Ιδέες από την παράξενη πλευρά της φυσικής θα μπορούσαν να εξηγήσουν κάποια μακροχρόνια μυστήρια της βιολογίας
Έχουμε την τάση να πιστεύουμε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της βιολογίας σταματά με τη γάτα του Schrödinger. Όχι ότι ο Έρβιν Σρέντιγκερ προόριζε το ατυχές ζώο – υπέθετε χάρη στους κβαντικούς κανόνες να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις, της ζωντανής ύπαρξης και της απώλειας της ζωής – να είναι κάτι περισσότερο από ένα νοητικό αντικείμενο. Πράγματι, όταν το 1944 έγραψε το βιβλίο του Τι είναι ζωή;, σκέφτηκε ότι οι ζωντανοί οργανισμοί αποκλείεται να έχουν την ασάφεια της κβαντικής φυσικής.
Όμως, ποιά είναι η αλήθεια; Μήπως τα σωματίδια που καταλαμβάνουν δύο καταστάσεις συγχρόνως, που αλληλεπιδρούν φαινομενικά ανεξήγητα σε μακρινές αποστάσεις και παρουσιάζουν άλλες κβαντικές περίεργες συμπεριφορές, στην πραγματικότητα εφαρμόζουν πολλές βασικές βιολογικές διεργασίες; Με την αποδοχή αυτής της ιδέας, λένε οι υποστηρικτές της, θα μπορούσαμε να την εκμεταλλευτούμε για να σχεδιάσουμε τόσο καλύτερα φάρμακα, όσο και υψηλής απόδοσης ηλιακές κυψέλες μέχρι και πολύ γρήγορους κβαντικούς υπολογιστές. Πάντως υπάρχει κάτι που πρέπει να κατανοήσουμε πριν τα φτιάξουμε: το πώς η κβαντική βιολογία μπαίνει σε πρώτη μοίρα;
Σε ένα πρώτο επίπεδο, μπορείτε να σκεφτείτε, δεν πρέπει να εκπλήσσει το γεγονός ότι η ζωή έχει μια σχέση με την κβαντομηχανική. Γιατί η βιολογία βασίζεται στην χημεία, και η χημεία έχει να κάνει με την κατορθώματα των ηλεκτρονίων – και τα ηλεκτρόνια είναι κβαντομηχανικά θηρία στην καρδιά του ατόμου. Αυτό είναι αλήθεια, λέει η Jennifer Brookes, η οποία ερευνά τις βιολογικές επιπτώσεις της κβαντομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Φυσικά, τα πάντα είναι εν τέλει κβαντομηχανική επειδή τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν κβαντισμένα”.
Σε άλλο επίπεδο, αυτό είναι δύσκολο να συμβαίνει. Στη θεωρία, οι κβαντικές καταστάσεις είναι ευαίσθητα πράγματα, διαταράσσονται εύκολα και καταστρέφονται μόλις αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους. Μέχρι στιγμής, οι φυσικοί έχουν καταφέρει να τις παράγουν και να τις χειραγωγήσουν μόνο σε εξαιρετικά ελεγχόμενα περιβάλλοντα και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, και εν συνεχεία μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Η εύρεση κβαντικών φαινομένων στους μεγάλους, υγρούς και ζεστούς κόσμους της βιολογίας είναι σαν να χρειάζεται να τα λάβει υπόψη κανείς σε ένα μεγάλο τεχνικό έργο, εξηγεί η Jennifer Brookes. "Πόσο χρήσιμο είναι να γνωρίζετε τι κάνουν τα ηλεκτρόνια όταν προσπαθείτε να φτιάξετε ένα αεροπλάνο;" ρωτάει.
