Organismele sunt sisteme cuantice?

Dacă există vreun subiect care ilustrează perfect ideea că știința este greu de înțeles, atunci acesta este fizica cuantică.

Oamenii de știință au descris comportamentul particulelor cuantice care pot exista în două locuri simultan în acelaşi timp sau care pot să dispară şi să reapară, instantaneu, în altă parte.

Vestea bună este că acest comportament cuantic, cu adevărat bizar, nu pare să aibă un impact prea mare asupra lumii macroscopice, așa cum o știm, care este guvernată de fizica „clasică”.

Cel puţin aşa credeau oamenii de știință până acum câțiva ani.

Procesele cuantice se pot afla în spatele unor procese foarte familiare

Procesele cuantice pot să apară nu atât de departe de lumea noastră obișnuită așa cum am crezut odată. Dimpotrivă, ele s-ar putea afla în spatele unor procese foarte familiare, de la fotosinteză, sursa de energie a plantelor și care ne asigură, în cele din urmă, hrana tuturor şi până la migrația sezonieră a păsărilor.

Mai mult, procesele cuantice ar putea avea un rol important şi în simțul mirosului.

Fotosinteza pare simplă. Credit: Morley Read/Alamy

La un anumit nivel, fotosinteza pare foarte simplă. Plantele, algele verzi și unele bacterii captează lumina soarelui și dioxidul de carbon pe care le transformă în energie.

Cum este posibil acest lucru?

Un foton, particula de lumină, după o călătorie de miliarde de kilometri prin spațiul cosmic se ciocnește cu un electron din frunza unui copac. Electronul, ca urmare a impulsului energetic primit, îşi transferă energia suplimentară unei molecule care la rândul ei furnizează mai departe energia necesară plantei.

În organismele fotosintetice procesul fotosintezei pare foarte uşor de realizat.

Problema este că interacţiunea foton-electron funcționează suspect de bine în organismele fotosintetice. Fizica clasică sugerează că electronul excitat ar trebui să stea mai mult timp în interiorul acestor sisteme fotosintetice. În realitate, electronul efectuează această călătorie mult mai repede.

Mai mult, electronul excitat nu pierde aproape deloc energie. Fizica clasică prezice o pierdere de energie în acest proces, care se dovedeşte mult prea rapid și prea eficient pentru a fi adevărat.

În interiorul sistemelor fotosintetice. Credit: Kim Taylor/naturepl.com

În anul 2007 cercetătorii au observat semnele unor efecte cuantice în centrii moleculari ai fotosintezei. Modul cum s-au comportat electronii a sugerat faptul că efectele cuantice pot juca un rol biologic important. Această constatare ar putea explica modul cum electronii excitați trec atât de repede și eficient prin sistemele fotosintetice.

Superpoziţia cuantică reprezintă capacitatea unei particule cuantice de a se afla în multe locuri în același timp. Având această proprietate, electronul poate explora, simultan, mai multe trasee posibile selectând, aproape instantaneu, cel mai scurt şi cel mai eficient traseu.

Fizica cuantică are potențialul de a explica de ce fotosinteza este atât de eficientă, o revelație șocantă pentru biologi.

„Cred că atunci oamenii au început să înţeleagă că se întâmplă ceva cu adevărat interesant”, a declarat Susana Huelga, fizician în cadrul Universităţii Ulm din Germania.

Fenomenele cuantice, cum ar fi superpoziţia, au fost observate în medii atent controlate. Experimentele obişnuite pentru observarea fenomenelor cuantice implică răcirea unor materiale până la o temperatură extrem de scăzută pentru atenuarea altor procese atomice care ar putea perturba comportamentul cuantic al particulelor.

Chiar și la aceste temperaturi, materialele trebuie izolate în vid, iar procesele cuantice sunt atât de subtile încât oamenii de știință au nevoie de instrumente extrem de sensibile pentru a le înţelege.

Poate fizica cuantică să explice fotosinteza? Credit: RooM Agenția/Alamy

Mediul fluid, cald și plin de viață al celulelor vii este, probabil, ultimul loc în care ne-am aștepta să observăm efectele cuantice. Cu toate acestea, ele sunt prezente chiar şi aici.

Desigur, chiar dacă aceste efecte cuantice există şi în celule, aceasta nu înseamnă neapărat că ele au un rol util. Există diferite teorii cu privire la modul cum superpoziţia cuantică poate accelera fotosinteza, dar o legătură evidentă între acest comportament și o funcție biologică nu a fost încă identificată.

„Următorul pas va fi obținerea unor dovezi care să confirme că eficiența acestei mașini biologice se datorează într-adevăr fenomenelor cuantice”, a declarat Huelga.

Procesele cuantice din biologie ar putea explica cum ştiu păsările migratoare drumul de parcurs.

Efectele cuantice în biologie nu se limitează doar la plante și alte organisme care obţin energie din lumina soarelui. Ele pot oferi, de asemenea, un răspuns la un puzzle științific care i-a preocupat pe oamenii de ştiinţă încă din secolul al XIX-lea: cum știu păsările migratoare drumul pe care trebuie să-l parcurgă.

Măcăleandrul simte câmpul magnetic. Credit Photoshot License Ltd/Alamy.

Într-o călătorie lungă de mii de kilometri, o pasăre migratoare, cum ar fi robinul european, zboară adeseori spre sudul Europei sau Africa de Nord pentru a scăpa de iernile deosebit de reci. Această călătorie într-o regiune nefamiliară poate fi periculoasă, dacă nu chiar imposibilă, fără o busolă.

O pasăre migratoare care pleacă din Polonia într-o direcție greșită, poate ajunge mai degrabă în Siberia decât în ​​Maroc.

O busolă biologică nu este însă ușor de imaginat. Dacă ar fi existat anumiţi receptori, care conţin fier, în interiorul creierului sau al ochilor acestor păsări, biologii i-ar fi descoperit aproape sigur până acum.

În schimb, o altă teorie, care a fost propusă pentru prima oară la sfârşitul anilor 1970, a sugerat o modalitate alternativă: păsările se orientează utilizând o busolă chimică care le indică nordul pe baza unor fenomene cuantice.

Busola chimică se bazează pe proprietatea de spin cuantic. Credit: Andrey Volodin/Alamy

Peter Hore, un chimist de la Universitatea din Oxford, Marea Britanie, afirmă că o astfel de busolă chimică ar funcționa cu ajutorul unor molecule cu electroni excitaţi, cunoscute drept radicali și o proprietate cuantică cunoscută sub numele de spin.

Electronii din molecule formează de obicei perechi şi se rotesc în direcții opuse. Un electron „singuratic”, care se rotește singur, nu are pereche şi aceasta înseamnă că poate interacționa cu mediul său, inclusiv câmpurile magnetice.

Hore susţine că păsările migratoare se pot dezorienta temporar dacă sunt expuse la undele radio, care sunt un anumit tip de unde electromagnetice. Dacă o undă radio are frecvenţa egală cu cea a electronului care se roteşte, atunci electronul ar putea intra în rezonanţă, vibrând mai energic.

Teoria este că, în mod obișnuit, radicalii din spatele ochilor acestor pasări răspund la câmpul magnetic al Pământului.

Câmpul magnetic modifică spinul electronului liber ce formează busola chimică și va declanşa un lanț de reacții care conduc la apariţia unei substanțe chimice. Atâta timp cât pasărea continuă să se îndrepte în aceeași direcție, se va acumula o cantitate tot mai mare din această substanță chimică.

Astfel, cantitatea acestui produs chimic este o sursă de informație, generând semnale în celulele nervoase ale păsărilor. Ca parte a numeroaselor indicii despre mediu, aceste informații vor informa pasărea dacă se îndreaptă spre Siberia sau Maroc.

Sistemul nervos le transmite păsărilor direcţia în timpul migraţiilor. Credit: Tim Gainey/Alamy Stock Photo

Studiul undelor radio în acest caz este important, pentru că orice interferează cu spinul electronilor ar putea, cel puțin în principiu, să perturbe busola chimică.

Busolă cuantică este o idee interesantă, chiar dacă ea nu a fost încă găsită în natură.

Hore s-a concentrat pe găsirea modului în care poate funcționa, în principiu, o astfel de busolă cuantică, folosind molecule care, teoretic, ar trebui să permită funcţionarea acesteia.

„Am făcut experimente pentru a stabili principiul după care se poate face o busolă chimică. Acestea au ajutat la identificarea unor molecule care par să fie potrivite pentru detectarea câmpurilor magnetice. Ceea ce nu ştim este dacă ele se comportă exact în acelaşi mod în interiorul unor celule din corpul păsărilor”, a declarat Hore.

Busola magnetică este doar o parte a unui sistem complex de orientare al păsărilor. Teoria cuantică privind modul cum funcționează o astfel de busolă poate fi cea mai bună de până acum, dar sunt necesare alte cercetători care să descrie legăturile modelelor comportamentale ale păsărilor cu chimia teoretică.

