Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

Je život kvantový jev? Nové odvětví biologie klade provokativní otázky

aktualizováno 
Objev kvantové mechaniky se řadí mezi největší intelektuální výkony lidstva. Již její průkopníci ve 20. letech minulého století spekulovali, že by tajemné jevy kvantové fyziky mohly vysvětlit podstatu života. Studie z několika posledních let ukazují, že možná nebyli daleko od pravdy. Začíná éra kvantové biologie?

Červenka obecná, okřídlený kvantový kompas | foto: Francis C. Franklin CC-BY-SACreative Commons

Na začátku 21. století biologové stále zkoumají, co je vlastně život. Sada projevů, jako je metabolismus, dráždivost, rozmnožování, o nichž jsme se učili na základní škole? Schopnost systému procházet darwinovskou evolucí? Nebo jen specifický způsob, jak kus hmoty nakládá s informacemi? Definicí jsou doslova stovky a pořád „něco“ chybí. Vysvětlení této otázky by mělo určitě značný dopad na celou společnost. Vědcům by ukázalo, kudy se ubírat při snaze o vytvoření umělého života nebo jak hledat život jinde ve vesmíru. Možná bychom přišli na to, že může existovat i jiný život než „ten náš“ založený na DNA, a to přímo zde na naší planetě.

V případě života platí to, co kdysi prohlásil slavný fyzik Richard Feynman: „Co neumíme sami vytvořit, tomu nerozumíme“. V roce 2010 dokázal průkopník v oblasti syntetické biologie Craig Venter se svým týmem oživit bakterii, do níž vložil zcela uměle sestavenou DNA. Ač to byl ohromný výkon, stvořením života to nazvat nemůžeme – šlo vlastně jen o přeskládání již připravených „součástek“ z přírody. Podle Feynmana tedy stále platí, že životu vlastně nerozumíme. Skupina seriozních vědců však nyní věří, že jsme na prahu nové éry – tvrdí, že jsou na stopě pověstné „životní síly“, kterou je možná samotná fyzikální podstata biologických procesů.

Každodenní kvantová „strašidelnost“

Kvantová mechanika popisuje jevy, které se odehrávají převážně na atomové a subatomové úrovni. Je to svět, v němž nelze popsat fyzikální objekty (částice) pomocí přesně definovaných veličin tak, jak je popisuje klasická fyzika a jak jsme zvyklí z naší běžné reality. Panuje zde fundamentální princip neurčitosti, takže částice lze popisovat pouze na základě pravděpodobnostní vlnové funkce.

Dobře zdokumentované jsou podivné jevy, jako je superpozice (jedna částice může být na dvou místech zároveň nebo rotovat v protichůdných směrech), kvantové tunelování (částice prochází energetickou „zdí“, aniž by na to měla energii), kvantová provázanost (dvě částice se chovají synchronizovaně nehledě na to, jak daleko jsou od sebe vzdálené). Zajímavostí při tom je, že všechny tyto jevy probíhají jen tehdy, dokud nedojde k měření. Jakmile nějakým způsobem získáme informaci, co se s danou částicí děje, přinutíme ji vystoupit z kvantového světa. A protože ve vesmíru dochází k nějakému měření neustále (částice spolu interagují a předávají si informace), naše běžná realita je již klasická: nelze procházet zdmi či být na dvou místech zároveň.

Teoretický základ kvantové mechaniky byl položen ve 20. letech minulého století, a ač některé její projevy vypadají „strašidelně“ (alespoň tak to vnímal Albert Einstein), byly mnohokrát potvrzeny experimenty a využity v praxi. Díky nim dnes používáme například mikroprocesory, elektronové mikroskopy a magnetickou rezonanci – uvádí se, že až třetina současného světového HDP vyplývá z pochopení kvantově mechanických jevů. Velké diskuze se ovšem vedou o tom, jak kvantové podivnosti interpretovat. Jestliže je celý vesmír včetně nás postaven z kvantových částic, které se chovají „strašidelně“, pokud se nikdo nedívá, co to říká o naší realitě? Není divu, že téma během 20. století hluboce ovlivnilo světovou kulturu i filozofii.

Kde najít víc

Anglicky rozumějící čtenář může na YouTube při zadání hesla „quantum biology“ najít několik velmi zajímavých vědeckých seminářů a workshopů s účastí kapacit, jako je například fyzik a nositel Templetonovy ceny Paul Davies či fyzik Jim Al-Khalili a mikrobiolog Johnjoe McFadden, kteří v roce 2014 vydali první popularizační knihu na téma kvantová biologie s názvem „Life on the Edge – The Coming of Age of Quantum Biology“ (Život na hraně ­– Příchod věku kvantové biologie). Právě posledně zmínění autoři ve své knize shrnují veškeré dosavadní výzkumy v různých oblastech a vyslovují i odvážnou hypotézu, o níž se zmíníme na konci článku.

Již dva z prvních objevitelů kvantové mechaniky, fyzikové Niels Bohr a Erwin Schrödinger (známý vyslovením paradoxu o živé/mrtvé kočce), uvažovali o vztahu nově objevených zákonitostí k biologii. Ještě dál došel Schrödinger, jehož esej z roku 1944 „Co je život?“ inspirovala celou následující generaci vědců včetně objevitelů DNA Jamese Watsona a Francise Cricka. Myšlenka spojení kvantové mechaniky s biologií zde byla nastíněna, ale až do začátku 21. století u většiny seriozních vědců budila spíše úsměv. Experimenty s částicemi, které se ocitají v superpozici, tunelují skrz bariéry či jsou na dálku vzájemně provázané, totiž fyzikové většinou realizují ve speciálních přístrojích, v izolovaném prostředí vakua a v teplotách blízkých absolutní nule. Naproti tomu život se odehrává ve velmi teplém, mokrém a rušném prostředí buňky, kde již vládnou zákony klasické fyziky.

S počátkem 21. století se ovšem něco změnilo. V respektovaných vědeckých časopisech začaly vycházet studie dokumentující význam kvantových jevů v biologických procesech, jako je magnetorecepce u ptáků, fotosyntéza, činnost enzymů nebo čich. Díky technologiím 21. století je možné tyto jevy čím dál přesněji měřit na různých místech a pomalu se tak otevírá celé nové vědecké pole: kvantová biologie. A brzy si začala připisovat zajímavé výsledky.

Rostliny jsou kvantové počítače

V letech 2007 až 2010 byly v časopise Nature publikovány první studie dvou nezávislých výzkumných týmů, které oba došly k závěru, že kvantová mechanika hraje důležitou roli ve fotosyntéze. Tento prapodivný jev byl nazván „kvantová procházka“. O co při ní jde?

Když světlo v podobě fotonů dopadá na list rostliny nebo na buňku fotosyntetizující bakterie, je v zájmu života co nejefektivněji tuto energii zužitkovat. Foton dopadne na molekulu chlorofylu a odevzdá svou energii v podobě excitonu, což je jakási miniaturní „baterie“ složená z uvolněného elektronu (záporný náboj) a díry po něm (kladný náboj). Exciton je velmi nestabilní, a pokud nemá jeho energie přijít nazmar, musí co nejdříve překonat vzdálenost několika nanometrů skrz poměrně rozsáhlou molekulu do speciálního reakčního centra, které slouží jako trvalejší úložiště energie. Jakou cestou se při tom vydá?

Schéma průchodu excitonu (tedy ne zcela přesně řečeno kombinace volného elektronu a kladně nabité díry) FMO bílkovinou v průběhu fotosyntézy. Exciton v podstatě putuje několika cestami naráz, byť je na začátku i na konci jen jeden.

Schéma průchodu excitonu (tedy ne zcela přesně řečeno kombinace volného elektronu a kladně nabité díry) FMO bílkovinou v průběhu fotosyntézy. Exciton v podstatě putuje několika cestami naráz, byť je na začátku i na konci jen jeden.

Dříve si vědci mysleli, že trasa excitonu je prostě náhodná, jako chůze vrávorajícího opilce. Tento dílčí proces fotosyntézy má ale ohromující efektivitu téměř 100 % a matematicky to prostě nevycházelo. Jak to, že se téměř žádný exciton neztratí? Zde dochází na kvantovou teorii: ta totiž připouští, že částice v superpozici může putovat několika trasami zároveň v podobě vlnové funkce. A přesně to se prokázalo i v případě fotosyntézy: exciton provádí „kvantovou procházku“ několika cestami zároveň a tam, kde nejdříve dorazí do reakčního centra, se zhmotní a předá svou energii.

