Życie na krawędzi. Era kwantowej biologii [PDF]

Zitiervorschau

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

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 Ziemi2. 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 fizyka3 – 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 ścianę4. 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 izotopu5 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 złączyć6.

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 podskoku7. 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 wcześniej8. 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? 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.

2

Czym jest życie? Jedna z najbardziej udanych misji naukowych rozpoczęła się 20 sierpnia 1977 roku wraz z wzniesieniem się w niebo Florydy statku kosmicznego Voyager 2, a dwa tygodnie później jego bliźniaczego statku Voyager 1. Dwa lata później Voyager 1 osiągnął swój pierwszy cel, Jowisza, na którym sfotografował gigantyczne kłębiące się chmury i słynną ogromną, czerwoną plamę, a następnie przeleciał nad lodową powierzchnią jednego z księżyców Jowisza, Ganimeda, a nad innym jego księżycem, Io, był świadkiem erupcji wulkanu. Tymczasem Voyager 2 poruszał się po innej trajektorii i osiągnąwszy Saturna w sierpniu 1981 roku, rozpoczął przesyłanie na Ziemię olśniewająco pięknych fotografii pierścieni tej planety, wyglądających jak drobno spleciony naszyjnik z milionów małych skałek i księżyców. Ale musiała upłynąć prawie jeszcze jedna dekada, zanim 14 lutego 1990 roku Voyager 1 pstryknął jedną z najbardziej niezwykłych fotografii, jakie kiedykolwiek wykonano: zdjęcie malutkiej niebieskiej kropki na ziarnistym, poszarzałym tle. W ciągu połowy ubiegłego stulecia misje Voyagera i podobne im inne misje badawcze pozwoliły ludzkości na spacer po Księżycu, zbadanie z odległości marsjańskich kanionów, zaglądnięcie do wypalonych Słońcem pustyń Wenus, a nawet na obserwowanie, jak kometa spada w gazową atmosferę Jowisza. Ale głównie odkryły one skały… mnóstwo skał. Istotnie, można by twierdzić, że eksploracja naszych najbliższych ciał planetarnych polegała głównie na badaniu skał, począwszy od około tony minerałów zabranych z Księżyca przez astronautów w misji Apollo albo mikroskopowych odłamków komety odnalezionych przez misję NASA o kryptonimie Stardust, do próbnika Rosetta, który bezpośrednio wylądował na komecie w 2014 roku, lub analizy powierzchni Marsa dokonanej przez mobilne laboratorium o nazwie Curiosity Rover – wiele, wiele skał. Skały z kosmosu są oczywiście obiektami niezwykle fascynującymi, ich struktura i skład ujawniają nam wskazówki dotyczące początku Układu Słonecznego, formowania się planet, a nawet zdarzeń kosmicznych, które zaszły przed powstaniem Słońca. Ale dla większości osób niebędących geologami marsjański chondryt (skalisty,

niemetaliczny meteoryt) niezbyt różni się od księżycowego troktolitu (meteoryt bogaty w żelazo i magnez). Jest jednak w Układzie Słonecznym miejsce, gdzie podstawowe składniki tworzące skały i kamienie nagromadziły się w takiej różnorodności form, funkcji i składów chemicznych, że nawet jeden gram powstałego materiału przewyższa różnorodnością całą materię, jaką można znaleźć gdziekolwiek indziej w poznanej części Wszechświata. To miejsce jest właśnie ową niebieską kropką, sfotografowaną przez Voyagera 1, planetą, którą nazywamy Ziemią. A co najbardziej niezwykłe, te różnorodne naturalne substancje, które czynią powierzchnię naszej planety tak wyjątkową, razem stworzyły życie. Życie jest niezwykłe. Już wcześniej odkryliśmy niezwykły zmysł magnetorecepcji posiadany przez europejskie rudziki, ale ta niezwykła zdolność jest jedną z ich wielu różnorodnych możliwości. Mogą one widzieć, czuć, słyszeć i łapać muchy; mogą wykonywać skoki nad ziemią i przeskoki między gałęziami drzewa; mogą także lecieć i szybować w powietrzu przez setki kilometrów. A najniezwyklejsze ze wszystkiego jest to, że mogą one, przy niewielkiej pomocy partnera, wydać gromadkę podobnych stworzeń z tego samego materiału, który jest budulcem wszystkich tych skał. Nasz rudzik jest tylko jednym z bilionów organizmów żywych, które zdolne są do dokonywania takich oraz innych równie zdumiewających wyczynów. Innym zadziwiającym organizmem jesteś, oczywiście, ty sam. Popatrz na nocne niebo, a fotony światła wpadające do twych oczu przeobrażą się w siatkówce w bardzo słabe impulsy prądu, które przemieszczając się wzdłuż nerwów ocznych, dotrą do tkanki nerwowej mózgu. Tam wytworzą wzorzec impulsów, które uwolnione w układzie nerwowym odczujesz jako migocące światło gwiazdy widocznej na nocnym niebie. W tym samym czasie bardzo niewielkie zmiany ciśnienia powietrza, o wielkości miliardowej części ciśnienia atmosferycznego, zarejestruje tkanka rzęsek słuchowych twego ucha wewnętrznego, przetwarzając je na bodźce nerwowe, które poinformują mózg, że w liściach drzew szumi wiatr. Do twego nosa dotrze kilkanaście molekuł i przechwycone przez wyspecjalizowane receptory węchu przekażą swą chemiczną budowę do mózgu, gdzie zostanie wytworzona informacja, że właśnie zakwitły wiciokrzewy. A każdy z ruchów twego ciała, gdy patrzysz w gwiazdy, czujesz na sobie wiatr i wdychasz powietrze, jest wynikiem skoordynowanej akcji setek twych mięśni. A jednak wyczyny dokonywane przez tkanki naszych ciał, choć tak niezwykłe, bledną w porównaniu z dokonaniami wielu organizmów żyjących obok nas. Mrówka grzybiarka jest zdolna do niesienia ładunku trzydzieści razy większego od jej własnej masy, co odpowiadałoby dźwiganiu przez człowieka na własnych plecach samochodu. A mrówka z rodzaju Odontomachus jest zdolna do przyspieszenia ruchu swych szczęk od 0 do 270 kilometrów na godzinę w czasie 0,13 milisekundy, podczas gdy w Formule 1 samochody potrzebują czasu czterdzieści tysięcy razy dłuższego (około pięciu sekund), aby osiągnąć taką samą prędkość. A elektryczny węgorz, żyjący w Amazonce,

może wytworzyć śmiertelnie niebezpieczne napięcie elektryczne o wartości 600 woltów. Ptaki mogą latać, ryby mogą pływać, robaki mogą pełzać, a małpy skakać z drzewa na drzewo. I, jak już się dowiedzieliśmy, wiele zwierząt, łącznie z naszym europejskim rudzikiem, potrafi nawigować z pomocą ziemskiego pola magnetycznego. Dzięki zdolności do biosyntezy – która łącząc ze sobą cząsteczki powietrza i wody (plus kilka minerałów), tworzy trawę, dęby, wodorosty morskie, dmuchawce, ogromne sekwoje i porosty – nic nie może równać się z zieloną różnorodnością życia na Ziemi. Wszystkie organizmy żywe posiadają jakieś szczególne zdolności, tak jak rudzik magnetorecepcję albo mrówka niezwykle szybkie zaciskanie szczęk, ale tylko jeden narząd człowieka nie ma sobie równych. Sprawność obliczeniowa szarej mięsistej substancji, znajdującej się wewnątrz jego czaszki, przewyższa każdy komputer na planecie, gdzie stworzyła już piramidy, ogólną teorię względności, Jezioro łabędzie, Rygwedę, Hamleta, porcelanę z epoki Ming i Kaczora Donalda. A być może najbardziej zadziwiające z tego wszystkiego jest to, że ludzki mózg posiadł wiedzę o własnym istnieniu. A cała ta różnorodność materii ożywionej, z jej ogromną ilością form i nieskończoną różnorodnością funkcji, jest utworzona z takich samych atomów jak te zawarte w marsjańskich chondrytach. Najważniejszym pytaniem, na jakie powinna odpowiedzieć nauka, pytaniem będącym zarazem główną osią narracji w tej książce, jest to, jak obojętne atomy i cząsteczki, znajdowane w skałach, przekształcane są w biegającą, skaczącą, latającą, nawigującą, pływającą, wzrastającą, kochającą, nienawidzącą, strachliwą, myślącą, śmiejącą się, płaczącą żywą materię. Upowszechnienie nauki powoduje, że ta niezwykła transformacja schodzi na plan dalszy, ale warto zapamiętać, że nawet w naszej erze technologii genetycznej i biologii syntetycznej ludzie dotąd nie stworzyli z materii nieożywionej niczego żywego. Ta nasza technologia jak dotąd nie potrafiła stworzyć transformacji, którą bez trudu wykonałby najprostszy mikrob na naszej planecie, co świadczy, że nasza wiedza o tym, co tworzy życie, jest niepełna. Czy nie dostrzegliśmy jakiejś iskierki życia, która odróżnia to, co żyje, od tego, co martwe? To nie oznacza, że będziemy tutaj postulować istnienie siły witalnej, ducha lub cudownych składników, które miałyby ożywiać materię. Nasza opowieść jest znacznie bardziej interesująca. Dokonamy przeglądu najnowszych odkryć ukazujących, że przynajmniej jeden brakujący element w układance tworzącej życie można znaleźć na obszarze, gdzie rządzi mechanika kwantowa, gdzie obiekty mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie, podlegać upiornym działaniom na odległość i przenikać przez nieprzenikalne bariery. Życie wydaje się łączyć klasyczny świat obiektów życia codziennego z dziwnym i osobliwym światem mechaniki kwantowej. Życie, jak będziemy dowodzić, znajduje się na kwantowej krawędzi. Ale czy zwierzęta, rośliny i mikroby mogą rzeczywiście podlegać prawom natury,

które, jak dotąd byliśmy przekonani, opisują jedynie zachowanie cząstek podstawowych? Oczywiście organizmy żywe, zbudowane z trylionów cząstek, są obiektami makroskopowymi, które tak jak piłki albo samochody, lub parowozy powinny być dobrze opisywalne klasycznymi prawami fizyki, takimi jak prawa Newtona, lub klasyczną termodynamiką. Aby odkryć, dlaczego potrzebujemy ukrytego świata kwantów, żeby wyjaśnić niezwykłe własności żywej materii, najpierw musimy pokrótce zapoznać się z wysiłkiem, jakiego dokonała nauka w celu zrozumienia, co charakteryzuje życie.

Siły witalne Najważniejszą zagadką życia jest to: dlaczego materia tworząca organizmy żywe zachowuje się tak odmiennie od materii tworzącej skały? Starożytni Grecy jako jedni z pierwszych próbowali zgłębić to zagadnienie. Arystoteles, jeden z największych uczonych w dziejach nauki, prawidłowo zidentyfikował powtarzalne i przewidywalne własności materii nieożywionej: na przykład skłonność obiektów stałych do spadania, gdy ogień i opary mają skłonność do unoszenia się, a obiekty na niebie do poruszania się po kołowych torach wokół Ziemi. Ale życie było inne; choć wiele zwierząt upada, ale też biega; rośliny rosną w górę, a ptaki latają nawet wokół Ziemi. Co stwarza, że są tak odmienne od reszty świata? Odpowiedź daną przez wcześniej żyjącego greckiego myśliciela, Sokratesa, zanotował jego uczeń Platon: „Co takiego znajduje się w ciele, że czyni je żywym? – Dusza”. Arystoteles zgadzał się z Sokratesem, że istoty żywe posiadają duszę, ale dowodził, że dusze mają swą hierarchię. Te o najniższej randze zamieszkują w roślinach, którym pozwalają rosnąć i odżywiać się; dusze zwierząt, o jeden stopień wyżej w hierarchii, dają im czucie i zdolność do poruszania się; ale tylko dusza ludzka umożliwia pojawienie się rozumu i intelektu. Starożytni Chińczycy podobnie wierzyli, że istoty żywe ożywia przepływająca przez nie niematerialna energia k’i. Koncepcja duszy została później włączona do wszystkich ważniejszych religii świata, ale jej natura pozostała zagadkowa, tak jak i jej związek z ciałem. Inną zagadką jest umieranie. Dusze uważano za nieśmiertelne, zatem dlaczego życie jest tak ulotne? Odpowiedź większości kultur na to pytanie brzmi: w chwili śmierci ożywiająca ciało dusza opuszcza je. Dopiero w 1907 roku amerykański lekarz Duncan MacDougall obwieścił, że zmierzył duszę za pomocą różnicy wagi swego umierającego pacjenta przed i po śmierci. W wyniku tego eksperymentu stwierdził, że dusza waży około 21 gramów. Ale zagadką pozostało pytanie, dlaczego dusza miała opuszczać ciało po upływie przeznaczonych na to siedemdziesięciu lat. Koncepcja duszy, chociaż nie jest już zagadnieniem badanym w nowoczesnej nauce,

dokonała przynajmniej rozdziału badań nad nieożywioną materią od badań nad materią ożywioną, co umożliwiło naukowcom zbadanie przyczyn ruchu obiektów nieożywionych bez wnikania w kwestie filozoficzne i teologiczne, które tak komplikują każde badania nad istotami żywymi. Badania nad koncepcją ruchu mają długą, skomplikowaną i fascynującą historię, ale w tym rozdziale przedstawimy ją tylko w skrócie. Już poprzednio wspominaliśmy o poglądzie Arystotelesa w sprawie obiektów posiadających tendencję do ruchu w kierunku Ziemi, w kierunku od Ziemi i wokół Ziemi, które uważał za ruchy naturalne. Zdawał sobie także sprawę, że ciała stałe mogą być pchane, przyciągane i rzucane, co nazywał ruchami „gwałtownymi”, i przyjmował, że są one wywoływane przez pewnego rodzaju siłę mającą źródło w innym obiekcie, na przykład osobie rzucającej. Ale co wywoływało siłę rzucającą – albo lot ptaka? Tu wydawało się, nie istnieje przyczyna zewnętrzna. Arystoteles dowodził, że istoty żywe, w odróżnieniu od materii nieożywionej, są zdolne do inicjowania swego ruchu, i w tym przypadku przyczyną tego ruchu była dusza istoty. Pogląd Arystotelesa na źródła ruchu dominował w nauce do wieków średnich, aż wydarzyło się coś niezwykłego. Uczeni (którzy wtedy nazywali siebie filozofami natury) zaczęli teorie ruchu obiektów nieożywionych wyrażać za pomocą logiki i matematyki. Można spierać się o to, kto zapoczątkował tę bardzo produktywną zmianę w sposobie myślenia. Średniowieczni arabscy i perscy uczeni, tacy jak Alhazen i Awicenna, oczywiście odegrali dużą rolę, a trend ten podchwyciły powstające w Europie instytucje naukowe, takie jak uniwersytety w Paryżu i Oksfordzie. Ale ten sposób opisu świata wydał swój pierwszy wielki owoc we Włoszech, na uniwersytecie w Padwie, gdzie Galileusz wyraził proste prawa ruchu w postaci matematycznych formuł. W 1642 roku, w roku śmierci Galileusza, narodził się w Anglii, w mieście Lincolnshire, Izaak Newton, który potem z olbrzymim sukcesem opisał, jak ruch nieożywionych obiektów może być zmieniany pod wpływem działania sił. Newton stworzył system naukowy, który dotąd nazywamy mechaniką newtonowską. Początkowo używane przez Newtona pojęcie siły było bardzo tajemnicze, ale w ciągu następnych stuleci zostało powiązane z koncepcją energii. Obiekty poruszające się posiadają energię, która może być przekazana obiektom nieruchomym, gdy zostają wprawione w ruch podczas zderzenia. Ale siły mogą być także przekazywane pomiędzy obiektami na odległość: przykładem są tu siły grawitacyjne Ziemi, które spowodowały upadek jabłka Newtona z drzewa, albo siły magnetyczne, które odchylają igły kompasów. Niesamowity postęp nauki zapoczątkowany przez Galileusza i Newtona przyspieszył w XVIII wieku, a pod koniec wieku XIX powstały fundamenty tego, co dzisiaj nazywamy fizyką klasyczną. W tym czasie wiedziano, że inne formy energii, takie jak ciepło i światło, są także zdolne do oddziaływania ze składnikami materii, atomami i cząsteczkami, powodując, że stają się one cieplejsze, emitują światło lub zmieniają

kolor. Uważano, że ciała są zbudowane z cząstek, nad ruchem których kontrolę sprawują siły grawitacji lub elektromagnetyzmu10. Tak więc świat materialny lub przynajmniej obiekty nieożywione zawarte w nim, tworzą dwa rozróżnialne byty: widzialna materia, zbudowana z cząstek, i niewidzialne siły, które działają pomiędzy cząstkami w sposób wtedy jeszcze niedostatecznie rozumiany, jako rozchodzące się w przestrzeni fale energii lub pola sił. Ale co z materią ożywioną, z której zbudowane są organizmy żywe? Z czego są one zbudowane i skąd ich ruch?

Triumf maszyn Niezwykłą różnicę pomiędzy tym, co żyje, a tym, co martwe, wyjaśniała starożytna idea, że wszystkie organizmy ożywia jakiś rodzaj nadprzyrodzonej substancji albo istoty. Życie wyróżniało się tym, że jego siłą napędową była dusza, a nie żadna z tych prozaicznych sił mechanicznych. Ale było to zawsze wytłumaczenie niezadowalające – równoważne tłumaczeniu, że Słońce, Księżyc i gwiazdy poruszają się na skutek tego, że popychają je anioły. W istocie nie było żadnego wytłumaczenia, bo natura duszy (i aniołów) pozostawała całkowicie zagadkowa. W XVII wieku francuski filozof René Descartes (Kartezjusz) przedstawił zasadniczo odmienny pogląd. Zafascynowany mechanicznymi zegarami i zainspirowany mechanizmami automatycznych lalek, którymi zabawiano się na europejskich dworach, ogłosił rewolucyjne twierdzenie, że rośliny, zwierzęta, a także ludzie są tylko skomplikowanymi maszynami, stworzonymi z konwencjonalnych materiałów i poruszanymi za pomocą urządzeń mechanicznych, takich jak pompy, tryby, tłoki i wałki, które podlegają działaniu tych samych sił, co materia nieożywiona. W swym mechanistycznym podejściu Kartezjusz nie uwzględnił ludzkiego umysłu, pozostawiając go nieśmiertelnej duszy, lecz ta filozofia dała przynajmniej podwaliny naukowego podejścia do zjawiska życia, podejścia wyrażanego prawami fizyki rządzącymi światem obiektów nieożywionych. Mechanistyczne podejście w biologii było kontynuowane przez niemal rówieśnika sir Izaaka Newtona, lekarza Williama Harveya, który odkrył, że serce jest niczym więcej jak tylko pompą mechaniczną. Sto lat później francuski chemik Antoine Lavoisier dowiódł, że oddychający chomik wchłania tlen i wytwarza dwutlenek węgla, tak jak ogień, który dostarczał siły napędowej dla nowej technologii silników parowych. Wniosek, jaki wyciągnął z tego Lavoisier, brzmiał: „oddychanie jest zatem zjawiskiem bardzo wolnego spalania, bardzo podobnym do spalania węgla”. Kartezjusz mógłby stwierdzić, że zwierzęta nie wydają się zbytnio różnić od napędzanych węglem lokomotyw, które wkrótce miały stać się koniem pociągowym rewolucji przemysłowej

w Europie. Ale czy siły, które napędzają parowe lokomotywy, napędzają też życie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zrozumieć, jak lokomotywa parowa jedzie pod górę.

Molekularny stół bilardowy Nauka zajmująca się tym, jak ciepło oddziałuje z materią, zwana jest termodynamiką, a jej najważniejsze wnioski sformułował żyjący w wieku XIX austriacki fizyk Ludwig Boltzmann. Dokonał on bardzo odważnego posunięcia, traktując cząstki materii jak zbiór losowo zderzających się kul bilardowych podlegających prawom mechaniki newtonowskiej. Wyobraźmy sobie powierzchnię stołu bilardowego11 podzieloną na pół przez ruchomą przegrodę. Wszystkie bile, ułożone w kształt trójkąta, znajdują się po lewej stronie przegrody. Niech teraz biała bila uderzy z całą mocą w trójkąt, tak że bile rozlecą się we wszystkie strony, odbijając się od siebie, od band stołu i od ruchomej przegrody. Rozważmy, co stanie się z przegrodą. Zostanie poddana działaniu wielu uderzeń z lewej strony, gdzie były wszystkie bile, a nie z prawej strony, gdzie bil nie było. Pomimo że ruch bil był losowy, przegroda, w którą uderzyło wiele bil, poddana jest działaniu siły wypadkowej, która przesunie ją w prawo i rozszerzy przestrzeń z lewej strony. Możemy teraz wykorzystać nasz stół do wykonywania pracy dzięki maszynerii składającej się z dźwigni i bloczków, która ruch przegrody w prawo przekieruje na, powiedzmy, pchnięcie dziecięcej kolejki pod górę. Boltzmann zdał sobie sprawę, że w istocie tak właśnie ciepło porusza realne lokomotywy parowe – nie zapominajmy, że był to wiek pary – po torach. Cząsteczki wody w cylindrze maszyny parowej zachowują się bardzo podobnie do bil po uderzeniu białej bili. Ich chaotyczny ruch jest podsycany ciepłem z paleniska, tak że cząsteczki z większą energią zderzają się ze sobą i z tłokiem, starając się wypchnąć go z cylindra, co napędza – poprzez wałki, zębatki i łańcuchy – koła lokomotywy i ostatecznie nadaje jej ruch liniowy. Silnik samochodu, sto lat po Boltzmannie, działa dokładnie według tych samych zasad, z tą różnicą, że parę zastępują produkty spalania benzyny. Niezwykłym aspektem termodynamiki jest to, że już nic więcej nie da się do niej dodać. Uporządkowany ruch każdej maszyny cieplnej, kiedykolwiek zbudowanej, jest wynikiem uśrednionego ruchu trylionów losowo poruszających się atomów i cząsteczek. Nie tylko to. Ta dziedzina nauki jest niezwykle ogólna. Można stosować ją nie tylko do silników cieplnych, stosuje się ją w całej chemii, a także tam, gdzie

mamy do czynienia ze spalaniem węgla w powietrzu, rdzewieniem żelaza, gotowaniem potraw, odlewaniem stali, rozpuszczaniem soli w wodzie, gotowaniem wody w czajniku i wysłaniem rakiety na Księżyc. Wszystkie te procesy chemiczne wymagają wymiany ciepła i na poziomie molekularnym są sterowane prawami termodynamiki, które wyrażają ruch przypadkowy. Istotnie, prawie wszystkie niebiologiczne (fizyczne i chemiczne) procesy, które powodują zmiany naszego świata, podlegają prawom termodynamiki. Prądy oceaniczne, gwałtowne sztormy, wietrzenie skał, pożary lasów i korozja metali – wszystko to sterowane jest nieubłaganymi siłami chaosu, które są podstawą termodynamiki. Każdy złożony proces może nam się wydawać uporządkowany, ale w istocie u jego podstaw tkwi przypadkowy ruch cząsteczek.

Życie jako chaos? Czy to samo odnosi się do życia? Powróćmy do naszego stołu bilardowego i do początku gry, gdy na stole ułożony jest trójkąt z bil. Teraz jednak układamy dużą ilość bil dodatkowych (wyobraźmy sobie, że jest to ogromny stół bilardowy) i powodujemy gwałtowne zbijanie bil w sąsiedztwie trójkąta. I znów wywołany przypadkowymi zderzeniami ruch przegrody wykorzystujemy do wykonania pracy użytecznej. Ale teraz zamiast pchania kolejki dziecięcej po torach wymyślamy jeszcze bardziej sprytne urządzenie. Tym razem nasze urządzenie napędzane ruchem chaotycznym wszystkich tych bil będzie wykonywało coś bardzo specjalnego. Będzie zachowywało wśród chaosu trójkąt ułożony z bil. Za każdym razem, gdy bila z trójkąta zostanie wyrzucona ze swego położenia przez inną, przypadkowo poruszającą się bilę, zdarzenie to zostanie zarejestrowane przez urządzenie sensoryczne, które uruchomi mechaniczne ramię, które z kolei zastąpi brakującą bilę identyczną bilą wybraną z przypadkowo zderzających się bil. Mamy nadzieję, że zorientowaliście się, że teraz układ używa części energii przypadkowych zderzeń do tego, aby utrzymać część siebie w stanie uporządkowanym. W termodynamice pojęcie entropii ma opisywać stopień nieuporządkowania, dlatego bardzo uporządkowane stany mają bardzo niską entropię. O naszym stole bilardowym można powiedzieć, że czerpie energię ze zderzeń (przypadkowych) o wysokiej entropii, aby utrzymać swą część, trójkąt utworzony z bil, w stanie (uporządkowanym) o niskiej entropii. Nie ma znaczenia, w jaki sposób zbudujemy to sprytne urządzenie: ważne, że nasz napędzany entropią stół bilardowy wykonuje coś bardzo interesującego. Ten nowy układ, składający się z bil, stołu, przegrody, urządzenia sensorycznego wykrywającego ruch bil i ruchomego ramienia, jest zdolny do podtrzymywania uporządkowania swego

podukładu za pomocą przypadkowego ruchu bil. Teraz rozpatrzmy następny stopień zaawansowania: tym razem część dostępnej energii ruchomej przegrody – możemy nazwać ją energią swobodną12 układu – jest użyta do budowy i podtrzymania działania urządzenia sensorycznego i ruchomego ramienia, a nawet do użycia wielu bil bilardowych jako materiału do budowy tych urządzeń. Teraz cały układ jest samowystarczalny i w zasadzie tak długo, jak dostarcza się mu poruszające się bile i dostateczną przestrzeń do ruchu przegrody, może sam podtrzymywać swe działanie bez końca. Wreszcie, oprócz podtrzymywania swego działania, ten rozległy układ będzie mógł dokonać niezwykłego wyczynu. Zużyje dostępną energię swobodną do detekcji, pochwycenia i ułożenia bil – i wykona swą kopię: stół, przegrodę, urządzenie wykrywające ruch bil i ruchome ramię oraz trójkąt ułożony z bil. A te kopie będą mogły podobnie zaprzęgnąć swe bile i energię swobodną dostarczoną przez ich zderzenia do wykonania następnych kopii. A te kopie… No tak, chyba już domyślacie się, do czego to zmierza. Nasz wyimaginowany projekt z gatunku „zrób to sam” to odpowiednik życia zasilanego kulami bilardowymi. Tak jak ptak, ryba albo człowiek, nasze wyimaginowane urządzenie jest zdolne do podtrzymania swego istnienia i namnażania się, wykorzystując energię swobodną losowych zderzeń międzycząsteczkowych. I choć to trudne i złożone zadanie, siła je napędzająca jest w ogólnym zarysie taka sama jak ta, która porusza po torach lokomotywy parowe. W życiu realnym kule bilardowe zastąpione są cząsteczkami otrzymanymi z pożywienia, ale chociaż proces ten jest znacznie bardziej złożony niż opisany w tym prostym przykładzie, zasada jest ta sama: energia swobodna otrzymana z losowych zderzeń cząsteczek (i ich reakcji chemicznych) jest skierowana do podtrzymywania funkcjonowania ciała i produkcji jego kopii. Czy życie zatem jest dziedziną termodynamiki? Gdy jesteśmy na wycieczce, to czy schodząc ze zbocza, poddani jesteśmy tym samym procesom, co lokomotywa parowa? A lot rudzika – czy nie jest podobny do lotu kuli armatniej? Czy iskierka życia, która w nas tkwi, to tylko chaotyczny ruch molekuł? Aby odpowiedzieć na tego typu pytania, musimy przyjrzeć się bliżej subtelnej strukturze organizmów żywych.

Podglądając ukryte aspekty życia Pierwsze poważne sukcesy w odkrywaniu delikatnej struktury życia osiągnęli siedemnastowieczny „filozof natury” Robert Hooke, który w cienkich plastrach korka zaobserwował pod swoim prostym mikroskopem coś, co nazwał „komórkami”, oraz holenderski wytwórca mikroskopów Anton van Leeuwenhoek, który zidentyfikował

coś, co nazwał „żyjątkami” – obecnie zwane są organizmami jednokomórkowymi – w kroplach wody pochodzącej ze stawu. Obserwował także komórki drzew, krwinki czerwone i plemniki. Później zrozumiano, że żywą tkankę można rozłożyć na te podstawowe komórki, podstawowy budulec materii żywej. Niemiecki fizyk i biolog Rudolf Virchow pisał w 1858 roku: Tak jak drzewo posiada określoną budowę, w której w każdej pojedynczej części, czy to w liściach jak i w korzeniu, w pniu jak i w kwiatostanie, odkryto komórki jako podstawowy element, tak jest i ze wszystkimi gatunkami zwierząt. Każde zwierzę jest sumą swoich niezbędnych do życia jednostek, a każda z nich przejawia wszystkie właściwości życia. Gdy żywe komórki obserwowano przez coraz silniejsze mikroskopy, odkryto ich strukturę wewnętrzną, która okazała się bardzo złożona, z położonym w centrum jądrem komórkowym wypełnionym chromosomami i otoczonym cytoplazmą, w której znajdują się organelle wykonujące, tak jak organy naszych organizmów, określone funkcje wewnątrz komórki. Na przykład organelle zwane mitochondriami wykonują czynność oddychania wewnątrz ludzkich komórek, podczas gdy chloroplasty dokonują fotosyntezy wewnątrz komórek roślinnych. Ogólnie komórka bardzo przypomina intensywnie działający miniaturowy zakład przemysłowy. Ale co utrzymuje ją w ruchu? Co ożywia komórkę? Początkowo uważano, że komórkę wypełnia „siła życiowa”, w istocie równoważna arystotelesowskiej koncepcji duszy. Przez większość XIX wieku utrzymywała się wiara w witalizm – w to, że istoty żywe animuje siła niewystępująca w materii nieożywionej. Uważano, że w komórkach znajduje się tajemnicza żywa substancja, zwana protoplazmą, traktowana nieomal mistycznie. Ale witalizm został podważony dzięki badaniom kilku dziewiętnastowiecznych uczonych, którym udało się wyizolować z komórek organizmów żywych związki chemiczne identyczne z tymi, jakie syntetyzuje się w laboratorium. Na przykład w 1828 roku niemiecki chemik Friedrich Wöhler otrzymał mocznik syntetyczny, związek biochemiczny uważany za występujący tylko w żywych komórkach. Dzięki użyciu wyciągów z żywych komórek (potem nazwanych enzymami) Louisowi Pasteurowi udało się nawet powtórzyć reakcje chemiczne, takie jak fermentacja, uważana dotąd za wyłączną cechę życia. Coraz częściej żywa materia wydawała się zbudowana z tych samych związków chemicznych, co nieożywiona, i stąd nasuwał się wniosek, że powinna posiadać też tę samą chemię. Witalizm powoli ustępował mechanicyzmowi. Pod koniec XIX wieku biochemicy zatriumfowali nad witalistami13. Komórki uważano za zbiorowisko związków biochemicznych, podlegających złożonym procesom chemicznym, ale takie, które pomimo to opiera się na losowym ruchu

cząsteczek opisanym przez Boltzmanna. Życie, jak ogólnie przyjmowano, było tylko bardziej skomplikowaną termodynamiką. Z wyjątkiem jednego aspektu – zapewne najważniejszego ze wszystkich.

Geny Zdolność żywego organizmu do wiernego przekazywania instrukcji budowy nowego organizmu – czy to w przypadku rudzika, rododendronu albo i samego człowieka – była przez wieki jedną z największych zagadek. W swych 51st Exercitation z 1653 roku angielski chirurg William Harvey pisał: Chociaż to znana rzecz i wszyscy ją akceptują, że płód ma swój początek i narodziny z samca i samicy i wskutek tego jajo produkuje kogut i kura, a z jaja kurczę się wykluwa, to żadna ze szkół lekarskich ani przenikliwy umysł Arystotelesa nie odkryli sposobu, w jaki kogut i jego nasienie wykuwają z jaja kurczę. Dwa wieki później częściowej odpowiedzi udzielił austriacki zakonnik Grzegorz Mendel, który gdzieś około 1850 roku hodował groch zwyczajny w klasztorze augustianów w Brnie. Przeprowadzone przez niego obserwacje doprowadziły go do wniosku, że za cechy takie jak kolor kwiatu albo kształt groszku odpowiadają dziedziczne „czynniki”, które mogą być przekazywane, niezmienione, z jednego pokolenia na następne. Tym samym „czynniki” Mendla stają się bankiem informacji, który umożliwia groszkowi utrzymywanie swego charakteru poprzez setki pokoleń – albo w trakcie, gdy „kogut i jego nasienie wykuwają z jaja kurczę”. Prace Mendla zostały zignorowane przez większość mu współczesnych, Darwina także, i dopiero na początku XX wieku zostały na nowo odkryte. Jego „czynniki” nazwano genami i wkrótce włączono je do rozwijającego się w XX wieku, ogólnie akceptowanego, mechanistycznego podejścia w biologii. Ale choć Mendel wykazał, że te byty muszą istnieć wewnątrz żywych komórek, nikt przedtem ich tam nie widział, nikt nie miał żadnej wiedzy o tym, z czego są one złożone. Dopiero w 1902 roku amerykański genetyk Walter Sutton zauważył, że wewnątrzkomórkowe struktury, zwane chromosomami, wykazują cechy dziedziczenia takie jak czynniki Mendla, co skłoniło go do wysunięcia sugestii, że geny znajdują się wewnątrz chromosomów. Chromosomy są stosunkowo wielkimi i skomplikowanymi strukturami, złożonymi z białek, cukrów i związków biochemicznych zwanych kwasami deoksyrybonukleinowymi (albo DNA). Początkowo nie wiedziano, który z tych

składników jest odpowiedzialny za dziedziczenie. Lecz w 1943 roku kanadyjski uczony Oswald Avery przeniósł gen z jednej bakterii na inną dzięki ekstrakcji DNA z komórki dawcy i wstrzyknięciu go do komórki biorcy. Eksperyment ten pokazał, że to DNA zawarte w chromosomach niesie całą informację genetyczną, a nie białka czy inne związki biochemiczne14. Pomimo to wydawało się wtedy, że nie ma nic magicznego w DNA. Było ono uważane za zwykły związek chemiczny. Nadal pozostawało pytanie o to, jak to wszystko działa. Jak związek chemiczny dostarcza informacji niezbędnej, aby „kogut i jego nasienie wykuli z jaja kurczę”? I jak kopiowane są geny i replikowane z pokolenia na pokolenie? Konwencjonalna chemia, oparta na podobnych do bil cząsteczkach Boltzmanna, po prostu wydawała się niezdolna do zapewnienia środków do magazynowania, powielania i dokładnego przekazywania informacji genetycznej. Odpowiedź na to pytanie została udzielona, gdy w 1953 roku James Watson i Francis Crick, pracujący w Cavendish Laboratory w Cambridge, zdołali dopasować strukturę podwójnej helisy do danych eksperymentalnych uzyskanych na DNA przez ich koleżankę Rosalind Franklin. Każda nitka DNA okazała się być czymś w rodzaju molekularnej struny utworzonej z atomów fosforu, tlenu i cukru zwanego deoksyrybozą ze strukturami chemicznymi zwanymi nukleotydami15, nanizanymi na niej jak paciorki. Są cztery rodzaje tych paciorków: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T), a więc ich uporządkowanie wzdłuż nici DNA stanowi jednowymiarową sekwencję liter, taką jak „GTCCATTGCCCGTATTACCG”. Francis Crick podczas wojny pracował w admiralicji (Dowództwo Królewskiej Marynarki Wojennej), dlatego można przypuszczać, że miał do czynienia z kodami, jak te z Enigmy, niemieckiej maszyny szyfrującej, które zostały rozpracowane w Bletchley Park. W każdym razie gdy zobaczył nić DNA, od razu wyobraził ją sobie jako kod, sekwencję informacji, która zawiera istotne instrukcje dziedziczenia. I, jak dowiemy się w rozdziale 7, odkrycie podwójnej helisy DNA rozwiązało zagadnienie kopiowania informacji genetycznej. Dwie wielkie zagadki naukowe zostały rozwiązane za jednym razem. Odkrycie struktury DNA dostarczyło mechanistycznego klucza, który otworzył sejf zawierający tajemnicę genów. Jeśli geny są związkami chemicznymi, a chemia po prostu termodynamiką, to czy odkrycie podwójnej helisy w końcu rzuciło światło na całość klasycznej nauki?

Osobliwy uśmiech życia Kot z Cheshire z Alicji w Krainie Czarów Lewisa Carrolla miał zwyczaj znikania, pozostawiając tylko swój uśmiech, co sprowokowało Alicję do komentarza, że „często

widywała kota bez uśmiechu, ale nigdy uśmiechu bez kota”. U wielu biologów podobną konsternację wywoływał fakt, że pomimo znajomości termodynamiki żywych komórek i wiedzy, jak w genach zakodowana jest informacja o budowie komórki, tajemnica tego, czym w istocie jest życie, wciąż pozostawiała im tylko uśmiech. Jednym z problemów jest sama złożoność reakcji biochemicznych, jakie zachodzą wewnątrz każdej komórki organizmu żywego. Kiedy chemicy sztucznie produkują aminokwas lub cukier, zwykle syntetyzują pojedynczy związek naraz i aby zoptymalizować docelowy związek, kontrolują bardzo ściśle warunki, w jakich przebiega reakcja – takie jak temperatura i koncentracja różnych składników. To niełatwe zadanie i wymaga ścisłego utrzymywania określonych warunków wewnątrz kolb, skraplaczy, kolumn separacyjnych, urządzeń filtrujących i innej skomplikowanej aparatury chemicznej. Tymczasem każda komórka wewnątrz twojego ciała w sposób ciągły syntetyzuje tysiące różnorodnych związków biochemicznych wewnątrz komory reakcyjnej wypełnionej tylko kilkoma milionowymi mikrolitra cieczy16. W jaki sposób te różnorodne reakcje mogą zachodzić równocześnie? I jak ten cały ruch molekularny jest zorganizowany wewnątrz mikroskopijnej komórki? Na udzielaniu odpowiedzi na te pytania koncentruje się nowa nauka: biologia systemowa; ale trzeba przyznać, że odpowiedzi pozostają wciąż tajemnicą! Inną zagadką życia jest śmiertelność. Reakcje chemiczne charakteryzują się tym, że zawsze są odwracalne. Reakcje chemiczne można zapisać kierunkowo: substraty -> produkt. Ale w rzeczywistości reakcja odwrotna, produkt -> substraty, zwykle zachodzi jednocześnie. Tyle że w określonych warunkach przeważa jeden kierunek. Zawsze jednak można znaleźć takie warunki, które faworyzują odwrotny kierunek reakcji. Na przykład gdy paliwa kopalne spalają się w powietrzu, substratami są węgiel i tlen, a jedynym produktem jest gaz cieplarniany, dwutlenek węgla. Tę reakcję uważa się zwykle za nieodwracalną, chociaż pewne technologie wychwytywania węgla dążą do odwrócenia tego procesu poprzez zastosowania źródła energii, aby prowadzić reakcję w przeciwnym kierunku. Na przykład Rich Masel z Uniwersytetu Illinois stworzył firmę Dioxide Materials, której celem jest użycie energii elektrycznej do przekształcania dwutlenku węgla z atmosfery w paliwo do pojazdów17. Życie jest odmienne. Nikt dotąd nie odkrył warunków, które faworyzowałyby kierunek: martwa komórka -> żywa komórka. To oczywiście ta zagadka, która zmusiła naszych przodków do wymyślenia pojęcia duszy. Już nie wierzymy, że komórka posiada jakiś rodzaj duszy, ale czym jest zatem to, co nieodwołalnie jest tracone, gdy komórka lub człowiek umierają? W tym momencie możecie myśleć: a co z nowo stworzoną nauką, zwaną biologią syntetyczną? Z pewnością badacze z tej dziedziny powinni posiadać klucz do tajemnicy życia. Najbardziej znanym praktykiem w tej dziedzinie jest, być może, pionier sekwencjonowania genomu, Craig Venter, który w 2010 roku wywołał burzę

w środowisku naukowym, ogłaszając, że stworzył sztuczne życie. Jego praca znalazła się na nagłówkach światowych gazet i wywołała strach przed stworzeniem nowej rasy sztucznie wyhodowanych istot, które mogą przejąć panowanie nad naszą planetą. Ale Venter i jego zespół zdołali tylko zmodyfikować istniejącą formę życia, a nie stworzyć zupełnie nowe życie. Dokonali tego poprzez pierwszą na świecie udaną syntezę DNA bakteryjnego patogenu, znanego jako Mycoplasma mycoides, który powoduje choroby kóz. Następnie wstrzyknęli oni zsyntetyzowany DNA do żywej komórki bakterii i bardzo sprytnie spowodowali, aby zastąpiła ona swój oryginalny chromosom wersją przez nich zsyntetyzowaną. Ich praca bez wątpienia stanowiła techniczny przełom. Chromosom bakterii zawiera 1,8 miliona liter genetycznych, które muszą być ułożone w dokładnie określonej kolejności. W istocie to, czego dokonali uczeni, było wykonaniem tej samej transformacji, która u nas wszystkich dokonuje się w sposób naturalny, gdy w żywą tkankę przekształcane są związki chemiczne zawarte w naszym pożywieniu. Przeprowadzona z sukcesem przez Ventera i jego zespół synteza i podstawienie substytutu chromosomu bakterii otwarły nową dziedzinę badań w biologii syntetycznej, o której powiemy więcej w ostatnim rozdziale. To zapewne najbardziej efektywny sposób wytwarzania leków, uprawy zbóż lub pozbywania się zanieczyszczeń. Ale w tym i podobnych eksperymentach uczeni nie tworzą nowego życia. Pomimo osiągnięć Ventera tajemnica życia wciąż się tylko do nas uśmiecha. Laureatowi Nagrody Nobla, fizykowi Richardowi Feynmanowi, przypisuje się powiedzenie, że „nie rozumiemy tego, czego nie potrafimy wytworzyć”. Zgodnie z taką definicją nie rozumiemy życia, ponieważ nie udało się nam go jeszcze stworzyć. Możemy mieszać związki biochemiczne, podgrzewać je, napromieniowywać, możemy nawet jak Frankenstein z powieści Mary Shelley używać elektryczności, aby je animować; ale jedyny sposób, w jaki możemy stworzyć życie, to wstrzyknąć te związki biochemiczne do żyjących już komórek albo zjeść je i tym samym uczynić je częściami naszych ciał. A więc dlaczego wciąż nie jesteśmy zdolni do wykonania tego, co bez wysiłku wykonują tryliony podrzędnych mikrobów co sekundę? Czy brak nam jakiegoś składnika? To jest to pytanie, nad którym słynny fizyk Erwin Schrödinger rozmyślał więcej niż siedemdziesiąt lat temu, a bardzo zadziwiająca odpowiedź, jaką na nie znalazł, ma kluczowe znaczenie dla tematu tej książki. Aby zrozumieć, dlaczego rozwiązanie Schrödingera najgłębszej tajemnicy życia było i wciąż jest tak rewolucyjne, musimy powrócić do początku XX wieku, nim została odkryta podwójna helisa, do czasów, gdy świat fizyki został przewrócony do góry nogami.

Kwantowa rewolucja

Eksplozja wiedzy naukowej w epoce osiemnastowiecznego i dziewiętnastowiecznego oświecenia dała mechanikę newtonowską, elektromagnetyzm i termodynamikę – i udowodniła, że te trzy dziedziny fizyki bardzo dobrze opisują ruch i zachowanie wszystkich makroskopowych obiektów i zjawisk w naszym świecie, od kul armatnich do zegarów, od sztormów do lokomotyw parowych, od wahadeł do planet. Ale w końcu XIX i na początku XX wieku, gdy fizycy zwrócili uwagę na mikroskopowe składniki materii – atomy i cząsteczki – odkryli, że znane im prawa już nie mają tam zastosowania. Fizyka potrzebowała rewolucji. Pierwszy wielki przełom – koncepcja kwantu – został dokonany przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka, który przedstawił wyniki swych badań na seminarium Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego 14 grudnia 1900 roku, i data ta została uznana za dzień narodzin teorii kwantów. W konwencjonalnym rozumieniu tamtych czasów promieniowanie cieplne rozchodziło się w przestrzeni tak jak inne formy energii – w postaci fali. Problem polegał na tym, że teoria fal nie była zdolna wyjaśnić, w jaki sposób gorące obiekty promieniują ciepło. Planck zaproponował radykalną ideę, której sens polegał na tym, że materia w tych gorących ciałach drga z określonymi dyskretnymi częstościami, co w konsekwencji prowadzi do tego, że ciepło z tych ciał wypromieniowywane jest w małych dyskretnych kawałkach albo „kwantach”, które nie są już podzielne. Jego prosta teoria odniosła zadziwiający sukces, ale była radykalnym odstępstwem od klasycznej teorii promieniowania, w której energia miała charakter ciągły. Jego teoria sugerowała, że energia, zamiast wyciekać z materii w sposób ciągły, jak woda z kranu, wylatuje z niej jako zbiór oddzielnych paczek – jak z kranu kapiącego powoli. Planck nigdy nie był zadowolony z pomysłu, że energia była grudkowata, ale pięć lat po tym, jak zaproponował swą teorię kwantów, Albert Einstein rozszerzył jego pomysł i zasugerował, że całe promieniowanie elektromagnetyczne, razem ze światłem, jest raczej „skwantowane” niż ciągłe i występuje w formie dyskretnych pakunków czy też cząstek, które teraz nazywamy fotonami. Jego sposób traktowania światła mógł wyjaśnić starą zagadkę, znaną jako efekt fotoelektryczny: zjawisko polegające na wybijaniu z materii elektronów pod wpływem padającego na nią światła. Za ten pomysł, a nie za swe słynniejsze teorie względności, Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla. Ale było także wiele dowodów na to, że światło zachowuje się jak rozproszona i ciągła fala. A zatem jak światło może być jednocześnie falą i strugą kwantów? W tym czasie to nie miało sensu, przynajmniej w ramach klasycznej nauki. Następny gigantyczny krok został wykonany przez duńskiego fizyka, Nielsa Bohra, który zjawił się w 1912 roku w Manchesterze, aby pracować razem z Ernestem Rutherfordem. Rutherford dopiero co zaproponował swój słynny planetarny model atomu, w którym maleńkie, bardzo gęste jądro otoczone było jeszcze mniejszymi

elektronami. Nikt jednak nie rozumiał, jak taki model atomu może być stabilny. Zgodnie bowiem ze standardową elektrodynamiką ujemnie naładowane elektrony musiałyby w sposób ciągły emitować energię świetlną w trakcie orbitowania wokół dodatnio naładowanego jądra. A robiąc to, traciłyby energię i bardzo szybko (w ciągu biliardowych części sekundy) spadłyby na jądro po linii śrubowej, powodując krach atomu. Ale elektrony tego nie robiły. Na czym więc polega ta sztuczka? Aby wyjaśnić stabilność atomów, Bohr zaproponował tezę, że elektrony nie mają swobody w zajmowaniu dowolnej orbity wokół jądra, lecz zamiast tego krążą po ustalonych (skwantowanych) orbitach. Elektron może przeskoczyć na niżej leżącą orbitę, jeśli wyemituje grudkę albo kwant, elektromagnetycznej energii (foton) dokładnie tej samej wielkości, co różnica energii elektronu na tych dwóch orbitach. Podobnie może on przeskoczyć na wyżej leżącą orbitę, jeśli zaabsorbuje foton o energii równej różnicy energii na tych dwóch orbitach. Sposobem wizualizacji różnicy pomiędzy teorią klasyczną i kwantową, służącym zarazem wyjaśnieniu, dlaczego elektron powinien zajmować tylko określone orbity w atomie, jest zdanie sobie sprawy z tego, jak gra się poszczególne dźwięki na gitarze, a jak na skrzypcach. Skrzypek gra nutę, naciskając palcem na jedną ze strun, skracając jej długość na gryfie skrzypiec, i uzyskuje dźwięk, gdy pociera ją smyczkiem, aby wprawić ją w drganie. Krótsze struny drgają z większymi częstościami (więcej drgań na sekundę) i wytwarzają dźwięk o wyższym tonie, podczas gdy struny dłuższe drgają z niższymi częstościami (mniej drgań na sekundę) i wytwarzają niższy ton. Zanim przejdziemy dalej, musimy powiedzieć kilka słów o jednej z podstawowych cech mechaniki kwantowej, czyli o tym, jak bardzo ściśle częstość i energia są ze sobą związane18. Powiedzieliśmy już w poprzednim rozdziale, że subatomowe cząstki mają także własności falowe, co oznacza, że jak każda rozległa fala mają związane z nimi długość fali i częstość. Szybkie drgania albo oscylacje mają większą energię niż drgania wolne – pomyślcie o suszarce wirnikowej, która musi obracać się (oscylować) z dużą częstością, aby mieć wystarczającą energię do wyparcia wody z waszych ubrań. Wracając do naszych skrzypiec. Wysokość tonu (jego częstość) może zmieniać się w sposób ciągły, w zależności od długości struny pomiędzy prożkiem na gryfie a palcem skrzypka. To odpowiada klasycznej fali, która może przyjmować dowolną długość (odległość pomiędzy sąsiadującymi wierzchołkami). Dlatego skrzypce zdefiniujemy jako instrument klasyczny – nie w sensie „muzyki klasycznej”, ale raczej w sensie niekwantowania w fizyce klasycznej. Oczywiście to z tego powodu tak ciężko nauczyć się grać poprawnie na skrzypcach, ponieważ skrzypek musi wiedzieć, gdzie dokładnie umieścić palec, aby uzyskać właściwy ton. Ale gryf gitary jest inny; ma ułożone „progi” wzdłuż swej długości. Są to metalowe sztabki częściowo wystające z gryfu, ale niedotykające strun rozpiętych nad nimi. Tak więc gdy gitarzysta umieszcza palec na strunie i dociska ją do progu, tymczasowo

tworzy jej koniec w tym miejscu. Gdy struna zostaje szarpnięta, wysokość wydobywanego dźwięku zależy od drgań struny pomiędzy mostkiem i progiem. Skończona ilość progów oznacza, że tylko określone, dyskretne częstości dźwięku mogą być na gitarze grane. Umieszczenie palca pomiędzy progami nie będzie miało wpływu na wysokość tonu drgającej struny. Gitarę zatem można określić jako instrument kwantowy. I skoro według teorii kwantów częstość i energia są ze sobą związane, drgająca struna gitary musi posiadać dyskretne, a nie ciągłe spektrum energii. W podobny sposób cząstki podstawowe, takie jak elektrony, mogą mieć tylko określone, charakterystyczne częstości, a każda z nich związana jest z dyskretnym poziomem energii. Gdy przechodzi z jednego stanu energetycznego na drugi, musi absorbować lub emitować promieniowanie o energii stanowiącej różnicę pomiędzy energią poziomu początkowego i końcowego. Do połowy lat dwudziestych XX wieku Bohr, wówczas z powrotem w Kopenhadze, był jednym z wielu europejskich fizyków pracujących gorączkowo nad pełniejszą i bardziej spójną matematyczną teorią opisującą to, co dzieje się w świecie subatomowym. Jednym z najzdolniejszych w tej grupie uczonych był młody niemiecki geniusz, Werner Heisenberg. W lecie 1925 roku, gdy dochodził do siebie po ataku kataru siennego na niemieckiej wyspie Helgoland, Heisenberg dokonał ważnego postępu w tworzeniu nowej matematyki niezbędnej do opisu świata atomów. Ale był to dziwny rodzaj matematyki, a to, co mówiła ona o atomach, było jeszcze dziwniejsze. Na przykład Heisenberg nie tylko dowodził, że nie możemy dokładnie określić, gdzie znajduje się elektron w atomie, jeśli nie mierzymy go, ale że sam elektron nie posiada określonej lokalizacji, ponieważ jest rozmyty w przestrzeni w niemożliwy do poznania sposób. Heisenberg doszedł do wniosku, że świat atomowy jest upiornym, niematerialnym miejscem, które istnieje konkretnie dopiero wtedy, gdy urządzenie pomiarowe wchodzi z nim w kontakt. To kwantowy proces pomiarowy, który pokrótce opisaliśmy w poprzednim rozdziale. Heisenberg pokazał, że proces ten odkrywa tylko te cechy, które są specjalnie przeznaczone do pomiaru – podobnie jak pojedyncze wskaźniki na desce rozdzielczej samochodu, które dają informację tylko o jednym aspekcie swego działania, takim jak prędkość, przebyta odległość albo temperatura silnika. Tak więc możemy dokonać eksperymentu w celu dokładnego wyznaczenia położenia elektronu w jakimś momencie czasu, możemy także dokonać eksperymentu mierzącego szybkość tego samego elektronu. Ale Heisenberg udowodnił matematycznie, że nie jest możliwe dokonanie pojedynczego eksperymentu, w którym jednocześnie zmierzy się, tak dokładnie, jak się chce, położenie elektronu i prędkość jego ruchu. W 1927 roku ta koncepcja została ujęta w słynną zasadę nieoznaczoności Heisenberga, która od tego czasu tysiące razy była sprawdzana eksperymentalnie w wielu laboratoriach na całym świecie. Pozostaje ona jedną z najważniejszych idei w całej historii nauki i jednym

z kamieni węgielnych mechaniki kwantowej. W styczniu 1926 roku, prawie wtedy, gdy Heisenberg rozwijał swe idee, austriacki fizyk Erwin Schrödinger napisał pracę naukową, dającą ogólny zarys zupełnie innego obrazu atomu. Zaproponował w niej równanie, teraz znane jak równanie Schrödingera, które nie opisuje sposobu, w jaki porusza się cząstka, lecz sposób, w jaki rozchodzi się fala. Sugerowało ono, że elektron nie jest rozmytą cząstką w atomie, z niepoznawalnym położeniem w czasie, gdy orbituje wokół jądra atomowego, ale raczej jest on falą rozprzestrzenioną na cały atom. W przeciwieństwie do Heisenberga, który wierzył, że w ogóle niemożliwym jest stworzenie obrazu elektronu, gdy go nie mierzymy, Schrödinger uważał, że gdy go nie mierzymy, jest on realną fizyczną falą, która ulega „redukcji”19 do dyskretnej cząstki podczas każdego pomiaru. Jego wersja teorii atomowej została nazwana mechaniką falową, a jego słynne równanie opisuje ewolucję fali w miarę upływu czasu. Obrazy Heisenberga i Schrödingera uważamy dzisiaj za dwa różne sposoby interpretacji matematyki mechaniki kwantowej i każdy z nich jest, na swój sposób, poprawny.

Funkcja falowa Schrödingera Gdy chcemy opisać ruch obiektów makroskopowych, kul armatnich czy też pociągów lub planet, składających się z trylionów cząsteczek, rozwiązujemy ten problem za pomocą układu matematycznych równań opartych na dziele Izaaka Newtona. Ale jeśli układ, który opisujemy, należy do świata kwantowego, to wtedy musimy używać równania Schrödingera. I tu pojawia się ogromna różnica pomiędzy tymi dwoma podejściami, bo w naszym newtonowskim świecie rozwiązanie równania ruchu jest liczbą albo zbiorem liczb, które charakteryzują dokładne położenie obiektu w określonej chwili czasu. W świecie kwantowym rozwiązanie równania Schrödingera jest obiektem matematycznym, nazywanym funkcją falową, która nie określa dokładnego położenia, powiedzmy, elektronu w określonej chwili czasu, lecz zamiast tego dostarcza całego zbioru liczb, które opisują prawdopodobieństwo przebywania elektronu w określonych położeniach w przestrzeni, w jakich chcielibyśmy go poszukiwać. Oczywiście twoja pierwsza reakcja na to powinna być: ale to nie jest dostatecznie precyzyjne, określenie, gdzie elektron mógłby być, nie wydaje się zbyt pożyteczną informacją. Chciałbyś wiedzieć, gdzie dokładnie znajduje się elektron. Ale w odróżnieniu od klasycznego obiektu, który zawsze zajmuje określone położenie w przestrzeni, elektron może być w wielu miejscach jednocześnie, aż do momentu, gdy jego położenie zaczyna być mierzone. Kwantowa funkcja falowa jest rozprzestrzeniona

w całej przestrzeni – co oznacza, że opisując elektron, możemy co najwyżej otrzymać zbiór liczb, które określają prawdopodobieństwo znalezienia elektronu, nie w pojedynczym położeniu, lecz jednocześnie w każdym punkcie przestrzeni. Trzeba sobie uzmysłowić, że te kwantowe prawdopodobieństwa nie oznaczają niedostatku naszej wiedzy, któremu można zaradzić, zdobywając więcej informacji – taka jest po prostu podstawowa cecha świata w skali mikroskopowej. Wyobraźmy sobie złodzieja kosztowności, który otrzymał zwolnienie warunkowe i wyszedł z więzienia. Zamiast zmienić się na lepsze, od razu wraca do starych nawyków i zaczyna włamywać się do domów w całym mieście. Policjanci, badając mapę, są w stanie prześledzić jego potencjalne miejsca pobytu od momentu zwolnienia. Choć nie mogą określić jego położenia w każdym momencie czasu, to mogą przypisać prawdopodobieństwa popełnienia przez niego włamania w różnych rejonach miasta. Można zacząć od tego, że domy znajdujące się najbliżej więzienia są narażone na największe ryzyko, ale z czasem obszar zagrożony rozszerza się. A znając rodzaj własności, które kradł zazwyczaj, policja może z pewnym prawdopodobieństwem określić, że bogate dzielnice, gdzie można oczekiwać drogiej biżuterii, są bardziej narażone na jego działalność niż dzielnice biedniejsze. Tę falę zbrodni jednego człowieka, rozprzestrzeniającą się na całe miasto, można porównać do fali prawdopodobieństwa. Nie jest ona namacalna ani nie jest realna, to tylko zbiór liczb, które można przypisać różnym dzielnicom miasta. W podobny sposób rozprzestrzenia się funkcja falowa z położenia, w którym elektron był widziany ostatnio. Obliczenie wielkości funkcji falowej w różnych punktach i momentach czasu pozwala nam przypisać prawdopodobieństwa punktom przestrzeni, w których może się następnym razem pojawić. A teraz zastanówmy się, co będzie, gdy policja dzięki informatorowi zdoła złapać na gorącym uczynku złodzieja, gdy wychodzi z łupem przez okno? Ich rozprzestrzeniona funkcja, opisująca prawdopodobieństwo przebywania złodzieja w różnych punktach miasta, dozna redukcji do jednej jedynej lokalizacji. Podobnie będzie z elektronem, gdy zostanie zlokalizowany w określonym położeniu: wtedy jego funkcja falowa natychmiast się zmieni. W momencie lokalizacji będzie ona wskazywać zero prawdopodobieństwa wszędzie tam, gdzie go nie ma. Jednakże policja wie, że może określić prawdopodobieństwa przebywania złodzieja w różnych punktach miasta tylko dlatego, że brakuje jej pełnej informacji. I w tym punkcie załamuje się nasza analogia. Przecież złodziej w rzeczywistości nie rozpłynął się na całe miasto i choć policja musi traktować go jak potencjalnie przebywającego wszędzie, faktycznie jest on w jednym miejscu w określonym momencie czasu. Tymczasem, w przeciwieństwie do złodzieja, gdy nie śledzimy elektronu, nie możemy twierdzić, że przebywa on w jakimś konkretnym miejscu w określonej chwili czasu. Natomiast wszystko, co o nim wiemy, jest zawarte w jego funkcji falowej, która jest

rozprzestrzeniona wszędzie w określonej chwili czasu. Tylko poprzez akt patrzenia (przeprowadzania pomiaru) możemy „zmusić” elektron, aby stał się cząstką zlokalizowaną. Do 1927 roku, dzięki wysiłkom Heisenberga, Schrödingera i innych, tworzenie matematycznych podstaw teorii kwantów w zasadzie zostało ukończone. Dzisiaj stanowią one fundament, na którym zbudowana jest znaczna część fizyki i chemii, dając nam pełny obraz zasadniczych bloków, z jakich zbudowany jest Wszechświat. Istotnie, bez mechaniki kwantowej, potrafiącej wyjaśnić, jak wszystko ze wszystkim jest połączone, większość naszych technologii nigdy by nie powstała. Tak więc pod koniec lat dwudziestych XX wieku, kilku pionierów fizyki kwantowej, upojonych sukcesem ujarzmienia świata atomów, wymaszerowało ze swych fizycznych laboratoriów, aby podbić inną dziedzinę nauki – biologię.

Pierwsi kwantowi biolodzy W latach dwudziestych XX wieku życie wciąż było owiane tajemnicą. Choć dziewiętnastowieczni biochemicy dokonali wielkich postępów w konstruowaniu koncepcji mechanistycznej chemii życia, wielu uczonych wciąż przywiązanych było do witalistycznej idei, że biologia nie może być zredukowana do chemii i fizyki, lecz wymaga zbioru swych własnych zasad. „Protoplazmę” w żywych komórkach wciąż uważano za tajemniczą formę materii ożywionej przez nieznane siły, a sekret dziedziczenia nadal nie został dostrzeżony przez rozwijającą się genetykę. Jednak w ciągu tej dekady powstał nowy typ uczonych, nazwany organicystami, którzy odrzucili ideały zarówno witalistów, jak i mechanicystów. Ci uczeni zgadzali się, że istnieje tajemnica życia, ale dowodzili, że tajemnicę można będzie w zasadzie wyjaśnić dzięki nieodkrytym dotąd prawom fizyki i chemii. Jednym z największych orędowników organicyzmu był inny Austriak o egzotycznym nazwisku, Ludwig von Bertalanffy, który napisał jedne z najwcześniejszych prac o teoriach biologicznego rozwoju i podkreślił w swej książce z 1928 roku pod tytułem Kritische Theorie der Formbildung potrzebę nowej biologicznej zasady opisującej istotę życia. Jego poglądy, a szczególnie ta książka, miały wpływ na wielu naukowców, wśród nich był inny pionier fizyki kwantowej, Pascual Jordan. Urodzony i wykształcony w Hanowerze, Pascual Jordan studiował u jednego z twórców mechaniki kwantowej, Maxa Borna20, w niemieckiej Getyndze. W 1925 roku Jordan i Born opublikowali klasyczną już pracę Zur Quantenmechanik (O mechanice kwantowej). Rok później dalszy ciąg – Zur Quantenmechanik II – został opublikowany przez Jordana, Borna i Heisenberga. Praca ta znana jest jako

Dreimännerwerk (Dzieło trzech ludzi) i uważana za klasyczny tekst o mechanice kwantowej, ponieważ z niezwykłego przełomu dokonanego przez Heisenberga uczyniła elegancką matematyczną teorię, opisującą właściwości świata atomów. W roku następnym Jordan zrobił to, co każdy szanujący się, młody europejski fizyk tej generacji zrobiłby, gdyby miał tylko sposobność – spędził pewien okres w Kopenhadze, pracując z Nielsem Bohrem. Gdzieś około 1929 roku obaj zaczęli dyskutować o tym, czy mechanika kwantowa mogłaby mieć jakieś zastosowanie w biologii. Pascual Jordan powrócił do Niemiec, na uniwersytet w Rostocku, skąd przez następne dwa lata utrzymywał korespondencję z Bohrem na temat związku biologii i fizyki. Ich idee zostały zwieńczone publikacją stanowiącą zapewne pierwszą pracę z dziedziny kwantowej biologii, napisaną przez Jordana w 1932 roku dla niemieckiego czasopisma naukowego „Die Naturwissenschaften” i zatytułowaną Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie (Mechanika kwantowa i zasadnicze zagadnienia biologii i psychologii)21. Dzieła Jordana zawierają kilka interesujących spostrzeżeń dotyczących zjawiska życia, jednak jego dociekania biologiczne stawały się upolitycznione i zbliżone do nazistowskiej ideologii, nawet koncepcja lidera (Führer) lub przywódcy stała się u niego główną zasadą życia. Wiemy, że w bakterii istnieje, wśród ogromnej ilości molekuł tworzących tę (…) istotę (…) bardzo mała ilość specjalnych molekuł obdarzonych władzą zwierzchnią nad całym organizmem; tworzą one centrum sterujące (Steuerungszentrum) żywą komórką. Absorpcja kwantu światła gdziekolwiek poza Steuerungszentrum nie może zabić komórki, tak jak wielkiego narodu nie zniszczy zabicie jednego żołnierza. Ale absorpcja kwantu światła w Steuerungszentrum komórki może spowodować śmierć i rozpad całego organizmu – podobnie jak pomyślnie dokonany zamach na męża stanu może spowodować rozpad całego narodu22. Ta próba implementacji ideologii nazistowskiej do biologii jest fascynująca i zarazem mrożąca krew w żyłach. Jest w tym jednak jakiś zalążek pomysłu, który Jordan nazwał Verstärkertheorie lub teorią wzmocnienia. Jordan zwracał uwagę, że obiekty nieożywione rządzone są przez uśredniony ruch milionów cząstek, a wtedy ruch pojedynczej molekuły nie ma żadnego wpływu na cały obiekt. Ale życie, jak dowodził, jest inne, ponieważ jest sterowane przez kilka cząsteczek o dyktatorskim wpływie ze Steuerungszentrum, a wtedy zdarzenia zachodzące na kwantowym poziomie, które rządzą ich ruchem, takie jak zasada nieoznaczoności Heisenberga, są tak wzmocnione, że obejmują swoim wpływem cały organizm.

To interesujące spostrzeżenie i do niego jeszcze wrócimy. Lecz w tym czasie nie było rozwijane i nie miało zbyt wielkiego wpływu, ponieważ po klęsce Niemiec w 1945 roku polityczne zaangażowanie Jordana zdyskredytowało go w oczach wielu mu współczesnych i jego idee dotyczące kwantowej biologii nie cieszyły się zainteresowaniem. Inni orędownicy symbiozy kwantowej fizyki i biologii zostali po wojnie rozpędzeni na cztery wiatry, a fizycy, wstrząśnięci do głębi użyciem bomby atomowej, zwrócili swe zainteresowania ku bardziej tradycyjnym zagadnieniom. Ale płomień biologii kwantowej był podtrzymywany przez samego wynalazcę kwantowej fizyki, Erwina Schrödingera. W przeddzień II wojny światowej uciekł z Austrii – jego żona w obliczu nazistowskiego prawa została uznana za „nie-Aryjkę” – i osiedlił się w Irlandii, gdzie w 1944 roku opublikował książkę, której tytuł był pytaniem o to, Czym jest życie? Zarysował w niej nowatorskie spojrzenie na biologię, które pozostaje głównym polem zainteresowań biologii kwantowej i oczywiście tej książki. Ten temat głębiej zbadamy, zanim skończy się obecny rozdział o historii.

Porządek w głąb aż do końca Zagadnieniem, które intrygowało Schrödingera, był tajemniczy proces dziedziczenia. Być może wiecie, że w tamtych czasach, w pierwszej połowie XX wieku, uczeni wiedzieli, że geny były dziedziczone z pokolenia na pokolenie, ale nie wiedzieli, z czego są zbudowane geny ani jak one działają. Jakie prawa, zastanawiał się Schrödinger, zapewniają dziedziczenie z tak ogromną dokładnością? Ujmując inaczej, w jaki sposób identyczne kopie genów są przekazywane z pokolenia na pokolenie zupełnie niezmienione? Schrödinger wiedział, że dokładne i wielokrotnie udowodnione prawa fizyki klasycznej i chemii, takie jak prawa termodynamiki wynikające z chaotycznego ruchu atomów i cząsteczek, są w rzeczywistości prawami statystycznymi, co oznacza, że są one oparte na wartościach średnich, a ich niezawodność wynika z ogromnej ilości cząstek na siebie oddziałujących. Powracając do naszego stołu bilardowego, ruch pojedynczej bili jest w pełni nieprzewidywalny, ale wyrzućmy na stół wiele bil i uderzajmy je losowo w ciągu około pół godziny – i możemy być dość pewni, że większość z nich trafi do łuz. Termodynamika działa podobnie: przewidywalne jest tylko uśrednione zachowanie wielu cząsteczek, a nie pojedynczych. Schrödinger wskazywał, że prawa statystyczne, takie jak termodynamiki, nie opisują już wiernie układów składających się z niewielu cząstek. Rozważmy na przykład prawa gazowe odkryte trzysta lat temu przez Roberta Boyle’a i Jacques’a Charlesa. Opisują one, jak objętość gazu zawartego w balonie

będzie się zwiększać, gdy zostanie on podgrzany, albo będzie się zmniejszać, gdy zostanie on ochłodzony. To zachowanie może być ujęte prostym równaniem, znanym jako prawo gazu doskonałego23. Balon spełnia regularnie to prawo: gdy się go ogrzewa, to się rozszerza, jeśli się schładza, to się kurczy. Spełnia to prawo, pomimo że jest wypełniony trylionami cząsteczek, które indywidualnie zachowują się jak bezładne bile, zupełnie chaotycznie odbijają się od siebie i od ścianek balonu. Jak chaotyczny ruch może wytwarzać regularne i powtarzalne prawo? Gdy balon jest ogrzewany, to cząsteczki powietrza drgają szybciej, co powoduje, że częściej się zderzają ze sobą i z coraz większą siłą uderzają w wewnętrzną stronę ścianki balonu. Ta zwiększona siła wywiera większe ciśnienie na elastyczną ściankę, powodując, że się ona rozszerza (tak jak w przypadku przegrody wewnętrznej na stole bilardowym Boltzmanna). O jaką objętość balon się zwiększy, zależy od ilości dostarczonego ciepła i można to przewidzieć na podstawie praw gazowych. Najważniejsze jest to, że pojedynczy obiekt, jakim jest balon, dokładnie poddaje się prawom gazowym, ponieważ regularny ruch jego pojedynczej, ciągłej i elastycznej powierzchni bierze się z nieuporządkowanych ruchów ogromnej ilości cząsteczek, wywołując, jak zauważa Schrödinger, porządek z nieporządku. Schrödinger przekonuje, że nie tylko prawa gazowe wywodzą swą dokładność ze statystycznych cech ogromnych ilości obiektów; wszystkie prawa fizyki klasycznej i chemii – włączając w to prawa rządzące dynamiką cieczy i reakcji chemicznych – są oparte na zasadzie „uśredniania wielkich ilości” albo „powstawania porządku z nieporządku”. Ale chociaż balon o normalnych rozmiarach, wypełniony trylionami cząsteczek powietrza, będzie zawsze spełniał prawa gazowe, to mikroskopowy balon – tak mały, że wypełniony jest zaledwie garstką cząsteczek powietrza – już nie będzie ich spełniał. A to z tego powodu, że nawet w stałej temperaturze ta garstka cząsteczek może od czasu do czasu zupełnie losowo znajdować się z dala od siebie, powodując, że balon się rozszerzy. Podobnie, od czasu do czasu, może on się skurczyć z tego powodu, że cząsteczki losowo znajdą się wszystkie w pobliżu jego środka. Zachowanie bardzo małego balonika będzie dlatego wielce nieprzewidywalne. Ta zależność porządku i przewidywalności od wielkich ilości jest oczywiście dobrze nam znana z innych sytuacji życiowych. Na przykład Amerykanie częściej niż Kanadyjczycy grają w bejsbol, a Kanadyjczycy częściej niż Amerykanie grają w hokeja. Na podstawie tego statystycznego „prawa” można przypuszczać, że Ameryka importuje więcej piłek bejsbolowych niż Kanada, a Kanada importuje więcej kijów hokejowych niż Ameryka. Ale podczas gdy takie prawa dają poprawne przewidywania w odniesieniu do dużych krajów, mających miliony obywateli, to w przypadku małych miasteczek, powiedzmy, w Minnesocie i Saskatchewan, przewidywania co do kijów hokejowych i piłek bejsbolowych nie będą już prawdziwe.

Schrödinger wychodzi daleko dalej poza prostą obserwację, że na poziomie mikroskopowym nie można polegać na statystycznym charakterze praw fizyki klasycznej: on określa wartość odchylenia od dokładności, która wyraża się odwrotną proporcjonalnością do pierwiastka kwadratowego liczby cząsteczek uczestniczących w zjawisku. Tak więc w balonie wypełnionym bilionem (milion milionów) cząsteczek odchylenie zachowania gazu od tego przewidzianego równaniem stanu gazu wynosi jedną milionową. Natomiast balon wypełniony jedynie stoma cząsteczkami będzie wykazywał odchylenie o wielkości jednej dziesiątej. Chociaż taki balon będzie wciąż miał skłonność do rozszerzania się, gdy zostanie ogrzany, i skurczenia, gdy zostanie oziębiony, nie będzie jednak robił tego w taki sposób, by można to ująć prawem deterministycznym. Wszystkie statystyczne prawa fizyki klasycznej podlegają temu ograniczeniu: są poprawne dla obiektów składających się z ogromnej ilości cząsteczek, ale zawodzą w opisie obiektów składających się z niewielkiej ilości cząsteczek. A więc wszystko, co opiera się na klasycznych prawach, musi, aby było niezawodne i działało regularnie, składać się z ogromnej ilości cząsteczek. Ale co z życiem? Czy jego bardzo regularne zachowanie, takie jak prawa dziedziczenia, może być wytłumaczone za pomocą prawa opartego na statystyce? Gdy Schrödinger rozważał tę kwestię, doszedł do wniosku, że zasada „porządku z nieporządku”, która leży u podstaw termodynamiki, nie może rządzić życiem – ponieważ, w jego mniemaniu, przynajmniej najmniejsze układy biologiczne są po prostu zbyt małe, aby mogły nimi rządzić prawa klasyczne. Na przykład gdy Schrödinger pisał Czym jest życie? – w czasach, gdy wiedziano, że za dziedziczenie odpowiedzialne są geny, choć natura genów nie była jeszcze wyjaśniona – zadał proste pytanie: czy geny są wystarczająco duże, aby dokładność ich reprodukcji w procesie dziedziczenia można było opisać statystyczną zasadą „porządek z nieporządku”? Oszacował rozmiary genu jako sześcianu o krawędzi około 300 angstremów (1 angstrem to 0,0000001 milimetra). Taki sześcian zawierałby około miliona atomów. To może wydawać się dużo, ale pierwiastek kwadratowy z miliona to tysiąc, a więc poziom dokładności albo „zakłócenia” w dziedziczeniu powinny być rzędu jednej tysięcznej, czyli 0,1 procenta. Tak więc jeśli dziedziczenie oparte jest na klasycznym prawie statystycznym, to powinno generować błędy (odstępstwa od prawa) na poziomie jednej tysięcznej. Ale wiedziano już, że geny mogą być wiernie przekazywane, przy czym wskaźnik mutacji wynosi mniej niż jedną bilionową, czyli w bilionie procesów dziedziczenia błędy powstają nie częściej niż w jednym. Ten nadzwyczajny poziom wierności przekazywanych genów przekonał Schrödingera, że prawa dziedziczenia nie mogą opierać się na klasycznej zasadzie „porządek z nieporządku”. Zamiast tego wysunął hipotezę, że geny są bardziej podobne do pojedynczych atomów albo cząsteczek podlegających nieklasycznym, ale osobliwie regularnym zasadom nauki, którą sam pomagał stworzyć, zasadom mechaniki

kwantowej. Schrödinger zaproponował tezę, że dziedziczenie oparte jest na nowatorskiej zasadzie „porządek z porządku”. Po raz pierwszy przedstawił swą teorię w serii wykładów, jakie prowadził w 1943 roku w Trinity College w Dublinie, i opublikował je w roku następnym w książce Czym jest życie?, w której pisał: „Żywy organizm wydaje się być układem makroskopowym, który częściowo w swym zachowaniu dąży do tego, do czego dążą wszystkie układy, gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego, gdzie nie ma już nieporządku molekularnego”. Z powodów, o których wkrótce się dowiemy, w zerze absolutnym wszystkie obiekty podlegają regułom mechaniki kwantowej, a nie termodynamiki. Życie, jak dowodził Schrödinger, jest zjawiskiem na poziomie kwantowym mogącym latać w powietrzu, chodzić na dwóch lub czterech nogach, pływać w oceanach, wzrastać w ziemi albo czytać tę książkę.

Separacja W latach następnych, po publikacji książki Schrödingera, odkryto podwójną helisę DNA i nastąpił błyskawiczny rozwój biologii molekularnej, dyscypliny, która rozwinęła się bez udziału mechaniki kwantowej. Klonowanie genów, inżynieria genetyczna, sekwencjonowanie DNA były rozwijane przez biologów, którzy, ogólnie rzecz biorąc, byli zadowoleni, że mogli zignorować matematycznie trudny świat kwantowy. Zdarzały się od czasu do czasu wycieczki na pogranicze pomiędzy biologią i mechaniką kwantową. Jednak większość uczonych zapomniała o śmiałym twierdzeniu Schrödingera, a wielu wręcz wrogo odnosiło się do pomysłu, że mechanika kwantowa jest niezbędna do wyjaśnienia fenomenu życia. Na przykład w 1962 roku brytyjski chemik i badacz sztucznej inteligencji, Christopher Longuet-Higgins, pisał: Pamiętam dyskusje sprzed kilku lat o możliwości występowania długodystansowych kwantowomechanicznych sił pomiędzy enzymami i ich substratami. Bardzo słusznie takie hipotezy były traktowane z rezerwą, nie tylko z tego powodu, że dowody doświadczalne były słabe, ale także dlatego, że bardzo trudno pogodzić taki pomysł z ogólną teorią sił międzycząsteczkowych24. Jeszcze w 1993 roku niewiele wspominano o mechanice kwantowej w książce Czym jest życie? Następne pięćdziesiąt lat25, upamiętniającej pięćdziesiątą rocznicę napisania przez Schrödingera swej książki, w której zebrano materiały napisane przez uczestników spotkania w Dublinie.

Tak wielki sceptycyzm w stosunku do twierdzenia Schrödingera powodowało ogólne przekonanie o tym, że delikatne stany kwantowe nie mogłyby długo przeżyć w ciepłych, wilgotnych i ruchliwych molekularnych środowiskach wewnątrz żywych organizmów. Jak się przekonaliśmy w poprzednim rozdziale, był to główny powód tego, że wielu uczonych było (i dotąd jest) sceptycznie nastawionych do pomysłu, że ptasi kompas mógłby podlegać prawom mechaniki kwantowej. Może pamiętacie, że omawiając to zagadnienie w rozdziale 1, pisaliśmy, że kwantowe własności materii są „wymywane” przez chaotyczne uporządkowanie cząsteczek w dużych obiektach. Mając już wiedzę o termodynamice, możemy teraz dostrzec źródło tego rozpraszania: to podobne jak w przypadku bilardowych kul molekularne zderzenia są przez Schrödingera identyfikowane jako źródło statystycznej zasady „porządek z nieporządku”. Rozpraszane cząstki mogą być z powrotem porządkowane, ukazując ich ukrytą kwantową naturę, ale tylko w specjalnych okolicznościach i zwykle na bardzo krótką chwilę. Na przykład widzieliśmy, jak rozproszone wirujące atomy wodoru w naszych ciałach mogą być ułożone tak, aby dawały koherentny sygnał MRI dzięki ich kwantowemu spinowi – ale tylko w przyłożonym bardzo wielkim polu magnetycznym wytwarzanym w ogromnym magnesie i tylko tak długo, jak długo jest włączone pole magnetyczne. Gdy tylko pole jest wyłączane, spiny cząstek stają się losowo ułożone na skutek molekularnego ruchu chaotycznego, a sygnał kwantowy zostaje rozproszony i niemożliwy do detekcji. Ten proces, dzięki któremu molekularny losowy ruch niszczy kwantowy porządek w układzie, jest nazywany dekoherencją. W wielkich nieożywionych obiektach niszczy on szybko dziwne kwantowe efekty. Podwyższanie temperatury ciała zwiększa energię i prędkość drgań i zderzeń pomiędzy cząsteczkami, dlatego dekoherencja występuje szybciej w wyższych temperaturach. Ale nie myślmy, że „wyższych” oznacza gorąco. W istocie nawet w temperaturze pokojowej dekoherencja jest niemal natychmiastowa. To dlatego pomysł, że ciepłe organizmy żywe mogłyby podtrzymywać delikatne stany kwantowe, był, przynajmniej początkowo, uważany za bardzo nieprzekonujący. Tylko wtedy, gdy obiekty są oziębiane do temperatury bliskiej zera absolutnego – temperatury -273°C – zanika zupełnie chaotyczny ruch molekularny i dekoherencja jest zahamowana, pozwalając działać mechanice kwantowej. Teraz staje się jasne znaczenie słów Schrödingera, które zacytowaliśmy powyżej. Dowodził on, że życie potrafi jakoś działać zgodnie z zasadami, które normalnie działają tylko w temperaturach o 273°C mniejszych niż te, w jakich działają organizmy żywe. Ale, zgodnie z tym, co twierdzili zarówno Jordan, jak i Schrödinger, i jak się przekonacie, czytając dalej, życie jest odmienne od obiektów nieożywionych, ponieważ względnie mała ilość wysoko uporządkowanych cząstek, takich jak te wewnątrz genów albo ptasiego kompasu, może mieć znaczenie dla całości organizmu. To jest właśnie to, co Jordan nazywał wzmacniaczem, a Schrödinger porządkiem z porządku. Kolor

waszych oczu, kształt nosa, wasz charakter, poziom inteligencji, a nawet skłonność do chorób, to wszystko jest określone przez dokładnie czterdzieści sześć bardzo ściśle uporządkowanych supercząsteczek: DNA chromosomów, które odziedziczyliście po swoich rodzicach. Żaden z makroskopowych obiektów w znanym Wszechświecie nie posiada takiego wpływu na strukturę materii na jej zupełnie fundamentalnym poziomie – poziomie, gdzie króluje mechanika kwantowa, a nie fizyka klasyczna. Schrödinger dowodził, że to czyni życie tak wyjątkowym. W 2004 roku, siedemdziesiąt lat od publikacji książki Schrödingera, wreszcie zaczynamy doceniać zdumiewające implikacje niezwykłej odpowiedzi, jakiej udzielił na pytanie: czym jest życie? 10 W XIX wieku szkocki fizyk James Clerk Maxwell dowiódł, że siły elektryczne i magnetyczne są przejawem tej samej siły elektromagnetycznej. 11 Mówimy tutaj o bilardzie amerykańskim. 12 „Energia swobodna” jest jedną z najważniejszych koncepcji termodynamiki i całkiem dobrze odpowiada podanemu tutaj opisowi. 13 Choć trzeba nadmienić, że niektórzy biochemicy byli także witalistami. 14 Jednak w tym okresie eksperymentów Avery’ego nie uważano za dowód, że DNA jest materiałem genetycznym – debatowano o tym aż do czasów Cricka i Watsona. 15 Te struktury chemiczne zawierają zasady nukleotydów zbudowane z węgla, azotu, tlenu i wodoru oraz przynajmniej jednej reszty fosforanowej i są chemicznie przytwierdzone do łańcucha DNA. 16 Jeden mikrolitr wody to pojemność jednego milimetra sześciennego. 17 S. Harris, Chemical potential: turning carbon dioxide into fuel, „The Engineer”, 9 August 2012, http://www.theengineer.co.uk/energy-andenvironment/in-depth/chemical-potential-turning-carbon-dioxideintofuel/1013459.article#ixzz2upriFA00. 18 W istocie ten związek jest wpisany w równanie zaproponowane przez Plancka w 1900 roku. Ma ono następującą postać E = hν, gdzie E oznacza energię, ν częstość, a h jest nazywane stałą Plancka. Z tego równania widać, że energia jest proporcjonalna do częstości. 19 Ten proces czasami nazywa się „kolapsem funkcji falowej” i we współczesnych podręcznikach interpretuje się jako zmianę matematycznego opisu elektronu, a nie jako fizyczny kolaps realnej fali. 20 To Max Born jako pierwszy odkrył w mechanice kwantowej związek pomiędzy funkcją falową i prawdopodobieństwem.

21 „Die Naturwissenschaften”, vol. 20 (1932), s. 815–821. 22 Pascual Jordan, 1938, cytowane w: P. Galison, M. Gordin, D. Kaiser, red., Quantum Mechanics: Science and Society, Routledge, London 2002, s. 346. 23 Prawo wyraża równanie PV = nRT, gdzie n jest ilością moli gazu w próbce, R jest stałą gazową, P ciśnieniem, V objętością gazu, a T jest temperaturą. 24 H.C. Longuet-Higgins, Quantum mechanics and biology, „Biophysical Journal”, vol. 2 (1962), s. 207–215. 25 M.P. Murphy, L.A.J. O’Neil, red., What is Life? The Next Fifty Years: Speculations on the Future of Biology, Cambridge University Press, Cambridge 1995.

3

Machiny życia Nie ma takiej czynności wykonywanej przez istoty żywe, której nie można by wyjaśnić, korzystając z założenia, że składają się one z atomów, zachowujących się zgodnie z prawami fizyki. Richard Feynman26 HAMLET: Jak długo człowiek może przeleżeć w ziemi, zanim zgnije? PIERWSZY GRABARZ: Prawdą a Bogiem, to zależy. W dzisiejszych czasach pełno takich francowatych klientów, co to ich nawet trudno do grobu złożyć, bo ciało się im rozłazi. Ale jeżeli kto nie zgnił jeszcze za życia, to w ziemi przetrzyma jakieś osiem–dziewięć lat. Garbarz przetrzyma dziewięć. HAMLET: Dlaczego garbarz dłużej? PIERWSZY GRABARZ: Bo w tym fachu własna skóra tak mu się wygarbuje, że woda w nią nie wsiąka przez dłuższy czas. A woda dla trupa to istna trucizna – szkodzi mu na cerę, że coś strasznego. William Shakespeare Hamlet, akt 5, scena 1; tłumaczenie Stanisława Barańczaka Sześćdziesiąt osiem milionów lat temu, w okresie zwanym teraz „późną kredą”, młody tyranozaur poruszał się wzdłuż skąpo zalesionej doliny rzecznej w stronę podzwrotnikowego lasu. Mając około osiemnastu lat, zwierzę nie osiągnęło jeszcze dojrzałości, ale już mierzyło pięć metrów wysokości. Każdy ociężały krok nadawał zwałom jego cielska impet zdolny do zwalenia drzew albo zmiażdżenia mniejszych stworzeń, które niefortunnie nie zdążyły mu ustąpić. Jego ciało mogło zachować spójność pomimo oddziaływania tych rozrywających ciało sił tylko dzięki temu, że każda kość, ścięgno i mięsień były utrzymywane przez twarde i elastyczne włókna białkowe zwane kolagenem. To białko działa jak swego rodzaju klej, który spaja ciało i jest ważnym składnikiem organizmu każdego zwierzęcia, a także i naszego. Jak

wszystkie biomolekuły, ta również tworzona jest i niszczona przez najbardziej niezwykłe machiny w znanym nam Wszechświecie. W tym rozdziale skupimy się na tym, jak funkcjonują te biologiczne nanomaszyny27, i dowiemy się z najnowszych odkryć, że tryby tych jednostek napędowych życia sięgają świata kwantów, by utrzymać nas, i inne organizmy, przy życiu. Lecz wpierw powróćmy do pradawnej doliny. Tego szczególnego dnia ciało dinozaura, budowane przez miliony nanomaszyn, miało się rozpaść, ponieważ jego kończyny, tak wydajne w pogoni i przy rozczłonkowywaniu jego ofiar, okazały się mało skuteczne przy wyciąganiu go z lepkiego błota zalegającego łożysko rzeki. Po wielu godzinach bezowocnych wysiłków ogromne szczęki tyranozaura napełniły się mętną wodą i konające zwierzę zapadło się w błocie. Zazwyczaj ciało zwierzęcia ulega temu samemu szybkiemu rozkładowi, co i ciało opisane przez Grabarza w Hamlecie, ale ten dinozaur zapadł się tak szybko, że jego ciało zostało całe pogrzebane w gęstym, konserwującym go błocie i piasku. W ciągu lat i stuleci drobnoziarniste minerały przenikną do jam i porów jego kości, skamieniając tkanki tak, że zwłoki dinozaura przekształcą się w skamielinę dinozaura. Na powierzchni rzeka, wciąż wijąc się w dolinie, nanosiła kolejne warstwy piasku, błota i szlamu, aż skamielinę przykryła dziesięciometrowa warstwa piaskowca i łupka ilastego. Około czterdziestu milionów lat później klimat się ocieplił, rzeki wyschły, a warstwy skalne przykrywające dawne kości doznały erozji pod wpływem gorącego pustynnego wiatru. Upłynęło jeszcze dwadzieścia osiem milionów lat, zanim członkowie innego dwunożnego gatunku, Homo sapiens, zeszli do rzecznej doliny; ale te wyprostowane ssaki z rzędu naczelnych zwykle unikały takiej suchej i nieprzyjaznej krainy. Gdy w bardziej nowożytnych czasach przybyli europejscy osadnicy, nazwali tę nieprzyjazną krainę „Dzikim Obszarem Montany” (Badlands of Montana), a dolinę wyschniętej rzeki „Piekielnym Strumieniem” (Hell Creek). W 2002 roku założyła tam swój obóz grupa paleontologów, kierowana przez najsławniejszego wśród nich poszukiwacza skamienielin, Jacka Hornera. Jeden z członków grupy, Bob Hormon, spożywając swój obiad, zauważył ogromną kość wystającą ze skały tuż nad nim. W ciągu trzech lat prawie połowa szkieletu zwierzęcia została ostrożnie odkuta z otaczającej go skały – w tym zadaniu uczestniczyli saperzy, helikopter i wielu magistrantów – i przetransportowana do Muzeum Gór Skalistych w Bozeman, Montana, gdzie nadano jej kod MOR 1255. Kość udowa dinozaura musiała być przecięta na pół, aby zmieściła się w helikopterze, i w czasie tej czynności został odłamany skamieniały kawałek. Jack Horner dał kilka fragmentów koleżance, dr Mary Schweitzer, paleontologowi z Uniwersytetu Karoliny Północnej, wiedział bowiem, że interesuje się ona składem chemicznym skamienielin. Schweitzer była zaskoczona po otworzeniu pudła. Pierwszy fragment, na jaki spojrzała, wydawał się mieć niezwykle wyglądającą tkankę wewnątrz jamy szpikowej

kości. Umieściła zatem kość w kąpieli kwasowej, w której zewnętrzne skamieniałe minerały powinny się rozpuścić, a jej głębsza struktura odsłonić się. Jednak przez przypadek zbyt długo pozostawiła kość w kąpieli i gdy powróciła, wszystkie minerały w niej zostały rozpuszczone. Schweitzer oczekiwała, że cała kość zostanie zniszczona, ale zarówno ona, jak i jej koledzy byli zdumieni odkryciem pozostałej elastycznej i włóknistej substancji, która pod mikroskopem wyglądała jak każdy inny rodzaj tkanki miękkiej, który można zobaczyć w nowożytnych kościach. I tak jak w nowożytnych kościach ta tkanka wyglądała na wypełnioną naczyniami krwionośnymi, komórkami krwi i tymi długimi łańcuchami włókien kolagenowych, biologicznego kleju, który utrzymuje ogromne zwierzęta w jednym kawałku. Skamienieliny, które zachowały strukturę tkanki miękkiej, są rzadkie, ale nie nieznane. Łupki z Burgess, znalezione wysoko w kanadyjskich Górach Skalistych, w Kolumbii Brytyjskiej, pomiędzy rokiem 1910 a 1925, zachowały zadziwiająco szczegółowe odciski sprawiające wrażenie ciał zwierzęcych, które pływały w morzach kambryjskich prawie sześćset milionów lat temu; dotyczy to także pierzastego archeopteryksa z niemieckiego kamieniołomu w Solnhofen, który żył około stu pięćdziesięciu milionów lat temu. Lecz konwencjonalne skamienieliny tkanki miękkiej zachowują jedynie odcisk tkanki biologicznej, a nie jej substancję; a jednak elastyczny materiał, który pozostał z kąpieli kwasowej Mary Schweitzer, właśnie wyglądał na samą tkankę miękką dinozaura. Gdy w 2007 roku Schweitzer opublikowała wyniki w „Science”28, jej praca początkowo była zaskoczeniem i spotkała się z pewną dozą sceptycyzmu. Ale choć przetrwanie biomolekuł przez miliony lat jest z pewnością zadziwiające, to ciąg dalszy tej historii jest dla nas bardziej interesujący. Aby dowieść, że włókniste struktury są istotnie zbudowane z kolagenu, Schweitzer najpierw wykazała, że białka, które istnieją w nowożytnym kolagenie, są także we włóknach w jej starożytnej kości. Na koniec zmieszała tkankę dinozaura z enzymem zwanym kolagenazą, jedną z wielu biomaszyn, które tworzą i niszczą włókna kolagenu w ciałach zwierząt. W ciągu kilku minut łańcuchy kolagenu, który wytrzymał sześćdziesiąt osiem milionów lat, zostały rozerwane przez enzym. Enzymy są jednostkami napędowymi życia. Te z nich, które są nam najlepiej znane, mają prozaiczne zastosowanie, jak proteazy dodawane do „biologicznych” detergentów, które pomagają usuwać plamy, pektyny dodawane do dżemów albo podpuszczka dodawana do mleka przy produkcji sera. Musimy także zdawać sobie sprawę z roli, jaką rozmaite enzymy odgrywają w naszych żołądkach i jelitach w czasie trawienia pokarmu. Ale to są dość trywialne przykłady działania nanomaszyn natury. Życie zależy i zależało od enzymów; tak było od tych pierwszych mikrobów, które wyłoniły się z pierwotnej zupy, przez dinozaury, które ciężko stąpały wśród jurajskich lasów, do organizmów żyjących teraz. Każda komórka waszego ciała jest wypełniona setkami albo i nawet tysiącami tych molekularnych jednostek napędowych, które

utrzymują stale w ruchu proces łączenia się i recyklingu biomolekuł, zwany przez nas życiem. „Pomoc” to słowo kluczowe, które definiuje to, co enzymy robią; ich działanie polega na przyspieszaniu (katalizie) różnego rodzaju reakcji biochemicznych, które w przeciwnym razie zachodziłyby o wiele za wolno. Dlatego proteaza dodana do detergentu przyspiesza wytrawianie białek w plamach, pektyna przyspiesza trawienie wielocukrów w owocach, a enzymy trawienne przyspieszają koagulację mleka. Podobnie w naszych komórkach enzymy przyspieszają metabolizm, proces, w którym biliony biomolekuł wewnątrz komórek są nieustannie przekształcane w biliony innych biomolekuł, aby utrzymać nas przy życiu. Kolagenaza, enzym, który Mary Schweitzer dodała do kości dinozaura, jest właśnie jedną z tych biomaszyn, których regularna praca w ciele zwierząt polega na doprowadzaniu do rozpadu włókien kolagenowych. Tempo przyspieszenia procesu spowodowane obecnością enzymów można zgrubnie oszacować, dzieląc czas trawienia włókien kolagenu bez ich obecności (najwyraźniej więcej niż sześćdziesiąt osiem milionów lat) przez czas trawienia w obecności odpowiedniego enzymu (około trzydzieści minut): wychodzi, że w obecności enzymów trawienie jest bilion razy szybsze. W tym rozdziale będziemy chcieli się dowiedzieć, w jaki sposób enzymy takie jak kolagenaza umożliwiają uzyskanie tak astronomicznie wielkiego przyspieszenia reakcji chemicznej. Jedną z niespodzianek, jaką przyniosły ostatnie lata, jest odkrycie, że mechanika kwantowa gra kluczową rolę w działaniu przynajmniej kilku enzymów, a ponieważ są one ogromnie ważne dla życia, będą pierwszym tematem w tym przeglądzie biologii kwantowej.

Enzymy: pomiędzy żywymi a umarłymi Wykorzystanie enzymów poprzedziło ich odkrycie i opis o wiele tysiącleci. Kilka tysięcy lat temu nasi przodkowie przerabiali ziarno na piwo, a sok z winogron na wino dzięki dodaniu do nich drożdży – w istocie będących mikrobiologicznym workiem z enzymami29. Rozumieli także, że ekstrakt z nabłonka żołądka cielęcego (podpuszczka) przyspiesza przemianę mleka w ser. Przez wiele stuleci wierzono, że te przemiany dokonują siły witalne związane z żywym organizmem, obdarzając go żywotnością i prędkością zmian, która odróżnia żywych od umarłych. W 1752 roku, zainspirowany mechanistyczną filozofią Kartezjusza, francuski uczony René Antoine Ferchault de Réaumur postanowił zbadać jedną z tych przypuszczalnych życiowych sił, trawienie, za pomocą pomysłowego eksperymentu. W tym czasie

powszechnie sądzono, że zwierzęta trawią swe pożywienie za pomocą procesu mechanicznego, polegającego na rozcieraniu i mieszaniu wewnątrz ich organów trawiennych. Ta teoria wydawała się szczególnie dotyczyć ptaków, których żołądki mięśniowe zawierały małe kamienie, które, jak sądzono, mają macerować pokarm – czyli wykonywać proces mechaniczny zgodny z poglądem Kartezjusza (opisanym w poprzednim rozdziale), że zwierzęta są tylko maszynami. Lecz de Réaumur był ciekaw, jak ptaki drapieżne, których żołądki mięśniowe nie zawierały kamieni, radzą sobie z trawieniem. Dlatego też karmił swego sokoła kawałeczkami mięsa upakowanymi do małych metalowych kapsuł z dziurkami w ściankach. Gdy odzyskał kapsuły, odkrył, że mięso było całkowicie strawione, pomimo że chroniły je metalowe ścianki, a więc jakiekolwiek mechaniczne działanie zostało wykluczone. Tryby, tłoki i wałki Kartezjusza były w sposób oczywisty niewystarczające do wyjaśnienia przynajmniej jednej z sił witalnych życia. Wiek po pracy Réaumura inny Francuz, chemik i twórca mikrobiologii, Louis Pasteur, badał inne przemiany biologiczne przypisywane do tamtego momentu „siłom witalnym”: przemiany soku winogronowego w wino. Pasteur pokazał, że zasada fermentacji jest związana nieodłącznie z drożdżami, które obecne są w „fermentach” używanych w przemyśle fermentacyjnym lub w zaczynie używanym do wyrobu chleba. Nazwa „enzym” (z greckiego języka: w drożdżach) została zaproponowana przez niemieckiego fizjologa Wilhelma Friedricha Kühnego w 1877 roku w celu opisania tego rodzaju „witalnych działań” jak te przeprowadzane przez żywe komórki drożdży albo każde przemiany pobudzane przez substancje wydobyte z żywej tkanki. Ale czym są enzymy i jak przyspieszają transformacje w układach żywych? Powróćmy zatem do enzymu, który dał początek naszej opowieści w tym rozdziale, do kolagenazy.

Po co nam enzymy i jak kijanki tracą swe ogonki Kolagen jest najczęściej występującym białkiem u zwierząt (i u ludzi). Działa jak pewnego rodzaju molekularna nić wpleciona do tkanki oraz pomiędzy tkankami, utrzymując ciało w całości. Jak wszystkie białka jest zbudowany z podstawowych bloków: nici aminokwasów, których jest około dwudziestu rodzajów i z których pewne (na przykład glicyna, glutamina, lizyna, cysteina, tyrozyna) mogą być wam znane w postaci suplementów diety, jakie można kupić w aptekach bez recepty. Każda cząsteczka aminokwasu jest zbudowana z atomów węgla (od dziesięciu do około pięćdziesięciu), azotu, tlenu, wodoru i czasami siarki, sklejonych razem za pomocą wiązań chemicznych, i posiada charakterystyczną dla niej trójwymiarową strukturę.