Știința mirosului. Credit: Cultura Creative RF/Alamy

Mai există un domeniu de cercetare care pare să demonstreze realitatea biologiei cuantice: știința mirosului.

Modul cum nasul este capabil să distingă și să identifice o multitudine de molecule diferite reprezintă o mare provocare pentru teoriile convenționale ale mirosului.

Atunci când o moleculă intră într-una din nările noastre, nimeni nu ştie cu siguranţă ce se întâmplă în continuare. Cumva molecula interacționează cu un senzor, un receptor molecular, care este încorporat în pielea delicată din interiorul nasului.

Un nas sensibil poate distinge mii de mirosuri diferite. Dar modul cum această informație este transmisă sub forma unei molecule este încă un mister. Multe molecule, care sunt aproape identice ca formă, au mirosuri foarte diferite. Similar, unele molecule foarte diferite pot mirosi aproape exact la fel.

Luca Turin, chimist în cadrul Institutului BSRC Alexander Fleming din Grecia încearcă să înţeleagă modul prin care proprietățile unei molecule îi codifică mirosul.

„Există ceva foarte, foarte ciudat în centrul olfacției. Abilitatea noastră de a analiza molecule și atomi este incompatibilă cu ceea ce credem că știm despre recunoașterea moleculară”, afirmă Turin.

Turin susține că pe baza formei unei molecule nu se poate determina mirosul acesteia. El sugerează că proprietățile cuantice ale legăturilor chimice din moleculă ar putea furniza informațiile esențiale.

Potrivit teoriei cuantice a olfacției propusă de Turin, atunci când o moleculă mirositoare intră în nas și se leagă de un receptor, ea permite declanşarea în receptor a unui proces numit „tunelare cuantică” sau efect tunel.

În tunelarea cuantică, un electron poate trece printr-o barieră de potenţial a cărei traversare ar fi imposibilă după legile mecanicii clasice. Ca și în cazul busolei cuantice a păsărilor, factorul crucial este rezonanța.

Electronul poate face acest salt doar prin așa-numitul efect tunel cuantic, la o anumită frecvenţă de vibraţie.

Atunci când electronul trece dintr-o parte în cealaltă a receptorului, el poate declanșa o reacție în lanț care se finalizează prin transmiterea unor semnale către creier ce anunţă că receptorul a intrat în contact cu molecula respectivă. Aceasta, susţine Turin, este o parte esențială a mecanismului de funcţionare a mirosului, iar procesul este fundamental cuantic.

„Olfacția necesită un mecanism care implică cumva compoziția chimică reală a moleculei. Prin efectul tunel se poate explica foarte natural acest simţ”, a declarat Turin.

Cea mai puternică dovadă în sprijinul teoriei lui Turin o reprezintă faptul că două molecule cu forme extrem de diferite pot mirosi la fel dacă conțin legături cu energii similare.

Turin a prezis că boranii miros precum sulful sau ouăle putrezite. Chiar dacă el nu a mirosit niciodată un boran (compus al borului cu hidrogenul) până atunci, a reuşit să le prezică mirosul.

Boranii miros precum ouăle putrezite. Credit: Dimitri Otis/Alamy

„Chimia boranilor este foarte diferită, de fapt nu are nicio legătură cu chimia sulfului. În consecinţă, singurul lucru în comun pe care l-ar putea avea este o frecvență vibrațională”, susţine Turin.

Indiferent dacă natura a evoluat sau nu pentru ca fenomenele cuantice să ajute organismele să obţină energie din lumină, să indice direcţia de la nord la sud sau să distingem vanilia de usturoi, proprietățile ciudate ale lumii atomice ne dezvăluie multe informaţii despre mecanismele cele mai subtile ale vieții celulelor.

„Mai există o modalitate de a vedea cum mecanica cuantică interacționează cu biologia și anume prin simțuri. Astfel, sondele cuantice ne-ar putea ajuta să înţelegem mai multe lucruri interesante privind dinamica sistemelor biologice.

Dacă natura a reuşit acest lucru mai întâi, atunci nu avem nicio scuză să nu utilizăm biologia împreună cu fenomenele cuantice pentru a dezvolta noi tehnologii.

De exemplu, prin utilizarea efectelor cuantice în celulele fotovoltaice inspirate din biologie s-ar putea mări enorm eficienţa panourilor solare.

În acest moment există o activitate susţinută în domeniul celulelor fotovoltaice organice pentru a vedea dacă, utilizând structuri naturale sau artificiale, se poate obține o eficiență sporită pe baza unor efecte cuantice”, a declarat Huelga.

Sursă: BBC