Kwantowość układów ożywionych

Zjawisko roboczo zwane życiem
Dlaczego czujemy zapachy? Skąd u ptaków zdolności nawigacyjne? Jak działa świadomość? I wreszcie, jak powstało życie? Odpowiedzi na te pytania proponuje nowa nauka, biologia kwantowa.
Rudzik zwyczajny przejawia wrazliwość na znikome, ale bardzo specyficzne zakłócenia pola magnetycznego.
Forum

Rudzik zwyczajny przejawia wrazliwość na znikome, ale bardzo specyficzne zakłócenia pola magnetycznego.

Czy zmysł węchu u zwierząt działa jak skaner prześwietlający cżąsteczki rozmaitych woni?
Corbis

Czy zmysł węchu u zwierząt działa jak skaner prześwietlający cżąsteczki rozmaitych woni?

Choć zostanie to zapewne oprotestowane przez czujnych rygorystów, można powiedzieć, że fizycy kwantowi i biolodzy należą do dwóch, nierzadko nieco lekceważących swe kompetencje, drużyn. Członkowie tej pierwszej dochodzą do perfekcji w opisie rzeczy najmniejszych – elektronów, atomów, jonów czy cząsteczek. Budują wyrafinowane modele matematyczne zjawisk i układów. Z tym że te układy niewiele mają wspólnego ze światem realnym, bo są nieskomplikowane i odizolowane od wpływów otoczenia. Inaczej jest w drużynie biologów. Tu rzeczywistość przyjmuje się z dobrodziejstwem inwentarza, czyli taką, jaką ona zazwyczaj jest – chaotyczną i nieprzejrzystą. Biolodzy opisują ją w sposób może mniej głęboki niż fizycy, ale za to znacznie bliższy życiu, które jest, najkrócej rzecz ujmując, ciepłe i wilgotne.

Ostatnio jednak w swoich doświadczeniach biolodzy zbliżają się do granicy świata kwantowego, a fizycy uczą się sobie radzić z coraz bardziej złożonymi systemami. Obie strony zmierzają ku wspólnemu miejscu spotkań, zwanemu biologią kwantową. Znajdziemy tam ludzi z University of California w Berkeley, Imperial College London, Massachusetts Institute of Technology, Harvardu, Universität Innsbruck, Universität Ulm, Centre for Quantum Technologies w Singapurze i innych pierwszoligowych instytucji badawczych. Naukowcy ci pytają o niebywałą sprawność przetrwania, działania i ekspansji organizmów żywych. Skąd się ona wzięła? Czy tylko za sprawą ich trudnej do ogarnięcia złożoności? Czy może raczej w tym celu natura wykorzystuje jakieś sprytne kwantowe triki?

Kwantowe to, kwantowe tamto – sceptyk słusznie unosi brew, bo z użycia tego przymiotnika trzeba się wytłumaczyć. Przecież jeśli przełączyć mikroskop dowolnej nauki przyrodniczej, również biologii, na maksymalne powiększenie, naszym oczom ukaże się zawsze ten sam mikroświat, rządzony jednym zestawem praw mechaniki kwantowej (cząstki zachowują się jak fale, znajdując się jak gdyby w wielu różnych stanach jednocześnie itd.). Rzecz w tym, by trywialne efekty kwantowe w biologii odróżnić od efektów nietrywialnych. Te pierwsze, nieźle przebadane, odpowiedzialne są za stabilność cząsteczek czy przebieg procesów chemicznych. Te drugie pozwalałyby zmierzającej do sukcesu ewolucyjnego naturze iść czasem niejako na skróty, bez wjeżdżania w ślepe uliczki lub nadkładania drogi. Tą właśnie ewentualnością zajęła się biologia kwantowa.

