Jakou roli sehrává kvantový svět v biologii a kosmologii?

Podezíravého čtenáře hned na začátku ujistím, že následující řádky nejsou žádný kvantovým mysticismem, který je tak populární v různých ezoterických kruzích, nýbrž pokusem o seriózní, řekněme vědecko-popularizační, pohled na velmi zajímavá zjištění z posledních let.

Je to již mnoho let, co jsem začal nadšeně hltat knihy, které se snažily nám, běžným smrtelníkům přeložit do pochopitelné řeči jevy z oblasti fyziky, astrofyziky, chemie a dalších a vědeckých oblastí, které jsou primárně doménou specialistů v daných oborech. Když jsem se seznámil se základními principy kvantové mechaniky, prakticky ihned jsem si začal klást otázku, kde je hranice a jak moc je propustná mezi světem kvantové a Newtonovské fyziky v našem, viditelném světě. Ono to totiž hodně dlouho vypadalo, jako by to byly zcela oddělené světy. Podivuhodná říše subatomárního vesmíru, která se řídí zákonitostmi z říše hodně dobře napsané sci-fy, kde se světlo chová jednou jako vlnění, podruhé jako částice, kde je možné, aby se dvě a více částic, propletené v kvantovém provázání, chovaly naprosto totožně bez ohledu na to, jak jsou od sebe vzdáleny, případně aby chování většího množství částic nebylo možné předpovědět deterministicky, ale pouze statisticky, či aby samotný pozorovatel – nebo pozorování – mělo vliv na výsledné chování.

Účelem tohoto článku není seznamovat čtenáře s jednotlivými principy kvantové mechaniky, zájemci si jistě zdroje dokáží vyhledat, ale podívat se, do jakých odvětví poznatky o jevech v kvantovém světě, které se mnohdy vzpírají logice a jsou v rozporu s klasickou mechanikou, pronikají. První doménou jsou samozřejmě ty oblasti, které souvisejí s technologiemi a s fyzikou samotnou. Vývoj polovodičů, různé diagnostické přístroje v medicíně, jaderná energetika, moderní materiály typu uhlíková vlákna atd. atd. Tato oblast je doménou umu člověka a nebude nás nyní také zajímat. Rád bych se s vámi podíval na jevy z našeho pozorovatelného světa, které s kvantovým světem souvisí, a jejichž tvůrcem rozhodně není člověk.

Doktorka Clarice D. Aiello z Kalifornské univerzity je kvantová inženýrka. Na rozdíl od většiny svých kolegů, kteří se věnují výzkumu v technologických oblastech je kvantovou bioložkou a zkoumá jakým způsobem se manifestují kvantové jevy v biologii. Což je něco, s čím se původně vůbec nepočítalo, neboť „pozorovat“ kvantové jevy lze pouze ve specifických podmínkách, například při teplotách blízkých absolutní nule. V okamžiku, kdy dojde k zašumění pozorováním – tedy například k přítomnosti nežádoucích fotonů, dojde ke kvantovému zhroucení a částice se dále chovají tak, jak předpokládá klasická fyzika. Clarice však tvrdí, že přibývá důkazů o tom, jak se příroda za miliony let praxe naučila využívat kvantové jevy ke svému prospěchu. A to i přes to, že jeden z nejcitovanější „důkazů“ byl vyvrácen.

V roce 2007 vyšel v prestižním vědeckém časopise Nature článek, na jehož závěrech se podílel i český vědec, pan docent Tomáš Mančal, (bude o něm ještě řeč), který popisuje, jak kvantová mechanika vysvětluje jednu záhadu týkající se fotosyntézy.

Fotosyntézu si můžeme popsat jako proces, při kterém se mění světelná energie v energii chemických vazeb, které jsou využity, aby z oxidu uhličitého a případně vody vytvořily bohaté organické sloučeniny. Velmi zjednodušeně si to můžeme představit jako proces, kdyby ze sluníčka vyrábí cukr. Proces je notoricky známý drahně let, učí se o něm každý školák a je základem života na zemi. (Většinou je redukován na poznatek, že při fotosyntéze vzniká kyslík. Což je ovšem jen meziprodukt a existuje i fotosyntéza anoxygenní, při které kyslík nevzniká.) Přesto nejsou dodnes všechny jeho dílčí kroky popsány právě proto, že se občas vzpírají současnému poznání založeném na klasické fyzice a organické chemii. Jedna z těchto neznámých byla objasněna právě ve zmíněném článku. O co šlo?