Μήπως αυτή η άποψη είναι λάθος; Πάρτε τις μυρωδιές, την περιοχή ενδιαφέροντος της Brookes. Για δεκαετίες, η άποψη των ειδικών ήταν ότι η μυρωδιά μιας χημικής ουσίας καθορίζεται από το μοριακό σχήμα της. Οι οσφρητικοί δέκτες στη μύτη είναι σαν κλειδαριές που ανοίγουν μόνο με το σωστό κλειδί (το μοριακό κατάλληλο κλειδί). Όταν αυτό το κλειδί ταιριάζει, δίνει το έναυσμα σε νευρικά σήματα που ο εγκέφαλος ερμηνεύει ως μια συγκεκριμένη μυρωδιά.
Είναι εύλογο αυτό; Για να δούμε. Έχουμε περίπου 400 υποδοχείς όσφρησης με διαφορετικό σχήμα, αλλά μπορεί να αναγνωρίσουν περίπου 100.000 μυρωδιές, υπονοώντας πως κάποιος ικανός υπολογιστής συνδυάζει σήματα από διαφορετικούς υποδοχείς και τους επεξεργάζεται δίνοντας διαφορετικές μυρωδιές. Και σε αυτό το γεγονός οι εγκέφαλοί μας δουλεύουν πολύ καλά. Μια πιο αρνητική και καταδικαστική κριτική για την άποψη αυτή είναι ότι ορισμένες χημικές ουσίες μυρίζουν παρόμοια, αλλά είναι πολύ διαφορετικές, ενώ άλλες έχουν την ίδια μορφή, αλλά μυρίζουν διαφορετικά. Η οργανική ένωση βενζαλδεΰδη, για παράδειγμα, έρχεται σε δύο σχεδόν ίδιες μοριακές μορφές, τη βανιλίνη και την ισο-βανιλλίνη, που έχουν πολύ χαρακτηριστική μυρωδιά η κάθε μία.
Υπάρχει και μια εναλλακτική εξήγηση πάνω σε αυτό το ζήτημα. Περίπου 70 χρόνια πριν, ακόμη και πριν προταθεί η ‘κλειδαριά’ και το ‘κλειδί’ στο μηχανισμό της όσφρησης, ο διακεκριμένος Βρετανός χημικός Malcolm Dyson προτείνει ότι, ακριβώς όπως ο εγκέφαλος κατασκευάζει χρώματα από διάφορες παλμικές συχνότητες της ακτινοβολίας του φωτός, ο ίδιος ερμηνεύει τις χαρακτηριστικές συχνότητες στις οποίες ορισμένα μόρια δονούνται, σαν έναν κατάλογο των οσμών.
Αυτή η ιδέα δυστυχώς έπεσε στην αφάνεια μέχρι το 1996, όταν ο Luca Turin, βιοφυσικός στο Πανεπιστημιακό Κολλέγιο του Λονδίνου, προτείνει ένα μηχανισμό που θα μπορούσε να κάνει εργασία παλμικής ανίχνευσης: τα ηλεκτρόνια που ανοίγουν σήραγγα σε φράγμα δυναμικού. Το φαινόμενο αυτό προκύπτει από τη βασική ασάφεια της κβαντικής μηχανικής, και είναι βασικό συστατικό των συσκευών από μικροτσίπ έως τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο περιορίζεται σε ένα άτομο, δεν έχει ακριβώς μια καθορισμένη ενέργεια, αλλά έχει μια δέσμη πιθανής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια καθορισμένη πιθανότητα ότι θα ‘ανοίξει’ σήραγγα μέσα από το φράγμα της ενέργειας, που κανονικά θα έπρεπε να εμποδίζει την διαφυγή του ηλεκτρονίου από το άτομο.
Η ιδέα του Turin είναι ότι όταν ένα εύοσμο μόριο αποτίθεται στον θύλακα ενός υποδοχέα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ανοίξει μια ‘δίοδο’ μέσα σε αυτό το μόριο, από τη μία πλευρά έως την άλλη, εξαπολύοντας έτσι ένα χείμαρρο σημάτων από την άλλη πλευρά, που ο εγκέφαλος ερμηνεύει ως μια συγκεκριμένη μυρωδιά. Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο εάν υπάρχει απόλυτη αντιστοιχία μεταξύ κβαντισμένου επίπεδου ενέργειας του ηλεκτρονίου και της φυσικής συχνότητας δόνησης του αρώματος του. «Το ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μόνο όταν πληρούνται όλες οι προϋποθέσεις», λέει ο Turin. Το πλεονέκτημα, όμως, είναι ότι δημιουργεί μια μυρωδιά χωρίς την ανάγκη να ταιριάζει ένα ακριβές σχήμα.
