Kvantinis gyvenimas: kai biologija sutinka fiziką

Biofizika yra sparčiausiai besivystanti tiksliųjų mokslų pakraipa. Ten, kur biologija sutinka fiziką, atsiranda neįtikėtini atradimai tiek fizikams, tiek biologams. Mat joks fizikas nelaukia kvantinių efektų gyvame organizme, joks biologas nesitiki susipažinti su elektrono sukiniu tyrinėdamas ląstelę.

Didžioji dalis įdomių kvantinės fizikos reiškinių reikalauja specifinių sąlygų, kurias vadina koherentiškumu. Susietos dalelės? Kvantinė teleportacija? Kvantiniai kompiuteriai? Kvantinis superlaidumas? Visa tai įmanoma tol, kol neįvyksta dekoherencija.

Tam koherentiškumui išlaikyti kvantiniai superkompiuteriai talpinami į žemų temperatūrų talpyklas, supermagnetų aušinimo sistemoje cirkuliuoja skystas helis (-269 laipsniai Celsijaus), o kvantiškai susietos dalelės yra akylai saugomos nuo aplinkos.

Vos tik šokteli temperatūra, vos tik atsiranda išoriniai trukdžiai, vos tik dalelių pasidaro daugiau, negu reikia, visi tie kvantiniai efektai, visa ta mokslinė magija „dingsta“. Būtent todėl yra gan netikėta aptikti reiškinius, kurios gyvi organizmai yra išmokę panaudoti savo reikmėms.

Netikėta todėl, kad be specifinės apsaugos gyvo organizmo kūno temperatūra yra per aukšta, gyvame organizme per daug dalelių (molekulės, ląstelės) ir per daug drėgna. Tuo įstabesni yra atradimai, jog vis daugiau ir daugiau gyvų organizmų yra išmokę suvaldyti kvantinės fizikos dėsnius. Jei gamta yra tai išmokusi, gal ir žmogus išmoks apsaugoti tuos trapius kvantinius efektus?

Idėja, kad kvantinis pasaulis turėtų įtakuoti gyvybę, yra sena. Dar 1944 metais Erwinas Schrodingeris savo straipsnyje postringavo, kad gyvame pasaulyje tiesiog privalo egzistuoti mechanizmai, išnaudojantys pačiu neįtikimiausiu būdu kvantinio pasaulio dėsnius.

Was ist Leben (1)-OG

Dar daugiau, E. Schrodingeris galvojo, kad būtent kvantiniai efektai yra tai, dėl ko gyvas pasaulis yra kitoks nei negyvas. Tuomet genų egzistavimas dar nebuvo įrodytas, todėl jis spekuliavo, kad genetinė informacija turi būt perduodama per „aperiodinius kristalus“ – milžiniškas molekules, kurioms galiotų kvantinio pasaulio dėsniai. Žymus fizikas net darė prielaidą, kad evoliucijos variklis – genetinė mutacija – yra ne kas kito kaip „kvantinis sistemos šuolis“.

E. Schrodingeris buvo didžiąja dalimi teisus. Išskyrus tai, jog genetinės mutacijos pakluso didžiąją dalimi klasikinės fizikos dėsniams.

Dar prieš 20 metų idėja, kad gyvuose organizmuose galėtų pasireikšti kvantinės fizikos dėsniai, atrodė vos ne šventvagystė. Tačiau laikui bėgant biologai kartu su fizikais aptinka vis daugiau biologinių sistemų, kuriose būtent kvantiniai efektai yra svarbiausi.

Fotosintezėje kvantinių efektų dėka šviesa yra surenkama ypač efektyviai.
Fotosintezėje kvantinių efektų dėka šviesa yra surenkama ypač efektyviai.

Reikėtų pradėti nuo fotosintezės. Fotosintezė yra kitas gyvybės pagrindas planetoje. Be jos planetoje niekada nesusidarytų toks deguonies kiekis, koks reikalingas gyvybei palaikyti. Augalo viduje šviesa yra pagaunama ir panaudojama cheminei reakcija inicijuoti. Tačiau įdomiau, kaip gamta organizavo tą šviesos surinkimą. Augalo ląstelės pasidalina į du tipus: reakcijų centrus, kur vyksta pati cheminė reakcija, ir nanoantenas, kurios surenka šviesą ir nukreipia ją link reakcijos centro.

Klasikiniu požiūriu, nanoantenos turėtų perduot šviesą chaotiškai, laisvai pasirinkta kryptimi. Tačiau biologiniu sistemų efektyvumas yra stulbinančiai aukštas – net iki 95 proc. Kas tikrai nepanašu į chaotišką sistemą. Fizikai, nagrinėdami, kaip yra pasiekiamas toks efektyvumas, aptiko signalus panašius į kvantinius mušimus. Kitaip tariant, šviesa keliauja link surinkėjo ne vienu keliu, o vienu metu visais įmanomais keliais.

Kitas neįtikėtinas kvantinis efektas yra tuneliavimas. Kaip ji paaiškinti? Kas tai yra? Na, įsivaizduokite, kad turite katiną, kuris kelia namuose chaosą. Ir jūs jį uždarote dėžėje. Po kiek laiko, matote katiną vaikščiojantį po kambarį. Prieinat prie dėžės, dėžė uždaryta, jokio plyšio. Kaip tai įmanoma? Sveikinu, ką tik susipažinote su kvantiniu tuneliavimu. Ir nors, greičiausiai, katinas rado kitą būdą pasprukt, tačiau mikrodalelės iš branduolių būtent taip pasprunka ir inicijuoja branduolinę reakciją, kurios metu galima iš vienos medžiagos gauti kitą. Būtent todėl veikia atominės jėgainės, o mūsų Saulė šviečia.

Ta pati medžiaga, skirtingi kvapai. Kvantinių efektų dėka užuodžiam skirtingus izotopus.
Ta pati medžiaga, skirtingi kvapai. Kvantinių efektų dėka užuodžiam skirtingus izotopus.

Geras kvantinio tuneliavimo pavyzdys gyvūnuose būtų uoslė. Tradicinė uoslės teorija teigia, kad kvapų molekulės aptinkamos kvapo receptoriais: molekulė patenka į receptorių ir lyg raktas sužadina reakciją. Tačiau ši teorija nesugeba paaiškinti, kodėl panašios formos molekulės turi skirtingus kvapus. Jei molekulėse būtų skirtingi kokio vieno atomo izotopai, tuomet cheminiais būdais tų molekulių atskirt negalėtume. Tačiau nosies receptorius atskiria.

1996 metais biofizikas Luca Turinas pasiūlė tokį paaiškinimą: nosyje esantis receptorius reaguoja į molekulės virpesius, kurių dėka elektronai tuneliuoja iš molekulės į receptorių. Todėl receptorius suvokia molekulės su skirtingais izotopais kaip skirtingus kvapus.

Dar geras pavyzdys yra fermentai. Dėl jų procesai, kurie vyktų tūkstančius metų gyvoje ląstelėje, vyksta per sekundės dalį. Toks stulbinantis pagreitėjimas įvyksta būtent dėl kvantinio efekto, tuneliavimo.

Elektronai ir protonai lyg pasakoje dingsta iš vienos vietos vienoje molekulėje ir teleportuojasi į kitą vietą kitoje molekulėje. Vien pagalvojus apie fermentų svarbą gyvybės atsiradimui mūsų planetoje, net šiurpas nupurto, kas būtų, jei gamta neišmoktų įvaldyti šio kvantinio efekto.

Kvantinis tuneliavimas yra svarbūs adaptyviojoje mutacijoje
Kvantinis tuneliavimas yra svarbūs adaptyviojoje mutacijoje

Ir lyg to būtų maža, buvo atrasta gana specifinė genų mutacija, kurioje yra svarbūs kvantiniai efektai, panašiai, ką E. Schrodingeris teigė apie visas mutacijas. Kalba eina apie procesą, kuomet nukleotido bazės atlieka kvantinį tuneliavimą ir staiga pakeičia savo vietą gene. Tai yra taip vadinama „adaptyvi“ mutacija. Reikalas yra tas, kad mokslininkai yra pastebėję kažką, ko gana ilgą laiką negalėjo suprasti.

Matote, standartinė (konvencinė) evoliucijos teorija teigia, jog visos mutacijos turi tas pačias teises. Kitaip sakant, visos jos turi vienodus šansus įvykti. Jokia viena mutacija neturėtų atsirasti dažniau negu kitos.

Pagal teoriją, tam tikros mutacijos esą naudingos ir jos lieka, kitos yra nenaudingos ir yra atmetamos. Evoliucija yra akla, ji neturėtų žinoti iš anksto, kuri mutacija yra naudinga. Nežiūrint į tai, prof. McFadden`o komanda, regis, rado atvejį neįsipaišantį į šią standartinę evoliucijos schemą.

Kažkokiu būdu deguonies trukumas sąlygojo dažnesnės vieno konkretaus tipo mutacijas. Ir tai nebuvo kažkas pirmą kartą aptikto. Kita grupė 1988 m. buvo paskelbusi straipsnį apie adaptyvines mutacijas.

