נושאים באתר

צוות האתר

צוות האתר

האם הביולוגיה והפיזיקה מתעלמות מהמימד הקואנטי?

כולנו יודעים על היחודיות של מכניקת הקואנטים, ועל האפשרויות והסכנות הגלומות שבפיזיקת החלקיקים, על התנהגויותיהם ה'מוזרות', הלא מתאימות לפיזיקה הקלאסית. אבל אין לכל זה השפעה על שאר ענפי המדע, הבנויים על פיזיקה קלאסית.

ומה עם הביולוגיה והפיזיקה? הייתכן שהענפים האלו, המתבססים על פיזיקה קלאסית, צריכים גם הם להתעדכן? הייתכן שפעילות קואנטית קשורה להתפתחות החיים?

ג'ונג' מקפאדן, פרופ' לגנטיקה מולקולרית באוניב' סארי, מחבר הספר "החיים בעידן הביולוגיה הקואנטית" (2014), פורס קצת ממשנתו בנושא, דברים שעלולים לשנות את כל מדעי החיים, ולשבור את ההנחות הכי מוצקות עליהן הם מושתתים.

במאמרו "האם החיים קואנטיים?", שנערך ע"י אד לאגם, מצטט ג"מ את שרדינגר שכתב כבר ב1944 בספרו "מה הם החיים":

"כמה מאבני הבניין הבסיסיים ביותר של החיים, כמו אטומים רדיואקטיביים בלתי נצפים, עשויים להיות ישויות קוונטיות המסוגלות לבצע טריקים אנטי אינטואיטיביים"

שרדינגר המשיך והציע שהחיים שונים מן העולם הדומם דווקא משום שהחיים נוצרים בגבול בין העולם הקוונטי לבין העולם הקלאסי: אזור שאנו מכנים אותו הקוונטים. כל הידע שלנו מבוסס על חוקי הטבע, אבל החוקים האלו עומדים על בסיס שאנו יודעים שהוא לא יציב ולא סדיר – הפעילות התת אטומית.

מה זה קשור לחיים? שרדינגר, שפעל לפני גילוי הדנ"א, הציע את הרעיון כי השכפול של החיים פועל ע"י "מולקולה אורגנית מורכבת יותר", שבה "כל אטום וכל קבוצת אטומים ממלאים תפקיד אישי", את המנגנון הדמיוני הזה כינה שרדינגר "גבישים אפרידיים", וטען שהם פועלים לפי החוקים הקוואנטיים ולא הקלאסיים. את המוטציות פירש כקפיצות קוונטיות בתוך הגבישים. ואף הסביר בכך תכונות רבות של החיים.

עם גילוי הדנ"א ע"י ווטסון וקריק, לא נזקקו אנשי המדע לרעיונות קואנטיים, והביולוגיה המולקולרית מושתתת על הפיזיקה הקלאסית. ובמאה ה20 זה אף הסתדר מצוין, המטבוליזם ותופעות נוספות הוסברו ע"י עקרונות של הפיזיקה הקלאסית.

כעת, במאה ה21, תשומת הלב מופנית לדינמיקה של מערכות קטנות יותר, שוב מצביעים ניסויים כי חלק מהתהליכים הבסיסיים של החיים תלויים במוזרות הנובעת מהזרם הקוונטי של המציאות.

דוגמא טובה היא חוש הריח, התיאוריה המקובלת מדברת על קולטני ריח, כשכל קולטן עשוי לשמש כ'מפתח' למנגנון המצוי בתוך הגוף. זוהי תיאוריה נאה ואינטואיטיבית, אך היא אינה מביאה בחשבון תצפיות תמוהות מסוימות – למשל, העובדה שמולקולות בעלות צורה דומה מאוד מריחות לעתים קרובות באופן שונה מאד, ולהיפך. לפי הגישה החדשה, עולה כי במקום הצורה, הקולטנים עשויים להגיב לרטט מולקולרי. רעיון זה קיבל טוויסט קוונטי נוסף בשנת 1996, כאשר הביופיסיקאי לוקה טורינו הציע כי התנודות עשויות לקדם מנהרה קוונטית של אלקטרונים כדי לפתוח את ה'מנעול'.

תורת הקוונטים של הריח נשמעת מוזרה, אולי, אך יש לזכור כי כמה ציפורים ובעלי חיים אחרים ידועים, מוצאים את דרכם על ידי זיהוי השדה המגנטי החלש מאוד של כדור הארץ, אך המנגנון שבו הם עושים את זה מהווה חידה ארוכת שנים. הבעיה היא שבפיזיקה הקלאסית, קשה לראות איך שדה חלש כזה יכול ליצור אות בתוך גוף של בעל חיים. שאלות נוספות התעוררו במחקרי אדום החזה האירופאי: המחקר גילה כי המצפן שלו תלוי באור, וכי בניגוד למצפן קונבנציונאלי, הוא מזהה את זווית קווי השדה המגנטי ביחס לכדור הארץ ולא לכיוון שלהם. לאף אחד לא היה מושג איך.