Při fotosyntéze dopadají na listy částice světla, fotony, které zachytávají tzv. excitony. Ty pak transportují zachycenou energii – neudrží jí dlouho – do centrálního úložiště. Cesta k němu je však hodně spletitá a je matematicky prokázané, že musí docházet ke ztrátám – tedy excitony musí občas na svých cestách bloudit a dříve, než dorazí do cíle, se vybít. Experimentálně však bylo dokázáno, že exciton dorazí včas skoro ve 100 % případů. (To by se nám ve fotovoltaice také hodilo). A problém je na světě. Tento fakt je v přímém rozporu s matematickým modelem. Práce v Nature však nabídla řešení. Excitony využívají kvantového jevu zvaného superpozice, tedy jakési schopnosti být na více místech (ve více stavech) najednou (ano, známá kočka pana Schrödingera), a tak jeden z nich najde vždy tu nejkratší cestu a ostatní pak po anglicku zmizí.

Jak jsme si řekli, kvantové jevy mohou nastat pouze ve specifických podmínkách velmi malých hmotnostních a délkových škálách, anebo takových, které si můžeme zjednodušeně představit jako odstínění od ostatního svět(l)a. Jak je tedy možné, že by podobné jevy mohly probíhat v rostlinách? Uvnitř buněk probíhá něco, čemu se říká termodynamický chaos. Něco, co nedává úplně smysl, do té doby, dokud ho nezačneme chápat jako právě ono odstínění. Takové Houdinovské odpoutání pozornosti. Závěr byl, že rostliny jsou vlastně kvantové počítače.

Tento objev je dodnes často citován i ve vědeckých kruzích, ačkoli ho sám spoluautor studie později vyvrátil a dokázal celý proces interpretovat na základě termodynamických zákonů a polarizace atomu.

Mohlo by se zdát, že vše je ztraceno, ale ne tak docela. Tomáš Mančal pouze vyvrátil závěr, že rostliny jsou kvantovým počítačem. Nicméně jevy, které při fotosyntéze probíhají využívají kvantového chování. Protože i samotné termodynamické chování fotosyntetických (chlorofylových) antén, které zachycují světlo a předávají světlo na již zmíněné excitony je důsledkem kvantových jevů. Co z toho plyne? Rostliny samotné nejsou kvantovými počítači, ale v některých dílčích krocích využívají jevů z oblastí kvantové mechaniky.

Druhým známým případem je navigační kompas ptáků. Pokusy ukázaly, že pokud měníme magnetické pole, ptáci netrefí zpět do domovského místa. Tzn. ptáci se nějakým způsobem řídí kompasem citlivým na elektromagnetické pole země. Také se zjistilo, že senzory jsou pouze v jednom oku. Pokud zaslepíme jedno, pták netrefí, pokud druhé, navigace funguje v pořádku. Problém v klasické fyzice nastává v okamžiku, kdy si uvědomíme, že Země má velmi slabé magnetické pole, které není schopné ovlivnit biochemické reakce. A jelikož má na schopnost navigace ptáků vliv pouhé zaslepení oka, je jasné, že se samotný vjem musí manifestovat jako biochemický. Jedno z vysvětlení pochází opět z kvantového světa a využívá jevu provázanosti, kdy jsou konkrétní elektrony na sítnici oka kvantově provázány v chemických vazbách bílkoviny kryptochrom, která se nachází na sítnici ptačího oka. Toto kvantové provázání je velmi citlivé i na malé změny v magnetickém poli. Změny v chování těchto provázaných elektronů následně ve spolupráci se svými atomy již dokáží zprostředkovat i chemickou reakci, která se následně promítne do „vizuálního“ vnímání ptáků. Zde stojí opět za zmínku, že zatím se nepodařilo vypořádat, na úrovni kvantové matematiky, s časovými škálami, které na model kvantové mechaniky nesedí. Tento problém se řeší již léta a zatím vyřešen nebyl.

