Kuantum Biyolojisi “ Schrödinger’in bakterisi ”

2 Kasım 20182 Kasım 2018 Yönetici 0 yorum

Kuantum Dünyası gerçekten anlaması zor şeylerle, dolu bir yer. Teoride ve bir dereceye kadar uygulamalı, ilkeleri, bir parçacığın bir kerede iki yerde (süperpozisyon olarak bilinen bir paradoksal fenomen) olabileceğini öne sürer ve iki parçacık, hala bilinmeyen bir mekanizma yoluyla geniş mesafelerde bilgi paylaşan “dolaşmış” bir duruma gelebilir.

Kuantum garipliğinin belki de en ünlü örneği 1935 yılında Erwin Schrödinger tarafından tasarlanan bir düşünce deneyi olan Schrödinger’in kedisidir. Avusturyalı fizikçi, potansiyel olarak öldürücü bir radyoaktif madde içeren bir kutuya bir kedinin nasıl yerleştirilebileceğini tasarlarken, kuantum mekaniğinin tuhaf yasalarına göre nasıl sonuçlar olabileceğini hayal etmiştir. En azından kutu açılıncaya ve içeriği gözlenene kadar kedinin hem ölü hem de diri olması söz konusudur.

Göründüğünüz kadarıyla, kavram, kuantum ölçeklerinde sayısız kez deneysel olarak onaylanmıştır. Görünüşte daha basit ve kesinlikle daha sezgisel makroskobik dünyamıza kadar ölçeklendirilmiştir, ancak işler değişti. Hiç kimse, bir yıldız, bir gezegen ya da süper bir kediye ya da bir kuantum dolanma durumuna tanıklık etmemişti. Kuantum teorisinin 20. yüzyılın başlarındaki ilk formülasyonundan beri, bilim adamları mikroskobik ve makroskobik dünyaların tam olarak nereden geçtiğini merak ettiler. Kuantum aleminin büyüklüğü ne kadar büyük olabilirdi ? Bu alem canlıları etkileyebilir miydi ? Son yirmi yıl içinde kuantum biyolojisinin ortaya çıkış alanı, kuantum teorisinin sınırlarını araştırabilecek canlı organizmalar üzerinde deneyler önererek ve deneyler yaparak bu tür sorulara cevap aramıştır.

Bu deneyler şimdiden cesaret verici ama sorular sonuçsuz kaldı. Bu yılın başlarında, araştırmacılar örnek olarak fotosentez sürecini gösterdiler. Burada organizmalar ışık kullanarak enerji kaynağı elde ediyor. Bu sistem bazı kuantum etkiler içerebilir. Kuşların nasıl gittiği veya nasıl koktuğumuz da, canlıların içinde olağandışı şekillerde kuantum etkilerinin meydana gelebileceğini gösterir. Ama bunlar sadece kuantum dünyasına ayak basıyorlar. Şimdiye kadar hiç kimse, tek hücreli bir bakteri bile, tüm canlı bir organizmada, dolaşıklık veya süperpozisyon gibi kuantum etkilerini sergilemeyi başaramadı.

Bu nedenle Oxford Üniversitesi’den bir grubun, fotonlar ile bakterilerin başarılı bir şekilde dolanıklığa girmesi iddiaları dikkateri üzerine çekiyor. Kuantum fizikçi Chiara Marletto tarafından yönetilen ve Ekim ayında Fizik İletişimi Dergisi’nde yayınlanan çalışma, 2016 yılında Sheffield Üniversitesi ve meslektaşlarından David Coles tarafından yapılan bir deneyin bir analizidir. Bu deneyde Coles ve şirket, iki ayna arasında birkaç yüz fotosentetik yeşil sülfür bakterisini ayırdı, aynalar arasındaki boşluğu birkaç yüz nanometreye kadar azalttı. Bir insan saçı genişliğinden daha az. Aynalar arasında beyaz ışığın yansıması ile araştırmacılar, bakteri içindeki fotosentetik moleküllerin boşlukla etkileşime girmesine ümit ediyordu; aslında bakteri, yansıyan fotonları sürekli olarak emer, yayar ve tekrar emer. Deney başarılı oldu; Bu şekilde bakteri sayısı katlanarak arttı.

Marletto ve meslektaşları, bakterilerin sadece boşluklu bir çiftden daha fazlasını yaptığını iddia ediyorlar. Analizlerinde, deneyde üretilen enerji imzasının bakteri içindeki fotosentetik sistemlerin boşluk içindeki ışığa karışmasıyla tutarlı olabileceğini gösterdiler. Özünde, belli fotonların aynı anda bakteri içindeki fotosentetik molekülleri vurmak ve eksik olması gibi görünmektedir. “Modellerimiz, kaydedilen bu fenomenin, ışık ve bakteriler içindeki belirli serbestlik dereceleri arasında bir dolanma imzası olduğunu gösteriyor” diyorlar.

Çalışmaya göre, aynı zamanda Oxford’dan yazar Tristan Farrow, bu tür bir etkinin canlı bir organizmada ilk kez görüldüğü ilk defa. “Eğer yapacaksanız,“ Schrödinger’in bakterisi ”fikrine doğru bir yol olduğumuzu göstermenin kesinlikle anahtarıdır” diyor. Ve doğal olarak ortaya çıkan kuantum biyolojisinin başka bir potansiyel örneğine de işaret ediyor.

Yeşil kükürt bakterileri, yaşam veren ışıkların kıtlığının, fotosentezi hızlandırmak için kuantum-mekanik evrimsel adaptasyonları teşvik ettiği derin okyanuslarda bulunur.

Ancak, bu tür tartışmalı iddialar için birçok uyarı var. İlk olarak ve en önemlisi, bu deneydeki birbirine dolanma kanıtı, olan ışığın yorumlanmasıdır. Marletto ve meslektaşları, kuantum etkilerinden arınmış klasik bir modelin, deney sonuçlarını da hesaba katabileceğini kabul ederler. Ancak, tabii ki fotonlar klasik değil, kuantumdur. Ve yine de Newton’un bakteriler ve fotonların kuantumları için yasalarını kullanan daha gerçekçi bir “yarı-klasik” model, Coles ve meslektaşlarının laboratuvarlarında gözlemledikleri gerçek sonuçları yeniden üretememektedir. Bu, kuantum etkilerinin hem ışıkta hem de bakteride oynadığını ima eder. Kuantum bilgisayar araştırmacısı James Wootton: “Bu biraz dolaylı, ama bence bu sadece bir şeyleri dışarıda bırakmak ve çok fazla şey talep etmek için çok titiz olmaya çalışıyorlar” diyor.

Diğer uyarı ise : bakteri ve foton enerjileri, bağımsız olarak değil, toplu olarak ölçüldü. Bu, araştırmanın bir parçası olmayan Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden Simon Gröblacher’a göre, bu bir sınırlamadır. “Kuantumda devam eden bir şey var gibi görünüyor” diyor. “Ama genelde dolaşıklığı gösterirsek, iki sistemi bağımsız olarak ölçmelisiniz” ifadeler arasındaki herhangi bir kuantum korelasyonu doğrulamak için.

Bu belirsizliklere rağmen, birçok uzman için, kuantum biyolojisinin teorikden, realiteye geçişi, ne zaman ? Kafalarda beliren bir sorudur. Biyolojik sistemlerin dışındaki moleküller, izolasyon ve kollektif olarak, on yıllardır süren laboratuar deneylerinde kuantum etkilerini ortaya çıkarmışlardır, bu nedenle bu etkileri bir bakteri içindeki hatta benzer moleküllere ya da hatta kendi bedenlerimize göre yeterince araştırmak yeterli olacaktır. Bununla birlikte, insanlarda ve diğer büyük çok hücreli organizmalarda, bu tür moleküler kuantum etkilerin önemsizliğe göre ortalaması alınmalıdır. Çok daha küçük bakteriler içindeki anlamlı tezahürleri şok edici olmayacaktır. Gröblacher, “Bu bulgunun ne kadar şaşırtıcı olduğuna dair biraz parçalandım” diyor. “Ama bunu gerçek bir biyolojik sistemde gösterebilirseniz çok heyecan verici.”

Gröblacher ve Farrow tarafından yönetilenler de dahil olmak üzere birçok araştırma grubu bu fikirleri daha da ileriye taşımayı umuyor. Gröblacher, süper-katyonda tardigrad olarak adlandırılan küçük bir su hayvanı oluşturabilecek bir deney tasarladı. Bu, bir tardigradın yüzlerce kat daha büyük boyutuyla karşılaştırılınca bakterileri ışıkla dolanaklığa sokmaktan çok daha zor. Farrow bakteriyel deneyi geliştirmenin yollarını arıyor; Gelecek yıl, o ve meslektaşları ışıkla bağımsız olmak yerine iki bakteriyi bir araya getirmeyi umuyorlar. Farrow “Uzun vadeli hedefler temeldir” diyor. “Bu, gerçekliğin doğasını anlamak ve kuantum etkilerinin biyolojik işlevlerde bir faydası olup olmadığını anlamakla ilgilidir. her şeyin kökeni kuantumdur, ”diye ekliyor, Kuantum etkilerinin canlıların nasıl çalıştığı konusunda bir rol oynayıp oynamadığı işte büyük soru.

Marletto; örneğin, “doğal seleksiyon, canlı sistemlerin kuantum olaylarını doğal olarak sömürme yolları ile ortaya çıkmış olabilir” diyebiliriz. Açık denizdeki, derin denizde fotosentez yapan söz konusu bakteriler örneğinde olduğu gibi, Fakat bunun derinlerine inmek küçük adımlar ister. Araştırma sürekli olarak milyonlarca atomu başarılı bir şekilde birbirine bağlayan son bir deneyle makro seviye deneylerine doğru tırmanıyor. Canlıları oluşturan moleküllerin kanıtlanması, anlamlı bir kuantum etkisi sergiler. Önemsiz amaçlar için olsa bile bu bir sonraki adımdır. Bu kuantum etkisi ile klasik sınırları keşfedip, makroskopik olarak kuantum etkisinin ne anlama geleceğini anlamaya daha fazla yaklaşabilirler.

Ünlü fizikçi Richard Feynman’ın açıkladığı gibi;

“Şundan emin bir biçimde söyleyebilirim ki; kuantum mekaniğini hiç kimse anlamamıştır.”