Życie na krawędzi. Era kwantowej biologii

Nasza wiedza o świecie istot żywych przeżywa okres rewolucyjnych zmian. W rzeczywistość opisywaną dotychczas przez biologię zaczyna wkraczać mechanika kwantowa.

Okazuje się, że tak niecodzienne zjawiska, jak koherencja, superpozycja, tunelowanie i splątanie, mają fundamentalne znaczenie nie tylko na poziomie kwantowym, lecz kształtują też mechanizmy rządzące życiem.

Dziś wiemy już, że są istotne dla fotosyntezy, DNA, oraz że wpływają na mutacje genów i pomagają nawigować ptakom w czasie ich migracji, jednak to z całą pewnością dopiero początek odkryć.

Profesor Jim Al-Khalili, Oficer Orderu Imperium Brytyjskiego, jest naukowcem i pisarzem, szefem katedry fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Surrey, gdzie wykłada mechanikę kwantową i prowadzi własne badania z tej dziedziny. Napisał wiele książek popularnonaukowych, które przełożono do tej pory na dwadzieścia języków. W 2007 roku Towarzystwo Królewskie w Londynie uhonorowało go medalem Michaela Faradaya, a w 2011 roku Instytut Fizyki przyznał mu medal Kelvina. W obydwu przypadkach doceniono jego osiągnięcia w popularyzowaniu nauki. W Polsce ukazały się jego książki „Paradoks. Dziewięć największych zagadek fizyki” oraz „Kwanty. Przewodnik dla zdezorientowanych”.

Profesor Johnjoe McFadden jest profesorem molekularnej genetyki na Uniwersytecie Surrey. Wyniki badań przyniosły mu nagrodę Royal Society Wolfson Research Merit Award.