Ήταν όντως μια αμφιλεγόμενη έννοια. Το 2007 ο Brookes, στο ίδιο Κολλέγιο του Λονδίνου, και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι ο μηχανισμός αυτός είναι φυσικά εύλογος: τα χρονοδιαγράμματα είναι σύμφωνα με την ταχύτητα με την οποία ανταποκρίνεται ο εγκέφαλος στη μυρωδιά, και τα σήματα που παράγονται είναι αρκετά μεγάλα για να τα επεξεργαστεί ο εγκέφαλος. Και φέτος τον Ιανουάριο ο Turin, που τώρα δουλεύει στο Ερευνητικό Κέντρο Βιοϊατρικών Επιστημών “Αλέξανδρος Φλέμινγκ” στη Βάρη, και οι συνεργάτες του έδωσε στοιχεία για κάτι που μοιάζει με την ανίχνευση της δόνησης. Έδειξαν λοιπόν ότι οι μύγες των φρούτων μπορεί να κάνουν διάκριση μεταξύ δύο τύπων ακετοφαινόνης, μια κοινή βάση για τα αρώματα, όταν το ένα περιέχει κανονικό υδρογόνο και το άλλο περιέχει το βαρύτερο δευτέριο. Και οι δύο μορφές έχουν την ίδια μορφή, αλλά δονούνται σε διαφορετικές συχνότητες. Αυτή η ευαισθησία μπορεί να σημαίνει μόνο ότι τα ηλεκτρόνια ανοίγουν μια κβαντομηχανική σήραγγα, λέει ο Andrew Horsfield του Imperial College του Λονδίνου, ένας από τους συντάκτες της εργασίας του Brookes: σε κλασικά πρότυπα της ηλεκτρονιακής ροής το ηλεκτρόνιο δεν θα είναι ευαίσθητο στις συχνότητα δόνησης. "Δεν μπορώ να το εξηγήσω, χωρίς την πτυχή της κβαντικής μηχανικής."
Η μυρωδιά δεν είναι το μόνο πράγμα που πιστεύουν οι υποστηρικτές της κβαντικής βιολογίας ότι μπορούν να εξηγήσουν : υπάρχει και ο μηχανισμός που δίνει ενέργεια σε όλο το ζωικό βασίλειο. Όλοι παράγουμε την τριφωσφορική αδενοσίνη, ή ATP, μια χημική ουσία μέσα στα μιτοχόνδρια των κυττάρων, με την κίνηση ηλεκτρονίων μέσω μιας αλυσίδας ενδιάμεσων μορίων. Όταν προσπαθούμε να υπολογίσουμε πόσο γρήγορα συμβαίνει αυτό, βλέπουμε να υπάρχει ένα πρόβλημα. «Στη φύση η διαδικασία είναι πολύ ταχύτερη από ό, τι θα πρέπει να είναι», λέει ο Vlatko Vedral, ένας κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
Ο Vedral θεωρεί ότι αυτό γίνεται επειδή εξαρτάται από την ποιότητα της "υπέρθεσης", το οποίο επιτρέπει το είδος του κβαντομηχανικού κύματος, που περιγράφει τα ηλεκτρόνια, να είναι σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αυτός υπολογίζει πως η κβαντική πανταχού παρουσία θα μπορούσε να επιταχύνει το πέρασμα των ηλεκτρονίων μέσα από την αλυσιδωτή αντίδραση. "Αν μπορούσαμε να δείξουμε ότι η επαλληλία (υπέρθεση) είναι εκεί και είναι κατά κάποιο τρόπο, επίσης, σημαντική για την ροή ηλεκτρονίων, τότε θα ήταν πολύ ενδιαφέρον”, υποστηρίζει.
