جیم الخلیل: چگونه زیست شناسی کوانتومی ممکن است به بزرگترین سوالات زندگی پاسخ دهد

یک سینه سرخ از کجا می‎داند که باید به جنوب پرواز کند؟ پاسخ ممکن است عجیب تر از آنچه که انتظار دارید باشد: پای فیزیک کوانتوم در میان است. جیم الخلیل در جهان به شدت تازه و بیگانه زیست شناسی کوانتوم سیر می‎کند، جایی که انیشتین اینگونه گفته است “شبح وار در فاصله‎ای عمل می‎کنند” به جهت یابی پرنده‎ها کمک می‎کند، و تاثیرات کوانتومی ممکن است منشا حیات را نیز توضیح دهند.

میخواهم که به شما یکی از عرصه‎های نوظهور علم را معرفی کنم، عرصه ای که هنوز بر اساس حدس است ولی بسیار هیجان انگیز، و بدون شک شاخه‎ای است که به سرعت در حال رشد است. زیست شناسی کوانتومی یک سوال ساده می‎پرسد: آیا مکانیک کوانتومی– این تئوری عجیب و فوق العاده و قدرتمندِ دنیای زیراتمیِ اتمها و مولکول‎ها که شالوده فیزیک و شیمی نوین است– نقشی در درون یک سلول زنده ایفا میکند؟ به بیان دیگر: آیا فرایندها، سازوکارها و پدیده‎هایی در ترکیبات زنده وجود دارند که تنها توسط دست یاری رسان مکانیک کوانتومی قابل توضیح باشند؟ زیست شناسی کوانتومی شاخه‎ای تازه نیست: از اوایل دهه ۱۹۳۰ وجود داشته است. ولی تنها دردهه اخیر یا همین حدود بوده که آزمایشهای دقیقی– در آزمایشگاه های بیوشیمی بوسیله طیف سنجی– شواهد شفاف و قاطعی نشان داده‎اند که سازوکارهای مشخصی وجود دارند که به مکانیک کوانتومی برای توضیح دادن آنها احتیاج است.

زیست شناسی کوانتومی فیزیکدانان کوانتومی، بیوشیمیدانها، و زیست شناسان مولکولی را گرد هم می آورد– این شاخه‎ای بسیار بین رشته ای است. من از شاخه فیزیک کوانتومی هستم، من یک فیزیکدان هسته ای هستم.

چمن بیش از سه دهه صرف کردم در تلاش برای اینکه از مکانیک کوانتومی سر در بیاورم. یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی، نیلز بوهر، می‎گوید، اگر از آن شگفت زده نشده‎اید پس شما آن را نفهمیده‎اید. پس من به نوعی خوشحالم که هنوز از آن شگفت زده هستم. این چیز خوبی هست. اما این یعنی من کوچکترین ساختارهای عالم را مطالعه می‎کنم– سنگ بنای واقعیت. اگر شما درباره مقیاس اندازه فکر می‎کنید، با یک شی روزمره مثل توپ تنیس شروع کنید، بعد فقط چندین مرتبه دراندازه پایین بروید– از سوراخ یک سوزن تا یک سلول، تا یک باکتری، تا یک آنزیم– بالاخره به جهان نانو می‎رسید.

اکنون، شاید اصطلاح نانوفناوری را شنیده باشید. یک نانومتر یک میلیاردمِ متر است. زمینه کار من هسته اتم است، که یک نقطه ریز درون یک اتم است. در مقیاس، این حتی کوچک تر است. این قلمرو مکانیک کوانتومی است، و فیزیکدانان و شیمیدانان زمان درازی صرف کرده‎اند تا تلاش کنند و به آن عادت کنند. در سوی دیگر، زیست شناسان به نظر من، قسر در رفته‎اند. آنها با مدل مولکولی توپ و میله خودشان خیلی خوشحال هستند.

(خنده حضار)

توپها، اتمها هستند و میله ها پیوند بین اتمها هستند. و وقتی که نمی‎توانند از لحاظ فیزیکی آنها را در آزمایشگاه بسازند، این روزها، رایانه های بسیار قدرتمندی دارند که یک مولکول عظیم را شبیه سازی می‎کنند. این یک پروتئین متشکل از صد هزار اتم است. این واقعا از روش مکانیک کوانتومی به کار زیاد برای توضیح احتیاج ندارد. مکانیک کوانتومی در دهه ۱۹۲۰ بسط پیدا کرد. این یک مجموعه از قوانین ریاضی و ایده های زیبا و قدرتمند است که جهانِ بسیار کوچکها را توضیح می دهد. و این یک جهان کاملا متفاوت از جهان روزمره ما است، تشکیل شده از میلیونها میلیون اتم. این یک دنیای بنا شده بر احتمالات و شانس است. این یک جهان درهم برهم است. این جهان اشباح است، که ذرات هم می‎توانند مانند امواج گسترده رفتار کنند.

پس اگر مکانیک کوانتومی یا فیزیک کوانتومی را به عنوان بنیان حقیقت تصور کنیم، بنابراین تعجبی ندارد که بگوییم فیزیک کوانتومی اساس شیمی آلی است. بالاخره، این، قوانینی به ما ارائه میدهد که به ما می گوید اتمها چگونه به هم جفت میشوند تا مولکولهای آلی را بسازند. شیمی آلی، وسیع از جنبه پیچیدگی، به ما زیست شناسی مولکولی را ارائه میکند که البته به بحث حیات ختم می‎شود. پس از یک جنبه، این به نوعی تعجب آور نیست. این تقریبا بدیهی است. شما می گویید، “خب، البته حیات نهایتا باید به مکانیک کوانتومی بستگی داشته باشد”. اما درباره همه چیز همین طور است. به همچنین هر ماده غیر زنده ای، متشکل از میلیونها میلیون اتم.

در آخر، سطح کوانتومی وجود دارد که ما باید در این عجیب بودن کاوش کنیم. ولی در زندگی روزمره، می‎توانیم این قضیه را فراموش کنیم. چون وقتی شما میلیونها میلیون اتم را کنار هم گذاشتید، این عجیب بودن کوانتومی محو می‎شود. زیست شناسی کوانتومی در این باره نیست. زیست شناسی کوانتومی اینقدر واضح نیست. البته مکانیک کوانتومی در سطح مولکولی بنیان حیات است. زیست شناسی کوانتومی درباره نگریستن به غیر بدیهی‎ها است– ایده های بر خلاف انتظار عقل در مکانیک کوانتومی– والبته، اینکه ببیند آیا آنها نقش مهمی در توضیح فرایندهای حیات بازی می‎کنند.

اینجا مثال بی نقص من درباره خلاف انتظار بودنِ دنیای کوانتومی است. این اسکی باز کوانتومی است. او به نظر صدمه نخورده، او به نظر کاملا سالم است، با این حال، بنظر می‎رسد که او از هر دو سمت درخت همزمان رد شده است. بسیار خوب، اگر شما ردی اینچنین می‎دیدید می گفتید که البته این یک جور بدلکاری بوده است. اما در جهان کوانتومی، این اتفاق همیشه رخ می‎دهد. ذرات می‎توانند چند کار همزمان انجام دهند، آنها می‎توانند در یک لحظه در دو جا باشند. آنها می‎توانند در یک زمان بیش از دو کار انجام دهند. ذرات می‎توانند مانند امواج گسترده شده رفتار کنند. این تقریبا مثل جادو است.

فیزیکدانها و شیمیدانها تقریبا یک قرن فرصت تلاش برای عادت کردن به این عجیب بودن را داشته اند. من زیست شناسان را سرزنش نمی‎کنم برای اینکه مجبور نیستند یا نمی‎خواهند که مکانیک کوانتومی یاد بگیرند.

می‎دانید، این عجیب بودن خیلی ظریف است؛ و ما فیزیکدانها سخت تلاش می‎کنیم که آن را در آزمایشگاه حفظ کنیم. ما سیستمهایمان را تا نزدیک صفر مطلق سرد میکنیم، آزمایشهایمان را در خلا انجام میدهیم، ما تلاش می‎کنیم و آن را از هر مزاحمت خارجی مجزا میکنیم. این خیلی متفاوت از محیط گرم، نامرتب و شلوغ یک سلول زنده است. اگر به زیست شناسی مولکولی فکر کنید، زیست شناسی به خودی خود، بنظر میرسد که در توضیح فرایند حیات در قالب شیمی–واکنشهای شیمیایی— خیلی خوب عمل کرده است. و اینها فرایندهای شیمیایی ساده کننده و قطعی هستند که نشان می‎دهند، به ضرورت، حیات از همان موادی که دیگر چیزها از آن تشکیل شده‎اند درست شده است، و اگر ما می‎توانیم بیخیال مکانیک کوانتومی در جهان کلان بشویم، پس باید قادر باشیم که در زیست شناسی هم بیخیال آن باشیم.

خوب، یک مرد مودبانه با این ایده مخالفت کرد. ِاروین شرودینگر، همان شرودینگرِ معروفِ گربه شرودینگر یک فیزیکدان اتریشی بود. او یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی در سالهای دهه ۱۹۲۰ بود. در سال ۱۹۴۴، کتابی نوشت به اسم “حیات چیست؟” این کتاب بسیار تاثیرگذار بود. این کتاب بر فرانسیس کریک و جیمز واتسون تاثیر گذاشت، کاشفان ساختار مارپیچ دوگانه ی DNA. برای نقل به مضمون کردن از این کتاب، او می گوید: در سطح مولکولی، ساختارهای زنده یک نظم ویژه دارند، یک ساختار برای آنها که بسیار متفاوت است از تنه زدن های ترمودینامیکیِ اتمها و مولکولها در یک ماده غیرزنده با همان پیچیدگی.

در حقیقت ماده زنده به نظر می‎رسد که طبق این نظم رفتار کند، طبق یک ساختار درست مثل یک ماده غیر زنده که تا نزدیک صفر مطلق سرد شده است، جایی که اثرات کوانتومی نقش مهمی بازی می‎کنند. یک نکته ویژه درباره ساختار وجود دارد–نظم– درون یک سلول زنده. پس، شرودینگر حدس زد که شاید مکانیک کوانتومی نقشی در حیات بازی می‎کند. این یک ایده منطبق بر حدسیات وسیع بود، و واقعا دستاورد زیادی نداشت.

اما همانطور که در ابتدا گفتم، در ده سال گذشته آزمایشهای نوظهوری بوده اند، که نشان می‎دهند کجا تعدادی از این پدیده‎های خاص زیست شناسی به نظر به مکانیک کوانتومی احتیاج دارند.

من فقط می‎خواهم چند نمونه هیجان انگیز را به شما نشان دهم. این یکی از شناخته شده ترین پدیده ها در جهان کوانتومی است، تونل زنی کوانتومی. کادر سمت چپ توزیع موجی شکلِ گسترده شده یک موجود کوانتومی را نشان می‎دهد– یک ذره، مانند الکترون، که یک توپ که از دیوار بر می‎گردد نیست. این یک موج هست که احتمال مشخصی دارد که بتواند درون یک دیوار سخت نفوذ کند مانند یک شبح که به سوی دیگر جست می‎زند. شما می‎توانید در کادر سمت راست یک لکه ضعیف نور را ببینید. تونل زنی کوانتومی اظهار می‎کند که یک ذره می‎تواند به دیواری غیرقابل نفوذ برخورد کند و با این حال به نوعی ،انگار با شعبده بازی، از یک سمت ناپدید و در سمت دیگر ظاهر شود. بهترین راه توضیح این است که اگر شما بخواهید توپی را از روی یک دیوار پرتاب کنید باید به آن انرژی کافی بدهید که به بالای دیوار برسد. در دنیای کوانتومی مجبور نیستید که آن را از روی دیوار پرتاب کنید، می‎توانید به سمت دیوار پرتابش کنید، و یک احتمال مشخص غیر صفر وجود دارد که توپ در سمت شما ناپدید شود و در سوی دیگر پدیدار شود.

در ضمن، این یک حدس نیست. ما از این خرسندیم– خب راستش “خرسند” لغت مناسبی نیست–

ما با این آشنا هستیم.

تونل زنی کوانتومی همیشه رخ میدهد در واقع این دلیل تابشِ خورشید ما است. ذرات به هم جوش میخورند، و خورشید هیدروژن را از طریق تونل زنی کوانتومی به هلیوم تبدیل میکند. در سالهای دهه ۷۰ و ۸۰، کشف شد که تونل زنی کوانتومی در درون سلول زنده نیز رخ می‎دهد. آنزیم ها، این نیروی کار خستگی ناپذیر زندگی، کاتالیزورهای واکنشهای شیمیایی– آنزیم ها زیست مولکولهایی هستند که واکنشهای شیمیایی درون سلولهای زنده را سرعت می‎دهند، به اندازه بارها و بارها در مقدار. و این همیشه یک راز بوده است که چگونه این کار را انجام می‎دهند.

خب، کشف شد که یکی از ترفندهایی که آنزیمها تکامل یافته‎اند که از آن استفاده کنند، انتقال ذرات زیراتمی، مانند الکترونها و البته پروتونها از یک قسمت از مولکول به قسمت دیگر از طریق تونل زنی کوانتومی است. این کارآمد و سریع است و می تواند ناپدید شود– یک پروتون از یک مکان ناپدید می‎شود، و در مکان دیگر ظاهر می‎شود. آنزیم ها کمک می‎کنند که این اتفاق رخ دهد.

این تحقیقی است که در سالهای دهه ۱۹۸۰ انجام شده است، به ویژه توسط یک گروه در برکلی، جودیت کلینمن. گروه‎های دیگر هم در بریتانیا اکنون تایید کرده‎اند که آنزیم ها واقعا این کار را انجام می‎دهند.

مطالعه‎ای که توسط گروه من انجام شد– همانطور که گفتم، من یک فیزیکدان هسته ای هستم، اما متوجه شدم که این وسائل استفاده از مکانیک کوانتومی را در هسته اتم دارم پس می‎توانم آن ابزار را در شاخه های دیگر هم استفاده کنم. یک سوال که ما پرسیدیم این است که آیا تونل زنی کوانتومی در جهش DNA نقشی بازی می کند؟ دوباره تاکید می‎کنم، این یک ایده جدید نیست این بر می گردد به ابتدای دهه ۶۰. دو شاخه DNA، ساختار مارپیچ دوگانه، توسط پله های نردبان به هم وصل شده‎اند این مثل یک نردبان تاب خورده است. و آن پله های نردبان پیوندهای هیدروژنی هستند– پروتونها، که می توانند مثل چسب بین دو شاخه عمل کنند. پس اگر بزرگنمایی کنید، کاری که آنها انجام می‎دهند نگه داشتن این مولکول های بزرگ– نوکلئوتایدها– به یکدیگر است. کمی بیشتر بزرگنمایی انجام دهید. این یک شبیه سازی رایانه‎ای است. دو تا توپ سفید در وسط پروتونها هستند، و می توانید بینید که این یک پیوند هیدروژنی دوگانه است. یکی تمایل دارد که در یک سمت بنشیند دیگری در سمت دیگرِ دو شاخه (DNA) دو خط عمودی که پایین می روند و شما نمی‎توانید ببینید. می‎تواند اتفاق بیافتد که این دو پروتون بپرند. به دو توپ سفید نگاه کنید. آنها می توانند به سمت دیگر بپرند. اگر سپس دو شاخه DNA جدا شوند، که منجر به فرایند تولید همسان می گردد، و دو پروتون در مکان اشتباه قرار دارند، این می تواند به جهش منجر شود.

نیم قرن است که این شناخته شده است. سوال این است که: چقدر احتمال دارد که آنها این کار را انجام دهند، و اگر انجام می دهند، چگونه این کار را می کنند؟ آیا می پرند، مثل توپ که از روی دیوار می پرد؟ یا آنها می توانند تونل زنی کوانتومی انجام دهند، حتی اگر انرژی کافی نداشته باشند؟ شواهد اولیه نشان می‎دهند که تونل زنی کوانتومی می‎تواند نقش ایفا کند. هنوز نمی دانیم که این چقدر مهم است این هنوز یک سوال بی پاسخ است. این بر اساس حدسیات است، ولی این یکی از آن سوال هایی است که انقدر مهم است که اگر مکانیک کوانتومی در جهش نقش دارد، قطعا باید نتایج بزرگی داشته باشد، برای دانستن انواع خاصی از جهش، احتمالا حتی آنهایی که منجر به سرطانی شدن یک سلول می شود.

مثال دیگر مکانیک کوانتومی در زیست شناسی، انسجام کوانتومی است، در یکی از مهمترین فرایندها در زیست شناسی، فتوسنتز: گیاهان و باکتری ها نور خورشید را می‎گیرند، و از آن انرژی برای تولید زیست توده استفاده می‎کنند. انسجام کوانتومی ایده انجام همزمان چند کار توسط موجودات کوانتومی است. این اسکی باز کوانتومی است. این یک شی است که مثل یک موج عمل می‎کند، پس در یک جهت و یا جهت دیگر حرکت نمی‎کند، ولی می‎تواند چند مسیر را در یک زمان دنبال کند.

چند سال پیش، دنیای علم شوکه شد زمانی که مقاله ای چاپ شد که شواهد علمی‎ای ارائه می داد که انسجام کوانتومی درون یک باکتری اتفاق می‎افتد، که فتوسنتز را انجام می‎دهد. ایده این است که فوتون، ذره نور، نور خورشید، کوانتومِ نور که توسط یک مولکولِ کلوروفیل جذب می شود، سپس به چیزی که مرکز برهمکنش نام دارد تحویل می شود، جایی که می تواند به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. و در رسیدن به آنجا، فقط یک مسیر را دنبال نمی کند در یک زمان چندین مسیر را دنبال می کند، برای بهینه کردن موثرترین راهِ رسیدن به مرکز برهمکنش بدون منهدم شدن بصورت اتلاف گرمایی. انسجام کوانتومی درون یک سلول زنده رخ می دهد. یک ایده قابل توجه، و هنوز شواهد تقریبا هفتگی در حال افزایش هستند، مقاله‎های جدیدی که بیرون می‎آیند، تایید می کنند که این پدیده قطعا رخ می‎دهد.

مثال سوم و نهایی من زیباترین و عالی ترین ایده است. این هنوز خیلی بر مبنای حدسیات است، اما باید آن را با شما به اشتراک بگذارم. سینه سرخ اروپایی از اسکاندیناوی مهاجرت می کند به سمت پایین تا مدیترانه، هر پاییز، و مثل خیلی دیگر از حیوانات دریایی و حتی حشرات، با حس کردن میدان مغناطیسی زمین مسیریابی می کنند. حال، میدان مغناطیسی زمین خیلی خیلی ضعیف است ۱۰۰ بار ضعیف تر از آهنربایِ روی در یخچال، و با این حال — به نوعی–بر شیمیِ درون یک ارگانیسم زنده اثر می کند. در این شکی نیست– یک زوج پرنده شناس آلمانی ولفگانگ و رزویتا ویلتشکو در دهه ۱۹۷۰ آن را تایید کردند، سینه سرخ راهش را به نوعی از طریق حس کردن میدان مغناطیسی زمین پیدا می کند، که به او اطلاعاتِ جهت بدهد– یک قطب نمای درونی.

معما و راز این بود: چگونه این کار را انجام می دهد؟ خب تنها تئوری ارزشمند موجود– نمی‎دانیم که این تئوری صحیح است، ولی تنها تئوری ارزشمند موجود است– این است که او اینکار را از طریق چیزی که جفت شدگی کوانتومی نام دارد انجام می دهد. در شبکیه سینه سرخ– باهاتون شوخی نمی کنم– درون شبکیه سینه سرخ پروتئینی هست به نام کریپتوکروم، که به نور حساس است. درون کریپتوکروم، یک جفت الکترون، جفت شده کوانتومی هستند. حال، جفت شدگی کوانتومی زمانی است که دو ذره خیلی از هم دور هستند، با این وجود به نوعی با یکدیگر در تماس می مانند. حتی اینشتین از این ایده متنفر بود; به آن می گفت: “عمل شبح وار از راه دور”

پس اگر اینشتین از آن خوشش نمی‎آید، پس ما همه می توانیم با آن راحت نباشیم. دو الکترونِ جفت شده کوانتومی درون یک مولکول یک رقص ظریف می کنند که به جهتی که پرنده در میدان مغناطیسی زمین پرواز می کند خیلی حساسیت دارد.

نمی دانیم که آیا این توضیح صحیح است، ولی وای! جالب نیست که مکانیک کوانتومی به پرندگان کمک کند که مسیریابی کنند؟ زیست شناسی کوانتومی هنوز در دوران اولیه تکامل خود است. هنوز بر مبنای حدس است. ولی من باور دارم که بر روی علمی محکم بنا شده است. همینطور فکر می کنم که در دهه پیش رو یا همین حدود، خواهیم دید که در واقع، در زندگی شایع است– که زندگی ترفندهایی را تکامل داده است که از جهان کوانتومی بهره می برند. منتظر خبرهای بعدی باشید.

متشکرم.

(تشویق حضار)