Zapach tajemnic natury
Mechanika kwantowa znana jest z przedziwnych zjawisk i niezwykłych efektów. Weźmy np. superpozycję, w której cząstka może znajdować się w dwóch miejscach naraz i jednocześnie występować w dwóch różnych stanach - jako cząstka i fala. Albo tunelowanie kwantowe, w którym cząstka może przechodzić przez ciało stałe niczym duch. Nie sposób nie wspomnieć o splątaniu kwantowym, w którym dwie cząstki tworzą wzajemną tajemniczą relację ujawniającą się natychmiastowo, niezależnie, czy są oddalone od siebie o centymetr, czy o tysiąc lat świetlnych. Od niedawna, przez zastosowanie wiedzy o tych zjawiskach w biologii, zaczynamy odkrywać największe i najstarsze tajemnice nauki. Pomaga nam ona np. poznać tajniki migracji ptaków, prawdziwą naturę fotosyntezy, a może nawet zasady działania zmysłu węchu.
Fotosynteza i ekscytony
Od lat trzydziestych XX wieku naukowcy podejrzewali, że to zjawiska kwantowe stoją za fotosyntezą. W 2007 r. zespół naukowców z Narodowego Laboratorium Lawrence’a Berkeleya (Berkeley Lab) z Departamentu Energii USA przedstawił pierwsze dowody na to, że tak właśnie jest.
W procesach fotosyntezy rośliny (1) absorbują fotony światła za pomocą komórek zwanych chromoforami. Te z kolej, wzbudzone, uwalniają quasi-cząstki zwane ekscytonami, które transportują energię do ośrodka reakcji. Tutaj może ona zostać przekształcona w energię chemiczną, którą roślina jest w stanie metabolizować. Cały ten proces zachodzi w jednej miliardowej części sekundy, z blisko stuprocentową sprawnością. Prędkość jest konieczna, aby uniknąć strat energii i rozpraszania się jej w postaci ciepła.
Szef zespołu Greg Engel i jego koledzy wykazali, że zamiast przenosić się tą czy inną drogą, energetyczne wzbudzenie wykorzystuje superpozycję. Naukowcy wykorzystali do swoich eksperymentów siarkową bakterię Chlorobium tepidum. Jest to jeden z pierwszych organizmów, które zaczęły dokonywać fotosyntezy i występuje na Ziemi już od ponad miliarda lat.
Naukowcy obniżyli temperaturę bakterii do 77 Kelwinów (-196ºC). Następnie posłali krótkie impulsy światła laserowego przez ciało bakterii. Śledzili je za pomocą dwuwymiarowej spektroskopii elektronicznej. Chcieli dokładnie poznać, jak przepływała tam energia. Zauważyli, że impuls przemieszcza się nie w linii prostej, lecz w postaci fal. Ze względu na zjawisko kwantowej koherencji ekscyton może, jako fala, "wykryć" wszystkie możliwe drogi, znaleźć najbardziej efektywną z nich i wybrać ją. Wyniki tego badania zostały opublikowane w czasopiśmie "Nature".
Po tamtych odkryciach przeprowadzono szereg innych badań wykazujących to samo, mianowicie, że zjawisko, fotosyntezę działającą na zasadzie koherencji kwantowej. Gdybyśmy potrafili naśladować ten stworzony przez naturę system, moglibyśmy stworzyć super wydajne panele słoneczne i baterie o niedoścignionej żywotności. Odkrycie kwantowej natury tych zjawisk zbliża nas do tego.
Tajemnice rudzika
Kolejnym obszarem, w którym powiązano zjawiska kwantowe z biologicznymi są zakodowane w organizmach ptaków wzory migracyjne. Od dawna wiadomo, że zwierzęta wykorzystują tu wewnętrzny, chemiczny kompas, który oddziałuje z polem magnetycznym Ziemi. Rzecz w tym, że to pole jest relatywnie słabe. Więc jak ptaki je wykrywają?
W jednym z badań opublikowanym w "Nature" naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego pochylili się nad skromnym ptaszkiem rudzikiem (2), który, gdy nadchodzą mrozy, leci tysiące kilometrów z północnych obszarów Europy do Afryki Północnej. Odkryli, że kiedy foton światła słonecznego uderza w siatkówkę oka ptaka, uwalnia dwa niesparowane elektrony. Spin każdego z nich reaguje na pole magnetyczne Ziemi. Fizyk Simon Benjamin z Uniwersytetu Oksfordzkiego udowodnił jeszcze w 2008 roku, że jest to chemicznie możliwe. Uważa on, że działa to dzięki splątaniu kwantowemu. Poza ptakami orientować się tak mogą również owady i inne organizmy.
Kolejny obiecujący obszar biologii kwantowej to badania nad zmysłami. Ludzie np. potrafią odróżnić tysiące różnych zapachów. Naukowcy od dawna starają się zrozumieć, jak dokładnie funkcjonuje zmysł zapachu. Wiemy, że zaczyna się od tego, że molekuły substancji przedostają się do nozdrzy z powietrza. W jaki sposób oddziałują z receptorami wewnątrz nosa i jak mechanizm ten odróżnia jedną substancję od drugiej? Do końca nie wiemy.
Chemik Luca Turyn, biofizyk z instytutu BSRC Alexandra Fleminga z Grecji, uważa, że przebiega to tak, że elektron w cząsteczce substancji zapachowej dostaje się na drugą stronę receptora, wykorzystując tunelowanie kwantowe. Czyniąc to, wysyła sygnał do mózgu, przekazujący informację, co to za cząsteczka.
W jednym z eksperymentów chemik odkrył, że dwie radykalnie różne cząsteczki związków, takich jak boran i siarka, pachniały dla odczuwającego zmysłami tak samo. Chociaż różnią się kształtem, to jednak to, co sprawia, że obie pachną jak zgniłe jajka, może wynikać, jego zdaniem, z podobnej energii zawartej w ich wiązaniach chemicznych. Jednak potrzeba znacznie więcej badań, aby udowodnić, że zapach w rzeczywistości jest wytwarzany na poziomie subatomowym.
Wykrywanie najgłębszego podłoża zjawisk, które opisaliśmy do tej pory na poziomie biologii i chemii, może nam dać bardzo wiele nie tylko wtedy, gdy będziemy chcieli naśladować naturę za pomocą technologii.
Mirosław Usidus