Kilkaset takich poskręcanych cząsteczek aminokwasów tworzy razem białko podobne do dziwnych koralików nanizanych na nitce. Każdy z koralików połączony jest z następnym wiązaniem peptydowym, które wiąże jeden z atomów węgla aminokwasu z atomem azotu następnego aminokwasu. Wiązania peptydowe są bardzo silne; przecież te, które spajały włókna kolagenu tyranozaura, przetrwały sześćdziesiąt osiem milionów lat. Kolagen jest niezwykle silnym białkiem, które gra zasadniczą rolę w utrzymaniu kształtu i struktury naszych tkanek. Białka te są poskręcane razem w potrójne nitki, które z kolei tworzą grube sznury albo włókna. Te włókna przenikają nasze tkanki, spajając ze sobą komórki; są także obecne w ścięgnach, które przyczepiają nasze mięśnie do kości, i w wiązadłach, które łączą ze sobą kości. Ta gęsta sieć włókien nazywana jest macierzą pozakomórkową i w zasadzie to ona utrzymuje nasze ciało razem. Każdy, kto nie jest wegetarianinem, zna macierz pozakomórkową jako żylastą chrząstkę, którą spotyka się wewnątrz lichych kiełbas albo w tanich kawałkach mięsa. Kucharze wiedzą dobrze, że ten żylasty materiał nie mięknie nawet po kilku godzinach duszenia mięsa. Choć niepożądana na naszych talerzach, to jej występowanie w organizmach gości restauracji jest absolutnie niezbędne. Bez kolagenu nasze kości rozpadłyby się, nasze mięśnie odpadły od kości, a nasze organy wewnętrzne stałyby się galaretowate. Ale włókna kolagenowe obecne w kościach, mięśniach albo obiedzie nie są niezniszczalne. Gotowanie ich w mocnych kwasach albo zasadach w końcu niszczy wiązania peptydowe pomiędzy koralikami aminokwasów i przekształca te mocne włókna w rozpuszczalną żelatynę, substancję używaną między innymi do wyrobu galaretek. Wielbiciele kina powinni pamiętać postać Piankowego Marynarzyka z filmu Pogromcy duchów, ogromnej, białej trzęsącej się masy, która terroryzowała Nowy Jork. Ale Piankowy Marynarzyk został łatwo pokonany dzięki upłynnieniu do żelowej pianki. Wiązania peptydowe pomiędzy aminokwasami we włóknach kolagenowych stanowią o różnicy pomiędzy tyranozaurem a Piankowym Marynarzykiem. Realne zwierzęta są mocne dzięki mocnym włóknom kolagenowym. Jest jednak problem, gdy materiałem stanowiącym rusztowanie organizmu jest mocny, trwały kolagen. Co stanie się, gdy się skaleczymy, doznamy stłuczenia albo nawet złamiemy ramię albo nogę: tkanki ulegną zniszczeniu, a podtrzymująca je macierz pozakomórkowa, ta wewnętrzna włóknista siatka, zapewne ulegnie uszkodzeniu lub pęknięciu. Gdy dom jest zniszczony przez burzę albo trzęsienie ziemi, przed naprawami trzeba usunąć zniszczone elementy konstrukcji. Podobnie ciało zwierzęce używa enzymu kolagenazy do odcięcia zniszczonych części macierzy pozakomórkowej, aby tkankę mógł naprawić inny zestaw enzymów. Co więcej, macierz pozakomórkowa musi być nieustannie reorganizowana, gdy

zwierzę rośnie: wewnętrzne rusztowanie, które jest podporą ciała młodego osobnika, nie będzie spełniać tego zadania w przypadku znacznie większego osobnika dorosłego. Ten problem jest szczególnie poważny – i dlatego jego rozwiązanie szczególnie pouczające – w przypadku płazów, których osobniki dorosłe bardzo różnią się od osobników młodocianych. Najbardziej znanym przykładem jest przeobrażenie u płazów: transformacja od sferycznego jaja do wijącej się kijanki, która później zostaje skaczącą żabą. Skamienieliny tych płazów, o krótkich tułowiach pozbawionych ogona z charakterystycznymi potężnymi tylnymi kończynami, znajdowane są w skałach jurajskich z okresu średniego mezozoiku, 200 milionów lat temu, znanego jako Era gadów. Ale mogą one być także znajdywane w skałach z okresu kredy. Tak więc wydaje się możliwe, że żaby pływały w tej samej rzece w Montanie, gdzie dinozaur, który stał się eksponatem MOR 1255, skończył swe życie. Ale w odróżnieniu od dinozaurów żaby w jakiś sposób przeżyły Wielkie Wymieranie w okresie kredy i nadal powszechnie występują w naszych sadzawkach, rzekach i moczarach, umożliwiając pokoleniom dzieci w wieku szkolnym i naukowcom obserwowanie, jak organizm się kształtuje i przekształca. Przekształcenie się kijanki w żabę wymaga likwidacji i przeobrażenia, na przykład, ogona zwierzęcia, który stopniowo ulega wchłonięciu przez organizm, a jego ciało zostaje przekształcone w nowe żabie odnóża. Wszystko to wymaga, aby oparta na kolagenie macierz pozakomórkowa, która utrzymywała strukturę ogona, uległa gwałtownej likwidacji, zanim zostanie ponownie utworzona w nowo formujących się kończynach. Ale pamiętajmy te sześćdziesiąt osiem milionów lat pod skałami Montany: włókna kolagenowe nie tak łatwo zniszczyć. Przeobrażenie żaby mogłoby trwać bardzo długo, gdyby miało zależeć jedynie od chemicznego rozpadu kolagenu podczas procesów nieorganicznych. Oczywiście zwierzę nie może zagotować w kwasie swych mocnych ścięgien i dlatego potrzebuje znacznie łagodniejszych sposobów niszczenia włókien kolagenowych. I w tym miejscu pojawia się enzym kolagenaza. Ale jak on działa – i podobne towarzyszące mu enzymy? Wiara witalistów w to, że na aktywność enzymów wywiera wpływ jakaś tajemnicza siła witalna, przetrwała aż do późnych lat XIX wieku. W tym czasie jeden z kolegów Kühnego, chemik Eduard Buchner, pokazał, że ekstrakt z nieżywych komórek drożdży może doprowadzić do takich samych przemian chemicznych jak zmiany wywołane przez żywe komórki. Buchner wysunął bardzo rewolucyjną tezę, że siły witalne są niczym więcej jak formą chemicznej katalizy. Katalizatory są substancjami, które przyspieszają zwykłe reakcje chemiczne, i były już znane chemikom w wieku XIX. Istotnie wiele z procesów chemicznych, które napędzały rewolucję przemysłową, zależało w sposób zasadniczy od katalizatorów. Na przykład kwas siarkowy był istotną substancją chemiczną, która przyspieszała

rewolucję przemysłową i rolną; używano go w przemyśle stalowym, w przemyśle tekstylnym i przy produkcji nawozów fosforowych. Powstaje w reakcji chemicznej, która zaczyna się od dwutlenku siarki (SO2) i tlenu (reagenty), które reagując z wodą, dają na koniec produkt reakcji: kwas siarkowy (H2SO4). Jednak reakcja zachodzi bardzo wolno i dlatego początkowo nie miała zastosowania komercyjnego. Ale w 1831 roku Peregrine Phillips, wytwórca octu z Bristolu w Anglii, odkrył sposób jej przyspieszenia poprzez przedmuchiwanie dwutlenku siarki i tlenu nad gorącą platyną, która była katalizatorem. Katalizatory różnią się od reagentów (substancji początkowych, biorących udział w reakcji chemicznej), ponieważ pomagają one przyspieszyć reakcję bez brania w niej udziału ani nie będąc zmienionymi w jej trakcie. Dlatego Buchner twierdził, że enzymy są w zasadzie czymś podobnym do nieorganicznych katalizatorów odkrytych przez Phillipsa. Dziesiątki lat badań biochemicznych potwierdziły w zasadzie spostrzeżenie Buchnera. Podpuszczka, produkowana w żołądkach cieląt, była pierwszym oczyszczonym enzymem. Starożytni Egipcjanie zbierali mleko w workach zrobionych z wyściółki żołądków cielęcych i to oni uważani są za odkrywców tego, że ten dziwny materiał przyspiesza przemianę mleka w lepiej przechowujący się ser. Ta praktyka trwała aż do końca XIX wieku. Do tego czasu cielęce żołądki były suszone i sprzedawane w aptekach jako „podpuszczki”. W 1874 roku duński chemik Christian Hansen odbywał rozmowę o pracę w aptece, gdy przypadkiem podsłuchał zamówienie na tuzin podpuszczek i zapytawszy, czym one są, wpadł na pomysł użycia swej wiedzy chemicznej w celu stworzenia mniej nieapetycznego źródła podpuszczki. Wrócił do swego laboratorium, gdzie stworzył metodę przekształcania w suchy proszek cuchnącej cieczy otrzymywanej z rezultacie moczenia wyschniętych cielęcych żołądków. Zbił potem fortunę dzięki komercjalizacji tego produktu, który był sprzedawany na cały świat jako Ekstrakt podpuszczki doktora Hansena. Podpuszczka jest w istocie mieszaniną kilku różnych enzymów, z których najbardziej aktywnym w produkcji sera jest chymozyna będąca jednym z wielu enzymów z rodziny zwanej proteazami, które przyspieszają rozpad wiązań peptydowych w białkach. Jej działanie w procesie powstawania sera polega na koagulacji (zsiadaniu się) mleka i separacji na mleko zsiadłe i serwatkę; ale jej naturalną rolą w cielęcym organizmie jest ścinanie zassanego mleka tak, aby pozostawało dłużej w układzie trawiennym młodego zwierzęcia, karmionego jeszcze mlekiem matki, wydłużając czas jego absorpcji. Kolagenaza jest innego rodzaju proteazą, ale metody jej oczyszczania nie były rozwinięte aż do momentu, gdy pięćdziesiąt lat później Jerome Gross, badacz z Harvard Medical School w Bostonie, w 1950 roku zainteresował się zagadnieniem, jak kijanki absorbują swe ogonki, aby stać się żabami. Grossa interesowała rola włókien kolagenu jako przykład samoorganizacji

molekularnej, którą uważał za „główną tajemnicę życia”30. Zdecydował się na badanie dość masywnego ogona kijanki żaby ryczącej, który może mieć długość kilku cali. Gross słusznie przypuszczał, że proces wchłaniania ogona w ciele zwierzęcia musi składać się z wielu przekształceń włókien kolagenu. Aby wykryć aktywność kolagenazy, zastosował prosty test, w którym płytka Petriego była pokrywana warstwą nieprzeźroczystego żelu kolagenowego, wypełnionego twardymi i wytrzymałymi włóknami kolagenu. Gdy na powierzchni żelu umieścił fragmenty tkanki ogona kijanki, zauważył obszar wokół niej, gdzie te wytrzymałe włókna zostały rozłożone i przekształcone w rozpuszczalną żelatynę. Następnie wyodrębnił substancję trawiącą kolagen, enzym kolagenazę. Kolagenaza występuje w tkankach żab i innych zwierząt, włączając w nie dinozaura, którego kości znaleziono w Hell Creek. Enzym spełniał sześćdziesiąt osiem milionów lat temu tę samą funkcję, co obecnie, rozkładając włókna kolagenu; ale został wyłączony z działania, gdy zwierzę wpadło w bagno, dlatego jego włókna kolagenu przetrwały do czasu, gdy Mary Schweitzer dodała odrobinę świeżej kolagenazy do fragmentów kości. Kolagenaza jest tylko jednym z milionów enzymów, dzięki którym wszystkie zwierzęta, mikroby i rośliny mogą dokonywać prawie wszystkich niezbędnych do życia czynności. Inne enzymy wytwarzają włókna kolagenowe w macierzy pozakomórkowej; a jeszcze inne wytwarzają biomolekuły, takie jak białka, DNA, tłuszcz i węglowodany, cały zaś zestaw innych enzymów niszczy i dokonuje recyklingu tych biomolekuł. Enzymy są odpowiedzialne za trawienie, oddychanie, fotosyntezę i metabolizm. Są odpowiedzialne za budowę każdego z nas i za utrzymanie nas przy życiu. Są one machinami życia. Ale czy enzymy są tylko katalizatorami, biorąc pod uwagę ten sam rodzaj chemii jak przy wytwarzaniu kwasu siarkowego i innych przemysłowych chemikaliów? Kilka dekad temu większość biologów zgodziłaby się z punktem widzenia Buchnera, że chemia życia nie jest inna od procesów zachodzących w fabrykach przemysłu chemicznego albo nawet w zestawie Młodego Chemika dla dzieci. Jednak w ostatnich dwóch dekadach ten pogląd uległ radykalnym zmianom, gdy kilka zasadniczych eksperymentów dostarczyło niezwykłych nowych spostrzeżeń dotyczących działania enzymów. Wydaje się, że katalizatory życia są zdolne do sięgania dalej w głąb najniższych warstw rzeczywistości niż zwykła stara, klasyczna chemia – i do robienia użytku z pewnych kwantowych sztuczek. Jednak aby zrozumieć, dlaczego kwantowa mechanika jest potrzebna do wyjaśnienia życia, musimy najpierw zbadać, jak działają prozaiczne przemysłowe katalizatory.

Zmiana ukształtowania Katalizatory działają za pomocą rozmaitych mechanizmów, ale większość z nich można zrozumieć dzięki teorii stanu przejściowego (TST)31, która w prosty sposób wyjaśnia, jak katalizatory przyspieszają reakcje. Aby zrozumieć TST, najpierw odwróćmy zagadnienie i rozważmy, dlaczego katalizatory są potrzebne do przyspieszania reakcji. Są potrzebne dlatego, że większość pospolitych związków chemicznych występujących w naszym otoczeniu to substancje raczej stabilne i niereaktywne. Ani nie ulegają spontanicznemu rozpadowi, ani nie reagują łatwo z innymi związkami chemicznymi; przecież gdyby to robiły, nie występowałyby teraz tak pospolicie. Powód, dla którego pospolite związki chemiczne są stabilne, jest taki, że ich wiązania nie są tak często rozrywane przez nieuniknione molekularne turbulencje, które zawsze w materii istnieją. Możemy to zwizualizować następująco: molekuły reagenta muszą pokonać ukształtowanie terenu i wspiąć się na szczyt pagórka, który wznosi się między nimi a przejściem w produkt (rysunek 3.1.). Energia potrzebna do wspięcia się „pod górę” jest w większości wypadków energią cieplną, która wzmaga ruch atomów i cząsteczek, powodując, że poruszają się i drgają szybciej. Te molekularne zderzenia i przepychanki mogą zerwać wiązania chemiczne, które scalają atomy wewnątrz cząsteczki, a nawet mogą doprowadzić do powstania nowych wiązań. Ale atomy bardziej stabilnych cząsteczek – tych, które są pospolite w naszym otoczeniu – są spajane przez wiązania na tyle silne, aby przeciwstawić się otaczającej je molekularnej turbulencji. Tak więc związki chemiczne, jakie znajdują się wokół nas, są pospolite, ponieważ ich cząsteczki są, ogólnie rzecz biorąc, stabilne32 pomimo silnych molekularnych zderzeń w ich otoczeniu.

Rysunek 3.1. Molekuły reagenta, przedstawione jako szare kropki, mogą zostać przekształcone w molekuły produktu, przedstawione jako czarne kropki, ale najpierw muszą wspiąć się na pagórek bariery energetycznej. Zimne molekuły nie mają dostatecznie dużej energii, aby się tam wznieść, ale gorące molekuły mogą zrobić to łatwo.

Jednak nawet molekuły stabilne mogą zostać rozerwane, jeśli dostarczy się im wystarczająco dużo energii. Jednym z możliwych źródeł takiej energii jest ciepło, które wzmaga ruch molekuł. Podgrzewanie związku chemicznego doprowadza w końcu do rozerwania jego wiązań chemicznych. To dlatego gotujemy tak wiele naszego pożywienia: ciepło zwiększa szybkość reakcji chemicznych odpowiedzialnych za przekształcanie surowych składników – reagentów – w smakowite produkty. Bardzo dogodnym sposobem wizualizacji tego, jak ciepło przyspiesza reakcje chemiczne, jest wyobrażenie sobie molekuł reagenta jako ziarenek piasku w lewej komorze klepsydry leżącej na boku (rysunek 3.2a.). Gdyby pozostawić klepsydrę w spokoju, wszystkie ziarnka piasku pozostałyby na wieczność tam, gdzie są, ponieważ nie mają dostatecznej energii, aby osiągnąć szyjkę klepsydry i przejść przez nią do komory prawej, która reprezentuje końcowy produkt reakcji. W czasie reakcji chemicznej molekułom reagenta można dostarczyć więcej energii, podgrzewając je, co powoduje ich wzmożone drgania i dostarcza odpowiedniej energii do przekształcenia w produkt. Możemy to przedstawić jako silne potrząsanie klepsydrą tak, aby niektóre z ziaren piasku zostały przerzucone do komory prawej i zamieniły się z reagenta

w produkt (rysunek 3.2b.).

Rysunek 3.2. Zmiana ukształtowania krajobrazu energii. (a) Molekuły mogą przechodzić od stanu reagenta (R) do stanu produktu (P), ale najpierw muszą posiadać wystarczająco dużą energię, aby osiągnąć stan przejściowy (szyjka klepsydry). (b) Potrząsanie klepsydrą umożliwia reagentom (substrat) wejście do stanu o wyższej energii niż produkt, umożliwiając im łatwy przepływ. (c) Enzymy działają tak, aby ustabilizować stan przejściowy, skutecznie obniżając jego energię (szyjka klepsydry), pozwalając substratom łatwiej przez nią przemieszczać się do stanu produktu.

Ale innym sposobem przekształcania reagentów w produkty jest obniżenie bariery energetycznej, ponad którą muszą się przedostać. Tak właśnie działają katalizatory. Wykonują coś, co może być traktowane jak ekwiwalent rozszerzenia szyjki klepsydry w celu umożliwienia przebycia piasku z lewej komory do prawej przy minimalnym wzbudzeniu cieplnym (rysunek 3.2c.). Tym samym reakcja jest wielce przyspieszona dzięki zdolności katalizatora do zmiany ukształtowania krajobrazu energii w taki sposób, aby umożliwić substratom33 stanie się produktami znacznie szybciej, niż mogłoby to zajść bez obecności katalizatora. Możemy zilustrować, jak to działa na poziomie molekularnym, najpierw rozważając bardzo wolną reakcję odpowiedzialną za rozbicie molekuły kolagenu bez obecności kolagenazy34 (rysunek 3.3.). Jak już wyjaśnialiśmy, kolagen jest nitką utworzoną z aminokasów połączonych ze sobą wiązaniem peptydowym (ukazanym na rysunku grubą linią) pomiędzy atomem węgla i azotu. Wiązanie peptydowe jest jednym z kilku typów wiązań, które utrzymują atomy ze sobą w cząsteczce. Składa się ono w zasadzie z pary elektronów, które są współdzielone pomiędzy atomami węgla i azotu. Te współdzielone ujemnie naładowane elektrony przyciągają dodatnio naładowane jądra atomowe po obu stronach wiązania, tym samym działając jak pewnego rodzaju elektroniczny klej, utrzymujący razem atomy w wiązaniu peptydowym35.

Rysunek 3.3. Białka takie jak kolagen (a) składają się z łańcuchów aminokwasów zbudowanych z atomów węgla (C), azotu (N), tlenu (O) i wodoru (H) połączonych wiązaniami peptydowymi. Jedno z takich wiązań jest na rysunku reprezentowane przez grubą linię. Wiązanie peptydowe może ulec hydrolizie pod wpływem cząsteczki wody (H2 O), która rozrywa wiązanie peptydowe (c), ale najpierw musi przejść w niestabilny stan przejściowy, który składa się co najmniej z dwóch różnych struktur, które nawzajem w siebie przechodzą (b).

Wiązania peptydowe są bardzo stabilne, ponieważ rozerwanie ich poprzez odseparowanie wspólnych elektronów wymaga bardzo wysokiej „energii aktywacji”: wiązanie musi wznieść się na bardzo wysoki pagórek energii, zanim osiągnie szyjkę klepsydry reakcji. W praktyce wiązanie nie zrywa się z własnej woli i wymaga pomocnej dłoni od jednej z otaczających je cząsteczek w procesie zwanym hydrolizą. Aby to zaszło, cząsteczka wody musi najpierw znaleźć się wystarczająco blisko wiązania peptydowego, aby oddać jeden ze swych elektronów atomowi węgla z wiązania, tworząc nowe słabe wiązanie, które uwiązuje cząsteczkę wody w miejscu, pokazane na rysunku 3.3. linią kropkowaną. Ten stan pośredni jest nazywany stanem przejściowym (stąd teoria stanu przejściowego) i jest niestabilnym pikiem wzgórza energii, który musi być przekroczony, jeśli wiązanie ma być rozerwane, i reprezentowany jest przez szyjkę klepsydry. Zauważmy na rysunku, że ten oddany przez wodę elektron przybył na sam dół do przylegającego do wiązania peptydowego atomu tlenu, który zdobywszy dodatkowy elektron, stał się teraz ujemnie naładowany. Cząsteczka wody, która oddała elektron, pozostała tymczasem z wypadkowym ładunkiem dodatnim w stanie przejściowym. A tu trudniej jest pojąć ten proces. Pomyślmy o tej dodatnio naładowanej cząsteczce wody (H2O) nie dlatego, że oddała elektron, ale dlatego, że teraz zawiera gołe jądro wodoru, proton, reprezentowany przez znak + na rysunku. Ten dodatnio naładowany proton nie jest już dłużej ściśle utrzymywany wewnątrz cząsteczki wody i staje się

zdelokalizowany w kwantowomechanicznym sensie, jaki omawialiśmy w ostatnim rozdziale. Chociaż spędza większość czasu wciąż związany ze swoją cząsteczką wody (struktura po lewej stronie na rysunku 3.3b.), część czasu może przebywać z dala, bliżej atomu azotu (struktura po prawej stronie na rysunku 3.3b.), na drugim końcu wiązania peptydowego. W tym położeniu wędrowny proton może wyszarpnąć jeden z elektronów z jego położenia w wiązaniu peptydowym, tym samym rozrywając wiązanie. Ale zazwyczaj tak się nie zdarza. Powód jest taki, że stany przejściowe, jak ten z rysunku 3.3b., są bardzo krótkotrwałe; są tak niestabilne, że najmniejsze „potrącenie” może je zerwać. Na przykład ujemnie naładowany elektron, który był ofiarowany przez cząsteczkę wody, może być łatwo odzyskany, tak że swą postać odzyskują początkowe reagenty (gruba strzałka na rysunku). To znacznie bardziej prawdopodobny scenariusz niż reakcja zachodząca naprzód, w której wiązanie ulega zniszczeniu. Dlatego wiązania peptydowe na ogół nie ulegają rozerwaniu. Istotnie w neutralnych roztworach, które nie są ani kwasem, ani zasadą, czas potrzebny na zerwanie połowy wiązań peptydowych w białku, znany jako czas połowicznej przemiany reakcji, wynosi ponad 500 lat. To wszystko, oczywiście, dzieje się bez enzymów: musimy jeszcze opisać, jak enzymy wspomagają proces hydrolizy. Zgodnie z teorią stanu przejściowego katalizator przyspiesza proces chemiczny, taki jak rozrywanie wiązania peptydowego, czyniąc stan przejściowy bardziej stabilnym, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo sformowania produktu końcowego. To może stać się na wiele sposobów. Na przykład dodatnio naładowany atom metalu w pobliżu wiązania może zneutralizować ujemnie naładowany atom tlenu w stanie przejściowym, aby go ustabilizować (aby już tak pospiesznie nie oddawał elektronu ofiarowanego przez cząsteczkę wody). Stabilizując stany przejściowe, katalizatory podają pomocną dłoń, wykonując ekwiwalent poszerzenia szyjki klepsydry. Musimy teraz rozważyć, czy teoria stanu przejściowego, widziana przez analogię z klepsydrą, może także wytłumaczyć sposoby przyspieszania przez enzymy tych wszystkich reakcji, które są niezbędne do życia.

Podrygiwanie i potrącanie Enzym kolagenaza, którego Mary Schweitzer użyła do zniszczenia prastarych włókien kolagenu tyranozaura, jest tym samym enzymem, który Jerome Gross odkrył u żab. Pamiętacie, że ten enzym jest potrzebny do rozmontowania macierzy pozakomórkowej kijanki, aby jej tkanki, komórki i biomolekuły mogły ulec przekształceniu w dorosłego osobnika. Spełnia on tę samą funkcję u dinozaura i spełnia także w naszych ciałach:

rozmontowuje włókna kolagenowe, umożliwiając wzrost i przetwarzanie tkanki podczas rozwoju i po urazach. Aby ujrzeć ten enzymatyczny proces w działaniu, zapożyczymy ideę Richarda Feynmana, jaką zaprezentował podczas wykładu Jest wiele miejsca na dnie w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym (Caltech) w 1959 roku. Wykład ten jest powszechnie uznawany za tworzący intelektualne podstawy dziedziny badań naukowych zwanych nanotechnologią: inżynierii w skali atomów i cząsteczek. Idea Feynmana zainspirowała także twórców filmu z 1966 roku pod tytułem Fantastic Voyage, w którym łódź podwodna i jej załoga zostali pomniejszeni do tak małych rozmiarów, że mogli być wstrzyknięci do naczyń krwionośnych uczonego, aby znaleźć i usunąć potencjalnie śmiertelny zakrzep w tętnicy jego mózgu. Aby sprawdzić, jak to działa, odbędziemy podróż w wyimaginowanej nanołodzi podwodnej. Naszym celem będzie ogon kijanki. Najpierw musimy znaleźć kijankę. Podczas wizytacji lokalnej sadzawki odkrywamy wylęg z żabiego skrzeku i ostrożnie chwytając garść czarno kropkowanych kuleczek o galaretowatej konsystencji, przenosimy ją do szklanego naczynia wypełnionego wodą. Po niedługim czasie obserwujemy wijące się w skrzeku małe kijanki wyklute z jajeczek. Po dokonaniu krótkiej notatki o ich zasadniczych cechach zaobserwowanych pod szkłem powiększającym – względnie długa główka z małym otworem gębowym, oczy na powierzchni bocznej i pierzaste skrzela, a dalej potężna płetwa ogonowa – dostarczamy kijankom pożywienia (algi) i codziennie powracamy na obserwacje. Przez kilka tygodni obserwujemy niewielkie zmiany kształtu zwierzęcia, ale jego wzrost długości i obwodu jest imponujący. Po około ośmiu tygodniach zauważamy, że skrzela cofają się w głąb ciała, a ukazują się przednie kończyny. Po następnych dwóch tygodniach i tylne odnóża wyłaniają się z podstawy silnego ogona. Na tym etapie musimy dokonywać częstszych obserwacji, ponieważ tempo zmian metamorfozy zwierzęcia wydaje się zwiększać. Skrzela kijanki i jamy skrzelowe zanikają zupełnie, a jej oczy na głowie migrują wyżej. Obok tych dramatycznych zmian przodu kijanki jej ogon zaczyna się kurczyć. To ten oczekiwany przez nas sygnał, dlatego wchodzimy na pokład naszej nanołodzi podwodnej i wodujemy ją do naczynia, w którym obserwowaliśmy jedną z najbardziej niezwykłych transformacji w naturze. Gdy nasza łódź zanurzy się, możemy zobaczyć więcej szczegółów metamorfozy kijanki: dramatyczne zmiany jej skóry, która stała się grubsza, twardsza i osadzone są w niej gruczoły śluzowe, które utrzymują wilgoć i jędrność skóry, gdy żaba opuszcza sadzawkę i wychodzi na ląd. Zanurzamy się w jednym z tych gruczołów, który prowadzi w głąb skóry zwierzęcia. Po bezpiecznym przejściu kilku barier komórkowych dopływamy do jej układu krążenia. Podążając wzdłuż żył i arterii zwierzęcia, możemy od środka obserwować wiele zmian zachodzących wewnątrz jego ciała. Z workowatego zalążka rozwijają się płuca, rozszerzają i napełniają powietrzem. A spiralnie ułożone jelito kijanki, które mogło trawić algi, wyprostowuje

się w sposób typowy dla drapieżników. Jej półprzezroczysty chrzęstny szkielet wraz ze struną grzbietową (prymitywna forma kręgosłupa, która rozciąga się wzdłuż jej ciała) stają się zwarte i nieprzejrzyste, gdy chrząstka zostaje zastąpiona przez kość. Kontynuując naszą misję, podążamy za rozwijającym się kręgosłupem aż do ogona kijanki, który zaczyna być absorbowany w głąb rozwijającego się ciała żaby. W tej skali możemy zobaczyć grube, prążkowane włókna mięśniowe na całej długości jej ciała. Dalsze zmniejszenie pozwala nam zobaczyć, że każde z włókien mięśniowych składa się z cylindrycznych komórek ułożonych w długie kolumny, których okresowe skurcze powodują ruch kijanki. Te komórki mięśniowe o cylindrycznym kształcie otacza gęsta sieć włóknistych sznurów: to macierz pozakomórkowa, która jest celem naszych badań. Sama macierz wydaje się ciągle zmieniać, gdy pojedyncze sznury wyplątują się, aby uwięzione komórki mięśniowe mogły się uwolnić i przyłączyć do masowej migracji komórek z ogona kijanki do ciała żaby. Kurcząc się jeszcze bardziej, osiadamy na jednym z tych wyplątujących się sznurów rozpadającej się macierzy pozakomórkowej. Gdy obwód ciała zwiększa się, widzimy, że podobnie jak lina jest ona spleciona z tysięcy pojedynczych łańcuchów białkowych, z których każdy jest wiązką włókien kolagenowych. Każde włókno jest zbudowane z trzech białek – tych koralików aminokwasów nanizanych na nitkę, które wcześniej już napotkaliśmy, gdy omawialiśmy kość dinozaura – ale owiniętych wokół siebie nawzajem, tworząc twardą nić o kształcie helisy, trochę jak DNA, ale o potrójnym splocie, a nie podwójnym. I tutaj w końcu napotykamy cel naszej ekspedycji: cząsteczkę enzymu kolagenazy. Ukazuje się podobna do małża struktura zaciśnięta na jednym z włókien kolagenu i ześlizgująca się po nim, rozczepiając potrójny splot nici, aż rozetnie wiązania peptydowe, wiążące ze sobą koraliki aminokwasów. Łańcuch, który w przeciwnym razie mógłby przetrwać nietknięty przez miliony lat, jest teraz niszczony w jednym momencie. Teraz jeszcze bardziej pomniejszymy się, aby zobaczyć dokładnie, jak to rozcinanie zachodzi. Nasze nowe pomniejszenie przenosi nas do skali molekularnej, zaledwie kilku nanometrów (milionowych części milimetra). Bardzo trudno pojąć, jak niewielka jest w rzeczywistości ta skala, aby dać wam jakieś odniesienie; popatrzcie na wielkość liter „o” na tej stronie: gdybyście mieli zmniejszyć się ze swej normalnej wielkości do skali nanometra, to to „o” wydawałoby się wam wielkości całych Stanów Zjednoczonych Ameryki. W tej skali możemy zobaczyć, że wnętrze komórki jest gęsto wypełnione cząsteczkami wody, jonami metali36 i najrozmaitszymi biomolekułami, wśród których są te dziwnie wyglądające aminokwasy. Ta zatłoczona i ruchliwa sadzawka jest w stanie ciągłego wzburzenia i zawirowań, z molekułami wirującymi, drgającymi i odbijającymi się od siebie w tym podobnym do bilardu ruchu molekularnym, z którym już zetknęliśmy się uprzednio.

I tutaj, wśród całej tej chaotycznej molekularnej aktywności, znajdują się te podobne do małża enzymy, ześlizgujące się wzdłuż włókien kolagenu, poruszające się zupełnie inaczej. W tej skali możemy śledzić pojedynczy enzym, jak przyczepia się do łańcucha białka kolagenu. Na pierwszy rzut oka ogólny kształt cząsteczki enzymu wydaje się bezkształtny i bezpostaciowy, dający błędne wrażenie, że jest to niezorganizowana zbieranina części. Ale kolagenaza, jak wszystkie enzymy, ma dokładnie określoną strukturę, w której każdy atom zajmuje dokładnie określone miejsce wewnątrz cząsteczki. I w odróżnieniu od chaotycznego ruchu otaczających molekuł enzym wykonuje elegancki molekularny taniec, gdy owija się wokół włókna kolagenu, rozplata sploty helisy i przecina wiązanie peptydowe, które wiąże ze sobą aminokwasy w łańcuchu, by następnie odwinąć się, ześliznąć w dół i rozciąć kolejne wiązanie peptydowe. To nie są skurczone wersje maszyn wykonanych przez człowieka, których działania, w skali molekularnej, są napędzane chaotycznym, jak w przypadku bilardu, ruchem trylionów cząsteczek. Te naturalne nanomaszyny wykonują na molekularnym poziomie taniec o dokładnie opracowanej choreografii, którego działanie programował przez miliony lat dobór naturalny w celu wywierania wpływu na ruch podstawowych cząstek materii. Aby zapoznać się bliżej z rozcinaniem, opuścimy się do podobnej do szczęki szczeliny w enzymie, która przytrzymuje substraty: kolagenowy łańcuch białkowy i pojedynczą cząsteczkę wody. To centrum aktywne enzymu – jego ostrze, które przyspiesza rozcinanie wiązań peptydowych dzięki przechyleniu szyjki energetycznej klepsydry. Zorganizowane działanie, zachodzące wewnątrz tego molekularnego centrum sterującego, jest zupełnie odmienne od wszelkiej chaotycznej przepychanki zachodzącej na zewnątrz i wokół enzymu i gra niewspółmiernie ważną rolę w życiu całej żaby. Centrum aktywne enzymu ukazane jest na rysunku 3.4. Porównując ten rysunek z rysunkiem 3.3., możecie zauważyć, że enzym przetrzymuje wiązanie peptydowe w niestabilnym stanie przejściowym, zanim je rozerwie. Substraty są związane przez słabe wiązania chemiczne, zaznaczone na rysunku liniami kropkowanymi, a w istocie elektrony wspólne dla substratu i enzymu. Te więzy utrzymują substraty w dokładnie określonej konfiguracji, gotowe do cięcia przez molekularne szczęki enzymu.

Rysunek 3.4. Rozerwanie wiązania peptydowego (zaznaczone grubą linią) w kolagenie przez aktywne centrum kolagenazy. Stan przejściowy substratu pokazany jest liniami przerywanymi. Sfera na lewo i w dół od centrum to dodatnio naładowany jon cynku; górna grupa karboksylowa (COO) pochodzi z kwasu glutaminowego w centrum aktywnym enzymu. Zauważmy, że nie są zachowane prawidłowe odległości pomiędzy cząsteczkami.

Gdy szczęki enzymu zamykają się, robią coś znacznie subtelniejszego niż proste „ugryzienie” wiązania: dostarczają środków, dzięki którym może zachodzić kataliza. Zauważmy duży dodatnio naładowany atom wiszący poniżej wiązania peptydowego, ustawiony w odpowiednim położeniu. To dodatnio naładowany atom cynku. Jeśli uważamy centrum aktywne enzymu za jego szczęki, to atom cynku jest jednym z ich siekaczy. Dodatnio naładowany atom wyszarpuje elektron z atomu tlenu substratu, aby stabilizować stan przejściowy i tym samym zdeformować krzywą energii: szyjka klepsydry została poszerzona. Reszta zadania jest wykonana przez drugi molekularny siekacz enzymu. To jeden z własnych aminokwasów enzymu, zwany glutaminianem, który ustawił się na pozycji tak, aby zawiesić swój ujemnie naładowany atom tlenu nad wiązaniem peptydowym. Jego rolą jest najpierw wyrwanie dodatnio naładowanego protonu z uwięzionej cząsteczki wody, a potem rzucenie tym protonem w atom azotu na jednym końcu wiązania peptydowego, by nadać mu dodatni ładunek, który z wiązania peptydowego

wyciąga na zewnątrz elektrony. Pewnie pamiętacie, że elektrony stanowią klej wiązania chemicznego; tak więc wyciągnięcie elektronu na zewnątrz jest jak wypchnięcie kleju ze złącza, co powoduje jego osłabienie lub zerwanie37. Jeszcze kilka przegrupowań elektronów i produkty reakcji, zerwane łańcuchy białkowe, są wydalane z molekularnych szczęk enzymu. Reakcja, która w przeciwnym wypadku mogłaby trwać więcej niż sześćdziesiąt osiem milionów lat, jest zakończona w ciągu nanosekund. Ale gdzie tu wkracza mechanika kwantowa? Aby zdać sobie sprawę, dlaczego potrzebujemy mechaniki kwantowej do wyjaśnienia zjawiska katalizy enzymu, na chwilę przerwiemy wywód, aby zastanowić się jeszcze raz nad wnioskami, do jakich doszli pionierzy mechaniki kwantowej. Już wspominaliśmy o szczególnej roli tych kilku cząstek w aktywnym centrum enzymu, których zaaranżowany ruch jaskrawo kontrastuje z chaotycznym ruchem molekularnym, zachodzącym gdzie indziej w całym otoczeniu. Tutaj wysoce zorganizowane biomolekuły oddziałują w bardzo określony sposób z innymi wysoce zorganizowanymi biomolekułami. Można to uważać zarówno za dyktatorskie wzmocnienie Jordana, jak i „porządek z porządku” Erwina Schrödingera, które rozciągają się w dół aż do samego końca, od rozwijającej się żaby poprzez jej zorganizowane tkanki i komórki aż do włókien, które scalają tkanki i komórki, i zorganizowanego ruchu cząstek podstawowych wewnątrz centrum aktywnego kolagenazy, która reorganizuje te włókna i tym samym wpływa na rozwój całej żaby. Niezależnie od tego, czy wybierzemy model Jordana, czy Schrödingera, to, co tutaj zachodzi, odróżnia się w oczywisty sposób od chaotycznego ruchu molekularnego, który pcha parowozy po szynach. Ale czy ten molekularny porządek pozwoli na działanie w życiu innemu zestawowi reguł, jak zapewniał Schrödinger? Aby poznać odpowiedź na to pytanie, musimy dowiedzieć się coś więcej o tym innym zestawie reguł, które działają w bardzo małej skali.

Czy teoria stanu przejściowego wyjaśnia to wszystko? Czy taki zorganizowany ruch molekularny koniecznie musi wyjaśniać mechanika kwantowa? Odkryliśmy, że zdolność kolagenazy do przyspieszonego rozrywania wiązania peptydowego wymaga kilku mechanizmów katalizy, których chemicy używają rutynowo w celu przyspieszania reakcji chemicznych, bez uciekania się do mechaniki kwantowej. Na przykład: atom cynku w aktywnym centrum enzymu wydaje się grać rolę podobną do gorącej platyny, której Peregrine Phillips używał w XIX wieku, aby przyspieszać produkcję kwasu siarkowego. Te nieorganiczne katalizatory opierały się

na chaotycznym ruchu molekularnym, a nie na zorganizowanej akcji, w celu zbliżenia grup katalitycznych do ich substratów i tym samym przyspieszenia reakcji. Czy kataliza enzymatyczna jest tylko zbiorem kilku prostych klasycznych mechanizmów katalizy, wciśniętych do aktywnych centrów, aby wykrzesać iskrę, która inicjuje życie? Aż do niedawna prawie wszyscy enzymolodzy powiedzieliby tak – standardowa teoria stanu przejściowego, z jej opisem różnych procesów, które pomagają wydłużyć okres trwania pośredniego stanu przejściowego, uważana była za najlepiej tłumaczącą działanie enzymów. Ale gdy wzięto pod uwagę wszystkie znane czynniki mające na to wpływ, powstały pewne wątpliwości. Na przykład możliwe różne mechanizmy omawiane wcześniej w tym rozdziale, które przyspieszają reakcje rozrywania wiązań peptydowych w białkach, są dobrze poznane i pojedynczo mogą spowodować nawet stukrotne zwiększenie tempa reakcji. Ale nawet jeśli pomnoży się te wszystkie czynniki przez siebie, to można osiągnąć najwyżej reakcję milion razy szybszą. To bardzo mizerna liczba w porównaniu z tym, co mogą osiągnąć enzymy: wydaje się, że występuje kłopotliwa rozbieżność pomiędzy teorią i rzeczywistością. Inną zagadką jest wpływ zmian zachodzących w strukturze samych enzymów na ich aktywność. Na przykład, jak wszystkie enzymy, kolagenaza składa się z podstawy utworzonej z łańcuchów białek, która podtrzymuje szczęki i zęby enzymu umieszczone w obrębie jego aktywnego centrum. Spodziewamy się, że zmiana aminokwasów, które tworzą szczęki i zęby, będzie miała wielki wpływ na sprawność enzymu, i rzeczywiście ma. Jeszcze bardziej zaskakujące jest odkrycie, że zmiana aminokwasów w obrębie enzymu, które są oddalone od jego aktywnego centrum, może mieć także dramatyczny wpływ na jego sprawność. Dlaczego te niby niewinne modyfikacje struktury enzymu wywołują tak dramatyczne zmiany, pozostaje zagadką w ramach standardowej teorii stanu przejściowego; ale okazuje się, że stanowią logiczną całość, gdy brana jest pod uwagę mechanika kwantowa. Powrócimy do tego odkrycia w ostatnim rozdziale tej książki. Innym problemem jest to, że teoria stanu przejściowego nie jest jak dotąd w stanie stworzyć sztucznych enzymów tak sprawnych, jak realne. Pamiętacie słynne powiedzenie Richarda Feynmana: „Nie rozumiem tego, czego nie mogę stworzyć”. Te słowa odnoszą się do enzymów, bo pomimo całej zgromadzonej wiedzy o mechanizmach działania enzymów nikomu nie udało się jak dotąd stworzyć od podstaw enzymu, który mógłby osiągać tempo przyspieszania reakcji osiągane przez enzymy naturalne38. A więc zgodnie z kryterium Feynmana nie rozumiemy jeszcze zasad działania enzymów. Ale spójrzmy jeszcze raz na rysunek 3.4. i zapytajmy: co robi enzym? Odpowiedź jest oczywista: enzymy manipulują pojedynczymi atomami, protonami i elektronami, wewnątrz i pomiędzy cząsteczkami. Dotąd w tym rozdziale rozpatrywaliśmy te cząstki jako bardzo małe naładowane elektrycznie bryłki pociągane i popychane z miejsca na

miejsce w modelu szkieletowo-kulkowym cząsteczek. Ale jak widzieliśmy w ostatnim rozdziale, elektrony, protony, a nawet całe atomy są bardzo odmienne od takich klasycznych kulek, ponieważ podlegają zasadom mechaniki kwantowej, nawet najdziwniejszych, opartych na zjawisku koherencji, choć na poziomie makroskopowym kul bilardowych już niewystępujących ze względu na dekoherencję. Kule bilardowe nie są dobrymi modelami cząstek elementarnych, tak więc do zrozumienia realnych procesów zachodzących w centrach aktywnych enzymów musimy pozbyć się klasycznych, z góry przyjętych osądów i wstąpić w dziwny świat kwantowej mechaniki, gdzie obiekty mogą robić dwie lub sto rzeczy naraz, mogą posiadać upiorne połączenia i mogą przenikać przez wyraźnie nieprzenikalne bariery. To wyczyny, których nigdy nie dokonały kule bilardowe.

Dyrygowanie elektronami Jak już odkryliśmy, jednym z najważniejszych działań enzymów jest przenoszenie elektronów w obrębie cząsteczki substratu, na przykład gdy kolagenaza wytrąca elektrony z atomów i przemieszcza je wewnątrz cząsteczki białka. Ale elektrony mogą być zarówno przemieszczane wewnątrz cząsteczki, jak i przenoszone z jednej cząsteczki na inną. Bardzo powszechny typ transferu elektronu w reakcji chemicznej zachodzi podczas procesu zwanego utlenianiem. Zachodzi on na przykład, gdy spalamy w powietrzu paliwa kopalne, takie jak węgiel. Istotą utleniania jest przeniesienie elektronów z cząsteczki donora do cząsteczki akceptora. W przypadku spalania bryłki węgla wysokoenergetyczne elektrony z atomów węgla przemieszczają się, aby stworzyć niskoenergetyczne wiązania pomiędzy atomami tlenu, powodując powstanie dwutlenku węgla. Nadmiar energii jest uwalniany w postaci ciepła płomienia węgla. Wykorzystujemy tę energię cieplną do ogrzewania naszych domów, gotowania pożywienia i przekształcania wody w parę wodną, którą napędza się na przykład turbiny napędzające generatory elektryczności. Ale spalanie węgla i silniki spalania wewnętrznego są bardzo prymitywnymi i mało wydajnymi urządzeniami wykorzystującymi energię elektronów. Natura dawno temu wynalazła o wiele bardziej wydajne sposoby wychwytywania tej energii poprzez proces oddychania. Na ogół wydaje nam się, że oddychanie jest procesem wykonywania oddechów: nabierania do płuc potrzebnego nam tlenu i wydychania dwutlenku węgla jako produktu odpadowego. Ale wykonanie oddechu jest w rzeczywistości kombinacją tylko pierwszego (dostarczenie tlenu) i ostatniego (wydalenie dwutlenku węgla) kroku w znacznie bardziej złożonym i uporządkowanym molekularnym procesie, który

zachodzi wewnątrz naszych komórek. Zachodzi on wewnątrz złożonych organelli39 zwanych mitochondriami, które trochę przypominają komórki bakterii uwięzione wewnątrz naszych większych zwierzęcych komórek, ponieważ one także mają struktury wewnętrzne, jak błony, i nawet swoje własne DNA. Rzeczywiście, mitochondria prawie na pewno ewoluowały od symbiotycznej bakterii, która zadomowiła się wewnątrz komórek praprzodka zwierzęcia lub rośliny setki milionów lat temu, a potem utraciła zdolność do niezależnego życia. Ale ich pochodzenie jako niezależnie żyjącej komórki bakteryjnej wyjaśnia, dlaczego są one zdolne do wykonywania tak wyjątkowo złożonego procesu jak oddychanie. Istotnie, ze względu na złożoność chemicznych procesów oddychanie przewyższa prawdopodobnie tylko fotosynteza, z którą spotkamy się w następnym rozdziale. Aby skupić się na roli, jaką mechanika kwantowa tutaj odgrywa, będziemy musieli w uproszczony sposób opisać, jak odbywa się oddychanie. Ale nawet w formie uproszczonej wciąż mamy do czynienia z niezwykłą sekwencją procesów, które pięknie ukazują, jak zachwycające są te biologiczne nanomaszyny. Proces zaczyna się od spalania paliwa kopalnego, w naszym przypadku składników pokarmowych zawartych w naszym jedzeniu. Na przykład w jelitach węglowodany rozkładają się do postaci cukrów, takich jak glukoza, które dostają się następnie do krwiobiegu i zostają dostarczone do komórek potrzebujących energii. Tlen potrzebny do spalania cukru dostarczany jest z płuc do tych samych komórek przez krew. Tak jak w przypadku spalania węgla elektrony na zewnętrznych orbitach atomów węgla wewnątrz cząsteczki przekazywane są do cząsteczki zwanej NADH. Ale zamiast natychmiast być użytymi do tworzenia wiązań z atomami tlenu, elektrony zostają przekazane z jednego enzymu do drugiego wzdłuż łańcucha oddechowego enzymów wewnątrz naszych komórek, podobnie jak biegacze przekazują sobie pałeczkę w sztafecie. Na każdym etapie transferu elektron jest wrzucany do stanu o niższej energii, a różnica energii używana jest do napędzania enzymów, które wpompowują protony z mitochondriów. Powstający od zewnątrz do wewnątrz mitochondrium protonowy gradient użyty jest do doprowadzenia do rotacji innego enzymu, zwanego ATP-azą, który wytwarza biomolekułę zwaną ATP. ATP gra ważną rolę we wszystkich komórkach żywych, ponieważ działa jak pewnego rodzaju zasobnik z energią, który łatwo można transportować wewnątrz komórki i zasilać z niego różnorodną aktywność, jak budowanie i poruszanie organizmu, źródłem energii. W swym działaniu elektronowo napędzana pompa protonowa enzymu jest trochę podobna do elektrowni szczytowo-pompowej, która magazynuje nadmiar energii dzięki przepompowywaniu wody do zbiornika położonego na szczycie góry. Zmagazynowana energia może być potem wykorzystana dzięki przepływowi wody w dół, do dolnego zbiornika, z jednoczesnym uruchomieniem turbiny wodnej, która wytwarza elektryczność. Podobnie enzymy oddechowe wypompowują protony z mitochondrium.

Gdy protony wpływają z powrotem do wewnątrz, napędzają rotację enzymu ATP-azy. Ta rotacja napędza inne ruchy biomolekularne, które umocowują wysokoenergetyczną grupę fosforanową do cząsteczki wewnątrz enzymu, aby wytworzyć ATP. Rozszerzając analogię pomiędzy przechwytującym energię procesem a biegiem sztafetowym, możemy wyobrazić sobie, że pałeczkę zastępujemy przez butelkę z wodą (reprezentującą energię elektronów), a każdy z biegaczy (enzymów) bierze z niej łyk wody i przekazuje butelkę następnemu, zanim w końcu pozostała woda zostanie wylana do wiadra zwanego tlenem. To przechwytywanie energii elektronów małymi porcjami czyni cały proces o wiele bardziej wydajnym niż wylanie jej bezpośrednio na tlen, ponieważ niewiele energii zostaje utracone w formie ciepła. Tak więc zasadnicze zdarzenia zachodzące przy oddychaniu mają niewiele wspólnego z procesem nabierania powietrza, lecz składają się na uporządkowany transfer elektronów poprzez enzymy oddechowe wewnątrz naszych komórek. Każde zdarzenie transferu, pomiędzy jednym enzymem i następnym w tej sztafecie, zachodzi poprzez odstęp o szerokości kilkuset angstremów – odległości zajmowanej przez wiele atomów – znacznie większej, niż uważano za możliwą w konwencjonalnym podejściu do elektronowych przeskoków. Pozostaje zagadką, jak te enzymy mogą przekazywać sobie elektrony tak szybko i wydajnie poprzez tak duże molekularne odstępy. To pytanie po raz pierwszy zadał w początkach lat czterdziestych XX wieku austriacko-węgiersko-amerykański biochemik Albert Szent-Györgyi, który zdobył Nagrodę Nobla z medycyny w 1937 roku za swój wkład w odkrycie witaminy C. W 1941 roku Szent-Györgyi wygłosił wykład zatytułowany Ku nowej biochemii, w którym wysunął tezę, że sposób, w jaki elektrony płyną bez trudu poprzez biomolekuły, jest podobny do tego, w jaki poruszają się one w półprzewodnikach, takich jak krzem używany w elektronice. Niestety, kilka lat później stwierdzono, że białka w istocie są raczej słabymi przewodnikami elektryczności, dlatego elektrony nie płynęłyby swobodnie przez enzymy w sposób, jaki wyobrażał sobie Szent-Györgyi. Znaczne postępy w chemii dokonały się w latach pięćdziesiątych XX wieku, szczególnie przyczynił się do tego kanadyjski chemik Rudolph Marcus, który rozwinął bardzo skuteczną teorię, która dzisiaj nosi jego imię (teoria Marcusa) i która wyjaśnia tempa, w jakich elektrony mogą poruszać się lub przeskakiwać pomiędzy różnymi atomami lub cząsteczkami. On także za swe prace zdobył Nagrodę Nobla z chemii w 1992 roku. Ale pół wieku temu pozostawało wciąż zagadką, jak enzymy oddechowe mogą powodować tak gwałtowny transfer elektronów na tak duże molekularne odległości. Sugerowano, że białka mogłyby wykonywać sekwencyjnie ruch obrotowy, jak w mechanizmie zegarowym, zbliżając odległe molekuły do siebie tak, aby elektrony mogły łatwo między nimi przeskakiwać. Ważnym przewidywaniem takich modeli było to, że ten mechanizm zwalniałby dramatycznie w niskich temperaturach, gdy brakuje

energii termicznej do napędzania takiego mechanizmu zegarowego. Jednak w 1966 roku jeden z pierwszych przełomów w kwantowej biologii pojawił się w eksperymentach przeprowadzonych na Uniwersytecie Pensylwanii przez dwóch amerykańskich chemików, Dona DeVaulta i Brittona Chance’a, którzy pokazali, że wbrew oczekiwaniom tempo przeskoków elektronowych w enzymach oddechowych nie spadało w niskich temperaturach40. Don DeVault urodził się w Michigan w 1915 roku, ale rodzina przeniosła się na zachód podczas Wielkiego Kryzysu. Studiował na Caltechu i Berkeley w Kalifornii i uzyskał doktorat z chemii w 1940 roku. Był aktywistą zaangażowanym w obronę praw człowieka i jako obdżektor spędził jakiś czas w więzieniu podczas II wojny światowej. W 1958 roku zrezygnował ze stanowiska profesora chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim, aby przenieść się do Georgii i wziąć udział w walce o równość rasową i integrację na Południu USA. Jego siła przekonań, poświęcenie dla sprawy i udział w pokojowych protestach narażały go na fizyczne ataki podczas marszów z czarnymi aktywistami. Doznał nawet złamania szczęki, gdy jego mieszana rasowo grupa została zaatakowana przez tłum. Ale to nie mogło go zniechęcić. W 1963 roku DeVault pracował na Uniwersytecie Pensylwanii wraz z Brittonem Chance’em, człowiekiem, który będąc tylko o dwa lata starszym, już miał reputację jednego z czołowych badaczy w swojej dziedzinie. Chance obronił nie jeden doktorat, lecz dwa, pierwszy z chemii fizycznej, a drugi z biologii. Dlatego jego „dziedzina” badań była bardzo szeroka, a zainteresowania naukowe bardzo różnorodne. Większość swej kariery poświęcił badaniu struktury i funkcji enzymów – a podczas urlopu naukowego zdobył złoty medal w żeglarstwie dla USA w Igrzyskach Olimpijskich w 1952 roku. Brittona Chance’a zaintrygował mechanizm, dzięki któremu światło pobudza transfer elektronów z cytochromu, enzymu oddechowego, do tlenu. Razem z Mitsuo Nishimurą odkrył, że transfer ten zachodzi w bakterii Chromatium vinosum nawet wtedy, gdy jej komórki są ochłodzone do temperatury ciekłego azotu, -190°C. Ale jak ten proces zmienia się wraz ze zmianą temperatury, co mogłoby rzucić światło na mechanizm molekularny, leżący u podstaw tego procesu, wciąż pozostawało do wyjaśnienia. Chance zdał sobie sprawę, że potrzebny jest tu bardzo silny i krótki impuls świetlny, aby szybko zapoczątkować reakcję. Tutaj przydała się wiedza Dona DeVaulta. Spędził on bowiem kilka lat, pracując jako konsultant dla małej firmy budującej laser o takich krótkich impulsach świetlnych. Razem opracowali eksperyment, w którym laser rubinowy błyskami światła o długości 30 nanosekund (30 bilionowych sekundy) naświetlał komórki bakterii wypełnionej enzymami oddechowymi. Odkryli, że gdy zmniejszali temperaturę, tempo transferu elektronów spadało, aż około 100 K (albo -173°C), transfer elektronów był tysiąc razy wolniejszy niż w temperaturze pokojowej. Tego można było oczekiwać,

jeśli proces transferu elektronów był sterowany energią wzbudzeń termicznych. Jednak coś dziwnego wydarzyło się, gdy DeVault i Chance obniżyli temperaturę poniżej 100 K. Zamiast spadku do niższych wartości tempo transferu elektronów wydawało się osiągnąć plateau, pozostając stałym pomimo dalszego obniżania temperatury, aż do 35 K (-238°C). To wskazywało, że mechanizm transferu elektronów nie może być „klasycznym” przeskokiem elektronów opisanym wcześniej. Odpowiedzi, jak się wydawało, należało szukać w świecie mechaniki kwantowej, który opisywaliśmy w rozdziale 1.

Kwantowe tunelowanie Pamiętacie zapewne z rozdziału 1, że tunelowanie kwantowe jest dziwnym procesem kwantowym, dzięki któremu cząstki mogą przechodzić przez niepenetrowalne bariery tak łatwo, jak dźwięk przechodzący przez ściany. Proces ów został odkryty w 1926 roku przez niemieckiego fizyka Friedricha Hunda i zaraz potem z sukcesem został zastosowany do wyjaśnienia rozpadu radioaktywnego przez George’a Gamowa, Ronalda Gurneya i Edwarda Condona, przy czym wszyscy trzej oparli swe wywody na zupełnie wtedy nowej matematyce mechaniki kwantowej. Kwantowe tunelowanie stało się podstawową cechą fizyki jądrowej, lecz później zostało docenione jako zjawisko występujące szerzej w chemii i fizyce ciała stałego. Jak już widzieliśmy, jest ono istotne dla życia na Ziemi, ponieważ umożliwia parze dodatnio naładowanych jąder wodoru wewnątrz Słońca połączenie się w procesie fuzji termonuklearnej, co stanowi pierwszy krok w przekształcaniu wodoru w hel, przy jednoczesnym uwolnieniu ogromnej energii. Jednak aż do niedawna nie było ono brane pod uwagę w jakimkolwiek procesie zachodzącym w organizmie żywym. Za pomocą tunelowania kwantowego cząstka może przedostać się z jednej strony bariery na jej stronę drugą w sposób sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem. Przez „barierę” rozumiemy fizycznie niedostępny (bez dostatecznej energii) region przestrzeni – można tu pomyśleć o polu siłowym przywoływanym w fantastyce naukowej. Ten region mógłby się składać z cienkiego materiału izolacyjnego rozdzielającego przewodnik elektryczny na dwie części albo nawet pustą przestrzeń, jak szczelina rozdzielająca dwa enzymy w łańcuchu oddechowym. Może to być swego rodzaju wzgórek na wykresie energii, jaki opisywaliśmy wcześniej, który ogranicza tempo reakcji chemicznej (rysunek 3.1.). Można także pomyśleć o piłce, która toczy się w górę zbocza pagórka. Aby mogła osiągnąć jego szczyt i stoczyć się po drugiej jego stronie, trzeba jej nadać kopnięciem odpowiednio dużą energię. Gdy wtacza się na wzgórze, stopniowo spowalnia swój ruch i bez dostatecznej energii (wystarczająco

silnego kopnięcia) po prostu zatrzyma się i następnie stoczy się w dół tą samą drogą. Zgodnie z klasyczną mechaniką newtonowską jedynym sposobem, w jaki piłka mogłaby przedostać się przez taką barierę, jest nadanie jej wystarczającej energii, aby mogła przetoczyć się przez szczyt pagórka energii. Ale gdyby piłka była elektronem, a pagórek odpychającą barierą energii, wtedy istniałoby małe prawdopodobieństwo, że elektron przeszedłby przez barierę jako fala, w istocie wykonując alternatywne i bardziej wydajne przez nią przejście. To kwantowe tunelowanie (rysunek 3.5.).

Rysunek 3.5. Kwantowe tunelowanie poprzez krajobraz energii.

Ważną cechą mechaniki kwantowej jest to, że im lżejsza cząstka, tym łatwiej jej tunelować. Kiedy zrozumiano, że proces ten jest wszechobecny w świecie subatomowym, nie było zaskoczeniem, że w tunelowaniu bardzo powszechny udział biorą elektrony, ponieważ są bardzo lekkimi cząstkami. Emisja polowa elektronów z metalu została wyjaśniona jako efekt tunelowy w późnych latach dwudziestych XX wieku. Kwantowe tunelowanie wyjaśniło także, w jaki sposób zachodzi rozpad radioaktywny, gdy określone jądro atomu, na przykład uranu, od czasu do czasu spontanicznie wyrzuca cząstkę. Stało się to pierwszym udanym zastosowaniem mechaniki kwantowej do zagadnień fizyki jądrowej. Obecnie w chemii dobrze jest już zrozumiane kwantowe tunelowanie elektronów, protonów (jądro wodoru), a nawet pierwiastków cięższych. Zasadniczą cechą kwantowego tunelowania jest to, że jak wiele innych zjawisk kwantowych zależy ono od rozmytej, falopodobnej natury cząstek materialnych. Ale organizm zbudowany z ogromnej ilości cząstek musi, aby zjawisko tunelowania mogło zachodzić, zachować charakter falowy wszystkich swoich składowych zachowujących

się jak oddział maszerujący w takt, z pokrywającymi się grzbietami i dolinami fal, czyli z czymś, co nazywamy koherencją układu albo po prostu „dostrojeniem”. Dekoherencja opisuje proces, kiedy wszystkie fale kwantowe nagle przestają być zsynchronizowane ze sobą i znika jakiekolwiek całościowe koherentne zachowanie, a tym samym zanika możliwość tunelowania kwantowego. Aby cząstka mogła tunelować, musi zachowywać się jak fala, żeby przesączyć się przez barierę. To dlatego wielkie obiekty, takie jak piłki futbolowe, nie tunelują kwantowo, bo składają się z trylionów atomów, które nie mogą zachowywać się w skoordynowany koherentny, falopodobny sposób. W kwantowych standardach żywe komórki też są ogromnymi obiektami, dlatego na pierwszy rzut oka wydaje się mało prawdopodobne, by tunelowanie kwantowe mogło być odkryte wewnątrz ciepłych, wilgotnych żywych komórek, których atomy i cząsteczki w większości nie poruszają się w sposób koherentny. Ale, jak już dowiedzieliśmy się, wnętrze enzymu jest inne: jego cząstki są bardziej poddane synchronicznemu tańcowi niż chaotycznej wrzawie. Dowiedzmy się więc, jak taka choreografia może wpływać na życie.

Kwantowe tunelowanie elektronów w biologii Pełne wyjaśnienie nieoczekiwanej zależności temperaturowej, odkrytej przez DeVaulta i Chance’a w 1966 roku, zajęło kilka lat. Inny amerykański uczony, którego prace obejmowały wiele dyscyplin, od biologii molekularnej do fizyki i informatyki, to John Hopfield. Hopfield, najbardziej znany za swe prace nad rozwojem programowania sieci neuronowych, interesował się fizycznymi procesami zachodzącymi w układach biologicznych. W 1974 roku opublikował pracę zatytułowaną Electron transfer between biological molecules by thermally activated tunneling41, w której rozwinął model teoretyczny wyjaśniający rezultaty DeVaulta i Chance’a. Hopfield wykazał, że w wysokiej temperaturze energia drgań molekuł będzie wystarczająca do umożliwienia przeskoku nad wierzchołkiem bariery bez tunelowania. Gdy temperatura spada, energia drgań będzie niewystarczająca do zajścia reakcji enzymatycznych. Ale DeVault i Chance odkryli, że reakcja zachodziła w niskich temperaturach. Hopfield zasugerował dlatego, że w tych temperaturach elektron jest w stanie energetycznym równoważnym połowie drogi na wierzchołek, gdzie odległość, jaką musiałby przejść pod barierą, jest o połowę mniejsza niż ta, gdyby znajdował się u podstawy wzgórza, co wzmacnia jego szanse na tunelowanie kwantowe poprzez barierę. I miał rację: transfer elektronów wspomagany tunelowaniem zachodzi nawet w bardzo niskich temperaturach, tak jak odkryli to DeVault i Chance. Niewielu uczonych ma obecnie wątpliwości, że przemieszczanie się elektronów

wzdłuż łańcucha oddechowego zachodzi pod wpływem tunelowania kwantowego. To umieszcza najważniejsze energetyczne reakcje w organizmach zwierząt i (niewykorzystujących fotosyntezy) komórek mikroorganizmów (o organizmach wykorzystujących fotosyntezę będzie mowa w następnym rozdziale) ściśle w sferze zainteresowań kwantowej biologii. Ale elektrony są bardzo lekkie, nawet jak na standardy świata kwantów, i ich zachowanie jest w sposób nieunikniony falowe. Dlatego nie powinny być uważane za małe klasyczne obiekty, choć wciąż tak są traktowane w wielu standardowych podręcznikach biochemii, w których wykorzystuje się „model planetarny” budowy atomu. O wiele bardziej odpowiednie traktowanie elektronów w atomie polega na przyjęciu obrazu rozmytej, falowej chmury „elektronowej”, która otacza małe jądro atomu, „chmury prawdopodobieństwa”, o której mówiliśmy w rozdziale 1. Nie jest zatem zaskakujące, że nawet w układach biologicznych fale elektronowe mogą przechodzić poprzez bariery energetyczne, podobnie jak fale dźwiękowe przechodzą przez ściany, jak opisywaliśmy w pierwszym rozdziale. Ale co z większymi cząstkami, takimi jak protony albo nawet całe atomy? Czy one też mogą tunelować w układach biologicznych? Na pierwszy rzut oka pomyślicie, że odpowiedź będzie – nie. Nawet pojedynczy proton jest dwa tysiące razy cięższy od elektronu, a tunelowanie kwantowe jest niezwykle czułe na masę cząstki tunelującej: mniejsze cząstki tunelują łatwiej, podczas gdy ciężkie cząstki opierają się tunelowaniu bardziej, chyba że odległość do przebycia jest bardzo mała. Ale ostatnie niezwykłe eksperymenty wskazują, że nawet te względnie masywne cząstki są zdolne do tunelowania kwantowego w reakcjach enzymatycznych.

Przenoszenie protonów Może pamiętacie, że jedną z kluczowych czynności enzymu kolagenazy (rysunek 3.4.) jest, oprócz transferu elektronów, przenoszenie protonów w celu umożliwienia rozrywania łańcucha kolagenowego. Jak już wspominaliśmy, ten rodzaj reakcji jest najbardziej powszechną manipulacją cząstkami, jaką zajmują się enzymy. Około jednej trzeciej reakcji enzymatycznych pociąga za sobą przemieszczanie atomu wodoru z jednego miejsca w drugie. Zauważmy, że „atom wodoru” może oznaczać różne rzeczy: może to być neutralny atom wodoru (H), składający się z elektronu krążącego wokół jądra (proton); może to być dodatnio naładowany jon wodoru (H+), czyli gołe jądro – proton bez swego elektronu; albo może to być nawet ujemnie naładowany jon wodorkowy, który jest atomem wodoru z dodatkowym elektronem (H-). Każdy szanujący się chemik albo biochemik powie wam natychmiast, że przesuwanie

atomów wodoru (powiedzmy, protonów) wewnątrz molekuł i pomiędzy nimi nie musi koniecznie wskazywać na efekt kwantowy; albo przynajmniej nie wymaga bezpośredniego odwoływania się do dziwnych procesów świata kwantów, takich jak tunelowanie. Rzeczywiście w przypadku większości reakcji chemicznych zachodzących w zakresie temperatur, w jakim odbywa się życie, protony poruszają się dzięki niekwantowemu mechanizmowi przeskoku z jednej cząsteczki na drugą. Ale tunelowanie protonów zachodzi w kilku reakcjach chemicznych, które charakteryzują się względną niezależnością od temperatury, tak jak DeVault i Chance pokazali dla tunelowania elektronowego. Życie zachodzi w wyższych temperaturach (w standardzie świata kwantów). Dlatego przez większą część historii biochemii uczeni zakładali, że enzymatyczny transfer protonów był powodowany w całości przez (niekwantowe) przeskoki nad barierą energetyczną42. Ale ten pogląd uległ zmianie w 1989 roku, gdy Judith Klinman i jej współpracownicy w Berkeley dostarczyli pierwszych bezpośrednich dowodów tunelowania protonów w reakcjach enzymatycznych43. Klinman jest biochemiczką, która od dłuższego czasu uważała tunelowanie protonów za najważniejszy mechanizm w molekularnej maszynerii życia. Istotnie, posunęła się nawet tak daleko, że określiła ten mechanizm jako najważniejszy i dominujący w całej biologii. Przełom, jakiego dokonała, polegał na badaniu konkretnego enzymu występującego w drożdżach, zwanego dehydrogenazą alkoholową (ADH), którego zadanie polega na transferze protonu z cząsteczki alkoholu do innej małej cząsteczki, zwanej NAD+, aby uformować NADH (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, molekułę, którą już spotkaliśmy jako główny nośnik elektronów w komórce). Zespół potwierdził obecność tunelowania protonów, wyznaczając kinetyczny efekt izotopowy. Ta idea jest dobrze znana w chemii i wymaga dokładnego wyjaśnienia, bowiem dostarcza jednego z najważniejszych dowodów w biologii kwantowej i wystąpi jeszcze kilka razy w tej książce.

Kinetyczny efekt izotopowy Czy zdarzyło się wam, jadąc rowerem pod górę, być wyprzedzonym przez ludzi idących pieszo w tym samym kierunku? Na równym terenie nie ma takiego problemu z poruszaniem się na rowerze, bowiem bez wysiłku można prześcignąć pieszych, a nawet biegaczy; dlaczego zatem jazda na rowerze pod górę jest mniej efektywna? A co jeśli zamiast pedałowania zsiądziemy z siodełka i będziemy prowadzić rower wzdłuż płaskiego odcinka drogi albo wspinając się pod górę? Teraz zagadnienie staje się oczywiste. Wspinając się po nachylonym stoku, musimy popychać pod górę i rower,

i siebie samych. Waga roweru, która zdawała się nieistotna na płaskim odcinku drogi, teraz działa przeciw nam, gdy staramy się dostać na wierzchołek: musimy wciągnąć ten ciężar wiele metrów w górę wbrew przyciągającemu działaniu grawitacji ziemskiej. To dlatego producenci rowerów wyścigowych dokładają tyle starań, aby były one jak najlżejsze. Oczywiście ciężar każdego obiektu może robić wielką różnicę, jeśli chodzi o łatwość poruszania nim, ale nasz przykład z rowerem ilustruje, że ta różnica zależy od tego, z jakim ruchem mamy do czynienia. Wyobraźmy sobie, że chcemy zbadać, czy teren pomiędzy dwoma miastami, powiedzmy A i B, jest płaski czy pagórkowaty, ale nie jesteśmy w stanie odbyć podróży między tymi miastami. Możliwa strategia rozwiązania tego zagadnienia wyłania się, gdy dowiadujemy się, że usługi kurierskie między dwoma miastami wykonuje dwóch rowerzystów jeżdżących, odpowiednio, na ciężkim i lekkim rowerze. Aby ustalić, czy teren pomiędzy miastami jest płaski, czy pagórkowaty, musimy tylko nadać kilkanaście identycznych paczek; połowę za pomocą kuriera jeżdżącego na ciężkim rowerze, a połowę za pomocą kuriera jeżdżącego lekkim rowerem. Jeśli odkryjemy, że dostawa wszystkich paczek zajmowała tyle samo czasu, to możemy wnioskować, że teren pomiędzy miastami jest pewnie płaski; ale gdy czas dostawy paczek na rowerze ciężkim znacząco wydłużył się, to wniosek będzie oczywisty – teren pomiędzy A i B jest pagórkowaty. Kurierzy rowerowi działają tu jak próbnik górzystości nieznanego terenu. Atomy każdego z chemicznych pierwiastków występują, jak rowery, w grupach o innej wadze. Weźmy atom wodoru jako przykład, ponieważ jest to zarówno najprostszy atom i jeden z najbardziej tutaj nas interesujących. Pierwiastek określa liczba protonów w jądrze atomowym (razem z odpowiadającą im liczbą elektronów otaczających jądro). A więc wodór ma jeden proton w jądrze, hel ma dwa, lit ma trzy – i tak dalej. Ale jądra atomowe posiadają także innego typu cząstkę: neutron, z którym spotkaliśmy się w rozdziale 1, gdy omawialiśmy reakcję syntezy jądrowej, zachodzącą wewnątrz Słońca. Dodanie neutronów do jądra powoduje, że atom staje się cięższy i dlatego zmienia jego fizyczne cechy. Atomy jakiegoś pierwiastka, które mają inną liczbę neutronów, nazywane są izotopami tego pierwiastka. Normalny izotop wodoru jest najlżejszy i zawiera jeden proton i jeden elektron. To najbardziej rozpowszechniona forma wodoru. Ale są dwa rzadsze, cięższe izotopy wodoru: deuter (D), który posiada dodatkowo, oprócz protonu, neutron w swym jądrze, i tryt (T), który ma dwa neutrony. A ponieważ chemiczne własności pierwiastków określone są głównie przez liczbę elektronów, jakie posiadają ich atomy, różne izotopy tego samego pierwiastka, o różnych ilościach neutronów w jądrach, będą miały podobne, ale nie identyczne własności chemiczne. Kinetyczny efekt izotopowy polega na mierzeniu, jak czuła jest reakcja chemiczna na zmianę atomów od lekkich do ciężkich izotopów, i określona jest

przez stosunek tempa reakcji obserwowanej z lekkimi izotopami do tempa reakcji z ciężkimi izotopami. Na przykład jeśli w reakcję wchodzi woda, to atomy wodoru w cząsteczce wody H2O mogą zostać zastąpione przez ich cięższych kuzynów, deuter lub tryt, w cząsteczkach D2O i T2O. Tak jak w przykładzie z kurierem na rowerze, reakcja może zależeć lub nie od zmiany ciężaru atomów, zależnie od drogi, jaką obiorą reagenty, aby stworzyć produkt. Istnieje kilka mechanizmów odpowiedzialnych za znaczny kinetyczny efekt izotopowy i jednym z nich jest kwantowe tunelowanie, które, jak jazda na rowerze, jest niezwykle czułe na masę cząstki, która stara się tunelować. Zwiększenie masy czyni własności cząstki mniej falopodobne i stąd mniej prawdopodobne jest jej przesączenie się przez barierę energetyczną. A więc podwojenie masy atomu, na przykład podmienienie normalnego atomu wodoru na deuter, spowoduje gwałtowne zmniejszenie prawdopodobieństwa jej tunelowania. Odkrycie dużego kinetycznego efektu izotopowego może zatem być dowodem, że w mechanizmie reakcji – po drodze między reagentami i produktem – zachodzi kwantowe tunelowanie. Jednak nie będzie to argument rozstrzygający, ponieważ efekt ten może być powodowany przez klasyczną (nie kwantową) chemię. Ale jeśli występuje tu kwantowe tunelowanie, wtedy reakcja powinna ukazywać swoiste zachowanie przy zmianie temperatury; jej tempo powinno osiągnąć plateau w niskich temperaturach, tak jak DeVault i Chance pokazali dla tunelowania elektronów. To właśnie Klinman i jej zespół odkryli dla enzymu ADH; i rezultat dostarczył silnego dowodu na to, że kwantowe tunelowanie zachodzi w mechanizmie reakcji. Grupa Klinman zgromadziła znaczne dowody, że tunelowanie protonów występuje powszechnie w wielu reakcjach enzymatycznych w temperaturach, w jakich zwykle zachodzą funkcje życiowe. Kilka innych grup, na przykład Nigela Scruttona z uniwersytetu w Manchesterze, dokonało podobnych eksperymentów z innymi enzymami i wykazało kinetyczne efekty izotopowe, które wyraźnie wskazywały na kwantowe tunelowanie44. Jednak zagadnienie, jak enzymy utrzymują kwantową koherencję, aby umożliwiać tunelowanie, pozostaje nadal bardzo kontrowersyjnym tematem. Od pewnego czasu wiadomo, że enzymy nie są statyczne, ale nieustannie drgają podczas reakcji. Na przykład szczęki kolagenazy otwierają się i zamykają za każdym razem, gdy przecinają wiązanie kolagenu. Myślano, że te ruchy były albo identyczne z mechanizmem reakcji, albo odpowiedzialne za uchwycenie substratów i ustawienie wszystkich reagujących atomów w odpowiednim ułożeniu. Jednak teraz kwantowi biolodzy twierdzą, że te drgania są tak zwanym „ruchem napędowym”, którego podstawowym zadaniem jest zebranie atomów i cząsteczek w wystarczające pobliże, aby umożliwić ich cząstkom (elektronom i protonom) tunelowanie kwantowe45. Powrócimy do tego tematu, jednej z najbardziej ekscytujących

i najszybciej rozwijających się dziedzin kwantowej biologii, w ostatnim rozdziale tej książki.

Czy to określa kwantowość biologii kwantowej? Enzymy tworzą i niszczą wszystkie biomolekuły wewnątrz każdej żywej komórki, takiej, która żyje lub kiedykolwiek żyła. Enzymy są niezbędnymi czynnikami życia. Dlatego odkrycie, że niektóre, a możliwe, że wszystkie, działają na rzecz dematerializacji cząstek w jednym miejscu przestrzeni i ich natychmiastowej materializacji w innym, dostarcza nam nowego wglądu w tajemnicę życia. I choć pozostaje wciąż wiele nierozwiązanych zagadnień związanych z enzymami, które należałoby lepiej zrozumieć, takich jak rola ruchów białek, nie ma wątpliwości, że kwantowe tunelowanie odgrywa znaczną rolę w sposobie ich działania. Mimo to powinniśmy odnieść się do krytyki wielu badaczy, którzy akceptując odkrycia Klinman, Scruttona i innych, twierdzą, że efekty kwantowe są tak istotne dla biologii jak dla działania lokomotywy parowej: zawsze tam występują, ale są nieistotne dla zrozumienia działania całości każdego z tych układów. Ich argumenty często napotyka się w debacie o tym, czy enzymy ewoluowały, aby wykorzystać zjawiska kwantowe takie jak tunelowanie. Krytycy dowodzą, że występowanie zjawisk kwantowych w procesach biologicznych jest nieuniknione, biorąc pod uwagę atomowe rozmiary większości reakcji biochemicznych. W pewnym sensie mają rację. Kwantowe tunelowanie nie jest magią; zachodzi we Wszechświecie od samego jego początku. Nie jest także sztuczką „wymyśloną” jakoś przez samo życie. A jednak skłaniamy się do poglądu, że jego występowanie w działaniu enzymów wcale nie musi być nieuniknione, biorąc pod uwagę warunki występujące wewnątrz żywych komórek: ciepło, wilgoć i ruchliwość środowiska. Pamiętajmy, że żywe komórki są ogromnie zatłoczonymi miejscami, wypełnionymi złożonymi cząsteczkami nieustannie wzbudzanymi i poddawanymi turbulencji, tak jak to miało miejsce z ruchem podobnym do ruchu kul bilardowych, który odpowiedzialny jest za napędzanie lokomotyw parowych toczących się po torach. Jeśli pamiętacie, to ten rodzaj chaotycznego ruchu, który niszczy delikatną kwantową koherencję i powoduje, że nasz świat na co dzień wygląda „normalnie”. Kwantowa koherencja nie powinna przeżyć wewnątrz tego molekularnego chaosu, dlatego odkrycie, że efekty kwantowej koherencji, jak tunelowanie, w jakiś sposób przeżywają ten ogrom molekularnego wzbudzenia, jakim jest żywa komórka, jest bardzo zaskakujące. Przecież minęła dopiero dekada od czasu, gdy większość uczonych odrzuciła pomysł, że tunelowanie i inne delikatne kwantowe efekty mogłyby występować w biologii.

Fakt, że zostały odkryte w tych środowiskach, sugeruje, iż życie stosuje nadzwyczajne środki w uzyskaniu korzyści, jakie zapewnia świat kwantów, aby umożliwić działanie swoim komórkom. Ale jakie środki? Jak życie trzyma z dala od siebie dekoherencję, tego wroga kwantowych własności? To jedna z największych zagadek kwantowej biologii, ale stopniowo rozwiązywana, jak dowiemy się w ostatnim rozdziale. Jednak zanim ruszymy dalej, musimy powrócić tam, gdzie opuściliśmy naszą nanołódź podwodną: do aktywnego centrum kolagenazy wewnątrz zanikającego ogona kijanki. Szybko opuszczamy centrum aktywne, gdy szczęki kolagenazy powtórnie otwierają się, umożliwiając przerwanemu łańcuchowi białkowemu (i nam) ucieczkę na wolność, i opuszczamy też cały podobny do małża enzym gotowy do wczepienia się w następne wiązanie peptydowe w tym łańcuchu. Potem dokonujemy krótkiego rejsu poprzez resztę ciała kijanki, aby zobaczyć uporządkowane działanie kilku innych enzymów, które są równie ważne dla życia. Podążając za migrującymi komórkami z kurczącego się ogona i do rozwijających się tylnych kończyn, jesteśmy świadkami, jak układane są nowe włókna kolagenowe, niczym nowe tory kolejowe, aby wesprzeć budowę ciała dorosłej żaby, często z komórek migrujących z zanikającego ogona. Te nowe włókna są budowane przez enzymy, które przechwytują szczątki aminokwasów uwalniane przez kolagenazę i spajane razem w nowe włókna kolagenu. Chociaż nie mamy czasu, aby zanurzyć się w tych enzymach, wewnątrz ich centrów aktywnych odbywa się tego samego rodzaju zsynchronizowany ruch, jaki widzieliśmy wewnątrz kolagenazy, ale teraz wykonywany w reakcjach odwrotnych. Wszędzie wszystkie biomolekuły potrzebne do życia – lipidy, DNA, aminokwasy, białka, cukry – są tworzone i niszczone przez różne enzymy. Enzymy mają wpływ na każde działanie rosnącej żaby. Gdy zwierzę znajduje muchę, na sygnały nerwowe, które przekazują informację z jej oczu do mózgu, wpływają enzymy, neuroprzekaźniki zawarte w komórkach nerwowych. Gdy żaba wyrzuca swój język, skurcz mięśni, za pomocą którego chwyta muchę, sterowany jest miozyną wypełniającą komórki mięśniowe, powodującą, że komórki te się kurczą. Gdy mucha trafia do żołądka żaby, uwolniona zostaje cała masa enzymów, aby przyspieszyć jej trawienie i absorpcję substancji odżywczych. A jeszcze inne enzymy przekształcają te substancje odżywcze w tkankę żaby albo przechwytują ich energię poprzez enzymy oddechowe wewnątrz mitochondriów. Każda życiowa aktywność żaby i innych organizmów żywych, każdy proces, który utrzymuje je – i nas – przy życiu jest przyspieszany przez enzymy, maszyny życia, których niezwykła moc katalityczna pochodzi z ich zdolności do synchronizowania ruchu ich cząstek podstawowych i dzięki temu zanurzeniu się w świat kwantowy, aby wykorzystać jego dziwne prawa. Ale tunelowanie nie jest jedyną potencjalną korzyścią, jaką życiu daje mechanika kwantowa. W następnym rozdziale odkryjemy, że najważniejsza reakcja chemiczna

w biosferze wykorzystuje inny trik świata kwantów. 26 R.P. Feynman, R.B. Leighton, M.L. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, tom 1, część 1, wyd. 2, Warszawa 1971, s. 31. 27 Przedrostek nano określa struktury w skali jednego nanometra, czyli jednej milionowej metra. 28 M.H. Schweitzer, Z. Suo, R. Avci, J.M. Asara, M.A. Allen, F.T. Arce, J.R. Horner, Analyses of soft tissue from Tyrannosaurus rex suggest the presence of protein, „Science”, vol. 316: 5822 (2007), s. 277–280. 29 Drożdże to jednokomórkowe grzyby. 30 J. Gross, How tadpoles lose their tails: path to discovery of the first matrix metalloproteinase, „Matrix Biology”, vol. 23: 1 (2004), s. 3–13. 31 G.E. Lienhard, Enzymatic catalysis and transition-state theory, „Science”, vol. 180: 4082 (1973), s. 149–154. 32 Oczywiście są bardzo ważne wyjątki: głównie substancje chemiczne takie jak tlen, który, choć jest reaktywny, nieustannie zostaje uzupełniany poprzez procesy zachodzące na naszej planecie, zwłaszcza te zachodzące w żywych organizmach takich jak rośliny, które uwalniają go do atmosfery. 33 Początkowy związek chemiczny w reakcji nazywa się reagentem; jednak gdy reakcja jest wspomagana przez katalizator taki jak enzym, to ten początkowy związek chemiczny określany jest mianem substratu. 34 Większość nazw enzymów rozpoczyna się od nazwy molekuły, „substratu”, która jest niszczona w reakcji, i dodawana jest końcówka -aza; tak więc kolagenaza jest enzymem, który oddziałuje na kolagen. 35 Ten rodzaj wiązania znany jest jako wiązanie kowalencyjne. 36 Jon jest atomem albo cząsteczką, które posiadają ładunek elektryczny powstały na skutek ubytku elektronu (jony dodatnie) albo przyłączenia elektronu (ujemne jony). 37 C. Tallant, A. Marrero, F.X. Gomis-Ruth, Matrix metalloproteinases: fold and function of their catalytic domains, „Biochimica et Biophysica Acta (Molecular Cell Research)”, vol. 1803: 1 (2010), s. 20–28. 38 A.J. Kirby, The potential of catalytic antibodies, „Acta Chemica Scandinavica”, vol. 50: 3 (1996), s. 203–210. 39 Jeśli pamiętacie z rozdziału 2, organelle są „organami” komórek: wewnętrznymi strukturami wykonującymi konkretne funkcje, takie jak oddychanie. 40 Don DeVault, Britton Chance, Studies of photosynthesis using a pulsed laser: I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling, „BioPhysics”, vol. 6 (1966), s. 825.

41 J.J. Hopfield, Electron transfer between biological molecules by thermally activated tunneling, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 71 (1974), s. 3640–3644. 42 Możecie zastanawiać się, dlaczego kwantowe tunelowanie jest zatem potrzebne do wyjaśnienia syntezy termojądrowej zachodzącej w Słońcu. Ale tam nawet niewyobrażalnie wysokie temperatury i ciśnienia są niewystarczająco wysokie, aby pokonać elektryczne odpychanie, które uniemożliwia zajście syntezy dwóch dodatnio naładowanych protonów, i dlatego potrzebna jest pomocna dłoń mechaniki kwantowej. 43 Yuan Cha, Christopher J. Murray, Judith Klinman, Hydrogen tunnelling in enzyme reactions, „Science”, vol. 243: 3896 (1989), s. 1325–1330. 44 L. Masgrau, J. Basran, P. Hothi, M.J. Sutcliffe, N.S. Scrutton, Hydrogen tunneling in quinoproteins, „Archives of Biochemistry and Biophysics”, vol. 428: 1 (2004), s. 41–51; L. Masgrau, A. Roujeinikova, L.O. Johannissen, P. Hothi, J. Basran, K.E. Ranaghan, A.J. Mulholland, M.J. Sutcliffe, N.S. Scrutton, D. Leys, Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling, „Science”, vol. 312: 5771 (2006), s. 237–241. 45 David R. Glowacki, Jeremy N. Harvey, Adrian J. Mulholland, Taking Ockham’s razor to enzyme dynamics and catalysis, „Nature Chemistry”, vol. 4 (2012), s. 169–176.

4

Kwantowe dudnienie Substancją tworzącą drzewo jest węgiel, a skąd on się bierze? On bierze się z powietrza; to dwutlenek węgla z powietrza. Ludzie, patrząc na drzewo, myślą, że bierze się ono z ziemi (że to substancja tworząca drzewo); rośliny wyrastają z ziemi. Ale jeśli spytasz, „skąd się bierze ta substancja”, dowiesz się (…) że drzewa pochodzą z powietrza (…) dwutlenek węgla wraz z powietrzem wchodzi do drzewa i zmienia je, wyrzucając z niego tlen (…). Wiemy, że tlen i węgiel (w dwutlenku węgla) są bardzo silnie ze sobą związane (…) jak drzewo daje radę tak szybko to rozerwać? (…) To światło słoneczne spada na dół i wybija ten tlen z węgla (…) pozostawiając węgiel i wodę, aby powstała materia tworząca drzewo. Richard Feynman46 Massachusetts Institute of Technology, lepiej znany pod skrótem MIT, jest jednym z czołowych ośrodków naukowych. Powstały w 1861 roku w Cambridge, Massachusetts, chlubi się dziewięcioma laureatami Nagrody Nobla wśród swej kadry profesorskiej (dane na 2014 rok). Jego absolwenci to astronauci (jedną trzecią lotów załogowych NASA stanowili absolwenci MIT), politycy (łącznie z Kofim Annanem, byłym Sekretarzem Generalnym ONZ i laureatem Pokojowej Nagrody Nobla w 2001 roku), przedsiębiorcy, tacy jak William Reddington Hewlett, współzałożyciel HewlettPackard – i oczywiście wielu uczonych, łącznie z laureatem Nagrody Nobla, twórcą kwantowej elektrodynamiki, Richardem Feynmanem. A jednak jednym z jego najbardziej znamienitych mieszkańców nie jest człowiek; w istocie to sadzonka, jabłoń. Rośnie w Ogrodzie Prezydenckim w cieniu kopuły instytutu i jest flancą innego drzewa, trzymanego w angielskim Królewskim Ogrodzie Botanicznym, będącego bezpośrednim potomkiem drzewa, pod którym sir Izaak Newton jakoby siedział, obserwując swoje słynne spadające jabłko. Proste a jednak głębokie pytanie, nad którym Newton rozmyślał, siedząc pod drzewem na farmie matki w Lincolnshire trzy i pół wieku temu, brzmiało: dlaczego

jabłka spadają? Można poczytać za grubiaństwo sugestię, że jego odpowiedź, która zrewolucjonizowała fizykę, a w istocie całą naukę, w żaden sposób nie była właściwa; ale istnieje pewien aspekt tej słynnej sceny, który umknął uwadze Newtona i pozostał niezauważony od tamtego czasu: po pierwsze, co robiło jabłko na tym drzewie? Jeśli przyspieszone opadanie jabłka było zagadkowe, to o wiele bardziej niewytłumaczalne było połączenie razem wody z powietrzem z Lincolnshire w celu stworzenia sferycznego obiektu umieszczonego w gałęziach drzewa. A przede wszystkim: dlaczego Newton dumał o względnie trywialnym zagadnieniu przyciągania jabłka przez ziemską grawitację, a zupełnie przegapił całkowicie niezrozumiałą zagadkę powstawania owoców? Jednym z czynników, który mógłby wyjaśnić brak zainteresowania Newtona tym zagadnieniem, był powszechnie panujący w XVII wieku pogląd, że choć zwykła mechanika wszystkich obiektów, łącznie z żywymi, mogła być wyjaśniona prawami fizyki, to typowa dla nich wewnętrzna dynamika (rządząca, poza wszystkim innym, wzrostem jabłek) napędzana była tą witalną siłą, czy élan vital, która wypływała z nieziemskiego źródła, będącego poza jakimkolwiek zasięgiem bezbożnego matematycznego równania. Ale, jak już wcześniej odkryliśmy, witalizm został obalony w wyniku postępu, jaki dokonał się później w biologii, genetyce, biochemii i biologii molekularnej. Dzisiaj żaden z poważnych uczonych nie wątpi, że życie może być wyjaśnione przez naukę; pozostaje jednak znak zapytania co do tego, która z dziedzin nauki może to rozwiązać. Pomimo niekonwencjonalnych stwierdzeń uczonych takich jak Schrödinger większość biologów wciąż wierzy, że wystarczają klasyczne prawa wraz z siłami newtonowskimi, działającymi na molekularne kule i kije bilardowe zachowujące się tak jak… no cóż, kule i kije bilardowe. Nawet Richard Feynman, jeden z intelektualnych spadkobierców Schrödingera, opisuje fotosyntezę (w zdaniu umieszczonym jako motto tego rozdziału), używając ściśle klasycznych pojęć: „światło słoneczne spada na dół i wybija ten tlen z węgla”, mówiąc o świetle jak o jakimś kiju golfowym, mogącym wygrzmocić tlenową piłkę golfową z molekuły dwutlenku węgla. Biologia molekularna i mechanika kwantowa rozwijały się równolegle, ale nie wspólnie. Biolodzy zazwyczaj nie chodzą na wykłady z fizyki, a fizycy mało interesują się biologią. Jednak w kwietniu 2007 roku, gdy grupa fizyków i matematyków z MIT, pracujących w raczej ezoterycznej dziedzinie zwanej teorią kwantowej informacji, spotkała się na regularnym spotkaniu, na którym omawiano nowe publikacje, jakie pojawiły się w literaturze naukowej, zjawił się jeden z nich, trzymając w rękach „New York Timesa” z artykułem, w którym sugerowano, że rośliny są Kwantowymi komputerami (więcej o tych niezwykłych maszynach w rozdziale 8). Grupa pękała ze śmiechu. Jeden z członków, Seth Lloyd, przypomniał sobie chwilę, gdy pierwszy raz słyszał te „kwantowe szachrajstwa”. „Pomyśleliśmy, że to naprawdę przekomiczne… To jak, o mój Boże!, najbardziej zwariowana rzecz, jaką słyszałem w życiu”47.

Przyczyną ich niedowierzania był fakt, że wiele grup badawczych, dysponujących dużymi funduszami i mających w swym składzie najznamienitszych naukowców, głowiło się od dziesięcioleci, jak zbudować komputer kwantowy, maszynę, która mogłaby wykonywać obliczenia znacznie szybciej i wydajniej niż większość dzisiejszych superkomputerów na świecie (ponieważ w przeciwieństwie do klasycznych komputerów, w których bitami informacji są 1 albo 0, kwantowy komputer umożliwia jednoczesną wartość bitu 0 i 1, a dzięki temu prowadzenie wszystkich obliczeń naraz ‒ szczytowe osiągnięcie obliczeń równoległych). Artykuł w „New York Timesie” zapewniał, że skromne źdźbło trawy może być zdolne do wykonania tego rodzaju kwantowych trików, które leżą u podstaw działania komputerów kwantowych. Nic dziwnego, że ci naukowcy z MIT nie mogli w to uwierzyć. Może i nie mogli zbudować działającego komputera kwantowego, ale, jeśli prawdą było to, co napisano w artykule, mogli zjeść jeden z nich wraz z sałatką, w czasie lanczu! Tymczasem niedaleko od pokoju, w którym grupa z MIT pękała ze śmiechu, foton światła, poruszając się z prędkością 300 000 kilometrów na sekundę, pędził ku drzewu o sławnym rodowodzie.

Najważniejsza tajemnica mechaniki kwantowej Powrócimy wkrótce do tego fotonu i tego drzewa, i do tego, jak mogą być one powiązane ze światem kwantowym, ale najpierw musimy zostać wprowadzeni do cudownie prostego eksperymentu, który pokazuje, jak naprawdę dziwnym jest świat kwantów. Choć moglibyśmy starać się wyjaśnić, jak możemy najlepiej, co oznaczają pojęcia takie jak „kwantowa superpozycja”, to nic lepiej nie trafia w sedno sprawy niż słynny eksperyment z dwiema szczelinami, który tutaj opiszemy. Eksperyment z dwiema szczelinami jest najprostszą i najbardziej bezpośrednią demonstracją faktu, że przechodząc w dół do świata kwantów, wszystko staje się odmienne. Cząstki mogą zachowywać się jak fale rozciągnięte na całą przestrzeń, a fale czasami wykazują własności pojedynczych zlokalizowanych cząstek. W rozdziale wprowadzającym zdążyliśmy się już zapoznać z dualizmem falowokorpuskularnym, niezbędnym do wyjaśnienia tego, jak Słońce wytwarza swą energię, a w rozdziale 3 zobaczyliśmy, jak własności falowe elektronów i protonów umożliwiają im przesiąkanie przez bariery energetyczne w enzymach. W tym rozdziale odkryjecie, że dualizm falowo-korpuskularny ujawnia się także w najważniejszych reakcjach biochemicznych biosfery: przemianach wody, powietrza i światła w rośliny, mikroby i, pośrednio, w nas wszystkich. Ale najpierw musimy przekonać się, jak przyjęcie dziwacznego pomysłu, że cząstki mogą być w wielu miejscach naraz,

wymusza na nas jedno z najprostszych, eleganckich, ale i najbardziej doniosłych doświadczeń, jakie kiedykolwiek wykonano, a w którym, według Richarda Feynmana, „zawarte jest sedno mechaniki kwantowej”. Ale ostrzegam: to, co tutaj zostanie opisane, będzie wydawało się nieprawdopodobne i możecie mieć wrażenie, że powinno istnieć jakieś bardziej racjonalne wytłumaczenie tego, co zaszło. Możecie zastanawiać się, gdzie kryje się szalbierstwo w tym, co wygląda na magiczną sztuczkę. Albo dojść do wniosku, że eksperyment jest jedynie teoretycznym dociekaniem naukowców, którym brakuje wyobraźni, by zrozumieć, jak działa natura. Żadna z tych tez nie jest prawdziwa. Eksperyment z dwiema szczelinami przeczy (zdrowemu) rozsądkowi, ale jest realny i był wykonywany tysiące razy. Opiszemy eksperyment w trzech aktach; pierwsze dwa będą zaledwie przygotowaniem sceny, tak abyście mogli docenić zaskakujący rezultat trzeciego, głównego aktu. Najpierw wiązka monochromatycznego światła (składająca się z pojedynczego koloru albo inaczej, o jednej długości fali) oświetla ekran posiadający dwie wąskie szczeliny, które pozwalają światłu przedostać się i oświetlić następny ekran (rysunek 4.1.). Dzięki odpowiedniemu dopasowaniu szerokości szczelin, ich rozstawu i odległości pomiędzy oboma ekranami możemy na drugim ekranie utworzyć szereg prążków jasnych i ciemnych, znanych jako obraz interferencyjny.

Rysunek 4.1. Eksperyment z dwiema szczelinami, akt 1. Gdy światło monochromatyczne (mające

określoną, jedną długość fali) oświetla obie szczeliny, wtedy każda z nich działa jak nowe źródło światła po drugiej stronie szczeliny i ze względu na swą naturę światło rozchodzi się (doznaje dyfrakcji) w postaci fali kulistej, która interferuje z drugą falą kulistą, pochodzącą ze szczeliny obok, co prowadzi do powstania prążków jasnych i ciemnych na ekranie umieszczonym za szczelinami.

Obrazy interferencyjne stanowią sygnatury fal i łatwo je zaobserwować w każdym środowisku falowym. Wrzućcie kamyk do spokojnego stawu, a zobaczycie zbiór koncentrycznych fal kołowych rozchodzących się od punktu wrzucenia kamyka. Wrzućcie dwa kamyki do tego samego stawu, a każdy z nich wytworzy swój własny zbiór fal kołowych, ale tam, gdzie fale z obu kamieni nakładają się, zauważycie wzór interferencyjny (rysunek 4.2.). Gdy grzbiet jednej fali napotyka dolinę drugiej, fale się wygaszają, co przekłada się na brak fali w takich punktach. Efekt ten nazywa się interferencją destruktywną. Lecz gdy dwa grzbiety fal spotykają się, tam fale wzmacniają się wzajemnie i amplituda fali się podwaja, a efekt ten nazywa się interferencją konstruktywną. Ten wzór wygaszania i wzmacniania fal można wytworzyć w każdym medium falowym. Angielski fizyk Thomas Young ponad dwa wieki temu zademonstrował interferencję promieni świetlnych we wczesnej wersji eksperymentu z dwiema szczelinami, która przekonała jego i większość współczesnych mu uczonych, że światło istotnie jest falą.

Rysunek 4.2. Konstruktywna i destruktywna interferencja fal.

Interferencja ukazująca się w eksperymencie z dwiema szczelinami pojawia się, po pierwsze, dlatego że światło przechodzi przez szczeliny i rozprzestrzenia się; to własność falowa znana jako dyfrakcja, która doprowadza do tego, że fale, jak na wodzie, wychodzące ze szczelin nakładają się na siebie i łączą, zanim padną na ekran. Fale świetlne docierają do konkretnych punktów ekranu w fazie zgodnej z grzbietami i dolinami poruszającymi się równo ze sobą, bo przebywają tę samą odległość do ekranu, albo różnica ich dróg do ekranu jest całkowitą wielokrotnością odległości pomiędzy ich grzbietami. Tam gdzie do tego dochodzi, grzbiety i doliny fal nachodzą na siebie – to interferencja konstruktywna. W takich punktach połączone fale tworzą światło o większym natężeniu i stąd białe prążki na ekranie. Ale w innych punktach światło z obu szczelin dociera w fazie przeciwnej, tam grzbiet jednej fali spotyka się z doliną drugiej fali. W tych punktach fale się wygaszają, co powoduje powstanie prążka ciemnego na ekranie: mamy tu interferencję destruktywną. Pomiędzy tymi dwoma ekstremami kombinacja fal nie jest ani całkiem „w fazie zgodnej”, ani całkiem „w fazie przeciwnej” i trochę światła przeżywa. Dlatego nie obserwujemy ostrej sekwencji ciemnych i jasnych prążków, ale nieco rozmytą różnicę w intensywności światła pomiędzy tym, co określa się jako maksima i minima w obrazie interferencyjnym. Właśnie ta zmiana w intensywności światła jest głównym wskaźnikiem własności falowych. Jeden z dobrze znanych przykładów związany jest z falami dźwiękowymi: muzyk strojący swój instrument wsłuchuje się w „dudnienie”48, które występuje, gdy jeden ton ma częstość bardzo bliską innemu, tak że gdy docierają do ucha muzyka, są raz w fazie zgodnej, a raz w fazie przeciwnej. Te zmiany wytwarzają wypadkowy dźwięk, który periodycznie wzmacnia się i cichnie. Jest to wynik interferencji dwóch oddzielnych fal. Zauważmy, że dudnienia są w pełni klasycznym efektem, którego wyjaśnienie nie wymaga mechaniki kwantowej. Istotnym czynnikiem w doświadczeniu z dwiema szczelinami jest to, że światło padające na pierwszy ekran musi być monochromatyczne (posiadające jedną, pojedynczą długość fali). Natomiast światło białe, takie jakie emituje zwykła żarówka, składa się z wielu fal o różnych długościach (wszystkich kolorów tęczy), dlatego fale te padają na ekran w sposób bezładny. W takim przypadku, choć grzbiety i doliny fal będą wciąż ze sobą interferować, to wypadkowy wzorzec będzie tak złożony i tak rozmyty, że nie będą widoczne odrębne prążki. W podobny sposób ogromny wodospad wpadający do stawu wytwarza zbyt wiele fal, tak że nie jest możliwe znalezienie żadnego koherentnego obrazu, chociaż staje się to proste, gdy do stawu wrzucimy tylko dwa kamyki. A teraz akt drugi eksperymentu z dwiema szczelinami, w którym nie rzucamy światła na ekran, ale strzelamy weń pociskami. Istotne jest tu to, że używamy stałych cząstek, a nie rozprzestrzenionych fal. Każdy z pocisków oczywiście musi przelecieć przez jedną z dwóch szczelin, a nie przez obie. Gdy przez szczelinę przedostanie się wiele

pocisków, zobaczymy, że na drugim ekranie uformują się dwa prążki z dziurami, odpowiadające dwóm szczelinom (rysunek 4.3.). Oczywiście, nie mamy tu do czynienia z falami. Każdy z pocisków jest niezależną cząstką i nie jest związany z żadnym innym pociskiem, tak więc nie ma tu zjawiska interferencji.

