Biology Geek
Της
Βαλεντίνας Τσαρτσιανίδου

Κάποια από τα λεγόμενα «παράδοξα» της κβαντικής μηχανικής έχουν συνεισφέρει ιδιαίτερα στην βαθύτερη κατανόηση του φυσικού κόσμου και η σύνδεσή τους με την βιολογία πιθανότατα να συμβάλλει στην διαλεύκανση μεγάλων επιστημονικών ερωτημάτων που αφορούν την βάση της ζωής.

Η ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων να ”βρίσκονται ταυτόχρονα” σε διαφορετικές θέσεις, (μέσω της κυματοσυνάρτησης πιθανότητας) και σε διαφορετική κατάσταση (σωματίδιο και κύμα) καθώς και άλλα κβαντικά φαινόμενα, έχουν συγκεραστεί με βιολογικές διαδικασίες όπως οι «τυχαίες» μεταλλάξεις που συμβαίνουν στο γονιδίωμα, η μετανάστευση των πτηνών, η φωτοσύνθεση και η αίσθηση της όσφρησης.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας, όπου ένα σωματίδιο υπάρχει η πιθανότητα να διαπεράσει ένα αντικείμενο ή αλλιώς ένα εμπόδιο υπό ορισμένες συνθήκες και να εμφανιστεί από την άλλη πλευρά, φαινόμενο το οποίο συμβαίνει και ενδοκυτταρικά! Τα βιομόρια που καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις ενδοκυτταρικά ονομάζονται ένζυμα. Η κατάλυση, δηλαδή η επιτάχυνση πραγματοποίησης της αντίδρασης, γίνεται με μεταφορά ηλεκτρονίου και πρωτονίου από το ένα μέρος ενός μορίου στο άλλο μέσω της κβαντικής σήραγγας (πείραμα που διεξήχθη την δεκαετία του ‘80).

Το φαινόμενο αυτό έχει συνδεθεί με τις μεταλλάξεις του γενετικού υλικού. Στην διπλή έλικα του DNA, τα νουκλεοτίδια μεταξύ των δύο αλυσίδων συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου (H+), δηλαδή τα πρωτόνια λειτουργούν ως «κόλλα» για την ένωση των δύο αλυσίδων. Τα πρωτόνια που υπάρχουν σε κάθε αλυσίδα μπορούν να «πηδήξουν» στην άλλη αλυσίδα. Σε περίπτωση που συμβεί κατά το διαχωρισμό των ελίκων, με σκοπό την αντιγραφή του γενετικού υλικού, και τα πρωτόνια βρεθούν σε λάθος θέση, τότε μπορεί να προκληθεί μετάλλαξη. Ο τρόπος με τον οποίο «πηδάνε» τα πρωτόνια πιθανολογείται ότι οφείλεται στο φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας όμως ακόμη αποτελεί ένα ανοιχτό πεδίο έρευνας. Εάν διαπιστωθεί πως η κβαντική μηχανική επιδρά στις μεταλλάξεις που προκαλούνται στο γονιδίωμα, τότε ίσως κατηγορίες αυτών να μπορέσουν να εξηγηθούν!

Όσον αφορά την όσφρηση, η οποία αποτελεί μία από τις παλαιότερες αισθήσεις, μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους ανθρώπους ανάμεσα στις χιλιάδες διαφορετικές οσμές. Γνωρίζουμε ότι τα μόρια του αέρα εισέρχονται στους ρώθωνες και αναγνωρίζονται αλληλεπιδρώντας με νευρικούς αισθητήρες.

Σύμφωνα με τον χημικό Luca Turin από το ινστιτούτο Αλέξανδρος Φλέμινγκ, μετά την αλληλεπίδραση ενός μορίου με κάποιον αισθητήρα, ένα ηλεκτρόνιο αυτού του ατόμου μετακινείται στην άλλη μεριά του νεύρου μέσω του φαινομένου της κβαντικής σήραγγας. Μέσω αυτής της διαδικασίας, ο εγκέφαλος λαμβάνει ένα σήμα που γνωστοποιεί την ταυτότητα του μορίου. Ο Turin υποστηρίζει πως η όσφρηση απαιτεί έναν μηχανισμό όπου συμπεριλαμβάνει την γνώση της ακριβής χημικής σύστασης του μορίου. Ως εκ τούτου, η κβαντική σήραγγα ως φυσικό φαινόμενο εφαρμόζει  αυτή την «απαίτηση».

Σε μία άλλη πειραματική διαδικασία, ο χημικός Turin διαπίστωσε πως δύο διαφορετικά ραδιενεργά μόρια, το βοράνιο και το θείο, είχαν την ίδια οσμή. Παρ’ όλα τα διαφορετικά μεγέθη τους, η κοινή οσμή πιθανόν οφείλεται στο κοινό ενεργειακό περιεχόμενο στους χημικούς δεσμούς τους. Περαιτέρω έρευνα είναι αναγκαία ώστε να αποδειχθεί πως η διαδικασία της όσφρησης πραγματοποιείται σε υποατομικό επίπεδο.

