چگونه زیست شناسی کوانتومی ممکن است به بزرگترین سوالات زندگی پاسخ دهد
متن سخنرانی :
میخواهم که به شما یکی از عرصههاینوظهور علم را معرفی کنم، عرصه ای که هنوز بر اساس حدس استولی بسیار هیجان انگیز، و بدون شک شاخهای است که به سرعت در حال رشد است. زیست شناسی کوانتومییک سوال ساده میپرسد: آیا مکانیک کوانتومی-- این تئوری عجیب و فوق العادهو 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 دارندکه تنها توسط دست یاری رسان مکانیک کوانتومیقابل توضیح باشند؟ زیست شناسی کوانتومی شاخهای تازه نیست: از اوایل دهه ۱۹۳۰ وجود داشته است. ولی تنها دردهه اخیر یا همین حدود بودهکه آزمایشهای دقیقی-- در آزمایشگاه های بیوشیمیبوسیله طیف سنجی-- شواهد شفاف و قاطعی نشان دادهاندکه سازوکارهای مشخصی وجود دارند که به مکانیک کوانتومی برایتوضیح 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.
من بیش از سه دهه صرف کردم در تلاش برای اینکه ازمکانیک 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 خوشحالمکه هنوز از آن شگفت زده هستم. این چیز خوبی هست. اما این یعنی من کوچکترین ساختارهای عالم رامطالعه 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 راشنیده 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 درازیصرف کردهاند تا تلاش کنند و به آن عادت کنند. در سوی دیگر، زیست شناسانبه نظر من، قسر در رفتهاند. آنها با مدل مولکولی توپ و میله خودشانخیلی خوشحال هستند.
(خنده حضار)
توپها، اتمها هستند و میله هاپیوند بین اتمها هستند. و وقتی که نمیتوانند از لحاظ فیزیکیآنها را در آزمایشگاه بسازند، این روزها، رایانه های بسیار قدرتمندی دارند که یک مولکول عظیم را شبیه سازی میکنند. این یک پروتئین متشکل ازصد هزار اتم است. این واقعا از روش مکانیک کوانتومیبه کار زیاد برای توضیح احتیاج ندارد. مکانیک کوانتومی در دهه ۱۹۲۰بسط 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 ازجهان روزمره ما است، تشکیل شده از میلیونها میلیون اتم. این یک دنیای بنا شده بر احتمالات وشانس است. این یک جهان درهم برهم است. این جهان اشباح است، که ذرات هم میتوانند مانند امواج گستردهرفتار کنند.
پس اگر مکانیک کوانتومی یافیزیک کوانتومی را به عنوان بنیان حقیقت تصور کنیم، بنابراین تعجبی ندارد که بگوییم فیزیک کوانتومی اساسشیمی آلی است. بالاخره، این، قوانینی به ما ارائه میدهد که به ما می گوید اتمها چگونه به هم جفت میشوندتا مولکولهای آلی را بسازند. شیمی آلی، وسیع از جنبه پیچیدگی، به ما زیست شناسی مولکولی را ارائه میکندکه 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 نهایتاباید 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 بودنکاوش کنیم. ولی در زندگی روزمره،میتوانیم این قضیه را فراموش کنیم. چون وقتی شما میلیونها میلیون اتم را کنار هم گذاشتید، این عجیب بودن کوانتومیمحو میشود. زیست شناسی کوانتومی در این باره نیست. زیست شناسی کوانتومی اینقدر واضح نیست. البته مکانیک کوانتومی در سطح مولکولیبنیان حیات است. زیست شناسی کوانتومی درباره نگریستن بهغیر بدیهیها است-- ایده های بر خلاف انتظار عقلدر مکانیک کوانتومی-- والبته، اینکه ببیند آیا آنهانقش مهمی در توضیح فرایندهای حیات بازی میکنند.
اینجا مثال بی نقص من دربارهخلاف 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 اواز هر دو سمت درخت همزمان رد شده است. بسیار خوب، اگر شما ردیاینچنین میدیدید می گفتید که البته این یک جوربدلکاری 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 زمانبیش از دو کار انجام دهند. ذرات میتوانند مانند امواجگسترده شده رفتار کنند. این تقریبا مثل جادو است.
فیزیکدانها و شیمیدانهاتقریبا یک قرن فرصت تلاش برای عادت کردن به اینعجیب بودن را داشته اند. من زیست شناسان را سرزنش نمیکنم برای اینکه مجبور نیستند یا نمیخواهندکه مکانیک کوانتومی یاد بگیرند.