Rysunek 4.3. Eksperyment z dwiema szczelinami, akt 2. W przeciwieństwie do falowego zachowania, jakie obserwowaliśmy w przypadku światła, strzelanie pociskami w szczeliny nie wykazuje tego charakteru. Każdy z pocisków, który przedostał się przez szczelinę, musiał przelecieć tylko przez jedną z nich, a nie obie (zakładając oczywiście, że ekran ze szczelinami jest wystarczająco wytrzymały, aby zablokować pociski, które nie trafiły w szczelinę). Zamiast wielu prążków interferencyjnych obserwujemy tylko skumulowanie pocisków w dwóch kolumnach leżących naprzeciw szczelin.

A teraz akt trzeci: kwantowa „magiczna sztuczka”. Eksperyment jest powtórzony z użyciem atomów zamiast pocisków. Źródło produkujące wiązkę atomów wystrzeliwuje je na ekran z dwiema odpowiednio wąskimi szczelinami49. Aby dokonać detekcji atomów, drugi ekran jest pokryty luminoforem, na którym pojawia się jasna plamka, gdy w to miejsce trafia atom. Gdyby na poziomie mikroskopowym panował zdrowy rozsądek, to atomy powinny zachowywać się jak niezwykle małe pociski. Najpierw przeprowadzamy eksperyment z otwartą lewą szczeliną i widzimy, naprzeciw niej, na drugim ekranie wstęgę uformowaną z białych punkcików. Jest jednak pewien rozrzut białych plamek, który możemy wytłumaczyć tym, że niektóre atomy odbijają się od krawędzi szczeliny, a ich

trajektoria jest trochę odchylona od prostoliniowej przechodzącej przez szczelinę wprost. Następnie otwieramy także prawą szczelinę i czekamy, aż plamki uformują się w jakiś wzór na drugim ekranie. Gdyby zapytano was o przewidywany rozkład jasnych plamek i nie mielibyście żadnej wiedzy o mechanice kwantowej, to naturalnie przypuszczalibyście, że wzór, jaki utworzyły plamki, był taki sam jak w przypadku pocisków; to znaczy, że za każdą ze szczelin uformowała się biała wstęga, mająca środek jaśniejszy i ciemniejąca w kierunku krawędzi, gdzie atomy rzadziej padają. Przypuszczalibyście, że pomiędzy jasnymi paskami na ekranie utworzyła się ciemna przestrzeń, gdzie atomy już nie mogą dolecieć, pomimo że przeleciały przez jedną ze szczelin. Ale nie to obserwujemy. Widzimy bardzo ostry obraz interferencyjny jasnych i ciemnych prążków, tak jak było w przypadku światła. Najjaśniejsza część ekranu, wierzcie lub nie, znajduje się w jego centrum: w tym miejscu, gdzie nie spodziewalibyście się w ogóle obecności atomów (rysunek 4.4.). Istotnie, gdy odległość pomiędzy szczelinami i odległość pomiędzy ekranami są odpowiednie, możemy być pewni, że biały obszar na drugim ekranie (obszar, gdzie mogły padać atomy przy jednej szczelinie otwartej) będzie ciemny (atomy tam nie docierają), gdy otworzymy drugą szczelinę. Jak otworzenie drugiej szczeliny, która umożliwia tylko przelecenie większej ilości atomów, uniemożliwia atomom osiągnięcie określonych obszarów ekranu?

Rysunek 4.4. Eksperyment z dwiema szczelinami, akt 3. Zastępując pociski atomami ze źródła, które może je wystrzeliwać w kierunku szczelin (oczywiście w każdym z aktów eksperymentu szerokość

i odległość szczelin jest odpowiednio dobierana), obserwujemy ponownie falopodobny obraz interferencyjny. Pomimo tego, że każdy atom uderza w drugi ekran w określonym punkcie, wskazując na naturę cząstkową, punkty te grupują się razem w prążki, tak jak obserwowaliśmy w przypadku światła. A zatem – czym jest to, co przechodzi przez obie szczeliny jednocześnie i bez czego nie obserwowalibyśmy wielokrotnych prążków interferencyjnych?

Zobaczmy, czy możemy wyjaśnić to, co zachodzi, jedynie na podstawie zdrowego rozsądku, unikając na razie odwoływania się do mechaniki kwantowej. Przypuśćmy, mimo że każdy z atomów jest maleńką zlokalizowaną cząstką – bo przecież uderza w ekran w określonym punkcie – że to sama ilość atomów biorących udział w tym eksperymencie, zderzających się i oddziałujących ze sobą w szczególny skoordynowany sposób, wytwarza wzorzec z pojawiającą się interferencją. Przecież wiemy, że fale na wodzie składają się w istocie z wielkiej ilości cząsteczek wody, które same, pojedynczo, nie zachowują się w taki sposób. Dopiero skoordynowany ruch trylionów cząsteczek wody wytwarza własności falopodobne, a nie każda z cząsteczek indywidualnie. Być może działo atomowe wymusza skoordynowany przepływ atomów, podobnie jak maszyna wytwarzająca fale w basenie. Aby zbadać teorię skoordynowanego ruchu atomów, powtarzamy eksperyment, ale teraz wysyłamy atomy z działa jeden po drugim. Uruchamiamy działo atomowe i czekamy na pojawienie się plamki na drugim ekranie, zanim uruchomimy je ponownie – i tak dalej. Początkowo zdrowy rozsądek wydaje się zwyciężać. Każdy z atomów, który przeciśnie się przez szczelinę, pozostawia tylko jeden mały, zlokalizowany jasny punkcik gdzieś na ekranie. Wydaje się, że atomy opuszczają działo jak cząstki podobne do pocisków i docierają do ekranu jak pociski. Pewnie pomiędzy działem a ekranem muszą zachowywać się podobnie jak pociski… Gdy plamki wskazujące na uderzenie w ekran atomów zaczynają się na nim namnażać, jasne i ciemne prążki obrazu interferencyjnego pojawiają się stopniowo raz jeszcze. Teraz, gdy atomy przemieszczają się przez instrument po kolei, za każdym razem jeden, nie możemy już powoływać się na kolektywne zachowanie wielu atomów zderzających się i oddziałujących ze sobą. One nie są podobne do fal na wodzie. I znowu musimy stanąć twarzą w twarz ze sprzecznym z intuicją wynikiem, wskazującym, że są miejsca na drugim ekranie, gdzie atomy lądują, gdy otwarta jest tylko jedna szczelina, a jednak te miejsca stają się zupełnie ciemne, gdy otwarta zostaje druga szczelina, pomimo że jej otwarcie daje atomowi jeszcze jedną drogę, którą mógłby dosięgnąć ekranu. Wydaje się, że atom, przechodząc przez jedną ze szczelin, musi w jakiś sposób być poinformowany o tym, czy druga szczelina jest otwarta, czy też nie – i działać stosownie do zaistniałej sytuacji! Podsumowując, każdy atom opuszcza działo jako maleńka zlokalizowana cząsteczka i dociera do drugiego ekranu także jako cząsteczka, czego dowodem jest maleńki błysk światła, gdy uderza w ekran. Ale pomiędzy tymi zdarzeniami, gdy napotyka dwie

szczeliny, dzieje się coś dziwnego, zbliżonego do zachowania rozprzestrzenionej fali, która zostaje rozdzielona na dwa składniki, wynurzające się ze szczelin i interferujące ze sobą po drugiej stronie. Jak inaczej mógłby pojedynczy atom być poinformowany o jednoczesnym stanie obu szczelin (czy są otwarte, czy zamknięte)? Podejrzewając jakieś szalbierstwo, zobaczmy, czy możemy przyłapać atomy, czając się po drugiej stronie szczeliny. Ten cel osiągniemy, umieszczając za lewą szczeliną detektor, który da „sygnał” (może dźwiękowy) za każdym razem, gdy przez szczelinę przeleci atom w kierunku ekranu50. Możemy także umieścić drugi detektor za prawą szczeliną, aby stwierdzić przelot atomów przez nią. Jeśli atom będzie przelatywał przez jedną lub drugą szczelinę, usłyszymy sygnał dźwiękowy z prawego lub lewego detektora; ale jeśli atom w jakiś sposób ukryje swą naturę pocisku i przejdzie poprzez obie szczeliny jednocześnie, to oba detektory dadzą jednocześnie sygnał dźwiękowy. Teraz za każdym wystrzeleniem atomu pojawia się jasna plamka na ekranie i albo lewy detektor daje sygnał, albo prawy – nigdy oba naraz. Oczywiście mamy w końcu dowód na to, że interferujące atomy przechodzą przez jedną albo drugą szczelinę, ale nigdy przez obie jednocześnie. Ale bądźmy cierpliwi i dalej obserwujmy ekran. Gdy pojawia się coraz więcej błysków i zaczynają się zlewać, widzimy, że to, co powstaje, nie jest już obrazem interferencyjnym. Na jego miejscu są dwa jasne paski, wskazujące na gromadzenie się atomów za każdą ze szczelin, tak jak to zachodziło w eksperymencie z pociskami. Atomy podczas eksperymentu zachowują się jak konwencjonalne cząstki. To tak, jakby atomy zachowywały się jak fale, gdy się ich nie szpieguje, a w przeciwnym razie niewinnie udają bardzo małe cząstki. Może to obecność detektora powoduje ten problem, psując subtelne i dziwaczne zachowanie atomów przelatujących przez szczeliny? Dokonajmy testu tej hipotezy, usuwając jeden z detektorów, powiedzmy, ten za szczeliną prawą. Wciąż możemy otrzymywać tę samą informację z obecnego ułożenia, ponieważ kiedy działo wystrzeliwuje atom, słyszymy sygnał dźwiękowy i widzimy błysk na ekranie, wiemy, że atom musiał przelecieć przez szczelinę lewą; gdy zaś działo wystrzeliwuje atom, a nie słyszymy sygnału i nie widzimy rozbłysku na ekranie, to wiemy, że atom musiał przelecieć przez szczelinę prawą. Możemy teraz wiedzieć, kiedy atom przeleciał przez szczelinę lewą, a kiedy przez prawą, „zaburzając” tylko jedną z dróg. Gdyby to detektor powodował problem, powinniśmy oczekiwać, że te atomy, które uruchamiają alarm, będą zachowywać się jak pociski, a te atomy, które nie powodują alarmu (i przelatują przez szczelinę prawą), będą zachowywać się jak fale. Może teraz ujrzymy na ekranie mieszany obraz, po części charakterystyczny dla pocisków (od atomów przechodzących przez lewą szczelinę) i po części typowy dla interferencji (od atomów przechodzących przez prawą szczelinę). Ale nic takiego się nie pojawia. Przy tym ustawieniu wciąż nie widzimy obrazu interferencyjnego, tylko obraz charakterystyczny dla pocisków, składający się z jasnych

plamek ułożonych na ekranie w pasek wzdłuż każdej ze szczelin. Wydaje się, że sama obecność detektora, który może rejestrować położenie atomu, wystarcza do zniszczenia jego falopodobnego zachowania, nawet jeśli ten detektor znajduje się w pewnej odległości od trajektorii atomu przechodzącego przez drugą szczelinę! Być może fizyczna obecność detektora za lewą szczeliną wystarcza do zaburzenia trajektorii atomu przechodzącego przez nią, podobnie jak wielki głaz zaburza bieg szybko płynącego strumienia. Możemy przekonać się o tym, wyłączając lewy detektor. On tam wciąż jest, więc powinniśmy oczekiwać, że będzie powodował podobne zaburzenia. Ale teraz, z obecnym, lecz niedziałającym detektorem, obraz interferencyjny znów pojawia się na ekranie! Wszystkie atomy uczestniczące w eksperymencie powracają do zachowania typowego dla fali. Jak to się dzieje, że atomy zachowujące się jak cząstki, gdy detektor za lewą szczeliną był włączony, nagle zachowują się jak fale, gdy detektor wyłączamy? Jak cząstka przelatująca przez prawą szczelinę dowiaduje się, że detektor za szczeliną lewą jest włączony lub wyłączony? To właśnie w tym miejscu musicie porzucić zdrowy rozsądek. Teraz mamy do czynienia z dualizmem korpuskularno-falowym małych obiektów takich jak atomy, elektrony lub fotony, które zachowują się jak fala, gdy nie mamy informacji, przez którą szczelinę przelatują, ale zachowują się jak cząstki, gdy je obserwujemy. To jest właśnie proces obserwacji albo pomiaru obiektów kwantowych, z którym po raz pierwszy zetknęliśmy się w rozdziale 1, gdy rozważaliśmy eksperyment Alaina Aspecta polegający na obserwacji splątania kwantowego dwóch rozdzielonych fotonów. Przypominacie sobie zapewne, że zespół Aspecta mierzył fotony przelatujące przez spolaryzowane soczewki, które niszczyły ich stan splątania – charakteryzujący ich falową naturę – zmuszając je do wyboru pojedynczego klasycznego kierunku polaryzacji. W podobny sposób pomiar atomów w eksperymencie z dwiema szczelinami zmusza je do wyboru szczeliny, lewej lub prawej, przez którą mają przelecieć. Mechanika kwantowa daje nam w istocie całkiem logiczne wyjaśnienie tego zjawiska; ale jest to tylko wyjaśnienie tego, co obserwujemy – rezultat eksperymentu – nie tego, co się dzieje, gdy nie patrzymy. Ale skoro wszystko, czego nam potrzeba, aby wciąż iść do przodu, to to, co możemy zaobserwować i zmierzyć, może nie ma sensu pytać o więcej. Jak możemy wyjaśnić przebieg zjawiska, który z założenia nie jest możliwy do zbadania? Gdy tylko próbujemy, zmieniamy wynik. Kwantowa interpretacja eksperymentu z dwiema szczelinami jest taka, że każdy atom musi być opisany zbiorem liczb, które definiują prawdopodobieństwo jego położenia w przestrzeni w każdym momencie. To jest ta wielkość, którą nazwaliśmy w rozdziale 2 funkcją falową. Tam opisaliśmy ją jako analogon pomysłu śledzenia fali zbrodni rozchodzącej się w mieście poprzez przypisanie prawdopodobieństwa włamania w różnych dzielnicach miasta. W podobny sposób funkcja falowa, opisująca atom

przelatujący przez szczeliny, śledzi prawdopodobieństwo znalezienia go w obszarze eksperymentu w każdej chwili. Ale, jak już podkreślaliśmy wcześniej, podczas gdy włamywacz musi znajdować się w jednym miejscu w każdej chwili i fala „prawdopodobieństwa dokonania przestępstwa” opisuje tylko nasz brak wiedzy o tym, gdzie się on znajduje, funkcja falowa atomu w eksperymencie z dwiema szczelinami jest, wprost przeciwnie, realna w tym sensie, że reprezentuje stan fizyczny samego atomu, który w istocie nie ma jakiegoś określonego położenia, dopóki go nie zmierzymy, i jest do tej chwili w każdym położeniu jednocześnie – oczywiście z różnym prawdopodobieństwem, to znaczy, że jest małe prawdopodobieństwo znalezienia go tam, gdzie jego funkcja falowa jest mała. A więc zamiast pojedynczych atomów biegnących poprzez dwie szczeliny musimy rozważać funkcję falową poruszającą się od źródła do drugiego ekranu. Napotykając na szczeliny, funkcja falowa rozdziela się na dwie połowy, przy czym każda z połówek przeciska się przez jedną ze szczelin. Zauważmy, że to, co tutaj opisujemy, jest sposobem, w jaki abstrakcyjna matematyczna wielkość zmienia się wraz z upływem czasu. Nie ma sensu pytanie o to, co rzeczywiście zachodzi, ponieważ wtedy musielibyśmy to sprawdzić. Ale gdy tylko spróbowalibyśmy to zrobić, to zmienilibyśmy wynik. Pytanie o to, co rzeczywiście zachodzi pomiędzy obserwacjami, jest jak zapytanie o to, czy lampka w lodówce jest zapalona, zanim otworzymy drzwi lodówki: nigdy nie będziemy tego wiedzieć, bo gdy tylko zerkamy, to zmieniamy stan układu. Wtedy pojawia się pytanie: kiedy funkcja falowa „staje się” znowu zlokalizowanym atomem? Odpowiedź brzmi: wtedy, gdy staramy się odkryć położenie atomu. Gdy dochodzi do takiego pomiaru, kwantowa funkcja falowa ulega redukcji do pojedynczej lokalizacji. Podkreślmy jeszcze raz, to zupełnie coś innego niż w przypadku sytuacji złodzieja, gdy niepewność co do jego lokalizacji nagle redukuje się do pojedynczego punktu po tym, jak policja go łapie. W tym przypadku to tylko brak informacji o miejscach pobytu złodzieja zostaje zaburzony na skutek detekcji. Złodziej zawsze przebywał w jednym miejscu w jednym momencie czasu. Ale atom już nie: gdy nie ma pomiaru, atom w istocie znajduje się wszędzie. Tak więc kwantowa funkcja falowa określa prawdopodobieństwo znalezienia atomu w danym położeniu, gdybyśmy w tej chwili czasu dokonywali pomiaru jego położenia. Tam gdzie przed eksperymentem funkcja falowa ma dużą wartość, tam istnieje duże prawdopodobieństwo znalezienia atomu. Ale gdzie ma małą wartość, być może ze względu na interferencję destruktywną, tam prawdopodobieństwo znalezienia atomu, gdy zdecydujemy się go szukać, będzie małe. Możemy wyobrazić sobie, że podążamy za funkcją falową opisującą pojedynczy atom, gdy opuszcza źródło. Zachowuje się jak fala przepływająca w kierunku szczelin, a więc na pierwszym ekranie będzie miała równe amplitudy na każdej ze szczelin.

Gdybyśmy umieścili detektor na jednej ze szczelin, to powinniśmy oczekiwać równych prawdopodobieństw: 50 procent czasu będziemy znajdować atom na lewej szczelinie, a 50 procent czasu będziemy odnajdywać atom na szczelinie prawej. Ale – co ważne – jeśli nie będziemy starać się zlokalizować atomu na pierwszym ekranie, to funkcja falowa przepłynie przez obie szczeliny bez redukcji. Następnie w języku kwantowym będziemy mogli mówić o funkcji falowej opisującej pojedynczy atom, który jest w stanie superpozycji: bycia w dwóch miejscach jednocześnie, co odpowiada jego funkcji jednocześnie przechodzącej przez obie szczeliny. Po drugiej stronie szczelin każdy kawałek funkcji falowej, jeden z lewej i jeden z prawej szczeliny, znowu rozprzestrzenia się i razem formują matematyczne zmarszczki, które się nakładają, w pewnych punktach wzmacniając, a w pewnych wygaszając amplitudę każdego z nich. Połączony efekt jest taki, że funkcja falowa ma teraz obraz charakterystyczny dla innych zjawisk falowych, takich jak na przykład światło. Miejmy jednak cały czas na uwadze to, że ta skomplikowana funkcja falowa wciąż opisuje tylko pojedynczy atom. Na drugim ekranie, gdzie pomiar położenia atomu w końcu następuje, funkcja falowa pozwala nam obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w różnych punktach ekranu. Jasne punkty na ekranie odpowiadają tym położeniom, gdzie obie części funkcji falowej, pochodzące z dwóch szczelin, wzmacniają się nawzajem, a ciemne miejsca odpowiadają tym położeniom, gdzie się obie wygaszają, dając zerowe prawdopodobieństwo na znalezienie atomu w tych położeniach. Ważne, aby pamiętać, że ten proces wzmacniania i wygaszania – interferencja kwantowa – zachodzi nawet wtedy, gdy mamy do czynienia tylko z jedną cząstką. Pamiętajmy, że są obszary na ekranie, do których atomy wystrzeliwane pojedynczo mogą dotrzeć tylko przy jednej szczelinie otwartej, ale nie są osiągalne, gdy otwarte są obie szczeliny. To ma sens, jeśli każdy z wystrzelonych atomów jest opisywany przez funkcję falową, która może używać obu trajektorii jednocześnie. Połączona funkcja falowa z jej obszarami konstruktywnej i destruktywnej interferencji zeruje prawdopodobieństwo znalezienia atomu w pewnych położeniach na ekranie, które mógłby osiągnąć, gdyby otwarta była tylko jedna szczelina. Wszystkie kwantowe byty, czy to cząstki podstawowe, czy atomy i cząsteczki złożone z tych cząstek, wykazują koherentne zachowanie, a więc mogą ze sobą interferować. W tym stanie kwantowym mogą wykazywać wszystkie te dziwne cechy kwantowe, jak bycie w kilku miejscach jednocześnie, wirowanie w dwóch różnych kierunkach naraz, tunelowanie przez nieprzepuszczalne bariery albo posiadanie upiornych powiązań na odległość ze swymi partnerami. Ale czemu zatem ja i ty, w końcu zbudowani z kwantowych cząstek, nie możemy być w dwóch miejscach jednocześnie, co nieraz przydałoby się, gdy człowiek jest ogromnie zapracowany? Odpowiedź jest bardzo prosta: im większe i bardziej

masywne jest ciało, tym słabsza będzie jego falowa natura. Cokolwiek o rozmiarach i masie człowieka albo wystarczająco wielkie, aby być widoczne gołym okiem, będzie miało kwantową długość fali tak maleńką, że nie wystąpią mierzalne efekty. Ale wnikając w to głębiej, można przyjąć, że każdy atom w naszym ciele jest obserwowany przez inne atomy otaczające go, tak że bardzo szybko są niszczone delikatne kwantowe efekty, jakie mógłby wykazać. Czym zatem w istocie jest „pomiar”? Pokrótce omawialiśmy tę kwestię w rozdziale 1, ale teraz musimy bliżej zapoznać się z tym zagadnieniem, ponieważ jest ono bardzo ważne dla odpowiedzi na pytanie, jak dalece „kwantowa” jest kwantowa biologia.

Kwantowy pomiar Pomimo całego swego sukcesu mechanika kwantowa nie mówi nam nic o tym, jak z równań, które na przykład opisują ruch elektronu w atomie, przejść do tego, co widzimy, gdy dokonujemy odpowiedniego eksperymentu na tym elektronie. Z tego powodu ojcowie założyciele mechaniki kwantowej wymyślili ad hoc zbiór zasad, które są dodatkiem do matematycznego formalizmu. Są one znane jako „postulaty kwantowe” i stanowią instrukcję użytkowania, pozwalającą przetłumaczyć matematyczne przewidywania, wynikające z równań, na konkretne własności, jakie obserwujemy: takie jak zmiana położenia albo energii atomu w miarę upływu czasu. Jeśli chodzi o rzeczywisty proces, na mocy którego atom natychmiast przestaje być „tu i tam” i jest, gdy to sprawdzamy, po prostu „tutaj”, to nikt tak naprawdę nie wie, co się wtedy dzieje, i większość fizyków zadowala się pragmatycznym podejściem do tego zagadnienia, kwitowanym stwierdzeniem „tak po prostu jest”. Problem w tym, że wymaga to zupełnie dowolnego rozgraniczenia pomiędzy światem kwantowym, gdzie dziwne rzeczy zachodzą, i naszym codziennym makroświatem, gdzie obiekty zachowują się „sensownie”. Przyrząd pomiarowy, który lokalizuje elektrony, musi należeć do tego makroświata. Ale jak, dlaczego i kiedy zachodzi ten proces pomiaru, nigdy nie zostało wyjaśnione przez twórców mechaniki kwantowej. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku fizycy zdali sobie sprawę z tego, co musi zachodzić, gdy izolowany układ kwantowy, taki jak pojedynczy atom w eksperymencie z dwoma szczelinami, z jego funkcją falową będącą w stanie superpozycji bycia w dwóch miejscach jednocześnie, oddziałuje z makroskopowym urządzeniem pomiarowym, na przykład detektorem umieszczonym za lewą szczeliną. Okazuje się, że detekcja atomu (i zauważmy, że nawet stwierdzenie nieobecności atomu jest uważane za pomiar, ponieważ oznacza to, że atom musiał przelecieć przez drugą szczelinę) powoduje oddziaływanie funkcji falowej atomu z trylionami atomów

urządzenia pomiarowego. To złożone oddziaływanie powoduje, że delikatna koherencja kwantowa bardzo szybko zanika w niekoherentnym szumie otoczenia. To proces zwany dekoherencją, z którym już zetknęliśmy się w rozdziale 2. Ale do dekoherencji dochodzi nie tylko podczas działania urządzenia pomiarowego. Zachodzi ona cały czas wewnątrz każdego klasycznego obiektu, gdy jego kwantowe składniki – atomy i cząsteczki – podlegają drganiom termicznym i są uderzane przez otaczające je atomy i cząsteczki – tak że ich falowa koherencja jest niszczona. W ten sposób dekoherencja może być traktowana jako środek, dzięki któremu całe otoczenie wybranego atomu – powiedzmy, to, co jest określane jako jego środowisko – nieustannie dokonuje pomiaru tego atomu i zmusza go do zachowania jak klasyczna cząstka. Istotnie dekoherencja jest jednym z najszybszych i najbardziej wydajnych procesów w całej fizyce. I dzięki tej niezwykłej wydajności dekoherencja uniknęła wykrycia przez tak długi czas. Dopiero obecnie fizycy uczą się, jak ją badać i kontrolować. Powracając do naszej analogii z kamyczkami rzucanymi do wody: gdy je rzucamy do stojącej wody, wtedy łatwo zauważyć nakładające się i interferujące fale. Ale spróbujcie rzucić te same kamyki pod kaskadę wodospadu Niagara. Ogromnie złożona i chaotyczna natura tych wód natychmiast niszczy jakiekolwiek obrazy interferencyjne wytworzone przez kamyki. Te turbulentne wody są klasycznym analogonem chaotycznego ruchu molekularnego otaczającego układ kwantowy, powodującego jego natychmiastową dekoherencję. Większość środowisk jest na poziomie molekularnym tak turbulentna, jak wody wodospadu Niagara. Cząstki wewnątrz materiału są nieustannie popychane i uderzane (przez inne atomy, cząsteczki albo fotony światła) w swym środowisku. W tym miejscu powinniśmy wyjaśnić terminologię używaną w tej książce. Mówimy o atomach będących w dwóch miejscach równocześnie, zachowujących się jak rozprzestrzenione fale i istniejących w superpozycji dwóch różnych stanów naraz. Aby ułatwić wam lekturę, możemy posługiwać się pojedynczym terminem, który będzie obejmował wszystkie te koncepcje: kwantowej „koherencji”. Dlatego gdy będziemy mówić o „koherentnych” efektach, będziemy mieć na myśli, że coś zachowuje się w sposób kwantowomechaniczny, wykazując falopodobne zachowanie, albo wykonuje więcej niż jedną rzecz w tym samym momencie czasu. Tak więc „dekoherencja” jest fizycznym procesem, na mocy którego tracona jest koherencja i układ z kwantowego staje się klasycznym. Kwantowa koherencja jest bardzo krótkotrwała, jeśli układ kwantowy nie może być izolowany od swego otoczenia (mniej popchnięć okolicznych cząstek) i/lub oziębiony do bardzo niskich temperatur (znacznie mniej popchnięć), aby zachować delikatną koherencję. Istotnie, aby zademonstrować obraz interferencyjny z pojedynczymi atomami, uczeni wypompowali powietrze z ich urządzenia i ochłodzili je do temperatur

bliskich zera bezwzględnego. Tylko dzięki tym ekstremalnym działaniom mogli wystarczająco długo utrzymać atomy w stanie kwantowej koherencji, aby uzyskać obraz interferencyjny. Zagadnienie wrażliwości kwantowej koherencji (uniemożliwianie redukcji funkcji falowej) było oczywiście głównym wyzwaniem dla grupy badawczej z MIT, którą spotkaliśmy w początkowych paragrafach tego rozdziału, a także ich kolegów na całym świecie, szukających możliwości zbudowania komputera kwantowego. I dlatego byli tak sceptyczni wobec artykułu w „New York Timesie”, gdzie padło określenie, iż rośliny są komputerami kwantowymi. Fizycy wymyślali różnorodne, przemyślne i bardzo drogie fortele, aby osłonić świat kwantowy wewnątrz ich komputerów przed niszczącym koherencję środowiskiem zewnętrznym. Dlatego pomysł, że kwantowa koherencja mogła być utrzymywana w gorącym, wilgotnym i turbulentnym środowisku molekularnym wewnątrz źdźbła trawy, wydawał się całkiem szalony. Jednakże teraz wiemy, że na poziomie molekularnym wiele ważnych procesów biologicznych może istotnie zachodzić niezwykle szybko (rzędu trylionowej części sekundy) i może być także ograniczonych do krótkich, atomowych odległości – a to właśnie odległości i skale czasowe, w jakich kwantowe procesy, jak tunelowanie, mogą zachodzić. Tak więc chociaż dekoherencja nie może być zawsze powstrzymana, może być jednak zahamowywana na wystarczająco długo, aby być biologicznie pożyteczną.

Podróż do centrum fotosyntezy Spójrzcie przez sekundę w niebo, a kolumna światła o długości 300 000 kilometrów wpadnie wam do oka. W tej samej sekundzie ziemskie rośliny i fotosyntetyzujące mikroby zużyją słoneczną kolumnę do wytworzenia około 16 000 ton nowej organicznej materii w formie drzew, trawy, wodorostów morskich, dmuchawców, mamutowca olbrzymiego zwanego też sekwojadendronem i jabłek. Naszym celem w tej części jest odkrycie mechanizmów tego pierwszego kroku w transformacji nieożywionej materii w prawie całą biomasę na naszej planecie; i naszą pokazową transformacją będzie przetworzenie powietrza z Nowej Anglii w jabłko na drzewie Newtona. Aby ujrzeć ten proces w działaniu, jeszcze raz wypożyczymy nanołódź podwodną, której używaliśmy w poprzednim rozdziale, badając enzym. Po zaokrętowaniu i uruchomieniu miniaturyzacji kierujemy łódź ku górze, ku listowiu drzewa, gdzie zatrzymujemy się na jednym z rozwijających się liści. Liść nieustannie rozwija się, aż jego najdalsze końce znikają poza horyzontem, a jego gładka powierzchnia staje się

nieregularna i pokryta prostokątnymi, zielonymi cegłami z jaśniejszymi bliznami w kształcie zaokrąglonych brył z małym otworkiem pośrodku. Zielone cegły nazywają się komórkami epidermy, a zaokrąglone bloki aparatem szparkowym: ich zadaniem jest przepuszczenie wody i powietrza (substratów fotosyntezy) przez powierzchnię do wnętrza liścia. Kierujemy się nad najbliższy aparat szparkowy, a ponieważ łódź ma długość mikrona (milionowa część metra), opuszczamy się w dół i pojawiamy się w zielonym i jasnym wnętrzu liścia. Gdy już znaleźliśmy się wewnątrz, odpoczywamy w przestronnej i raczej spokojnej przestrzeni wnętrza liścia, wyłożonej od dołu rzędami podobnych do głazów zielonych komórek i przykrytej od góry grubymi, walcowatymi przewodami. Przewody są żyłkami liścia i albo dostarczają wodę od korzenia do liścia (drewno), albo transportują dopiero co wytworzone cukry z liścia do reszty rośliny (łyko). Gdy zmniejszamy się coraz bardziej, powierzchnia podobnych do głazów komórek rozszerza się we wszystkich kierunkach, aż osiąga wielkość piłkarskiego boiska. W tej skali – jesteście wysocy na około 10 nanometrów, czyli jedną stutysięczną milimetra – możecie zobaczyć, że powierzchnia tych „boisk” jest pokryta siatką sznurów, jak gruby dywanik z juty. Ten sznurowaty materiał jest ścianą komórkową, czymś w rodzaju komórkowego egzoszkieletu. Nasza łódź podwodna wyposażona jest w instrumenty, za pomocą których dokonacie nacięcia wzdłuż tego sznurowatego dywanika, odsłaniając woskowate podłoże, błonę komórkową, która jest ostateczną nieprzepuszczającą wody barierą pomiędzy komórką i jej zewnętrznym otoczeniem. Bliższe badanie wykazuje, że nie jest ona całkowicie gładka, ale usiana otworami wypełnionymi wodą. Te kanały w błonie komórkowej zwane są porynami i spełniają funkcję instalacji wodnokanalizacyjnej komórki, umożliwiającej składnikom odżywczym wejście do komórki i wyjście z niej produktom przemiany materii. Musimy chwilę poczekać, aż odpowiednio rozszerzy się jedna z poryn, aby zanurzyć się w wodnistym wnętrzu komórki. Przedostaliśmy się kanałem poryny i możemy zobaczyć, że wnętrze komórki bardzo różni się od jej części zewnętrznej. Zamiast majestatycznych kolumn i otwartych przestrzeni wnętrze jest przepełnione i cokolwiek niechlujne. Wygląda także na miejsce bardzo ruchliwe! Wodnista ciecz wypełniająca komórkę, zwana cytoplazmą, jest gęsta i kleista; miejscami bardziej przypomina żel niż płyn. W żelu tym zawieszone są tysiące nieregularnych obiektów, w których wydaje się zachodzić nieustanny ruch wewnętrzny. To są enzymy, jak te, które poznaliśmy w poprzednim rozdziale, odpowiedzialne za prowadzenie procesów metabolicznych komórki, rozkładanie substancji odżywczych i tworzenie biomolekuł, takich jak węglowodory, DNA, białka i lipidy. Wiele z tych enzymów wiąże się z układem przewodów (cytoszkielet komórki), który jak lina wyciągu krzesełkowego wydaje się ciągnąć liczne ładunki do różnorodnych miejsc przeznaczenia wewnątrz komórki. Ta sieć transportowa rozchodzi się z szeregu

węzłów, w których przewody zakotwiczone są do dużych zielonych kapsuł. Te kapsuły to chloroplasty, wewnątrz których dochodzi do głównej akcji fotosyntezy. Płyniemy dalej łodzią podwodną przez kleistą cytoplazmę. Poruszamy się powoli, ale w końcu docieramy do najbliższego chloroplastu. Leży poniżej nas jak olbrzymi zielony balon. Możecie zobaczyć, że jest otoczony przeźroczystą błoną, przez którą widoczne są sterty zielonych obiektów przypominających monety. Są to tylakoidy, wypełnione molekułami chlorofilu – pigmentu, który roślinom nadaje zielony kolor. Tylakoidy są motorami fotosyntezy, potrafiącymi, gdy są zasilone fotonami światła, związać ze sobą atomy węgla (zaabsorbowane z dwutlenku węgla w powietrzu), aby zbudować cząsteczkę cukru, która wejdzie w skład naszego jabłka. Aby uzyskać lepszy widok na ten pierwszy krok w fotosyntezie, nawigujemy łodzią poprzez por w błonie chloroplastu ku zielonej monecie leżącej na stercie tylakoidów. Osiągnąwszy cel, wyłączamy silniki łodzi, pozwalając jej unosić się ponad tą siłownią fotosyntezy. Pod nami leży jedna z trylionów maszyn fotosyntezy, które wytwarzają biomasę świata. Z naszego punktu obserwacyjnego możemy zobaczyć, że, jak odkryliśmy w ostatnim rozdziale przy badaniu maszynerii enzymu, chociaż zachodzi wokół nas wiele molekularnych kolizji, istnieje oprócz tego imponujące uporządkowanie. Błoniasta powierzchnia tylakoidu jest usiana zielonymi wyspami pokrytymi drzewokształtnymi strukturami mającymi na końcu podobne do czułków pięciokątne płytki. Te płytki są chwytającymi światło molekułami i nazwane są chromoforami – najbardziej znanym ich przykładem jest chlorofil – i to one wykonują pierwszy, najistotniejszy krok w fotosyntezie: wychwycenie światła.

Rysunek 4.5. Cząsteczka chlorofilu.

Prawdopodobnie druga najważniejsza molekuła na naszej planecie (po DNA), chlorofil, warta jest bliższego poznania (rysunek 4.5.). To dwuwymiarowa struktura, składająca się z pięciokątnych sieci zbudowanych głównie z atomów węgla (szare sfery) i atomów azotu (N), otaczających ułożony centralnie atom magnezu (M), z długim ogonem atomów węgla, tlenu (O) i wodoru (białe sfery). Elektron z zewnętrznej powłoki atomu magnezu jest luźno związany z resztą atomu i może być wybity do otaczającej go węglowej klatki w wyniku absorpcji fotonu światła słonecznego, pozostawiając dziurę w dodatnio naładowanym teraz atomie. Tę dziurę po elektronie można uważać za byt „sam w sobie”: za dodatnio naładowaną dziurę. Pomysł jest taki, że przyjmujemy resztę atomu magnezu za neutralną elektrycznie, a oprócz tego powstaje układ składający się z elektronu i dodatnio naładowanej dziury, którą pozostawił po sobie w atomie. Taki układ podwójny, nazywany ekscytonem (rysunek 4.6.), może być uważany za maleńką bateryjkę z biegunem dodatnim i ujemnym, magazynującą energię w celu późniejszego wykorzystania.

Rysunek 4.6. Ekscyton składa się z elektronu, który został wybity ze swej powłoki w atomie, oraz dziury, jaką po sobie zostawił.

Ekscytony są niestabilne. Elektron i dziura po nim przyciągają się do siebie elektrostatycznym oddziaływaniem. Jeśli dojdzie do rekombinacji, energia światła słonecznego pochodząca z fotonu zostanie utracona w formie ciepła. Tak więc jeśli roślina ma wykorzystać przechwyconą energię słoneczną, musi przetransportować ekscyton bardzo szybko do molekularnej jednostki produkcyjnej, znanej jako centrum reakcji, gdzie zachodzi proces zwany separacją. W gruncie rzeczy pociąga to za sobą całkowite odciągnięcie elektronu od jego atomu i przeniesienie go na sąsiednią cząsteczkę, a nie reakcję enzymatyczną, jaką obserwowaliśmy w ostatnim rozdziale. Ten proces tworzy baterię chemiczną (zwaną NADPH), stabilniejszą od ekscytonu, która używana jest do kierowania bardzo ważnymi chemicznymi reakcjami fotosyntezy. Ale centra reakcji są zazwyczaj dość odległe, w skali molekularnej (odległość w nanometrach), od wzbudzonych molekuł chlorofilu, dlatego aby osiągnąć centrum reakcji, energia musi być przekazana od jednej molekuły do drugiej wewnątrz lasu chlorofilowego. Może to zachodzić dzięki ciasnemu upakowaniu chlorofilu. Molekuły obok tej, która zaabsorbowała foton, mogą same stać się wzbudzone, przejmując energię początkową wzbudzonego elektronu, która jest następnie przekazywana do ich własnych elektronów w zewnętrznych powłokach atomów magnezu. Problemem jest oczywiście wybór drogi, po której zachodzi ten transfer energii. Jeśli zachodzi w złym kierunku, to przy losowych przeskokach w chlorofilowym lesie z jednej molekuły na inną, w końcu nastąpi utrata energii, a nie przekazanie jej do centrum reakcji. W którą stronę skręcić? Nie ma wiele czasu na znalezienie drogi, zanim ekscyton się rozpadnie. Aż do teraz myślano, że to przeskakiwanie energii z jednej molekuły chlorofilu do następnej jest chaotyczne, wedle strategii ostatniej deski ratunku, znanej jako błądzenie przypadkowe. Czasami nazywa się to „błądzeniem pijaka”, ponieważ przypomina tor, po jakim porusza się pijany osobnik po opuszczeniu baru, błąkając się to tu, to tam, zanim trafi do domu. Ale błądzenie przypadkowe nie jest efektywnym sposobem docierania gdziekolwiek; jeśli dom pijaka jest odległy, może on równie dobrze obudzić się następnego ranka w lesie, z dala od miasta. Obiekt błądzący przypadkowo będzie oddalał się od punktu początkowego o odległość proporcjonalną do pierwiastka kwadratowego z czasu, jaki mu to zajęło. Jeśli w ciągu minuty pijany oddalił się o jeden metr, to po czterech minutach oddali się o dwa metry, a po dziewięciu minutach tylko o trzy metry. Biorąc pod uwagę tak niemrawy postęp, nie zaskakuje nikogo, że zwierzęta rzadko posługują się błądzeniem przypadkowym, aby zdobyć pożywienie lub zdobycz. Uciekają się do tej strategii tylko wtedy, gdy nie mają innego wyboru.

Wrzućmy mrówkę na nieznany jej teren, a ta jak tylko uchwyci trop, zaraz porzuci błądzenie przypadkowe i podąży za swym nosem. Nie posiadając ani dobrego narządu węchu, ani umiejętności nawigacji, energia ekscytonu miała poruszać się w chlorofilowym lesie za pomocą strategii pijaka. Ale taki obraz nie ma sensu, ponieważ wiadomo, że to pierwsze zdarzenie w akcji fotosyntezy jest nadzwyczaj wydajne. Istotnie, transfer energii przechwyconego fotonu z molekuły czułka chlorofilu do centrum reakcji posiada najwyższą wydajność ze wszystkich znanych naturalnych lub sztucznych reakcji: prawie sto procent. W optymalnych warunkach prawie każda paczuszka energii zaabsorbowana przez molekułę chlorofilu dociera do centrum reakcji. Gdyby tor, po jakim się poruszały, był powikłany, to prawie wszystkie, a z pewnością większość, zostałaby utracona. Energia fotosyntezy znajduje drogę do swego celu znacznie lepiej niż pijak, mrówka lub nasza najbardziej efektywna technologia przesyłania energii – i fakt ten był największą zagadką biologii.

Kwantowe dudnienie Najwyższy rangą naukową autor publikacji51, którą opisywał artykuł w gazecie – a ten z kolei był przedmiotem kpin w klubie dyskusyjnym na MIT – to naturalizowany Amerykanin, Graham Fleming. Urodzony w Barrow na północy Anglii w 1949 roku, Fleming przewodził wtedy zespołowi naukowemu na Uniwersytecie Berkeley w Kalifornii, zespołowi, który uważany był za jeden z najlepszych w swojej dziedzinie i który posługiwał się bardzo zaawansowaną techniką, znaną jako „spektroskopia elektronowa z wykorzystaniem dwuwymiarowej transformacji Fouriera” (2D-FTES). 2D-FTES bada wewnętrzną strukturę i dynamikę najmniejszych układów molekularnych poprzez naświetlanie ich krótkotrwałymi impulsami światła laserowego. Zespół większość badań wykonał nie na roślinach, lecz na fotosyntetycznym kompleksie białkowym, zwanym Fenna-Matthews-Olson (FMO), wytwarzanym przez fotosyntetyzujące drobnoustroje zwane bakteriami zielonymi siarkowymi (Chlorobiaceae), znajdowane w głębinach wód bogatych w siarkę, na przykład w Morzu Czarnym. Badając próbkę chlorofilu, badacze wystrzelili w fotosyntetyzujące kompleksy trzy następujące po sobie impulsy światła laserowego. Te impulsy oddały energię w bardzo szybkiej i ściśle czasowo określonej sekwencji i wygenerowały sygnał świetlny z próbki, który był zarejestrowany przez detektory. Główny autor publikacji, Greg Engel, spędził całą noc, porządkując dane uzyskane z sygnałów pokrywających czas od 50 do 600 femtosekund52 w celu graficznej ich prezentacji. Odkrył wznoszący się i opadający sygnał, który oscylował tak przez

przynajmniej sześćset femtosekund (rysunek 4.7.). Te oscylacje są zbliżone do obrazu interferencyjnego jasnych i ciemnych prążków w eksperymencie z dwiema szczelinami albo do kwantowego ekwiwalentu pulsujących dudnień w czasie strojenia instrumentu muzycznego. To „kwantowe dudnienie” wskazywało, że ekscyton nie podążał przez chlorofilowy labirynt pojedynczym torem, lecz wieloma torami jednocześnie (rysunek 4.8.). Te alternatywne tory działały jak dźwięki prawie nastrojonej gitary: generowały dudnienia, gdy miały prawie taką samą długość.

Rysunek 4.7. Kwantowe dudnienie obserwowane przez Grahama Fleminga i jego współpracowników w ich eksperymencie z 2007 roku. Nie jest ważny nieregularny kształt oscylacji – ważny jest fakt, że oscylacje w ogóle występują.

Rysunek 4.8. Ekscyton porusza się poprzez białko FMO po wielu torach jednocześnie.

Ale pamiętajmy, że taka kwantowa koherencja jest bardzo delikatna i niezwykle ciężko ją utrzymać. Czy to możliwe, aby mikroby lub rośliny były zdolne do pobicia heroicznych wysiłków najlepszych kwantowych komputerowców z MIT w jak najdłuższym utrzymaniu koherencji kwantowej? Taki był bardzo śmiały wniosek wynikający z publikacji Fleminga, i to właśnie były te „kwantowe szachrajstwa”, o których wspominał Seth Lloyd i które tak rozbawiły badaczy z MIT. Zespół z Berkeley sugerował, że kompleks FMO działa jak komputer kwantowy w poszukiwaniu najszybszego toru do centrum reakcji, co jest bardzo trudnym zagadnieniem optymalizacji, odpowiednikiem słynnego problemu komiwojażera w matematyce, który w przypadku planu z kilkoma celami podróży może być rozwiązany tylko przez bardzo potężny komputer53. Pomimo ich sceptycyzmu członkowie klubu wyznaczyli Setha Lloyda do zbadania

tego twierdzenia. Ku zaskoczeniu wszystkich w MIT, wnioski z naukowego śledztwa Lloyda wskazywały na pewne podstawy dla twierdzenia zespołu z Kalifornii. Dudnienia, które zespół Fleminga odkrył w kompleksie FMO, były rzeczywiście sygnaturą kwantowej koherencji i według Lloyda molekuła chlorofilu korzystała z nowej strategii poszukiwania znanej jako błądzenie kwantowe. Przewagę błądzenia kwantowego nad klasycznym błądzeniem przypadkowym można dostrzec, gdy powrócimy do naszego przykładu z wolno poruszającym się pijakiem i wyobrazimy sobie, że w barze, który opuścił, nastąpił przeciek instalacji wodnej i woda wylewa się przez drzwi. W przeciwieństwie do pijaka, który musi wybrać pojedynczą trasę, fale wody wylewające się z baru poruszają się we wszystkich kierunkach. I wkrótce także i jego obejmą, ponieważ woda posuwa się po terenie proporcjonalnie do czasu, a nie pierwiastka z czasu. Dlatego jeśli w ciągu sekundy przesunęła się o metr, to po dwóch sekundach przesunie się o dwa metry, po trzech sekundach o trzy metry i tak dalej. Co więcej: ponieważ woda, jak atom w stanie superpozycji w eksperymencie z dwiema szczelinami, porusza się po wszelkich możliwych trasach jednocześnie, część frontu wody z pewnością otoczy dom pijanego znacznie wcześniej, niż on sam dotrze do swoich drzwi. Publikacja Fleminga spowodowała zdziwienie i konsternację, które objęły znacznie szerszy krąg uczonych niż tylko klub z MIT. Ale pewni komentatorzy szybko zwrócili uwagę na to, że eksperyment był przeprowadzony na izolowanym kompleksie FMO, schłodzonym do temperatury 77 K (-196°C): znacznie poniżej temperatury, w jakiej dokonuje się fotosynteza w roślinach, i znacznie niżej temperatury, w jakiej zachodzi życie, ale z drugiej strony dostatecznie niskiej, aby utrzymać tę nieznośną koherencję. Jakie znaczenie miały te schłodzone bakterie dla czegokolwiek, co zachodziło w będącym w nieładzie i gorącym wnętrzu komórek roślinnych? Szybko stało się jasne, że kwantowa koherencja nie ogranicza się tylko do schłodzonych kompleksów FMO. W 2009 roku Ian Mercer z University College Dublin odkrył kwantowe dudnienia w innym układzie fotosyntetyzujących bakterii (w skrócie: fotoukładzie) zwanych układami antenowymi LHC II (LHC2), który jest bardzo podobny do fotoukładu roślinnego, ale w normalnych temperaturach otoczenia, w których rośliny i mikroby zwykle dokonują fotosyntezy54. Potem, w 2010 roku, Greg Scholes z Uniwersytetu Ontario wykazał kwantowe dudnienie w fotoukładzie grupy wodnych glonów (które w odróżnieniu od roślin wyższych nie posiadają korzeni, łodyg i liści), zwanej kryptomonadami, których występowanie jest tak bardzo powszechne, że wychwytują tyle samo węgla z atmosfery (uzyskiwanego z dwutlenku węgla), co rośliny wyższe55. Mniej więcej w tym samym czasie Greg Engel wykazał kwantowe dudnienie w tym samym kompleksie FMO, który badało laboratorium Grahama Fleminga, ale teraz w znacznie wyższych, umożliwiających życie, temperaturach56. A w przypadku gdybyście myśleli, że to niezwykłe zjawisko jest ograniczone tylko do

bakterii i glonów, Tessa Calhoun i jej współpracownicy z laboratorium Fleminga w Berkeley wykazali ostatnio kwantowe dudnienie w jeszcze innym układzie LHC2, tym razem szpinaku57. LHC2 obecne jest we wszystkich wyższych roślinach i zawiera w sobie 50 procent całego ziemskiego chlorofilu. Zanim przejdziemy dalej, opiszemy pokrótce, jak używana jest słoneczna energia zawarta w ekscytonie do, jak pisał Feynman, „wybicia tego tlenu z węgla (…) pozostawiając węgiel i wodę, aby powstała materia tworząca drzewo” – albo jabłko. Dostarczenie wystarczającej ilości energii do centrum reakcji powoduje, że specjalna para cząsteczek chlorofilu (zwana P680) wyrzuca elektrony. O tym, co zachodzi w centrum reakcji, powiemy więcej w rozdziale 10, ponieważ jest to fascynujące miejsce, w którym może zachodzić inny proces kwantowy. Źródłem tych elektronów jest woda (która, pamiętajmy, jest jednym ze składników w Feynmanowskim opisie fotosyntezy). Jak dowiedzieliśmy się w ostatnim rozdziale, przechwycenie elektronu z jakiejkolwiek substancji nazywane jest utlenianiem, i jest to ten sam proces, jaki zachodzi podczas spalania. Na przykład gdy drewno spala się w powietrzu, atomy tlenu przyciągają elektrony z atomów węgla. Elektrony z zewnętrznych powłok węgla są całkiem luźno związane z atomem i dlatego węgiel tak łatwo płonie. Jednak w wodzie są one trzymane bardzo silnie; układy fotosyntetyzujące wyróżniają się tym, że są jedynymi miejscami w świecie natury, gdzie woda jest „spalana” w celu uzyskania elektronów58. Jak na razie jest dobrze: mamy dostawę wolnych elektronów dzięki energii dostarczonej przez ekscytony w chlorofilu. Następnie roślina musi wysłać te elektrony tam, gdzie mogą wykonać pracę. Najpierw są przechwycone przez komórkowy transporter elektronów, NADPH. Spotkaliśmy się z podobną molekułą, NADH, w ostatnim rozdziale, gdzie była ona wykorzystywana do transportu elektronów ze składników pokarmowych, jak cukry, do enzymów łańcucha oddechowego w organellach zwanych mitochondriami. Jeśli pamiętacie, przechwycone elektrony dostarczone przez NADH do mitochondriów przepływały później do enzymów łańcucha oddechowego jak rodzaj prądu elektrycznego, który używany był do pompowania protonów przez błonę, a powstający na skutek tego wsteczny przepływ protonów był użyty do tworzenia komórkowego nośnika energii, ATP. Bardzo podobny proces tworzy ATP w chloroplastach roślinnych. NADPH przekazuje transportowane elektrony do łańcucha enzymów, które podobnie wypompowują protony z błony chloroplastu. Przepływ wsteczny tych protonów użyty jest do produkcji molekuły ATP, która potem może napędzać wiele energochłonnych procesów w komórce. Ale rzeczywisty proces asymilacji węgla – wychwycenie atomów węgla z dwutlenku węgla zawartego w powietrzu i użycie ich do budowy energetycznych cząsteczek takich jak cukry – zachodzi na zewnątrz tylakoidu, choć wciąż wewnątrz chloroplastu. Wykonuje to duży, zwalisty enzym zwany RuBisCO, który jest prawdopodobnie

najbardziej rozpowszechnionym białkiem, bo ma do wykonania najważniejszą robotę: wyprodukowanie prawie całej biomasy na Ziemi. Enzym przyczepia atom węgla wyciągnięty z dwutlenku węgla do cząsteczki pentozy, zwanej rybulozo-1,5bisfosforanem, i tworzy cząsteczkę heksozy. Aby dokonać tego wyczynu, używa dwóch dostarczonych mu składników: elektronów (dostarczonych przez NADPH) i energii (dostarczonej przez ATP). Oba składniki są produktami fotosyntezy, procesu napędzanego światłem. Heksoza wytworzona przez RuBisCO natychmiast rozpada się na dwie tetrozy, które następnie są scalane razem na różne sposoby w celu budowy biomolekuł, które tworzą jabłoń, razem z jej jabłkami. Nieożywione powietrze i woda Nowej Anglii stają się, przy pomocy światła i odrobiny kwantowej mechaniki, żywą tkanką drzewa Nowej Anglii. Porównując fotosyntezę w roślinach z oddychaniem (spalaniem pożywienia), które zachodzi w naszych komórkach, omawianym w poprzednim rozdziale, można zauważyć, że w istocie zwierzęta i rośliny nie są znowu aż tak odmienne. Najważniejsze rozróżnienie tkwi w tym, gdzie – my i one – zdobywamy podstawowe składniki potrzebne do podtrzymania życia. Dla obu rodzajów organizmów niezbędny jest węgiel, ale rośliny otrzymują go z powietrza, podczas gdy my zdobywamy go ze źródeł organicznych, takich jak na przykład same rośliny. Oba rodzaje potrzebują elektronów do budowy biomolekuł: my spalamy organiczne cząsteczki, aby wychwycić ich elektrony, podczas gdy rośliny używają światła do spalenia wody w celu wychwycenia jej elektronów. I oba rodzaje potrzebują energii: my mamy ją z elektronów, uzyskanych z pożywienia, staczając je po pagórku łańcucha oddechowego; rośliny uzyskują ją z energii fotonów pochodzących wprost ze Słońca. Każdy z tych procesów wymaga ruchu cząstek podstawowych, które podlegają regułom mechaniki kwantowej. Wydaje się, że życie zaprzęga procesy kwantowe w celu swego podtrzymania. Odkrycie kwantowej koherencji w wilgotnych, ciepłych i dalekich od równowagi organizmach, jak rośliny i mikroby, było wielkim szokiem dla fizyków kwantowych i dlatego bardzo wiele badań koncentruje się obecnie na zagadnieniu, jak żywe organizmy chronią i pożytkują swoje delikatne kwantowe stany koherentne. Do tej zagadki powrócimy w rozdziale 10, gdzie zbadamy pewne bardzo zaskakujące odpowiedzi, które mogłyby nawet pomóc fizykom, takim jak ci teoretycy z MIT, zbudować praktyczny komputer kwantowy pracujący na biurku, a nie w głębokim zamrożeniu. Badania mają wielką szansę na stworzenie nowych technologii fotosyntezy. Obecne baterie słoneczne są luźno oparte na zasadach fotosyntezy, ale już konkurują z kolektorami słonecznymi na rynku ekologicznej energii, choć ich sprawność jest ograniczona przez straty podczas transportu energii (w najlepszych warunkach około 70 procent w porównaniu z prawie 100-procentową sprawnością

wychwytu fotonu w fotosyntezie). Wprowadzenie inspirowanej przez biologię kwantowej koherencji do technologii baterii słonecznych może umożliwić zwiększenie wydajności energii słonecznej i dzięki temu uczynić świat czystszym. Na koniec tego rozdziału postarajmy się zrozumieć, jak bardzo wyjątkowe jest zjawisko życia. Rozważmy znowu te kwantowe dudnienia, które pierwszy widział Greg Engel w swych danych o kompleksie FMO, które wskazują na to, że cząstki w żywej komórce poruszają się jak fale. Istnieje pokusa potraktowania tego jako zjawiska występującego tylko w laboratorium i niemającego większego znaczenia poza eksperymentami biochemicznymi. Ale następne badania pokazały, że efekty te rzeczywiście występują także w świecie naturalnym, wewnątrz liści, glonów i mikrobów – i że grają rolę, być może ogromną, w budowie biosfery. Mimo to świat kwantów wydaje się nam bardzo dziwny i często twierdzi się, że ta dziwność jest symptomem rozdziału na ten świat, który widzimy wokół nas, oraz na jego kwantowy fundament. Ale w rzeczywistości jest tylko jeden zbiór praw, które rządzą światem: zasady fizyki kwantów59. Znane prawa Newtona i fizyki statystycznej są, ostatecznie, prawami kwantowymi, które przenikając przez soczewkę dekoherencji, tracą swą dziwność (to dlatego zjawiska kwantowe są dla nas tak dziwne). Zerknijcie w głąb, a w sednie naszej dobrze znanej rzeczywistości ujrzycie czającą się mechanikę kwantową. Co więcej, określone obiekty makroskopowe są czułe na zjawiska kwantowe – a większość z nich to te żyjące. Odkryliśmy w poprzednim rozdziale, jaki wpływ na całą komórkę ma kwantowe tunelowanie wewnątrz enzymów; a tutaj zbadaliśmy, jak zdarzenie początkowego wychwycenia fotonu, odpowiedzialne za tworzenie większości biomasy na naszej planecie, jest zależne od delikatnej koherencji kwantowej, która może być utrzymana wystarczająco długo w wilgotnym i ciepłym wnętrzu liścia lub drobnoustroju. Jeszcze raz widzimy porządek z porządku Schrödingera, zdolny do uchwycenia zdarzeń kwantowych, oraz to, co Jordan nazwał rozszerzeniem zjawisk kwantowych na świat makroskopowy. Życie wydaje się spinać świat klasyczny z kwantowym, sadowiąc się na kwantowym brzegu. Teraz zwrócimy uwagę na inny proces istotny dla naszej biosfery. Drzewo Newtona nie mogłoby rodzić jabłek, gdyby jego kwiaty nie zostały zapylone przez ptaki i owady, szczególnie pszczoły. Ale pszczoły muszą znaleźć kwiat jabłoni i dokonują tego przy pomocy pewnej zdolności, uważanej przez wielu za opartą na mechanice kwantowej, zmysłu zapachu. 46 Z serii BBC TV Fun to Imagine 2: Fire (1983), dostęp na YouTubie: http://www.youtube.com/watch? v=ITpDrdtGAmo. 47 Wywiad z CBS News, dostęp na: http://www.cbc.ca/news/technology/quantum-weirdness-used-by-plants-animals-

1.912061. 48 Są to fluktuacje amplitudy – rodzaj impulsu – stworzone przez dwa tony, które mają prawie tę samą częstość i dlatego są prawie dostrojone. Dudnienie nie powinno być mylone z rytmem. 49 Szczeliny istotnie muszą być bardzo wąskie i leżące blisko siebie. W eksperymentach wykonywanych w latach dziewięćdziesiątych XX wieku ekranem była folia ze złota, a szczeliny miały szerokość rzędu jednego mikrometra (tysięczna część milimetra). 50 Zakładamy tutaj, że detektor ma 100% sprawności i na pewno zadziała, gdy atom przeleci przez szczelinę i ponadto nie zaburzy toru lotu atomu. Oczywiście, w rzeczywistości nie jest to możliwe, ponieważ poprzez akt obserwacji w sposób nieunikniony zaburzamy przelot atomu, co zaraz zresztą zobaczymy. 51 G.S. Engel, T.R. Calhoun, E.L. Read, T-K. Ahn, T. Mančal, Y-C. Cheng, R.E. Blankenship, G.R. Fleming, Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems, „Nature”, vol. 446 (2007), s. 782–786. 52 Femtosekunda to milionowa część jednej miliardowej sekundy, czyli 10–15 sekundy. 53 Problem komiwojażera polega na znalezieniu najkrótszej trasy przechodzącej przez wiele miast. Jest on matematycznie określany jako problem NP-trudny: to znaczy jedyna metoda znalezienia optymalnego rozwiązania problemu wymaga zaawansowanego obliczeniowo pełnego poszukiwania wszystkich możliwych tras. 54 I.P. Mercer, Y.C. El-Taha, N. Kajumba, J.P. Marangos, J.W.G. Tisch, M. Gabrielsen, R.J. Cogdell, E. Springate, E. Turcu, Instantaneous mapping of coherently coupled electronic transitions and energy transfers in a photosynthetic complex using angle-resolved coherent optical wave-mixing, „Physical Review Letters”, vol. 102: 5 (2009), s. 357–402. 55 E. Collini, C.Y. Wong, K.E. Wilk, P.M. Curmi, P. Brumer, G.D. Scholes, Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature, „Nature”, vol. 463: 7281 (2010), s. 644–647. 56 G. Panitchayangkoon, D. Hayes, K.A. Fransted, J.R. Caram, E. Harel, J. Wen, R.E. Blankenship, G.S. Engel, Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 107: 29 (2010), s. 12766–12770. 57 T.R. Calhoun, N.S. Ginsberg, G.S. Schlau-Cohen, Y.C. Cheng, M. Ballottari, R. Bassi, G.R. Fleming, Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II, „Journal of Physical Chemistry B”, vol. 113: 51 (2009), s. 16291–16295. 58 Gdy mówimy o „spalaniu wody”, nie mamy na myśli tego, że woda jest paliwem takim jak węgiel, lecz używamy tego określenia całkiem swobodnie, aby opisać molekularny proces utleniania. 59 Powinniśmy tu dodać zastrzeżenie, że mechanika kwantowa nie potrafi dotąd wyjaśnić siły grawitacji, ponieważ ogólna teoria względności (tak rozumiemy grawitację) wydaje się być nie do pogodzenia z mechaniką kwantową. Unifikacja mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności w celu stworzenia kwantowej teorii grawitacji pozostaje

jednym z największych wyzwań dla współczesnej fizyki.

5

Gdzie jest dom Nemo Nos, na przykład, o którym żaden filozof nigdy nie wypowiedział się z czcią i wdzięcznością – jest, aczkolwiek tymczasowo, najdelikatniejszym instrumentem będącym w naszej dyspozycji. To instrument zdolny do rozróżnienia minimalnych zmian umykających nawet detekcji spektroskopem. Friedrich Nietzsche, Zmierzch bożyszcz, 1889 Wydają się nam dostarczać pewnego przekazu z materialnej rzeczywistości. Gaston Bachelard, La Formation de l’esprit scientifique, contribution à une psychoanalyse de la connaissance objective, 1938 Para małych rybek ubarwionych jasnopomarańczowo z białymi paskami, znanych jako błazenki plamiste albo, poprawniej, amfipriony plamiste, albo jeszcze poprawniej, Amphiprion ocellaris, ukryła się w czułkach groźnego ukwiału przyczepionego do rafy koralowej z dala od brzegu Isla Verde na Filipinach. Jedna rybka z tej pary, samiczka, prowadzi bardziej interesujące życie niż większość kręgowców, ponieważ nie zawsze była samiczką. Jak wszystkie amfipriony zaczęła swe życie jako mały samczyk, który był podporządkowany jednej z samic z grupy ryb zajmujących ten konkretny ukwiał. Amfipriony mają sztywną strukturę społeczną i ten osobnik, będąc samcem, musiał rywalizować z innymi samcami, aż w końcu stał się samcem dominującym, mającym zaszczyt odbycia tarła z jedyną samicą. Ale gdy jego partnerka została zjedzona przez przepływającego obok węgorza, dojrzały jajniki uśpione wiele lat w jego ciele, ustała praca jąder i samiec błazenka plamistego stał się królującą samicą, gotową do tarła z następnym samcem w hierarchii. Amfipriony są pospolitymi mieszkańcami raf koralowych od Oceanu Indyjskiego do zachodniego Pacyfiku, żywiącymi się roślinami, planktonem, algami i zwierzętami takimi jak mięczaki i małe skorupiaki. Ich niewielkie rozmiary, jasne ubarwienie, brak kręgosłupa, ostrych płetw i kolców czynią z nich łatwy łup dla węgorzy, rekinów i innych drapieżników, które grasują w rafach. Gdy są w niebezpieczeństwie, ich

główną strategią obrony jest ukrycie się pomiędzy czułkami gospodarza, czyli ukwiału, od którego trujących kolców chroni ich gruba warstwa śluzu pokrywająca łuski. Z kolei ukwiał korzysta ze swych ubarwionych lokatorów, którzy odpędzają niechcianych intruzów, takich jak żerujące ryby motyle. Właśnie w tej scenerii odbywa się akcja animowanego filmu Gdzie jest Nemo?60, dzięki któremu amfipriony stały się tak popularne. Tata Nemo, Marlin, musiał odszukać syna, który został porwany aż do Sydney ze swego domu na Wielkiej Rafie Koralowej. Ale wyzwaniem dręczącym realne amfipriony jest znalezienie drogi powrotnej do domu. Pełnia księżyca jest wskazówką dla większości ryb z rafy koralowej do rozpoczęcia tarła61. Gdy księżyca zaczyna ubywać nad oceanem, samiczka zajmuje się składaniem ikry, która zostanie zapłodniona przez dominującego samczyka. Jej praca na tym się kończy; pilnowaniem jajeczek i odpędzaniem drapieżnych ryb z rafy zajmuje się samiec amfipriona. Po około tygodniu tego dozoru z jajeczek wylęga się narybek. Amfipriony w stanie larwalnym mają zaledwie kilka milimetrów długości i są całkiem przeźroczyste. Przez około tydzień dryfują w pelagicznych prądach, żywiąc się zooplanktonem. Jak wie każdy, kto nurkował na rafie koralowej, dryfowanie w prądzie morskim wkrótce oddala cię od miejsca początkowego; dlatego narybek amfipriona może być zniesiony wiele kilometrów od rodzinnej rafy. Większość rybek zostaje zjedzona, ale część przeżywa; po jakimś tygodniu tych kilku szczęśliwców spływa na dno oceanu i w ciągu dnia przechodzi metamorfozę (jak żaba z rozdziału 3) do formy osobnika młodocianego, pomniejszonej wersji osobnika dorosłego. Przy braku osłony trującego ukwiału i jasnym ubarwieniu osobnik młodociany jest narażony na atak drapieżników, które krążą w głębokich wodach oceanu. Jeśli ma przeżyć, musi szybko znaleźć rafę koralową, gdzie może zyskać schronienie. Sądzono, że narybek dryfuje w prądach oceanicznych i tylko czysty przypadek sprawia, że dociera blisko odpowiedniej rafy. Ale takie wyjaśnienie nie miało sensu, ponieważ wiedziano, że większość larw doskonale pływa, a pływanie nie ma sensu, jeśli nie wiesz, dokąd płynąć. W 2006 roku Gabriele Gerlach, naukowiec ze znanego Marine Biological Laboratory w Woods Hole, w stanie Massachusetts, prowadziła genetyczne badanie pokrewieństwa ryb żyjących na rafach odseparowanych od siebie o 3 do 23 kilometrów w obrębie kompleksu Wielkiej Rafy Barierowej w Australii. Odkryła ona, że ryby zamieszkujące tę samą rafę były znacznie bliżej spokrewnione ze sobą niż z tymi zamieszkującymi odleglejsze rafy. A ponieważ cały narybek zostaje rozniesiony na dalekie odległości, to odkrycie ma sens, jeśli większość dorosłych osobników powraca do rafy, na której się urodziła. W jakiś sposób każda z rybich larw musi mieć wpisaną sygnaturę identyfikującą swój obszar tarła. Ale jak larwa lub osobnik młodociany amfipriona, który zdryfował na tak dużą odległość od swego domu, zna kierunek, w jakim ma płynąć? Dno morskie nie

dostarcza żadnych użytecznych wizualnych wskazówek. Nie posiada punktów odniesienia i wygląda we wszystkich kierunkach mniej więcej tak samo: piaskowa pustynia usiana rozrzuconymi kamykami, głazami i rzadkimi wędrownymi stawonogami. Odległa rafa koralowa z pewnością nie dostarcza sygnałów dźwiękowych, które mogłyby przebyć kilka kilometrów. Same prądy stwarzają dodatkowy problemem, ponieważ ich kierunek zmienia się wraz z głębokością i może być ciężko określić, czy masa wody jest stacjonarna, czy się porusza. Nie ma dowodów na to, że amfiprion posiada jakiś rodzaj kompasu magnetycznego, przypominającego ten, który pomaga rudzikowi podczas zimowej migracji. A więc jak znajduje on drogę powrotną? Ryby posiadają wyostrzony zmysł węchu. Rekiny, których dwie trzecie mózgu przypisane są powonieniu, mogą wyczuć kroplę krwi z odległości kilometra. Być może ryby koralowe wyczuwają węchem drogę do domu? Aby zbadać tę teorię, Gabriele Gerlach w 2007 roku zaprojektowała „węchowy dwukanałowy test wyboru”, w którym umieszczano narybek w dwóch rynnach z przepływającą wodą morską: w jednej płynęła woda z rafy, na której się wylęgły, w drugiej woda z rafy odległej. Potem mierzyła, którą rynnę z wodą larwy preferowały: tę z domu czy tę z odległej rafy? Rybie larwy płynęły niezmiennie ku rynnie z wodą z rafy, na której złożona była ikra. Było zupełnie oczywiste, że mogą odróżnić wodę obcą od domowej, przypuszczalnie dzięki ich odmiennemu zapachowi. Michael Arvedlund, naukowiec z Uniwersytetu Jamesa Cooka w Queensland w Australii, używał podobnego zestawu doświadczalnego do pokazania, że amfipriony mogą powonieniem wyczuć swój gatunek ukwiału i odróżnić go od innych, których nie skolonizowały. Jeszcze bardziej niezwykłe jest to, co odkryła Danielle Dixson, także z Uniwersytetu Jamesa Cooka: amfipriony mogą odróżniać wody z ich ulubionego środowiska raf, położonego poniżej porośniętych roślinnością wysp, od mniej ulubionych wód z raf przybrzeżnych. Wygląda rzeczywiście na to, że Nemo i inne ryby z raf koralowych wywąchują drogę do domu. Zdolność zwierząt do nawigacji za pomocą zmysłu węchu jest legendarna. Co roku na całym świecie miliony łososi zbierają się u wybrzeży oceanicznych w ogromne ławice przy ujściach rzek, zanim zaryzykują wyprawę do śródlądzia, w czasie której zmagać się będą z przeciwnym prądem rzek, bystrzami, wodospadami i mieliznami, aż dotrą do swego tarliska. Tak jak w przypadku amfiprionów uważano, że łososie wybierają odpowiednią dla nich rzekę w dużej mierze przypadkowo. Ale w 1939 roku Kanadyjczyk Wilbert A. Clemens oznaczył 469 326 młodych łososi w dorzeczu rzeki Fraser. Kilka lat później złapał 10 958 z tych oznakowanych łososi w każdej odnodze tej samej rzeki. Żaden z nich nie zgubił drogi z oceanu do swego strumyka. Jak zdołały nawigować poprzez ocean i rzekę, pozostawało tajemnicą przez wiele lat. Potem profesor Arthur Hasler z Uniwersytetu Wisconsin-Madison zasugerował, że młode

łososie podążają śladem zapachowym, i eksperymentalnie zbadał swe twierdzenie w 1954 roku, łapiąc kilkaset powracających łososi powyżej zbiegu dwóch strumieni na rzece Issaquah w pobliżu Seattle, a potem przeniósł je poniżej zbiegu strumieni. Łososie niezmiennie powracały do tej samej odnogi, w której były złapane. Jednak jeśli przed wypuszczeniem zablokował ich nozdrza zatyczkami z waty bawełnianej, dopływały do rozgałęzienia i nie mogły się zdecydować, którą odnogę wybrać. Zmysł węchu jest z pewnością jeszcze bardziej niezwykły na lądzie, ponieważ objętość atmosfery, w której substancje wonne są rozproszone, jest jeszcze większa niż objętość oceanu. Atmosfera jest także bardziej podatna na silne turbulencje, zawdzięczając to zjawiskom pogodowym, tak więc molekuły substancji wonnych są rozpraszane szybciej w powietrzu niż w wodzie. Zmysł węchu jest niezbędny większości zwierząt lądowych do przeżycia, używany nie tylko do znalezienia drogi do domu, ale także do złapania zdobyczy, ucieczki przed drapieżnikiem, skojarzenia w parę, pozostawienia sygnałów alarmowych, zaznaczenia terenu, wywołania zmian fizjologicznych i komunikowania się. Ta cała mapa zapachowa jest znacznie mniej oczywista dla ludzi, którzy często zaprzęgają na służbę znacznie czulsze sensory zapachowe swych zwierząt domowych do detekcji tych sygnałów i znaków. Psy są oczywiście znane ze swego zainteresowania zapachem i posokowce, których nabłonek narządu węchu (więcej o tym później) jest czterdzieści razy większy od naszego, są zdolne do tropienia pojedynczego osobnika po jego własnym śladzie zapachowym. Widzieliśmy wszyscy filmy, na których pies tropiciel krótko wącha porzuconą koszulę zbiegłego więźnia i jest już zdolny do pościgu za złoczyńcą przez mokradło, las i strumień. I choć opowieść może być fikcją, to zdolności psa są autentyczne. Pies może wywąchać ze śladu, w jaką stronę porusza się człowiek lub zwierzę, i potrafi podążać tropem zapachowym pozostawionym kilka dni wcześniej. Zdumiewającą czułość zwierzęcego zmysłu węchu docenić można, gdy zastanowić się nad wyczynami, jakich posokowce i amfipriony dokonują stale. Weźmy pod uwagę najpierw posokowce. Ich zmysł węchu jest dostosowany do wyczuwania śladowych wielkości substancji organicznych, takich jak kwas masłowy, który jest wydzielany przez ludzi i inne zwierzęta. Czułość ich nosów jest nadzwyczajna. Gdyby wyparował w pokoju gram kwasu masłowego, to dla nas, ludzi, byłaby to granica wyczucia jego słodko-zjełczałego zapachu. Ale pies jest zdolny do wyczucia zapachu tego samego grama kwasu rozpylonego w powietrzu nad miastem do wysokości 100 metrów. I przypomnijmy sobie amfipriony oraz łososie zdolne do wyczucia woni ich odległego o kilometry domu, woni rozpuszczonej w przestworze oceanu. Ale zmysł powonienia zwierząt jest niezwykły nie tylko ze względu na czułość. Jest jeszcze ogromna zdolność do rozróżniania zapachów. Psy wciąż są używane przez straż graniczną do wyczuwania po zapachu różnorodnych substancji, takich jak marihuana i kokaina, środki wybuchowe, takie jak C4 – często starannie opakowane i ukryte

w walizkach. Mogą one także odróżnić zapach konkretnego osobnika, nawet jeśli ma bliźniaka. Ale jak one to robią? Czy zapach kwasu masłowego, jaki ja wydzielam, jest taki sam jak zapach tego samego kwasu wydzielany przez innych? Oczywiście, że tak, ale razem z kwasem masłowym każdy z nas wydziela delikatną i złożoną mieszaninę setek cząsteczek organicznych, które stanowią sygnaturę naszej indywidualności jak odciski palców. Psy potrafią „widzieć” zapachowe odciski tak łatwo, jak my widzimy kolory czyjejś koszuli. Amfiprion albo łosoś muszą podobnie poznawać zapach swego domu, tak jak my rozpoznajemy ulicę, przy której mieszkamy, i kolor naszych drzwi wejściowych. Ale psy i amfipriony nie są największymi atletami w dziedzinie powonienia. Niedźwiedź może wyczuć padlinę z odległości 20 kilometrów. Ćma może wyczuć swego partnera z odległości 10 kilometrów, szczury czują zapachy w stereo, a węże węszą za pomocą języka. Wszystkie te zdolności węchowe są bardzo istotne dla zwierząt, które muszą poszukiwać pożywienia, znajdować partnera do rozrodu i unikać drapieżników; podczas ewolucji gatunki wytworzyły swą wrażliwość na oznaki zdradzające bliskość tych zasobów lub niebezpieczeństw, gdziekolwiek one są, w wodzie czy w powietrzu. Zmysł węchu dla zwierząt jest tak ważny do przeżycia, że behawioralne odpowiedzi na zapachy wydają się być zaprogramowane w wielu gatunkach. Eksperyment z nornikami na wyspach Orkadach pokazał, że unikają one pułapek z przynętą pachnącą wydzieliną gronostajów, chociaż gronostajów nie ma już na Orkadach od pięciu tysięcy lat! Uważa się, że ludzie mają znacznie uboższy zmysł powonienia niż nasi bracia mniejsi. Gdy kilka milionów lat temu Homo erectus uniósł swe ciało, aby przez poszycie leśne maszerować w pozycji wyprostowanej, podniósł także swój nos znad ziemi – bogatego źródła zapachów. Potem wzrok i słuch, zmysły tym wydajniejsze, im są wyżej ulokowane, stały się jego głównymi źródłami informacji. Wtedy ludzki nos zmniejszył się, nozdrza zwęziły oraz nagromadziły się mutacje w około tysiącu odziedziczonych po ssakach genów, które odpowiadają za kodowanie receptorów węchowych (później powiemy o tym więcej). My także, i szkoda, utraciliśmy wspomagający zmysł powonienia, a posiadany przez inne zwierzęta, organ lemieszowo-nosowy (VNO) lub narząd Jacobsona, którego rolą jest detekcja feromonów. A jednak, pomimo genetycznego repertuaru zmniejszonego do około trzystu genów receptorów węchu i naszej zmienionej anatomii, zachowaliśmy zadziwiająco dobry zmysł węchu. Możemy nie być zdolni wywęszyć partnera albo obiadu z kilku kilometrów, ale możemy odróżnić około dziesięciu tysięcy różnych zapachów i, jak zauważył Nietzsche, dokonać „spektroskopowej detekcji” wonnych związków chemicznych. Zachwyt nad zapachem inspirował wielu najznakomitszych poetów („To, co zowiem różą, pod inną nazwą równie by pachniało”62) oraz jest bardzo ważny dla

dobrego samopoczucia każdego z nas. Zmysł węchu grał także zadziwiająco aktywną rolę w historii ludzkości. Najwcześniejsze pisemne relacje oddają cześć przyjemnym aromatom i wyrażają odrazę do obrzydliwych zapachów. Miejsca kultu religijnego i medytacji były często wypełniane wonią perfum i przypraw korzennych. W Starym Testamencie Bóg nakazuje Mojżeszowi budowę miejsca kultu, mówiąc mu: „Weź sobie wonności: żywicę pachnącą, muszelki i galbanum pachnące, i czyste kadzidło, niech będą w równej ilości. Mieszając je, uczynisz z tego kadzidło wonne – zrobione tak, jak się robi wonności – posolone, czyste, święte”63. Starożytni Egipcjanie mieli nawet bóstwo aromatów, Nefertum, które było także bogiem uzdrowicielem, czymś w rodzaju aromaterapeuty. Związek zdrowia z przyjemnymi aromatami i odwrotnie, choroby i gnicia z zapachami obrzydliwymi, skłonił wielu ludzi do wiary, że związek przyczynowy prowadził od zapachu do zdrowia lub choroby, a nie odwrotnie. Na przykład wielki rzymski lekarz Galen nauczał, że cuchnące prześcieradła, materace i koce mogą przyspieszać zakażenie płynów ustrojowych. Budzące obrzydzenie wydzieliny (miazmaty) pochodzące ze ścieków, kostnic, szamb i moczarów uważano za źródła wielu śmiertelnych chorób. Na odwrót, uważano, że przyjemne zapachy chronią przed chorobami, w związku z czym w średniowiecznej Europie lekarze domagali się, aby przed wejściem do domu ofiary dżumy był on całkowicie wywietrzony i nasycony wonią kadzidła, mirry, róży, goździków i innych ziół aromatycznych. Istotnie manufaktury perfumeryjne początkowo nastawione były na produkty służące do dezynfekcji, a nie pielęgnacji osobistej. Znaczenie zmysłu powonienia nie jest oczywiście ograniczone do wykrywania substancji wonnych wdychanych naszymi nozdrzami. O dziwo, nasz zmysł smaku jest powszechnie uważany za składający się w 90 procentach z węchu. Gdy smakujemy pożywienie, receptory smaku na naszym języku i podniebieniu wykrywają związki chemiczne rozpuszczone w ślinie; ale tych receptorów jest tylko pięć rodzajów, zdolnych do identyfikacji połączeń tylko pięciu podstawowych smaków – słodkiego, kwaśnego, słonego, gorzkiego i umami (japońskie określenie na „przyjemny słony smak”). Ale lotne odoranty uwalniane z naszego pożywienia i napojów dostają się do zatoki nosowej z tylnej części gardła, aby uaktywnić setki różnych kombinacji receptorów zapachowych. Te zapewniają nam o wiele większą zdolność, w porównaniu ze smakiem, odróżniania tysięcy różnorodnych zapachów i pozwalają cieszyć się bogatym aromatem wina, posiłków, przypraw, ziół i kawy. I chociaż mamy w zaniku zmysł związany z narządem lemieszowo-nosowym, jakim posługuje się większość ssaków, ogromny przemysł perfumeryjny jest dowodem na to, że rola zapachu ciągle jest ważna w ludzkich zalotach i sferze intymnej. Freud zauważył nawet związek pomiędzy seksualnym wyparciem i sublimacją zmysłu powonienia

u większości z nas, ale pomimo to twierdził, że „Nawet w Europie64 istnieją ludzie, którzy są pełni zachwytu dla bardzo silnego zapachu genitaliów”65. A więc jak ludzie, psy, niedźwiedzie, węże, ćmy, rekiny, szczury albo amfipriony wyczuwają te komunikaty pochodzące od „materialnej rzeczywistości”? Jak odróżniamy taką ogromną różnorodność odorantów?

Fizyczne realia zapachów W odróżnieniu od wzroku i słuchu, które wychwytują informacje niebezpośrednio za pomocą fal elektromagnetycznych lub dźwiękowych poruszających się od obiektu ku nam, zarówno smak, jak i węch otrzymują informację bezpośrednio przez kontakt z wyczuwanym obiektem (cząsteczką), niosącym przekaz z „materialnej rzeczywistości”. Oba te zmysły działają na podobnych zasadach. Cząsteczki, które wyczuwają, są albo rozpuszczone w ślinie na języku, albo unoszą się w powietrzu i są wyłapywane przez receptory albo na języku (smak), albo w nabłonku węchowym jamy nosowej (zapach). Ta lotność oznacza, że większość odorantów to całkiem małe molekuły. Sam nos nie spełnia bezpośredniej roli w zmyśle węchu, oprócz umożliwiania przepływu powietrza do nabłonka węchowego, który znajduje się w tyle nosa (rysunek 5.1.). Ta tkanka jest całkiem niewielka, u ludzi ma powierzchnię 3 centymetrów kwadratowych (rozmiar znaczka pocztowego), ale jest wyłożona gruczołami śluzowymi i milionami neuronów węchowych. Jest to rodzaj komórek nerwowych, odbierających bodźce zapachowe, tak jak pręciki i czopki w oku odbierają bodźce świetlne. Czołowa część neuronu węchowego ukształtowana jest jak miotła, z wieloma wypustkami, w których błona komórkowa została uformowana w rzęski mające kształt włosów. Ta miotła ze swoją szczeciną rzęsek wystaje poza powierzchnię komórki i może wychwytywać przelatujące odoranty. Drugi koniec komórki podobny jest do trzonka miotły, tworząc akson albo włókno nerwowe, które przechodzi przez małą kość w tylnej części zatoki nosowej i wchodzi do mózgu, gdzie łączy się z obszarem zwanym opuszką węchową.

Rysunek 5.1. Anatomia węchu.

Pozostałą część tego rozdziału najlepiej czytać, mając przed sobą pomarańczę, nawet podzieloną na segmenty, aby kwaskowaty aromat wydobył się z niej i dotarł do nosa, a stąd do nabłonka węchowego. Możecie nawet włożyć jeden segment do ust, aby jego lotne odoranty mogły przez tylną część jamy ustnej dotrzeć do tej samej tkanki. Jak wszystkie naturalne wonie zapach pomarańczy jest bardzo złożony, ale najsilniejszym aromatem jest limonen66, którego śladem podążymy teraz od cząsteczki do zapachu. Limonen, jak nazwa wskazuje, występuje powszechnie w owocach cytrusowych, takich jak pomarańcze i cytryny, i jest odpowiedzialny w dużej mierze za ich kwaskowaty aromat i smak. Ten związek chemiczny należy do klasy związków zwanych terpenami, które są zapachowymi składnikami olejków eterycznych występujących w wielu roślinach i kwiatach, wytwarzających bogaty aromat sosny, róż, winogron i chmielu. A więc zamieńcie pomarańczę na kufel piwa lub kieliszek wina, jeśli chcecie. Ten związek chemiczny produkowany jest przez wiele części drzewa cytrusowego, w tym liście, ale najobficiej występuje w skórce jego owoców, która po wyciśnięciu daje prawie czysty limonen. Limonen jest lotną cieczą, która stopniowo wyparowuje w temperaturze pokojowej,

tak więc pomarańcza będzie wydzielać miliony cząsteczek limonenu do otaczającego ją powietrza. Większość z nich będzie unosić się w pokoju i ucieknie na zewnątrz przez drzwi lub okna, ale kilka zostanie przez prądy powietrzne dostarczonych w pobliże twego nosa. Twoje wdychanie zassie kilka litrów tego pełnego zapachu powietrza, które przepłynie przez twoje nozdrza i wzdłuż nabłonka węchowego, który zawiera około dziesięciu milionów węchowych neuronów. Gdy cząsteczki limonenu przepływają wzdłuż rzęsek nabłonka węchowego, niektóre z nich zostają pochwycone przez neurony węchowe. Wychwyt pojedynczej cząsteczki limonenu wystarczy do otwarcia maleńkiego kanału w błonie komórkowej neuronu, który umożliwi przepływ z zewnątrz dodatnio naładowanych jonów potasu do komórki. Gdy około trzydziestu pięciu cząsteczek limonenu zostanie uchwyconych, następujący razem z tym przepływ jonów do komórki jest równoważny popłynięciu małego prądu elektrycznego o natężeniu około jednego pikoampera67. To natężenie działa już jak przełącznik wyzwalający sygnał elektryczny, zwany potencjałem czynnościowym (o tym szerzej będziemy pisać w rozdziale 8), wzdłuż trzonka podobnej do miotły komórki, jej aksonu. Ten sygnał przemieszcza się aż do opuszki węchowej w mózgu. Po następnej obróbce sygnału w nerwach rozpoznajecie ten „przekaz z materialnej rzeczywistości” jako kwaskowaty aromat pomarańczy. Najważniejszym zdarzeniem w całym procesie jest oczywiście wychwycenie odorantu przez neuron węchowy. A więc jak to zachodzi? Przez analogię z widzeniem i światłoczułymi pręcikami i czopkami (także rodzajem neuronów) oczekiwano, że zmysł powonienia powinien być związany z pewnego rodzaju umieszczonymi na powierzchni receptorami węchu. Ale w latach siedemdziesiątych XX wieku natura i tożsamość receptorów węchu była kompletnie nieznana. Richard Axel urodził się na nowojorskim Brooklynie w 1948 roku jako pierwsze dziecko imigrantów, którzy uciekli z Polski przed nazistowską inwazją. Jego dzieciństwo było typowe dla życia w tym otoczeniu; bieganie na posyłki dla ojca, który był krawcem, i gra w palanta (rodzaj ulicznego bejsbola, gdzie bazami były pokrywy studzienek ściekowych, a kijem trzonek od miotły) albo bejsbola na lokalnych drogach i podwórkach. W wieku jedenastu lat otrzymał pierwszą pracę: posłańca dostarczającego dentyście sztuczne szczęki; w wieku dwunastu lat układał wykładziny dywanowe, a w wieku trzynastu lat sprzedawał wołowinę w puszkach i pastrami w lokalnych delikatesach. Szefem był Rosjanin, który recytował Szekspira podczas szatkowania główek kapusty, wprowadzając młodego Richarda w świat kultury, inspirując w nim głęboką, nieprzemijającą miłość do wielkiej literatury. Intelekt Axela został dostrzeżony przez nauczyciela licealnego, który zachęcił go do złożenia podania, z sukcesem, o stypendium na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku w celu odbycia studiów w zakresie literatury. Jako pierwszoroczny student Axel wpadł w intelektualny wir życia studenckiego lat

sześćdziesiątych XX wieku. Aby mieć środki na rozrywkowy styl życia, podjął się zmywania aparatury w laboratorium genetyki molekularnej. Zafascynował się tą powstającą dopiero nauką, ale był beznadziejny w myciu szkła, więc został wylany z roboty i ponownie przyjęty jako asystent. Rozdarty pomiędzy literaturą i nauką, w końcu zdecydował się zapisać na studia dyplomowe z genetyki, ale potem przerzucił się na medycynę, aby nie dostać powołania na wojnę w Wietnamie. Na medycynie okazał się tak niezdarny, jak w wypadku mycia szkła laboratoryjnego. Nie mógł słuchać szmeru serca i nigdy nie zajrzał do siatkówki; kiedyś okulary mu spadły w cięcie na brzuchu, a nawet udało mu się przyszyć palec chirurga do jego pacjenta. W końcu pozwolono mu zrobić dyplom, tylko pod warunkiem, że nie będzie praktykował medycyny na żywych ludziach. Powrócił na uniwersytet, aby studiować patologię, ale po roku szef wydziału zażądał, aby także nie praktykował na zmarłych. Zrozumiawszy, że medycyna nie leży w zakresie jego talentów, Axel w końcu powrócił do badań naukowych na Uniwersytecie Columbia. Potem jego kariera nabrała rozpędu i wynalazł nowatorską technikę wprowadzania obcego DNA do komórek ssaków, która stała się podstawą rewolucji w inżynierii genetycznej pod koniec XX wieku, a Uniwersytet Columbia zarobił na nim setki milionów dolarów za prawa do licencji: obfity zysk z inwestycji w stypendium, którego mu udzielili. W latach osiemdziesiątych XX wieku Axel zastanawiał się, czy biologia molekularna może rozwiązać wielką tajemnicę funkcjonowania mózgu. Przerzucił się z badania zachowania genów na badanie genów odpowiedzialnych za zachowanie, z dalekosiężnym celem, by odkryć, „jak wyższe struktury mózgu wytwarzają «postrzeganie», powiedzmy, zapachu bzu albo kawy, albo skunksa (…)”68. Jego pierwszym krokiem w neurobiologii było badanie zachowania morskiego ślimaka w czasie składania jaj. W tym czasie do jego laboratorium dołączyła bardzo utalentowana badaczka, Linda Buck. Była immunologiem wykształconym na uniwersytecie w Dallas, a potem zafascynowała się powstającą molekularną neurobiologią i w związku z tym przeniosła się do laboratorium Axela, aby znaleźć się na samym froncie badań w tej dziedzinie. Axel i Buck opracowali pomysłową serię eksperymentów, by zbadać molekularną podstawę zapachu. Pierwszym zagadnieniem, jakim się zajęli, była tożsamość cząsteczek receptorów, których obecność zakładano na powierzchni neuronów węchu, i uchwycenie oraz identyfikacja różnych odorantów. Ekstrapolując od tego, co było wiadome o innych komórkach sensorycznych, przypuszczali, że receptorami jest pewien rodzaj białek wystających z błony komórkowej i chwytających przelatujące obok odoranty – ale w tym czasie nikt nie wyizolował żadnego z tych receptorów węchu ani nikt nie miał pojęcia, jak one wyglądają i jak działają. Wszystko, czym dysponował zespół, to pewne podejrzenia, że nieuchwytne receptory mogłyby należeć do rodziny białek zwanych receptorami sprzężonymi z białkami G, o których wiedziano, że uczestniczą w wykrywaniu innego

rodzaju sygnałów chemicznych, jak hormony. Lindzie Buck udało się zidentyfikować całkiem nową rodzinę genów kodujących ten rodzaj receptorów, które tylko „podlegały ekspresji”69 w receptorach neuronowych węchu. Następnie zademonstrowała, że te geny istotnie kodują nieuchwytne receptory węchu. Dalsza analiza wykazała, że genom szczura zakodował około tysiąca tych nowo odkrytych receptorów, z których każdy był trochę inny niż reszta i każdy przypuszczalnie został dopasowany do detekcji konkretnego odorantu. Ludzie posiadają podobną ilość genów receptorów węchu, ale dwie trzecie z nich są pseudogenami, czyli rodzajem skamienieliny genowej, która spiętrzyła w sobie taką ilość mutacji, że nie może już być aktywna. Ale czy jest trzysta, czy też tysiąc genów receptorów, to jest to o wiele mniej niż dziesięć tysięcy różnych zapachów, które człowiek może zidentyfikować. Tu w sposób oczywisty pomiędzy rodzajami receptorów węchu i rodzajami zapachu nie ma odwzorowania jeden do jednego; a więc to, jak sygnały otrzymywane z receptorów węchu są przekształcane w zapachy, pozostawało tajemnicą. Nie było także jasne, jak detekcja całej gamy molekuł zapachu była rozdzielana pomiędzy różnymi komórkami. Genom każdej komórki posiadał zupełny zbiór genów receptorów węchu, a więc potencjalnie mogła ona wykrywać każdy zapach. A może jest jakiś podział pracy? Aby odpowiedzieć na te pytania, zespół z Uniwersytetu Columbia wymyślił jeszcze bardziej pomysłowy eksperyment. Dokonali zmian genetycznych w myszach, tak że wszystkie neurony węchowe wyrażające jeden szczególny receptor węchu zabarwiały się na niebiesko. Jeśli wszystkie komórki zostaną zaplamione na niebiesko, będzie to wskazywać, że one wszystkie wyrażają ten receptor. Odpowiedź stała się jasna, gdy zbadano tak zmienione myszy: w przybliżeniu jedna na tysiąc komórek zabarwiona była na niebiesko. Wyglądało na to, że każdy neuron węchowy nie jest uniwersalny, lecz wyspecjalizowany. Niedługo potem Linda Buck przeniosła się z Columbii i założyła własne laboratorium na Harvardzie, a obie grupy kontynuowały prace równolegle, aby odkryć pozostałe sekrety węchu. Wkrótce opracowali techniki izolowania pojedynczych neuronów zapachowych i bezpośrednio badali ich czułość na poszczególne odoranty, jak na przykład limonen z naszej pomarańczy. Odkryli, że każdy odorant aktywuje chemicznie nie jeden, a kilka neuronów; a także że pojedyncze neurony reagują na kilka różnych odorantów. Te odkrycia wydają się rozwiązywać zagadkę tego, jak zaledwie trzysta receptorów węchu może zidentyfikować dziesięć tysięcy różnych zapachów. Podobnie jak dwadzieścia sześć liter można połączyć na ogromną ilość sposobów, aby napisać każde ze słów w tej książce, tak kilkaset receptorów węchowych może być aktywowanych w bilionach kombinacji, by dostarczyć ogromną ilość odczuć zapachowych. Richard Axel i Linda Buck otrzymali w 2004 roku Nagrodę Nobla za pionierskie

odkrycia „receptorów węchu i organizacji układu węchowego”.

Złamanie klucza zapachu Inicjujące zdarzenie w wykrywaniu zapachu – pomarańczy, rafy koralowej, partnera seksualnego, drapieżnika lub zdobyczy – polega, według obecnej wiedzy, na wiązaniu się pojedynczej molekuły odorantu do pojedynczego receptora węchu znajdującego się na powierzchni neuronu węchu, na jego końcu w kształcie miotły. Ale jak receptor rozpoznaje swój własny zbiór molekuł odorantu, jak limonen, a nie wychwytuje i nie wiąże się z innymi możliwymi odorantami, które mogą unosić się nad nabłonkiem węchowym? To główna tajemnica węchu. Konwencjonalne wyjaśnienie oparte jest na tym, co nazywa się mechanizmem zamka i klucza. Uważano, że molekuły zapachowe pasują do receptorów węchu tak, jak klucz pasuje do dziurki w zamku. Na przykład uważano, że molekuła limonenu jest dopasowana do specjalistycznego receptora węchu. Jakoś dzięki procesowi, który pozostawał niejasny, to zdarzenie złączenia otwierało zamek w receptorze i uruchamiało uwolnienie białka, zwanego białkiem G, które normalnie jest przymocowane do wewnętrznej powierzchni receptora, podobnie do torpedy przymocowanej do kadłuba okrętu. Gdy tylko torpeda białkowa zostaje wystrzelona w komórkę, trafia do błony komórkowej, gdzie otwiera kanał, który umożliwia elektrycznie naładowanym cząsteczkom wpłynięcie do komórki. Ten prąd elektryczny płynący przez błonę uruchamia neuron, który wystrzeliwuje sygnał nerwowy (więcej o tym w rozdziale 9), a ten biegnie od nabłonka węchowego do mózgu. Mechanizm klucza i zamka zakłada, że cząsteczki receptora mają kształt dopełniający kształt cząsteczek zapachowych i tym samym pasują do siebie. Prostą analogią są tu drewniane klocki dla małych dzieci, które przycięte w charakterystyczne kształty (koła, trójkąty, kwadraty) muszą pasować do otworów tych samych kształtów w wieczku pudełka, aby można je było włożyć do środka. Możemy przyjąć, że każda z cząsteczek zapachowych jest takim klockiem – powiedzmy, zapach pomarańczy, czyli limonen, jest kołem, zapach jabłka kwadratem, a zapach banana trójkątem. Wyobraźmy sobie teraz, że każdy receptor węchu posiada kieszeń wiążącą odorant, to znaczy jest ukształtowany tak, że cząsteczka zapachowa idealnie wpasowuje się do jego wnętrza. Oczywiście, realne cząsteczki rzadko posiadają tak dobrze dopasowane kształty, a zatem realne receptory proteiny mają przypuszczalnie bardziej skomplikowane kieszenie wiążące, aby pasowały do nich bardziej złożone kształty realnych molekuł zapachowych. Najbardziej prawdopodobne są ogromnie złożone kształty podobne do

aktywnych centrów enzymów, które, jak sobie przypominacie z rozdziału 3, wiążą molekuły substratu. Istotnie uważa się, że molekuły zapachowe oddziałują z kieszeniami wiążącymi w sposób podobny do tego, w jaki substraty enzymu są wiązane do centrów aktywnych enzymów (rysunek 3.4.), albo nawet do sposobu, w jaki leki oddziałują z enzymami. Rzeczywiście, są tacy, którzy twierdzą, że zrozumienie roli mechaniki kwantowej w oddziaływaniu pomiędzy substancjami zapachowymi i ich receptorami mogłoby prowadzić do bardziej skutecznego projektowania leków. W każdym razie teoria kształtu przewiduje, że powinna istnieć jakaś korelacja pomiędzy kształtem molekuł zapachowych i ich zapachem: odoranty o podobnym kształcie powinny mieć podobny zapach, a odmiennie ukształtowane cząsteczki powinny znacząco różnić się zapachem. Jednym z najbardziej przerażających zapachów w historii ludzkości był smród musztardy albo zgniłego siana w okopach I wojny światowej. Niewidoczne gazy unosiły się nad ziemią niczyją i nawet najsłabszy zapach musztardy (gaz musztardowy, czyli iperyt) lub stęchłego siana (fosgen) dawał żołnierzowi tych kilka cennych sekund, w czasie których mógł nałożyć maskę przeciwgazową, aby uchronić swe płuca przed trującymi substancjami. Chemik Malcolm Dyson przeżył atak gazem musztardowym i być może wtedy zrozumiał, jak cenna jest zdolność do rozróżniania zapachów, bo po wojnie zaczął syntetyzować wiele używanych w przemyśle związków i używał swego nosa do wąchania produktów tych reakcji. Ale Dyson był zdziwiony widocznym brakiem jakichkolwiek oczywistych związków pomiędzy kształtem molekuły i jej zapachem. Na przykład wiele cząsteczek, które mają bardzo różne kształty, jak związki pokazane na rysunku 5.2. a-d, pachnie tak samo, w tym wypadku piżmem70. A przeciwnie, związki posiadające podobną strukturę (tak jak związki e i f na rysunku) bardzo często mają bardzo różne zapachy – w tym wypadku związek f śmierdzi jak mocz, podczas gdy e nie ma w ogóle zapachu71.

Rysunek 5.2. Cząsteczki od a do d mają odmienne kształty, ale pachną bardzo podobnie. Cząsteczka e i f mają prawie identyczne kształty, lecz mają odmienne zapachy.