Chlorofyl tak vlastně funguje jako kvantový počítač, který bravurně řeší známý matematický problém obchodního cestujícího (to je v podstatě problém, jak matematicky najít nejkratší možnou cestu všemi danými body na mapě, pozn. red.) Princip „kvantové procházky“ fyzikové dobře znají například z tzv. dvojštěrbinového experimentu, učebnicového příkladu kvantové mechaniky, v němž jedna částice (když není pozorována) prolétá oběma štěrbinami stínítka zároveň. Jak se ale tato hra může odehrávat uvnitř mokré a přeplněné živé buňky?

Záhada v oku červenky

Červenka obecná (Erithacus rubecula) je nenápadný ptáček, s nímž se můžeme běžně setkat i u nás (například ve vysílání Slow TV z krmítka v Makově). Populace žijící ve Skandinávii jsou známé tím, že pravidelně migrují do teplejších krajin poblíž Středozemního moře. Jak při tom poznají, kudy mají letět? Již v 70. letech 20. století se zjistilo, že červenka se orientuje mimo jiné s pomocí biologického kompasu (podobně jako třeba poštovní holubi) neboli smyslu pro magnetorecepci.

Zkuste červenku zahlédnout na vlastní oči, klikněte na fotografii:

„Záhadná“ červenka obecná (Erithacus rubecula) na krmítku v Makově. Odchytit si ji můžete sami. Sledujte krmítko 24 hodin denně na Slow TV.

„Záhadná“ červenka obecná (Erithacus rubecula) na krmítku v Makově. Odchytit si ji můžete sami. Sledujte krmítko 24 hodin denně na Slow TV.

Záhadou však bylo, jak to dělá. Při experimentech, kdy vědci migrující ptáky chytili do klece a vystavovali umělému magnetickému poli, se zjistilo několik zajímavých věcí: biologický kompas se musí nacházet v pravém oku (když bylo zakryté, červenka netrefila), funguje jen za světla určité vlnové délky a co je nejzajímavější, nerozlišuje sever a jih, nýbrž sklon magnetických siločar (když vědci póly zaměnili, reagovala červenka stejně, rozdíl způsobila až změna úhlu magnetického pole).

Znázornění směru siločar magnetického pole vůči zemskému povrchu naznačuje, jak by mohly ptáci „vidět“ (a to zřejmě doslova) svým tzv. inklinačním kompasem

Znázornění směru siločar magnetického pole vůči zemskému povrchu naznačuje, jak by mohly ptáci „vidět“ (a to zřejmě doslova) svým tzv. inklinačním kompasem

Jde tedy o takzvaný inklinační kompas. Pták svým pravým okem zřejmě doslova vidí siločáry Země, jež jsou blíže na rovníku téměř rovnoběžné s horizontem, kdežto u pólů míří kolmo do země. Celá věc je tím ještě záhadnější. Jak může nesmírně slabé magnetické pole Země (méně než 100 mikrotesla) ovlivnit jakoukoli chemickou reakci v oku červenky tak, aby mohla siločáry vidět?

V roce 1976 přišel německý chemik Klaus Shulten se studií, za kterou sklidil u editorů časopisu Science a mnoha dalších vědců posměch: magnetorecepce může být způsobena citlivým mechanismem dvou kvantově provázaných volných radikálů. Kvantová provázanost je záhadný projev nelokálního působení, kdy se dvě od sebe odloučené částice chovají synchronizovaným způsobem. Například dva provázané elektrony se ocitnou v superpozici, kdy oba rotují zároveň ve dvou protichůdných směrech (spinech). Když pak jeden z nich při měření (interakci) ukáže svůj jednoznačný spin, změní se okamžitě i spin jeho partnera, ačkoli v tu chvíli může být na třeba na druhém konci vesmíru.

