Kvantna biologija

Jeste li čuli za kvantnu biologiju, novi smjer istraživanja u prirodnim znanostima? Prvi put kad sam o tome čitao zvučalo mi je kao one igre riječima iz djetinjstva: sutra će danas biti jučer ili jučer je danas bilo sutra. Na prvi se pogled čini besmisleno, ali kad malo razmislite, ima smisla. Biofizika je inače jako propulzivna grana znanosti, u koju se dosta ulaže u novije vrijeme, ali spoj kvantne fizike i biologije dosad je bio na razini spekulacija. Čak i na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu postoje dvopredmetni nastavnički smjerovi raznih kombinacija, kao fizika i kemija ili fizika i informatika pa biologija i kemija, ali nikad nitko nije predložio biologiju i fiziku. Kvantna fizika rođena je početkom dvadesetog stoljeća, kada je u pokušaju rješavanja problema zračenja crnog tijela Max Planck došao na zamisao da energija tog zračenja ne može poprimati bilo koju vrijednost nego da dolazi u paketićima (kvantima) energije. Slično tomu kune dolaze u najmanjim paketićima od 0,1 kune tj. 10 lipa jer će vam danas teško netko uzvratiti manje od tog iznosa u dućanu. Nakon Plancka sličan princip primijenio je Albert Einstein u objašnjavanju fotoelektričnog efekta i za to dobio Nobelovu nagradu.

Danas znamo da postoji dosta pojava u prirodi koje su malo vjerojatne ali se ipak događaju

Kvantna fizika jest grana fizike koja objašnjava pojave u svijetu atomskih dimenzija, a realistične kvantne sustave opisuje s pomoću Schrödingerove jednadžbe. Jedna je od zanimljivih pojava među česticama tih dimenzija kvantna sprega (engl. entanglement), a odnosi se na stanja dvije ili više čestica koje su međusobno ovisne, bez obzira na udaljenost koja ih razdvaja. To je jedno od mnogih kontraintuitivnih obilježja subatomskog svijeta, u kojem se čestice poput elektrona i fotona ponašaju kao čestice i valovi istovremeno, zauzimaju više položaja i stanja odjednom i prolaze kroz naizgled nepropusne barijere. Navedeni procesi opisuju se složenim matematičkim jezikom kvantne mehanike i često proizvode efekte koji se doimaju kao da prkose zdravom razumu. Npr. kvantno tuneliranje je takvo svojstvo u kojem postoji vjerojatnost da čestica prođe kroz neku barijeru (brdo) iako nema dovoljno energije za preskakanje brda. Vjerojatnost tuneliranja veća je što je brdo uže i što je razlika između energije potrebne za preskakanje i stvarne energije čestice manja.

S pomoću tog kvantnog jezika profesor Vlatko Vedral sa sveučilišta Oxford i njegovi kolege otkrili su potpise kvantnog sprezanja fotona i bakterija u podacima iz eksperimenta na sveučilištu u Sheffieldu. U tom eksperimentu nekoliko stotina fotosintetskih bakterija nalazilo se između dva zrcala smještena na udaljenosti manjoj od mikrometra. Fizičar David Coles i suradnici stavili su u šupljinu, ispunjenu mikrobima, bijelu svjetlost koja je skakala oko stanica. Prema rezultatima objavljenim 2017, takav eksperimentalni postav uzrokovao je da fotoni svjetla fizički međudjeluju s fotosintetskim bakterijama, tako da se na to moglo utjecati modificiranjem eksperimentalnih parametara (npr. razmakom između ogledala). To je bio uspjeh sam za sebe, ali godinu poslije, kad su se podaci ponovno analizirali, došlo se do zaključka da je priroda međudjelovanja između bakterija i fotona mnogo čudnija i da se zapravo ovdje radilo o kvantnom sprezanju. Dosad se to opažalo samo kod neživih čestica, a 2017. znanstvenici su objavili da je takvo složeno međudjelovanje između fotona opaženo na udaljenosti od 1200 km.

Za dvije čestice kaže se da su kvantno spregnute ako su njihova stanja međusobno ovisna, bez obzira na udaljenost koja ih razdvaja. Mjerenja fizikalnih svojstava, poput položaja, količine gibanja, spina, ili polarizacije, na spregnutim česticama blisko su povezana. Na primjer, ako je paru spregnutih čestica ukupni spin nula, a za jednu česticu se zna kako ima spin prema gore, spin druge čestice uvijek će biti prema dolje. Takvo ponašanje može dovesti do paradoksalnih učinaka: bilo kakvo mjerenje svojstva čestice može se gledati kao utjecanje na tu česticu, a u slučaju spregnutih čestica, takvo se mjerenje može izvesti samo na sustavu kao cjelini. Tada se čini kao da jedna čestica spregnutog sustava zna koja su mjerenja izvedena na drugoj čestici, i s kojim rezultatima, iako nema poznata načina izmjene takvih informacija između čestica, koje mogu biti na bilo kojoj međusobnoj udaljenosti. Einstein je to nazvao „sablasno djelovanje na daljinu“. Zašto je međudjelovanje biologije i kvantne fizike zanimljivo?

Znanstvenici Al-Khalili i Vedral dio su šire skupine znanstvenika koji sada tvrde da bi učinci kvantnog svijeta mogli biti ključni u objašnjenju nekih najvažnijih zagonetki u biologiji, kao što su učinkovitost enzimske katalize, ptičja navigacija, ljudska svijest ili čak prirodna selekcija. Tradicionalne teorije enzimske katalize drže da proteini ubrzavaju reakcije smanjujući aktivacijsku energiju. No neki istraživači tvrde da kvantno tuneliranje također igra ulogu te da je struktura aktivnih mjesta enzima možda evoluirala kako bi se iskoristila ta pojava. Zanimljivo je i to da jezikom kvantne fizike govorimo više o vjerojatnosti da se neka čestica negdje našla nego o tome kako je tamo došla, a tu se onda mora napustiti uzročno-posljedična veza (kauzalnost), što je svojevremeno jako zbunjivalo i Einsteina pa je izjavio da „Bog ne baca kocke“. Danas znamo da postoji dosta pojava u prirodi koje su malo vjerojatne ali se ipak događaju, što daje slobodu i vjernicima i ateistima za tumačenja koja su u skladu s jednim i drugim svjetonazorom.