Ten, tak odmienny od bezpośredniego, związek pomiędzy kształtem cząsteczki i jej zapachem był, i jest, głównym problemem przemysłowych wytwórców perfum, smaków i zapachów. Zamiast móc projektować perfumy tak, jak projektuje się pojemniki na perfumy, przemysł perfumeryjny zmuszony jest do polegania na syntezie chemicznej i testach zapachowych chemików takich jak Dyson. Ale Dyson zauważył, że grupy zapachowe (związki chemiczne pachnące tak samo) są często złożone ze związków posiadających te same grupy, na przykład: atom tlenu związany z atomem węgla za pomocą wiązania podwójnego C=O w pachnących piżmem związkach chemicznych z rysunku 5.2. Te grupy są składnikami każdej dużej cząsteczki i określają wiele z ich własności, łącznie, jak zauważył Dyson, z ich zapachem. Innymi związkami chemicznymi o podobnym zapachu jest duży zbiór związków o różnorodnych kształtach cząsteczek, zawierający grupę wodorosiarczkową (tiolową), w której atom wodoru

jest związany z atomem siarki i która ma charakterystyczny zapach zgniłego jaja. Dyson zasugerował, że to, co nos wykrywa, nie jest spowodowane kształtem całej cząsteczki, ale raczej inną własnością, a mianowicie częstością, z jaką drgają wiązania pomiędzy atomami w cząsteczce. W końcu lat dwudziestych XX wieku, gdy Dyson pierwszy raz to ogłosił, nikt nie miał pojęcia, jak zbadać drgania cząsteczek. Ale w czasie swej podróży do Europy po koniec lat dwudziestych XX wieku hinduski fizyk Chandrasekhara Venkata Raman uległ czarowi „cudownej niebieskiej opalescencji Morza Śródziemnego” i domyślił się, że „zjawisko to ma swe źródło w rozpraszaniu światła przez cząsteczki wody”. Zwykle gdy światło odbija się od atomu albo cząsteczki, to robi to „elastycznie”, to znaczy bez strat energii, jak gumowa piłka od twardej powierzchni. Raman zasugerował, że w rzadkich przypadkach światło może rozpraszać się „nieelastycznie”, podobnie jak twarda piłka odbijana drewnianym kijem, kiedy przekazuje część swej energii kijowi i odbijającemu ją człowiekowi (przypomnijcie sobie Królika Bugsa walącego kijem tak mocno w szybką piłkę, że kij i on sam wpadają w wibracje). W rozproszeniu nieelastycznym fotony podobnie przekazują energię wiązaniom cząsteczkowym, w które uderzają, powodując ich wibrację; dlatego rozproszone światło ma już mniejszą energię. Może się też zdarzyć, choć to mniej prawdopodobne, że cząsteczka już wcześniej drgała i wtedy nieelastycznie rozproszone światło może mieć większą częstość. Chemicy użyli tych zasad, aby badać strukturę cząsteczkową. W istocie światło pada na próbkę, a różnica kolorów albo częstości (stąd energia) światła na wejściu i na wyjściu jest zapisywana w formie widma Ramana dla konkretnego związku chemicznego, co daje pewnego rodzaju charakterystykę jego wiązań chemicznych. Ta technika nosi nazwę swego wynalazcy – spektroskopia ramanowska – a twórca jej otrzymał Nagrodę Nobla. Gdy Dyson usłyszał o pracach Ramana, uzmysłowił sobie, że mogą one wskazać mechanizm, za pomocą którego nos mógłby badać drgania molekuł zapachowych. Wysunął tezę, że nos „może być spektrometrem” zdolnym do detekcji charakterystycznych drgań wiązań chemicznych. Nawet zidentyfikował pewne częstości w spektrach Ramana, które korelowały z zapachem związków. Na przykład wszystkie merkaptany (związki, które zawierają terminalne wiązanie siarka-wodór) posiadają wspólny pik o częstości pomiędzy 2567 a 2580. I wszystkie cuchną jak zgniłe jaja. Teoria Dysona przynajmniej tłumaczyła analityczną naturę zapachów, ale nikt nie miał pojęcia, jak spektroskopia ramanowska może być zaprzęgnięta przez nos w charakterze zmysłu węchu. Przecież nie wystarczy wyłapać światła rozproszonego i zanalizować w jakimś biologicznym spektroskopie, ale, po pierwsze, trzeba skądś wziąć samo źródło światła. Jeszcze większa niedoskonałość teorii Dysona ujawniła się, gdy odkryto, że nos może z łatwością odróżnić cząsteczki, które mają tę samą strukturę chemiczną i identyczne

spektra ramanowskie, ale są swymi odbiciami lustrzanymi. Na przykład molekuła limonenu, która odpowiada za zapach pomarańczy, może być opisana jako molekuła prawoskrętna. Ale jest prawie identyczna molekuła, zwana dipentenem, która jest jej „lewoskrętnym” odbiciem lustrzanym (rysunek 5.3., gdzie zacieniowany obszar na dole każdej części reprezentuje wiązanie węgiel-węgiel, skierowane albo w dół [a], albo w górę [b] strony). Dipenten ma te same wiązania molekularne, co limonen, i dlatego daje identyczne spektrum ramanowskie, ale jego zapach jest całkiem inny: pachnie jak terpentyna. Cząsteczki, które występują w formie prawo- i lewoskrętnej, nazywane są chiralnymi72 i często mają zupełnie inne zapachy. Innym związkiem chiralnym jest karwon, związek chemiczny znajdywany między innymi w pestkach kopru i kminku, który odpowiada za zapach kminku; molekuła będąca jego odbiciem lustrzanym pachnie jak mięta. Spektroskopia ramanowska nie umożliwi odróżnienia tych związków, ale zwykłe powąchanie umożliwi to od razu. Istotnie zapach nie może funkcjonować, przynajmniej nie tylko, w oparciu o wykrywanie drgań molekularnych.

Rysunek 5.3. Limonen (a) i dipenten (b) są obrazami lustrzanymi o różnych zapachach. Molekuły różnią się jedynie kierunkowością dolnych grup, co uwidacznia skierowanie jej w dół strony (wiązanie skierowane w dół) w limonenie, ale w górę w dipentenie (wiązanie skierowane w górę strony). Oczywiście molekuła dipentenu może być przewrócona tak, aby jej grupa była skierowana jak w limonenie, ale wtedy jego podwójne wiązanie obróci się w lewo, zamiast w prawo, i wciąż będzie ona odmienna. Te molekuły są jak para rękawiczek: prawa i lewa.

Te pozornie zgubne wady wibracyjnej teorii zapachu doprowadziły dzięki teorii

zamka i klucza do jej zmierzchu w ciągu ostatniej połowy XX wieku pomimo wysiłków kilku entuzjastów molekularnych drgań, takich jak kanadyjski chemik Robert H. Wright, który znalazł potencjalne rozwiązanie problemu prawo- i lewoskrętnych molekuł posiadających te same wiązania, ale różne zapachy. Zwrócił on uwagę na to, że receptory węchu przypuszczalnie są chiralne (występujące w postaci lewoi prawoskrętnej), tak więc będą trzymać cząsteczki odorantu w sposób lewoskrętny lub prawoskrętny, co spowoduje, że ich wiązania będą inaczej skierowane względem detektora drgań. Posługując się muzyczną analogią, leworęczny Jimi Hendrix (reprezentujący receptor węchu) trzymał swą gitarę (chiralną cząsteczkę odorantu) gryfem skierowaną w prawo; podczas gdy praworęczny Eric Clapton trzyma gitarę (reprezentującą obraz lustrzany cząsteczki) gryfem skierowanym w lewo73. Obaj muzycy mogli grać ten sam riff (wytwarzać te same drgania) na gitarach będących odbiciem lustrzanym; ale dźwięk zbierany przez stały mikrofon (reprezentujący detektory drgań będące częścią receptorów węchu), umieszczony, powiedzmy, na lewo od każdego z muzyków, subtelnie różniłby się, ponieważ struny (wiązania molekularne) byłyby w innych położeniach względem mikrofonu. Wright zasugerował, że chiralne receptory węchu wykrywają częstości drgań wiązań chemicznych, ale tylko wtedy, gdy wiązania są w odpowiednim położeniu: dowodził, że receptory występują w formach lewo- i prawoskrętnej, tak jak gitarzyści. Ale nie wyjaśniając, jak detektor drgań biologicznych w rzeczywistości działa, teoria wibracyjna pozostała na marginesie nauki o zapachu. Jednak teoria kształtu miała także swe problemy. Jak już wspomnieliśmy, miała trudność z wyjaśnieniem, dlaczego cząsteczki o różnym kształcie posiadały podobny zapach, a cząsteczki o podobnych kształtach zapachy odmienne. Aby stawić czoło temu zagadnieniu, Gordon Shepherd i Kensaku Mori wystąpili w 1994 roku z czymś, co nazywa się czasami teorią „słabego kształtu” albo odotopu74. Zasadnicza różnica pomiędzy tą i klasyczną teorią kształtu tkwi w propozycji Shepherda i Moriego, że receptory węchu nie identyfikują kształtu całej molekuły, tylko grup chemicznych będących ich częściami składowymi. Na przykład, jak już wskazywaliśmy, wszystkie pachnące piżmem składniki z rysunku 5.2. mają atom tlenu związany z atomem węgla wiązaniem dwuwartościowym. Teoria odotopu zakłada, że to kształt tych chemicznych podstruktur, a nie całej molekuły, jest rozpoznawany przez receptory węchu. Ta teoria lepiej tłumaczy analityczną naturę zapachu, ale cierpi na te same niedostatki, co teoria wibracyjna, gdy chodzi o molekuły zawierające te same grupy związków, lecz ułożone odmiennie. Tak więc ani teoria odotopu, ani teoria wibracyjna nie wyjaśnia, jak para związków chemicznych może mieć odmienne zapachy pomimo posiadania tych samych grup ułożonych inaczej na tym samym molekularnym rusztowaniu. Na przykład zarówno wanilina (która jest podstawowym składnikiem naturalnej wanilii), jak i izowanilina składają się z sześcioczłonowego pierścienia węglowego z trzema identycznymi

grupami przyłączonymi w różnych pozycjach (rysunek 5.4.). Teoria odotopu przewiduje, że identyczne grupy chemiczne powinny pachnieć tak samo. I wanilia pachnie jak to wanilia, ale izowanilina ma nieprzyjemny zapach fenolu (medyczny).

Rysunek 5.4. Molekuły z tymi samymi podstawowymi częściami – jak pokazane tutaj wanilina i izowanilina – mogą mieć różne zapachy.

Aby wyjaśnić ten problem, teoretycy kształtu ogólnie zaproponowali kombinację teorii odotopu i pewnego rodzaju mechanizm rozpoznawania chiralnego kształtu. Mimo wszystko to wciąż nie wyjaśnia równie powszechnej sytuacji molekuł będących odbiciem lustrzanym, mających rzeczywiście ten sam zapach75. To wskazuje, że są rozpoznawane przez ten sam receptor, co jest molekularną analogią posiadania ręki, która pasuje do lewej i prawej rękawiczki. To nie ma po prostu sensu.

Wąchanie kwantowym nosem Rozpoznawanie kształtu intuicyjnie łatwo zrozumieć: rutynowo mam do czynienia z kształtem dopełniającym za każdym razem, gdy wkładamy rękawiczkę, przekręcamy klucz w zamku albo używamy klucza do dokręcenia śruby. Enzymy (które oglądaliśmy w działaniu w rozdziale 3), antyciała, receptory hormonów i inne biomolekuły

oddziałują dzięki geometrycznemu porządkowi ich atomów i cząsteczek; dlatego nie dziwi, że teoria kształtu była mocno popierana przez wielu biologów, łącznie z laureatami Nagrody Nobla Richardem Axelem i Lindą Buck. Z komunikacją opartą na drganiach jesteśmy znacznie mniej zaznajomieni pomimo faktu, że jest ona podstawą przynajmniej dwóch naszych zmysłów: widzenia i słuchu. Ale podczas gdy mechanizm tego, jak oko rozpoznaje drgania światła, a ucho rozpoznaje drgania powietrza, jest całkiem dobrze poznany, nikt nie miał pojęcia, aż do teraz, jak nos mógłby wykrywać częstość molekularnych drgań. Luca Turin urodził się w Libanie w 1953 roku i studiował fizjologię na University College London. Po uzyskaniu magisterium przeniósł się do Francji, aby pracować w Centre National de la Recherche Scientifique; i stało się to w Nicei, gdzie doznał węchowego objawienia, gdy przebywał w Galeries Lafayette. Na środku stoiska z perfumami była wystawa japońskiej firmy Shiseido poświęcona ich najnowszym perfumom, Nombre Noir, które tak opisywał: „W pół drogi między różą a fiołkiem, ale bez śladu słodyczy charakterystycznej dla obu, mające za to w tle szlachetne nuty cedru z pudełka na cygara. Jednocześnie niewytrawne i lśniące kryształową świeżością jak witraż głębią swych kolorów”76. Kontakt Turina z japońskim zapachem zainspirował jego trwające całe życie poszukiwanie wyjaśnienia sekretu, jak molekuły unoszące się w nosie mogą wytworzyć tak działające na wyobraźnię doznania. Tak jak przed nim Dyson, Turin był przekonany, że korelacje pomiędzy widmem wibracyjnym i zapachem nie mogą być tylko przypadkiem. Przekonało go stwierdzenie Dysona, że receptory węchu muszą jakoś wykrywać drgania molekularne. Ale w przeciwieństwie do Dysona Turin zaproponował spekulatywny, jednak możliwy, mechanizm, dzięki któremu biomolekuły mogłyby wykrywać drgania wiązań chemicznych poprzez kwantowe tunelowanie elektronów77. Tunelowanie, jak pewnie przypominacie sobie z rozdziału 1, jest szczególną kwantową własnością, która wynika ze zdolności cząstek takich jak elektron lub proton do posiadania cech fali prawdopodobieństwa, umożliwiających im przesiąkanie przez bariery, które nie mogłyby być penetrowane w sposób klasyczny. Odkryliśmy w rozdziale 3, że zjawisko to odgrywa istotną rolę w reakcjach wielu enzymów. Gdy Turin głowił się nad tajemnicą węchu, wpadł na publikację opisującą nową technikę analityczną w chemii, nazywaną spektroskopią nieelastycznego tunelowania elektronów (IETS). W metodzie IETS umieszcza się dwie metalowe płytki bardzo blisko siebie, rozdzielone bardzo małą szczeliną. Jeśli zostaje przyłożone napięcie między płytkami, elektrony będą zbierać się na jednej z nich, tej o ładunku ujemnym (donor), i przyciągane przez drugą, naładowaną dodatnio płytkę (akceptor). Zastanówmy się klasycznie: elektrony nie mają wystarczającej energii, aby przeskoczyć między płytkami; ale są one obiektami kwantowymi i jeśli szczelina jest dostatecznie mała, mogą kwantowo tunelować od donora do akceptora. Ten proces nazywany jest

elastycznym tunelowaniem, ponieważ elektrony ani nie zyskują energii, ani jej nie tracą w tym procesie. Jednak jest zasadniczy dodatkowy warunek: elektron może tunelować elastycznie z donora do akceptora tylko wtedy, gdy jest dostępny pusty stan o dokładnie tej samej energii. Jeśli najbliższa dziura w akceptorze ma mniejszą energię, to elektron musi stracić część energii, aby wykonać skok. Ten proces nazywany jest nieelastycznym tunelowaniem. Ale zrzucona energia musi być gdzieś przejęta, w przeciwnym razie elektron nie mógłby tunelować. Jeśli w szczelinie między płytami umieści się związek chemiczny, to elektron, tunelując, może oddać nadmiar energii temu związkowi – a może to zrobić, jeśli wiązania chemiczne w molekule mogą drgać z częstością odpowiadającą tej zrzuconej energii. Po przekazaniu w ten sposób nadmiaru energii te „nieelastycznie” tunelujące elektrony przechodzą na płytę akceptora z troszeczkę mniejszą energią; a więc dokonując pomiaru różnicy energii elektronu opuszczającego donor i docierającego do akceptora, spektroskopia nieelastycznego tunelowania elektronów bada naturę molekularnych wiązań związku chemicznego. Powracając do naszej muzycznej analogii: jeśli kiedykolwiek graliście na instrumencie strunowym, wiecie, że można uzyskać ton ze struny, nawet jej nie dotykając – a to poprzez rezonans. Rzeczywiście za pomocą takiej sztuczki można nastroić gitarę. Jeśli zagniecie maleńki kawałek lekkiego papieru na jednej ze strun, to szarpiąc ten sam ton na sąsiedniej strunie, możecie spowodować spadnięcie kawałka papieru bez dotykania tej struny. A to dlatego, że szarpnięta struna wzbudza drgania powietrza, a powietrze przekazuje te drgania nieszarpniętej strunie, powodując jej rezonans z drganiami szarpniętej struny. Analogicznie w IETS elektron wylatuje z donora tylko wtedy, jeśli związek chemiczny umieszczony pomiędzy płytami posiada wiązanie odpowiednio dostrojone do częstości właściwej dla przeskoku. W efekcie tunelujące elektrony tracą energię, szarpiąc wiązanie chemiczne podczas swej kwantowej podróży między płytkami. Turin zasugerował, że receptory węchowe działają w podobny sposób, ale z pojedynczą molekułą – receptorem węchu – w roli płytek IETS oraz szczeliny. Wyobrażał sobie elektron zlokalizowany najpierw w położeniu donora w molekule receptora. Tak jak w IETS elektron potencjalnie mógłby tunelować do położenia akceptora w tej samej molekule, ale, jak uważał, nie dopuszcza do tego rozbieżność energii w obu tych położeniach. Jednak jeśli receptor pochwyci cząsteczkę odorantu, która posiada wiązanie dostrojone do odpowiedniej częstości wibracji, wtedy elektron może wylecieć z donora do akceptora poprzez tunelowanie i jednocześnie przekazać odpowiednią ilość energii do odorantu, w efekcie szarpiąc jedno z jego wiązań molekularnych. Turin proponował, że tunelujący elektron, teraz znajdujący się w położeniu akceptora, powoduje uwolnienie molekularnej torpedy z białka G, co następnie powoduje wystrzał sygnału z neuronu w kierunku mózgu, a to w efekcie

końcowym pozwala nam „doświadczyć” zapachu pomarańczy. Turin zdołał zgromadzić wiele dowodów poszlakowych dla swej kwantowej teorii wibracyjnej. Na przykład, jak już wspominaliśmy, tiole zwykle mają silny zapach zgniłych jaj i wszystkie mają wiązanie siarka-wodór (S-H) wibrujące w około 76 terahercach (76 bilionów oscylacji w ciągu sekundy). Jego teoria daje bardzo silne przewidywanie: każdy inny związek chemiczny, którego wiązanie drga z częstością 76 teraherców, powinien też śmierdzieć jak zgniłe jajko, niezależnie od swego kształtu molekularnego. Niestety, niewiele innych związków chemicznych ma to samo pasmo wibracyjne w swych widmach. Turin szukał w literaturze poświęconej spektroskopii molekuł z tą samą wibracją. W końcu odkrył, że terminalne wiązania bor-wodór w związkach zwanych borowodorami wibrują z częstością 78 teraherców, co jest dostatecznie blisko 76 teraherców wibracji S-H. Ale jaką woń mają te związki? Ta informacja nie była dostępna w literaturze dotyczącej spektroskopii, a związki były na tyle egzotyczne, że nie mógł dostać żadnego do powąchania. Znalazł jednak starszą publikację opisującą je jako śmierdzące, a tak zwykle określano zapach siarkowy. Rzeczywiście, okazało się, że borowodory są jedynymi znanymi niesiarkowymi molekułami, które śmierdzą zgniłym jajkiem jak siarkowodór: na przykład dekaboran zbudowany jedynie z atomów boru i wodoru (wzór chemiczny B10H14). To odkrycie jedynego związku pośród dosłownie tysięcy wąchanych, który śmierdzi jak siarkowodór i posiada tę samą częstość wibracji, jest silnym dowodem poprawności wibracyjnej teorii węchu. Pamiętajmy, że producenci perfum przez dziesięciolecia próbowali znaleźć molekularny klucz do zapachu. Turin zdołał dokonać tego, czego nie dokonał żaden z ich chemików: przewidzieć zapach jedynie na podstawie teorii. To był chemiczny ekwiwalent przewidzenia zapachu perfum na podstawie kształtu ich butelki. Teoria Turina dostarczyła biologicznie wiarygodnego kwantowego mechanizmu, który pozwalał biomolekule wykrywać molekularne wibracje. Ale „wiarygodny mechanizm” – to nie wystarcza. Chodzi o to, czy jest on poprawny.

Walka nosów Teoria wibracyjna osiągnęła kilka zachęcających sukcesów, jak w przypadku dekaboranu, ale wciąż cierpi na podobne problemy, co teoria kształtu, na przykład z molekułami będącymi swymi lustrzanymi odbiciami (limonen i dipenten), mającymi bardzo odmienne zapachy, choć identyczne widma wibracyjne. Turin postanowił sprawdzić inne przewidywanie jego teorii. Powinniście pamiętać, że teoria tunelowa działania enzymów (rozdział 3) była sprawdzana poprzez zastąpienie najbardziej

pospolitej formy wodoru jej cięższym izotopem, deuterem, aby zrobić użytek z kinetycznego efektu izotopowego. Turin starał się dokonać czegoś podobnego z odorantem zwanym acetofenonem, opisywanym jako mający „gryzącą słodką woń (…) przypominającą zapach głogu albo ostry zapach kwiatów pomarańczy”. Zakupił bardzo drogą partię tego związku chemicznego, w której każdy z ośmiu atomów wodoru w wodorowo-węglowym wiązaniu został zastąpiony deuterem. Cięższe atomy, jak cięższe struny gitary, będą wibrować z mniejszymi częstościami: normalne wiązanie wodorowo-węglowe drga z częstością od 85 do 93 teraherców, ale jeśli podstawi się deuter za atom wodoru, wtedy częstość drgań takiego wiązania spada do około 66 teraherców. Dlatego „deuterowany” związek ma bardzo odmienne spektrum wibracyjne od związku „normalnego”. Ale czy ma inny zapach? Turin zamknął drzwi od swego laboratorium, zanim ostrożnie powąchał oba związki. Przekonał się, że oba „mają zapach odmienny, deuterowany ma zapach mniej słodki, bardziej podobny do rozpuszczalnika”78. Nawet po oczyszczeniu każdego ze związków był przekonany, że formy z wodorem i z deuterem mają odmienny zapach. Stwierdził zatem, że jego teoria została potwierdzona. Badania Turina spowodowały zainteresowanie nim inwestorów, którzy wyłożyli pieniądze na uruchomienie nowego przedsiębiorstwa, Flexitralu, mającego za zadanie stworzenie nowych zapachów na bazie jego idei o kwantowych wibracjach. Chandler Burr napisał nawet książkę, w której opisał poszukiwania Turina molekularnego mechanizmu węchu79, a BBC stworzyła film dokumentalny o jego pracy. Ale wielu to nie do końca przekonało, szczególnie entuzjastów teorii kształtu. Leslie Vosshall i Andreas Keller z Uniwersytetu Rockefellera powtórzyli testy zapachowe z normalnym deuterowanym acetofenonem, ale zamiast polegać na nosie Turina, zaprzęgli do badań dwudziestu czterech naiwnych obywateli i zapytali ich, czy potrafią po zapachu odróżnić oba związki. Rezultaty były jednoznaczne: nie było różnicy w zapachu. Ich publikacja w „Nature Neuroscience” z 2004 roku80 poprzedzona była artykułem wstępnym, w którym wibracyjną teorię węchu opisano jako „nieposiadającą wiarygodności w kręgach naukowych”. Jednak w testach przeprowadzanych na ludziach mogą mieszać szyki wszelkiego rodzaju komplikacje, takie jak oczekiwania badanych i ich wcześniejsze doznania. Aby uniknąć tych problemów, zespół pod kierownictwem Efthimiosa Skoulakisa z Instytutu Alexandra Fleminga w Grecji wraz z badaczami z MIT – wśród nich był Luca Turin – zdecydował się zbadać o wiele lepiej zachowujący się gatunek: wyhodowane w laboratorium muszki owocowe. Zespół opracował eksperyment analogiczny do tego, jaki przeprowadzała Gabriele Gerlach z rybami rafy koralowej, opisany wcześniej w tym rozdziale. Naukowcy nazwali swój eksperyment z muszkami „labiryntem T”. Muszki były wpuszczone do labiryntu utworzonego z rynien ułożonych w kształcie litery T od strony podstawy litery i zachęcone do lotu w kierunku ramion litery, gdzie

miały lecieć w lewo albo w prawo. Nasycone zapachem powietrze było pompowane do każdego z ramion. Licząc liczbę osobników lecących w każdym z kierunków, uczeni mogli dowiedzieć się, czy muszki potrafią rozróżnić zapachy pompowane do prawego i lewego ramienia labiryntu. Zespół najpierw badał, czy muszki potrafią wyczuć woń acetofenonu. I rzeczywiście potrafiły: tylko odrobina tego związku w zakończeniu prawego ramienia labiryntu powodowała, że prawie wszystkie leciały w kierunku jego owocowego zapachu. Zespół podstawił później deuter zamiast wodoru w acetofenonie. Ale w nowym schemacie eksperymentu podstawiali deuterem trzy, pięć albo wszystkie osiem atomów wodoru i testowali każdą wersję związku oddzielnie, przy czym niedeuterowany związek był zawsze obecny w przeciwnym ramieniu labiryntu. Rezultaty były niezwykłe. Tylko z trzema atomami deuteru muszki nie potrafiły podjąć decyzji i latały losowo w jedną lub drugą odnogę labiryntu. Ale gdy naukowcy dozowali w prawej odnodze związek z pięcioma lub ośmioma podstawieniami deuteru, muszki rezolutnie leciały w lewo, uciekając od zapachu deuterowanego odorantu. Wyglądało na to, że muszki potrafią odróżnić zapach normalnej formy acetofenonu od zapachu silnie deuterowanej – i teraz nie spodobało im się to, co wyczuły. Zespół poddał testom dwa dodatkowe odoranty i stwierdził, że muszki potrafiły z łatwością odróżnić wodorowe i deuterowe formy oktanolu, ale nie potrafiły odróżnić analogicznych form benzaldehydu. Aby zademonstrować, że muszki używały swego zmysłu zapachu, by wyczuć wiązania deuterowe, naukowcy poddali testom także zmutowaną formę muszek, którym brakowało receptorów węchu. Jak oczekiwano, te anosmiczne81 mutanty zupełnie nie były w stanie odróżnić odorantów wodorowych od deuterowanych. Posługując się metodą warunkowania Pawłowa, uczeni wytrenowali muszki w łączeniu pewnych związków chemicznych z bodźcem bólowym; łagodnym szokiem elektrycznym ich odnóży. Zespół mógł potem dokonać jeszcze bardziej niezwykłych testów teorii wibracji. Najpierw spowodowali, że muszki unikały związków z wiązaniem węglowo-deuterowym, z charakterystyczną częstością drgań wiązania 66 teraherców. Potem chcieli dowiedzieć się, czy to unikanie może być uogólnione na zupełnie inne związki chemiczne, których wiązania drgają z tą samą częstością. I okazało się, że tak. Zespół odkrył, że muszki unikające wiązań węglowo-deuterowych unikają także związków zwanych nitrylami, których wiązania węglowo-azotowe drgają z tą samą częstością, pomimo że są chemicznie odmienne. Badania stały się mocnym potwierdzeniem wibracyjnej strony węchu, przynajmniej u muszek, i zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Proceedings of the National Academy of Science” w 2011 roku82. W następnym roku Skoulakis i Turin stworzyli zespół z badaczami z University College London, aby rozstrzygnąć delikatną kwestię, czy ludzie też mogą poczuć zapach wibracji. Tym razem nie polegali na bardzo wyostrzonym zmyśle zapachu Turina

i zaangażowali jedenastu obcych ludzi. Najpierw potwierdzili rezultaty Vosshalla i Kellera: ich badani nie mogli wyczuć węchem wiązań węglowo-deuterowych w acetofenonie. Ale zespół zdał sobie sprawę, że z ośmioma węglowo-deuterowymi wiązaniami sygnał z deuterowanej formy związku chemicznego mógł być zbyt słaby i z tego powodu nieodróżnialny dla zwykłego nosa. Dlatego zdecydowali się badać bardziej złożone, pachnące piżmem molekuły (jak te z rysunku 5.2.), które mają aż do dwudziestu ośmiu atomów wodoru, dających się zastąpić deuterem. Tym razem, w przeciwieństwie do acetofenonu, wszyscy badani z łatwością mogli odróżnić normalne zapachy piżma od deuterowanych. Może ludzie rzeczywiście mogą węchem wyczuć molekuły dostrajane do różnych częstości.

Fizycy pociągają nosem Jednym z zarzutów skierowanych przeciwko teorii wibracyjnej było to, że jej teoretyczne podstawy są raczej mętne. W 2007 roku zespół fizyków z University College London zajął się więc tym tematem i przeprowadził kwantowe obliczenia w ramach teorii tunelowania, dochodząc do wniosku, że teoria ta jest „zgodna zarówno z fizyką, jak i obserwowanymi cechami węchu, pod warunkiem że receptory posiadają pewne ogólne cechy”83. Jedna z członkiń zespołu, Jenny Brookes, posunęła się nawet do tego, aby zaproponować rozwiązanie męczącego problemu molekuł będących swymi obrazami lustrzanymi, jak limonen i dipenten (rysunek 5.3.), które mają te same wibracje, ale zupełnie inny zapach. Właściwie to przełożony Jenny i jej mentor, nieżyjący już profesor Marshall Stoneham, jako pierwszy wpadł na pomysł tego, co czasami nazywa się modelem czytnika kart magnetycznych. Stoneham był jednym z czołowych fizyków brytyjskich z szerokim spektrum zainteresowań, od bezpieczeństwa nuklearnego po obliczenia kwantowe, biologię i, szczęśliwie dla tego rozdziału, muzykę: grał na waltorni. Ich teoria jest kwantowym uszczegółowieniem idei Roberta H. Wrighta, że zarówno kształt receptorów węchu, jak i wibracja wiązania molekuły odorantu grają rolę w procesie detekcji zapachu. Zasugerowali, że kieszeń wiążąca w receptorze węchu działa jak czytnik kart magnetycznych. Karty magnetyczne mają pasek magnetyczny, który w czasie odczytu generuje prąd elektryczny w czytniku. Ale nie wszystko pasuje do czytnika: karty muszą być odpowiedniego kształtu i grubości, a pasek magnetyczny musi być przyklejony we właściwym miejscu, by maszyna naszą kartę rozpoznała. Brookes i jej koledzy wysunęli tezę, że receptory węchu działają podobnie. Molekuła odorantu, jak postulował zespół, musi najpierw pasować do chiralnej lewoskrętnej albo prawoskrętnej kieszeni wiążącej, podobnie jak karta kredytowa pasuje do czytnika

bankomatu. A więc odoranty z tymi samymi wiązaniami, ale innymi kształtami, jak lewoskrętna i prawoskrętna wersja tej samej cząsteczki, będą przechwytywane przez różne receptory. Tylko wtedy, gdy odorant dopasuje się do właściwego mu receptora, może stymulować indukowane wibracyjnie tunelowanie, aby neuron węchowy mógł odpalić sygnał; ale ponieważ lewoskrętna molekuła będzie uruchamiać lewoskrętny receptor, to będzie on dawał inny sygnał niż prawoskrętna molekuła uruchamiająca prawoskrętny receptor – i odczucie zapachu powinno być w obu przypadkach inne. Jeśli powrócimy do muzycznej analogii z gitarą spełniającą rolę molekuły odorantu, a struny jej będą wiązaniami molekularnymi, które muszą być szarpnięte, to receptory muszą występować w formie odpowiedniej dla Erica Claptona i formie odpowiedniej dla Jimiego Hendrixa. Obaj mogą grać te same molekularne tony, ale lewo- lub prawoskrętne molekuły muszą być przechwycone przez prawo- albo lewoskrętne receptory, tak jak praworęczni gitarzyści muszą grać na praworęcznej gitarze. A więc choć limonen i dipenten mają te same wibracje, muszą być trzymane przez lewoskrętne lub prawoskrętne receptory węchu. Różne receptory będą przesyłać sygnały do różnych miejsc w mózgu i dlatego będą dawać inne odczucia węchowe. Ta kombinacja kształtu i rozpoznawania kwantowych wibracji przynajmniej dostarcza modelu, który jest zgodny z niemal wszystkimi danymi eksperymentalnymi. Oczywiście sam fakt, że ten model pasuje do danych, nie dowodzi kwantowych podstaw węchu. Dane eksperymentalne dają silną podstawę każdej teorii węchu, która bierze pod uwagę kształt i drgania. Żaden dotychczasowy eksperyment nie potwierdził bezpośrednio, że kwantowe tunelowanie uczestniczy w zapachu. Jednak, przynajmniej dotąd, nieelastyczne kwantowe tunelowanie elektronów jest jedynym mechanizmem, który wyjaśnia, jak białka mogą wykrywać wibracje molekuł zapachowych. Najważniejsza część zagadki węchu, to znaczy struktura receptorów węchu, wciąż pozostaje nierozwiązana. Jej rozwiązanie umożliwiłoby odpowiedzi na ważne pytania: jak kieszenie wiążące dla każdej z molekuł odorantów są do nich dopasowywane, czy molekuły będące swym odbiciem lustrzanym przechwytywane są przez te same receptory i czy molekuły receptora posiadają miejsca donorowe i akceptorowe usytuowane tak, aby sprzyjać nieelastycznemu tunelowaniu elektronów. Pomimo wieloletnich wysiłków bardzo silnych naukowo grup biologów nikomu dotychczas nie udało się wyizolować molekuły receptora węchu odpowiedniej do badań w ten sam sposób, który umożliwił poznanie kwantowego mechanizmu działania enzymów (rozdział 3) albo białek fotosyntetycznych (rozdział 4). Problemem jest to, że w stanie naturalnym receptory węchu są osadzone w błonie komórkowej, trochę jak meduza unosząca się na powierzchni morza. Wydostanie receptora z błony komórkowej jest jak wyciągnięcie meduzy z morza: nie zachowa ona swego kształtu. A nikt dotąd nie znalazł sposobu określenia struktury białek, gdy pozostają one osadzone w błonie komórkowej.

A więc, choć poważne kontrowersje pozostają, jedyna teoria podająca wyjaśnienie, jak muszki i ludzie mogą rozróżniać zapachy normalnych i deuterowanych związków, oparta jest na kwantowym mechanizmie nieelastycznego tunelowania elektronów. Eksperymenty pokazały ostatnio, że zarówno muszki, jak i ludzie, inne owady i nawet ryby są zdolne wywęszyć różnicę pomiędzy wodorowymi i deuterowymi wiązaniami. Jeśli kwantowy węch został odkryty w tak szerokiej gamie stworzeń, to musi być dość szeroko rozpowszechniony. Ludzie, muszki owocowe, amfipriony i mnóstwo innych zwierząt być może zaprzęgli elektron do znikania z jednego miejsca w przestrzeni i natychmiastowego materializowania się w innym miejscu, aby móc wychwycić „wiadomość z rzeczywistości materialnej”, dającą im możliwość zdobycia pożywienia albo partnera – albo drogi do domu. 60 Niestety, ta popularność zagraża teraz rybkom na wolności, ponieważ stały się ulubionym łupem kłusowników, którzy łowią je, aby na rynku akwarystycznym zaspokoić rosnący popyt na amfipriony. Dlatego nie trzymajcie Nemo w swoim domu; on lub ona należy do realnych raf koralowych! 61 Uważa się, że pływy występujące w tym czasie wzmagają rozproszenie ikry. 62 William Shakespeare, Romeo i Julia, akt II, scena 2. Tłumaczenie J. Paszkowski. 63 Biblia Tysiąclecia, Księga Wyjścia 30: 34–35. 64 Zauważcie ukryty rasizm. 65 Cytowane w: A. Le Guerer, Scent: The Mysterious and Essential Power of Smell, Kodadsha America Inc., New York 1994, s. 12. 66 4-izopropenylo-1-metylocykloheksen. 67 Jedna bilionowa ampera, 10–12 A. 68 R. Eisner, Richard Axel: one of the nobility in science, „P&S Columbia University College of Physicians and Surgeons”, vol. 25: 1 (2005). 69 W tym kontekście „podlega ekspresji” oznacza gen, który jest aktywny w tym znaczeniu, że jego informacja jest skopiowana do RNA, a potem wchodzi do mechanizmu syntezy białka, na przykład enzymu albo receptora zapachu, aby było ono kodowane przez ten gen. 70 Tradycyjnie piżmo otrzymywano z wielu źródeł naturalnych, w tym gruczołów płciowych piżmowca, gruczołów piżmowołu, kału kuny leśnej i moczu góralka przylądowego. Ale teraz prawie całe piżmo w perfumach jest pochodzenia syntetycznego.

71 C.S. Sell, On the unpredictability of odor, „Angewandte Chemie”, International Edition (English), 45: 38 (2006), s. 6254–6261. 72 Molekuła chiralna ma nienakładające się na siebie odbicie lustrzane. 73 Hendrix właściwie grał na gitarach dla praworęcznych, ale odwracał struny, tak że wysokie E było w tym samym miejscu, jak gdyby grał na gitarze dla leworęcznych. 74 K. Mori, G.M. Shepherd, Emerging principles of molecular signal processing by mitral/tufted cells in the olfactory bulb, „Seminars in Cell Biology”, vol. 5: 1 (1994), s. 65–74. 75 Na przykład (4S,4aS,8aR)-(K)-geosmina i jej lustrzana cząsteczka (4R,4aR,8aS)-(C)-geosmina, obie pachną stęchłą ziemią. 76 L. Turin, The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell, Faber & Faber, London 2006, s. 4. 77 L. Turin, A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception, „Chemical Senses”, vol. 21: 6 (1996), s. 773–791. 78 Turin, The Secret of Scent, s. 176. 79 C. Burr, The Emperor of Scent: A True Story of Perfume and Obsession, Random House, New York 2003. 80 A. Keller, L.B. Vosshall, A psychophysical test of the vibration theory of olfaction, „Nature Neuroscience”, vol. 7: 4 (2004), s. 337–338. 81 Od słowa anosmia, niezdolność wyczuwania zapachów. U ludzi ta przypadłość związana jest najczęściej z uszkodzeniem nabłonka nosowego, chociaż znane są też rzadkie genetyczne jej formy. 82 M.I. Franco, L. Turin, A. Mershin, E.M. Skoulakis, Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction, „Proceedings of the National Academy of Science”, vol. 108: 9 (2011), s. 3797–3802. 83 J.C. Brookes, F. Hartoutsiou, A.P. Horsfield, A.M. Stoneham, Could humans recognize odor by phonon assisted tunneling?, „Physical Review Letters”, vol. 98: 3 (2007), s. 038101.

6

Motyl, muszka owocowa i kwantowy rudzik Fred Urquhart, urodzony w 1912 roku w Toronto w Kanadzie, uczęszczał do szkoły, która graniczyła z moczarami pokrytymi sitowiem. Tam spędzał wiele czasu, obserwując owady, a szczególnie zamieszkujące w trzcinach motyle. Jego ulubioną porą roku była wczesna wiosna, gdy bagna nawiedzały tysiące danaid wędrownych, motyli o czarno-pomarańczowych skrzydełkach, tak charakterystycznych dla Ameryki Północnej. Danaidy pozostawały przez lato, żywiąc się trojeścią amerykańską, i odlatywały jesienią. A zagadnienie, które szczególnie interesowało Freda, było takie: dokąd odlatują motyle? Jak miał powiedzieć święty Paweł, dorośli zwykle porzucają swe dziecięce zainteresowania. Ale nie Fred, który gdy dorósł, kontynuował swe dociekania, gdzie danaidy spędzają zimę. Po studiach z zoologii na Uniwersytecie w Toronto i otrzymaniu w końcu tytułu profesora powrócił do swych pytań z dzieciństwa. Do tego czasu zdążył się ożenić z Norah Patterson, koleżanką po fachu, a także miłośniczką motyli. Używając klasycznej techniki znakowania zwierząt, Fred i Norah postanowili teraz odkryć sekret znikania danaid. Nie było to łatwe. Podczas gdy obrączki przymocowane do nóżek rudzików albo znaczki przypięte do płetw wielorybich trzymają się dobrze, przymocowanie znacznika na delikatnym skrzydle motyla jest zadaniem o wiele bardziej skomplikowanym. Zespół składający się z męża i żony eksperymentował z lepkimi lub przyklejanymi do skrzydeł owada znacznikami – lecz odklejały się one albo utrudniały motylom latanie. Dopiero w 1940 roku wpadli na właściwe rozwiązanie: cienka przylepna naklejka podobna do tych, które tak trudno zdrapać z wyrobów szklanych. Uzbrojeni w to urządzenie, zaczęli znakować i wypuszczać setki danaid posiadających swój numer i instrukcję mówiącą, że jeśli zostaną znalezione, to należy je „przesłać na wydział zoologii uniwersytetu w Toronto”. Ale danaid były w Ameryce miliony, a tylko dwoje Urquhartów, miłośników motyli.

Para zaczęła zatem rekrutować wolontariuszy i już w 1950 roku zarządzała siecią tysięcy entuzjastów motyli, którzy sami teraz znakowali, wypuszczali, łapali i zapisywali dane setek tysięcy motyli. Wzorzec zaczął się stopniowo ujawniać, gdy Fred z Norah aktualizowali mapę z miejscami wypuszczania i łapania poszczególnych osobników. Motyle, wyruszając z obszaru Toronto, łapane były wzdłuż trasy biegnącej przez Stany Zjednoczone z północnego wschodu do południowego zachodu, przecinającej cały Teksas. Ale pomimo wielu wypraw w teren małżeństwo Urquhartów nie potrafiło zidentyfikować miejsca zimowania tych motyli na terenie stanów południowych. W końcu Urquhartowie zaczęli spoglądać dalej na południe i w 1972 roku sfrustrowana Norah napisała o ich projekcie do gazet w Meksyku, prosząc o pomoc w znakowaniu motyli i zgłaszaniu ich obserwacji. W lutym 1973 roku Kenneth C. Brugger napisał do nich list z Mexico City, oferując swą pomoc. Razem ze swym psem, Kolą, Ken podjął poszukiwania i późnymi wieczorami jeździł swym kamperem po wiejskich okolicach, obserwując motyle. Ponad rok później, w kwietniu 1974 roku, Ken przekazał wiadomość o znalezieniu wielu danaid w rejonie pasma gór Sierra Madre w centralnym Meksyku. Potem, w tym samym roku, Ken doniósł o napotkaniu wielu poszarpanych, martwych ciał motyli wzdłuż dróg w górach Sierra. Norah i Fred odpisali, że ich zdaniem chmarą przelatujących danaid musiały pożywiać się wielkie stada ptaków. Wieczorem 9 stycznia 1975 roku rozemocjonowany Ken zatelefonował do Urquhartów z wiadomością, że „znalazł kolonię! (…) miliony danaid – w roślinach zimozielonych rosnących obok polany górskiej”. Ken powiedział im, że otrzymał wskazówkę od meksykańskich drwali, którzy widzieli roje czerwonych motyli, gdy z objuczonymi osłami podążali szlakiem górskim. Z pomocą National Geographical Society Norah i Fred zorganizowali ekspedycję, mającą znaleźć i opisać nieuchwytne zimowisko danaid, i w styczniu 1976 roku przybyli do Meksyku. Następnego dnia pojechali do wioski, skąd zaczęli wspinać się na „Górę motyli”, na wysokość 3000 metrów. Taka mozolna wspinaczka nie była łatwym zadaniem dla pary seniorów (Fred miał sześćdziesiąt cztery lata) i byli pełni obaw, czy uda im się dojść do szczytu. Niemniej z walącym sercem i pełni wspomnień kolorowych motyli, trzepoczących skrzydłami w promieniach słońca w Toronto, osiągnęli szczyt: płaskowyż rzadko porośnięty jałowcem i ostrokrzewem. Nie było tam motyli. Rozczarowani i wyczerpani zeszli na polanę porośniętą Abies religiosa, gatunkiem jodły typowym dla gór centralnego Meksyku – i to tutaj Fred i Norah nareszcie znaleźli to, czego poszukiwali pół życia: „Masy motyli – wszędzie. W półsennej ciszy przystroiły gałęzie drzew, oblepiły pnie jodeł, ich ogromne legiony zaścieliły ziemię”. Gdy tak stali, patrząc na niezwykły spektakl, złamała się gałąź drzewa i wśród szczątków motyli Fred zobaczył znaną mu białą nalepkę z instrukcją: „odesłać na wydział zoologii Uniwersytetu

w Toronto”. Ten szczególny motyl został oznakowany przez wolontariusza Jima Gilberta w Chaska, w Minnesocie, w miejscu odległym o trzy tysiące dwieście kilometrów!84 Podróż danaid wędrownych uznawana jest teraz za jedną z największych w świecie migracji zwierząt. Każdego roku między wrześniem i listopadem miliony danaid z południowego wschodu Kanady odbywają podróż w kierunku południowo-zachodnim o długości kilku tysięcy kilometrów, która przebiega przez pustynie, prerię, równiny i góry, a po drodze przez geograficzne ucho igielne szerokich na 80 kilometrów dolin rzek pomiędzy Eagle Pass i Del Rio w Teksasie, aby w końcu osiąść w środkowym Meksyku na wysokich szczytach tylko jakiegoś tuzina gór. A potem, po przezimowaniu w górach Meksyku, na wiosnę danaidy podejmują podróż odwrotną na swe letnie żerowiska. A najniezwyklejsze jest to, że żaden pojedynczy motyl nie odbywa całej podróży. Za to rozmnażają się po drodze i w ten sposób motyle powracające do Toronto są wnukami danaid, które wyleciały z Kanady. W jaki sposób te owady tak dokładnie nawigują, że mogą dotrzeć do tak małego celu, odległego o tysiące kilometrów od miejsca ich pochodzenia; celu, który odwiedzili tylko ich przodkowie? To jeszcze jedna z tych ogromnych tajemnic natury, które dopiero teraz zaczynają być rozwiązywane. Jak wszystkie migrujące zwierzęta motyle używają rozmaitych zmysłów, w tym zmysłu wzroku i zapachu, włączając w to słoneczny kompas, w którym zmienne położenie Słońca jest korygowane ich zegarem biologicznym, oscylacyjnym procesem biochemicznym o cyklu okołodobowym, zachodzącym we wszystkich zwierzętach i roślinach. Znamy zegary biologiczne z tego, że czujemy się zmęczeni w nocy i czujni z rana. I jeszcze ze zmęczenia po długiej podróży samolotem, gdy nasz rytm zostaje zaburzony zmianą stref czasowych. Ostatnie dwie dekady obfitowały w serię fascynujących odkryć dotyczących mechanizmu funkcjonowania tych zegarów. Jednym z najbardziej zaskakujących jest odkrycie, że wolontariusze trzymani w izolacji w warunkach stałego oświetlenia wciąż są w stanie utrzymać 24-godzinny cykl aktywności i odpoczynku, pomimo że nie mają ku temu zewnętrznych wskazówek. Wygląda na to, że nasz zegar wewnętrzny, nasz zegar biologiczny, ma charakter sprzętowy. Ten wbudowany zegar, oscylator rytmu dobowego albo zmysł rytmu dobowego, znajduje się w podwzgórzu ukrytym wewnątrz mózgu. Ale chociaż osoby badane w warunkach stałego oświetlenia wciąż utrzymują 24-godzinny cykl, ich zegar biologiczny stopniowo rozregulowuje się względem określonych faz doby, tak że faza czuwania i snu nie są już zsynchronizowane z analogicznymi fazami występującymi u ludzi na zewnątrz laboratorium. Ale gdy powrócą do oświetlenia naturalnego, zegary wewnętrzne badanych osób wkrótce przestawiają się na rzeczywisty rytm dobowy w procesie synchronizacji. Kompas słoneczny danaid działa na zasadzie porównania wysokości Słońca z porą

dnia – zależność ta zmienia się w zależności od szerokości i długości geograficznej. Motyl musi posiadać zegar wewnętrzny, który jak nasz własny jest podobnie automatycznie synchronizowany światłem, aby kompensować zmiany czasu wschodów i zachodów Słońca w czasie ich długiej migracji. Ale gdzie danaidy ukrywają swój zmysł rytmu dobowego? Jak przekonali się Urquhartowie, motyle nie są najłatwiejszym przedmiotem badań; muszka owocowa, Drosophila, z którą mieliśmy do czynienia w poprzednim rozdziale, gdy węchem odnajdywała drogę w labiryncie, jest o wiele dogodniejszym owadem laboratoryjnym, ponieważ rozmnaża się bardzo szybko i łatwo mutuje. Tak jak my muszka owocowa dostosowuje rytm dobowy do cyklu światła i ciemności. W 1998 roku genetycy znaleźli takiego mutanta muszki owocowej, którego rytmu biologicznego nie zakłócała ekspozycja na światło85. Odkryli, że mutacja występowała w genie kodującym białka zwane kryptochromami. Podobnie jak rusztowania z białek w kompleksach fotosyntetycznych, które utrzymywały razem cząsteczki chlorofilu (jak widzieliśmy w rozdziale 4), białko kryptochromu owinięte jest wokół cząsteczki barwnika zwanego FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy), który absorbuje światło niebieskie. Tak jak w fotosyntezie absorpcja światła wybija elektron z barwnika, co prowadzi do powstania sygnału, który przemieszcza się do mózgu muszki i dokonuje synchronizacji jej dobowego cyklu dzień–noc. Mutanty muszki owocowej odkryte w 1998 roku utraciły to białko, a zatem ich zegary biologiczne nie były już dopasowane do cyklu dzień-noc; muszki utraciły zmysł rytmu dobowego. Podobne fotoreceptory znaleziono później w oczach wielu innych zwierząt, łącznie z ludźmi, a nawet w roślinach i fotosyntetyzujących mikrobach, gdzie wspomagają przewidywanie najlepszej pory dnia dla fotosyntezy. Mogą one być reprezentantami bardzo pradawnego zmysłu detekcji światła, który wyewoluował w mikrobach miliardy lat temu w celu synchronizacji aktywności komórkowej z rytmem dziennym. Kryptochromy są także obecne w czułkach danaid. Ten fakt był początkowo zagadkowy: po co barwnik z oka w czułkach? Ale czułki owadów są naprawdę niezwykłymi organami mieszczącymi wielorakie zmysły, łącznie z węchem i słuchem, a także wyczuciem ciśnienia atmosferycznego i nawet grawitacji. Czy również zawierają w sobie owadzi zmysł rytmu dobowego? Aby sprawdzić tę hipotezę, badacze pomalowali na czarno czułki niektórych motyli, uniemożliwiając im odbiór sygnałów świetlnych. Okazało się, że motyle z zamalowanymi czułkami nie mogły dłużej synchronizować swych słonecznych kompasów z cyklem dzień–noc: utraciły zmysł rytmu dobowego. A więc wydaje się, że w czułkach motyli jest ulokowany ich zegar biologiczny. Co niezwykłe, zegar w czułkach motylich może być zsynchronizowany światłem, nawet gdy jest usunięty z ciała owada. Czy kryptochrom był odpowiedzialny za synchronizację świetlną w danaidach? Niestety, nie jest łatwo zmutować geny motyla w porównaniu z mutowaniem genów

muszki owocowej, dlatego w 2008 roku Steven Reppert ze współpracownikami z uniwersytetu w Massachusetts dokonał następującej rzeczy. Zespół wymienił wadliwy gen kryptochromu u mutanta muszki owocowej na zdrowy gen motyla i wykazał, że została przywrócona zdolność muszki do synchronizacji światłem jej rytmu dobowego86. Jeśli kryptochrom motyla zdołał utrzymać zgranie muszek owocowych z rytmem zmian światła, to z dużym prawdopodobieństwem ustawia też zegar wewnętrzny danaid tak, że mogą one lecieć z Toronto aż do Meksyku, nie błądząc po drodze. Ale co to ma wszystko wspólnego z mechaniką kwantową? Odpowiedź ma związek z jeszcze jednym aspektem migracji zwierząt: chodzi o zmysł nazywany „magnetorecepcją” – zdolnością do wykrywania ziemskiego pola magnetycznego. Jak wspominaliśmy w rozdziale 1, wiadomo było od pewnego czasu, że wiele stworzeń, w tym muszki owocowe i motyle, posiadają tę zdolność, i magnetorecepcja, szczególnie u rudzików, stała się symbolem kwantowej biologii. W 2008 roku stało się jasne, że zmysł magnetyczny rudzików wiązał się ze światłem (więcej o tym później), ale natura receptorów światła była trudna do określenia. Steven Reppert zastanawiał się, czy kryptochrom zapewniający muszce czułość na światło, która umożliwia zgranie jej rytmu dobowego, może także być związany ze zmysłem magnetorecepcji. Aby sprawdzić teorię, przeprowadził pewien rodzaj eksperymentu z wyborem kanałów – podobny do eksperymentu Gabriele Gerlach, badającej zmysł nawigacji za pomocą węchu u ryb koralowych (rozdział 5) – w którym zwierzęta zmuszone były do użycia zmysłów, aby wybrać jedną z dróg wiodących do pożywienia. Uczeni odkryli, że muszki mogą być tak uwarunkowane, aby łączyć nagrodę w postaci cukru z obecnością pola magnetycznego. Gdy dostępne były dwie opcje – poruszania się niemagnetyczną odnogą labiryntu (bez pożywienia, a więc bez węchowych wskazówek) albo magnetyczną, wybierały magnetyczną. Muszki musiały wyczuwać pole magnetyczne. A więc czy obecność kryptochromu z tym się wiązała? Badacze odkryli, że mutanty muszki owocowej, u których genetycznie wytworzono brak kryptochromu, równie chętnie latały obiema odnogami labiryntu, co wskazywało na to, że kryptochrom był istotny dla zmysłu wyczuwania pola magnetycznego. W publikacji z 2010 roku grupa Repperta wykazała także, że muszki zachowywały swój zmysł magnetyczny nawet wtedy, gdy ich gen kryptochromu był zamieniany przez gen kodujący kryptochrom u danaid87 – co wskazuje na to, że motyl może również używać kryptochromu do detekcji magnetycznego pola Ziemi. Rzeczywiście, publikacja tej samej grupy z 2014 roku pokazuje, że tak jak europejski rudzik z rozdziału 1 danaidy posiadają zależną od światła busolę inklinacyjną, której używają do nawigacji od Wielkich Jezior do szczytów w Meksyku; i, jak oczekiwano, jest ona ulokowana w ich czułkach88. Ale jak barwnik światłoczuły wykrywa także niewidoczne pole magnetyczne? Aby

odpowiedzieć na to pytanie, musimy powrócić do naszego przyjaciela – europejskiego rudzika.