Anuomet mokslininkai tyrė Escherichia coli bakterijas, kurios negalėjo virškinti piene esančios laktozės. Mokslininkai patalpino bakterijas į terpę, kurioje buvo vien tik laktozė. Kokia gi buvo mokslininkų nuostaba, kuomet bakterijos išsivystė gebėjimą virškint pieno laktozę! Ir tai įvyko gerokai greičiau, nei tai nusakė standartinė anuometinė teorija. Galėjo susidaryti toks įspūdis, kad aplinka įtakojo mutaciją ir jos greitį – neįsivaizduojama šventvagystė bet kokiam senos mokyklos „darvinistui“.

Čia istorija tampa įdomesnė. Biologas prof. McFadden`as bandė rasti savo universitete fiziką, kuris susidomėtų šia tema. Gana ilgai jam nepavyko, nes visi atsisakydavo net galvoti apie tokią galimybę, kol jis nesutiko dr. Al-Khalili, nusprendusį pažiūrėti į problemą „naujomis akimis“.

Kartu jie aptiko seną, dar 1963 metus siekiančią idėją, kad DNR mutuoja tada, kada vandenilio atomas kvantiškai tuneliuoja iš vienos molekulės į kitą. Panašiai kaip neklaužada katinas, kuris paspruko iš dėžės, tik be jokios mistikos, o griežtai pagal kvantinės fizikos dėsnius.

Jei kalbėtume apie greitai besiadaptuojančią žarnyno lazdelę, tai reikštų, jog DNR elgiasi kaip garsioji E. Schrodingerio katė. Vienu metu ji leidžia bakterijai maitintis laktoze, ir vienu metu neleidžia.

Kad tai suprastų, biologo ir fiziko komanda atliko matematinį modeliavimą, kuriame išanalizavo pavienio vandenilio atomo esančio žarnyno lazdelės DNR sąveiką su aplinkoje esančiomis laktozės molekulėmis. Laktozės cukraus molekulių buvimas šalia reiškė kažką panašaus DNR molekulei į stebėtoją, kuris atidarydavo kambarį, kuriame buvo Schrodingerio katė.

Atsiradus „stebėtojui“, Schrodingerio katė tapdavo normalia: arba gyva, arba mirusia. Panašiai ir DNR molekulė: arba mutuodavo, arba ne. Kol laktozės molekulių nebuvo niekur arti, mutacija vyko natūralia eiga. Vos tik atsirado laktozė, molekulės buvo priverstos apsispręsti, ar jos mutuoja, ar ne. Akivaizdu, kad taip mutacija įvyks gerokai greičiau nei standartiniu keliu.

Kai kurie paukščiai ir kiti gyvūnai reaguoja į planetos magnetinio lauko kryptį. Nieko nuostabaus būtų, jei jie reaguotų į magnetinio lauko stiprumą, arba žinotų, kur yra magnetinis polis. Galu gale tam pakanka paprasto kompaso. Tačiau daug įdomiau yra tai, kad tie gyvūnai reaguoja į magnetinio lauko linijų kryptį. Ir dar daugiau, tas gyvūnų kompasas matuoja ne magnetinio lauko kryptį, o kampą su planetos paviršiumi bei yra jautrus šviesai.

Paukščiai turi natūralų kompasą dėl jų akyse esančių magnetiniam laukui jautrių ląstelių. Simuliacijo rodo, kaip kinta dangaus spalva, paukščiui nusukus nuo šiaurės.
Paukščiai turi natūralų kompasą dėl jų akyse esančių magnetiniam laukui jautrių ląstelių. Simuliacijo rodo, kaip kinta dangaus spalva, paukščiui nusukus nuo šiaurės.

Pirmą kartą šis dalykas buvo aptiktas paukščiuose. Jei visi gyvūno pojūčiai yra susiję su konkrečiais organais, tai magnetinio lauko pojūtis konkretaus organo neturi. Tai – pojūtis veikiantis kartu su kitais gyvūno pojūčiais, jį sunku izoliuoti. Šis pojūtis pas paukščius yra susijęs su kriptochromo molekule, esančia paukščio akyje. Kuomet šviesa pataiko į molekulę, ji išmuša elektroną – atsiranda „radikalas“. Šie porų neturintys elektronai turi kvantinį parametrą, vadinamą sukiniu. Sukinys turi dvi orientacijos kryptis, todėl elektronų poroje sukiniai arba lygiagretūs arba nukreipti priešingomis kryptimis. Priklausomai nuo tų krypčių įvyksta arba viena cheminė reakcija, arba kita.