میدانید، این عجیب بودن خیلی ظریف است؛ و ما فیزیکدانها سخت تلاش میکنیمکه آن را در آزمایشگاه حفظ کنیم. ما سیستمهایمان را تا نزدیکصفر مطلق سرد میکنیم، آزمایشهایمان را در خلا انجام میدهیم، ما تلاش میکنیم و آن را ازهر 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 حیاتدر قالب شیمی--واکنشهای شیمیایی--- خیلی خوب عمل کرده است. و اینها فرایندهای شیمیاییساده کننده و قطعی هستند که نشان میدهند، به ضرورت، حیات از همان موادی که دیگرچیزها از آن تشکیل شده‌اند درست شده است، و اگر ما میتوانیم بیخیال مکانیک کوانتومیدر جهان کلان بشویم، پس باید قادر باشیم که در زیست شناسی همبیخیال آن باشیم.
خوب، یک مرد مودبانهبا این ایده مخالفت کرد. ِاروین شرودینگر، همان شرودینگرِمعروفِ گربه شرودینگر یک فیزیکدان اتریشی بود. او یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومیدر سالهای دهه ۱۹۲۰ بود. در سال ۱۹۴۴، کتابی نوشت به اسم"حیات چیست؟" این کتاب بسیار تاثیرگذار بود. این کتاب بر فرانسیس کریک وجیمز واتسون تاثیر گذاشت، کاشفان ساختار مارپیچ دوگانه ی DNA. برای نقل به مضمون کردن از این کتاب،او می گوید: در سطح مولکولی، ساختارهای زندهیک نظم ویژه دارند، یک ساختار برای آنهاکه بسیار متفاوت است از تنه زدن های ترمودینامیکیِاتمها و مولکولها در یک ماده غیرزنده با همان پیچیدگی.
در حقیقت ماده زنده به نظر میرسد کهطبق این نظم رفتار کند، طبق یک ساختار درست مثل یک ماده غیر زنده که تانزدیک صفر مطلق سرد شده است، جایی که اثرات کوانتومی نقش مهمیبازی میکنند. یک نکته ویژه درباره ساختاروجود دارد--نظم-- درون یک سلول زنده. پس، شرودینگر حدس زد که شایدمکانیک 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 آزمایشهاینوظهوری 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 انگیزرا به شما نشان دهم. این یکی از شناخته شده ترین پدیده هادر 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 داردکه بتواند درون یک دیوار سخت نفوذ کند مانند یک شبح که به سوی دیگر جست میزند. شما میتوانید در کادر سمت راست یکلکه ضعیف نور را ببینید. تونل زنی کوانتومی اظهار میکند که یک ذرهمیتواند 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 کهآن 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 ودر سوی دیگر پدیدار شود.
در ضمن، این یک حدس نیست. ما از این خرسندیم-- خب راستش "خرسند"لغت مناسبی نیست--
(خنده حضار)
ما با این آشنا هستیم.
(خنده حضار)
تونل زنی کوانتومی همیشه رخ میدهد در واقع این دلیل تابشِ خورشید ما است. ذرات به هم جوش میخورند، و خورشید هیدروژن را از طریقتونل زنی کوانتومی به هلیوم تبدیل میکند. در سالهای دهه ۷۰ و ۸۰، کشف شد کهتونل زنی کوانتومی در درون سلول زنده نیز رخ میدهد. آنزیم ها، این نیروی کار خستگی ناپذیرزندگی، کاتالیزورهای واکنشهای شیمیایی-- آنزیم ها زیست مولکولهایی هستند که واکنشهایشیمیایی درون سلولهای زنده را سرعت میدهند، به اندازه بارها و بارها در مقدار. و این همیشه یک راز بوده است کهچگونه این کار را انجام میدهند.
خب، کشف شد که یکی از ترفندهایی که آنزیمها تکاملیافتهاند که از آن استفاده کنند، انتقال ذرات زیراتمی،مانند الکترونها و البته پروتونها از یک قسمت از مولکول به قسمت دیگراز طریق تونل زنی کوانتومی است. این کارآمد و سریع است و می تواندناپدید شود-- یک پروتون از یک مکان ناپدید میشود،و در مکان دیگر ظاهر میشود. آنزیم ها کمک میکنند که ایناتفاق رخ دهد.