Výsledky z roku 2004 ukazují, že citlivý kompas v oku červenky je nejspíše tvořen právě takto vyladěnými dvojicemi elektronů, které slouží jako „střelka“ určující průběh chemických reakcí. Tyto elektrony zprvu tvoří kvantově provázaný pár v chemických vazbách bílkoviny kryptochrom, která se nachází na sítnici ptačího oka. Když na molekulu dopadne světlo, vznikají volné radikály a dvojice elektronů, které kdysi tvořily vazbu, se tak od sebe vzdálí. Způsob jejich synchronizovaného tance je velmi citlivý i na slabé magnetické pole Země. To sice nedokáže samo rozbít či vytvořit chemickou vazbu, dokáže ale ovlivnit spin „elektronových dvojčat“, a ta následně po boku svých atomů zařídí příslušnou změnu v dalších reakcích. Mozek malého ptáčka tak při letu vlastně pracuje s jednotlivými elektrony!

Enzymy, čich a genetický kód

Kniha Life on the Edge kromě dvou zmíněných příkladů popisuje další slibné oblasti výzkumu. Například se ukázalo, že enzymy, biokatalyzátory, jež jsou zcela zásadní pro fungování všech živých organismů, si při své činnosti pomáhají tunelováním elektronů a dokonce i mnohem větších protonů (vodíkových jader). Jde o další kvantový jev, kdy se částice „odhmotní“ na jedné straně energetické bariéry a následně se objeví na straně druhé. Enzymy tyto principy dokážou inteligentně využít při úžasně efektních reakcích, jako je například totální přestavba pulce v žábu s pomocí kolagenu a enzymu kolagenázy.

Definice života?

  • T. H. Huxley (1868) - Životní síly jsou síly molekulární.
  • E. Schrödinger (1944) Život se zdá být uspořádaným a zákonitým projevem hmoty, jenž se nezakládá výlučně na její tendenci směřovat od pořádku k chaosu, nýbrž dílem na existujícím pořádku, který je udržován.
  • A. de Loof (1993) Život je schopnost komunikovat.
  • Definice NASA (G. Joyce, 1994) Život je samopodpůrný systém schopný prodělávat darwinovskou evoluci.
  • E. Trifonov (2002) Život je skoro přesná replikace.
  • Wikipedia (2016, angl.) - Vzhledem k tomu, že neexistuje jednoznačná definice života, současné porozumění má popisný charakter. Život je charakteristikou něčeho, co vykazuje všechny či většinu z těchto rysů: homeostáze, organizace, metabolismus, růst, adaptace, dráždivost a reprodukce.

Kvantové tunelování možná vysvětlí i dlouholetou záhadu čichu. Po desetiletích výzkumu se totiž stále nedaří zjistit, čím je dán specifický zápach chemických sloučenin. Teorie receptorového klíče a zámku, kdy hraje roli tvar molekuly, nesedí, protože chemikálie s téměř totožnou molekulou mohou mít zcela odlišný pach a naopak zcela rozdílné molekuly mohou vonět podobně. V této záhadě jde přitom o velké peníze – parfumérský průmysl by dal miliony za možnost syntetizovat nové vůně podle chemického klíče. Zatím nejpřesnější vysvětlení spolu s konkrétními experimentálními doklady přináší teorie, že kromě tvaru molekuly jde také o způsob její vibrace. Receptory v našem nose přitom pravděpodobně dokážou tyto vonné vibrace molekul vnímat opět s pomocí mechanismu kvantového tunelování.

Někteří vědci se také vyjadřují ke kvantové informaci v genetickém kódu. Molekula DNA kóduje informace s pomocí čtyř bází aminokyselin spojených vodíkovými můstky a kvantové zákony při tom zajišťují nesmírnou přesnost kopírování genů. To však ještě neznamená, že se jedná o skutečné „kvantové výpočty“, jaké byly objeveny při fotosyntéze. Zatím neověřenou hypotézou zůstává, zda za mutacemi, jež se považují za motor evoluce, právě nestojí inteligentní práce s tunelováním elektronů na úrovni vodíkových vazeb.

Jsem kvantový, tudíž jsem

Věhlasný matematik Roger Penrose před časem přišel s nápadem, že lidská schopnost vědomí musí být umožněna nějakým druhem kvantového výpočtu. S pomocí dalšího vědce, anesteziologa a psychologa Stuarta Hameroffa, v roce 1994 vyslovili hypotézu, že kvantové výpočty by se mohly odehrávat v takzvaných mikrotubulech, proteinových vláknech obalujících nervové buňky. Zdá se, že tento názor za dvacet let většinu neurobiologů a kvantových fyziků nepřesvědčil – mimo jiné proto, že se neprokázalo, že mikrotubuly vůbec hrají nějakou roli ve zpracování informací v mozku.