Planetos magnetinis laukas veikia kaip krypties jungiklis, todėl magnetinio lauko kryptis turi įtaką tam, kokia cheminė reakcija įvyks. Būtent todėl apakinus migruojantį paukštį, jie nustoja jausti magnetinį lauką. Kitaip tariant, šis kompasas veikia per kvantiškai surištas daleles (quantum entangled), esančias paukščio akyje.

Kitas mechanizmas yra susijęs su magnetito kristalų klasteriais, šis geležį turintis mineralas sąveikauja su magnetiniu lauku, o priklausomai nuo kristalų orientacijos, jie vienas kitą arba traukia, arba stumia. Taip atsiranda jėgos, kurias gali pajaust proteinai, o kristalų judesys galėtų net aktyvuot molekulinius vartus nervų ląstelės paviršiuje. Šis metodas yra sutinkamas pas elnius ir pas… karves! Taip, taip, pas žalmarges!

Google Earth vaizdas su karvėmis.
Google Earth vaizdas su karvėmis.
Šiek tiek padidintas Google Earth vaizdas.
Šiek tiek padidintas Google Earth vaizdas.

Šis efektas buvo aptiktas „Google Earth“ dėka, kuomet buvo pastebėta, jog karvių bandoje karvės orientuojasi pagal planetos magnetinį lauką. Lyg mažos kompasų adatos. O tada, kuomet netoli laukų, kur ganėsi karvės, eidavo elektros tiekimo linijos, karvių bandos išsirikiuodavo chaotiškai, kadangi aukštos įtampos linijos sukurdavo savo magnetinį lauką, iškreipdavusį planetos lauko linijas.

Tačiau norėčiau pakalbėti apie kitą gyvūną, kuris, regis, išmoko pasinaudot magnetiniu lauku, – lapę. Žiemos metu lapės dažnai medžioja po sniegu pasislėpusias pelės. Tam, kad tiksliai sumedžiotų auką, reikia žinoti, kur ji yra, prasibrauti pro storą sniego sluoksnį.

Lapės tai atlieka šokdamos aukštyn ir nerdamos su galva žemyn į sniegą. Būtent tokius šuolius filmavo 23 mokslininkų grupė iš Čekijos. Kokia buvo jų nuostaba, kuomet jie aptiko, kad lapės dažniausiai šoka ta pačia kryptimi. Jos visada šokdavo iš šiaurės į pietus. Arba tiksliau tariant kryptimi, sudarančia apie 20 laipsnių kampą su šiaurės kryptimi. Kuomet šuolis buvo atliekamas šia kryptimi, lapė sėkmingai sugaudavo pelę, kuomet nuo šios krypties buvo nukrypstama, tik kas penktas bandymas buvo sėkmingas.

Mokslininkai spėja, kad lapės naudoja magnetinį lauką tam, kad įsivertinti atstumą iki aukos ir tiksliau atliktų šuolį. Ši sistema gali veikti būtent todėl, kad planetos magnetinis laukas Šiaurės pusrutulyje neina lygiagrečiai paviršiui, o yra nukreiptas 60–70 laipsnių kampu nuo horizonto. Kitaip tariant, lapė, girdėdama pelę, ieško tokios šuolio padėties, kad garso kryptis sutaptų su magnetinio lauko linijų kryptimi. Magnetinio lauko linijos lapei yra kaip žibintuvėlis, kuris apšviečia pelytę, tačiau pelytė to žibintuvėlio nemato.

Ir lyg to būtų negana, visai nesenai mokslininkų grupė iš Pensilvanijos universiteto aptiko žmogaus smegenų neuronų mikrotubulių (mikrovamzdeliai) kvantinius virpesius. Šis gan netikėtas atradimas netiesiogiai prikelia iš mirusiųjų seną hipotezę, kurią pasiūlė siras Rogeris Penrose, žinomas pasaulyje dėl savo bendradarbiavimo su juodąsias skyles tyrinėjančiu Stephenu Hawkinsu. Hipotezė teigė, kad žmogaus sąmoningumas yra ne kas kito kaip kvantinis efektas, kitaip tariant, mūsų protas yra kvantinis. Prieš 20 metų iš šios idėjos mokslinis pasaulis pasišaipė. Ir nors kvantinių virpesių mikrovamzdeliuose atradimas nereiškia, kad R. Penrose buvo anuomet teisus, jis verčia susimąstyti, ar ir jiems gamta nerado kokio pritaikymo.

Šis tekstas pirmą kartą pasirodė LRT Mokslo skiltyje.

Leave a Reply