Kvantinis gyvenimas: gyvosios gamtos keistenybės, kurias paaiškintų nebent kvantinė mechanika

Esame linkę manyti, kad kvantinės mechanikos ir biologijos ryšys baigiasi su Schrödinger’io kate. Erwin’as Schrödinger’is ir nenumatė savo nelaimingajai katei – dėl kvantinių taisyklių pakibusiai tuo pačiu mirties ir gyvybės būsenoje – būti kuo nors kitu, nei metafora. Išties, 1944-aisiais savo knygoje „Kas yra gyvybė (What is Life?)“, jis manė, kad gyvi organizmai bet kokia kaina blokuotų kvantinės fizikos neapibrėžtumą.

Bet ar taip iš tiesų yra? Ar gali dalelės, esančios iškart dviejose būsenose, sąveikaujančios nepaaiškinamu būdu per atstumą ir turinčios kitas kvantines savybes, versti suktis daug svarbių gyvybės procesų? Priimkite tai, sako idėjos šalininkai, ir galėsime tai panaudoti kurdami geresnius vaistus, efektyvius fotoelementus ir labai greitus kvantinius kompiuterius. Tačiau, prieš tai darant, reikia kai ką suprasti: kaip kvantai pakliuvo į biologiją?

Viena vertus, neturėtume stebėtis, kad gyvybėje yra ir kvantinė pusė. Juk biologija remiasi chemija, o chemiją valdo atomų elektronai – kvantinei mechanikai pavaldūs „žvėriukai“. Tai tiesa, sako Dženifer Bruks (Jennifer Brookes), tirianti biologinius kvantinius reiškinius Harvardo universitete. „Žinoma, kad viskas galiausiai remiasi į kvantus, nes elektronų sąveika yra kvantinė“.

Žvelgiant kitu lygiu, tai stulbina. Teorijoje, kvantinės būsenos yra labai delikačios, lengvai sutrikdomos ir sunaikinamos dėl jų sąveikos su aplinka. Kol kas fizikams pavyko sukurti ir manipuliuoti kvantinėmis būsenomis tik griežtai kontroliuojamose sąlygose, temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui ir tik dalį sekundės. Kvantinių efektų ieškojimas dideliame, drėgname ir šiltame biologijos pasaulyje būtų panašu į kiek juokingus bandymus įvertinti kvantinius efektus didžiuosiuose statybų projektuose, šypsosi Brookes. „Kokia nauda iš žinojimo, ką daro elektronai, kai bandai pastatyti lėktuvą?“, – klausia ji.

O gal ši patirtis yra klaidinga ir iš pirmo žvilgsnio menki kvantiniai efektai sukuria labai svarbius pokyčius? Paimkime uoslę, Brookes tyrimų sritį. Dešimtmečiais vyravo nuomonė, kad chemikalų kvapą nulemia molekulių forma. Uoslės receptoriai nosyje yra panašūs į spynas, atrakinamas tiktai tinkamu raktu; kai raktas atitinka, jis sukelia nervinį signalą, kurį smegenys interpretuoja, kaip specifinį kvapą.

Ar tokia teorija yra visiškai teisinga? Juk turime apie 400 skirtingos formos uoslės receptorių, bet atpažįstame apie 100 000 kvapų, o tai reiškia, kad reikia atlikti sudėtingus skaičiavimus, kombinuojant skirtingų receptorių signalus ir verčiant juos atpažįstamu kvapu. Tačiau tokios užduotys mūsų smegenims yra vieni juokai. Reikia prisiminti dar ir tai, kad kai kurios cheminės medžiagos kvepia panašiai, bet jų molekulių išvaizda labai skiriasi, arba, pavyzdžiui, organinė benzaldehido molekulė būna dviejų molekulinių konfigūracijų – vanilino ir izovanilino, kurių kvapai labai skirtingi.

Dėl tokių neįprastų dalykų sugalvotas ir kitas uoslės funkcionavimo paaiškinimas. 1937 metais, dar prieš pasiūlant rakto-spynos mechanizmą, žymus britų chemikas Malkolmas Daisonas (Malcolm Dyson) iškėlė idėją, kad lygiai, kaip smegenys iš skirtingo dažnio elektromagnetinių bangų virpesių sukuria spalvas, taip ir charakteringas skirtingų molekulių virpėjimo dažnis generuoja kvapų katalogą.

