Rewolucyjny potencjał kwantowej biologii. Organizm sterowany smartfonem?
Ludziom, którzy widzą świat makroskopowy, to, co widoczne dla nieuzbrojonego oka, mechanika kwantowa może wydawać się niezrozumiała i mieć charakter swoistej magii. W świecie kwantowym zdarzają się rzeczy, które mogą zaskakiwać, na przykład „tunelowanie” elektronów przez bariery energetyczne w skalach bliskich atomowych i pojawianie się po drugiej stronie „przeszkody” bez uszczerbku, albo przebywanie w dwóch miejscach równocześnie w stanach nazywanych superpozycjami.
Badania w dziedzinie mechaniki kwantowej są zazwyczaj ukierunkowane na poszukiwanie rozwiązań technologicznych. W technice potrafimy manipulować zjawiskami kwantowymi, aby uzyskać pożądane parametry i funkcje urządzeń. Wykorzystujemy te efekty w wielu systemach, od wskaźników laserowych po GPS, w obrazowaniu rezonansem magnetycznym i w tranzystorach, znajdujących się w każdym komputerze i smartfonie. Co, być może, jest dla wielu zaskakujące, nauka ma coraz więcej dowodów na to, że natura również wykorzystuje reguły mechaniki kwantowej, optymalizując funkcjonowanie systemów biologicznych. Oznaczać to może, że potencjalnie możemy kontrolować procesy fizjologiczne, wykorzystując właściwości kwantowe materii biologicznej.
W skomplikowanym, „hałaśliwym” i na pozór chaotycznym systemie biologicznym oczekuje się, że większość efektów kwantowych szybko zniknie, rozpływając się w tym, co fizyk Erwin Schrödinger nazwał „ciepłym, wilgotnym, środowiskiem komórki”. Dla większości fizyków fakt, że świat żywy działa w podwyższonych temperaturach i w złożonych środowiskach, oznacza, że biologię można wystarczająco i w pełni opisać za pomocą fizyki klasycznej.
Chemicy od dawna jednak się z tym nie zgadzają. Badania podstawowych reakcji chemicznych w temperaturze pokojowej jednoznacznie wykazują, że procesy zachodzące w biomolekułach i w materiale genetycznym są wynikiem efektów kwantowych. Badania sugerują, że efekty kwantowe wpływają na funkcje biologiczne, regulują aktywność enzymów, metabolizm komórkowy, być może DNA (1) i np. wykrywają pola magnetyczne.
Niesparowane elektrony w głowie rudzika
Na przykład, 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 na to pierwsze dowody. W procesach fotosyntezy rośliny absorbują fotony światła za pomocą komórek zwanych chromoforami. Te z kolej, wzbudzone, uwalniają kwazicząstki zwane ekscytonami, które transportują energię do ośrodka reakcji. Tutaj może ona zostać przekształcona w energię chemiczną, którą roślina jest w stanie metabolizować. Proces ten zachodzi w jednej miliardowej części sekundy, z blisko stuprocentową sprawnością.
Szef zespołu Greg Engel i jego koledzy wykazali, że energetyczne wzbudzenie wykorzystuje superpozycję. Naukowcy wykorzystali do swoich eksperymentów siarkową bakterię Chlorobium tepidum. W eksperymentach obniżono temperaturę bakterii do 77 kelwinów (–196ºC). Następnie, posłano krótkie impulsy światła laserowego przez ciało bakterii. Badacze 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. Po tamtych odkryciach przeprowadzono szereg innych badań wykazujących, że zjawisko fotosyntezy działa na zasadzie koherencji kwantowej. Gdybyśmy potrafili naśladować ten stworzony przez naturę system, moglibyśmy stworzyć superwydajne panele słoneczne i baterie o niedoścignionej żywotności.
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. Jak ptaki je wykrywają? W jednym z badań opublikowanym w „Nature” naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego pochylili się nad rudzikiem, który, gdy nadchodzą mrozy, podróżuje 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 (2). 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 tak mogą się również owady i inne organizmy.
Badania wykazały ponadto, że słabe pola magnetyczne wpływają na wiele procesów fizjologicznych ludzi. Procesy te to np. rozwój i dojrzewanie komórek macierzystych, tempo rozprzestrzeniania się komórek, naprawa materiału genetycznego i wiele innych. Te fizjologiczne reakcje na pola magnetyczne są zgodne z przebiegiem reakcji chemicznych, które zależą od spinu określonych elektronów w cząsteczkach. Zastosowanie słabego pola magnetycznego w celu zmiany spinów elektronów może zatem efektywnie kontrolować końcowe produkty reakcji chemicznych.
Niestety, wciąż bardzo ograniczona jest wiedza o tym, jak takie procesy działają w nanoskali. Uniemożliwia badaczom określenie dokładnie, jakiej siły i częstotliwości pola magnetyczne powodują określone reakcje chemiczne w komórkach. Gdyby udało się te ograniczenia przezwyciężyć, mogłoby to umożliwić badaczom opracowanie terapeutycznych urządzeń nieinwazyjnych, kontrolowanych zdalnie i dostępnych, choćby z poziomu wspomnianego telefonu komórkowego. Leczenie elektromagnetyczne mogłoby potencjalnie pomagać nawet w leczeniu bardzo poważnych chorób, takich jak guzy mózgu.
Mirosław Usidus
