Biologie cuantică: viața funcționează conform unor legi pe care știința abia începe să le înțeleagă

S-a crezut mult timp că sistemele biologice sunt prea mari, calde și umede pentru efecte cuantice precum coerența și încurcarea. Această presupunere nu s-a bazat pe experimente, ci pe modele computerizate și calcule matematice bazate pe ceea ce oamenii de știință „știu” despre aceste sisteme. Noi cercetări arată că această credință este greșită. Coerența cuantică poate fi o condiție cheie pentru ca sistemele biologice să își atingă eficiența de aproape 100%.

Cercetările din ultimii ani au scos la iveală o imagine surprinzătoare. În procesele de captare a luminii – fotosinteza – coerența și încurcarea apar cel mai clar. Interacțiunea dintre viață și lumină pare să fie baza fundamentală a ceea ce înseamnă să fii în viață.

Mai mult, condițiile calde și umede ale sistemelor biologice, despre care se credea a fi bariere în calea efectelor cuantice, sunt de fapt necesare pentru manifestarea lor. Într-un sistem viu, efectele cuantice nu se sting complet – ele pulsează. Sistemul capătă coerență, o pierde și o recapătă din nou într-un ciclu oscilator regulat. Un organism viu nu este un sistem perfect coerent și nici unul perfect clasic. Este un sistem care oscilează în mod regulat între aceste două stări.

În 2007, o echipă de cercetători condusă de Engel a publicat o lucrare în revista Nature care a marcat un punct de cotitură. Studiind complexul FMO de bacterii verzi cu sulf – un fel de fir energetic care conectează antena de cloronom la centrul de reacție – au obținut dovezi directe ale coerenței cuantice electronice de lungă durată. La o temperatură de 77 Kelvin (minus 196 grade Celsius), în sistem au fost observate bătăi cuantice distincte. Natura ondulatorie a transferului de energie în complexul fotosintetic poate explica eficiența sa extremă: sistemul cuantic „sondează” zone vaste din spațiul de fază pentru a găsi calea cea mai eficientă.

În 2010, cercetătorii Collini și Scoles au publicat în Nature rezultatele experimentelor cu două proteine ​​de recoltare a luminii din alge criptofite marine care sunt legate evolutiv. Măsurătorile bidimensionale prin spectroscopie fotonică au evidențiat oscilații excepțional de lungi de excitație, cu corelații și anticorelații distincte, chiar și la temperatura camerei. Aceste observații au oferit dovezi convingătoare pentru o distribuție cuantică coerentă a excitației electronice pe întreaga lățime a proteinei de aproximativ cinci nanometri, în condiții relevante din punct de vedere biologic. Distanța contează aici: coerența cuantică a legat moleculele departe, făcând sistemul mai eficient.

În același an, Sarovar și coautorii au publicat prima analiză riguroasă a încurcăturii într-un sistem biologic în Nature Physics. Cercetatorii au dezvoltat metode pentru a cuantifica intricarea in complexe multipigmentare de recoltare a luminii si le-au aplicat proteinei FMO. Rezultatele au arătat că, chiar și la temperaturi fiziologice, există o cantitate mică de încrucișare pe distanță lungă și multipartită în sistem. În condițiile unei excitații elementare, încurcarea diferită de zero este păstrată.

Ishizaki și Fleming, ale căror lucrări au fost publicate în PNAS și New Journal of Physics, au studiat teoretic dinamica transferului de energie în complexul FMO la temperatură fiziologică. Rezultatele lor numerice au arătat că mișcarea cuantică sub formă de undă persistă câteva sute de femtosecunde chiar și la temperatura camerei. Ei au sugerat, de asemenea, că complexul FMO ar putea acționa ca un redresor pentru fluxul de energie unidirecțional, folosind coerența cuantică și peisajul energetic al pigmenților reglați de matricea proteinelor.

Collini și coautorii, în aceeași lucrare din 2010, subliniază că cele două proteine ​​studiate sunt legate evolutiv. Prezența coerenței cuantice în ambele, în ciuda diferențelor lor, indică faptul că acest mecanism nu este aleatoriu. Ar fi putut apărea în timpul evoluției tocmai datorită semnificației sale funcționale.

Recenzii mai recente, cum ar fi lucrările lui Levy și colab. în Rapoartele privind progresul în fizică (2015), încearcă să unifice limbajul diferitelor comunități științifice – fizicieni, chimiști, biologi – pentru a descrie aceste fenomene. Ei subliniază că natura interdisciplinară fundamentală a acestei cercetări o face atât extrem de interesantă, cât și creează bariere în calea înțelegerii acesteia.

Acceptarea acestor fapte va presupune o schimbare completă de paradigmă în înțelegerea biologiei, vieții și conștiinței. Este probabil ca viața să atragă energie direct din vidul cuantic și asta este ceea ce animă materia, făcând-o vie.

Întrebarea care rămâne fără răspuns nu este dacă efectele cuantice apar în sistemele vii. Prea multe dovezi experimentale sugerează contrariul. Întrebarea este cum își va revizui știința înțelegerea fundamentală a vieții atunci când își dă seama pe deplin că o celulă vie nu este o plantă chimică, ci un procesor cuantic. Și ce alte mistere vor fi dezvăluite pe măsură ce cercetătorii încep să privească întreaga viață prin această nouă lentilă?