Viața, o cuantă de energie
Efectele tainice ale mecanicii cuantice sunt atât de subtile și greu de perceput omului, încât pare că se pot manifesta doar într-un laborator. Merită să ne dăm seama cum anume, chiar viața de pe Pământ poate să depindă de ele.
Ideea esențială evidențiată de cel mai faimos experiment imaginar din domeniul fizicii cuantice este aceea că lumea cuantică este diferită de cea cu care suntem familiarizați. Fizicianul austriac Erwin Schrödinger a propus un experiment imaginar ce implică existența unei pisici închisă într-o cutie. Destinul pisicii este legat de lumea cuantică printr-o otravă ce va fi eliberată în cazul în care doar un singur atom radioactiv va suferi o schimbare a stării sale. Mecanica cuantică spune că, până când este observat, acest atom trebuie să existe într-o stare ciudată, numită „suprapunere”… o stare în care el este, simultan, și stabil și dezintegrat. Mai mult, deoarece supraviețuirea pisicii depinde de comportamentul atomului, se pare că ea trebuie să existe (și) ca o „suprapunere” a unui organism viu și a unuia mort, până când cineva deschide cutia și o observă. La urma urmei, viața pisicii depinde de starea unui atom, iar starea acestuia nu a fost încă determinată cu exactitate.
Totuși, nimeni nu crede cu adevărat că o pisică poate fi, simultan, și vie și moartă. Există o mare diferență între particulele fundamentale, ce prezintă un comportament ciudat din punct de vedere cuantic (există simultan în două stări, ocupă simultan două poziții, pot trece prin bariere impenetrabile etc.) și obiectele clasice, familiare nouă (cum ar fi pisicile) care, aparent, nu prezintă comportamente asemenea particulelor. De ce așa?! Simplu spus, datorită faptului că ciudatele cuante sunt, aparent, foarte fragile.
Mecanica cuantică insistă asupra faptului că toate particulele sunt în același timp și undă. Dacă dorim să vedem efectul acestor cuante ciudate e musai ca respectivele unde să fie aliniate, astfel încât maximele și minimele lor să coincidă. Fizicienii definesc această proprietate drept coerență. Dacă undele nu sunt aliniate, maximele și minimele se anulează distrugând coerența și astfel nu vom putea observa această „ciudățenie”. Pe de altă parte, în cazul în care avem de-a face doar cu o singură undă, ne este relativ ușor s-o observăm ca pe un „flux continuu” de particule. Unda trebuie să fie aliniată doar cu sine însăși. În schimb, aliniamentul undelor formate de sute, milioane sau miliarde de particule este aproape imposibil de detectat și de observat. Astfel, în cazul obiectelor de dimensiuni mari, ciudata multitudine de cuante ce formează o rețea se auto-anulează percepției umane. De aceea pare că nu putem percepe ceea ce, aparent, ar fi foarte bine pus la punct în lumea cuantică… cel puțin, în cazul nostru: pisica lui Schrödinger.
În cartea Ce este viața?, publicată în anul 1944, Schrödinger descrie una dintre componentele fundamentale ale vieții, atomii radioactivi neobservabili, ca fiind acele entități cuantice capabile să dezvolte „magii” ce se contrapun cunoașterii umane. El a propus teoria conform căreia viața este diferită față de ceea ce cunoaștem și numim lumea neînsuflețită, deoarece se manifestă într-o zonă de graniță, existentă între lumea clasică și cea cuantică, o zonă pe care o putem denumi Hotarul Cuantic.
Argumentul lui Schrödinger s-a bazat pe un fapt aparent paradoxal. Deși legile clasice, de la mecanica newtoniană, la termodinamică și până la legile electromagnetismului, descriu fenomene ce ar prezenta o anumită ordine, foarte bine pusă la punct, toate aceste legi se bazează pe dezordine. Să luăm în considerare un balon umplut cu miliarde de molecule de aer. Toate se află într-o mișcare aleatorie, ciocnindu-se atât între ele cât și de pereții balonului. Atunci când toate aceste mișcări pot fi observate și cuantificate ca un întreg (calculate), ceea ce se va obține va reprezenta un set de legi ale gazelor, legi prin care se poate determina cu exactitate, de exemplu, faptul că balonul se va umfla atunci când aerul din interiorul său, încălzit fiind, se va dilata. Schrödinger a denumit aceste legi „ordine din/prin dezordine”, pentru a sublinia faptul că dispunerea regulată a moleculelor macroscopice depinde de haos și imprevizibil, existente la nivelul particulelor individuale.
