Kvantová biológia

Od začiatku minulého storočia vieme, že svet molekúl, atómov a elementárnych častíc sa riadi zákonmi kvantovej mechaniky. V tomto kvantovom svete sa dejú rôzne podivné javy: častice sa šíria ako vlny, nachádzajú sa na viacerých miestach súčasne, tunelujú cez prekážky alebo môžu na diaľku ovplyvňovať iné častice, s ktorými sú previazané. Nič z toho však nepozorujeme vo svete veľkých rozmerov, v ktorom sa pohybujeme my. Akokoľvek by sa nám to hodilo, nemôžme byť na viacerých miestach súčasne, náraz do steny končí úrazom a nie vo vedľajšej miestnosti a telepatické schopnosti zatiaľ nikto spoľahlivo nepreukázal.

Tvrdenie, že kvantové javy hrajú dôležitú úlohu vo fungovaní živých organizmov sa preto stretlo s nadšením aj kritikou a stalo sa základom novej vedy, kvantovej biológie.

Moment! Živé organizmy sa predsa skladajú z atómov a molekúl a vieme to už dávno. Biochémia alebo molekulová biológia sú bežne študované odbory. V čom má byť kvantová biológia iná?

Fyzici rozoznávajú dva druhy kvantových efektov. Prvá skupina určuje, ako budú molekuly vyzerať, aké v nich budú chemické väzby, aké reakcie budú medzi nimi prebiehať a koľko energie sa bude uvoľňovať alebo spotrebúvať. Procesy, ktoré sa potom s molekulami dejú, sa dajú popísať bežným jazykom, takmer doslova ako posúvanie guľôčok (atómov) alebo naťahovanie pružiniek a skladanie lega (chemické väzby).

Druhé, tzv. netriviálne, kvantové efekty sa nedajú popísať klasicky a zahŕňajú najmä superpozíciu (častice sú vo viacerých stavoch súčasne) a previazanie (čo sa stane jednej častici ovplyvní inú ďaleko od nej).

Pozorovanie netriviálnych kvantových efektov nie je jednoduché, bežne ich naruší aj veľmi slabý vplyv okolia či tepla. Experimenty musíme uskutočňovať veľmi opatrne, systémy treba odizolovať od okolia či vychladiť na veľmi nízke teploty.

Táto citlivosť je aj dôvodom, prečo sa kvantové technológie, ako napríklad kvantové počítače zostrojujú tak ťažko. Lopta sa na čele balansuje ľahšie v prázdnej miestnosti ako na diskotéke. Kritici preto vravia: Biologické systémy sú príliš teplé a vlhké na to, aby boli kvantové.

O význame kvantových efektov v biológii uvažovali už zakladatelia kvantovej mechaniky, predovšetkým Pascual Jordan (ktorého sme spomínali včera v súvislosti s jeho kurióznym článkom o kravách [1]) a Erwin Schrödinger, ktorý vo svojej knihe ‘Čo je život?‘ uvažoval o molekulovej podstate dedičnosti (ešte pred objavom funkcie a štruktúry DNA) a význame kvantových efektov na malých škálach.

Postupne bolo preskúmaných niekoľko situácií, v ktorých by živé organizmy mohli javiť známky kvantového správania. Tu sú.

Najlepšie zdokumentovaným príkladom netriviálnych kvantových javov v živej prírode je fotosyntéza. Fotosyntéza je proces, v ktorom rastliny, riasy alebo aj niektoré baktérie absorbujú slnečné svetlo a jeho energiu použijú na syntézu cukrov (z oxidu uhličitého a vody za uvoľňovania kyslíka).

Fotosyntéza nie je priamočiara chemická reakcia, ale zložitý proces, na ktorý si organizmy vyvinuli dômyselnú mašinériu. V jednej časti sa absorbuje svetlo a v ďalšej, na molekulové pomery značne vzdialenej, prebieha reakcia. Zachytenú energiu slnečného žiarenia treba medzi týmito miestami prepraviť a to ideálne s čo najmenšími stratami.

A presne takto sa to deje – prenos energie počas fotosyntézy prebieha prakticky so stopercentnou účinnosťou. Cesta nie je priama, balík energie (držaný molekulami ako elektrón v excitovanom stave) si medzi sebou musí vymeniť niekoľko molekúl a ľahko by sa mohlo stať, že sa cestou stratí a energia sa nevyužitá rozptýli do okolia.

Na vysvetlenie toho, ako si excitácia nájde cestu, si vedci prizvali na pomoc kvantovú mechaniku. Podstata je, že keď sa dostane na rázcestie, nevyberie si len jednu cestu, ale ide oboma naraz (kvantové pravidlá to umožňujú) – a tak určite príde do cieľa. Signály poukazujúce na kvantové správanie boli pozorované aj experimentálne. Niektorí vedci však zostávajú skeptickí a ponúkajú alternatívne vysvetlenia založené na klasickej fyzike alebo triviálnych kvantových javoch.

Druhým často spomínaným biologickým javom je schopnosť rôznych organizmov vnímať magnetické pole, čo bolo preukázané v rôznych dômyselných experimentoch [2]. Zatiaľ čo niektoré baktérie obsahujú malé kryštáliky magnetitu, zmyslový orgán citlivý na magnetické pole u iných organizmov zatiaľ nebol spoľahlivo lokalizovaný.

Za najpravdepodobnejšieho kandidáta sa považuje tzv. kryptochróm, molekula, ktorá sa nachádza napríklad v oku červienky. Vplyvom slnečného žiarenia z neho vzniknú dve molekuly, ktoré obsahujú nespárované elektróny [3]. Tieto molekuly sú citlivé na magnetické pole a podľa smeru poľa sa môžu znova spojiť rôznymi spôsobmi. Takéto správanie si však vyžaduje dlho udržiavanú kvantovú superpozíciu. Rôzne kroky tohto procesu už boli otestované v laboratóriu, zatiaľ však len pri silnejšom magnetickom poli ako je zemské. Tiež zatiaľ nebol nájdený mechanizmus, ako sa informácia o priebehu reakcie v kryptochróme prenesie červienke do mozgu.

Efektom na pomedzí triviálnych a netriviálnych je tunelový jav. Častica dokáže s istou pravdepodobnosťou prekonať bariéru, na zdolanie ktorej nemá dostatok energie.

(Príkladom je laboratórna technika, ktorá sa používa na zobrazovanie povrchov s atomárnym rozlíšením, skenovacia tunelovacia mikroskopia. Vodivý hrot hrúbky len niekoľkých atómov sa priblíži k povrchu, ktorý chceme sledovať. Elektróny cez vákuum tunelujú z hrotu do povrchu, vďaka čomu nameriame elektrický prúd v (rozpojenom) obvode obsahujúcom hrot a povrch.)

Príroda využíva tunelovanie pri funkcii enzýmov, molekulových strojov zodpovedných za väčšinu mikroskopických procesov prebiehajúcich v živých organizmoch. Enzýmy pomáhajú uskutočňovať chemické reakcie, doslova tak, že chytia molekuly, ktoré majú zreagovať a priblížia ich k sebe. U niektorých enzýmov bolo zistené, že po tomto priblížení ľahké častice ako elektróny alebo jadrá vodíka tunelujú medzi reagujúcimi molekulami. Príkladom je enzým kolagenáza, zodpovedný za rozkladania kolagénu, bunkovej výstuže, napríklad počas premeny žubrienky na žabu, čo si vyžaduje značné prebudovanie tela. [4]

Kvantové tunelovanie je aj podstatou jednej z teórií toho, ako funguje čuch. Molekuly rozptýlené vo vzduchu dosadajú na receptory v nose, ktoré sa tak aktivujú a informujú mozog o prítomných vôňach. Podľa prevládajúcej teórie sú receptory tvarované tak, aby do nich molekuly, na ktoré sú citlivé, zapadli (ako kľúč do zámky).

Možných vôní je však viac ako receptorov a navyše podoba v tvare molekúl sa nie vždy odzrkadlí vo vôni. Iná teória tvrdí, že receptory merajú vibrácie chemických väzieb v molekulách parfémov pomocou tunelovania elektrónov. Ani tá však úplne nevysvetľuje vzťah medzi štruktúrou a vôňou a zdá sa, že správnou odpoveďou bude kombinácia týchto dvoch: molekula dosadne do vhodného receptora a ten následne rozpozná chemické väzby podľa ich vibrácií.

Kvantové efekty boli navrhnuté aj v ďalších javoch, avšak tu sú dôkazy slabšie (a kontroverzia silnejšia). Príklady zahŕňajú vznik mutácií, pôvod života alebo teóriu matematika a fyzika Rogera Penrosea [5], že mozog funguje ako kvantový počítať, ktorú prezentoval v populárnej knihe Cisárova nová myseľ. (Posledná z týchto hypotéz bola nedávno odmietnutá [6].)

Kvantová biológia sa postupne mení zo senzácie na štandardnú vedeckú oblasť. Skúmajú sa zostávajúce otázky v procesoch spomínaných v tomto článku, zisťuje sa, či kvantová mechanika nie je zodpovedná na niektoré iné procesy v organizmoch a hľadajú sa spôsoby, ako možno preniesť kvantové efekty objavené alebo predpokladané v biológii do technologických aplikácií od kvantových počítačov cez fotočlánky až po molekulové stroje.

[Lukáš]

PS: Ďakujeme za zdieľanie!
PS2: Vedátora môžete podporiť cez Patreona https://www.patreon.com/Vedator_sk alebo priamo cez https://vedator.space/podporte-nas/

– – –

Poznámky:

Keď existuje kvantová fyzika a kvantová biológia, existuje aj kvantová chémia? Áno, ale zaoberá sa najmä prvou skupinou kvantových javov, výpočtami chemických väzieb, molekulových štruktúr… a typicky pre svoje výpočty používa výkonné počítače, čím sa prekrýva s tzv. počítačovou chémiou, o ktorej sme už raz písali: https://www.facebook.com/vedator.svk/photos/a.215988422181212/620572841722766

[1] So Jordanom sa žiaľ nespájajú len veselé príhody, bol rozporuplná osobnosť, stal sa stúpencom nacizmu, ale napriek tomu obhajoval židovských vedcov.
[2] Napríklad tých, v ktorých červienky s čapicami lietali v magnetickom poli.
[3] A nespárované elektróny sa správajú ako malé magnety, pamätáte sa?
[4] Keď [Samuel] tvoril obrázok k článku, nevedel, že v ňom budú žaby a žubrienky. Vlastne, ani ja som to vtedy nevedel, aj keď som vedel, že túto funkciu kolagenázy spomínajú Al-Khalili a McFadden v knihe o kvantovej biológii, Life on the Edge (Život na hrane). Keď som uvidel obrázok, rozhodol som sa ich pridať.
[5] Známy pre svoju spoluprácu so Stephenom Hawkingom, cyklický model vesmíru alebo neperiodické dlaždice. Nedávno navštívil Slovensko: https://www.tyzden.sk/podlampou/53914/pod-lampou-science-sir-roger-penrose-a-vznik-vesmiru/
[6] https://science.sciencemag.org/content/287/5454/791

Zdroje:
Infografika
https://www.the-scientist.com/infographics/infographic–quantum-explanations-for-biological-phenomena-65917

Populárnovedecké texty:
Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden: Life on the Edge
https://www.philipball.co.uk/images/stories/docs/pdf/474272.pdf