Οι πρώτοι υπολογισμοί του Vedral υποστηρίζουν αυτή την άποψη, όμως υποστηρίζει ότι είναι πολύ νωρίς για να κάνει κάποιους ισχυρισμούς. Είναι δύσκολο να εκτιμηθεί το σύνολο των παραμέτρων που εμπλέκονται στον τομέα της μεταφοράς ηλεκτρονίων, και είναι πιθανό ότι οι κλασικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούν απλώς λάθος αριθμούς. «Και ακόμη δεν έχουμε καμιά πειραματική απόδειξη γι αυτό», τονίζει. Αυτή η απόδειξη μπορεί να είναι αρκετά κοντά – για το πώς τα φυτά και ορισμένα βακτήρια παίρνουν την ενέργειά τους. Φαίνεται πως η φωτοσύνθεση μπορεί να είναι ένα καλό κβαντικό παιχνίδι.
Άμεση απόδειξη ότι η φωτοσύνθεση λειτουργεί έτσι ήρθε το 2007, όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον Graham Fleming στο Πανεπιστήμιο του Berkeley, παρατήρησε από κοντά μια φωτοσύνθεση στο πράσινο θειούχο βακτήριο Chlorobium tepidum. Οι επιστήμονες εντόπισαν χαρακτηριστικά σήματα της συμβολής κβαντικών κυμάτων στα φωτοσυνθετικά κέντρα των βακτηρίων που ψύχθηκαν έως τους 77 βαθμούς Κέλβιν. Τον Ιανουάριο του περασμένου έτους, μια ομάδα με επικεφαλής τον Gregory Scholes του Πανεπιστημίου του Τορόντο, έδειξε μια παρόμοια επίδραση σε θερμοκρασία δωματίου σε πρωτεΐνες που συλλέγουν το φως σε δύο θαλάσσια φύκια (άλγη).
Είναι ένα τέχνασμα που θα θέλαμε να μάθουμε. Παρά το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε γενικές γραμμές, το αρχικό στάδιο της μετατροπής εισερχόμενων φωτονίων σε ενέργεια των ηλεκτρονίων από μόρια μέσα σε φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που συλλέγουν το φως, είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό. Όταν το φως του ήλιου είναι αδύναμο, τα φυτά είναι σε θέση να ‘μεταφράσουν’ περισσότερο από το 90 τοις εκατό των φωτονίων σε ηλεκτρόνια που μεταφέρουν ενέργεια. Στο ισχυρό φως του ήλιου πάντως τα φωτοσυνθετικά φυτά απορρίπτουν περίπου το ήμισυ της ενέργειας για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση!
Η εξήγηση του Scholes για το τελευταίο γεγονός είναι ότι όταν το ηλιακό φως ‘χτυπά’ τα ηλεκτρόνια, αυτά μεταφέρονται σε μια κβαντική υπέρθεση που τους επιτρέπει να είναι σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αυτό ουσιαστικά ενεργοποιεί μόρια που συλλέγουν το φως στο κέντρο της αντίδρασης, όπου η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα για μερικές εκατοντάδες femtoseconds (10−15 seconds). Κατά την περίοδο αυτή, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί, σύμφωνα με τους κβαντικούς κανόνες, να ακολουθήσει όλες τις τροχιές μεταξύ δύο θέσεων ταυτόχρονα. Ο έλεγχος της διαδικασίας πιο στενά αναγκάζει την υπέρθεση να καταρρεύσει – και αποκαλύπτει έτσι ότι το ηλεκτρόνιο έχει λάβει την πορεία εκείνη στην οποία έχασε τη λιγότερη ενέργεια.
Μπορεί να πάρουμε ένα φύλλο από το βιβλίο της βιολογίας; Ο Scholes νομίζει ότι μπορούμε. «Κάθε χρόνο υπάρχουν χιλιάδες εργασίες που δημοσιεύτηκαν για τη μεταφορά της ενέργειας», λέει. "Ακούγεται σκληρό, αλλά δεν έχουμε μάθει τίποτα εκτός από το προφανές."
Μια καλύτερη κατανόηση του τι συμβαίνει εκεί μέσα θα μπορούσε να μας βοηθήσει, επίσης, στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή που εκμεταλλεύεται σύμφωνες (coherent) καταστάσεις για να εκτελέσουν μυριάδες υπολογισμούς ταυτόχρονα. Οι προσπάθειες μας για να το καταφέρουμε εμποδίζονται μέχρι σήμερα από την ανικανότητά μας να διατηρήσουμε την απαιτούμενη συνοχή για αρκετά χρόνο – ακόμα και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν και σε απομονωμένες πειραματικές ρυθμίσεις με τις οποίες ελαχιστοποιούνται οι διαταραχές από τον έξω κόσμο.
Αυτό παραμένει το κεντρικό αίνιγμα για τους φυσικούς που μελετούν τις κβαντικές πτυχές της βιολογίας. Αν δεν μπορούμε να κάνουμε αυτά τα πράγματα στα απομονωμένα εργαστήριά μας, πώς μπορεί ένα φύλλο στον όχι και τόσο απομονωμένο κήπο σας να το καταφέρει;
Αυτή τη στιγμή έχουμε κάτι περισσότερο από εκπαιδευτικές εικασίες. Η μία από αυτές είναι ότι είναι απλά ένα θαύμα της εξέλιξης. Ο Scholes πιστεύει ότι πρωτεΐνες γύρω από μόρια που συλλέγουν το φως στα φύκια, θα μπορούσαν να έχουν εξελίξει δομές που προστατεύουν από διαταραχές από το περιβάλλον και έτσι επιτρέπουν τέτοιες διεργασίες, για να εκμεταλλευτούν τη μαγεία της κβαντικής φυσικής. Ο Vedral σκέφτεται κι αυτός κάτι παρόμοιο, αν και το γιατί και το πώς η φύση θα το κάνει αυτό, λέει, είναι «εντελώς ασαφές».
Ο Turin έχει αρκετές επιφυλάξεις. "4.000.000.000 χρόνια ζωής θα έχει κατασκευάσει πολλά θαύματα”, λέει. Θα πρέπει να μάθουμε να δεχόμαστε αυτό που βλέπουμε και να προσπαθήσουμε να το μιμηθούμε, λέει – και όχι μόνο στις ηλιακές κυψέλες και στους κβαντικούς υπολογιστές. Ενώ αυτό που κάνει ένα φάρμακο αποτελεσματικό ή αναποτελεσματικό είναι πολύ μακριά από το να είναι σαφές. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι η λειτουργία των νευροδιαβιβαστών στον εγκέφαλο μας εξαρτάται από αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, τα οποία έχουν όλα να κάνουν με την ροή των ηλεκτρονίων. Σε περίπτωση που οι εν λόγω ροές εμφανίζονται με τρόπους πιο περίεργους από ό,τι έχουμε φανταστεί μέχρι τώρα, θα μπορούσε αυτό να ανοίξει ένα νέο δρόμο για το σχεδιασμό φαρμάκων, για τη θεραπεία ορισμένων από τις πιο ολέθριες ασθένειες μας.
Άλλοι νομίζουν πως η φύση μας οδηγεί σε λάθος δρόμο. Η φωτοσύνθεση, για παράδειγμα, γίνεται πραγματικά πιο αποτελεσματική με την αξιοποίηση της κβαντικής συμβολής και των φαινομένων της επαλληλίας; «Νομίζω ότι η κρίση δεν έχει γίνει ακόμα σε αυτό το ζήτημα», λέει ο Robert Blankenship του Πανεπιστημίου Washington στο St Louis στην πολιτεία Μισούρι. Άλλοι αναρωτιούνται πώς μπορούμε στην πράξη να κάνουμε να δουλέψουν μακρόβιες κβαντικές καταστάσεις, γιατί είναι σίγουρα πολύ νωρίς για να το πετύχουμε.