Care ar fi legătura cu viața? Ei bine, Schrödinger a fost interesat în mod special de ereditate. În anul 1944, cu un deceniu înaintea lui James Watson și Francis Crick, natura fizică a genelor era încă un mister. Chiar și așa, se știa faptul că informația genetică trebuie să fie transmisă urmașilor, cu condiția ca ea să aibă același înalt grad de precizie: mai puțin de o eroare la un miliard. Dar totul era precum un puzzle nedescifrat deoarece una dintre puținele informații cunoscute despre gene era că acestea au dimensiuni foarte mici… Mult prea mici, a insistat Schrödinger, pentru ca transmiterea nealterată a informațiilor să depindă de regula de bază a lumii clasice, ordine prin dezordine. El a propus o alternativă: „o moleculă organică mult mai complexă”, în care „fiecare atom și/sau fiecare grup de atomi joacă un rol individual”.
Schrödinger a numit aceste noi structuri „cristale aperiodice”, spunând că acestea trebuie să respecte mai degrabă legile cuanticii decât cele clasice. De asemenea, a emis și ipoteza că mutațiile genetice ar putea fi cauzate de modificări cuantice în structura acestor cristale. Concluzia sa a fost că multe dintre caracteristicile vieții se bazează pe un alt principiu fizic, unul nou, ceea ce, la acea vreme, a reprezentat o teorie inovatoare. În mod obișnuit, în lumea neînsuflețită ordinea macroscopică apare din dezordinea moleculară – ordinea provine din dezordine. Schrödinger a spus că este posibil ca acea ordine macroscopică pe care o găsim în manifestarea vieții să reflecte și altceva: o formă de organizare la nivel cuantic ce pare, la prima vedere, oarecum ciudată și nefirească. El a numit acest nou principiu speculativ „ordinea din ordine”. A avut oare dreptate?
Un deceniu după Schrödinger, Watson și Crick au descoperit dublul helix. S-a dovedit că genele sunt compuse dintr-o singură moleculă de ADN, ce formează un anume model de șir molecular ce are la bază nucleotidele (litere genetice), înfășurate precum niște mărgele – un cristal aperiodic în toate, cu excepția numelui. Și, așa după cum a prezis Schrödinger, fiecare grup de atomi joacă, într-adevăr, un rol individual – poziționarea protonilor individuali, o proprietate cuantică, determină existența fiecărei litere genetice.
Totuși, o nou-născută știință, biologia moleculară, ce a urmat descoperirilor lui Watson și Crick a rămas, în mare parte, legată de conceptele fizicii clasice. Ea a funcționat destul de bine în a doua jumătate a secolului XX deoarece biologii și biochimiștii moleculari s-au axat pe cercetări de suprafață. Astăzi, atenția biologilor se îndreaptă către dinamica sistemelor mici și foarte mici, chiar și a atomilor și moleculelor individuale din interiorul celulelor vii, iar conceptul de mecanică cuantică își face din nou simțită prezența. Experimente recente indică faptul că unele dintre procesele fundamentale ale vieții depind, într-adevăr, de ciudățenia ce izvorăște din lumea cuantică de dincolo de realitatea fizică.
Să începem cu un exemplu: simțul olfactiv sau mirosul. Teoria convențională spune că mirosul degajat de anumite molecule este detectat de receptorii olfactivi, prin intermediul unui mecanism de tip blocare-închidere situat în interiorul nasului uman. Procesul constă în faptul că o moleculă intră în receptor printr-o fantă, mișcare ce declanșează un răspuns. Acest fenomen natural poate fi comparat cu cheia introdusă într-un lacăt, proces urmat de răsucirea ei și blocarea lacătului. Este o teorie frumoasă, intuitivă, dar care nu ia în considerare anumite aspecte ce țin de natura fenomenului în sine. Un exemplu: există molecule cu forme foarte asemănătoare, ce prezintă deseori mirosuri diferite, și invers. Noua abordare sugerează că, în loc de răspunsul dat ca urmare a formei moleculelor, receptorii olfactivi ar putea simți vibrațiile acestora. Această nouă abordare ce ia în considerare bio-chimia cuantică a fost lansată în anul 1996, atunci când biofizicianul Luca Turin a lansat ipoteza că vibrațiile moleculelor generează un flux cuantic de electroni, ce deschide blocajul olfactiv. O teorie cuantică a mirosului pare a fi una neobișnuită, poate, dar este necesar să luăm în considerare un aspect: s-a descoperit că musculițele bețive (Drosophila melanogaster) pot distinge mirosul moleculelor cu aceeași formă, dar care au în componența lor diferiți izotopi ai acelorași elemente. Acest fapt nu poate fi explicat fără a se apela la mecanismele cuanticii.