Vraťme se nyní zpět k doktorce Clarice D. Aiello. Ta popisuje, jak se většinová biologie stále snaží popisovat fyzikálně-biologické popisy na základě klasické fyziky (a jak vidno z příkladu výše, někdy to kvantové vysvětlení může být opravdu mylné), zatímco obor kvantové chemie má stále více důkazů o tom, že k přímé interakci mezi kvantovým světem a buněčným světem je reálný. Clarice ve svém článku přímo říká. „Výzkum základních chemických reakcí při pokojové teplotě jednoznačně ukazuje, že procesy probíhající v biomolekulách, jako jsou proteiny a genetický materiál, jsou výsledkem kvantových jevů. Důležité je, že tyto nanoskopické, krátkodobé kvantové efekty jsou v souladu s řízením některých makroskopických fyziologických procesů, které biologové změřili v živých buňkách a organismech. Výzkum naznačuje, že kvantové efekty ovlivňují biologické funkce, včetně regulace aktivity enzymů, vnímání magnetických polí, buněčného metabolismu a přenosu elektronů v biomolekulách.“

Upozorňuje také na to, že se můžeme opřít o již větší množství důvěryhodných studií, které ukazují na to (vzpomeňme na naše opeřence), že některé fyziologické procesy jsou ovlivnitelné velmi slabým magnetickým polem. Mezi tyto procesy patří například procesy zahrnující vývoj a zrání kmenových buněk, míru proliferace (bujení) buněk a nespočet dalších. Jediná spojitost, jak toto ovlivnění může fungovat, je přes kvantovou provázanost elektronů v buňkách, které jediné mohou na nízké magnetické pole reagovat.

Náznaky toho, že některé procesy v mozkomíšní tekutině našeho mozku, které jsou spjaté s krátkodobou pamětí a samotným vědomím, jsou kvantového původu, přinesl loni výzkum publikovaný v Journal of Physics Communications. Autoři výzkumu ale upozorňují, že se jedná o hypotézu podloženou pozorováním, kterou bude třeba ještě podložit dalším empirickým zkoumáním.

Kvantová biologie je stále v plenkách, nicméně její existence je velmi důležitá, a to ze dvou důvodů. Jednak nestojí úplně na vodě a je podpořena mnoha seriózními výzkumy v oblasti kvantové chemie a pak reaguje na skutečnost, že naše schopnost interpretovat fyzikálně-biologické funkce pouze pomocí klasické fyziky naráží na své limity, a tyto záhadné jevy nabízejí minimálně korelaci s jevy v kvantovém světě.

Na závěr jedna třešnička na dortu z oblasti, která také není doménou lidského umu. Všeobecně přijímaná teorie velkého třesku, tedy toho, že vesmír vznikl před necelými 14 miliardami roků z jakéhosi nic, ve kterém neplatila naše fyzika ani matematika, a proto můžeme poznávat pouze to, co následovalo těsně po této události, má svou konkurenci v kvantové teorii původu vesmíru, která tvrdí, že vesmír žádný počátek a konec nemá. Ten náš, je jedním z mnoha, který se vynořuje z kvantové „tekutiny“ jako vlna. Výzkumníci stojící za touto teorií ve svém modelu dokonce nacházejí řešení – pro dosud nevyřešenou – otázku temné hmoty. Kvantová kosmologie se snaží propojit Einsteinovu obecnou teorii relativity (na které je vystavěna klasická kosmologie) s kvantovou teorií a patří do oblasti seriózního vědeckého zkoumání po boku teorie strun, či teorie mnohovesmíru.

Zdroje:
theconversation.com/quantum-physics-proposes-a-new-way-to-study-biology-and-the-results-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works-204995

iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-6528/ac94be
phys.org/news/2015-02-big-quantum-equation-universe.html