Zimowy mróz pojawił się wcześniej tego roku w Europie i w wieczornym powietrzu czuć przenikliwe zimno. Poczucie celu i determinacja, zakodowane głęboko w mózgu młodej samiczki rudzika, kiedyś niejasne, teraz stają się wyraźniejsze.
Ptak kilka poprzednich tygodni spędził na pożeraniu znacznie większej niż normalnie ilości owadów, pająków, robaków, jagód – i prawie podwoił swoją wagę od czasu, gdy w sierpniu jego potomstwo opuściło gniazdo. Ta nadwyżka wagi to głównie rezerwy tłuszczu, którego samiczka potrzebuje jako paliwa na uciążliwą podróż, do której się już szykuje.
To będzie jej pierwsza migracja ze świerkowego lasu w centralnej Szwecji, gdzie dotąd wiodła swoje krótkie życie i kilka miesięcy temu wychowała pisklęta. Poprzednia zima na szczęście nie była ciężka, bo przed rokiem nie była jeszcze na tyle dorosła i dostatecznie silna, aby odbyć tak długą podróż. Ale teraz, uwolniwszy się od obowiązków rodzicielskich aż do następnej wiosny, może dbać tylko o siebie i jest gotowa uciec przed nadchodzącą zimą na południe w poszukiwaniu cieplejszego klimatu.
Od zachodu słońca minęły dwie godziny. Zamiast usadowić się gdzieś na noc, samiczka przeskakuje w zapadającym mroku na koniec gałęzi ogromnego drzewa, które od wiosny było jej domem. Wstrząsnęła swym ciałem jak rozluźniający mięśnie maratończyk. Pomarańczowa pierś zalśniła w poświacie księżyca. Cały wysiłek włożony w budowę gniazda i troska o jego utrzymanie stają się dla niej tylko słabym wspomnieniem, mimo że znajduje się ono tylko kilkanaście centymetrów dalej, częściowo skryte w mchu pokrywającym korę.
Nie jest jedynym ptakiem szykującym się do odlotu, bo inne rudziki – zarówno samczyki, jak i samiczki – także zdecydowały, że dziś jest odpowiednia noc do rozpoczęcia długiej migracji na południe. Wokół na wszystkich drzewach słychać głośny, przenikliwy śpiew, który zagłusza zwykłe nocne odgłosy. Wygląda na to, że ptaki czują nieodpartą potrzebę ogłoszenia swego odlotu, wysyłając wiadomość innym mieszkańcom lasu, aby dwa razy zastanowili się, zanim opanują ptasie terytorium i opuszczone gniazda. Te rudziki z pewnością planują powrót na wiosnę.
Krótkie skrzywienie główki tu i tam, aby stwierdzić, czy droga jest wolna, i samiczka podrywa się do lotu w nocne niebo. Noce wydłużają się wraz z nadchodzeniem zimy i przed sobą ma dobre dziesięć godzin lotu, zanim znów będzie mogła odpocząć.
Kierunek lotu to kurs 195° (15° odchylenia na zachód od kierunku południowego). W czasie nadchodzących dni będzie lecieć mniej więcej tym samym kursem, pokonując w sprzyjających okolicznościach trzysta dwadzieścia kilometrów dziennie. Nie wie, co może ją czekać w czasie podróży ani jak długo będzie ona trwać. Teren wokół lasu świerkowego jest dobrze jej znany, ale po kilku kilometrach leci już nad obcym krajobrazem jezior, dolin i miast rozświetlonych księżycową poświatą.
Gdzieś w pobliżu Morza Śródziemnego osiągnie cel swojej podróży, choć nie leci do określonego punktu. Gdy przybędzie do odpowiedniego dla niej miejsca, zatrzyma się i zapamięta punkty orientacyjne, tak aby mogła powrócić tam w następnych latach. Jeśli będzie miała dość siły, może dolecieć nawet do północnoafrykańskiego brzegu. Ale to jest jej pierwsza migracja i jej jedynym priorytetem jest teraz ucieczka przed przejmującym chłodem nadchodzącej skandynawskiej zimy.
Nasza samiczka wydaje się nie zważać na otaczające ją, lecące w tym samym kierunku inne rudziki, spośród których pewne osobniki odbywały już tę podróż wiele razy. Doskonale widzi w nocy, ale nie wyszukuje żadnych punktów orientacyjnych – co my byśmy robili, gdybyśmy wybrali się w taką podróż – ani nie śledzi układów gwiazd na jasnym nocnym niebie, aby porównać je ze swoją wewnętrzną mapą nieba, jak czyni to wiele innych migrujących nocą ptaków. Zamiast tego ma zadziwiającą zdolność, wykształconą w ciągu kilkunastu milionów lat ewolucji, dzięki której może dokonać tej corocznej jesiennej migracji na odległość ponad trzech tysięcy kilometrów.
Migracja jest oczywiście zjawiskiem powszechnym w królestwie zwierząt. Na przykład łososie każdej zimy składają ikrę w rzekach i jeziorach Europy Północnej, pozostawiając narybek, który po wylęgu podąża nurtem swej rzeki do morza, a potem północnego Atlantyku, gdzie dorasta i dojrzewa, i po trzech latach powraca do tych samych rzek i jezior, aby się rozmnożyć. Motyle (Danaus plexippus) zwane danaidami wędrownymi albo monarchami migrują jesienią tysiące kilometrów na południe przez całe Stany Zjednoczone Ameryki. Potem powracają na północ – one albo ich potomkowie (bo rozmnażają się po drodze) – do tych samych drzew, na których przepoczwarzały się wiosną. Żółwie zielone (Chelonia mydas), które wykluwają się na plażach wyspy Ascension na południowym Atlantyku, przepływają tysiące kilometrów w oceanie, zanim za trzy lata powrócą dokładnie na te same zaśmiecone skorupkami jaj plaże, z których się wywodzą. Ta lista jest długa: wiele gatunków ptaków, wielorybów, karibu, langust, żab, salamander, a nawet pszczół jest zdolnych do podjęcia podróży, która byłaby wielkim wyzwaniem dla najznamienitszych podróżników – ludzi.
To, jak zwierzęta odnajdują drogę na całym świecie, pozostawało tajemnicą przez stulecia. Teraz wiemy, że posługują się całą gamą metod: niektóre w ciągu dnia używają nawigacji słonecznej, a w nocy astronawigacji; niektóre zapamiętują ukształtowanie terenu; inne nawigują za pomocą węchu. Ale najbardziej tajemniczą ze wszystkich zdolności do nawigacji jest ta, jaką posiada europejski rudzik: to zdolność do detekcji kierunku i natężenia pola magnetycznego Ziemi, zwana magnetorecepcją. Teraz wiemy o wielu innych stworzeniach, które tę zdolność też posiadają, ale sposób, w jaki europejski rudzik (Erithacus rubecula) znajduje drogę na całej kuli ziemskiej, będzie miał istotne znaczenie w naszej opowieści.
Mechanizm, który daje rudzikowi wiedzę, w jakim kierunku i jak daleko lecieć, jest zakodowany w dziedziczonym od rodziców DNA. To bardzo niezwykła i wyrafinowana zdolność – szósty zmysł pozwalający wytyczać ptakowi kurs lotu. Albowiem ma on, jak wiele innych ptaków, a także owadów i stworzeń morskich, zdolność odczuwania słabego pola magnetycznego Ziemi i dzięki temu uzyskiwania informacji o kierunku lotu za pomocą wbudowanego zmysłu nawigacji, który w jego wypadku wymaga posiadania nowego typu kompasu chemicznego.
Magnetorecepcja jest zjawiskiem zagadkowym. Problem polega na tym, że pole magnetyczne Ziemi jest bardzo słabe – na powierzchni Ziemi wynosi od 30 do 70 mikrotesli, co wystarcza do odchylenia dobrze wyważonej i pozbawionej tarcia igły kompasu, ale to zaledwie jedna tysięczna natężenia pola magnesu, jakim zwykle przyczepiamy wiadomości na drzwiach lodówki. Zagadka polega na tym, że aby pole magnetyczne było wyczuwane przez zwierzęta, musi ono w jakiś sposób oddziaływać na reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz ich ciał – tak przecież, przez nas samych i wszystkie inne istoty żyjące, jest odczuwany każdy zewnętrzny sygnał. Ale energia oddziaływania pola magnetycznego Ziemi na molekuły wewnątrz żywych komórek jest miliardy razy mniejsza od energii wymaganej do rozerwania wiązania chemicznego. Jak zatem rudzik może odczuwać pole magnetyczne?
Zagadkowe zjawiska są zawsze interesujące, ponieważ istnieje prawdopodobieństwo, że ich rozwiązanie może doprowadzić do zasadniczej zmiany w pojmowaniu świata. Na przykład w XVI wieku rozważania dotyczące mało ważnego zagadnienia geometrii modelu Układu Słonecznego Ptolemeusza doprowadziły Kopernika do przełomowego odkrycia, że Ziemia nie jest centrum całego Wszechświata. Obsesja Darwina dotycząca rozmieszczenia gatunków zwierząt na Ziemi i zagadka, dlaczego ziarnojady i przedrzeźniacze z całkiem odizolowanej wyspy są tak wyspecjalizowane, umożliwiły mu sformułowanie teorii ewolucji. Niemiecki fizyk Max Planck, rozwiązując zagadkę promieniowania ciała doskonale czarnego, czyli jak gorące obiekty emitują ciepło, doszedł do wniosku, że energia występuje w oddzielnych porcjach nazwanych kwantami – i to w 1900 roku stało się początkiem teorii kwantów. A zatem: czy ustalenie, jak ptaki znajdują drogę wokół kuli ziemskiej, stanie się początkiem rewolucji w biologii? Choć może wydawać się to szokujące, odpowiedź na to pytanie jest twierdząca.
Ale podobne zagadki są także ulubioną pożywką pseudonaukowców i mistyków. Peter Atkins, chemik z Oksfordu, powiedział w 1976 roku, że „wpływ pola magnetycznego na reakcje chemiczne od dawna jest dziedziną, w którą angażuje się wielu szarlatanów”1. Istotnie, swego czasu proponowano najrozmaitsze egzotyczne wytłumaczenia mechanizmu nawigacji migrujących ptaków, od telepatii i starożytnych linii łączących prahistoryczne miejsca, rzekomo obdarzone właściwościami magicznymi, do morficznego rezonansu, koncepcji wynalezionej przez kontrowersyjnego parapsychologa Ruperta Sheldrake’a. Zastrzeżenia Atkinsa, wyrażone w latach siedemdziesiątych XX wieku, są zrozumiałe, odzwierciedlają sceptycyzm środowiska naukowego badającego zagadnienie wyczuwania ziemskiego pola magnetycznego przez zwierzęta. Nie było wtedy powodu, aby przyjąć, że odpowiedzialne są za to jakiekolwiek mechanizmy molekularne – przynajmniej żadne znane w konwencjonalnej biochemii.
Ale w tym samym roku, gdy Atkins wypowiedział swe zastrzeżenia, niemieckie małżeństwo ornitologów z Frankfurtu, Wolfgang i Roswitha Wiltschkowie, opublikowało w „Science”, jednym z najważniejszych czasopism naukowych, przełomową pracę, w której poza wszelką wątpliwością dowiedli, że rudziki naprawdę mogą wyczuwać pole magnetyczne Ziemi2. Co więcej, wykazali, że ten zmysł ptaków nie działa tak jak zwykły kompas magnetyczny. Bo o ile kompas odróżnia biegun magnetyczny północny od południowego, to rudziki odróżniają biegun od równika.
Aby zrozumieć ptasi kompas, powinniśmy wyobrazić sobie linie pola magnetycznego, niewidoczne linie definiujące kierunek pola magnetycznego, wzdłuż których ustawia się igła kompasu, gdy umieścimy go w tym polu – to znane nam linie wzorca utworzonego przez opiłki żelaza na kartce papieru umieszczonej nad biegunem magnesu. A teraz wyobraźmy sobie, że cała Ziemia jest gigantycznym magnesem sztabkowym z liniami pola wychodzącymi z bieguna południowego, tworzącymi pętlę i znikającymi na biegunie północnym.

Kierunek tych linii w pobliżu każdego z biegunów jest prawie prostopadły do powierzchni, ale im bardziej zbliżają się do równika, tym stają się coraz bardziej płaskie i równoległe do powierzchni. Tak więc kompas, który mierzy kąt nachylenia linii pola magnetycznego względem powierzchni Ziemi, nazywany busolą inklinacyjną, może odróżnić kierunek ku biegunowi od kierunku ku równikowi, ale nie może odróżnić bieguna północnego od bieguna południowego, ponieważ linie pola na obu biegunach są skierowane pod tym samym kątem do powierzchni. Wiltschkowie w swej pracy z 1976 roku ustalili, że zmysł magnetyczny rudzików działa zupełnie tak jak busola inklinacyjna. Problem polegał na tym, że nikt nie miał zielonego pojęcia, na jakiej zasadzie mogłaby ona działać, ponieważ w tamtych czasach po prostu nie znano ani nawet nie wyobrażano sobie mechanizmu pozwalającego organizmowi zwierzęcemu na detekcję kąta nachylenia linii ziemskiego pola magnetycznego. Ten mechanizm okazał się jedną z najbardziej zadziwiających teorii czasów współczesnych i jest oparty na zjawiskach opisywanych przez mechanikę kwantową.

Ukryta upiorna rzeczywistość

Gdyby przeprowadzić wśród uczonych ankietę z pytaniem, która teoria jest ich zdaniem najważniejsza, odnosi największe sukcesy i w historii nauki jest najbardziej brzemienna w następstwa, to odpowiedź prawdo­podobnie będzie zależeć od tego, czy pytany jest reprezentantem nauk ścisłych, czy przyrodniczych. Większość biologów będzie uważać za najistotniejszą w dziejach nauki teorię ewolucji Darwina opartą na doborze naturalnym. Jednak dla fizyków to mechanika kwantowa powinna z pewnością dzierżyć palmę pierwszeństwa – przecież to na niej opiera się fundament całej fizyki i chemii, a do tego dzięki niej otrzymujemy zadziwiająco pełny obraz najbardziej podstawowych składników, z jakich zbudowany jest cały Wszechświat. Istotnie, bez jej mocy objaśniającej nie znalibyśmy większości mechanizmów rządzących światem.
Prawie każdy co nieco słyszał o „mechanice kwantowej”, natomiast w powszechnym mniemaniu jest to trudna i zagadkowa dziedzina nauki, rozumiana jedynie przez niewielu mądrych ludzi. Jednak prawda jest taka, że mechanika kwantowa niemal od początku XX wieku odgrywa znaczną rolę w naszym życiu. Ta teoria uzyskała matematyczne podstawy w połowie lat dwudziestych XX wieku w celu wyjaśnienia świata rzeczy bardzo małych (mikroświata, jak to teraz ujmujemy), opisu zachowania atomów, z których składa się wszystko, co widzimy wokół, a nawet do opisu jeszcze mniejszych cząstek, z których zbudowane są te atomy. Na przykład opisując zasady, jakim podlegają elektrony wewnątrz atomów, mechanika kwantowa staje się fundamentem dla całej chemii, dla nauki o materiałach, a nawet dla elektroniki. Pomimo całej swej dziwności zasady matematyczne mechaniki kwantowej są tym, co stanowi istotę postępu technologicznego, jaki dokonał się w drugiej połowie poprzedniego stulecia. Bez wyjaśnienia przez mechanikę kwantową ruchu elektronów w materii nie można zrozumieć własności półprzewodników, które są fundamentem współczesnej elektroniki, a bez zrozumienia półprzewodników nie byłoby tranzystora, a później mikroukładów scalonych i współczesnych komputerów. Tę listę można ciągnąć dalej: bez mechaniki kwantowej nie byłoby laserów, płyt kompaktowych, DVD, a później odtwarzaczy Blu-ray, bez mechaniki kwantowej nie mielibyśmy smartfonów, nawigacji satelitarnej albo tomografów MRI. Istotnie: jak się szacuje, więcej niż jedna trzecia dochodu narodowego brutto krajów rozwiniętych pochodzi z działalności, której nie byłoby, gdybyśmy nie zrozumieli zasad mechaniki świata kwantów.
A to dopiero początek. Możemy oczekiwać w przyszłości powstania kwantowych technologii – z ogromnym prawdopodobieństwem jeszcze za naszego życia – które pozwolą na niemal nieograniczone korzystanie z energii elektrycznej dostarczanej z wywoływanej laserem reakcji termojądrowej, na zbudowanie molekularnych robotów wykonujących najrozmaitsze zadania w dziedzinie inżynierii, technologii biochemicznej i medycyny, na powstanie sztucznej inteligencji wspieranej komputerem kwantowym, a nawet na potencjalne pojawienie się zakrawającej na fantastykę naukową technologii teleportacji, używanej rutynowo do przesyłania informacji. Dwudziestowieczna rewolucja kwantowa zaczyna nabierać rozmachu w wieku XXI i niewyobrażalnie przemieni nasze życie.
Ale właściwie czym jest mechanika kwantowa? Na to pytanie będziemy systematycznie odpowiadać w dalszych rozdziałach tej książki; zaczniemy od kilku przykładów kwantowej rzeczywistości, która jest ukryta, choć stanowi podstawę naszego życia.
Nasz pierwszy przykład ilustruje dziwne własności świata kwantów, bez wątpienia jego najistotniejszą własność: dualizm korpuskularno-falowy. Wiemy już o tym, że my sami, jak i wszystko, co nas otacza, stworzeni jesteśmy z ogromnej ilości maleńkich, odrębnych cząsteczek, takich jak atomy, elektrony, protony i neutrony. Być może wiecie również, że energia, w formie na przykład światła lub dźwięku, ujawnia się w postaci fal, a nie cząstek. Fale są raczej rozprzestrzenione niż zgrupowane w cząstki i rozchodzą się w przestrzeni jako – oczywiście – fale z grzbietami i dolinami, jak fale na morzu. Mechanika kwantowa powstała, gdy w początkach XX wieku odkryto, że subatomowe cząstki mogą zachowywać się jak fale, a fale świetlne zachowują się jak cząstki.
Choć dualizm korpuskularno-falowy nie jest czymś, co powinieneś uwzględniać każdego dnia, jest jednak podstawą działania wielu ważnych urządzeń, takich jak mikroskop elektronowy, który umożliwia lekarzom i naukowcom oglądanie, identyfikację i badanie obiektów zbyt małych, aby można je oglądać w tradycyjnych mikroskopach optycznych, na przykład wirusów, które powodują AIDS albo zwykłą grypę. Inspiracją do powstania mikroskopu elektronowego było odkrycie wykazujące, że elektrony posiadają własności falowe. Niemieccy uczeni Max Knoll i Ernst Ruska zdali sobie sprawę, że skoro długość fali elektronu (odległość pomiędzy sąsiednimi grzbietami fali lub pomiędzy dolinami) jest znacznie mniejsza od długości fali światła widzialnego, to mikroskop oparty na fali elektronowej powinien mieć znacznie większą rozdzielczość niż mikroskop optyczny, co umożliwi zobaczenie znacznie mniejszych detali oglądanego przedmiotu. Tak dzieje się, ponieważ każdy przedmiot mniejszy od długości fali nań padającej nie zaburza jej. Pomyślmy o kilkumetrowych oceanicznych falach, obmywających kamienie na plaży. Badanie tych fal nic nam nie powie o kształcie ani o rozmiarach każdego z kamieni na plaży. W tym celu potrzeba fal o znacznie mniejszej długości, tak jak te wytwarzane w specjalnym zbiorniku na lekcji fizyki, gdy wizualizujemy rozproszenie fal wokół kamienia. Tak więc w 1931 roku Knoll i Ruska zbudowali pierwszy mikroskop elektronowy i uzyskali za jego pomocą zdjęcia wirusów, za co w 1986 roku Ernst Ruska otrzymał Nagrodę Nobla – raczej o wiele za późno, bo dwa lata przed śmiercią.