Kvantebiologi

af Robin Engelhardt, cand.scient., Ph.D., forfatter og journalist

‘Livets eksistens må opfattes som en elementær kendsgerning som udgangspunkt for biologien, ligesom virkningskvantet som et irrationelt element udgør atomfysikkens grundlag’.

Sådan skrev Niels Bohr i et foredrag fra 1932 kaldet ‘Lys og liv’ og gjorde sig dermed til den uofficielle fader til ‘kvantebiologien’, en ny og stadig ung forskningsgren, der mener at have fundet eksempler på biologiske systemer, hvor kvantemekanikken spiller en afgørende rolle for deres funktion.

Egentlig burde det være umuligt. Tunneleffekter, entanglement, superposition og alle de andre spøgelsesagtige fænomener, man kender fra kvantemekanikkens overdrev, kan kun foregå på atomart plan, altså i omegnen af en million gange mindre end størrelsen af en celle, og tilmed i vakuum og ved ganske få grader kelvin.

I det komplekse, varme og kaotiske liv i en celle ville en kohærent kvantetilstand, der er kendetegnet ved, at bølgemønstrene af de involverede elementarpartikler er synkroniserede, aldrig kunne overleve. Bølgepakken ville populært sagt kollapse lige så snart, den blev dannet, og man ville altid vide, med Erwin Schrödingers ord, om katten i sækken er død eller levende.

Bohrs tanker om kvantemekaniske effekter inden for biologien har derfor i mere end 70 år været henlagt til annalerne for skøre ideer hos store fysikere. Men ifølge en artikel i det forrige nummer af fagbladet Nature er den slags overvejelser slet ikke så langt ude endda. Philip Ball skriver i en oversigtsartikel om sagen, at nøglen til anvendelige kvantecomputere og mere effektive solceller meget vel kan ligge gemt i planters lys-sensitive finmekanik og i fugles evne til at se og navigere efter Jordens magnetfelt.

Fotosyntesens antenner
Tag fotosyntesen – processen hvormed planter og bakterier laver sollys, vand og kuldioxid om til ilt og organisk materiale. Fotosyntesen blev opfundet af klodens tidligste mikroorganismer for 3,5 milliarder år siden og er grundlaget for Jordens, oceanernes og atmosfærens nuværende sammensætning og dermed forudsætningen for stort set alt komplekst liv.

Biokemikere har den dag i dag ikke helt forstået, hvordan klorofyl i planternes blade formår at absorbere og dirigere fotonerne, dvs. lyspartiklerne fra solen, i retning af plantens kemiske reaktionscenter, hvor lyset omdannes til kemisk energi og sendes videre til opbevaring.

I 2006 fandt Graham R. Flemming og kolleger fra University of California,Berkeley for eksempel ud af, at når fotoner rammer klorofylet i en grøn svovlbakterie kaldet Chlorobium tepidium ved 77K, bliver de exciteret og laver små bølger (kaldet exitoner), ligesom når småsten falder ned i vand.

I stedet for at spredes ukontrolleret ud over det hele findes der nogle klorosomer, som ifølge Flemming agerer som store antenner og samler exitonerne i en kohærent kvantetilstand, hvorved de mange små bølgeenergier samles og sendes som én stor bølge videre i systemet. På den måde kan bakterien høste fotoner over store arealer, finde den bedste vej igennem systemet og optimere energieffektiviteten.

Opdagelsen er siden blevet bekræftet af flere forskerhold, også ved varmere temperaturer, og den viser, at blågrønne alger og bakterier kan pakke solens stråler i sammenfiltrede (entangled) kvantetilstande og sende dem igennem systemet ad flere ruter samtidig. Det viser sig tilmed, at hvad man tidligere troede ville føre til et kollaps af kvantekohærensen, nemlig den enorme støj i omgivelserne, faktisk virker befordrende.

Fysikeren Seth Lloyd fra MIT i Cambridge, USA, kunne i en computersimulation vise, at tilfældig støj i omgivelserne kan øge effektiviteten af energitransporten i fotosyntesen fra 70 til 99 procent. Det foregår via en mekanisme, der minder lidt om radiosignaler, hvor man ved hjælp af modulationen af radiobølger kan reducere den naturlige støj i signalet.

Tunneleffekter
Ifølge Philip Ball kan man også finde andre biologiske systemer, hvor kvanteeffekter spiller en rolle. For eksempel mener kemikeren Judith Klinman fra University of California, Berkeley, at enzymers katalyse af kemiske reaktioner skyldes deres evne til at udnytte kvanteeffekter i hydrogenion-overførslen – i dette tilfælde tunneling, som er en bieffekt af hydrogenatomers partikel-bølge-dualitet, og som gør, at atomerne kan gå igennem vægge og barrierer i stedet for at bruge energi til at klatre hen over dem. Men ikke alle er overbeviste.

»Alle hydrogen-reaktioner involverer en eller anden grad af tunneling, afhængigt af temperaturen,« siger Richard Finke fra Colorado State University i Ford Collins. Med andre ord er kvanteeffekterne ikke noget, enzymerne er blevet selekteret for, men bare en naturlig følge af de kemiske processer, der finder sted på trods af enzymerne.

Men fortalerne for tunneling siger, at enzymer netop selekteres for deres evne til at vibrere og dermed øge tunneleffekten – f.eks. ved at reducere afstanden mellem reagenterne eller ved at opbygge dynamiske effekter, som forstærker den kvantemekanisk-inducerede hydrogenoverførsel.

Tunneleffekten menes også at være afgørende for vores evne til at lugte. Det mener i hvert fald Luca Turin fra University College London. I 1996 fremlagde han en teori om, at neuronerne i det olfaktoriske epitel ikke genkender de fremmede molekyler via deres form, men via deres vibrationer, og at effekten forstærkes via tunneling.

Som bevis fremhæver han den slående lighed i lugten af molekyler, som har samme struktur, men forskellig sammensætning af atomer, hvorimod molekyler med anderledes struktur, men med ens sammensætning (som f.eks. acetophenone og acetophenone-d_8) lugter helt forskelligt fra hinanden.

Fugle ser magnetfelt
Noget peger altså på, at naturen bruger alle de tricks, som overhovedet kan bruges her i verden – og at den desuden kender til nogle tricks, som fysikerne endnu ikke kender. Det svarer meget godt til Niels Bohrs indstilling til kvantemekanikkens forhold til livsprocesserne. I bogen ‘Atomfysik og menneskelig erkendelse’ fra 1957 gjorde Niels Bohr med sin sædvanlige lidt omstændelige stil opmærksom på, at hvis liv kan betragtes ud fra en fysisk-kemisk ramme, må det nødvendigvis også rumme et kvantemekanisk niveau.

Som eksempel, hvor det kunne gøre sig gældende, brugte han det menneskelige øje, der kan sanse ganske få energikvanter. Han pegede også på, at stabiliteten i komplicerede biokemiske reaktioner, der involverer klorofyl og hæmoglobin, som strukturelt ligner klorofyl en hel del (klorofyl indeholder magnesium og ikke jern i centrum af sin chlor-ring), kan skyldes ‘egentlige kvanteprocesser’. Det må kaldes et godt gæt fra Bohrs side.

Bohrs intuition om menneskets øje viser sig muligvis også at holde stik. Man har længe vidst, at visse fugle, reptiler, fisk og insekter kan sanse Jordens magnetfelt og navigere efter det. Et protein i øjet kaldet cryptochrome flavoprotein synes at være i stand til at kombinere de to afgørende elementer, som er nødvendige for at ‘se’ Jordens magnetfelt: Proteinet reagerer sensitivt på bølgelængden af det indkommende lys og måler samtidigt hældningen af magnetfeltet.

Det foregår ved, at fotonen rammer proteinet og skaber to frie radikaler (en oxideret tryptofan-rest og en reduceret flavin- cofaktor), der har et spin (dvs. drejer rundt om sig selv), som reorienteres i retning af magnetfeltet. Proteinet er altså en slags kompas, og ændringen i spin angiver retningen.

Det rigtig interessante i den sammenhæng er, at frie radikaler er kendetegnet ved at have en uparret elektron, som bevæger sig frit omkring. Ifølge Simon Benjamin fra University of Oxford er det netop de to frie elektroner, som er blevet dannet af de to frie radikaler, der er i kvantekohærens med hinanden.

Deres spin er korreleret, ligegyldigt hvor langt de er fra hinanden, og den tid, det tager for kohærensen at kollapse (ifølge deres målinger i omegnen af 100 mikrosekunder), er nok til, at systemets kinetik ændres, og et tredje stof bliver syntetiseret via radikalerne, måske endda alt efter i hvilken retning radikalerne har ændret deres spin.

Lovende anvendelsesområder
Efterhånden som forskerne udvikler en bedre forståelse af planters og dyrs evne til at høste lysenergi og udnytte de kvantemekaniske fiksfakserier, vil der sikkert også opstå ideer til nye teknologier. En oplagt kandidat er kvantecomputeren, som ifølge et forskerhold fra Innsbruck i disse dage er oppe på at kunne holde 14 qubits i en kohærent entangled tilstand.

Ideen med kvantecomputere er at kunne manipulere med data kodet i kvantebits (qubits), der kan eksistere i flere tilstande samtidig og dermed er i stand til at afsøge mulige løsninger til en given beregning på en meget hurtigere måde, end det sker med normale computere i dag.

Problemet med de eksisterende kvantecomputere er dog, at det er meget svært at holde qubits i en kohærent kvantetilstand. Varme og støjfyldte omgivelser har tendens til at kollapse bølgefunktionen, så snart den dannes. Men som vi har set, har planters blade og dyrs øjne formået at holde kohærensen på plads på trods af høje temperaturer og våde og støjende omgivelser. Og det må man da kunne lære noget af.

Comments are closed.



Vi bruger cookies. Mere information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close