Ši idėja buvo prikelta iš užmaršties tik 1996-aisiais, kai Luka Turinas (Luca Turin), biofizikas iš tuometinio UCL, pasiūlė mechanizmą, kuris leistų veikti vibraciniam jutimui: elektronų tuneliavimas. Šis reiškinys kyla dėl kvantinės fizikos neapibrėžtumo ir yra savybė, būdinga prietaisams nuo mikrolustų iki mikroskopų. Kai elektronas yra atome, jis neturi vienos aiškiai apibrėžtos energijos, bet turi galimų energijų tikimybių pasiskirstymą. Tai reiškia, kad yra tam tikra tikimybė, kad elektronas paprasčiausiai išsprūs per energijos barjerą, kuris paprastai juos sulaiko nuo pabėgimo iš atomo.

Turin’o idėja yra ta, kad kai kvapo molekulė pakliūna ant receptoriaus, iš jos „ištuneliuotas“ elektronas gali sukelti receptoriaus signalų kaskadą, kurią smegenys interpretuoja, kaip kvapą. Tai gali nutikti tik tuomet, jeigu tiksliai sutampa elektrono kvantinis energijos lygis ir kvapo natūralus vibracijos dažnis. „Elektronas gali judėti tik tada, kai visos sąlygos įvykdomos“, - pastebi Turin’as. Šio metodo privalumas tas, kad jis sukuria kvapą be būtinybės kvapo molekulėms tiksliai atitikti receptorių formą.

Tai buvo kontraversiška idėja. 2007 metais Brookes, tada irgi dirbusi UCL, su kolegomis įrodė, kad toks mechanizmas yra tikėtinas: laiko mastelis atitiko greitį, kuriuo smegenys reaguoja į kvapą, o signalų stiprumas pakankamas smegenims jį apdoroti (Physical Review Letters, vol 98, p 038101). Šių metų sausį Turin’as, dabar jau Vari mieste Graikijoje, Aleksandro Flemingo biomedicinos mokslų tyrimo centre (Alexander Fleming Biomedical Sciences Research Centre) ir jo kolegos pateikė duomenis, įrodančius vibracinį jutimą. Jie parodė, kad vaisinės muselės gali atskirti du acetofenono (plačiai naudojamo kvepalų pagrindo) pavyzdžius, kurių viename buvo paprasti vandenilio atomai, o kitame – sunkesni deuterio atomai.

Abiejų pavyzdžių molekulės turi vienodą formą, bet vibruoja skirtingu dažniu (Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1012293108). Toks jautrumas gali reikšti tik elektroninį tuneliavimą, tvirtina Endrius Horsfildas (Andrew Horsfield) iš Imperial College Londono universiteto, Brookes darbo bendraautorius: klasikiniame elektronų tekėjimo modelyje elektronai nebūtų jautrūs vibracijos dažniui. „To negalima paaiškinti be kvantinio aspekto.“

Uoslė nėra vienintelis dalykas, kurį, kaip mano šalininkai, gali paaiškinti kvantinė biologija: yra mechanizmas, varantis visą gyvūnų karalystę. Mūsų visų kuras yra adenozino trifosfatas (ATP), chemikalas, gaminamas ląstelės mitochondrijoje, elektronams judant tarpinių molekulių grandine. Bandydami apskaičiuoti, kokiu greičiu tai vyksta, susiduriame su problema. „Gamtoje šis procesas vyksta daug sparčiau, nei turėtų“, – sako Vlatko Vedral, Oksfordo universiteto kvantų fizikas.

Vedral’as spėja, kad tai vyksta dėl „superpozicijos“ savybės, kuri leidžia elektronui būti dviejose vietose vienu metu. Jis mano, kad kvantinis buvimas visur tuo pat metu gali paspartinti elektronų judėjimą reakcijų grandine. „Jei būtų galima parodyti, kad ten yra superpozicija ir tai yra svarbu elektronų judėjimui, būtų labai įdomu“, - sako jis.

Vedral’io pirmi skaičiavimai patvirtina idėją, bet jis sako, kad dar anksti daryti bet kokius pareiškimus. Sunku įvertinti visus parametrus, darančius įtaką elektronų transportui ir gali būti, kad klasikiniuose skaičiavimuose tiesiog buvo naudoti klaidingi skaičiai. „Ir kol kas dar neturime eksperimentinių įrodymų,“ - sako jis. Toks įrodymas gali būti visai šalia – kaip augalai ir kai kurios bakterijos gauna energiją. Atrodo, fotosintezė gali būti labai kvantinis žaidimas.

Kvantiniai jūrų gyventojai

Tiesioginiai to įrodymai pasirodė 2007-aisiais, kai Grehemo Flemingo (Graham Fleming) vadovaujama Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkų grupė, gerai įsižiūrėjo į žaliosios sierabakterės (Chlorobium tepidum) vykdomą fotosintezę.

Jie aptiko „pulsuojančius“ kvantinių bangų interferencijos signalus iki 77 kelvinų atšaldytų bakterijų fotosintezės centruose (Nature, vol 446, p 782). 2010 metų sausį, Toronto universiteto mokslininkų grupė, vadovaujama Gregorio Šolso (Gregory Scholes), aptiko panašų efektą kambario temperatūroje, dviejų jūros dumblių fotosintezę atliekančiuose baltymuose (Nature, vol 463, p 644).

Tai triukas, kurį neprošal būtų išmokti ir mums. Nors fotosintezė, imant bendrai, nėra ypač našus procesas (tik 3–6 % krentančios šviesos energijos sukaupiama cheminių ryšių energijos pavidalu), pradinė jo stadija, verčianti fotonus į fotosintetinančių organizmų šviesą sugeriančio pigmento molekulių elektronų energiją, yra labai efektyvi. Kai šviesos maža, augalai geba daugiau nei 90 % fotonų energijos paversti į elektronų energiją; stiprioje šviesoje augalai turi apie pusę energijos iššvaistyti, kad neperkaistų.
Scholes’is tai aiškina taip: kai šviesa sužadina elektronus, jie atsiduria kvantinėje superpozicijoje, leidžiančioje būti iš karto dviejose vietose. Tai keliems šimtams femtosekundžių efektyviai „sujungia“ šviesą renkančias molekules su reakcijų centru, kur ir vyksta fotosintezė. Per šį laiką, remiantis kvantinėmis taisyklėmis, elektronas gali užimti visus kelius tarp šių dviejų vietų tuo pačiu metu. Artimesnis proceso tyrimas nutraukia superpozicijos būseną – ir atskleidžia, kad elektronas „pasirinko“ kelią, kuriame prarado mažiausiai energijos.

Ar tai reiškia, jog galime išplėšti kai kuriuos lapus iš biologijos vadovėlių? Scholes’as mano, kad taip. „Kasmet išspausdinama tūkstančiai darbų apie energijos perdavimą“, – sako jis. „Skamba nesmagiai, bet nežinome praktiškai nieko, neskaitant visiškai akivaizdžių dalykų.“ Geresnis proceso supratimas gali padėti kurti kvantinius kompiuterius, kurie naudoja koherentines būsenas iš karto atliekant daugybę skaičiavimų. Pastangas tai įgyvendinti iki šiol ribojo nesugebėjimas ilgai išlaikyti būtiną koherentiškumą – netgi temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui ir izoliuotoje eksperimento aplinkoje, kur aplinkos trikdžiai kiek tik įmanoma yra sumažinami.

Tai išlieka pagrindine biologijos kvantinius aspektus tyrinėjančių fizikų mįsle. Jei nesugebame tokių dalykų atlikti savo izoliuotose laboratorijose, kaip tai gali atlikti lapas toli gražu neizoliuotame sode? Jei tik liepsnelės galėtų ne vien čirenti – gal tada jos galėtų mums tai papasakoti – ir paaiškinti savo pačių kvantines supergalias (plačiau apie tai tolesniame skyrelyje „Paukščio žvilgsnis“).

Kol kas žinome ne daugiau, nei mokslinius spėjimus. Vienas jų teigia, kad tai gali būti tiesiog evoliucijos stebuklas. Scholes’as mano, kad baltymai aplink dumblių šviesą surenkančią įrangą galėjo išvystyti struktūras, saugančias nuo aplinkos trikdžių ir taip leidžiančią vidiniams procesams išnaudoti kvantinės fizikos magiją, taip suteikiant pranašumą natūralioje atrankoje. Vedral’io mintys panašios, nors kam ir kaip gamta galėjo tai sukurti yra „visai neaišku“.