 

 

Ήδη από το 1930, οι επιστήμονες είχαν υποπτευθεί ότι ένα κβαντικό φαινόμενο «κρύβεται» πίσω από τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Το 2007, μία ομάδα επιστημόνων παρήγαγαν τα πρώτα σχετικά στοιχεία από το εθνικό εργαστήριο ενέργειας του Berkeley με επικεφαλή τον βιοφυσικό Greg Engel, στον οποίο αποδίδεται η γένεση της κβαντικής βιολογίας, σήμερα βρίσκεται στο πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Κατά την φωτοσύνθεση, οι φυτικοί οργανισμοί συγκεντρώνουν φωτόνια (κβάντα φωτός) διαμέσου κυττάρων που ονομάζονται χρωμοφόρα. Αυτά απελευθερώνουν ημι-σωματίδια, τα εξιτόνια*, τα οποία συγκεντρώνουν την συλλεχθείσα ενέργεια και την μεταφέρουν στο κέντρο αντιδράσεων. Εκεί, η ενέργεια μετατρέπεται σε χημική, ώστε να μεταβολίζεται από τα φυτά. Η διαδικασία αυτή συμβαίνει σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου με περίπου 100% απόδοση. Η ταχύτητα αυτή απαιτείται ώστε να αποφευχθεί απώλεια ενέργειας. Τέτοιου τύπου ενέργεια μπορεί να σπαταληθεί γρήγορα με τη μορφή θερμότητας. Εδώ έγκειται και το ερώτημα, πώς επιτυγχάνεται η μη απώλεια ενέργειας;

Ο Engel και οι συνεργάτες του έδειξαν πως το εξιτόνιο εκμεταλλεύεται το πλεονέκτημα της κβαντικής συνοχής, που αφορά την πολλαπλότητα των κβαντικών οντοτήτων. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το βακτηριακό είδος Chlorobium tepidum, έναν από τους πρώτους φωτοσυνθετικούς προκαρυώτες. Παρατήρησαν πως ένα εξιτόνιο δεν ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή αλλά κάνει κυματική κίνηση. Εξαιτίας της κβαντικής συνοχής, ένα εξιτόνιο ως κύμα μπορεί να εκπληρώσει όλα τα πιθανά μονοπάτια, να βρει το πιο αποδοτικό και να το ακολουθήσει. Με απλά λόγια το σωματίδιο ακολουθεί ταυτόχρονα πολλαπλά μονοπάτια ώστε να βελτιστοποιήσει την διαδρομή που οδηγεί στο κέντρο αντίδρασης του κυττάρου χωρίς να διαχέεται θερμότητα.

Υπάρχουν και άλλες μελέτες που παρατήρησαν το φαινόμενο της κβαντικής συνοχής κατά τη φωτοσύνθεση. Εάν μπορούσαμε να μιμηθούμε ένα τέτοιο σύστημα, θα είχαμε την δυνατότητα να κατασκευάσουμε υπέρ-αποδοτικά ηλιακά πάνελ και μπαταρίες μακράς διαρκείας σε περίπτωση που μεταβούμε στην πράσινη τεχνολογία.

 

Σχετικά με τα πρότυπα μετανάστευσης των πτηνών, είναι ευρέως γνωστό πως τα πτηνά προσανατολίζονται στα ταξίδια τους σύμφωνα με μία εσωτερική βιοχημική πυξίδα η οποία αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Πώς όμως τα πτηνά το επιλέγουν;

Στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του πτηνού υπάρχει μία φωτοευαίσθητη χρωστική (κρυπτοχρωμίνη) μέσα στην οποία υπάρχει ένα ζεύγος κβαντικά ”ενωμένων” ηλεκτρονιών. Ερευνητές από το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης ανακάλυψαν πως όταν ένα φωτόνιο ηλιακού φωτός «χτυπήσει» στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του πτηνού, τα ηλεκτρόνια είναι πλέον κβαντικά διεμπλεκόμενα, δηλαδή βρίσκονται σε κάποια απόσταση μεταξύ τους, αλλά συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν με κάποιο τρόπο.

Η περιστροφή του κάθε ηλεκτρονίου προσανατολίζεται σύμφωνα με τη διεύθυνση του πτηνού συγκριτικά με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το 2008, ο φυσικός  Simon Benjamin (Οξφόρδη) απέδειξε πειραματικά πως χημικά κάτι τέτοιο είναι εφικτό και υποστηρίζει ότι λειτουργεί βάσει του φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής. Η εξήγηση αυτή δεν γνωρίζουμε ακόμη κατά πόσο καθορίζει την καθοδήγηση των πτηνών.  Τα έντομα και άλλα είδη οργανισμών φαίνεται πως προσανατολίζονται με τον ίδιο τρόπο.

Έχει ξεκινήσει ήδη η εκπαίδευση της νέας γενιάς επιστημόνων στον κλάδο της κβαντικής βιολογίας στο πανεπιστήμιο του Surrey της Αγγλίας από τον πυρηνικό φυσικό Jim Al-Khalili και τον μοριακό γενετιστή Johnjoe McFadden.

Οι δυο τους έχουν συγγράψει το βιβλίο «Ζωή στην κόψη, η μυστηριώδης κβαντική βιολογία».

*εξιτόνια: συνδυασμός ηλεκτρονίου-οπής, όπου το ηλεκτρόνιο έχει αποκτήσει αρκετή ενέργεια ώστε να βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, αλλά να μην εγκαταλείπει πλήρως την οπή.

οπή: εκφράζει την έλλειψη ενός ηλεκτρονίου με αποτέλεσμα την περίσσεια θετικού φορτίου στον υποατομικό χώρο και συγκεκριμένα σε μία δέσμια ενεργειακή κατάσταση του ατόμου. Γι ‘αυτό τον λόγο και δεν αποτελεί σωματίδιο αλλά εκφράζει την ”έλλειψη” ενός σωματιδίου και συγκεκριμένα του ηλεκτρονίου”. Χρησιμοποιείται συχνά στη ορολογία της Ηλεκτρονικής.

 

Πηγές κειμένου:

https://bigthink.com,  https://www.ted.com