Nauka

Zjawisko roboczo zwane życiem

Kwantowość układów ożywionych

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

Magnetyczny rudzik

Zastanawiające wyniki eksperymentów prowadzonych na ptakach podsuwają myśl, że inny efekt kwantowy może być odpowiedzialny za czułość ich zmysłu nawigacji magnetycznej. Szczególnie dobrze przebadany rudzik zwyczajny ujawnia wrażliwość na znikome, ale bardzo specyficzne zakłócenia pola magnetycznego. Jak przekonuje Elisabeth Rieper z Centre for Quantum Computation w Singapurze (POLITYKA 41/10), czułość tę zaskakująco łatwo modelować, zakładając, że mały ptak z rodziny muchołówek nawiguje w locie, wykorzystując zjawisko tzw. splątania kwantowego. Cząstki splątane zachowują się jak kwantowe bliźniaki jednojajowe. Z jednej strony – osobne, z drugiej – tworzą całość będącą czymś więcej niż suma prosta składników. Mają tę dziwną własność, że pomiar stanu jednego natychmiast determinuje stan drugiego. A kwantowo splątane elektrony mają dodatkowo to do siebie, że mogą utworzyć układ ultraczuły na zmiany zewnętrznego pola magnetycznego. Rieper sądzi, że znajdują się one w oku małego rudzika (do aktywacji potrzebują bowiem energii fotonów światła słonecznego). Teraz trzeba je tylko znaleźć.

Przedmiotem badań są także inne zmysły. Luca Turin, zasłużony dla badań nad wciąż enigmatycznymi mechanizmami powonienia biofizyk z MIT, od lat sugeruje na przykład, że receptory zapachów działają jak swego rodzaju skanery. Elektrony wysyłane z takich receptorów prześwietlałyby cząsteczki będące nośnikami rozmaitych woni właśnie na sposób kwantowy, wykorzystując tzw. efekt tunelowy. Tunelujące cząstki przeskakują bariery (potencjału) wyższe, niżby na to zezwalała ich energia. Analogią tego fenomenu w świecie dużych rzeczy byłoby (niemożliwe, niestety) zjawisko przenikania ludzi przez ściany. Luca Turin założył, że zwierzęta, identyfikując cząsteczki zapachów, dokonują pomiarów ich struktury wewnętrznej, posługując się tunelującymi elektronami (niosą one bowiem informacje o tym, co właśnie prześwietliły). Fizyczne podstawy modelu Turina zostały ostatnio zweryfikowane pozytywnie. Czy tak właśnie działa węch? Jeszcze nie wiadomo. Ale wiadomo, że prawa przyrody tego nie zabraniają.

Jeśli ktoś uzna powyższe pomysły za egzotyczne, nawet pobieżna lektura wydanej dwa lata temu przez londyński Imperial College książki „Quantum Aspects Life” (pod redakcją Dereka Abbotta, Paula Daviesa i Arun Pati) przekona go, jak bardzo się myli. Lektura referatów, wygłoszonych podczas warsztatów zorganizowanych przez NASA w kalifornijskim Ames Laboratory, to przejażdżka intelektualną kolejką górską. „Kwantowe aspekty życia” przekonują na przykład, że wciąż gorący jest temat kwantowych aspektów „słowa na Ś” (czyli świadomości), o którym nie warto wspominać wśród tzw. poważnych fizyków. Dyskusja na ten ekstremalnie sporny temat trwa nieprzerwanie od chwili jego wywołania przez brytyjskiego matematyka Sir Rogera Penrose’a. To jednak temat na osobną rozprawkę.

Sceptycy, oczywiście, nie śpią. Studzą entuzjazm mówiąc, że być może prapoczątki życia były na tyle nieskomplikowane, iż zaprzęganie paradoksalnych zjawisk kwantowych do ich wyjaśnienia nie ma sensu. Po prostu nie doceniamy zdolności życia do samoistnej organizacji w coraz bardziej złożone, funkcjonujące w wielu skalach czasowych i przestrzennych jednocześnie, wyrafinowane, ale w swojej istocie klasyczne (czyli niekwantowe) systemy. Wielce wątpliwe, by przyroda zdolna była do zapobiegania dekoherencji, twierdzą krytycy Daviesa czy Fleminga. Przecież fizycy chcący skłonić cząstki do wykonywania kwantowych ewolucji muszą umieszczać je w próżniowych baniakach, w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu – czyli warunkach skrajnie odmiennych od tych spotykanych w fotosyntetyzującej paprotce czy oku wędrownego rudzika.

Kwanty a życie

Jedyną słuszną reakcję na podobne wątpliwości sformułował Jens Eisert z Institut für Physik Universität w Poczdamie. Stało się to podczas debaty zatytułowanej „Kwantowe efekty w biologii: Trywialne czy nie”, zorganizowanej w 2004 r. To, czego nam potrzeba, powiedział po dłuższej dyskusji Eisert, to „eksperymenty, eksperymenty, eksperymenty”. Wtórował mu Anton Zeilinger z Universität Wien, jeden z najsprawniejszych obecnie kwantowych fizyków doświadczalnych: „Nie mam pojęcia, czy efekty kwantowe w biologii są trywialne, czy nie. Ale wyjątkowo nietrywialna byłaby sytuacja, w której mechanika kwantowa nie pełniłaby jakiejś funkcji w systemach ożywionych. (...) Jako eksperymentator postrzegam to jako wyzwanie”. Szczęśliwie gwałtowny postęp technik obrazowania mikroświata oraz rozwój tzw. kwantowej teorii informacji (modelującej rzeczywistość w konwencji wymiany bitów informacji) daje nadzieję na rychłe uzyskanie jednoznacznych odpowiedzi.

Znana jest anegdota o nobliście Franku Yangu i innym fizyku Borisie Jacobsonie, którzy wdali się w rozmowę na temat pewnego problemu naukowego, po czym orzekli, że – tak jak przeczuwał Yang – rzeczywiście jest on trywialny. Stwierdzili to po dwóch dniach ciężkiej pracy przy tablicy. Jak to się ma do biologii kwantowej? Analogicznie. Nawet jeśli kiedyś okaże się ona kwantowa w tzw. trywialny sposób, to przeprowadzenie tego dowodu dostarczy z pewnością wiedzy zgoła nietrywialnej. Dotyczącej i biologii, i mechaniki kwantowej. A o to przecież chodzi.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Społeczeństwo

Polityczna demografia: czy Polaków jest za mało

Podczas gdy największym problemem demograficznym współczesnego świata jest przeludnie­nie i zbyt wysoki przyrost naturalny, w Polsce pod tym samym pojęciem rozumie się wyludnianie i zbyt niski przyrost naturalny.

Janusz A. Majcherek
25.08.2019
Reklama

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

Powrót na stronę główną