula). “It appears that robins, and probably other birds and animals, use Einstein’s spooky action to navigate around the globe every year.”

Το τελευταίο και πιο τρελό παράδειγμα είναι η μυστηριώδης αίσθηση πλοήγησης του ευρωπαϊκού κοκκινολαίμη. Έχει εντός του μια χημική πυξίδα που του επιτρέπει να ανιχνεύει το μαγνητικό πεδίο της γης και συνεπώς μπορεί να ακολουθήσει μια συγκεκριμένη διαδρομή αποδημίας. Αυτή η ικανότητα είναι γνωστή ως μαγνητοαντίληψη. Το μαγνητικό πεδίο της γης είναι ασθενές για την αντιληπτική ικανότητα του κοκκινολαίμη και δεν μπορεί να επηρεάσει τις χημικές αντιδράσεις στο σώμα του πτηνού. Η μοναδική θεωρία που δείχνει να μπορεί να εξηγήσει τη μαγνητοαντίληψη χρησιμοποιεί της αρχές της κβαντομηχανικής και συγκεκριμένα την κβαντική διεμπλοκή: Δύο απομακρυσμένα ωστόσο διεμπλεκόμενα σωματίδια λέγεται ότι είναι μη τοπικά συνδεδεμένα επειδή αποτελούν μέρη της ίδιας κβαντικής κατάστασης, ή αλλιώς, σωματίδια τα οποία βρίσκονταν αρχικά κοντά αλλά αργότερα βρέθηκαν στα δύο άκρα του σύμπαντος μπορούν, τουλάχιστον θεωρητικά, να παραμείνουν συνδεδεμένα. Γνωρίζουμε ότι η χημική πυξίδα του πτηνού πυροδοτείται από το φως. Στον αμφιβληστροειδής του πτηνού υπάρχει ένα μόριο με δύο ηλεκτρόνια. Τα δύο αυτά ηλεκτρόνια είναι πολύ ευαίσθητα στο μαγνητικό πεδίο της γης ακριβώς επειδή είναι διεμπλεκόμενα. Μόνο αν είναι διεμπλεκόμενα μπορούν να είναι ευαίσθητα στο μαγνητικό πεδίο της γης και να μπορέσουν έτσι να λειτουργήσουν τη χημική πυξίδα του πτηνού κατά την αποδημία. Δεν είναι σίγουρο ότι αυτή είναι η εξήγηση, αλλά είναι η μόνη εξήγηση που έχουμε προς το παρόν.

Από τα παραπάνω παραδείγματα προκύπτει ότι ορισμένα βιολογικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν μόνο με την κβαντική μηχανική. Η Κβαντική Βιολογία είναι ένας σχετικά καινούργιος κλάδος γι’ αυτό και υπάρχει αρκετός σκεπτικισμός. Οι βιολόγοι λένε ότι η κβαντική μηχανική είναι τρέλα. Οι φυσικοί προφανώς την υπερασπίζονται σαν θεωρία και οι χημικοί βρίσκονται κάπου στη μέση. Όμως η προσωπική εκτίμηση του Jim Al-Khalili υπερασπίζεται ένθερμα την Κβαντική Βιολογία. Οι κανόνες της Κβαντικής Βιολογίας είναι τέτοιοι που μπορούν να εξηγήσουν φαινόμενα που έως τώρα ήταν αδιανόητο να εξηγηθούν. Αν η ζωή μπορούσε να χρησιμοποιήσει κανόνες της κβαντικής μηχανικής προς όφελός της, είναι βέβαιο ότι σε τόσα χρόνια εξέλιξης θα τους χρησιμοποιούσε. Όπως επίσης είναι βέβαιο ότι η Κβαντική Βιολογία είναι ένας καινούργιος επιστημονικός κλάδος με πάρα πολλά ερευνητικά πεδία που προσελκύουν όλο και περισσότερους επιστήμονες και ερευνητές. Οι Jim Al-Khalili & Johnjoe McFadden είναι οι πρώτοι που τόλμησαν να γράψουν ένα βιβλίο για τις «τρελές» θεωρίες της Κβαντικής Βιολογίας που ίσως τελικά να μπορέσουν να εξηγήσουν τα μυστήρια της ζωής!

Πηγές: Ο Jim Al-Khalili και ο περίεργος κόσμος της κβαντικής βιολογίας - https://www.labnews.co.uk/features/quantum-weirdness-powering-biology-05-11-2015/ - http://www.jimal-khalili.com/books/