Přesto výzkumy pokračují dál a objevují se další slibné myšlenky či spekulace spojující mozkové procesy s kvantovou mechanikou. Otázka vědomí je však natolik komplexní, že si na definitivní odpovědi ještě chvíli počkáme. Seth Lloyd z univerzity MIT, který se sám podílel na objevu kvantových procesů ve fotosyntéze, se v jednom televizním pořadu vyjádřil: „Kvantová mechanika je záhada, vědomí je záhada a vlasy Donalda Trumpa jsou záhada – to ale neznamená, že ty tři mají něco společného.“

Obrázek: 10.2. - „Život se odehrává na hraně kvantového a klasického světa. Živá buňka je jako loď, jejíž štíhlý kýl zasahuje až do kvantové úrovně reality a může využívat jevů, jako je kvantové tunelování a provázanost tak, aby se udržela naživu. Toto spojení s kvantovým světem musí žvé buňky aktivně udržovat s pomocí termodynamických bouří – molekulárního šumu – který namísto aby kvantovou koherenci rušil, podporuje ji.“     Obrázek 10.3. - „Možná, že smrt představuje situaci, kdy živé organismy ztratí spojení s uspořádaným kvantovým světem a jdou vydány napospas chaotickým termodynamickým jevům.“

Obrázek: 10.2. - „Život se odehrává na hraně kvantového a klasického světa. Živá buňka je jako loď, jejíž štíhlý kýl zasahuje až do kvantové úrovně reality a může využívat jevů, jako je kvantové tunelování a provázanost tak, aby se udržela naživu. Toto spojení s kvantovým světem musí žvé buňky aktivně udržovat s pomocí termodynamických bouří – molekulárního šumu – který namísto aby kvantovou koherenci rušil, podporuje ji.“ Obrázek 10.3. - „Možná, že smrt představuje situaci, kdy živé organismy ztratí spojení s uspořádaným kvantovým světem a jdou vydány napospas chaotickým termodynamickým jevům.“

Jim Al-Khalili a Johnjoe McFadden v knize Life on the Edge však jdou nad rámec pouhého shrnutí nedávných objevů z oblasti kvantové biologie. Předpovídají, že význam kvantové mechaniky je pro život zcela zásadní – a že možná právě v něm spočívá sama podstata života. V posledních třech letech se totiž hlavně na příkladu fotosyntézy ukázalo, jak je možné, že život dokáže udržet kvantovou koherenci – což je právě onen stav, v němž se mohou projevit efekty jako superpozice, tunelování a provázanost. Na rozdíl od vědců, kteří při experimentech částice izolují v mrazu a vakuu, totiž příroda používá jiný trik.

Uvnitř každé živé buňky najdeme termodynamický chaos mnoha proudících molekul, které vytvářejí trvalý šum. Studie týkající se fotosyntézy ukazují, že právě tento specifický šum o různých frekvencích buňka aktivně moduluje tak, aby kvantové jevy mohly probíhat a přinést biologické výhody. Buňka tak stojí doslova na hraně klasického a kvantového světa, získává informační benefit, ale jen tak, aby nenarušila citlivou kvantovou koherenci.

Autoři z toho vyvozují, že možná právě toto je onen dlouho hledaný životní princip, který dělí kameny, krystaly a mrtvá těla od živých organismů. Buňku si můžeme představit jako loď z pevných materiálů, která pluje v rozbouřeném termodynamickém moři molekul, které tvoří naši klasickou realitu. Aby se v nestabilním a chaotickém prostředí nepřevrátila, používá precizně vyvážený kýl, který zasahuje až hluboko do světa kvantového. Jakmile se však z různých důvodů ono citlivé spojení přeruší, nastává smrt. Zatím je to jen odvážná a hypotéza, kterou není nutné brát vážně - ale kdo ví, zda nás kvantové biologové nakonec o své pravdě nepřesvědčí.

Autor:






Hlavní zprávy

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.