این تحقیقی است که در سالهای دهه۱۹۸۰ انجام شده است، به ویژه توسط یک گروه در برکلی،جودیت کلینمن. گروههای دیگر هم در بریتانیااکنون 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 استفادهاز مکانیک کوانتومی را در هسته اتم دارم پس میتوانم آن ابزاررا در شاخه های دیگر هم استفاده کنم. یک سوال که ما پرسیدیم این است که آیا تونل زنی کوانتومی در جهش DNAنقشی بازی می کند؟ دوباره تاکید میکنم، این یک ایده جدید نیستاین 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 چسببین دو شاخه عمل کنند. پس اگر بزرگنمایی کنید، کاری که آنها انجاممیدهند 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 یکپیوند هیدروژنی دوگانه است. یکی تمایل دارد که در یک سمت بنشینددیگری در سمت دیگرِ دو شاخه (DNA) دو خط عمودی که پایین می روندو شما نمیتوانید ببینید. می‌تواند اتفاق بیافتد که ایندو 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 داردکه آنها این کار را انجام دهند، و اگر انجام می دهند، چگونهاین کار را می کنند؟ آیا می پرند، مثلتوپ که از روی دیوار می پرد؟ یا آنها می توانند تونل زنی کوانتومی انجامدهند، حتی اگر انرژی کافی نداشته باشند؟ شواهد اولیه نشان میدهند کهتونل 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 استکه 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 بهسرطانی شدن یک سلول می شود.
مثال دیگر مکانیک کوانتومی درزیست شناسی، انسجام کوانتومی است، در یکی از مهمترین فرایندها در زیست شناسی، فتوسنتز: گیاهان و باکتری هانور خورشید را میگیرند، و از آن انرژی برای تولیدزیست توده استفاده میکنند. انسجام کوانتومی ایده انجام همزمان چند کارتوسط موجودات کوانتومی است. این اسکی باز کوانتومی است. این یک شی است که مثل یک موج عمل میکند، پس در یک جهت و یاجهت دیگر حرکت نمیکند، ولی می‌تواند چند مسیر رادر یک زمان دنبال کند.
چند سال پیش، دنیای علمشوکه شد زمانی که مقاله ای چاپ شد کهشواهد علمیای ارائه می داد که انسجام کوانتومی درونیک باکتری اتفاق میافتد، که فتوسنتز را انجام میدهد. ایده این است که فوتون، ذره نور،نور خورشید، کوانتومِ نور که توسط یک مولکولِکلوروفیل جذب می شود، سپس به چیزی که مرکز برهمکنشنام دارد تحویل می شود، جایی که می تواند به انرژی شیمیاییتبدیل 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 راهِرسیدن به مرکز برهمکنش بدون منهدم شدن بصورت اتلاف گرمایی. انسجام کوانتومی درون یک سلولزنده رخ می دهد. یک ایده قابل توجه، و هنوز شواهد تقریبا هفتگی در حال افزایشهستند، مقالههای جدیدی که بیرون میآیند، تایید می کنند که این پدیدهقطعا رخ میدهد.
مثال سوم و نهایی من زیباترین وعالی ترین ایده است. این هنوز خیلی بر مبنای حدسیات است،اما باید آن را با شما به اشتراک بگذارم. سینه سرخ اروپایی از اسکاندیناویمهاجرت می کند به سمت پایین تا مدیترانه، هر پاییز، و مثل خیلی دیگر از حیوانات دریاییو حتی حشرات، با حس کردن میدان مغناطیسی زمینمسیریابی می کنند. حال، میدان مغناطیسی زمینخیلی خیلی ضعیف است ۱۰۰ بار ضعیف تر از آهنربایِ روی در یخچال، و با این حال -- به نوعی--بر شیمیِدرون یک ارگانیسم زنده اثر می کند. در این شکی نیست-- یک زوجپرنده شناس آلمانی ولفگانگ و رزویتا ویلتشکودر دهه ۱۹۷۰ آن را تایید کردند، سینه سرخ راهش را به نوعی از طریق حس کردنمیدان 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 کهجفت شدگی کوانتومی نام دارد انجام می دهد. در شبکیه سینه سرخ-- باهاتون شوخی نمی کنم-- درون شبکیه سینه سرخپروتئینی هست به نام کریپتوکروم، که به نور حساس است. درون کریپتوکروم، یک جفت الکترون،جفت شده کوانتومی هستند. حال، جفت شدگی کوانتومی زمانی استکه 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"
(خنده حضار)
پس اگر اینشتین از آن خوشش نمیآید،پس ما همه می توانیم با آن راحت نباشیم. دو الکترونِ جفت شده کوانتومیدرون 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 اینتوضیح صحیح است، ولی وای! جالب نیست که مکانیک کوانتومیبه پرندگان کمک کند که مسیریابی کنند؟ زیست شناسی کوانتومی هنوز دردوران اولیه تکامل خود است. هنوز بر مبنای حدس است. ولی من باور دارم که بر رویعلمی محکم بنا شده است. همینطور فکر می کنم که دردهه پیش رو یا همین حدود، خواهیم دید که در واقع،در زندگی شایع است-- که زندگی ترفندهایی را تکامل داده استکه از جهان کوانتومی بهره می برند. منتظر خبرهای بعدی باشید.
متشکرم.
(تشویق حضار)