De asemenea, se cunoștea faptul că anumite păsări și animale călătoresc detectând liniile de foarte joasă frecvență ale câmpului magnetic terestru, însă funcționarea respectivului mecanism a reprezentat, timp îndelungat, o mare necunoscută pentru cercetători. Dilema a constat în faptul că este greu să determini cum un astfel de câmp slab poate genera un semnal de răspuns în interiorul corpului unui animal. Mai multe întrebări au apărut în studiile ce au implicat pasărea robin europeană. Cercetarea și studiile făcute asupra acestei păsări au arătat că mecanismul-busolă al ei este dependent de lumină. Spre deosebire de busola convențională, mecanismul păsării detectează unghiul pe care-l formează liniile câmpului magnetic terestru cu suprafața Pământului, și nu orientarea lor pe direcția N-S, și nimeni nu avea idee de ce.
În anii ’70 ai secolului trecut, chimistul german Klaus Schulten a descoperit că unele reacții chimice au produs perechi de particule ce au rămas conectate datorită unei proprietăți specifice cuanticii, numită entanglement (rețea sau câmp). Această rețea cuantică permite ca și acele particule distanțate foarte mult unele de altele să rămână conectate în permanență, indiferent de cât de mare este distanța dintre ele. Această caracteristică a rețelei cuantice i s-a părut lui Einstein însuși ca fiind „o activitate înfricoșătoare la distanțe imense în spațiul cosmic”. Totuși, sute de experimente ulterioare au demonstrat că această caracteristică este cât se poate de reală. Schulten a descoperit și faptul că particulele-pereche conectate la rețea pot fi extrem de sensibile, atât în ceea ce privește forța, cât și orientarea câmpurilor magnetice.
Enzimele sunt lucrătorii devotați ai lumii vii. Ele accelerează reacțiile chimice astfel încât procesele intracelulare, care fără contribuția lor ar putea dura chiar și mii de ani, se desfășoară în doar câteva secunde. Cum anume produc enzimele această formidabilă accelerare, cu un factor de multiplicare de ordinul miliardelor, a rămas foarte mult timp o enigmă. Recent, cercetările făcute, printre alții, și de Judith Klinman (Universitatea Berkeley, California) și Nigel Scrutton (Universitatea din Manchester) au arătat că enzimele fac uz de un „truc cuantic” denumit tunel. Pur și simplu, enzimele generează un proces specific, prin care electronii și protonii dispar dintr-un loc anume, o locație bio-chimică bine determinată, rematerializându-se instantaneu într-un alt loc, fără a intersecta spațiile intracelulare. Acest proces enzimatic se poate asemui cu teleportarea, și reprezintă un aspect fundamental al vieții: enzimele construiesc fiecare biomoleculă, în fiecare celulă a oricărei creaturi vii de pe Pământ. Mai mult decât orice altă componentă a organismului, enzimele reprezintă ingredientul esențial al vieții organice. În același timp, pentru a ne menține în viață ele sunt conectate (și) cu lumea cuantică.
Să mergem și mai departe. Procesul de fotosinteză reprezintă cea mai importantă reacție bio-chimică de pe Terra. Fotosinteza reprezintă mecanismul ce transmută lumina, aerul, apa și câteva minerale în iarbă, copaci, plante, dar și în cerealele care ne asigură hrana de bază. Inițierea acestui proces de creație înseamnă captarea energiei luminii de către moleculele de clorofilă. Energia luminii este transformată în energie electrică ce este apoi transportată într-o fabrică biochimică numită nucleu de reacție, unde este utilizată pentru a fixa dioxidul de carbon și, în cele din urmă, este transformată în materie vegetală. De zeci și zeci de ani, acest proces de transport al energiei i-a fascinat pe cercetători deoarece are o eficiență de aproape 100%. Prin urmare, s-a pus întrebarea cum de este posibil ca niște frunze verzi să transporte energia mult mai bine decât o fac cele mai sofisticate tehnologii inventate de om.