ובכן, בשנות השבעים, הכימאי הגרמני קלאוס שולטן גילה שתגובות כימיות מסוימות ייצרו זוגות של חלקיקים שנותרו מחוברים באמצעות תהליך קוונטי מיוחד שנקרא הסתבכות . ההסתבכות מאפשרת לחלקיקים רחוקים להישאר מחוברים באופן מיידי, ולא משנה עד כמה הם רחוקים זה מזה: הם יכולים להיזרק אל קצוות מנוגדים של הגלקסיה, ועם זאת להישאר בקורלציה מסתורית. ההסתבכות מוזרה עד כדי כך שאלברט אינשטיין עצמו, שנתן לנו חורים שחורים וזמן-חלל מעוות, פטר אותה כ"פעולה מפחידה מרחוק". אבל מאות ניסויים הוכיחו כי היא אמיתית.

שולטן גילה כי זוגות סבוכים של חלקיקים יכולים להיות רגישים במיוחד הן לכוח והן לכיוון של שדות מגנטיים. הוא המשיך והציע כי מצפן העוף המסתורי עשוי להשתמש בחלקיקים מסתובבים בקוונטים. כמעט אף אחד לא לקח את הרעיון ברצינות, אבל בשנת 2000, פירסם שולטן מחקר נוסף המראה כיצד אור יכול לשמש כמצפן ע"פ סיבוך קואנטי הנתפס בעין הציפור. ב2004 נמצאו הוכחות משכנעות שאכן אדום החזה השתמש ב"פעולה המפחידה" של איינשטיין כדי למצוא את דרכו ברחבי העולם מדי שנה.

אך אין המדובר רק על ניווט וריח, מקאפדן מדבר על היווצרות החיים עצמם, כיצד עובדים האנזימים? המאיצים תגובות כימיות, כך שהליך שלוקח בטבע אלפי שנים, מתרחש בתוך תא חי במספר שניות? איך מושגת המהירות הזו? מחקר של יהודית קלינמן מאוניברסיטת קליפורניה, בצירוף ברקלי ונייג'ל סקרוטון מאוניברסיטת מנצ'סטר (בין היתר), הראה כי אנזימים יכולים להשתמש בטריק קוונטי מוזר שנקרא מינהור . במילים פשוטות, האנזים מעודד תהליך שבו האלקטרונים והפרוטונים נעלמים מעמדה אחת בביוכימיה ומיד מתממשים בחומר אחר, מבלי לבקר בכל אחד מהמקומות שבין לבין – סוג של טלפורטציה.

האנזימים הם המרכיב החיוני ביותר של החיים. והם טובלים בעולם הקוונטי כדי לעזור לנו לשמור על החיים.

הפוטוסינתזה – העלים מעבירים אנרגיה הרבה יותר טוב מהטכנולוגיות הכי מתוחכמות שלנו. ענף הספקטרוסקופיה הפמטוסקופית מזהה קפיצות של אנרגיית פוטון ממולקולה למולקולה, יתירה מכך, הוא מזהה אנרגיה הנוסעת בכל מסלולים האפשריים בו זמנית.

ואף המוטציות עצמן, לפחות סוג אחד של מוטציה, האדפטיבית, מוסברת בדרך של מינהור פרוטון.

מקאפדן מאריך בדוגמאות נוספות מרתקות, המלמדות כי יתכן שכל הנסיון לפשט ולהסביר את היווצרות החיים בדרכי הביולוגיה הקלאסית – פשטני ושגוי, יש בחיים משהו מעבר, תהליכים קואנטיים שאינם ניתנים לפישוט, סודות היצירה מתוחכמים ומשוכללים מהידע שיש לנו היום, וייתכן שפשוט חסר טעם לדבר גבוהה גבוהה על אביוגנזה במושגים לא רלבנטיים.

מה שמותיר סימן שאלה גדול מאד, הוא ההתאמה לסביבה. פעילות קואנטית מזוהה ומותירה משמעות אך ורק בסביבה מבוקרת באופן קיצוני, מאיצי חלקיקים ושאר מקומות בהם מגיעים להשפעה של פעילות קואנטית, הם חללים סטריליים מכל השפעה של חום, תנועה, וכל המתרחש בעולם. כיצד אם כן החיים מנהלים פעילות כזו בסביבה הכ"כ פעילה ו'מלוכלכת'? זו חידה בלתי פתורה, אחד הרעיונות המוצעים היא שהחיים מתוכננים כך שהסערות המולקולריות מכוונות דוקא להועיל להם, כשם שקפטן מנוסה משתמש ברוח סערה לקדם את ספינתו!

שתף מאמר זה

שיתוף ב facebook
שיתוף ב google
שיתוף ב twitter
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב pinterest
שיתוף ב print
שיתוף ב email

תגובות ישירות

לתגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *