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

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

در قسمت چهارم و پایانی مقالات زیست شناسی کوانتومی، در مورد سوالات و چالش‌های پیش روی این حوزه‌ی نوظهور صحبت خواهیم کرد و در نهایت با تفکری که امروزه درباره‌ی این حوزه وجود دارد، بحث خود را به پایان خواهیم برد.


آیا اثرات کوانتومی، کارکردهای جدیدی را در زیست‌ شناسی معرفی می‌کنند؟

این سوال، سوالی حیاتی است که محققان همواره در جستجوی پاسخ آن بوده‌اند. پیدا کردن راه‌های جدیدی که مکانیک کوانتومی بتواند به کارکرد زیستی کمک کند، این حوزه‌ی پژوهشی را جلو خواهد برد، مثلا حسگرها، کاتالیز، حفاظت نوری و استفاده یا تولید نور. اگر به ساخت دستگاه‌های زیستی به عنوان یک ابزار طراحی بنگریم، یک سوال مهم پیش می‌آید: آیا اثرات کوانتومی، معرفی کارکردهای به طور کیفی جدید را در سیستم‌های زیستی، امکان‌پذیر می‌کنند؟ به عبارت دیگر، آیا در قلمرویی که تقریب‌هایی کلاسیکی می‌شکنند، برخی پدیده‌های زیستی خاص وجود دارند؟ با در نظر گرفتن یک مثال خاص مانند برداشت نور فتوسنتزی، پاسخ، کاملا بله است. یک سیستم رنگدانه-پروتئین طبیعی در دمای معین، لزوما تغییراتی در انرژی‌های محلی خواهد داشت که یک چشم‌انداز انرژی غیرعادی تولید می‌کند. همدوسی کوانتومی، عدم حساسیت به دما و مقاومت در برابر به دام انداختن حالات را امکان‌پذیر می‌نماید و از طرفی، ساخت یکسوکننده‌‌های جریان انرژی را ممکن می‌کند. در نتیجه بر سرعت نسبی جریان انرژی رفت و برگشت، تاثیر می‌گذارد.

علی‌الاصول انتقال انرژی همدوس، تداخل سازنده یا مخرب بین چند مسیر را امکان‌پذیر می‌کند. ما از مثال‌های خاص این پدیده‌ درسیستم‌های طبیعی، آگاه نیستیم، اما واضح است که این پدیده، نوع جدیدی از ویژگی کنترلی را ارائه می‌کند. نکته‌ی کلیدی برای بدست آوردن بیشترین بهره‌وری فرایندهای انتقال، متعادل کردن رفتار همدوس و مقیاس‌های زمانی گذار است. مدل‌های دقیق انتقال کوانتومی به عنوان تابعی از قدرت جفت‌شدگی به محیط (متناسب با سرعت گذار)، برای یک انرژی بازسازماندهی، یک بیشینه سرعت را نشان می‌دهند. درک کنونی ما این است که سیستم‌های برداشت نور فتوسنتزی در یک محدوده‌ی پارامتری در یا حدود این مقدار بیشینه، عمل می‌کنند.

آیا مدل‌های آزمایشگاهی ما کافی هستند؟

مطالعات تک‌ملکولی عمل آنزیم، دید ما را درباره‌ی کارکرد آنزیم، بازتر کرده‌ است. این پدیده‌ها قبلا در متوسط انسامبلی مشترک با تمام اندازه‌گیری‌های قبلی، پنهان بودند. مطالعه‌ی پدیده‌های دینامیکی-کوانتومی در سطح تک ملکولی، به خاطر مقیاس‌های زمانی درگیر، بسیار چالش‌برانگیز است. برینکز و همکارانش، مشاهده‌ی همدوسی ارتعاشی در ملکول‌های جداگانه را در دماهای محیط و به کمک یک تکنیک فلورسانسی گزارش کردند.

آیا روش‌های نظری ما کافی هستند؟

دوباره با در نظر گرفتن فتوسنتز به عنوان یک مثال، خاطرنشان می‌کنیم که رویکردهای نظری استاندارد، مبتنی بر معادله‌ی مادر کوانتومی (quantum master equation) هستند که تحول زمانی ماتریس‌های چگالی کاهش یافته را توصیف می‌کند. میانگین (آماری) انسامبل در چنین رویکردی می‌تواند جزییات رفتار کوانتومی را از بین ببرد. شبیه سازی‌ها نشان می‌دهند برخلاف شهود بدست آمده از ماتریس‌های چگالی کاهش‌یافته، حرکت همدوس کوانتومی در افت‌وخیزهای القایی محیط، مقاوم‌ است. این نتایج ثابت می‌کنند که حالات ناجایگزیده‌ی به طور آزمایشگاهی آشکارشده (اکسیتون‌ها) حاکی از وجود جریان انرژی موج‌مانند در کمپلکس‌های جداگانه در رفتار متوسط انسامبلی هستند. با گرفتن این نتایج به عنوان رویکرد اول، به نظر می‌رسد بررسی پدیده‌های کوانتومی در سطح یک پروتئین برای انواع مختلفی از فرایندهای زیستی، تجربه‌ی بسیار باارزشی است.

بسیاری از محققان حوزه‌ی اطلاعات کوانتومی علاقمندند تا همبستگی‌های غیرکلاسیکی را از چشم‌اندازی متفاوت با آنچه در جامعه‌ی شیمیایی، معمول است، توضیح دهند. مثلا وایلد (Wilde) بیان می‌کند که «توافق بین مدل‌های نظری کوانتومی، حضور اثرات کوانتومی را ثابت نمی‌کند.» در حالیکه بردلر (Bradler) می‌گوید: «معیارهای استاندارد رفتار کوانتومی، متقاعدکننده‌تر از این ادعاست که حرکت موج‌مانند در عناصر جمیعت یک ماتریس چگالی، نشانه‌‌ای از کوانتومی بودن است». اما همچنان این مسئله باقی می‌ماند که آیا روش‌ها و نگرش‌های نظریه اطلاعات کوانتومی، درک و پیش‌بینی‌های جدیدی را برای پدیده‌های زیستی کوانتومی به ارمغان می‌آورد یا نه؟

درک پدیده‌های زیستی-کوانتومی چه فرصت‌هایی را برای ما به ارمغان می‌آورند؟

زیست‌شناسی وجود قابلیت‌ها، کارآمدی‌ها و پدیده‌های ظهوریافته‌ای را نشان می‌دهد که شاید در غیر اینصورت، غیر قابل تصور می‌بودند. مثلا انرژی زیستی، ارتباط و بازسازی، همگی کارکردهایی ظهوریافته هستند. بسیاری از این مثال‌ها (اگر نه همه آن‌ها) متکی بر پدیده‌هایی هستند که فقط در مقیاس نانو مهم‌اند. این روش‌های زیست شناسی سنتزی می‌توانند بهترین فرصت‌ها را برای پیشرفت در اجرای اصول طراحی طبیعت در دستگاه‌های سنتزی مبتنی بر پدیده‌های کوانتومی ارائه دهند. دستگاه‌های کوانتومی در حسگری، برداشت و ذخیره‌ی انرژی، بیوسنتز و در شبیه سازی کوانتومی، کاربردهای بالقوه‌ای دارند.

حیات و آگاهی چیست؟

شاید یکی از بزرگترین معماهای علم، ماهیت حیات باشد. مغز چگونه کار می‌کند، آگاهی چیست، اراده‌ی آزاد و خود چه معنایی دارند؟ سیستم مرکزی اعصاب چگونه کار می‌کند و چگونه برخی داروهای خاص روی آن تاثیر می‌گذارند؟ یکی از شاخص‌ترین بحث‌ها در مورد نقش احتمالی مکانیک کوانتومی در زیست‌ شناسی، مربوط به کارکرد مغز است. مفهوم آگاهی، به شدت مبهم است و گمانه‌زنی‌های بی‌شماری در مورد نقش مکانیک کوانتومی در عملکرد آن وجود دارد. مثلا هامروف و پنروز فرض کرده‌اند حالات برهم نهی کوانتومی ریزلوله‌ها می‌تواند فعالیت‌های مغزی را توجیه کرده و منجر به تفکرات، احساسات، حس خود و انتقالات آگاهی شود. جنبه‌هایی از این ادعا، مانند انتقال ناگهانی به ناآگاهی (ناشی از داروهای بیهوشی) بررسی‌ شده‌اند. علی‌رغم استدلات کیفی، این فرضیات، به راحتی توسط رویکردهای آزمایشگاهی ارزیابی نمی‌شوند. ریمرز و همکارانش پیشنهاد تقلیل عینی آگاهی انسان را با جزییات بیشتر آزموده‌اند. هامروف، انتقاداتی به برخی از تفاسیر آن مقاله وارد کرده و قطعا آسان نیست که نقش ریزلوله‌ها را در عملکرد مغز کاملا رد کنیم، اگرچه جنبه‌های کوانتومی پیشنهاد شده، هنوز ثابت نشده‌اند.

آیا مکانیسم کوانتومی، ذاتی بود یا از طریق تکامل انتخاب شد؟

چه رویکردهایی می‌توانند برای ارزیابی ارتباط زیستی یا لزوم پدیده‌های کوانتومی آزموده شوند؟ آزمودن اهمیت زیستی، به سادگی امکان‌پذیر نیست. مثلا برداشت نور همدوس کوانتومی لزوما به معنای افزایش فعالیت فتوسنتزی نیست، زیرا سایر فرایندها (مانند تثبیت CO2) نیز می‌توانند تحت شرایط مختلف محیطی، محدودکننده باشند. یک رویکرد، این است که بپرسیم آیا سیستم‌های زیستی، مکانیسم‌های کوانتومی را به عنوان صفتی که باعث سازگاری می‌شوند، تشخیص داده‌اند یا نه. به عبارت دیگر، باید ببینیم آیا جنبه‌های کوانتومی فرایندهایی مانند برداشت نور، در طول تکامل تنظیم شده‌اند یا نه. صفات موجودات زنده، ارتباطات آن‌ها و تکامل آن‌ها از یک گونه به گونه‌ی دیگر، از طریق بازسازی‌ تبارزایش (Phylogenetic) توصیف می‌شود. تبارزایش، نقش مهمی در برقراری ارتباط بین گونه‌های موجودات زنده و همچنین بین نژادها بازی کرده‌ است. شاید تجزیه تحلیل مشابهی را بتوان برای آزمودن صفات بیوفیزیکی و اینکه چگونه مکانیسم‌های سطح ملکولی و فوتوفیزیکی، تکامل یافته‌ یا در تنوع گونه‌ها سهیم بوده‌اند، انجام داد.

گاهی اوقات گفته می‌شود اگر مکانیک کوانتومی، باعث بهینه‌تر شدن یک کارکرد شود، پس زیست شناسی آن توانایی را در طول میلیاردها سال تکامل، کشف و مهار کرده‌ است. این یک بدفهمی است. طبیعت، به صورت کاملا بهینه در نظر گرفته نمی‌شود. تکامل گرایش دارد کارکردها یا بهینه‌سازی‌های جدید را به جای طراحی از ابتدا برای یک وظیفه خاص، در الگوهای موجود جای دهد. مثلا آنزیم‌های تنفسی در میتوکندری از ماشین‌های موجود در مراکز واکنش فتوسنتزی تکامل یافته‌اند. بنابراین اگر زیرساخت‌های ضروری قبلا وجود نداشته باشند، مکانیک کوانتومی، لزوما توسط زیست شناسی کشف نخواهد شد، حتی اگر توانایی‌های جدید و مهمی را به سیستم‌ها اعطا کند.

تفکر امروزی

مطالعه‌ی سیستم‌های باز کوانتومی و نقش واهمدوسی در تخریب همدوسی لازم برای اثرات کوانتومی غیربدیهی، شک اکثر فیزیکدانان کوانتومی در نیمه دوم قرن بیستم را در مورد نقش مهم اثرات غیربدیهی کوانتومی در زیست شناسی، روز به روز بیشتر می‌کرد. از لحاظ نظری، یک سیستم میکروسکوپی، مانند یک کمپلکس بیوملکولی درون یک سلول، باید لزوما به عنوان یک سیستم کوانتومی باز، بررسی شود، به این معنی که هیچگاه از محیطش جدا نمی‌شود. برعکس، این سیستم باید به طور مداوم، به محیط انرژی دهد تا انتروپی کم و حالت غیرتعادلی‌اش را حفظ کند. بنابراین انتظار می‌رفت هر اثر کوانتومی ظریفی، مانند برهم نهی کوانتومی و همدوسی، سریع پخش شده یا واهمدوس شوند که در نتیجه باعث سرکوب دینامیک‌های کوانتومی خوش‌کنترل می‌شود.

این ملاحظات، فیزیکدانان و زیست شناسان را به این نتیجه رساند که بعید به نظر می‌رسد پدیده‌های کوانتومی، نقش مهمی در زیست شناسی بازی کنند. با این وجود، ثابت شد درست همانطور که جوردن و شرودینگر استدلال کردند، سیستم‌های زنده می‌توانند در نهایت، به دینامیک‌ چند ملکول ‌که فوق‌العاده خوب، جایگزیده هستند (یعنی فقط چند نانومتر کشیده شده‌اند، مقیاس بیوملکول‌هایی مانند پروتئین) و در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه (اغلب از مرتبه‌ی پیکوثانیه) رخ می‌دهند، بستگی داشته باشند. این انزوای نسبی در فضا، پیچیدگی و زمان می‌تواند به فرایندهای صرفا کوانتومی و غیربدیهی اجازه دهد تا در سیستم‌های زنده، نقش مهمی بازی کنند، قبل از آنکه واهمدوسی القاشده از طریق محیط اطراف، آن‌ها را از بین ببرد. شواهد در حال افزایشی وجود دارد که این ادعا، قطعا درست است.

وضعیت زیست شناسی کوانتومی در دهه‌های پایانی قرن بیستم و اوایل قرن بیست ویکم، به کمک شواهد آزمایشگاهی همدوسی کوانتومی در فتوسنتز و تونل زنی کوانتومی در عمل آنزیم‌ها، درهم تنیدگی کوانتومی در ناوبری پرندگان و تونل زنی کوانتومی در بویایی، به طور چشمگیری تغییر کرد. از طرفی، رویکردهای تجربی و نظری، نقش تونل زنی پروتئین را در تولید تاوتومرهای بازی DNA کشف کرده‌اند. شکل 1 خط‌ زمانی کشف‌ها و مقالات مهم زیست شناسی کوانتومی را نشان می‌دهد.

در چند سال گذشته، علاقه‌ی فزاینده‌ای در میان گروه کوچک، اما در حال افزایش فیزیکدانان نظری کوانتومی و شیمیدانان، بیوشیمیدانان تجربی و طیف‌سنجان ایجاد شده است. پژوهش‌های حوزه‌ی نظریه اطلاعات کوانتومی، نشان داده نویز گرمایی محیطی در سیستم‌های غیرتعادلی ایستا می‌تواند واقعا وجود همدوسی کوانتومی را تایید کند، یعنی همانطور که شرودینگر پیش‌بینی کرد اجازه می‌دهد دینامیک سیستم‌های زنده به رفتار صرفا مکانیکی (برخلاف ترمودینامیکی) نزدیک شود، یعنی همان حالاتی که تمام سیستم‌ها تمایل دارند با نزدیک شدن به دمای صفر مطلق، به آن برسند. مطالعات نشان داده حفظ دینامیک کوانتومی در سیستم‌های زیستی، به افت وخیزهای محیطی که در طول و مقیاس‌های زمانی خاصی از نظر زیست شناسی رخ می‌دهند، مربوط است.
زیست شناسی کوانتومی، از بدو تولدش، راهی طولانی را پیموده است. پدیده‌هایی مانند تونل زنی کوانتومی و همدوسی کوانتومی اکنون به عنوان فرایندهای مهم و ضروری برای کارکرد سلول‌های زنده، مانند انتقال انرژی و عمل آنزیم پذیرفته شده‌اند. حالا سوال از اینکه آیا همدوسی کوانتومی و تونل زنی در زیست شناسی نقش دارند، به اینکه چگونه و چه نقشی را بازی می‌کنند تغییر کرده است. سایر حوزه‌های زیست شناسی کوانتومی مانند بویایی، گیرنده‌های مغناطیسی یا جهش، هنوز تا حدودی در هاله‌ای از ابهام قرار دارند، زیرا سیستم‌های آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری فیزیکی دقیق آن‌ها، قابل ردیابی نیستند.

چیزی که باقی می‌ماند این است که دینامیک کوانتومی که بی‌شک درون سلول‌های زنده رخ می‌دهد، به 3.5 میلیارد سال بهینه‌سازی تکامل مربوط بوده است. شاید در آن زمان، حیات یاد گرفته سیستم‌های کوانتومی را به شیوه‌هایی که ما هنوز کاملا درک نمی‌کنیم، دستکاری کند. ممکن است مجبور باشیم سال‌های زیادی برای درک کامل آن‌ها منتظر بمانیم، اما اکنون مطئنیم که پیشگامان کوانتومی حق داشتند در مورد آینده‌ی زیست شناسی کوانتومی هیجان‌زده باشند.


منابع و مراجع

 

[1]

Y. O. G. E. A. M. B. P. M. MOHSENI, QUANTUM EFFECTS IN BIOLOGY, Cambridge University Press, 2014.

[2]

J. A.-K. Johnjoe McFadden, Life on the Edge, The Coming of Age of Quantum Biology, CROWN PUBLISHERS, 2014.

[3]

J. A.-K. Johnjoe McFadden, "The origins of quantum biology," Proc. R. Soc. A 474, 2018.

[4]

J. C. Brookes, "Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection," Proc. R. Soc. A 473, 2017.

[5]

P. C. W. D. A. K. P. Derek Abbott, Quantum aspects of life, Imperial College Press, 2008.

[6]

I. B. Djordjevic, Quantum Biological Information Theory, Springer, 2016.