Kvantumbiológia

#2026 #2026 JUL #MADARAK #NÖVÉNYEK

A kvantumfizikai folyamatok váratlan helyeken lehetnek jelen, ugyanis az állatokban, növényekben, sőt még a saját testünkben is megfigyelhetjük őket. Kijelenthetjük, hogy a kvantumfolyamatok, amelyek általában a nagyon kicsi vagy nagyon hideg jelenségekkel kapcsolatosak, biológiai rendszerekben is előfordulnak. Ez mindenképpen egy nem várt felfedezés volt! Sőt, úgy tűnik, hogy a biológia meglehetősen hatékonyan használja ki a kvantum-alagúteffektust, az összefonódást és a koherenciát. Ha megértjük, hogy a biológiai rendszerek hogyan „használják” ezeket a folyamatokat, új ismereteket szerezhetünk a működésükkel kapcsolatban.

A kvantumfizika a nagyon kicsi és a nagyon hideg világát irányítja. A kutyánk valószínűleg nem tud kvantum-alagúteffektussal átjutni a kerítésen, és a macskánk sem fog hullámszerű tulajdonságokat mutatni. De a fizika olykor vicces, ráadásul folyamatosan meglep minket!

Régen azt gondoltuk, hogy a biológiai rendszerek olykor túl melegek, túl nedvesek és túl kaotikusak ahhoz, hogy a kvantumfizika bármilyen szerepet játsszon a működésükben. De most úgy tűnik, hogy az élet nap mint nap alkalmazza a kvantumfizika mutatványait kusza, valós rendszerekben, beleértve a kvantum-alagúteffektust, a hullám-részecske kettősséget és még az összefonódást is. Hogy lássuk, miként működik mindez, kezdhetjük azzal, hogy belenézünk a saját orrunkba.

A kvantumorr

Az emberi orr több mint egybillió szagot képes megkülönböztetni. De, hogy pontosan miként működik a szaglás, az még mindig rejtély. Amikor egy szaganyagnak nevezett molekula belép az orrunkba, receptorokhoz kötődik. Kezdetben az uralkodó elmélet szerint ezek a receptorok a szaganyagok alakját használják a szagok megkülönböztetésére. Az úgynevezett kulcs-zár modell szerint, amikor egy szaganyag megtalálja a megfelelő receptort, beleillik, és egy adott szagot vált ki. A kulcs-zár modell azonban problémákba ütközött a tesztelés során. Az alanyok képesek voltak megkülönböztetni két illatot, még akkor is, ha azok molekulái azonos alakúak voltak. Ezért valamilyen más folyamatnak is működnie kell a háttérben.

Van egy másik, még mindig vitatott modell, mely szerint az orrunk érzékeny a szagmolekulákon belüli rezgésekre. Ezek a rezgések akkor keletkeznek, amikor a molekulán belüli egyes atomok egymáshoz képest oda-vissza rezegnek, mintha apró rugókra lennének terhelve. Amikor egy szaganyag „megtelepszik” egy receptorban, rezgéseinek energiája egy elektront kvantum-alagútként a receptor egy másik helyére készteti. Az alak- és rezgésmodellek kombinálhatók. Az úgynevezett „kártyaleolvasó” modellben („swipe card” model) orrunk érzékeny mind a szaganyag alakjára, mind a rezgéseire.

Egy új modell azonban, a lumineszcencia-hipotézis, egy újabb lépést javasol. Amint az elektron alagútba kerül a receptoron belül egy új pozícióba, elveszíti energiáját. A hipotézis szerint eközben az elektron fotonokat bocsát ki. Az orrunk érzékeli ezeket a fotonokat, és ez segít megkülönböztetni a szagokat. Érdekes módon a hipotézis szerzői azt állítják, hogy ez segíthet megmagyarázni azt a jelenséget, hogy miért veszítették el ideiglenesen egyes, COVID-os emberek a szaglásukat.

Összefonódó navigáció

A sarki csérek (Sterna paradisaea) minden évben vándorolnak, Grönlandtól az Antarktisz melletti Weddell-tengerig utaznak – egy 90 000 kilométeres út, mindez a google térkép segítsége nélkül. A madaraknak különös képességük van a tájékozódás tekintetében. Az időjárás változásai ellenére, a nappal vagy az éjszaka bármely órájában képesek megtalálni a helyes haladási irányt. A tudósok úgy vélik, hogy ez azért lehetséges, mert a madarak érzékelik a Föld mágneses mezőjét, ami lehetővé teszi számukra, hogy pontosan bemérjék helyzetüket a földön.

Úgy tűnik, hogy ez valahogy így működhet:

Normális esetben két elektron foglalhat el egy elektronpályát, az egyik felfelé, a másik lefelé mutató spinnel (saját-impulzusmomentummal) bír. De időnként valami, például egy nagy energiájú foton, le tud lökni egyetlen elektront egy molekuláról, áthelyezve azt egy másik molekulára. Mind az adó, mind a fogadó molekula gyökké válik – azaz olyan molekulákká, amelyek egy vagy több párosítatlan vegyértékelektronnal rendelkeznek. A gyökök nagyon reaktívak, de mi több, amikor így létrejönnek, összefonódnak egymással, és egy úgynevezett gyökpárt alkotnak. Ezek a párok a madarak szemében található kriptokrómoknak nevezett fehérjékben jönnek létre. Ez a gyökpár figyelemre méltóan gyorsan oszcillál oda-vissza, hogy a perdületi irányaik így vagy úgy, de igazodjanak egymáshoz. A spin egy saját-impulzusmomentum, amely mágneses momentumot ad a molekulának. Emiatt az az idő, amelyet ezek a molekulák az egyes igazodott vagy ellentétesen igazodott állapotokban töltenek, nagyon érzékeny a külső mágneses mezőkre.

Kvantum evolúció

A kvantummechanika is szerepet játszhat az evolúcióban. A DNS négy bázisból áll: A (adenin), C (citozin), G (guanin) és T (timin). Ezen bázisok tulajdonságai miatt az A mindig a T-hez, a G pedig a C-hez kötődik. Hidrogénkötések tartják őket össze, ahol egy hidrogénatom vonzza a negatív töltésű molekulát, mint egy mágnes. Ahogy a DNS szétválik a replikáció során, időnként a hidrogénatom (egy proton) kvantum-alagutat képezhet a másik DNS-szálra. Amikor ez megtörténik, tautomer jön létre. A tautomer egy molekula másik változata, amelynek ugyanaz a kémiai képlete, de más az alakja, és így más a kapcsolódása is. Eleinte azt hitték, hogy a tautomerek nem „élik túl” a teljes replikációs folyamatot, de a tudósok nemrég felfedezték, hogy ez mégis megtörténhet, és mutációt okozhat – idővel pedig befolyásolhatják az evolúció menetét.

De mi a helyzet a növényekkel?

A fotoszintetizáló növények és baktériumok a fény kvantumtermészetét használják fel a napfény kémiai energiává alakítására kvantumkoherencia segítségével. Amikor a napfény eléri a növényt, a levélben lévő klorofillek elnyelik a fotonokat, majd azok gerjesztenek egy elektront a klorofillban. Ez az energia ezután egy reakciócentrumnak nevezett struktúrába kerül, ahol kémiai energiává alakul, amelyet a növény felhasznál. De a klorofilltól a reakciócentrumig vezető út nem közvetlen. Az energiának gyorsan el kell érnie a célállomását, különben hőként vész el. Ennek a kihívásnak a megkönnyítésére a növény egy okos trükköt, az úgynevezett kvantumkoherenciát alkalmazza. Ahelyett, hogy egy útvonalat választana, és abban „reménykedne”, hogy ez a módja a reakciócentrum elérésének, az elektron hullámszerű természetét használja ki, és egyszerre minden elérhető útvonalat bejár, minden alkalommal megtalálva a reakciócentrumot. A kvantumkoherencia szorosan összefügg a kvantum-összefonódással, amelyről kimutatták, hogy a növények hatékonyságát is növeli.

Írta: Lajtár Lili, ökológus