Όλα αυτά τα βήματα γύρω από αυτό το νέο πεδίο χρειάζονται προσοχή. Στο Ινστιτούτο Max Planck ανακάλυψαν αρχικά την κβαντική θεωρία, περισσότερο από έναν αιώνα πριν, λόγω των περίεργων παρατηρήσεων που δεν μπορούσαν να εξηγηθούν με κανέναν άλλο τρόπο. Αυτό οδήγησε στα λέιζερ και τους ημιαγωγούς και όλες τις τεχνολογικές επαναστάσεις που ακολούθησαν. Η κβαντική βιολογία βρίσκεται τώρα σε αυτό το πρώιμο στάδιο των ανεξήγητων παρατηρήσεων. Ο Turin πιστεύει ότι κάτι μεγάλο γεννιέται. "Δεν μπορώ να μην σκέφτομαι ότι βλέπουμε μόνο ένα μικρό μέρος ενός πολύ, πολύ μεγαλύτερου παγόβουνου”, τονίζει.
Ένα άλλο παράδειγμα των επιπτώσεων της κβαντικής μηχανικής στη βιολογία μπορεί να είναι στο πώς τα πουλιά αισθάνονται το γήινο μαγνητικό πεδίο. Το 2004, ο Thorsten Ritz του Πανεπιστημίου στο Irvine, έδειξε το πως οι μαγνητικές διαταραχές, που θα εμφανίζονται μόνο σε συστήματα που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις μεταβάσεις μεταξύ συγκεκριμένων κβαντομηχανικών καταστάσεων spin, θα μπορούσαν να διαταράξουν την πυξίδα του είδους Erithacus rubecula.
Ο Ritz προτείνει ότι τα πουλιά έρχονται εφοδιασμένα με ένα σύστημα αισθητήρων που περιέχει καταστάσεις σπιν που αλλάζουν ανάλογα με τις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο της Γης, παράγοντας σήματα που το μυαλό του πουλιού με κάποιο τρόπο ανιχνεύει. Αλλά πώς;
Η πρώτη πρόταση ήταν ότι κάποια συσκευή στο μάτι αρχίζει μια χημική αντίδραση. Αλλά αυτό θα απαιτούσε μια συνεχή, ταχεία αναστροφή των σπιν για να διατηρήσει χημικές ροές πληροφορίες, ενώ τα πουλιά φαίνεται να διατηρούν λεπτές καταστάσεις σπιν, για εξαιρετικά μεγάλα χρονικά διαστήματα έως και 100 μικροδευτερόλεπτα.
Σύμφωνα με τον Marshall Stoneham του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου του Λονδίνου, το πρόβλημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί αν τα πουλιά χρησιμοποιούσαν κάτι παρόμοιο με μια ανθρώπινη οπτική ιδιαιτερότητα, που ανιχνεύει την πόλωση του φωτός.
Ο Stoneham υπολόγισε ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να παράγει μια παρόμοια στρέβλωση στο οπτικό πεδίο ενός πουλιού, ο προσανατολισμός του οποίου θα αλλάξει με μια αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο. Κυρίως, αυτό θα συμβεί μόνο αν οι κβαντικές καταστάσεις διατηρηθούν αρκετό καιρό για να επηρεάσουν πολλά από τα μόρια του πουλιού που αισθάνονται το φως την ίδια στιγμή. Τα πτηνά μπορούν να δουν το αποτέλεσμα, πρότεινε ο Stoneham, μπροστά τους σε ένα είδος μιας οθόνης, παρόμοιας με αυτήν που συναντάμε ενσωματωμένη στο παρμπρίζ κάποιων πολυτελών αυτοκινήτων.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου