Tytuł oryginału

LIFE ON THE EDGE. The Coming of Age of Quantum Biology

Copyright © Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden 2014

All rights reserved

First published in Great Britain in 2014

by Bantam Press an imprint of Transworld Publishers

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce: Sven Geier

Ilustracje w tekście: HL Studios

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Jarosław Skowroński

Korekta

Katarzyna Kusojć, Zofia Firek

Konsultacja

Mirosław Dworniczak

ISBN 978-83-8097-565-1

Warszawa 2016

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Spis treści

Podziękowania

1. Wstęp

Dla

Penny i Ollie

Julie, Davida i Kate

Podziękowania

Pisanie książki trwało trzy lata, chociaż współpracowaliśmy ze sobą lat dwadzieścia, prowadząc badania w nowej, ekscytującej dziedzinie nauki, która łączy ze sobą fizykę kwantową, biochemię i biologię. Ale gdy powstaje tak międzydyscyplinarna gałąź nauki jak biologia kwantowa, nie sposób stać się ekspertem, który dostatecznie głęboko i z dostateczną pewnością mógłby objaśnić to wszystko, co niezbędne do nakreślenia pełnego obrazu – szczególnie gdy pisze się na ten temat pierwszą książkę dla laików.

Z całą pewnością żaden z nas nie mógłby napisać tej książki samodzielnie, ponieważ każdy z nas ma wiedzę z innej dziedziny – odpowiednio z fizyki i z biologii. Prawdą jest także, że nie moglibyśmy napisać książki, z której bylibyśmy tak dumni, gdyby nie pomoc i porady wielu ludzi, w większości światowej sławy naukowców w swoich dziedzinach.

Jesteśmy wdzięczni Paulowi Daviesowi za wiele cennych dyskusji o mechanice kwantowej i jej znaczeniu w biologii, jakie z nami prowadził w ciągu ostatnich piętnastu lat. Wdzięczni jesteśmy także wielu fizykom, chemikom i biologom czyniącym ogromne postępy w tej nowej dziedzinie, których specjalistycznej wiedzy my nie posiedliśmy. Szczególnie jesteśmy wdzięczni Jennifer Brookes, Gregory’emu Engelowi, Adamowi Godbeerowi, Sethowi Lloydowi, Alexandrze Olaya-Castro, Martinowi Plenio, Sandu Popescu, Thorstenowi Ritzowi, Gregory’emu Scholesowi, Nigelowi Scruttonowi, Paulowi Stevensonowi, Luce Turinowi, Vlatko Vedralowi. Chcieliśmy także podziękować Mireli Dumic, koordynatorce Instytutu Badań Zaawansowanych z uniwersytetu w Surrey, która prawie jednoosobowo zapewniła sukces międzynarodowej szkole, działającej w 2012 roku w Surrey pod nazwą Quantum Biology: Current Status and Opportunities i wspartej finansowo wspólnie przez IAS, BBSRC (Biotechnology and Biological Sciences Research Council) oraz MILES (Models and Mathematics in Life and Social Sciences). Szkoła ta zgromadziła wiele sław naukowych z całego świata – to wciąż rozwijająca się dziedzina i liczba zaangażowanych w niej uczonych jest stosunkowo mała – zajmujących się badaniami w dziedzinie kwantowej biologii, co pozwoliło nam mieć poczucie, że stanowimy część tej ekscytującej wspólnoty badaczy.

Gdy książka osiągnęła już postać wersji roboczej, poprosiliśmy wielu z wyżej wymienionych kolegów o przeczytanie jej i wyrażenie o niej swych opinii. Dlatego szczególnie wdzięczni jesteśmy Martinowi Plenio, Jennifer Brookes, Alexandrze Olaya-Castro, Gregory’emu Scholesowi, Nigelowi Scruttonowi i Luce Turinowi. Chcielibyśmy także podziękować Philipowi Ballowi, Pete’owi Downesowi i Gregowi Knowlesowi za przeczytanie części lub całości maszynopisu i przekazanie nam swoich wnikliwych i jakże pożytecznych komentarzy, które pozwoliły znacznie ulepszyć naszą książkę. Wielkie dzięki należą się naszemu agentowi, Patrickowi Walshowi, bez którego nie powstałaby ta książka, a także Sally Gaminara z wydawnictwa Random House za jej wiarę w nas i entuzjazm z powodu tego projektu. Jeszcze większe podziękowania przekazujemy Patrickowi i Carrie Plitt z Conville & Walsh za ich porady i sugestie odnośnie do formatu i konstrukcji książki oraz pomoc w dopracowaniu wersji końcowej, która lata świetlne odległa jest od swej niezdarnej wersji początkowej. Jesteśmy wdzięczni także Gillian Somerscales za jej błyskotliwą pracę w roli redaktora.

Na końcu, choć w żadnym wypadku nie są one mniej ważne, wyrażamy podziękowania naszym rodzinom za ich bezgraniczne wsparcie, szczególnie w tych okresach, gdy mieliśmy wyznaczone przez siebie i przez wydawcę terminy ostateczne, co związane było z odłożeniem na bok innych obowiązków i zamykaniem się wraz z naszymi laptopami. Straciliśmy rachubę nocy, weekendów i rodzinnych ferii, podczas których biologia kwantowa musiała mieć pierwszeństwo. Wierzymy, że książka jest tego warta.

Miejmy nadzieję, że dla nas obu i dla nowej dziedziny nauki, jaką jest biologia kwantowa, podróż dopiero się zaczyna.

Jim Al-Khalili i Johnjoe McFadden

Sierpień 2014

1

Wstęp

Zimowy mróz pojawił się wcześniej tego roku w Europie i w wieczornym powietrzu czuć przenikliwe zimno. Poczucie celu i determinacja, zakodowane głęboko w mózgu młodej samiczki rudzika, kiedyś niejasne, teraz stają się wyraźniejsze.

Ptak kilka poprzednich tygodni spędził na pożeraniu znacznie większej niż normalnie ilości owadów, pająków, robaków, jagód – i prawie podwoił swoją wagę od czasu, gdy w sierpniu jego potomstwo opuściło gniazdo. Ta nadwyżka wagi to głównie rezerwy tłuszczu, którego samiczka potrzebuje jako paliwa na uciążliwą podróż, do której się już szykuje.

To będzie jej pierwsza migracja ze świerkowego lasu w centralnej Szwecji, gdzie dotąd wiodła swoje krótkie życie i kilka miesięcy temu wychowała pisklęta. Poprzednia zima na szczęście nie była ciężka, bo przed rokiem nie była jeszcze na tyle dorosła i dostatecznie silna, aby odbyć tak długą podróż. Ale teraz, uwolniwszy się od obowiązków rodzicielskich aż do następnej wiosny, może dbać tylko o siebie i jest gotowa uciec przed nadchodzącą zimą na południe w poszukiwaniu cieplejszego klimatu.

Od zachodu słońca minęły dwie godziny. Zamiast usadowić się gdzieś na noc, samiczka przeskakuje w zapadającym mroku na koniec gałęzi ogromnego drzewa, które od wiosny było jej domem. Wstrząsnęła swym ciałem jak rozluźniający mięśnie maratończyk. Pomarańczowa pierś zalśniła w poświacie księżyca. Cały wysiłek włożony w budowę gniazda i troska o jego utrzymanie stają się dla niej tylko słabym wspomnieniem, mimo że znajduje się ono tylko kilkanaście centymetrów dalej, częściowo skryte w mchu pokrywającym korę.

Nie jest jedynym ptakiem szykującym się do odlotu, bo inne rudziki – zarówno samczyki, jak i samiczki – także zdecydowały, że dziś jest odpowiednia noc do rozpoczęcia długiej migracji na południe. Wokół na wszystkich drzewach słychać głośny, przenikliwy śpiew, który zagłusza zwykłe nocne odgłosy. Wygląda na to, że ptaki czują nieodpartą potrzebę ogłoszenia swego odlotu, wysyłając wiadomość innym mieszkańcom lasu, aby dwa razy zastanowili się, zanim opanują ptasie terytorium i opuszczone gniazda. Te rudziki z pewnością planują powrót na wiosnę.

Krótkie skrzywienie główki tu i tam, aby stwierdzić, czy droga jest wolna, i samiczka podrywa się do lotu w nocne niebo. Noce wydłużają się wraz z nadchodzeniem zimy i przed sobą ma dobre dziesięć godzin lotu, zanim znów będzie mogła odpocząć.

Kierunek lotu to kurs 195° (15° odchylenia na zachód od kierunku południowego). W czasie nadchodzących dni będzie lecieć mniej więcej tym samym kursem, pokonując w sprzyjających okolicznościach trzysta dwadzieścia kilometrów dziennie. Nie wie, co może ją czekać w czasie podróży ani jak długo będzie ona trwać. Teren wokół lasu świerkowego jest dobrze jej znany, ale po kilku kilometrach leci już nad obcym krajobrazem jezior, dolin i miast rozświetlonych księżycową poświatą.

Gdzieś w pobliżu Morza Śródziemnego osiągnie cel swojej podróży, choć nie leci do określonego punktu. Gdy przybędzie do odpowiedniego dla niej miejsca, zatrzyma się i zapamięta punkty orientacyjne, tak aby mogła powrócić tam w następnych latach. Jeśli będzie miała dość siły, może dolecieć nawet do północnoafrykańskiego brzegu. Ale to jest jej pierwsza migracja i jej jedynym priorytetem jest teraz ucieczka przed przejmującym chłodem nadchodzącej skandynawskiej zimy.

Nasza samiczka wydaje się nie zważać na otaczające ją, lecące w tym samym kierunku inne rudziki, spośród których pewne osobniki odbywały już tę podróż wiele razy. Doskonale widzi w nocy, ale nie wyszukuje żadnych punktów orientacyjnych – co my byśmy robili, gdybyśmy wybrali się w taką podróż – ani nie śledzi układów gwiazd na jasnym nocnym niebie, aby porównać je ze swoją wewnętrzną mapą nieba, jak czyni to wiele innych migrujących nocą ptaków. Zamiast tego ma zadziwiającą zdolność, wykształconą w ciągu kilkunastu milionów lat ewolucji, dzięki której może dokonać tej corocznej jesiennej migracji na odległość ponad trzech tysięcy kilometrów.

Migracja jest oczywiście zjawiskiem powszechnym w królestwie zwierząt. Na przykład łososie każdej zimy składają ikrę w rzekach i jeziorach Europy Północnej, pozostawiając narybek, który po wylęgu podąża nurtem swej rzeki do morza, a potem północnego Atlantyku, gdzie dorasta i dojrzewa, i po trzech latach powraca do tych samych rzek i jezior, aby się rozmnożyć. Motyle (Danaus plexippus) zwane danaidami wędrownymi albo monarchami migrują jesienią tysiące kilometrów na południe przez całe Stany Zjednoczone Ameryki. Potem powracają na północ – one albo ich potomkowie (bo rozmnażają się po drodze) – do tych samych drzew, na których przepoczwarzały się wiosną. Żółwie zielone (Chelonia mydas), które wykluwają się na plażach wyspy Ascension na południowym Atlantyku, przepływają tysiące kilometrów w oceanie, zanim za trzy lata powrócą dokładnie na te same zaśmiecone skorupkami jaj plaże, z których się wywodzą. Ta lista jest długa: wiele gatunków ptaków, wielorybów, karibu, langust, żab, salamander, a nawet pszczół jest zdolnych do podjęcia podróży, która byłaby wielkim wyzwaniem dla najznamienitszych podróżników – ludzi.

To, jak zwierzęta odnajdują drogę na całym świecie, pozostawało tajemnicą przez stulecia. Teraz wiemy, że posługują się całą gamą metod: niektóre w ciągu dnia używają nawigacji słonecznej, a w nocy astronawigacji; niektóre zapamiętują ukształtowanie terenu; inne nawigują za pomocą węchu. Ale najbardziej tajemniczą ze wszystkich zdolności do nawigacji jest ta, jaką posiada europejski rudzik: to zdolność do detekcji kierunku i natężenia pola magnetycznego Ziemi, zwana magnetorecepcją. Teraz wiemy o wielu innych stworzeniach, które tę zdolność też posiadają, ale sposób, w jaki europejski rudzik (Erithacus rubecula) znajduje drogę na całej kuli ziemskiej, będzie miał istotne znaczenie w naszej opowieści.

Mechanizm, który daje rudzikowi wiedzę, w jakim kierunku i jak daleko lecieć, jest zakodowany w dziedziczonym od rodziców DNA. To bardzo niezwykła i wyrafinowana zdolność – szósty zmysł pozwalający wytyczać ptakowi kurs lotu. Albowiem ma on, jak wiele innych ptaków, a także owadów i stworzeń morskich, zdolność odczuwania słabego pola magnetycznego Ziemi i dzięki temu uzyskiwania informacji o kierunku lotu za pomocą wbudowanego zmysłu nawigacji, który w jego wypadku wymaga posiadania nowego typu kompasu chemicznego.

Magnetorecepcja jest zjawiskiem zagadkowym. Problem polega na tym, że pole magnetyczne Ziemi jest bardzo słabe – na powierzchni Ziemi wynosi od 30 do 70 mikrotesli, co wystarcza do odchylenia dobrze wyważonej i pozbawionej tarcia igły kompasu, ale to zaledwie jedna tysięczna natężenia pola magnesu, jakim zwykle przyczepiamy wiadomości na drzwiach lodówki. Zagadka polega na tym, że aby pole magnetyczne było wyczuwane przez zwierzęta, musi ono w jakiś sposób oddziaływać na reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz ich ciał – tak przecież, przez nas samych i wszystkie inne istoty żyjące, jest odczuwany każdy zewnętrzny sygnał. Ale energia oddziaływania pola magnetycznego Ziemi na molekuły wewnątrz żywych komórek jest miliardy razy mniejsza od energii wymaganej do rozerwania wiązania chemicznego. Jak zatem rudzik może odczuwać pole magnetyczne?

Zagadkowe zjawiska są zawsze interesujące, ponieważ istnieje prawdopodobieństwo, że ich rozwiązanie może doprowadzić do zasadniczej zmiany w pojmowaniu świata. Na przykład w XVI wieku rozważania dotyczące mało ważnego zagadnienia geometrii modelu Układu Słonecznego Ptolemeusza doprowadziły Kopernika do przełomowego odkrycia, że Ziemia nie jest centrum całego Wszechświata. Obsesja Darwina dotycząca rozmieszczenia gatunków zwierząt na Ziemi i zagadka, dlaczego ziarnojady i przedrzeźniacze z całkiem odizolowanej wyspy są tak wyspecjalizowane, umożliwiły mu sformułowanie teorii ewolucji. Niemiecki fizyk Max Planck, rozwiązując zagadkę promieniowania ciała doskonale czarnego, czyli jak gorące obiekty emitują ciepło, doszedł do wniosku, że energia występuje w oddzielnych porcjach nazwanych kwantami – i to w 1900 roku stało się początkiem teorii kwantów. A zatem: czy ustalenie, jak ptaki znajdują drogę wokół kuli ziemskiej, stanie się początkiem rewolucji w biologii? Choć może wydawać się to szokujące, odpowiedź na to pytanie jest twierdząca.

Ale podobne zagadki są także ulubioną pożywką pseudonaukowców i mistyków. Peter Atkins, chemik z Oksfordu, powiedział w 1976 roku, że „wpływ pola magnetycznego na reakcje chemiczne od dawna jest dziedziną, w którą angażuje się wielu szarlatanów”[1]. Istotnie, swego czasu proponowano najrozmaitsze egzotyczne wytłumaczenia mechanizmu nawigacji migrujących ptaków, od telepatii i starożytnych linii łączących prahistoryczne miejsca, rzekomo obdarzone właściwościami magicznymi, do morficznego rezonansu, koncepcji wynalezionej przez kontrowersyjnego parapsychologa Ruperta Sheldrake’a. Zastrzeżenia Atkinsa, wyrażone w latach siedemdziesiątych XX wieku, są zrozumiałe, odzwierciedlają sceptycyzm środowiska naukowego badającego zagadnienie wyczuwania ziemskiego pola magnetycznego przez zwierzęta. Nie było wtedy powodu, aby przyjąć, że odpowiedzialne są za to jakiekolwiek mechanizmy molekularne – przynajmniej żadne znane w konwencjonalnej biochemii.

Ale w tym samym roku, gdy Atkins wypowiedział swe zastrzeżenia, niemieckie małżeństwo ornitologów z Frankfurtu, Wolfgang i Roswitha Wiltschkowie, opublikowało w „Science”, jednym z najważniejszych czasopism naukowych, przełomową pracę, w której poza wszelką wątpliwością dowiedli, że rudziki naprawdę mogą wyczuwać pole magnetyczne Ziemi[2]. Co więcej, wykazali, że ten zmysł ptaków nie działa tak jak zwykły kompas magnetyczny. Bo o ile kompas odróżnia biegun magnetyczny północny od południowego, to rudziki odróżniają biegun od równika.

Aby zrozumieć ptasi kompas, powinniśmy wyobrazić sobie linie pola magnetycznego, niewidoczne linie definiujące kierunek pola magnetycznego, wzdłuż których ustawia się igła kompasu, gdy umieścimy go w tym polu – to znane nam linie wzorca utworzonego przez opiłki żelaza na kartce papieru umieszczonej nad biegunem magnesu. A teraz wyobraźmy sobie, że cała Ziemia jest gigantycznym magnesem sztabkowym z liniami pola wychodzącymi z bieguna południowego, tworzącymi pętlę i znikającymi na biegunie północnym (rysunek 1.1.).

Rysunek 1.1. Pole magnetyczne ziemskie.

Kierunek tych linii w pobliżu każdego z biegunów jest prawie prostopadły do powierzchni, ale im bardziej zbliżają się do równika, tym stają się coraz bardziej płaskie i równoległe do powierzchni. Tak więc kompas, który mierzy kąt nachylenia linii pola magnetycznego względem powierzchni Ziemi, nazywany busolą inklinacyjną, może odróżnić kierunek ku biegunowi od kierunku ku równikowi, ale nie może odróżnić bieguna północnego od bieguna południowego, ponieważ linie pola na obu biegunach są skierowane pod tym samym kątem do powierzchni. Wiltschkowie w swej pracy z 1976 roku ustalili, że zmysł magnetyczny rudzików działa zupełnie tak jak busola inklinacyjna. Problem polegał na tym, że nikt nie miał zielonego pojęcia, na jakiej zasadzie mogłaby ona działać, ponieważ w tamtych czasach po prostu nie znano ani nawet nie wyobrażano sobie mechanizmu pozwalającego organizmowi zwierzęcemu na detekcję kąta nachylenia linii ziemskiego pola magnetycznego. Ten mechanizm okazał się jedną z najbardziej zadziwiających teorii czasów współczesnych i jest oparty na zjawiskach opisywanych przez mechanikę kwantową.

Ukryta upiorna rzeczywistość

Gdyby przeprowadzić wśród uczonych ankietę z pytaniem, która teoria jest ich zdaniem najważniejsza, odnosi największe sukcesy i w historii nauki jest najbardziej brzemienna w następstwa, to odpowiedź prawdopodobnie będzie zależeć od tego, czy pytany jest reprezentantem nauk ścisłych, czy przyrodniczych. Większość biologów będzie uważać za najistotniejszą w dziejach nauki teorię ewolucji Darwina opartą na doborze naturalnym. Jednak dla fizyków to mechanika kwantowa powinna z pewnością dzierżyć palmę pierwszeństwa – przecież to na niej opiera się fundament całej fizyki i chemii, a do tego dzięki niej otrzymujemy zadziwiająco pełny obraz najbardziej podstawowych składników, z jakich zbudowany jest cały Wszechświat. Istotnie, bez jej mocy objaśniającej nie znalibyśmy większości mechanizmów rządzących światem.

Prawie każdy co nieco słyszał o „mechanice kwantowej”, natomiast w powszechnym mniemaniu jest to trudna i zagadkowa dziedzina nauki, rozumiana jedynie przez niewielu mądrych ludzi. Jednak prawda jest taka, że mechanika kwantowa niemal od początku XX wieku odgrywa znaczną rolę w naszym życiu. Ta teoria uzyskała matematyczne podstawy w połowie lat dwudziestych XX wieku w celu wyjaśnienia świata rzeczy bardzo małych (mikroświata, jak to teraz ujmujemy), opisu zachowania atomów, z których składa się wszystko, co widzimy wokół, a nawet do opisu jeszcze mniejszych cząstek, z których zbudowane są te atomy. Na przykład opisując zasady, jakim podlegają elektrony wewnątrz atomów, mechanika kwantowa staje się fundamentem dla całej chemii, dla nauki o materiałach, a nawet dla elektroniki. Pomimo całej swej dziwności zasady matematyczne mechaniki kwantowej są tym, co stanowi istotę postępu technologicznego, jaki dokonał się w drugiej połowie poprzedniego stulecia. Bez wyjaśnienia przez mechanikę kwantową ruchu elektronów w materii nie można zrozumieć własności półprzewodników, które są fundamentem współczesnej elektroniki, a bez zrozumienia półprzewodników nie byłoby tranzystora, a później mikroukładów scalonych i współczesnych komputerów. Tę listę można ciągnąć dalej: bez mechaniki kwantowej nie byłoby laserów, płyt kompaktowych, DVD, a później odtwarzaczy Blu-ray, bez mechaniki kwantowej nie mielibyśmy smartfonów, nawigacji satelitarnej albo tomografów MRI. Istotnie: jak się szacuje, więcej niż jedna trzecia dochodu narodowego brutto krajów rozwiniętych pochodzi z działalności, której nie byłoby, gdybyśmy nie zrozumieli zasad mechaniki świata kwantów.

A to dopiero początek. Możemy oczekiwać w przyszłości powstania kwantowych technologii – z ogromnym prawdopodobieństwem jeszcze za naszego życia – które pozwolą na niemal nieograniczone korzystanie z energii elektrycznej dostarczanej z wywoływanej laserem reakcji termojądrowej, na zbudowanie molekularnych robotów wykonujących najrozmaitsze zadania w dziedzinie inżynierii, technologii biochemicznej i medycyny, na powstanie sztucznej inteligencji wspieranej komputerem kwantowym, a nawet na potencjalne pojawienie się zakrawającej na fantastykę naukową technologii teleportacji, używanej rutynowo do przesyłania informacji. Dwudziestowieczna rewolucja kwantowa zaczyna nabierać rozmachu w wieku XXI i niewyobrażalnie przemieni nasze życie.

Ale właściwie czym jest mechanika kwantowa? Na to pytanie będziemy systematycznie odpowiadać w dalszych rozdziałach tej książki; zaczniemy od kilku przykładów kwantowej rzeczywistości, która jest ukryta, choć stanowi podstawę naszego życia.

Nasz pierwszy przykład ilustruje dziwne własności świata kwantów, bez wątpienia jego najistotniejszą własność: dualizm korpuskularno-falowy. Wiemy już o tym, że my sami, jak i wszystko, co nas otacza, stworzeni jesteśmy z ogromnej ilości maleńkich, odrębnych cząsteczek, takich jak atomy, elektrony, protony i neutrony. Być może wiecie również, że energia, w formie na przykład światła lub dźwięku, ujawnia się w postaci fal, a nie cząstek. Fale są raczej rozprzestrzenione niż zgrupowane w cząstki i rozchodzą się w przestrzeni jako – oczywiście – fale z grzbietami i dolinami, jak fale na morzu. Mechanika kwantowa powstała, gdy w początkach XX wieku odkryto, że subatomowe cząstki mogą zachowywać się jak fale, a fale świetlne zachowują się jak cząstki.

Choć dualizm korpuskularno-falowy nie jest czymś, co powinieneś uwzględniać każdego dnia, jest jednak podstawą działania wielu ważnych urządzeń, takich jak mikroskop elektronowy, który umożliwia lekarzom i naukowcom oglądanie, identyfikację i badanie obiektów zbyt małych, aby można je oglądać w tradycyjnych mikroskopach optycznych, na przykład wirusów, które powodują AIDS albo zwykłą grypę. Inspiracją do powstania mikroskopu elektronowego było odkrycie wykazujące, że elektrony posiadają własności falowe. Niemieccy uczeni Max Knoll i Ernst Ruska zdali sobie sprawę, że skoro długość fali elektronu (odległość pomiędzy sąsiednimi grzbietami fali lub pomiędzy dolinami) jest znacznie mniejsza od długości fali światła widzialnego, to mikroskop oparty na fali elektronowej powinien mieć znacznie większą rozdzielczość niż mikroskop optyczny, co umożliwi zobaczenie znacznie mniejszych detali oglądanego przedmiotu. Tak dzieje się, ponieważ każdy przedmiot mniejszy od długości fali nań padającej nie zaburza jej. Pomyślmy o kilkumetrowych oceanicznych falach, obmywających kamienie na plaży. Badanie tych fal nic nam nie powie o kształcie ani o rozmiarach każdego z kamieni na plaży. W tym celu potrzeba fal o znacznie mniejszej długości, tak jak te wytwarzane w specjalnym zbiorniku na lekcji fizyki, gdy wizualizujemy rozproszenie fal wokół kamienia. Tak więc w 1931 roku Knoll i Ruska zbudowali pierwszy mikroskop elektronowy i uzyskali za jego pomocą zdjęcia wirusów, za co w 1986 roku Ernst Ruska otrzymał Nagrodę Nobla – raczej o wiele za późno, bo dwa lata przed śmiercią.

Nasz następny przykład jest jeszcze bardziej podstawowy. Dlaczego świeci Słońce? Większość ludzi zapewne zdaje sobie sprawę, że Słońce jest w istocie reaktorem termojądrowym, który z wodoru uwalnia ciepło i światło podtrzymujące wszystkie formy życia na Ziemi, ale tylko niektórzy wiedzą, że nie świeciłoby w ogóle, gdyby nie zadziwiająca kwantowa własność, która umożliwia cząstkom „przechodzenie przez ściany”. Słońce – jak wszystkie gwiazdy we Wszechświecie – ma zdolność do emitowania tych ogromnych ilości energii, ponieważ każde jądro atomu wodoru, składające się z pojedynczego dodatnio naładowanego protonu, jest zdolne do fuzji z innym jądrem wodoru i w rezultacie tej reakcji zostaje uwolniona energia w formie promieniowania elektromagnetycznego, które nazywamy światłem słonecznym. Aby doszło do fuzji termojądrowej, jądra wodoru muszą znaleźć się bardzo blisko siebie, ale im bliżej są, tym silniejsze jest odpychanie pomiędzy nimi, ponieważ każde z nich ma ładunek elektryczny dodatni, a ładunki jednoimienne odpychają się. W istocie, żeby zbliżyły się dostatecznie, aby zapoczątkować fuzję, każdy z tych ładunków musi być zdolny do przebicia się przez subatomowy ekwiwalent muru: niemożliwą do przebycia barierę energii potencjalnej. Klasyczna fizyka[3] – zbudowana na newtonowskich prawach ruchu mechanika i grawitacja, która dobrze opisuje ruch piłek, sprężyn, maszyn parowych (a nawet planet) – przewiduje, że nie może do tego dojść: cząstki nie powinny przechodzić przez bariery i z tego powodu Słońce nie powinno świecić.

Ale cząstki podlegające prawom mechaniki kwantowej, takie jak jądro atomu wodoru, mają ukrytego asa w swym rękawie: mogą swobodnie przejść przez taką barierę dzięki procesowi zwanemu „tunelowaniem kwantowym”. Umożliwia to ich dualizm korpuskularno-falowy. Fale potrafią opływać obiekty, takie jak kamienie na plaży, mogą również przepływać przez obiekty, jak fale dźwiękowe, które przechodzą przez ściany, gdy słyszymy telewizor w mieszkaniu sąsiada. Oczywiście powietrze, przenosząc fale dźwiękowe, nie przepływa przez ściany, to drgania powietrza – dźwięk – wzbudzają drgania ścian, które z kolei wytwarzają drgania powietrza w twoim pokoju, przenoszące tę samą falę dźwiękową do twoich uszu. Ale gdybyś miał własności jądra atomowego, to mógłbyś czasami przejść jak duch przez ścianę[4]. Jądro wodoru we wnętrzu Słońca dokonuje właśnie tego: rozpływa się i „przecieka” przez barierę energetyczną jak zjawa, aby w celu fuzji znaleźć się dostatecznie blisko swego partnera po drugiej stronie bariery. A więc gdy następnym razem będziecie zażywali kąpieli słonecznych na plaży, obserwując fale wylewające się na brzeg, pomyślcie przez chwilę o upiornym falowo-korpuskularnym ruchu cząstek kwantowych, który nie tylko dostarcza radości z opalania, ale przede wszystkim umożliwia trwanie życia na naszej planecie.

Trzeci przykład ma związek z poprzednimi, ale ilustruje odmienną i nawet jeszcze upiorniejszą własność świata kwantów, zwaną superpozycją, dzięki której cząstki mogą robić dwie – albo sto, albo milion – rzeczy naraz. Dzięki tej własności nasz Wszechświat stał się bardzo złożony i interesujący. Niedługo po Wielkim Wybuchu, który powołał nasz Wszechświat do istnienia, przestrzeń była zalana tylko jednym typem atomu, wodoru, mającego najprostszą strukturę, na którą składa się jądro zbudowane z pojedynczego dodatnio naładowanego protonu, wokół którego krąży jeden ujemnie naładowany elektron. Wszechświat był wtedy nudnym miejscem, bez gwiazd, bez planet i z pewnością bez organizmów żywych, ponieważ podstawowe bloki tworzące wszystko wokół nas, razem z nami samymi, składają się nie tylko z wodoru, ale też z cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, tlen i żelazo. Na szczęście te pierwiastki zostały wyprodukowane wewnątrz wypełnionych wodorem gwiazd, a ich początkowy składnik, forma wodoru zwana deuterem, zawdzięcza swe istnienie odrobinie kwantowej magii. Pierwszy etap dopiero co opisaliśmy: dwa jądra wodoru, protony, zbliżają się dostatecznie blisko siebie dzięki kwantowemu tunelowaniu i uwalniają część energii, która przekształca się w światło słoneczne ocieplające naszą planetę. Następnie dwa protony muszą złączyć się, a to nie jest takie oczywiste, ponieważ siły działające pomiędzy nimi nie są na tyle mocne, aby je skleić. Wszystkie jądra atomowe składają się z dwóch typów cząstek: protonów i ich elektrycznie neutralnych partnerów, neutronów. Jeśli jądro ma zbyt wiele cząstek jednego typu, to zasady mechaniki kwantowej wymuszają równowagę między nimi, a cząstki nadmiarowe muszą zmienić się w formę przeciwną: protony staną się neutronami, a neutrony protonami dzięki procesowi zwanemu rozpadem beta. Do tego właśnie dochodzi, gdy dwa protony zbliżą się do siebie: twór złożony z dwóch protonów nie może istnieć i dlatego jeden z nich za pomocą rozpadu beta przekształca się w neutron. Pozostały proton i nowy neutron mogą teraz złączyć się w obiekt zwany deuteronem (jądro atomu ciężkiego izotopu[5] wodoru, zwanego deuterem), po czym następne reakcje jądrowe umożliwią powstanie bardziej złożonych jąder pierwiastków cięższych od wodoru, poczynając od helu (z dwoma protonami i jednym albo dwoma neutronami), poprzez węgiel, azot, tlen i tak dalej.

Istotą sprawy jest to, że deuteron istnieje, bo ma zdolność przebywania w dwóch stanach jednocześnie, dzięki kwantowej superpozycji. A to dlatego, że proton i neutron mogą sklejać się na dwa różne sposoby, które wyróżnia ich sposób wirowania, zwany kwantowym spinem. Zobaczymy później, jak ta koncepcja „kwantowego spinu” odróżnia się od znanego nam wirowania obiektów makroskopowych, takich jak piłki tenisowe; ale teraz posłużymy się klasyczną wizualizacją wirującej cząstki i wyobrazimy sobie proton i neutron wirujące razem wewnątrz deuteronu w rytm choreograficznie doskonałej kombinacji wolnego, zmysłowego walca i szybkiego jive’a. W końcu lat trzydziestych XX wieku odkryto, że wewnątrz deuteronu te dwie cząstki nie tańczą razem w jednym lub drugim stanie, ale w obu tych stanach naraz – tańczą jednocześnie walca i jive’a – i ten fakt pozwala im się złączyć[6].

Oczywiście nasuwa się pytanie o to: „skąd o tym wiemy?”. Jasne, że jądro atomowe jest zbyt małe, abyśmy mogli je ujrzeć, a zatem czy nie jest bardziej rozsądnie założyć, że brakuje czegoś naszej wiedzy o siłach jądrowych? Odpowiedź brzmi – nie, bowiem wielokrotnie potwierdzono w wielu laboratoriach, że jeśli proton i neutron wykonywały ekwiwalent albo kwantowego walca, albo kwantowego jive’a, to jądrowe oddziaływanie nie było wystarczająco silne, aby skleić je razem. Tylko wtedy, gdy oba stany były nałożone na siebie – w tym samym czasie istniały dwie rzeczywistości – siły łączące obie cząstki były wystarczające do ich złączenia. Można wyobrażać sobie nałożenie obu rzeczywistości trochę jak zmieszanie dwóch farb o różnych kolorach, niebieskiej i żółtej, aby stworzyć farbę o kolorze zielonym. Chociaż wiemy, że kolor zielony powstaje z dwóch podstawowych kolorów, to nie jest on ani jednym, ani drugim. A różne w tej mieszaninie zawartości niebieskiego i żółtego dają różne odcienie zielonego. Podobnie deuteron jest stabilny, gdy proton i neutron wykonują walca z małą domieszką jive’a.

A więc gdyby cząstki nie mogły jednocześnie wykonywać walca i jive’a, nasz Wszechświat przypominałby zupę z wodoru gazowego i nic więcej – nie świeciłyby żadne gwiazdy, nie powstałyby żadne inne pierwiastki, a wy nie czytalibyście tych słów. Istniejemy dzięki tym bardzo nieintuicyjnym kwantowym własnościom protonów i neutronów.

Ostatni przykład ma związek z technologią i techniką. Własności świata kwantów można wykorzystać nie tylko w celu oglądania maleńkich obiektów jak wirusy, ale także w celu zajrzenia w głąb naszych ciał. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) jest medyczną techniką skaningową, która pozwala uzyskać bardzo szczegółowy obraz tkanki miękkiej. Obrazy MRI są rutynowo uwzględniane w procesie stawiania diagnozy, szczególnie w procesie wykrywania guzów narządów wewnętrznych. W większości popularnych objaśnień zjawiska MRI nie wspomina się, że technika ta wykorzystuje dziwaczne własności świata kwantów. W MRI używa się bardzo silnych magnesów, aby ustawić współliniowo wirujące jądra atomów wodoru wewnątrz ciała pacjenta. Atomy te są następnie poddane impulsowi fali radiowej, która wymusza na ustawionych w jednym kierunku atomach bycie w tym dziwnym stanie kwantowym wirowania w dwóch kierunkach jednocześnie. Nawet nie warto próbować sobie tego wyobrażać, ponieważ tak znacznie odbiega to od naszych codziennych doświadczeń! Najważniejsze w tym jest to, że gdy jądra atomowe powracają do równowagi swego poprzedniego stanu – stanu, w którym przebywały, zanim impuls radiowy wzbudził je do kwantowej superpozycji – uwalniają tę energię, która jest rejestrowana przez elektronikę skanera MRI i następnie użyta do stworzenia bardzo szczegółowych obrazów naszych organów wewnętrznych.

A zatem jeśli kiedykolwiek będziecie leżeć wewnątrz skanera MRI, słuchając być może muzyki przez słuchawki, poświęćcie chwilkę na przypomnienie sobie o tym nieintuicyjnym kwantowym zachowaniu cząstek subatomowych, które umożliwia stosowanie owej techniki.

Biologia kwantowa

Co wspólnego z nawigacją, jaką prowadzi europejski rudzik w czasie swego lotu wokół Ziemi, ma to całe kwantowe dziwactwo? Otóż, jak pamiętacie, badania małżeństwa Wiltschków w początku lat siedemdziesiątych XX wieku wykazały, że zmysł magnetyczny rudzików pracuje podobnie do kompasu inklinacyjnego. W tamtych czasach było to wielce zagadkowe odkrycie, ponieważ nikt nie miał pojęcia, na jakiej zasadzie mógłby działać biologiczny kompas inklinacyjny. Ale mniej więcej w tym samym czasie niemiecki uczony Klaus Schulten interesował się, jak elektrony są przekazywane w reakcjach chemicznych, w których występują wolne rodniki. Są to cząsteczki, które posiadają pojedyncze elektrony na zewnętrznych powłokach elektronowych, w odróżnieniu od większości elektronów, które są sparowane na orbitalach atomowych. To bardzo ważne, gdy rozważa się dziwne kwantowe własności spinu, ponieważ elektrony sparowane mają spiny skierowane w przeciwnych kierunkach, a zatem ich spin całkowity wynosi zero. A pojedyncze elektrony w wolnych rodnikach mają spin niezerowy, co nadaje im właściwości magnetyczne: pole magnetyczne może wymusić ułożenie kierunku takiego spinu wzdłuż swego kierunku.

Schulten zaproponował hipotezę, że pary wolnych rodników, powstałe na skutek reakcji chemicznej, w której pojawia się tak zwany szybki tryplet, mogą swe elektrony kwantowo „splątać”. Z pewnych powodów, które staną się jasne później, taki stan kwantowy dwóch oddzielnych elektronów jest wysoce wrażliwy na kierunek zewnętrznego pola magnetycznego. Schulten wysunął wtedy tezę, że tajemniczy ptasi kompas mógłby opierać się na tego rodzaju mechanizmie kwantowego splątania.

Nie wspominaliśmy dotąd o mechanizmie kwantowego splątania, ponieważ jest to z pewnością najdziwniejsza własność mechaniki kwantowej. Pozwala ona cząstkom, które kiedyś już były razem, na natychmiastową, prawie magiczną, komunikację ze sobą, pomimo oddzielenia wielkimi odległościami. Na przykład cząstki, które już kiedyś były blisko siebie, ale później rozleciały się na przeciwne krańce Wszechświata, mogą, przynajmniej w zasadzie, wciąż być ze sobą powiązane. W rezultacie szturchnięcie jednej z cząstek mogłoby doprowadzić jej odległego partnera do natychmiastowego podskoku[7]. Splątanie zostało wykazane przez pionierów teorii kwantów jako wynikające w sposób naturalny z ich równań, ale implikacje tego zjawiska były tak niezwykłe, że nawet sam Einstein, który dał nam zakrzywione czasoprzestrzenie, a w nich „czarne dziury”, odmówił jego akceptacji, wyśmiewając je jako „upiorne działanie na odległość”. I rzeczywiście, to upiorne działanie na odległość często intryguje różnej maści „kwantowych mistyków”, którzy stawiają przesadzone tezy odnośnie do kwantowego splątania. Uważają między innymi, że wyjaśnia ono paranormalne „zjawiska” takie jak telepatia. Sceptycyzm Einsteina wynikał stąd, że splątanie naruszało podstawowe założenie jego teorii względności mówiące, że żadne oddziaływanie albo sygnał niosący informację nie może rozchodzić się w przestrzeni z prędkością większą niż prędkość światła w próżni. Odległe cząstki, według Einsteina, nie mogą mieć natychmiastowych upiornych połączeń. W tym względzie Einstein mylił się: teraz mamy empiryczną wiedzę, że cząstki kwantowe w istocie mogą mieć natychmiastowe odległe związki. Ale gdybyście się nad tym zastanawiali, kwantowe splątanie nie może być używane w celu uzasadniania telepatii.

Pomysł, że upiorna kwantowa własność splątania może mieć wpływ na zwykłe reakcje chemiczne, uważano na początku lat siedemdziesiątych XX wieku za dziwaczny. W tym czasie wielu uczonych podzielało pogląd Einsteina wątpiącego w realne istnienie splątanych cząstek, ponieważ nikt ich dotąd nie odkrył. Ale po latach wiele bardzo pomysłowych eksperymentów potwierdziło rzeczywistość tych upiornych powiązań, a najbardziej znanego z nich dokonał zespół francuskich fizyków z Uniwersytetu Paryskiego pod kierownictwem Alaina Aspecta na początku 1982 roku.

Zespół Aspecta wytworzył parę fotonów (cząstek światła) o splątanych stanach polaryzacji. Polaryzacja światła jest prawdopodobnie najbardziej znaną własnością światła dzięki przeciwsłonecznym okularom polaryzacyjnym. Każdy foton ma pewną kierunkowość, określaną kątem polaryzacji, która to własność jest trochę podobna do spinu, który omawialiśmy wcześniej[8]. Fotony w świetle słonecznym mają wszystkie możliwe kąty polaryzacji, ale polaryzacyjne okulary przeciwsłoneczne przepuszczają tylko te, które mają określony kąt polaryzacji. Aspect wytworzył pary fotonów o polaryzacji nie tylko różnej – powiedzmy, że jeden z nich miał kierunek polaryzacji w górę, a drugi kierunek polaryzacji w dół – ale też splątanej; podobnie jak nasi poprzedni tańczący partnerzy żaden z nich nie miał określonej polaryzacji, oba fotony miały oba kierunki polaryzacji jednocześnie, dopóki nie zostały zmierzone.

Pomiar to jeden z najbardziej tajemniczych – i bez wątpienia najbardziej dyskutowanych – aspektów mechaniki kwantowej, ponieważ ma związek z pytaniem, które, jesteśmy pewni, musiało już wam przyjść do głowy: dlaczego wszystkie obiekty, jakie widzimy, nie robią tych wspaniałych i dziwnych rzeczy, które potrafią robić kwantowe cząstki? Odpowiedź jest taka, że w tym mikroskopowym kwantowym świecie cząstki mogą zachowywać się w tak dziwny sposób – robić dwie rzeczy jednocześnie, przechodzić przez bariery albo posiadać upiorne połączenia – tylko wtedy, gdy nikt na nie nie patrzy. Gdy już są obserwowane albo w jakiś sposób mierzone, tracą swą dziwaczność i zachowują się jak obiekty klasyczne, które widzimy wokół nas. Ale wtedy, oczywiście, pojawia się następne pytanie: co jest takiego nadzwyczajnego w pomiarze, że pozwala mu na przekształcenie zachowania kwantowego w klasyczne?[9] Odpowiedź na to pytanie ma zasadnicze znaczenie dla naszej historii, ponieważ pomiar leży na granicy rozdzielającej świat klasyczny od kwantowego, na kwantowej krawędzi, gdzie, jak możecie domyślać się po tytule tej książki, według nas pojawia się także życie.

W książce będziemy zgłębiać zagadnienie kwantowego pomiaru i mamy nadzieję, że stopniowo uporacie się z subtelnościami tego tajemniczego procesu. A na razie po prostu przedstawimy najprostszą interpretację tego zagadnienia i wyjaśnimy, że gdy taka kwantowa własność jak stan polaryzacji jest mierzona za pomocą instrumentów naukowych, to natychmiast traci własności kwantowe, takie jak możliwość układania się w wielu kierunkach jednocześnie, i musi stać się konwencjonalną wielkością klasyczną, mającą wyznaczony dokładnie tylko jeden kierunek. Zatem gdy Aspect mierzył stan polaryzacji jednego fotonu ze splątanej pary fotonów poprzez obserwację, czy mógł on przejść przez polaryzator, to foton ów natychmiast tracił swe upiorne połączenie z partnerem i dostosowywał się do pojedynczego kierunku polaryzacji. To samo natychmiast zachodziło z jego partnerem, niezależnie od tego, jak daleko się od niego znajdował. Przynajmniej to przewidywały równania mechaniki kwantowej i w istocie było przyczyną zastrzeżeń Einsteina.

Aspect i jego zespół przeprowadzili swój słynny eksperyment na parach fotonów, które były w laboratorium odseparowane o kilka metrów, wystarczająco daleko, żeby oddziaływanie rozchodzące się z prędkością światła – a teoria względności mówi, że nic nie porusza się szybciej od światła – mogło przebyć tę odległość, aby w jakiś sposób skoordynować ich kąty polaryzacji. A mimo to pomiary na sparowanych cząstkach wykazywały korelacje: gdy polaryzacja jednego z fotonów była skierowana w górę, to u drugiego wykrywano w dół. Od 1982 roku eksperyment był powtarzany na cząstkach odseparowanych odległościami setek kilometrów i wciąż posiadały one tę upiorną własność splątania, której Einstein nie był w stanie zaakceptować.

Do pojawienia się eksperymentu Aspecta brakowało jeszcze kilku lat, gdy Schulten zaproponował hipotezę, że istotną rolę w ptasim kompasie gra splątanie, które wciąż było zjawiskiem budzącym kontrowersje. Ponadto Schulten nie miał pojęcia, jak taka ukryta chemiczna reakcja mogłaby pozwolić rudzikowi na widzenie pola magnetycznego Ziemi. Mówimy tu o „widzeniu” z powodu jeszcze jednej osobliwości odkrytej przez małżeństwo Wiltschków. Choć europejski rudzik jest nocnym migrantem, to aktywacja jego kompasu wymaga małej ilości światła (z niebieskiego końca spektrum światła widzialnego), co wskazuje, że oczy ptaka grają znaczną rolę w sposobie jego działania. Ale to, jak poza widzeniem oczy ptaka umożliwiają wyczuwanie pola magnetycznego, było całkowitą zagadką.

Teoria ptasiego kompasu oparta na mechanice kwantowej poniewierała się w naukowej szufladzie dłużej niż dwadzieścia lat. Schulten powrócił do USA, gdzie na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign stworzył odnoszący naukowe sukcesy zespół specjalistów z chemii teoretycznej. Nigdy jednak nie zapomniał o swej dziwacznej teorii i nieustannie przepisywał swą pracę, proponując potencjalne biomolekuły (cząsteczki wytwarzane w organizmach żywych), które mogą wytwarzać pary wolnych rodników niezbędnych w reakcji szybkiego trypletu. Ale żadne z nich nie pasowały do schematu: albo nie potrafiły wytworzyć pary wolnych rodników, albo nie występowały w oczach ptaków. Dopiero w 1998 roku Schulten przeczytał, że w ptasich oczach został odkryty zagadkowy receptor światła, zwany kryptochromem. Ta wiadomość natychmiast go zelektryzowała, ponieważ kryptochrom okazał się białkiem, które potencjalnie mogło wytwarzać pary wolnych rodników.

Rysunek 1.2. Uczestnicy warsztatów w Surrey z kwantowej biologii w 2012 roku. Od strony lewej do prawej: autorzy, Jim Al-Khalili i Johnjoe McFadden; Vlatko Vedral, Greg Engel, Nigel Scrutton, Thorsten Ritz, Paul Davies, Jennifer Brookes i Greg Scholes.

Do grupy Schultena dołączył ostatnio utalentowany doktorant, Thorsten Ritz. Jako magistrant na uniwersytecie we Frankfurcie Ritz wysłuchał wykładu Schultena o ptasim kompasie i dostał na tym punkcie bzika. Gdy pojawiła się sposobność, wykorzystał szansę na zrobienie doktoratu w laboratorium Schultena, początkowo zajmując się fotosyntezą. Gdy pojawił się temat kryptochromów, zajął się tematem magnetorecepcji i w 2000 roku napisał z Schultenem publikację zatytułowaną Model magnetorecepcji ptaków oparty na fotoreceptorach, w której opisał, jak kryptochrom zaopatruje ptasie oko w kwantowy kompas. (W rozdziale 6 ponownie zajmiemy się tym tematem). Cztery lata później Ritz połączył siły z Wiltschkami, aby przeprowadzić badania europejskich rudzików, które dostarczyły pierwszych eksperymentalnych dowodów potwierdzających tezę, że ptaki używają kwantowego splątania, aby nawigować wokół globu. Schulten cały czas, jak się wydaje, miał rację. Ich wspólna publikacja z 2004 roku, w prestiżowym brytyjskim czasopiśmie naukowym „Nature”, wywołała ogromne zainteresowanie i kwantowy ptasi kompas natychmiast stał się idealnym przykładem nowej gałęzi nauki – kwantowej biologii.

Dlaczego biologia kwantowa budzi tyle emocji, skoro mechanika kwantowa jest czymś zwykłym?

Wcześniej opisywaliśmy kwantowe tunelowanie i kwantową superpozycję zarówno wewnątrz Słońca, jak i w urządzeniach technicznych, takich jak mikroskopy elektronowe i tomografy MRI. Dlaczego w takim razie mielibyśmy być zaskoczeni, jeśli zjawiska kwantowe ujawniają się w biologii? Biologia jest przecież czymś w rodzaju chemii stosowanej, a chemia jest rodzajem fizyki stosowanej. A więc – czy wszystko, razem z nami samymi i innymi istotami żywymi, nie jest po prostu fizyką, gdy w istocie docieramy do samych podstaw? To w rzeczy samej jest argumentem przytaczanym przez wielu uczonych, którzy zgadzają się, że procesy biologiczne na bardzo głębokim poziomie muszą podlegać prawom mechaniki kwantowej, ale kładą przy tym nacisk na to, że ich rola jest trywialna. Chodzi im o to, że ponieważ prawa mechaniki kwantowej rządzą oddziaływaniem atomów, to oczywiście zasady świata kwantowego muszą obowiązywać na najbardziej podstawowym poziomie również w biologii – ale tylko na tym poziomie, i w rezultacie mają niewielki wpływ lub w ogóle go nie mają, gdy bierzemy pod uwagę procesy zachodzące w skalach przestrzennych i czasowych ważnych dla życia.

Ci uczeni mają, przynajmniej częściowo, rację. Biomolekuły, takie jak DNA albo enzymy, są zbudowane z cząstek elementarnych, jak protony i elektrony, których oddziaływania podlegają prawom mechaniki kwantowej. A w takim razie taka jest także struktura książki, którą czytacie, i fotela, na którym siedzicie. Sposób, w jaki chodzicie i mówicie albo jecie, albo śpicie, albo nawet myślicie, musi ostatecznie zależeć od kwantowych oddziaływań elektronów, protonów i innych cząstek, podobnie jak działanie waszego samochodu albo tostera zależy ostatecznie od mechaniki kwantowej. Jednak, ogólnie rzecz biorąc, nie musicie tego wiedzieć. Mechanika samochodowa i większość programów nauczania biologii nie zawierają nawet wzmianki o kwantowym tunelowaniu, splątaniu albo superpozycji. Większość z nas może obejść się bez świadomości tego, że na najbardziej podstawowym poziomie świat podlega zupełnie innym prawom niż te, z którymi jesteśmy obeznani. To całe kwantowe dziwactwo, które zachodzi na poziomie rzeczy ogromnie małych, zwykle nie przejawia się w rzeczach wielkich, jak samochody czy tostery, z którymi mamy codziennie do czynienia.

Ale dlaczego? Piłki nie przelatują przez ściany, ludzie nie mają upiornych połączeń (oprócz fałszywych twierdzeń o telepatii) i niestety nie możemy być i w domu, i w pracy jednocześnie. A jednak cząstki elementarne wewnątrz piłki albo człowieka mogą wyczyniać wszystkie te rzeczy. Dlaczego istnieje ta linia uskoku, ta krawędź pomiędzy światem, który widzimy, i światem, który pod jego powierzchnią realnie istnieje, o czym zapewniają nas fizycy? To jedno z najtrudniejszych zagadnień całej fizyki, które wiąże się ze zjawiskiem kwantowego pomiaru, o którym dopiero co mówiliśmy. Gdy układ kwantowy oddziałuje z klasycznym przyrządem pomiarowym, takim jak na przykład soczewki polaryzatora w eksperymencie Alaina Aspecta, to traci swoją kwantową dziwaczność i zachowuje się jak obiekt klasyczny. Ale pomiary dokonywane przez fizyków nie mogą być odpowiedzialne za to, jak wygląda świat, który nas otacza. Więc czym jest to coś, co na zewnątrz laboratorium fizycznego spełnia podobną funkcję i niszczy zachowanie kwantowe?

Odpowiedź ma związek z tym, jak cząstki są rozłożone i jak poruszają się wewnątrz ogromnego (makroskopowego) obiektu. Atomy i molekuły wewnątrz nieożywionych ciał stałych dążą do losowego rozłożenia i nieregularnych drgań; w cieczach i gazach są one ponadto w stałym stanie chaotycznego ruchu cieplnego. Te czynniki, wymuszające losowe zachowania – rozproszenia, drgania i ruch – powodują, że kwantowo-falowe własności cząstek zanikają bardzo szybko. A więc to wspólne działanie wszystkich kwantowych składników ciała wykonuje „kwantowy pomiar” na każdym z nich i wszystkich jako całości, sprawiając tym samym, że świat wokół nas wygląda normalnie. Aby obserwować kwantowe dziwactwa, trzeba albo znaleźć się w bardzo niezwykłych miejscach (jak wnętrze Słońca), zajrzeć bardzo głęboko do mikroświata (instrumentami takimi jak mikroskop elektronowy), albo dokładnie uszeregować kwantowe cząstki, aby maszerowały równo (tak jak spiny jąder wodoru w twoim ciele, gdy znajdujesz się w tomografie MRI – aż do wyłączenia zewnętrznego pola magnetycznego, gdy kierunki spinu jąder wodoru znów ustawiają się chaotycznie, niszcząc kwantową koherencję). Ten sam rodzaj molekularnej randomizacji jest odpowiedzialny za to, że przez większość czasu radzimy sobie bez mechaniki kwantowej: całe kwantowe dziwactwo jest rozmyte wewnątrz losowo zorientowanych i nieustannie poruszających się konglomeratów cząsteczek tworzących widoczne wokół nas obiekty nieożywione.

Większość czasu… ale nie zawsze. Jak odkrył Schulten, szybkość, z jaką zachodzi reakcja tworzenia szybkiego trypletu, może zostać wyjaśniona, tylko jeśli weźmie się pod uwagę delikatną kwantową własność splątania. Ale szybka reakcja, w której powstaje tryplet, jest właśnie taka: szybka. I bierze w niej udział tylko para molekuł. Aby była ona odpowiedzialna za nawigację ptaka, musiałaby mieć długotrwały wpływ na całego rudzika. Tak więc twierdzenie, że ptasi kompas magnetyczny działa na zasadzie splątania kwantowego, to zupełnie coś innego niż twierdzenie, że splątanie występuje w egzotycznej reakcji chemicznej dotyczącej tylko pary cząstek – i spotkało się ze znacznym sceptycyzmem. Uważano, że komórki organizmów żywych są zbudowane w większości z wody i biomolekuł znajdujących się stale w stanie molekularnego wzbudzenia, które, jak oczekiwano, powinno natychmiast mierzyć i rozpraszać te dziwaczne kwantowe efekty. Pisząc „mierzyć”, nie mamy tu na myśli wykonywania pomiaru takiego jak mierzenie wagi lub temperatury obiektu i trwałego zapisywania wyniku na papierze albo na dysku twardym komputera, albo choćby w swojej głowie. Mówimy tutaj o tym, co się dzieje, gdy molekuła wody wpada na cząstkę splątanej pary: w następstwie tego zdarzenia na ruch molekuły ma wpływ stan tej cząstki, a więc gdybyśmy chcieli badać ruch molekuły wody, musielibyśmy wywnioskować pewne własności cząstki, na którą wpadła. A więc w tym sensie molekuła wody wykonałaby „pomiar”, ponieważ jej ruch dostarczyłby informacji o stanie splątanej pary, niezależnie od tego, czy jest ktoś, kto mógłby to zbadać. Ten rodzaj przypadkowego pomiaru wystarcza zwykle do zniszczenia stanu splątania. Tak więc twierdzenie, że delikatne stany kwantowego splątania mogłyby przeżyć w ciepłych i złożonych wnętrzach komórek żywej materii, przez wielu uważane było za dziwaczną ideę, zakrawającą na szaleństwo.

Ale nasza współczesna wiedza o tych rzeczach zrobiła wielkie postępy – nie tylko w kontekście ptaków. Kwantowe własności, takie jak superpozycja i tunelowanie, odkryto w wielu zjawiskach biologicznych, zaczynając od sposobu, w jaki rośliny przechwytują światło słoneczne, a kończąc na sposobach wytwarzania biomolekuł w komórkach naszych organizmów. Publikacje naukowe z dziedziny kwantowej biologii pojawiają się teraz regularnie w najbardziej prestiżowych czasopismach naukowych i powstała mała, lecz wciąż rosnąca grupa uczonych, którzy uważają, że mechanika kwantowa odgrywa rolę nietrywialną, a w istocie decydującą w zjawisku życia i że życie ma bardzo wyjątkową rolę w podtrzymywaniu tych dziwnych kwantowych własności na granicy światów kwantowego i klasycznego.

O tym, że tych uczonych jest niewielu, przekonaliśmy się, gdy we wrześniu 2012 roku byliśmy gospodarzami międzynarodowych warsztatów z kwantowej biologii na uniwersytecie w Surrey, w których uczestniczyli prawie wszyscy prowadzący badania w tej dziedzinie, i kiedy udało się nam pomieścić ich w niewielkiej sali wykładowej. Ale dziedzina ta rozwija się gwałtownie dzięki entuzjazmowi, jaki wzbudza odkrywanie roli kwantowej mechaniki w codziennych zjawiskach biologicznych. A jeden z najbardziej ekscytujących kierunków badań – mogący mieć ogromny wpływ na rozwój nowych kwantowych technologii – to niedawne rozwiązanie tajemnicy tego, jak kwantowej dziwaczności udaje się przeżyć w gorącym, wilgotnym i chaotycznym środowisku organizmów żywych.

Aby jednak docenić w pełni wagę tych odkryć, musimy najpierw zadać pozornie proste pytanie: czym jest życie?

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

1 P.W. Atkins, Magnetic field effects, „Chemistry in Britain”, vol. 12 (1976), s. 214.

2 S. Emlen, W. Wiltschko, N. Demong, R. Wiltschko, Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings, „Science”, vol. 193 (1976), s. 505–508.

3 Przyjęto, że deterministyczne teorie fizyczne poprzedzające mechanikę kwantową, razem z ogólną i szczególną teorią względności, nazywane są klasyczną fizyką – w odróżnieniu od nieklasycznej mechaniki kwantowej.

4 Chociaż błędny byłby pogląd, że kwantowe tunelowanie wiąże się z przechodzeniem fal fizycznych przez bariery potencjału; zachodzi ono raczej dzięki abstrakcyjnym matematycznym falom, które określają prawdopodobieństwo natychmiastowego znalezienia cząstki kwantowej po drugiej stronie bariery. Wyjaśniając zjawiska kwantowe, staramy się w tej książce podawać intuicyjne analogie, ale w rzeczywistości mechanika kwantowa jest całkowicie nieintuicyjna i z tego względu zawsze istnieje niebezpieczeństwo nadmiernego uproszczenia zagadnienia.

5 Wszystkie pierwiastki chemiczne występują w różnych odmianach zwanych izotopami. Pierwiastek charakteryzuje liczba protonów w jądrze: w wodorze jest jeden proton, w helu dwa i tak dalej. Ale liczba neutronów, jaką zawiera jądro, może być zmienna. Dlatego wodór występuje w trzech odmianach (ma trzy izotopy): atomy normalnego wodoru zawierają tylko jeden pojedynczy proton, podczas gdy cięższe izotopy, deuter i tryt, mają odpowiednio jeszcze jeden albo dwa neutrony w jądrze.

6 W ujęciu matematycznym deuteron zawdzięcza swoją stabilność własności sił jądrowych zwanej „oddziaływaniem tensorowym”, które zmusza parę do przebywania w superpozycji dwóch stanów momentu pędu, zwanych stanem s i stanem d.

7 Musimy od razu wyjaśnić, że fizyka kwantowa nie używa takiego nazbyt uproszczonego języka. Ściślej mówiąc, dwie odległe, ale splątane cząstki są związane nielokalnie, ponieważ są częściami tego samego stanu kwantowego. Ale prawdę mówiąc, to niewiele więcej tłumaczy. Prawda?

8 Jednak, ponieważ światło można uważać zarówno za falę, jak i za cząstkę, pojęcie polaryzacji (w odróżnieniu od spinu) można łatwiej zrozumieć, przyjmując, że jest to kierunek, w którym oscyluje fala świetlna.

9 I znów dążąc do klarowności wywodu, zbytnio upraszczamy zagadnienie. Pomiar konkretnej własności cząstki kwantowej, powiedzmy jej położenia, oznacza, że nie jesteśmy już niepewni, gdzie się ona znajduje – w pewnym sensie pojawia się ona w ognisku i przestaje być zamazana. Jednak to nie oznacza, że teraz zachowuje się jak cząstka klasyczna. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie ma ona teraz ustalonej prędkości. Rzeczywiście, cząstka o ustalonym położeniu będzie, w tym momencie czasu, w superpozycji ruchów ze wszystkimi możliwymi prędkościami we wszystkich możliwych kierunkach. A co się tyczy kwantowego spinu, to ponieważ ta własność jest obecna tylko w świecie kwantowym, pomiar jej oczywiście nie powoduje, że cząstka będzie zachowywać się klasycznie.

PEŁNY SPIS TREŚCI

Podziękowania

1. Wstęp

2. Czym jest życie?

3. Machiny życia

4. Kwantowe dudnienie

5. Gdzie jest dom Nemo

6. Motyl, muszka owocowa i kwantowy rudzik

7. Kwantowe geny

8. Umysł

9. Jak rozpoczęło się życie

10. Biologia kwantowa: życie na skraju sztormu

Epilog. Życie kwantowe