Jim Al-Khalili
1,736,991 views • 16:09

Rád bych vám představil rodící se oblast vědy, která je stále ještě spekulativní, ale obrovsky vzrušující a která se nepochybně velmi rychle rozvíjí. Kvantová biologie si klade velice jednoduchou otázku: Hraje kvantová mechanika ‒ ta podivná a nádherná a mocná teorie subatomárního světa atomů a molekul, který tvoří základ velké části moderní fyziky a chemie ‒ také nějakou roli v živých buňkách? Jinými slovy: Existují v živých organismech procesy, mechanismy, jevy, které lze vysvětlit výlučně pomocí kvantové mechaniky? Kvantová biologie není nová věc. Objevila se někdy na začátku 30. let. Ale teprve v posledních asi deseti letech došlo na pečlivé experimenty ‒ v biochemických laboratořích, za použití spektroskopie ‒ které nám daly velmi jasné a pádné důkazy, že existují určité specifické mechanismy, které se bez kvantové mechaniky nedají vysvětlit.

Kvantová biologie spojuje kvantové fyziky, biochemiky, molekulární biology ‒ je velice interdisciplinární vědou. Mým oborem je kvantová fyzika, jsem jaderný fyzik.

Přes třicet let se snažím do kvantové mechaniky nějak proniknout. Jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky, Niels Bohr, říkal: „Pokud vás nenaplňuje úžasem, tak jste ji nepochopili.“ Mám tak trochu štěstí, že mě pořád ještě úžasem naplňuje. To je dobře. Znamená to ale, že studuji nejmenší struktury ve vesmíru – základní kameny reality. Když uvážíme škálu rozměrů, začneme u obyčejných věcí jako je tenisový míček a půjdeme vždy o řád směrem dolů – přes ucho jehly k buňce, dál k bakterii, enzymu ‒ až se nakonec dostaneme do nano-světa.

Asi jste už slyšeli o pojmu nanotechnologie. Nanometr je miliardtina metru. Mým oborem jsou atomová jádra, což jsou ty malinké tečky uvnitř atomů. To je ještě o řád menší rozměr. Je to oblast kvantové mechaniky a fyzikům a chemikům trvalo hodně dlouho, než si ji vyzkoušeli a než si na ni zvykli. Naopak biologové si to podle mě trošku ulehčili. Ke štěstí jim úplně stačí modely molekul z tyček a míčků.

(Smích)

Míčky jsou atomy a tyčky vazby mezi nimi. A když je nedokážou fyzicky sestavit v laboratoři, mají dnes velmi výkonné počítače, které jim obrovské molekuly nasimulují. Toto je protein tvořený 100 000 atomy. K jeho vysvětlení nepotřebují příliš přemýšlet o kvantové mechanice. Kvantová mechanika se objevila ve 20. letech 20. století. Je to soubor krásných a mocných matematických pravidel a myšlenek, které vysvětlují svět velmi malých částí. Je to úplně jiný svět, než jaký denně vidíme, který je tvořen biliony atomů. Je to svět postavený na pravděpodobnosti a náhodě. Velice mlhavý svět. Svět fantomů, kde se částice umí také chovat jako rozprostírající se vlny.

Pokud si kvantovou mechaniku nebo kvantovou fyziku představíme jako základní podstatu samotné reality, tak nás nepřekvapí, když se říká, že kvantová fyzika tvoří základ organické chemie. Konec konců dává nám pravidla, která říkají, jak se atomy spojují a tvoří organické molekuly. Od organické chemie vede cesta k řádově složitější molekulární biologii, která pochopitelně vede až k samotnému životu. Takže to vlastně není vůbec překvapivé. Je to skoro banální. Řeknete si: „No pochopitelně, že život v zásadě závisí na kvantové mechanice.“ Ale stejně tak všechno ostatní. Všechna neživá hmota tvořená biliony atomů.

Na počátku je vždy kvantová úroveň, na které se musíme ponořit do těhle podivností. Ale v každodenním životě na to nemusíme myslet. Protože jakmile dáte dohromady miliardy atomů, kvantové podivnosti se prostě rozplynou. Kvantová biologie o tomhle není. Není tak jednoznačná. Kvantová mechanika samozřejmě tvoří základ života na molekulární úrovni. Ale kvantová biologie hledá netriviální názory ‒ myšlenky, které se v kvantové mechanice příčí intuici ‒ a zjišťuje, jestli skutečně hrají důležitou roli při popisu životních procesů.

Dám vám svůj nejlepší příklad, jak se kvantový svět chová navzdory očekávání. Toto je kvantový lyžař. Zdá se, že je celistvý, vypadá naprosto zdravě, a přesto se zdá, že kolem toho stromu projel z obou stran současně. Kdybyste takové stopy viděli, napadlo by vás, že jde o nějaký kaskadérský kousek. Ale v kvantovém světě se to děje v jednom kuse. Částice dělají víc věcí naráz, mohou být na dvou místech najednou. Umí dělat více než jednu věc současně. Částice se mohou šířit jako vlny. Je to téměř magie.

Fyzici a chemici si na tyto podivnosti zvykali skoro celé století. Nevyčítám biologům, že se nemuseli nebo nepotřebovali kvantovou mechaniku učit.

Tyhle podivnosti jsou velmi delikátní a nám fyzikům dá hodně práce je laboratorně potvrdit. Chladíme své soustavy skoro k absolutní nule, pokusy provádíme ve vakuu, snažíme se je izolovat od jakýchkoliv vnějších vlivů. Je to úplně jiné než teplé, zaneřáděné, hlučné prostředí v živé buňce. Biologie jako taková, pokud se bavíme o té molekulární, je docela úspěšná v tom, jak popisuje životní procesy z pohedu chemie ‒ chemických reakcí. Jsou to redukcionistické a deterministické chemické reakce, které ukazují, že život je v podstatě vyroben ze stejné hmoty jako vše ostatní a když zapomeneme na kvantovou mechaniku v makrosvětě, tak bychom se jí nemuseli asi zabývat ani v biologii.

No, ale jeden člověk si dovolil s touhle představou nesouhlasit. Erwin Schrödinger, proslavený svojí „Schrödingerovou kočkou“, byl rakouský fyzik. Byl jedním ze zakladatelů kvantové mechaniky ve 20. letech. V roce 1944 napsal knihu „Co je život?“. Měla nesmírný vliv. Ovlivnila Francise Cricka a Jamese Watsona, objevitele dvoušroubovice DNA. Když budu parafrázovat popis v knize, tak říká: Živé organismy mají na molekulární úrovni určitý řád, vlastní strukturu, která se velmi liší od náhodného termodynamického pošťuchování atomů a molekul v neživé hmotě o stejném stupni složitosti.

Vlastně se zdá, že živá hmota se tímto řádem a strukturou řídí stejně jako neživá hmota ochlazená až k absolutní nule, kde kvantové jevy hrají velmi důležitou roli. Je tedy něco zvláštního na struktuře – na řádu – uvnitř živé buňky. Schrödinger se domníval, že kvantová mechanika možná hraje v životě roli. Je to velmi spekulativní a dalekosáhlá myšlenka a opravdu nešla příliš do hloubky.

Ale jak jsem na začátku zmínil, v posledních deseti letech se začaly rozvíjet experimenty, které ukazují, jak některé konkrétní jevy v biologii zdá se kvantovou mechniku vyžadují.

Chci se s vámi podělit jen o pár opravdu vzrušujících případů. Toto je jeden z nejznámějších jevů kvantového světa, kvantové tunelování. V rámečku vlevo je vidět vlnovité, rozprostírající se rozložení kvantové entity – částice, jako je elektron, která nevypadá jako míček odrážející se ode zdi. Je to vlna, u které existuje určitá pravděpodobnost, že projde pevnou stěnou, jako přelud, který proskočí na druhou stranu. V pravé části rámečku vidíte slabou světelnou mlhu. Kvantové tunelování říká, že částice může narazit na nepropustnou bariéru, a přesto nějak, jakoby magicky, zmizet na jedné straně a objevit se na druhé. Nejlépe si to lze vysvětlit tak, že když chcete přehodit míč přes zeď, musíte mu dát dostatek energie, aby se přes ni dostal. V kvantovém světě nemusíte míč přes zeď házet, můžete ho hodit na zeď a on s jistou nenulovou pravděpodobností na vaší straně zmizí a objeví se na druhé.

Tohle mimochodem není spekulace. Jsme rádi – no, „rádi“ není to pravé slovo –

(Smích)

Důvěrně ho známe.

(Smích)

Ke kvantovému tunelování dochází v jednom kuse. Je to vlastně důvod, proč Slunce svítí. Částice spolu fúzují a Slunce mění pomocí kvantového tunelování vodík na helium. Již v 70. a 80. letech bylo zjištěno, že ke kvantovému tunelování dochází i uvnitř živých buněk. Enzymy, tažní koně života, katalyzátory chemických reakcí – jsou biomolekuly, které urychlují chemické reakce v živých buňkách o mnoho řádů. A vždycky bylo záhadou, jak to dělají.

No a zjistilo se, že jedním z triků, který si enzymy vyvinuly k použití, je přesun subatomárních částic, jako jsou elektrony a dokonce protony, z jedné části molekuly do jiné pomocí kvantového tunelování. Je to účinné, rychlé, umožňuje to, aby mizely – proton může z jednoho místa zmizet a objevit se na jiném. Enzymy tomu napomáhají.

Toto je výzkum, který se uskutečnil už v 80. letech, zejména skupinou v Berkeley, Judith Klinmanovou. Jiné skupiny ve Velké Británii teď také potvrdily, že to enzymy skutečně dělají.

Výzkum vedený mojí skupinou – a jak jsem už zmínil, jsem jaderný fyzik, ale uvědomil jsem si, že mám nástroje využívající kvantovou mechaniku v atomových jádrech, a že je mohu aplikovat také v jiných oblastech. Kladli jsme si otázku, jestli kvantové tunelování hraje roli při mutacích v DNA. A to opět není nová myšlenka, je známa už od začátku 60. let. Ta dvě vlákna DNA, struktura dvoušroubovice, drží pohromadě příčkami – vypadá to jako zkroucený žebřík. A ty příčky na žebříku jsou vodíkové vazby – protony, které fungují jako lepidlo mezi těmi dvěma vlákny. Když si je přiblížíte, uvidíte, že drží pohromadě tyto velké molekuly – nukleotidy. Přiblížíme je trochu víc. Tady to je počítačová simulace. Ty dvě bílé kuličky uprostřed jsou protony a vidíte, že je to dvojitá vodíková vazba. Jeden se usadil na jedné straně, druhý na druhé straně těch dvou vláken, těch svislých linií směřujících dolů, které teď nevidíte. Ale může se stát, že tyto dva protony přeskočí. Sledujte ty dvě bílé kuličky. Můžou přeskočit na druhou stranu. Když se pak ta dvě vlákna oddělí, aby začala proces replikace a ty dva protony jsou zrovna na špatném místě, tak to může vést k mutaci.

Ví se o tom už půl století. Otázkou je, jaká je pravděpodobnost, že to udělají a pokud to udělají, tak jak? Přeskočí, jako míč hozený přes zeď? Nebo se přenesou kvantovým tunelováním, i když nemají dostatek energie? Prvotní náznaky napovídají, že v tom může hrát roli kvantové tunelování. Stále ještě nevíme, jak moc důležitou; je to stále ještě otevřená otázka. Jsou to dohady, ale je to jedna z otázek, která je tak důležitá, že pokud kvantová mechanika hraje roli při mutacích, bude to mít určitě velké důsledky v porozumění určitým druhům mutací, možná i těch, které vedou ke změně běžné buňky na rakovinnou.

Dalším příkladem kvantové mechaniky v biologii je kvantová koherence, v jednom z nejdůležitějších procesů v biologii – fotosyntéze: rostliny a bakterie přijímají sluneční světlo a pomocí jeho energie vytváří biomasu. Kvantová koherence je myšlenka multitaskingu mezi kvantovými entitami. To je ten kvantový lyžař. Je to předmět, který se chová jako vlna, takže se nepohybuje jen jedním nebo druhým směrem, ale dokáže se pohybovat současně po více různých drahách.

Před několika lety byl vědecký svět šokován, když byl uveřejněn článek s experimentálními důkazy, že ke kvantové koherenci dochází uvnitř bakterií, které provádějí fotosyntézu. Jde o myšlenku, že foton – částice světla, slunečního světla, kvantum světla zachycené molekulou chlorofylu, je následně doručeno do něčeho, čemu říkáme reakční centrum, kde se může proměnit na chemickou energii. A cestou tam nejde jen po jedné dráze; putuje po více drahách naráz, aby našlo nejefektivnější způsob, jak se dostat do reakčního centra a nerozptýlilo se jako ztrátové teplo. Kvantová koherence, která se odehrává uvnitř živé buňky. Pozoruhodná myšlenka a stále přibývají důkazy skoro každý týden s každým novým vydaným článkem, který potvrzuje, že se to skutečně děje.

Můj třetí a poslední příklad je nejkrásnější, užasná myšlenka. Ještě pořád je hodně spekulativní, ale musím se s vámi o ni podělit. Červenka obecná migruje ze Skandinávie až ke Středozemnímu moři, každý podzim, a jako mnoho dalších mořských živočichů a dokonce i hmyz se řídí podle zemského magnetického pole. Magnetické pole Země je ale velice slaboučké; 100 krát slabší než magnetka na lednici, a přesto nějak ovlivňuje chemii v živých organismech. O tom není pochyb – německý pár ornitologů, Wofgang a Roswitha Wiltschkovi, v 70. letech skutečně potvrdili, že červenky nacházejí cestu tak, že vnímají magnetické pole Země, které jim dává informace o směru – jako vestavěný kompas.

Záhadou ale bylo, jak to dělají. A jediná teorie, kterou máme – nevíme, jestli je to správná teorie, ale je jediná k dispozici – říká, že to dělají pomocí něčeho, čemu se říká kvantové provázání. Na sítnici červenky – bez legrace – uvnitř její sítnice je bílkovina zvaná kryptochrom, která je citlivá na světlo. V kryptochromu je pár elektronů, které jsou kvantově provázány. Ke kvantovému provázání dochází, když jsou dvě částice daleko od sebe, a přesto jsou spolu nějak v kontaktu. Dokonce i Einstein tu myšlenku nenáviděl, říkal tomu „přízračné působení na dálku“.

(Smích)

Takže když se to nelíbí Einsteinovi, tak nám to může být taky proti srsti. Dva kvantově provázané elektrony uvnitř jedné molekuly tancují jemný taneček, který je velmi citlivý na to, kterým směrem pták letí v magnetickém poli Země.

Nevíme, jestli je to správné vysvětlení, ale nebylo by úžasné, kdyby kvantová mechanika sloužila ptákům k navigaci? Kvantová biologie je ještě v plenkách. Stále je spekulativní. Ale věřím, že se zakládá na poctivé vědě. Také si myslím, že v nadcházejících deseti letech začneme poznávat, že vlastně prostupuje vším životem – že život vyvinul triky, jak využívat kvantový svět. Sledujte, co bude dál.

Děkuji vám.

(Potlesk)