زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت دوم)

زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت دوم)

در قسمت قبلی، با شرح کوتاهی در مورد زیست شناسی کوانتومی، تاریخچه‌ و معرفی مختصر و مفیدی در مورد آن ارائه دادیم. در این قسمت درباره‌ی نقش مکانیک کوانتومی در منشا حیات، صحبت خواهیم کرد.

سازوکار تعامل رویدادهایی که منجر به آغاز حیات در زمین شدند، ناشناخته‌ است، اما واضح است که تکامل، محصول یک قالب ملکولی بوده که می‌تواند تکثیر شود. آیا در آغاز ظهور بسیار ساده‌ی حیات، مکانیک کوانتومی نسبت به اکنون، شایع‌تر بوده؟ اگر فوتوشیمی در تولید ملکول‌هایی که حیات مبتنی بر آن‌هاست، نقش داشته، آیا این نقش، مصداق زیست شناسی کوانتومی است؟ با اینکه این سوالات بسیار مفهومی‌ و نظری‌اند، اما می‌توانند منجر به فرضیات جالبی شوند و شاید روزی بتوان آن‌ها را با آزمایش‌هایی که سپیده‌دم حیات را بازسازی می‌کنند، آزمود.

آیا مکانیک کوانتومی، نقشی در منشا حیات بازی می‌کند؟

منشا حیات، یکی از بزرگترین سوالات حل نشده‌ی علم است. در قرن نوزدهم، بسیاری از دانشمندان معتقد بودند که حیات، نوعی ماده‌ی جادویی است. استفاده‌ی مداوم از «شیمی آلی»، نشانی است که از آن دوران باقی‌مانده است. این فرض که یک دستورالعمل شیمیایی برای حیات وجود دارد، این امید را در دل‌ها زنده کرد که اگر ما فقط جزییات را می‌دانستیم، می‌توانستیم مواد مناسب را در یک لوله‌ی آزمایش، ترکیب کرده و حیات را در آزمایشگاه بسازیم.
بیشتر پژوهش‌ها در پیدایش حیات، دنباله‌روی همین سنت بوده‌اند، یعنی فرض کرده‌اند شیمی، یک پل (البته یک پل طولانی) از ماده به حیات است. توضیح این پل یا مسیر شیمیایی، هدفی بسیار جاه‌طلبانه بود که توسط آزمایش مشهور میلر-یوری (Miller-Urey experiment) در سال 1952 انجام شد که در آن، آمینواسیدها با تابش الکتریسیته از طریق مخلوط آب و گازهای رایج ساخته شدند. اما این مفهوم به یک بن‌بست تبدیل شد و اکنون پیشرفت بیشتر با سنتز شیمیایی پیش‌سازهای زیستی، به طور ناامیدکننده‌ای کند شده است.

باز هم به کتاب مشهور شرودینگر بازگردیم؛ «حیات چیست؟». او استدلال کرد که انتقال پایدار اطلاعات ژنتیکی از نسلی به نسل دیگر و به صورت بیت‌های گسسته، نشان‌دهنده‌ی یک فرایند کوانتومی است؛ اگرچه او از نقش رمزگذاری ژنتیکی بی‌خبر بود. این فرض در آن زمان، منطقی به نظر می‌رسید. مکانیک کوانتومی، مسئله‌ی ماده را با توضیح ساختار ملکولی و اتمی، پیوندهای شیمیایی و ماهیت جامدات حل کرده بود. پس طبیعی به نظر می‌رسید که مکانیک کوانتومی به زودی معمای حالت زنده‌ی ماده را نیز حل کند. اساسا حیات برای یک فیزیکدان، شگفت و حتی در برخی موارد، نامانوس به نظر می‌رسد، چرا که تقریبا هیچ شباهتی به سایر سیستم‌های فیزیکی ندارد. یکی از فرضیات وسوسه‌کننده این است که مکانیک کوانتومی، شگفتی‌هایش را در دل سیستم‌های زنده پنهان کرده است.

زیست شناسی ملکولی با موفقیت ثابت کرد صرفا با استفاده از مدل‌های خام گلوله و میله‌ی ملکول‌ها می‌توان به دیدگاه‌هایی غنی رسید. اما با بلوغ این موضوع، نشانه‌هایی پیدا شدند که گواهی می‌دادند اثرات غیربدیهی کوانتومی می‌توانند اهمیتی حیاتی در عملکرد سیستم‌های زیستی خاصی داشته باشند. آیا در این میان، مکانیک کوانتومی، در منشا حیات هم نقش داشته است؟ اینجا باز هم باید به نکته‌ای که پیش‌تر بیان کردیم، توجه کنیم: ممکن است فکر کنیم بدیهی است که حیات، کوانتومی باشد، زیرا کارکرد سلولی به شکل‌ ملکولی و ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها بستگی دارد، یعنی ویژگی‌هایی که باید به کمک مکانیک کوانتومی توضیح داده شوند. اما منظور کلی از زیست شناسی کوانتومی، اثرات غیربدیهی کوانتومی است، مثلا ماهیت موج‌مانند همدوس ماده، تونل زنی، درهم تنیدگی، اسپین ذاتی، فاز بری، پساانتخاب محیطی یا اثر نگهبان.

پس واضح است که مکانیک کوانتومی در برخی سطوح نمی‌تواند در داستان حیات نادیده گرفته شود، زیرا همگان موافقند که حیات از قلمروی ملکولی ظهور کرده است، حتی اگر هنوز برخی جنبه‌هایش، اسرارآمیز باقی بمانند. جاده‌ای که قلمروی ملکولی را به حیات می‌رساند، بر خلاف نظریه‌های ماده جادویی قرن نوزدهمی است که ضرورتا در مفهوم، ماکروسکوپی بودند. پس با توجه به آنکه ماهیت قلمروی ملکولی، قطعا کوانتومی است، مسئله این است که آیا کلاسیکی بودن قبل از حیات ظهور کرد یا حیات، قبل از کلاسیکی بودن؟ فرضیه اصلی این است که مکانیک کوانتومی، این امکان را به حیات داده تا به طور مستقیم و بدون شیمی پیچیده‌ی حدواسط از دل دنیای اتمی ظهور کند. دید استاندارد این است که یک دوره‌ی طولانی شیمی گلوله و میله‌ که به مرور زمان پیچیده‌تر می‌شد، گذار به نخستین سیستم زنده‌ی واقعا خودمختار (که نمی‌توانسته یک سلول تک باشد و احتمالا یک همکاری سلولی بوده) را ممکن کرد. با این حال، دیدگاهی فلسفی که فرضیه‌ی بیان شده در بالا را پایه‌ریزی می‌کند، این است که راز حیات، فی‌نفسه به پیچیدگی‌اش نسبت داده نمی‌شود، بلکه به توانایی قابل توجه آن در پردازش و تکثیر اطلاعات نسبت داده می‌شود.
 

 شیمی و اطلاعات

اگرچه توافقی در مورد تعریف حیات وجود ندارد، اما تمام موجودات زنده، پردازشگرهای اطلاعات هستند: در واقع آن‌ها یک پایگاه‌ داده‌‌ی ژنتیکی را ذخیره کرده و با خطاهای گاه‌به‌گاه آن را تکثیر می‌کنند که پایه‌ی انتخاب طبیعی است. جهت جریان اطلاعات، از پایین به بالاست: شکل موجود زنده و کیفیات انتخابی‌اش را می‌توان در فرایندهای ملکولی ردیابی کرد. پس این سوال پیش می‌آید: از آنجایی که این اطلاعات از قلمروی کوانتومی جریان می‌یابند، آیا هر اثری از ماهیت کوانتومی‌اش، غیر از تصادفی بودن ارثی‌اش، ظهور می‌یابد؟ ملکول‌های زیستی، هم نقش ملکول‌های شیمیایی خاص و هم نقش ملکول‌های اطلاعاتی را ایفا می‌کنند که دوگانگی فنوتیپ/ژنوتیپ را منعکس می‌کند. در قلمروی کامپیوتر، شیمی مشابه سخت‌افزار است و اطلاعات مشابه نرم‌افزار. برای درک کامل منشا حیات، هم به توضیح سخت‌افزار و هم نرم‌افزار نیاز داریم. بیشتر پژوهش‌ها در زمینه پیداش حیات، با جستجوی یک مسیر شیمیایی محتمل از ماده‌ی بی‌جان به موجود جاندار، در واقع روی جنبه‌ی سخت‌افزاری تمرکز کرده‌اند. اگرچه این کار، به توسعه‌ی نگرش‌ ما درباره‌ی اینکه اجزای سازنده‌ی حیات، چگونه و کجا ممکن است شکل گرفته باشند، کمک شایانی کرده، اما در حل یک مسئله‌ی بسیار مهم‌تر، پیشرفت اندکی حاصل شده: این اجزای سازنده چگونه به یک واحد استادانه سازمان‌یافته که حتی در ساده‌ترین موجودات زنده هم وجود دارد، تبدیل شده‌اند؟ دیدن حیات به صورت پردازش اطلاعات، کل بنیان مفهومی مسئله‌ی پیدایش حیات را تغییر می‌دهد. تولید مثل، یکی از مشخصه‌های حیات است که معمولا زیست‌شناسان، آن را تکثیر ساختارهای مادی، چه ملکول‌های DNA و چه کل سلول‌ها در نظر می‌گیرند. با این حال، تمام چیزی که برای آغاز حیات لازم است، تکثیر اطلاعات است. در سال‌های اخیر، درک ما از ماهیت اطلاعات، تحت تاثیر توسعه‌ی محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی قرار گرفته و نقطه‌ی آغازی آن، جایگزینی بیت کلاسیکی با همتای کوانتومی‌اش، یعنی کیوبیت است. 

با تکامل یک سیستم کوانتومی،‌ اطلاعات پردازش می‌شوند و بهره‌وری پردازش به دلیل برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی که نوعی موازی‌کاری محاسباتی را به ارمغان می‌آورند، افزایش می‌یابد. در برخی شرایط، این بهبود می‌تواند نمایی باشد که افزایش سرعت و قدرت محاسباتی را نسبت به پردازش اطلاعات کلاسیکی توجیه می‌کند. سیستم‌های زیستی، پردازشگرهای اصلی اطلاعات؛ و ملکول‌های اطلاعاتی، RNA و DNA‌ هستند. اگرچه مکانیک کوانتومی برای توضیح ساختار این ملکول‌ها ضروری است، اما وقتی قرار باشد نقش اطلاعاتی آ‌ن‌ها را بررسی کنیم، معمولا مکانیک کوانتومی را نادیده می‌گیریم. یعنی فرض می‌شود ملکول‌های زیستی، به جای بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها، همان بیت‌های کلاسیکی را ذخیره و پردازش می‌کنند. این فرض می‌تواند در برخی شرایط، غلط باشد. پس بهتر است سه احتمال جالب را از هم تمیز دهیم:

  1. مکانیک کوانتومی در ظهور حیات، نقشی کلیدی بازی کرد، اما پس از آن، از بازی کردن در یک نقش مهم، کاملا کناره‌گیری کرد یا به نقشی جزیی بسنده کرد. با این وجود، ممکن است آثار سیستم‌های قدیمی پردازنده‌ی اطلاعات کوانتومی در موجودات زنده‌ی کنونی وجود داشته باشد، درست همانطور که بقایای بیوشیمیایی وجود دارند و سرنخ‌هایی در مورد فرایندهای زیستی قدیمی یا حتی پیش‌زیستی می‌دهند.
  2. حیات به طور کلاسیکی آغاز شد، اما به مرور زمان، برخی ترفندهای کوانتومی که باعث افزایش بهره‌وری می‌شدند، در آن نمو یافتند. مثلا اگر سیستم‌های زیستی می‌توانستند اطلاعات را به طور کوانتومی پردازش کنند، سرعت و قدرت بیشتری بدست آورده و از این حیث، متمایز می‌شدند. بنابراین انتظار می‌رفت انتخاب طبیعی، چنین قابلیت‌هایی را در صورت وجود، کشف و تقویت کند.
  3. حیات به صورت یک سیستم پیچیده‌ی کلاسیکی آغاز شد، اما بعدا به سمت لبه‌ی کوانتومی پیش رفت، جاییکه عدم قطعیت کوانتومی، قیدی را روی بهره‌وری فرایندهای بیوملکولی قرار می‌دهد.


می‌دانیم که برخی ماشین‌های سلولی، از مکانیک کوانتومی بهره می‌برند، پس این سوال مطرح می‌شود که آیا بهبود کوانتومی، محصول تکامل است (مورد ۲) یا باقی‌مانده‌ی منشا کوانتومی حیات (مورد ۱)؟

آیا حیات راه حل یک الگوریتم جستجوی کوانتومی است؟

یک فرضیه‌ی پیشنهادی این است که گذار از بی‌جانی به حیات، فرایندی است که به صورت کوانتومی رخ داده و ابتدایی‌ترین شکل حیات دارای جنبه‌های غیربدیهی کوانتومی بوده است. قدرت برهم نهی کوانتومی، این است که سیستم‌ می‌تواند بسیاری از مسیرهای مختلف را به صورت همزمان بکاود که این امر به طور بالقوه، منجر به کوتاه شدن فوق‌العاده‌ی زمان گذار می‌شود. از آنجایی که حیات، یک حالت بسیار غیرعادی ماده است، انتظار می‌رود ساخت آن از یک حالت اولیه‌ی دلخواه، فوق‌العاده غیرمتحمل باشد. مکانیک کوانتومی با بهره‌گیری از ویژگی‌های پردازشی موازی برهم نهی، راه را برای رسیدن به حیات، به طور چشمگیری کوتاه می‌کند. اما یک مسئله‌ی فلسفی عمیق وجود دارد که باید بررسی شود. اگر حیات را به عنوان یک حالت خاص معین از احتمال کم، تعریف کنیم، مکانیک کوانتومی، باعث کاوش بسیار کارآمدتر فضای احتمالات نسبت به یک سیستم کلاسیکی تصادفی می‌شود. اگر شاخه‌هایی از تابع موج، «شامل حیات» (یعنی یک تکثیرکننده‌ی کوانتومی) باشند، دامنه‌های احتمال بسیار کوچکی خواهند داشت. بنابراین باید توضیح دهیم چرا تابع موج سیستم به یکی از این حالات با چنین احتمال ذاتی کمی، تقلیل می‌یابد (یا فرومی‌ریزد). به عبارت دیگر، چگونه یک برهم نهی کوانتومی تشخیص می‌دهد که حیات را کشف کرده‌ و تقلیل (فروریزش) را آغاز می‌کند؟ به نظر می‌رسد یک عنصر غایت شناختی اجتناب‌ناپذیر در ماجرا وجود دارد: سیستم، حیات را به نوعی از میان تعداد زیادی حالت که بیشتر آن‌ها غیرزنده هستند، «انتخاب» می‌کند!

اما این نحوه‌ی بیان، در واقع نوعی سوءاستفاده از زبان است. در فرمول‌بندی استاندارد مکانیک کوانتومی، یک سیستم کوانتومی خودش هرگز تقلیل را آغاز نمی‌کند، زیرا تابع موج در نتیجه‌ی برهمکنش با محیط، تقلیل می‌یابد. یک احتمال، این است که تکثیرکننده‌ها، محصولات پساانتخاب محیطی هستند که شاید توسط یک حلقه‌ی بازخورد کوانتومی تقویت شده‌اند. پساانتخاب کوانتومی که اخیرا اهمیت آن، ثابت شده، چنین توضیح داده می‌شود: محیط به عنوان نوعی دستگاه اندازه‌گیری عمل کرده و به نوعی، یک متغیر کوانتومی مربوط به حیات را برای اندازه‌گیری انتخاب می‌کند. پس حتی اگر دامنه‌ی احتمال، کوچک باشد، حیات از دل برهم نهی و به وسیله‌ی این برهمکنش اندازه‌گیری‌مانند بیرون خواهد آمد. حتی ممکن است نوعی اثر زنوی معکوس، سیستم را به سوی حیات، هدایت کند. اما این فرضیه ثابت می‌کند که محیط به نوعی از حیات طرفداری می‌کند و حیات به روشی از قبل معلوم شده درون طبیعت ساخته می‌شود؛ بنابراین همچنان یک عنصر غایت‌ شناختی باقی می‌ماند.

یک راه برای تجسم ظهور حیات از طریق کاوش حالت، استفاده از درخت تصمیم ‌حالات (کوانتومی یا کلاسیکی) است. ریشه‌ی این درخت،‌ می‌تواند متناظر با یک حالت اولیه‌ی ساده باشد که بعدا به هر یک از حالات ممکن تکامل می‌یابد. بنابراین درختی از حالات داریم که به شاخه‌های متعددی شکافته شده و هر شاخه، یک مسیر فیزیکی ممکن را در فضای حالت نشان می‌دهد که از حالت اولیه دور می‌شود. شاخه‌های بالایی، حالات بسیار پیچیده را نمایش می‌دهند و زیرمجموعه‌ای از این شاخه‌ها، یک تکثیرکننده‌ی کوانتومی را نشان می‌دهد. معمای منشا حیات این است که چگونه آن حالت ساده‌ی ابتدایی، یکی از شاخه‌های فوق‌العاده نادر دارای حیات را پیدا می‌کند. فرهی و گوتمان (1998) جستجوهای کلاسیکی و کوانتومی درخت تصمیم‌ را مقایسه کرده‌ و دریافتند در برخی شرایط، یک جستجوی کوانتومی، به طور نمایی سریع‌تر از یک جستجوی کلاسیکی است. با این حال مدل آن‌ها نمی‌تواند فورا در مورد مسئله‌ی پیدایش حیات به کار رود، زیرا احتمالا همدوسی کوانتومی نمی‌تواند در توالی برهمکنش‌های پیش‌زیستی محتمل حفظ شود. با این وجود، انگل و همکارانش (2007) در آزمایشی، ثابت کردند همدوسی کوانتومی در مقیاس‌های زمانی پیکوثانیه، محتمل بوده و منجر به افزایش فوق‌العاده‌ی سرعت در گذار به حالات پیچیده‌ی معینی می‌شود. 

غفلت ما از ماهیت دقیق تکثیرکننده‌ی کوانتومی، بررسی احتمال چیزی که در پایان یک جستجوی کوانتومی تولید خواهد شد را تقریبا غیرممکن می‌کند. اما برخی نکات کلی در مورد افزایش سرعت کوانتومی وجود دارد. اگر این تکثیرکننده یا برخی ساختارهای کوانتومی دیگر که آن را هدایت می‌کنند، به صورت یک کمینه در چشم‌انداز انرژی، قابل توصیف باشند (با تشکیل این سیستم نامعلوم مانند یک گذار فاز)، پس مکانیک کوانتومی، توانایی آن را دارد تا احتمال این گذار را با تونل زنی از سدهای پتانسیل در چشم‌انداز انرژی افزایش دهد. بنابراین یک مدل ممکن برای پیدایش حیات، یک گذار فاز، مشابه حباب‌زایی در نظریه میدان کوانتومی است که حالت هسته‌زای دارای انرژی کمتر، اجتماعی از تکثیرکننده‌های برهمکنش‌کننده است، احتمالا اجتماع بزرگی که یک ناحیه‌ی مزوسکوپی یک سیستم ماده چگال را اشغال می‌کند. از طرفی، اگر راه حل جستجوی کوانتومی، به صورت یک تکثیرکننده‌‌ی کوانتومی تعریف شود و اگر این سیستم، سریع‌تر از زمان تکثیر، واهمدوس نشود، پس تکثیرکننده باید به شیوه‌ای مشابه با یک تشدید کوانتومی (با این دید که تابع موج توصیف کننده‌ی تکثیرکننده، با تکرار تقویت خواهد شد) عمل کند، بنابراین احتمال گذار به یک حالت تکثیرکننده را به شدت افزایش می‌دهد.

تاکنون تکثیرکننده را به گونه‌ای توصیف کرده‌ایم که گویی، یک ساختار فیزیکی است، اما نکته‌ی مهم در دیدن حیات به صورت اطلاعات، این است که مادامی که اطلاعات تکثیر می‌شوند، نیازی به ساختارهای دربردارنده اطلاعات نیست. در مورد حیات آشنای مبتنی بر DNA، اطلاعات نمایش داده شده توسط جفت‌بازها و توالی آن‌ها، با یکدیگر تکثیر می‌شوند. بنابراین تکثیر اطلاعات به تکثیر ساختاری، گره خورده است، اما در سطح کوانتومی، احتمالات دیگری وجود دارد. مثلا به یک اتوماتای سلولی، مانند بازی زندگی (Game of Life) توجه کنید. در این سیستم، گروهی از پنج سلول خوشه‌شده می‌توانند یک گلایدر را بسازند. این گلایدر در طول آرایه‌ی سلول‌ها به صورت یک شی همدوس (به معنی کلاسیکی) حرکت می‌کند و بنابراین اطلاعات را محافظت می‌کند. با این حال، هر سلول، روشن و خاموش می‌شود، اما به گونه‌ای که الگوی کلی را حفظ می‌کند. ریشه‌های اطلاعات زیستی می‌تواند به این دسته‌بندی تعلق داشته باشد. ما می‌توانیم یک سیستم ماده چگال را تصور کنیم که یک الگوی برانگیختگی، اسپینی یا یک متغیر کوانتومی دیگر می‌تواند گذارها را در حالات کوانتومی همسایه القا کند، به گونه‌ای که الگوی کلی با احتمال زیادی حفظ شود. بنابراین بسته‌ی اطلاعات، تا زمانی که با یک واسط کوانتومی مناسب مواجه شود که آن تکثیر کند، حفظ و منتشر خواهد شد. پس دو بسته اطلاعات از ناحیه‌ی برهمکنش، دور خواهند شد. افت‌ وخیزهای کوانتومی در فرایند انتشار و تکثیر می‌توانند منجر به جهش‌ها و در نتیجه یک رقابت داورینی بین بسته‌های اطلاعاتی رقیب شوند.
 


ادامه دارد...
كلمات كليدي :
زیست شناسی کوانتومی , اثرات کوانتومی در زیست شناسی , نقش مکانیک کوانتومی در منشا حیات
 
امتیاز دهی