Zapewne nietrywialne jest – skądinąd opisywane w podręcznikach szkolnych – zjawisko fotosyntezy. Jego pierwsza faza, czyli absorpcja energii promieniowania świetlnego i zamiana jej na inny rodzaj energii (wiązań chemicznych), przebiega z niebywałą efektywnością. Podczas gdy najlepsze ogniwa słoneczne, stworzone przez człowieka, osiągają sprawność rzędu 20 proc., natura potrafi wykorzystać do 98 proc. fotonów padających na powierzchnię liścia czy fotosyntetyzującej bakterii. Eksperymenty od lat przeprowadzane przez Grahama Fleminga z UC Berkeley (z wykorzystaniem metod superszybkiej spektroskopii) na bakteriach siarkowych sugerują, że taki imponujący wynik przyroda osiąga dlatego, że odpowiedzialne za transfer energii elektrony poruszają się tak, jakby w poszukiwaniu najkrótszej trasy myszkowały nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie.

Gdybyśmy potrafili to powtórzyć w większej skali, na przykład wracając do domu w porze szczytu, moglibyśmy powielić się w niezliczonych egzemplarzach, wysłać je wszelkimi możliwymi drogami, kazać im znaleźć tę najmniej zatłoczoną, a następnie scalić się z powrotem i – już w liczbie pojedynczej – zdążyć na kolację. W życiu to niemożliwe, ale w mikroświecie – owszem. Proces ten nazywany jest kwantowym błądzeniem losowym.

Kwantowy dualizm u alg

Fleming badał bakterie w warunkach dalekich od realnych, w temperaturze 77 stopni Kelwina (czyli –196 st. C), ale Greg Engel z University of Chicago (nagrodzony rok temu przez Baracka Obamę za świetnie rokujące osiągnięcia naukowe) podobny efekt zaobserwował u alg w temperaturze pokojowej. A to daje do myślenia. Aby bowiem efekty kwantowe mogły w ogóle zaistnieć, cząstki im ulegające muszą znajdować się w stanie kompletnej izolacji od czynników zewnętrznych. Stan ten, niestety, niezwykle łatwo ulega zakłóceniu zwanemu dekoherencją. Obecność innych cząstek, wyższa temperatura, a nawet sam akt obserwacji może przełączyć układ kwantowy w klasyczny, znany z codziennych doświadczeń. Cząstki nagle przestają zachowywać się jak fale. Obrazowo można by powiedzieć, że fale te natychmiast zwijają swe ogony w kłębki (czyli cząstki) i zaczynają zachowywać się na sposób klasyczny (czyli mniej więcej jak bilardowe kulki). Biolodzy kwantowi, wśród nich Engel, przekonują jednak, że czasem bywa inaczej. Być może organizmy żywe wypracowały metody ochrony niektórych swych elementów, molekuł (np. DNA) przed dekoherencją. Niewykluczone, że chowają je w izolowanych przestrzeniach, ekranujących zawartość przed otoczeniem, by w ich wnętrzu korzystać z dobrodziejstw mechaniki kwantowej. Nasza wiedza na ten temat pełna jest luk.

Równie frapujące jest pytanie o (nietrywialny) udział mechaniki kwantowej w powstaniu i ewolucji życia na Ziemi. Paul Davies z University of Arizona („Niezbędnik Inteligenta” 16), Anita Goel z Harvardu i MIT, Seth Lloyd z MIT („Niezbędnik Inteligenta Plus”) oraz kilku innych autorów skłaniają się ku tezie, że i rodzące się życie twórczo wykorzystało wspomniany fenomen kwantowego błądzenia losowego. Pojawienie się na naszej planecie pierwszych samopowielających się cząsteczek (zwanych roboczo życiem) wydaje się tym naukowcom zaskakująco mało prawdopodobne – z matematycznego punktu widzenia. Jak z ogromu dostępnych konfiguracji molekuł, których testowanie klasycznymi metodami trwałoby wielokrotnie dłużej niż historia Wszechświata, wybrana została ta jedna właściwa – pierwszy samodzielny replikator? Czy nie byłoby prościej założyć, że natura, zamiast żmudnie składać kolejne układanki, przetestowała wszystkie albo prawie wszystkie, w jednym kroku, na sposób kwantowy, i wybrała tę najlepszą dla powodzenia dalszej replikacji? Ba, niewykluczone, że nadal tak czyni.

Czytaj także

Co nowego w nauce?

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną