Článek
Když se řekne kvantová fyzika, většina lidí si představí něco, co se odehrává hluboko pod hranicí lidského vnímání. Elektrony, fotony, podivné částice a experimenty v dokonale izolovaných laboratořích. Svět živých organismů naproti tomu působí jako přesný opak. Rostliny rostou, ptáci létají, buňky se dělí a člověk dýchá.
Jenže právě tady se v posledních desetiletích objevila fascinující otázka: nemůže být některé biologické „kouzlo“ ve skutečnosti založeno na kvantové fyzice?
Obor, kterému se říká kvantová biologie, se touto možností skutečně zabývá. Nejde přitom o okrajovou teorii hledající fyzikální vysvětlení pro telepatii nebo jiné paranormální jevy. Výzkumníci zkoumají konkrétní molekuly, elektrony, fotony a chemické reakce, u nichž se ukazuje, že jejich chování nelze vždy dostatečně popsat pouze klasickou fyzikou.
A dvě z nejzajímavějších oblastí? Fotosyntéza a ptačí magnetický kompas.
Rostlina jako kvantový sběrač světla
Fotosyntézu známe ze základní školy. Rostlina zachytí světlo, využije vodu a oxid uhličitý a výsledkem je mimo jiné cukr a kyslík.
To nejzajímavější se ale odehrává v nepatrných molekulárních strukturách uvnitř fotosyntetického aparátu.
Když chlorofyl absorbuje foton, energie se musí dostat k tzv. reakčnímu centru, kde se spustí další chemické reakce. A tady vznikla jedna z velkých otázek moderní biologie - jak dokáže příroda tuto energii přenášet tak účinně?
Představme si klasickou představu jako bludiště. Energie by postupovala od jedné molekuly k další, podobně jako člověk hledající cestu chodbami.
Kvantový svět ale dovoluje něco podivnějšího.
Za určitých podmínek se excitace může chovat jako kvantová vlna, která není jednoduše lokalizována na jediném místě. Experimenty na fotosyntetických komplexech skutečně odhalily kvantové koherence a tzv. kvantové „beaty“, tedy oscilace, které odpovídají koherentnímu kvantovému pohybu energie. Významná práce publikovaná v časopise Nature v roce 2007 například ukázala takové chování v komplexu FMO u zelených sirných bakterií.
A tady to začíná být pravdu zajímavé.
Kvantová mechanika umožňuje systému v určitém smyslu zkoumat více možných cest současně. Neznamená to, že rostlina „přemýšlí“, kudy má energie putovat. Ona putuje všude současně. Znamená to, že matematický popis jejího mikroskopického systému obsahuje kvantovou superpozici různých stavů.
Výzkumníci proto začali zkoumat, zda právě tato vlastnost nepomáhá fotosyntetickým komplexům dostat energii účinně tam, kam potřebují.
A tady je důležitá jedna věc - existence kvantové koherence v těchto systémech je experimentálně pozorovaná, ale otázka, jak přesně moc přispívá k biologické účinnosti fotosyntézy, je stále předmětem výzkumu. Interpretace pozorovaných koherencí se například může týkat elektronických, vibračních nebo tzv. vibronických stavů.
Takže tvrzení „fotosyntéza je kvantový proces“ je stále ještě příliš zjednodušené a tento jev je nadále podroben zkoumání.
Přesnější je říct, že fotosyntetické organismy využívají chemii, která je samozřejmě kvantově mechanická, a v některých jejich světlosběrných strukturách byly pozorovány kvantově koherentní jevy, jejichž funkční význam vědci intenzivně zkoumají.
A to je možná ještě zajímavější.
Pták, který vidí magnetické pole
Ještě podivuhodnější příběh se odehrává na obloze.
Některé stěhovavé druhy ptáků se dokážou orientovat podle magnetického pole Země. Nejde jen o to, že by přibližně věděly, kterým směrem je sever. Experimenty ukázaly, že jejich magnetický kompas má velmi neobvyklé vlastnosti.
Například ptačí kompas je tzv. inklinanční kompas. Nepracuje tedy jednoduše jako magnetická střelka ukazující severní a jižní pól. Pták reaguje na směr a sklon magnetických siločar. A jeho schopnost orientace je navíc závislá na světle.
To je samo o sobě pozoruhodné.
Ale ještě zajímavější je možný mechanismus.
Jedním z hlavních kandidátů jsou bílkoviny zvané kryptochromy, které se nacházejí mimo jiné v sítnici ptáků.
Když kryptochrom absorbuje světlo, může dojít k přenosu elektronu a vzniku dvojice částic označovaných jako radikálový pár. Elektrony v takovém systému mají spin, tedy kvantovou vlastnost, která může být ovlivněna magnetickým polem.
A právě tady se dostáváme k něčemu téměř neuvěřitelnému. Magnetické pole Země je nesmírně slabé. Přesto může za určitých podmínek ovlivnit osud kvantového systému uvnitř molekuly.
Podle tzv. modelu radikálového páru může změna kvantového spinového stavu ovlivnit následné chemické reakce. Výsledkem by mohl být biologický mechanismus, který poskytne nervovému systému informaci o směru magnetického pole.
Jinými slovy, pták by nemusel mít v hlavě či zobáku malou „magnetickou střelku“, jak se dříve vědci domnívali.
Je možné, že jeho magnetický kompas je založen na světlem spuštěné kvantové chemii v molekulách oka.
A co je na tom opravdu dokázané?
Právě tady je dobré na chvíli přibrzdit.
Internet někdy udělá z kvantové biologie něco, co věda ve skutečnosti netvrdí. Z existence kvantových procesů v živých organismech totiž automaticky nevyplývá, že vědomí dokáže měnit realitu, že telepatie je kvantová, nebo že paranormální jevy jsou jen dosud nepochopená fyzika.
To jsou úplně jiné otázky.
U ptačí navigace máme velmi zajímavý soubor experimentálních důkazů. Například vystavení ptáků slabým radiofrekvenčním polím může narušit jejich orientaci způsobem, který odpovídá mechanismu radikálových párů.
Výzkum kryptochromů navíc ukázal, že jejich světlem vyvolané radikálové reakce skutečně mohou být citlivé na magnetické pole.
Současně ale vědci stále diskutují o tom, který konkrétní kryptochrom je hlavním magnetoreceptorem a jak přesně celý mechanismus v živém ptákovi funguje. Cry4a je dnes významným kandidátem a experimenty s kryptochromem Cry4a z evropského červenky ukazují magnetickou citlivost jeho radikálových reakcí.
To je rozdíl mezi vědeckým poznáním a definitivním vyřešením celé záhady.
Život nemusí být kvanotový celý
Na kvantové biologii je možná nejzajímavější právě to, že nemusíme hledat kvantové efekty úplně všude.
Živý organismus je chaotický a neustále interaguje s okolím. Kvantová koherence je přitom velmi křehká. Proto se dlouho zdálo, že složitá biologie je pro podobné jevy příliš řekněme hlučné prostředí.
Jenže příroda měla miliardy let na to, aby své molekulární mechanismy vyladila.
A některé biologické systémy možná dokážou využít kvantové vlastnosti právě na velmi krátkých časových a prostorových škálách, než okolní prostředí jejich koherenci zničí.
Nemusí tedy platit představa, že kvantová mechanika nějak řídí celý život.
Mnohem zajímavější možnost je, že evoluce se naučila využívat několik konkrétních kvantových vlastností tam, kde jí poskytují výhodu.
Když příroda předběhla technologii
Na celé věci je fascinující ještě něco jiného.
Člověk dnes staví kvantové počítače, vyvíjí kvantové senzory a snaží se využívat kvantové jevy v technologiích. Příroda přitom některé kvantově mechanické principy využívá v molekulárních systémech už nesmírně dlouho.
Rostlina zachycuje světlo a převádí jeho energii.
Pták se za letu orientuje podle magnetického pole planety.
A na úrovni jednotlivých molekul se při tom odehrávají procesy, které by klasická fyzika sama nedokázala úplně popsat.
A možná právě proto je kvantová biologie tak fascinující. Skutečná příroda je sama o sobě dost podivná a má před námi obrovský náskok.
*
Zdroje použité k tvorbě tohoto textu:
PRIMA ZOOM: pořad Tajemný svět kvantové fyziky
Science mag.cz (https://sciencemag.cz/kryptochrom-muze-za-to-ze-zvirata-vnimaji-magneticke-pole-zeme/)
Nature physics (https://www.nature.com/articles/nphys2474)
Nature physics (https://www.nature.com/articles/nature05678)
PMC (https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4264356/)
PMC (https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4264356/)