Turin’as irgi gūžčioja pečiais. „4 milijardai metų gyvybės nanometrinio mastelio tyrimų ir vystymo skyriaus darbo sukūrė daug stebuklų“. Reikia mokytis priimti tai, ką matome ir bandyti pamėgdžioti, sako jis – ir ne tik saulės elementuose ir kvantiniuose kompiuteriuose.

Nors tai, kas daro vaistus efektyvius dar toli gražu nėra aišku, bet, pavyzdžiui, žinome, kad, tarkime, neurotransmiterių veikimas mūsų smegenyse paremtas oksidacijos ir redukcijos reakcijomis, užtikrinančiomis elektronų tekėjimą. Jei šios srovės atsiranda keistesniais būdais, nei iki šiol įsivaizdavome, tai galėtų atverti naujus vaistų kūrimo būdus kai kurių sunkiausių ligų gydymui.

Ar, pavyzdžiui, fotosintezė tikrai efektyvesnė dėl kvantinės interferencijos ir superpozicijos? „Manau, dar per anksti duoti vienareikšmį atsakymą“, – sako Robertas Blankenšipas (Robert Blankenship) iš Vašingtono universiteto Sant Luise, Misuryje. „Galvoju, kad įmanoma, jog, priklausomai nuo sistemos detalių, tai lygiai taip pat galėtų sumažinti efektyvumą.“ Saimonas Bendžaminas (Simon Benjamin), Vedral’io kolega iš Oksfordo universiteto, stebisi, kaip galime priversti kvantines būsenas dirbti, jei jos iš tiesų atsiranda natūraliose sistemose. „Dar tikrai per anksti daryti dramatiškus pareiškimus“, – sako jis.

Visi nedrąsiai žengiantys į šią naują sritį sutaria, kad būtinas atsargumas – nors jaučiamas ir susijaudinimas. Maksas Plankas (Max Planck) sukūrė kvantinę teoriją prieš daugiau nei šimtą metų, stebėdamas keistus reiškinius, kurie jokiu kitu būdu negalėjo būti paaiškinti. Tai leido sukurti lazerius ir puslaidininkius, bei pradėjo visą technologinę revoliuciją, kuri jais rėmėsi. Kvantinė biologija yra ankstyvojoje nepaaiškinamų stebėjimų stadijoje. Turin’as tiki, kad bręsta kažkas didelio. „Negaliu nustoti manęs, kad matome tik mažytę daug didesnio ledkalnio dalį“, – sako jis.

Paukščio žvilgsnis

Kitas kvantinių efektų atvejis biologijoje gali būti tai, kaip paukščiai jaučia Žemės magnetinį lauką (New Scientist, 2010 lapkričio 27, p 42). 2004-aisiais, Torstenas Ricas (Thorsten Ritz) iš Kalifornijos universiteto Irvine, parodė, kaip magnetiniai trikdžiai, kurie galėjo pasireikšti tik sistemose, aptinkančiose perėjimą iš vienos atomų sukinių padėties į kitą, sutrikdė liepsnelių, Erithacus rubecula, kompasą.

Ritz’as iškėlė mintį, kad paukščiai turi sukinių padėties jutiklių sistemą, reaguojančią į Žemės magnetinio lauko pokyčius, sukuriančią signalus, kuriuos junta paukščio smegenys. Bet kaip?

Pirmasis pasiūlymas buvo kad kažkoks aparatas akyje sukelia cheminį atsaką. Tačiau cheminės informacijos srauto palaikymui reikėtų nuolatinio, greitai kintančio sukinių pokyčio, tuo tarpu paukščiai išlaikydavo delikačias sukinių padėtis labai ilgai, iki 100 mikrosekundžių.

Pasak Maršalo Stounhemo (Marshall Stoneham) iš UCL ir jo kolegų, ši problema gali būti apeita, jei paukščiai naudoja kažką panašaus į žmonių regos ypatybę, aptinkančią šviesos poliarizaciją. Žinoma, kaip Haidingerio teptukas, ji prideda silpną gelsvą peteliškės formą mūsų regos laukui. Manoma, kad ji atsiranda dėl to, kad mėlyną šviesą sugeriančios liuteino molekulės akyje yra išsidėsčiusios koncentriškais ratais. Pažiūrėkite į tuščią popieriaus lapą ir poliarizacinį filtrą arba į tuščią dokumentą nešiojamojo kompiuterio ekrane ir pamatysite patys.