Laboratorul Graham Fleming (Universitatea Berkeley, California) cercetează acest aspect de mai bine de un deceniu folosind o tehnică numită spectroscopie-femtosecundă. Această tehnică constă în emiterea de raze laser la intervale de timp de ordinul femtosecundei către complexul biologic unde are loc fotosinteza, pentru a se putea observa calea pe care o urmează fotonii către nucleul de reacție. În anul 2007, echipa de specialiști a cercetat un compus bacterial numit complexul FMO, studiind modul în care energia degajată de fotoni își croia drum printr-o aglomerare de molecule de clorofilă. Până atunci, se credea că fotonii se deplasează precum o particulă cu sarcină electrică ce trece, rând pe rând, de la o moleculă de clorofilă la alta. S-a demonstrat însă că această ipoteză nu prezenta o logică, deoarece neavând o direcție anume energia degajată de fotoni ar fi trebuit să se piardă. Și totuși, în interiorul plantelor și bacteriilor care realizează fotosinteza aproape toate pachetele de energie fotonică ajung în nucleul de reacție.
După ce laserul a emis spre complexul FMO, echipa a observat o reflexie stranie de lumină, manifestată în valuri succesive de undă, asemănătoare unui tempo muzical. Aceste „bătăi ritmice cuantice” au semnalat faptul că, în loc să urmeze un traseu unic, energia fotonilor se dispersa uniform și simultan prin întreaga rețea cuantică a compusului bacterial, pe toate traseele posibile. Aceste ritmuri cuantice au fost deja detectate în multe sisteme de fotosinteză, inclusiv în plantele comune. Iată cum cea mai importantă reacție biochimică a vieții terestre folosește lumea cuantică pentru a deveni hrana noastră.
Și dacă aceste exemple nu au fost convingătoare, în cele din urmă ajungem la însăși mecanismele evoluției. Schrödinger a emis ipoteza că mutațiile genetice ar putea implica un anume fenomen, denumit salt cuantic. În lucrarea lor despre ADN, Watson și Crick au propus teoria bazelor nucleotidice, ce pot forma structuri alternative. Această teorie presupune existența unui flux de particule ce formează un fel de tunel cuantic, procesul în sine fiind denumit tautomerizare. În anul 1999, împreună cu fizicianul Jim Al-Khalili, am sugerat că acest flux de protoni ar putea explica un anume tip de mutație, așa-numita mutație adaptivă, ce apare cu o frecvență mai mare atunci când se ivește oportunitatea ca viața să facă un pas înainte în evoluția sa. Lucrarea noastră a fost pur teoretică, dar în prezent lucrăm în laborator pentru a găsi dovezi ce vor evidenția existența în ADN a acestui tunel cuantic format de mișcarea protonilor.
În pofida existenței tuturor acestor fenomene cuantice strâns legate de procesele vitale ale vieții biologice, ne găsim în fața unui mister mult mai profund decât am crede. Existența rețelei ce formează unitatea câmpului cuantic reprezintă un fenomen foarte subtil, ce depinde de modul în care valurile-undă de particule sunt modulate și/sau se modulează. Pentru a le putea observa și studia, fizicienii trebuie să lucreze cu sisteme închise care prezintă caracteristici cât mai apropiate de cele ale vidului perfect. Acestea trebuie răcite până aproape de temperatura vidului, zero absolut, pentru a se putea suprima mișcarea moleculelor, altfel, o oricât de mică vibrație moleculară ar însemna destrămarea unității câmpului cuantic. Așadar, cum anume reușește viața să mențină acea combinație moleculară specifică, necesară operării mecanismelor cuantice la nivel celular? Pentru oamenii de știință, această realitate rămâne, deocamdată, o mare enigmă. Precum a intuit Schrödinger, viața se manifestă la limita dintre fizic și cuantic sau, altfel spus, la marginea lumii fizice și începutul tărâmului cuantic.
de Johnjoe McFadden, profesor de genetică moleculară, Universitatea Surrey
Citiți și:
Sincronicitatea, informaţia cuantică şi psihicul
Fizica cuantică ne explică actualmente sensul vieţii
yogaesoteric
28 septembrie 2018