Ptasia busola Jak już wspominaliśmy w rozdziale 1, nasza planeta podobna jest do gigantycznego magnesu z polem magnetycznego wpływu, rozciągającym się od jej wewnętrznego jądra aż głęboko w kosmos na tysiące kilometrów. Ten namagnetyzowany bąbel, „magnetosfera”, chroni całe ziemskie życie, ponieważ bez niej wiatr słoneczny – strumień energetycznych cząstek emitowanych przez Słońce – mógłby już dawno zniszczyć naszą ziemską atmosferę. I, w przeciwieństwie do magnetyzmu zwykłego magnesu sztabkowego, pole ziemskie zmienia się wraz z upływem czasu, ponieważ jego źródłem jest ziemskie jądro, składające się z roztopionego żelaza. Dokładne określenie źródła tego magnetyzmu jest dość skomplikowane, ale uważa się, że jest skutkiem tak zwanego efektu geodynama, w którym przepływ ciekłego metalu w ziemskim jądrze wytwarza prądy elektryczne, a te wytwarzają pole magnetyczne. A więc życie na Ziemi zawdzięcza swą egzystencję temu ochronnemu polu magnetycznemu. Ale jego użyteczność dla istot żywych nie kończy się na tym; naukowcy wiedzieli od ponad stulecia, że wiele gatunków pod wpływem ewolucji posiadło metody jego wykorzystania. Tak jak marynarze używali od tysięcy lat ziemskiego pola magnetycznego do nawigacji na oceanach, wiele innych ziemskich stworzeń, łącznie z morskimi i lądowymi ssakami, ptakami (takimi jak rudzik) i owadami, na skutek ewolucji wykształciło w ciągu milionów lat zmysł wykrywania ziemskiego pola magnetycznego i używania go do nawigacji. Najwcześniejsze dowody tych zdolności przedstawił rosyjski zoolog, Aleksandr von Middendorf (1815–1894), który notował miejsca i daty przylotów kilku rodzajów migrujących ptaków. Na podstawie tych danych wykreślił pewną liczbę krzywych na mapie, które nazwał isepipteses (liniami jednoczesnego przybycia). Z tych krzywych, które odzwierciedlają kierunki, z jakich przybyły ptaki, wywnioskował, że była „ogólna zbieżność w kierunku północnym”, ku magnetycznemu biegunowi północnemu. Gdy publikował swe odkrycia w latach pięćdziesiątych XIX wieku, zasugerował, że migrujące ptaki orientują się względem ziemskiego pola magnetycznego, nazywając je „żeglarzami powietrznymi”, potrafiącymi nawigować „wbrew wiatrowi, pogodzie, nocy albo chmurom”89. Większość innych dziewiętnastowiecznych zoologów była sceptyczna. Paradoksalnie nawet ci uczeni, którzy byli gotowi wierzyć w bardziej dziwaczne, pseudonaukowe paranormalne zjawiska – a było wielu takich prominentnych uczonych w końcu wieku

XIX – nie mogli uwierzyć, że linie sił pola magnetycznego mogą mieć wpływ na życie. Na przykład Joseph Jastrow, amerykański psycholog i psychiatra, w lipcu 1886 roku opublikował w „Science” list zatytułowany Istnienie magnetycznego zmysłu. Opisał w nim eksperymenty, jakie przeprowadził, chcąc stwierdzić, czy istnieje jakiś wpływ pola magnetycznego na ludzi – ale przyznał, że nic takiego nie istnieje. A jednak gdy od Jastrowa przejdziemy do wieku XX, szybko natkniemy się na prace Henry’ego Yeagleya, amerykańskiego fizyka, który prowadził badania dla amerykańskiej armii podczas II wojny światowej. Nawigacja ptaków interesowała wojskowych, ponieważ gołębie pocztowe wciąż były używane do przesyłania wiadomości, a inżynierowie lotniczy mieli nadzieję na poznanie ich zdolności nawigacyjnych. Lecz to, jak ptaki potrafią nieomylnie znaleźć drogę powrotną do domu, wciąż pozostawało zagadką. Yeagley stworzył teorię, według której gołębie pocztowe mogą odczuwać zarówno ruch obrotowy Ziemi, jak i jej pole magnetyczne. To, jak dowodził, prowadzi do działania w ich mózgu „siatki nawigacyjnej”, wskazującej im współrzędne geograficzne zarówno długości, jak i szerokości. Nawet dokonał testów swej teorii, przyczepiając małe magnesy do skrzydeł dziesięciu gołębi i niemagnetyczne paski miedzi o tej samej wadze do skrzydeł następnych dziesięciu gołębi. Osiem z dziesięciu gołębi z paskami miedzi doczepionymi do skrzydeł potrafiło powrócić do domu, ale tylko jeden z dziesięciu gołębi z przyczepionymi magnesami powrócił do swego gniazda. Yeagley doszedł do wniosku, że ptaki posługują się zmysłem nawigacji magnetycznej, który można zaburzyć magnesem90. Chociaż wnioski z jego eksperymentów początkowo zostały zlekceważone jako zbyt daleko idące, kilku badaczy od tamtej pory ustaliło ponad wszelką wątpliwość, że wiele gatunków zwierząt ma wrodzone zdolności wyczuwania pola magnetycznego, umożliwiające im ustalanie kierunku. Na przykład żółwie morskie są zdolne bez pomocy punktów orientacyjnych do powrotu na te same plaże, gdzie się narodziły, położone tysiące kilometrów od ich morskich żerowisk. Badacze wykazali, że ich zmysł nawigacji jest niszczony, jeśli do ich głowy przyczepić silny magnes. W 1997 roku zespół z Uniwersytetu Auckland w Nowej Zelandii opublikował w „Nature” badania sugerujące, że pstrąg tęczowy używa komórek magnetorecepcyjnych znajdujących się w nosie91. Jeśli zostanie to potwierdzone, będzie to pierwszy przykład gatunku, który zdolny jest węchem ustalać kierunek ziemskiego pola magnetycznego! Mikroby używają ziemskiego pola magnetycznego do pomocy w nawigacji w mętnych wodach, a nawet organizmy, które nie migrują, takie jak rośliny, wydają się utrzymywać zmysł magnetorecepcji. Co do zdolności zwierząt do wykrywania ziemskiego pola magnetycznego nikt już nie ma wątpliwości. Zagadką pozostaje to, jak one to robią, bowiem ziemskie pole jest bardzo słabe i normalnie nikt by nie przypuszczał, że może ono wpływać na reakcje chemiczne zachodzące w żywym organizmie. Istnieją dwie główne teorie i obie

z dużym prawdopodobieństwem dotyczą różnych gatunków zwierząt. Pierwsza głosi, że zmysł ten funkcjonuje jak konwencjonalny kompas magnetyczny, podczas gdy druga mówi, że magnetorecepcja jest kompasem chemicznym. Pierwsza idea – że jakaś forma mechanizmu konwencjonalnego kompasu ulokowana jest wewnątrz zwierzęcego ciała – została umocniona przez odkrycie w wielu zwierzętach i mikrobach, które wydają się posiadać zmysł magnetyczny, maleńkich kryształków magnetytu, naturalnie występującego minerału, magnetycznego tlenku żelaza. Na przykład bakterie, które używają zmysłu magnetycznego do orientowania się w mulistych osadach morskich, często są wypełnione kryształkami magnetytu o kształtach pocisku. W późnych latach siedemdziesiątych XX wieku magnetyt został odkryty w ciałach różnorodnych gatunków zwierząt, które nawigują z pomocą ziemskiego pola magnetycznego. Co istotne, znaleziono go wewnątrz neuronów w górnej części dziobów najbardziej znanych ptasich nawigatorów, gołębi pocztowych92, co sugeruje, że ich neurony są wrażliwe na sygnały magnetyczne wychwytywane przez kryształki magnetytu. Najnowsze badania wykazały, że gołębie są zdezorientowane i tracą zmysł wykrywania pola ziemskiego, gdy małe magnesy doczepia się do górnej części ich dziobów, gdzie zlokalizowane są neurony wypełnione magnetytem93. Wydawało się, że w końcu wykryto źródło zmysłu magnetorecepcji. Jednak wszystko zaczęło się od początku w 2012 roku, gdy w „Nature” pojawiła się publikacja opisująca szczegółowe 3D obrazowanie MRI dziobu gołębia, które dowiodło, że te komórki zawierające magnetyt prawie na pewno nie mają nic wspólnego z magnetorecepcją, lecz są w istocie bogatymi w żelazo makrofagami, które biorą udział w procesie uodpornienia na patogeny, a nie, jak dotąd uważano, w percepcji sensorycznej94. Właśnie w tym punkcie powinniśmy zegar przesunąć wstecz i powrócić do niezwykłego niemieckiego ornitologa, Wolfganga Wiltschko, którego spotkaliśmy w rozdziale 1. Wiltschko zainteresował się nawigacyjnymi zdolnościami ptaków w 1958 roku, gdy dołączył do grupy badawczej z Frankfurtu kierowanej przez Fritza Merkela. Merkel był w tym czasie jednym z niewielu naukowców badających zmysł magnetyczny zwierząt. Jeden z jego studentów, Hans Fromme, już wtedy pokazał, że niektóre ptaki mogą orientować się wewnątrz zamkniętego i pozbawionego cech charakterystycznych pokoju, co wskazywało, że ich zdolności nawigacyjne nie są oparte na wizualnych wskazówkach. Fromme zaproponował dwa możliwe mechanizmy: albo ptaki odbierają jakiś rodzaj sygnałów radiowych z gwiazd, albo mogą wyczuwać ziemskie pole magnetyczne. Wolfgang Wiltschko podejrzewał, że występuje tutaj ten drugi mechanizm. Jesienią roku 1963 Wiltschko zaczął przeprowadzać eksperymenty z europejskimi rudzikami, które, jak pamiętacie, migrują pomiędzy Europą Północną i Afryką

Północną. Umieszczał rudziki, schwytane pośrodku podróży, wewnątrz magnetycznie ekranowanych komór, a potem poddawał ptaki działaniu słabego, sztucznego statycznego pola magnetycznego wytwarzanego w urządzeniu zwanym cewką Helmholtza, które może naśladować ziemskie pole geomagnetyczne, ale kierunek i natężenie tego sztucznego pola da się zmieniać. Odkrył wtedy, że ptaki schwytane podczas migracji jesiennej lub wiosennej stają się niespokojne i skupiają się w tej części komory, która odpowiada kierunkowi ich migracji względem sztucznego pola magnetycznego. Po dwóch latach skrupulatnych starań opublikował w 1965 roku swe odkrycia wskazujące, że ptaki odczuwały kierunek pola magnetycznego, w którym się znajdowały, i dlatego przypuszczał, że mogły podobnie wykrywać ziemskie pole magnetyczne. Te eksperymenty nadały idei magnetorecepcji ptaków charakter naukowy i spowodowały dalsze badania. Ale w tym czasie nikt nie miał zielonego pojęcia, jaki jest mechanizm tego zmysłu – jak zewnętrzne pole magnetyczne Ziemi mogłoby wpływać na organizm zwierzęcy. Uczeni nie byli nawet zgodni co do tego, gdzie w organizmie znajdują się organy sensoryczne magnetorecepcji. Nawet po tym, jak znaleziono kryształki magnetytu w ciałach kilku gatunków zwierząt, co wskazywałoby na konwencjonalny mechanizm kompasu magnetycznego, zdolności nawigacyjne rudzików pozostawały tajemnicą, ponieważ w ciałach tych ptaków magnetytu nie wykryto. Zmysł rudzików wykazywał także kilka zagadkowych cech, które nie pasowały do mechanizmu kompasu, zwłaszcza że ptaki traciły tę zdolność, gdy miały zakryte oczy, co wskazuje, że muszą „widzieć” ziemskie pole magnetyczne. Ale w jaki sposób jakiekolwiek zwierzę może widzieć pole magnetyczne? Dopiero w 1972 roku Wiltschkowie (Wolfgang do tego czasu połączył siły ze swą żoną Roswithą) odkryli, że mechanizm działania kompasu rudzików nie był podobny do żadnego, jaki badali. Normalny kompas ma igłę magnetyczną, której jeden koniec (to biegun południowy) przyciągany jest do północnego bieguna ziemskiego, podczas gdy ten drugi koniec wskazuje biegun południowy. Ale jest pewien inny rodzaj kompasu, który nie odróżnia biegunów magnetycznych. Ten kompas, jak zapewne pamiętacie z rozdziału 1, zwany jest busolą inklinacyjną i wskazuje na biegun, który jest najbliżej, dlatego może jedynie wskazać, czy kierujesz się ku biegunowi, czy też w przeciwnym kierunku, bez względu na to, który jest to biegun. Jednym ze sposobów uzyskiwania tego typu informacji jest pomiar kąta, jaki tworzą linie pola z powierzchnią Ziemi (rysunek 6.1.). Ten kąt inklinacji (stąd nazwa tego rodzaju kompasów) jest równy prawie 90 stopni (linie prawie prostopadłe do powierzchni) blisko biegunów, ale prawie równy zero w pobliżu równika. Pomiędzy równikiem i biegunami linie pola magnetycznego skierowane są pod kątem mniejszym od 90°, a wierzchołek tego kąta jest skierowany ku najbliższemu biegunowi. A więc każde urządzenie, które mierzy ten kąt, może działać jak busola inklinacyjna i dostarczać informacji o kierunku.

Rysunek 6.1. Linie ziemskiego pola magnetycznego i kąt inklinacji.

W eksperymentach z 1972 roku Wiltschkowie zamykali badane ptaki w ekranowanym pomieszczeniu i poddawali je działaniu sztucznie wytworzonego pola magnetycznego. Co najważniejsze, odwracanie polaryzacji pola przez obracanie magnesu o 180° nie miało żadnego wpływu na ich zachowanie: ptaki orientowały się na najbliższy biegun magnetyczny, którykolwiek by to był; a więc nie posiadały konwencjonalnego kompasu. W publikacji z 1972 roku ustalono, że magnetoreceptor rudzików był istotnie busolą inklinacyjną. Ale na jakiej zasadzie działała, pozostawało zagadką. Potem, w 1974 roku, Wolfgang i Roswitha zostali zaproszeni na Uniwersytet Cornella w USA przez amerykańskiego eksperta w dziedzinie migracji ptaków, Steve’a Emlena. W latach sześćdziesiątych XX wieku stworzył on razem ze swym ojcem Johnem, także bardzo szanowanym ornitologiem, specjalną ptasią klatkę, znaną jako lejek Emlena95. Ukształtowany jak odwrócony stożek, lejek ten miał poduszkę do tuszu na dnie i arkusz bibuły na wnętrzu skośnych ścian (rysunek 6.2.). Gdy ptak podskakiwał lub trzepotał skrzydłami po nachylonych ścianach klatki, pozostawiał charakterystyczne ślady, które dawały informację o wybranym kierunku, w którym by wyfrunął, jeśli mógłby uciec. Gatunkiem badanych przez Wiltschków ptaków były łuszczyki indygowe, małe amerykańskie ptaszki śpiewające, które podobnie do europejskich rudzików migrowały przy użyciu czegoś w rodzaju wewnętrznego kompasu. Trwające rok badania zachowań tych ptaków wewnątrz lejka Emlena, opublikowane w 1976 roku96, dowodziły niezbicie, że łuszczyki, podobnie jak rudziki, były zdolne do wykrywania pola geomagnetycznego. Wolfgang Wiltschko uważał publikację tej pierwszej pracy wykonanej w Cornell za przełom, bo wykazano w niej ponad wszelką wątpliwość, że migrujące ptaki mają wbudowany kompas magnetyczny – i przyciągnęła uwagę wielu światowej sławy ornitologów.

Rysunek 6.2. Klatka lejek Emlena.

Oczywiście nikt w połowie lat siedemdziesiątych XX wieku nie miał zielonego pojęcia, jak mógłby działać biologiczny kompas magnetyczny. Jednak, jak wspomnieliśmy w rozdziale 1, w tym samym roku, w którym Wiltschkowie i Stephen Emlen opublikowali swoją pracę, niemiecki chemik Klaus Schulten zaproponował chemiczny mechanizm, który wiązał magnetorecepcję ze światłem. Schulten dopiero co uzyskał doktorat na Harvardzie z chemii fizycznej i powrócił do Europy, gdzie otrzymał posadę w Instytucie Chemii Biofizycznej imienia Maxa Plancka w Getyndze. Tam zainteresował się możliwością splątania kwantowego elektronów generowanych w reakcji szybkiego trypletu pod wpływem ekspozycji na światło. Jego obliczenia sugerowały, że jeśli rzeczywiście występowało splątanie w reakcjach chemicznych, to na szybkość tych reakcji powinna mieć wpływ obecność zewnętrznego pola magnetycznego, i zaproponował sposób, jak sprawdzić jego teorię. Gdy tak swobodnie opowiadał o swych pomysłach, zyskał w instytucie reputację nieco szalonego naukowca. Rzecz w tym, że był teoretykiem pracującym z papierem, ołówkiem i komputerem, a nie chemikiem, zwłaszcza eksperymentatorem odzianym w fartuch i przeprowadzającym ten rodzaj doświadczeń chemicznych, które mogłyby potwierdzić jego pomysły. W ten sposób był w położeniu wielu teoretyków, którzy wynajdywali zgrabne idee, ale potem musieli znaleźć życzliwych eksperymentatorów chcących poświęcić swój napięty harmonogram badań, aby zbadać teorię, która częściej niż rzadziej okazywała się pomyłką. Schulten nie miał szczęścia w nakłanianiu kolegów chemików do zbadania swego pomysłu, ponieważ żaden z nich nie uważał, że zaproponowany przez niego eksperyment mógłby mieć szansę na sukces.

Źródłem tego sceptycyzmu, jak odkrył Schulten, był kierownik laboratorium w instytucie, Hubert Staerk. Schulten wreszcie zebrał się na odwagę, aby skonfrontować się ze Staerkiem w jego gabinecie, gdzie w końcu dowiedział się, jaki jest powód tego sceptycyzmu: Staerk już wykonał taki eksperyment i nie znalazł żadnego efektu pola magnetycznego. Schulten był jak rażony gromem. Wydawało się, że jego hipoteza podzieliła los, opisany przez biologa Thomasa Huxleya, jako jeszcze jedna „piękna teoria (…) przekreślona przez paskudny fakt”. Po podziękowaniu Staerkowi za przeprowadzony eksperyment przygnębiony Schulten już miał opuścić jego gabinet, gdy nagle odwrócił się i zapytał, czy mógłby przejrzeć te rozczarowujące wyniki. Kiedy Staerk pokazał mu je, nastrój Schultena nagle uległ zmianie. Zauważył coś, co umknęło uwadze Staerka: mały, lecz znaczący skok w danych, który przewidział. Jak wspominał, było to „dokładnie to, czego oczekiwałem, i dlatego byłem tak szczęśliwy, że to ujrzałem. Klęska obróciła się w moment szczęścia, ponieważ ja wiedziałem, czego szukać. On nie”97. Schulten natychmiast zaczął pisać to, co według niego musiało być publikacją dokonującą naukowego przełomu – ale wkrótce miał doznać kolejnego szoku. Sącząc na konferencji drinka z koleżanką, Marią-Elisabeth Michel-Beyerle z Technicznego Uniwersytetu w Monachium, odkrył, że ona wykonała dokładnie taki sam eksperyment. To spowodowało etyczny dylemat u Schultena. Mógłby ujawnić jej swoje odkrycie, co mogło skłonić Michel-Beyerle do natychmiastowego powrotu do Monachium, aby napisać swą publikację, która mogła wyprzedzić jego własną; albo mógł znaleźć jakąś wymówkę, by się ulotnić, i szybko napisać swą własną publikację. Ale jeśli umknie bez słowa, a potem pierwszy opublikuje swe wyniki, Michel-Beyerle mogłaby później oskarżyć go o kradzież jej pomysłu. Tak wspomina swe myśli: „Jeśli teraz nie powiem, co wiem, ona może powiedzieć, że wróciłem do domu, aby zrobić doświadczenie”98. W końcu Schulten wyznał prawdę Michel-Beyerle, że wykonał podobną pracę. Oboje pozostali do końca konferencji, a potem rozjechali się do domów, by napisać swe publikacje (Schultena ukazała się trochę wcześniej niż Michel-Beyerle) z odkryciem, że dziwna własność kwantowego splątania może mieć wpływ na reakcje chemiczne. Publikacja Schultena z 1976 roku99 sugerowała, że kwantowe splątanie jest odpowiedzialne za szybkość egzotycznej reakcji szybkiego trypletu, badanej w laboratorium Maxa Plancka; ale jego przełomowa praca prezentowała także dane eksperymentalne Staerka, które jasno wskazywały, że reakcja chemiczna była czuła na pole magnetyczne. Mając dwa wielkie rezultaty „w kieszeni”, wielu badaczy byłoby zadowolonych, ale Schulten, jeszcze przed trzydziestką, wciąż wykazywał nieostrożność charakterystyczną dla młodych i szykował się na wystawienie głowy jeszcze bardziej. Wiedząc o pracach Wiltschków o migracji rudzików i problemie ze znalezieniem odpowiedniego chemicznego mechanizmu dla biologicznego kompasu, zdał sobie sprawę, że jego wirujące elektrony mogłyby dostarczyć takiego mechanizmu;

i w swej publikacji z 1978 roku zaproponował, że kompas ptasi opiera się na splątanej kwantowo parze rodników. W tym czasie prawie nikt nie potraktował tego pomysłu poważnie. Koledzy Schultena w Instytucie Maxa Plancka uważali to za jeszcze jedną z jego szalonych idei, a edytorzy „Science”, jednego z najważniejszych czasopism naukowych, do którego najpierw posłał swą publikację, byli podobnie niewzruszeni, co wyrazili, pisząc: „Mniej odważny badacz uznałby ten pomysł za wart wrzucenia do kosza na śmieci”100. Schulten tak opisuje swoją odpowiedź: „Podrapałem się w głowę i pomyślałem: «To albo wielka idea, albo całkiem głupia». Zdecydowałem, że jednak to wielka idea, i szybko opublikowałem w niemieckim czasopiśmie!”101. Ale wówczas większość naukowców, o ile wiedziała o tym, zaszufladkowała teorię Schultena jako spekulatywną teorię z pseudonaukowym i paranormalnym wyjaśnieniem magnetorecepcji. Zanim zobaczymy, jak prace Schultena i Wiltschków mogłyby wyjaśnić sposób, w jaki ptaki odnajdują drogę na całym świecie, musimy powrócić do tajemniczego świata kwantów i przyjrzeć się dokładnie zjawisku splątania, które pokrótce opisaliśmy w pierwszym rozdziale tej książki. Pamiętacie zapewne, że splątanie było tak dziwne, że nawet Einstein uważał je za nieprawdziwe. Najpierw jednak musimy zapoznać się z jeszcze jedną dziwną własnością świata kwantów – spinem.

Kwantowy spin i upiorne działanie Wiele popularnonaukowych książek o mechanice kwantowej używa pojęcia „kwantowy spin”, aby podkreślić obcość świata subatomowego. My postanowiliśmy tutaj tego nie robić po prostu dlatego, że jest to pojęcie niedające się dostatecznie jasno określić za pomocą języka powszedniego. Ale nie możemy tego dalej odkładać, a więc zaczynamy. Właśnie tak jak Ziemia obraca102 się wokół swojej osi, gdy porusza się po orbicie wokół Słońca, tak elektrony i inne subatomowe cząstki mają własność nazywaną spinem, która jest odmienna od ich normalnego ruchu. Ale, jak napomykaliśmy w rozdziale 1, ten „kwantowy spin” jest niepodobny do wszystkiego, co moglibyśmy zwizualizować w oparciu o powszednie doznania związane z obiektami wirującymi, jak piłki tenisowe albo planety. Na początek nie ma zupełnie sensu mówienie o prędkości wirującego elektronu, bo jego spin ma tylko dwie możliwe wartości: jest skwantowany, tak jak energia jest skwantowana na kwantowym poziomie. Elektrony mogą tylko – w ogólnym znaczeniu – wirować albo w kierunku ruchu wskazówek zegara, albo w kierunku przeciwnym, co zwykle odpowiada określeniom stanu „spin

w górę” albo „spin w dół”. A ponieważ jest to świat kwantów, elektron może, gdy nie jest obserwowany, wirować w obu kierunkach jednocześnie. Mówimy, że jego spin jest w stanie superpozycji (tj. kombinacji lub mieszaniny) spinu w górę i spinu w dół. W pewnym sensie to brzmi jeszcze dziwniej niż powiedzenie, że elektron może być w dwóch położeniach jednocześnie – bo jak pojedynczy elektron w tym samym czasie może obracać się w kierunku ruchu wskazówek zegara i w kierunku przeciwnym? I tylko aby podkreślić, jak sprzeczne z intuicją może być pojęcie kwantowego spinu, dodajmy, iż obrót o 360° nie powoduje, że elektron powraca do stanu wyjściowego; aby tego dokonać, musi zrobić dwa pełne obroty. To brzmi dziwnie, ponieważ wciąż mamy nawyk myślenia o elektronie jak o malutkiej kuleczce, czymś podobnym do mikroskopijnej piłeczki tenisowej. Ale piłeczki tenisowe są mieszkankami makroświata, a elektrony zamieszkują subatomowy świat kwantów, gdzie prawa są odmienne. Istotnie elektrony nie tylko nie są malutkimi kulkami – nie można nawet powiedzieć, żeby miały jakikolwiek rozmiar. A więc podczas gdy kwantowy spin jest tak „realny”, jak wirowanie piłki tenisowej, nie ma on swego odpowiednika w znanym nam świecie i nie można go sobie wyobrazić. Jednak nie myślcie, że jest to po prostu abstrakcyjna matematyczna koncepcja istniejąca tylko w podręcznikach i na niezrozumiałych wykładach z fizyki. Każdy elektron w twoim ciele, i gdziekolwiek we Wszechświecie, wiruje w ten szczególny sposób. Faktycznie, gdyby tego nie robiły, świat, jaki znamy, razem z nami, po prostu by nie istniał, ponieważ kwantowy spin odgrywa kluczową rolę w jednej z najważniejszych idei w nauce, zakazie Pauliego, na którym opiera się cała chemia. Jedną z konsekwencji zakazu Pauliego jest to, że jeśli elektrony są sparowane w atomie lub cząsteczce i mają tę samą energię (przypomnijmy sobie z rozdziału 3, że wiązania chemiczne, które spajają razem cząsteczki, są wynikiem tego, że elektrony są wspólne dla kilku atomów), to wtedy muszą mieć przeciwne spiny. Możemy wtedy myśleć, że ich spiny nawzajem się znoszą, i mówimy o nich, że są w stanie spinowym singletu, ponieważ mogą zajmować pojedynczy stan. To normalny stan par elektronów w atomach i większości molekuł. Jednak gdy nie są ze sobą sparowane na tym samym poziomie energetycznym, dwa elektrony mogą wirować w tym samym kierunku, i ten stan spinowy zwany jest trypletem103, jak w reakcji, którą badał Schulten104. Może już poznaliście bardzo wątpliwe twierdzenie, że bliźniaki jednojajowe są w stanie wyczuwać nawzajem swoje stany emocjonalne, nawet gdy są odseparowane dużymi odległościami. Idea ta głosi, że w jakiś sposób, który nauka musi dopiero poznać, istnieje połączenie na poziomie psychicznym między bliźniakami. Podobne twierdzenia mają jakoby wyjaśnić fakt, że psy wyczuwają, kiedy ich właściciele powracają do domów. Powinniśmy od razu wyjaśnić, że żaden z tych przykładów nie ma naukowej wartości, chociaż pewni ludzie błędnie starali się przypisać do nich mechanizm kwantowy. Jednak chociaż takie „natychmiastowe działanie na odległość”

(jak to się często określa) nie występuje w naszym codziennym, klasycznym świecie, jest to kluczowe zjawisko kwantowej domeny. Jego naukowa nazwa brzmi nielokalność albo splątanie i odnosi się do idei, że coś dziejące się „tutaj” ma natychmiastowy wpływ na to, co dzieje się „tam”, bez względu na to, jak daleko od siebie znajdują się „tutaj” i „tam”. Weźmy pod uwagę parę kości do rzucania. Łatwo obliczyć prawdopodobieństwo wyrzucenia pary. Dla każdej liczby, jaką wyrzuci się pierwszą kością, istnieje jedna na sześć szans wyrzucenia tej samej liczby drugą kością. Na przykład prawdopodobieństwo wyrzucenia pierwszą kością czwórki wynosi 1/6, a szansa wyrzucenia podwójnej czwórki jest jak jeden do trzydziestu sześciu (ponieważ 1/6 x 1/6 = 1/36). Tak więc szansa wyrzucenia jakiejkolwiek dwójki liczb wynosi jeden do sześciu. A mnożąc 1/6 przez 1/6, dziesięć razy obliczymy prawdopodobieństwo wyrzucenia podwójnej liczby dziesięć razy z rzędu (bez względu na to, jaka to liczba – na przykład podwójna czwórka raz, podwójna jedynka drugi raz i tak dalej), i wynosi ono około jednego do sześćdziesięciu milionów! To znaczy, że jeśli każda osoba w Wielkiej Brytanii miałaby rzucać parą kości dziesięć razy pod rząd, to statystycznie ujmując, tylko jedna z nich wyrzuci pary liczb za każdym razem. Ale wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z parą kości, które gdy się je rzuca razem, zawsze lądują tak, że jest para liczb. Liczba, którą obie wskazują, pojawia się losowo, zwykle za każdym razem jest inna, ale obie kości po rzucie zawsze układają się tak, że wskazują tę samą liczbę. Oczywiście natychmiast zakładamy, że jest to jakieś oszustwo. Być może te kości mają jakiś wewnętrzny ukryty mechanizm, który wpływa na ich ruch, tak że lądują na liczbach w identycznie zaprogramowanej sekwencji? Aby sprawdzić tę teorię, wyrzucamy jedną kość, a drugą trzymamy w ręce, ale potem wyrzucamy obie. Teraz zaprogramowana sekwencja ulega zaburzeniu, a więc trik powinien nie zadziałać. Ale pomimo tego fortelu kości ciągle lądują tak, że jest wyrzucona para liczb. Inne wytłumaczenie jest takie, że kości muszą jakoś dokonywać ponownej synchronizacji przed każdym rzutem poprzez wymianę sygnałów na odległość. Chociaż taki mechanizm wydaje się dość skomplikowany, to przynajmniej można wyobrazić sobie jego zasady. Jednak każdy z takich mechanizmów powinien podlegać ograniczeniom narzuconym przez teorię względności Einsteina, zgodnie z którą żaden sygnał nie może poruszać się szybciej od światła w próżni. To umożliwia przeprowadzenie testu, czy jakieś sygnały są przekazywane między kośćmi: wszystko, czego trzeba, to rozdzielenie kości na wystarczająco dużą odległość, aby niemożliwa była jakakolwiek synchronizacja pomiędzy rzutami. A więc wyobraźmy sobie, że dokonujemy tego samego triku jak powyżej, ale zorganizowaliśmy test tak, aby jedną kością rzucać na Ziemi, a drugą równocześnie na Marsie. Nawet w najbliższym Ziemi położeniu światło musi lecieć cztery minuty między obu planetami, a więc każdy

synchronizujący sygnał musi podlegać temu opóźnieniu. Aby temu zapobiec, aranżujemy podwójne rzuty w krótszych odstępach czasu od tego opóźnienia. To powinno zapobiec synchronizacji kości pomiędzy rzutami. Jeśli pomimo to nadal wyrzucane są pary liczb, to musi być jakiś bliski związek pomiędzy nimi, który narusza słynne ograniczenie Einsteina. Chociaż powyższy eksperyment nie został wykonany z użyciem międzyplanetarnych kości, analogiczne eksperymenty wykonano ze splątanymi cząstkami na Ziemi i ich rezultaty wskazują, że odseparowane cząstki mogą dokonywać podobnego rodzaju trików, co nasze wymyślone kości: ich stany mogą pozostawać skorelowane niezależnie od odległości, jaka je dzieli. Ta dziwaczna własność kwantowego świata wydaje się nie respektować einsteinowskiej kosmicznej granicy prędkości, bo cząstka w jednym miejscu może natychmiast wpływać na inną, bez względu na to, jak daleko się od niej znajduje. Pojęcie „splątanie”, opisujące to zjawisko, było ukute przez Schrödingera, który, wraz z Einsteinem, nie był zwolennikiem tego, co Einstein nazwał „upiornymi działaniami na odległość”. Ale mimo ich krytycyzmu istnienie kwantowego splątania zostało udowodnione w wielu eksperymentach i jest ono jedną z najbardziej podstawowych idei w mechanice kwantowej, i ma wiele zastosowań i przykładów w fizyce oraz chemii – a jak zobaczymy, być może także w biologii. Aby zrozumieć, jak kwantowe splątanie wiąże się z biologią, musimy połączyć dwie idee. Pierwszą jest to natychmiastowe połączenie poprzez przestrzeń między dwoma cząstkami: splątanie. Drugą jest zdolność pojedynczej cząstki kwantowej do jednoczesnego bycia w superpozycji dwóch lub więcej stanów: na przykład elektron wirujący w dwóch kierunkach jednocześnie, o którym mówimy, że jest w superpozycji stanów ze spinem „w dół” i spinem „w górę”. Łączymy te dwie idee i mamy dwa splątane elektrony w atomie, a każdy z nich jest w superpozycji swoich dwóch stanów. Chociaż żaden z nich nie ma określonego kierunku spinu, cokolwiek robi jeden z nich, wpływa na drugi i odwrotnie – cokolwiek robi drugi, wpływa na pierwszy. Ale pamiętajmy, że pary elektronów w tym samym atomie są zawsze w stanie singletowym, co oznacza, że cały czas muszą mieć spiny skierowane przeciwnie: jeden musi być w stanie ze spinem w górę, a drugi w stanie ze spinem w dół. Tak więc chociaż oba elektrony jednocześnie są w superpozycji stanów spin w górę i spin w dół, w szczególny kwantowy sposób muszą przez cały czas mieć spin przeciwny. A teraz odseparujmy dwa splątane elektrony tak, aby nie były w tym samym atomie. Jeśli wtedy zdecydujemy się zmierzyć stan spinowy jednego elektronu, zmusimy go do wybrania strony, w którą wiruje. Powiedzmy, że po pomiarze ma on spin w górę. A ponieważ elektrony były w spinowym stanie splątania, ten drugi elektron musi mieć spin w dół. Ale pamiętajmy, że przed pomiarem oba były w stanie superpozycji wirowania w obie strony. Po pomiarze oba mają odmienne stany: jeden ma spin w górę, a drugi spin w dół. Tak więc drugi elektron natychmiast i na odległość zmienił

swój stan fizyczny od bycia w superpozycji wirowania w obie strony naraz do spinu w dół – bez kontaktu z nim. Wszystko, czego dokonaliśmy, to pomiar stanu jego partnera. I w zasadzie nie ma znaczenia, jak daleko znajdował się ten drugi elektron – mógł być po drugiej stronie Wszechświata, a efekt byłby taki sam: pomiar jednego składnika ze splątanej pary natychmiast redukuje superpozycję drugiego, niezależnie od tego, jak daleko się on znajduje. Oto użyteczna analogia, która może wam pomóc (tylko trochę!). Wyobraźmy sobie parę rękawiczek, z których każda znajduje się w zapieczętowanym pudełku, ale odseparowanych na odległość wielu kilometrów. Macie do swej dyspozycji tylko jedno z tych pudełek i zanim je otworzycie, nie wiecie, czy w tym pudełku znajduje się rękawiczka na prawą, czy lewą rękę. Gdy już otworzycie pudełko i odkryjecie rękawiczkę na prawą rękę, to natychmiast wiecie, że w drugim pudełku znajduje się rękawiczka na rękę lewą, bez względu na to, jak daleko od was to pudełko się znajduje. Tutaj istotne jest jednak to, że tym, co zmieniło się, jest tylko wasza wiedza. Odległe pudełko zawsze zawierało rękawiczkę na rękę lewą, bez względu na to, czy otworzycie swoje pudełko, czy nie. Kwantowe splątanie jest inne. Przed pomiarem żaden z elektronów nie miał określonego kierunku spinu. Tylko akt pomiaru (jednego elementu pary) zmusił oba elektrony do zmiany ich stanu od bycia obu w superpozycji spinu w dół i w górę do określonego stanu spinu w dół albo w górę: podczas gdy w przypadku rękawiczek to tylko nasza niewiedza o istniejącym już określonym stanie została zamieniona na wiedzę. Kwantowy pomiar nie tylko zmusza elektron do „wyboru” stanu spinowego na w dół albo w górę; ten „wybór” natychmiast zmusza jego partnera do przyjęcia dopełniającego stanu, bez względu na to, jak daleko się znajduje. Jest jeszcze pewna subtelność, o której trzeba powiedzieć. Jak już omawialiśmy, dwa elektrony są związane w stanie singletowym, gdy są sparowane i wirują w przeciwnych kierunkach, a w stanie trypletowym, gdy wirują w tym samym kierunku. Gdy jeden z elektronów pary singletowej znajdujący się w tym samym atomie przeskoczy do pobliskiego atomu, jego spin może przewrócić się tak, że teraz wiruje w tym samym kierunku, co jego partner, którego pozostawił, i dlatego powstanie para w spinowym stanie trypletowym. Jednak, choć teraz w innych atomach, para wciąż zachowuje swój delikatny stan splątania, w którym oba elektrony pozostają razem sparowane kwantowo. Ale to przecież świat kwantowy i elektron, który wyskoczył z atomu, może odwrócić swój spin, lecz nie oznacza to, że z pewnością to zrobił. Każdy z dwóch elektronów będzie wciąż w superpozycji wirowania w obie strony równocześnie i jako para będą one w superpozycji bycia w stanie singletowym i trypletowym jednocześnie: w tym samym czasie wirując w tych samych kierunkach i w kierunkach przeciwnych! A więc po odpowiednim przygotowaniu, a być może zdezorientowaniu, pora na

wprowadzenie was do najdziwniejszej, a mimo to najbardziej wysławianej idei kwantowej biologii.

Rodnikowy zmysł kierunku Na początku tego rozdziału zastanawialiśmy się, jak coś tak słabego, jak ziemskie pole magnetyczne, może dostarczyć wystarczającej energii, aby zmienić wynik reakcji chemicznej i tym samym wygenerować sygnał biologiczny, który na przykład podpowie rudzikowi, w jakim kierunku ma pofrunąć. Chemik z Oksfordu, Peter Hore, podaje analogię, skąd może się brać tak ekstremalna czułość: Wyobraźcie sobie blok granitowy ważący jeden kilogram i zadajcie sobie pytanie, czy mucha może go przewrócić. Zdrowy rozsądek podpowiada, że oczywiście nie. Ale przypuśćmy, że podparłem kamień na jednej z jego krawędzi. Oczywiście nie będzie się on znajdował w stabilnym położeniu i będzie dążył do przewrócenia się w prawo lub w lewo, gdy pozostawimy go samemu sobie. A teraz przypuśćmy, że na tak stojący na krawędzi blok siada mucha z jego prawej strony. Nawet jeśli energia przekazana przez muchę jest bardzo mała, może być wystarczająca do spowodowania upadku bloku na prawą stronę raczej niż na lewą105. Morał jest taki, że małe energie mogą mieć znaczny wpływ, ale tylko wtedy, gdy układ, na który działają, znajduje się w stanie równowagi chwiejnej pomiędzy dwoma różnymi rezultatami. A więc aby odkryć wpływ bardzo słabego ziemskiego pola magnetycznego, potrzebujemy chemicznego ekwiwalentu granitowego bloku w stanie równowagi chwiejnej, tak aby mógł być dramatycznie zmieniony pod wpływem zewnętrznego zaburzenia, na przykład słabego ziemskiego pola magnetycznego. I teraz wracamy do reakcji szybkiego trypletu Klausa Schultena. Przypominacie sobie, że elektronowe wiązania pomiędzy atomami są często tworzone przez uwspólnianie pary elektronów. Ta para elektronów jest zawsze splątana i prawie zawsze w singletowym stanie spinowym: to znaczy – elektrony mają spin przeciwny. Jednak dwa elektrony mogą pozostać splątane nawet wtedy, gdy wiązanie pomiędzy atomami zostaje zerwane. Odseparowane atomy, które teraz nazywają się wolnymi rodnikami, mogą się oddalić i jest możliwe, że spin jednego z elektronów przewraca się, co prowadzi do tego, że splątane elektrony – teraz w różnych atomach – znajdują się w superpozycji zarówno stanu singletowego, jak i trypletowego, jak to ma miejsce

w reakcji szybkiego trypletu Schultena. Ważną cechą tego kwantowego splątania jest to, że niekoniecznie musi być równo wyważone: prawdopodobieństwa przebywania pary splątanych elektronów w stanach singletowym i trypletowym nie są równe. I, co ważniejsze, równowaga między tymi prawdopodobieństwami jest czuła na zewnętrzne pole magnetyczne. Kąt, jaki tworzy pole magnetyczne z orientacją odseparowanej pary, ma wpływ na prawdopodobieństwo uchwycenia jej w singletowym albo trypletowym stanie spinowym. Pary rodników stają się bardzo niestabilne, a więc ich elektrony będą często łączyć się na nowo, prowadząc do powstawania produktów reakcji chemicznej. Ale dokładna chemiczna natura tych produktów będzie zależeć od równowagi singlet–tryplet, z całą jej wrażliwością na obecność pola magnetycznego. Aby zrozumieć ten mechanizm, możemy myśleć o pośrednim etapie stanu reakcji z wolnymi rodnikami jak o metaforze z blokiem granitu w równowadze chwiejnej. W tym stanie stopień gotowości reakcji do zajścia jest tak duży, że nawet pole magnetyczne – w miejsce muchy – o natężeniu mniejszym niż 100 mikrotesli, tak jak pole ziemskie, wpływa na rezultat rzutów monetą o stany singlet/tryplet tworzące produkty reakcji chemicznej106. Tutaj w końcu ujawnia się mechanizm, za pomocą którego pole magnetyczne mogłoby wpływać na reakcje chemiczne i w ten sposób, dowodził Schulten, stanowiłby kompas dla ptaków. Ale Schulten nie miał pojęcia, gdzie w ciele ptaka ta proponowana reakcja par rodników miałaby zachodzić – przypuszczalnie miejscem najbardziej sensownym byłby mózg. Ale aby zaczęło to działać, po pierwsze, taka para rodników musi być najpierw stworzona (tak jak blok granitowy najpierw trzeba podeprzeć na krawędzi). Schulten zaprezentował swoją pracę na Harvardzie w 1978 roku, opisując eksperyment przeprowadzony przez jego grupę w Getyndze, w którym impuls lasera użyto do wytworzenia w rodnikach splątanej pary elektronów. Na sali był wybitny uczony, Dudley Herschbach, który później zdobył Nagrodę Nobla z chemii. Pod koniec wykładu Herschbach zapytał dobrodusznie z nutą kpiny: „Klausie, ale gdzie w ptaku znajduje się laser?”. Będąc pod presją, aby dać jakąś sensowną odpowiedź tak zacnemu profesorowi, Schulten zasugerował, że jeśli potrzebne jest światło, aby aktywować pary rodników, to może ten proces zachodzi wewnątrz oka ptaka. W 1977 roku, rok wcześniej od publikacji Schultena o parach rodników, fizyk z Oksfordu, Mike Leask, rozważał w innej publikacji w „Nature” możliwość, że źródło zmysłu magnetycznego może znajdować się rzeczywiście wewnątrz fotoreceptorów w oku107. Zasugerował nawet, że odpowiedzialna za to jest cząsteczka barwnika, rodopsyny, znajdująca się w oku. Wolfgang Wiltschko przeczytał publikację Leaska i był nią zainteresowany, chociaż nie dysponował dowodami doświadczalnymi, aby sugerować, że światło gra jakąś rolę w magnetorecepcji u ptaków. Zabrał się więc do sprawdzenia hipotezy Leaska.

W tym czasie Wiltschko prowadził badania eksperymentalne na gołębiach pocztowych, chcąc się przekonać, czy gromadzą one magnetyczne informacje o nawigacji, które umożliwiłyby im drogę powrotną do domu. Odkrył, że wystawienie gołębi na działanie zakłócającego pola magnetycznego, gdy były transportowane daleko od domu, niszczyło ich zdolność do znajdywania drogi powrotnej, gdy zostały wypuszczone. Zainspirowany hipotezą Leaska, zdecydował się na przeprowadzenie eksperymentu powtórnie, tym razem bez zaburzającego pola magnetycznego. Zamiast tego transportował gołębie w całkowitej ciemności w pudle na dachu swego volkswagena busa. Ptaki miały później trudności ze znalezieniem drogi powrotnej, co wskazywało na to, że potrzebowały one światła, aby wykreślić magnetyczną mapę ich podróży, którą później mogłyby wykorzystać, aby znaleźć drogę do domu. W końcu Wiltschkowie spotkali się z Schultenem na konferencji we francuskich Alpach w 1986 roku. W tym czasie byli już przekonani, że magnetorecepcja rudzików uzależniona była od światła wpadającego do ich oczu, ale jak prawie wszyscy zainteresowani biochemicznymi efektami wytwarzanymi przez pola magnetyczne nie byli jeszcze przekonani, że hipoteza o parach rodników była poprawna. Nikt nie wiedział przecież, gdzie w oku może tworzyć się ta para. Potem, w 1998 roku, odkryto białko barwnika kryptochromu w oczach muszki owocowej i, jak opisaliśmy wcześniej w tym rozdziale, wykazano, że jest ono odpowiedzialne za sterowaną światłem synchronizację rytmu dobowego muszki. A najważniejsze, kryptochrom był rodzajem białka zdolnym do tworzenia wolnych rodników podczas oddziaływania ze światłem. Z tego faktu skwapliwie skorzystał Schulten i jego współpracownicy, aby wysunąć tezę, że kryptochrom był tym nieuchwytnym receptorem dla ptasiego chemicznego kompasu. Ich praca z 2000 roku stała się jedną z klasycznych publikacji z dziedziny kwantowej biologii108. Wiodącym autorem był w niej oczywiście Thorsten Ritz, którego napotkaliśmy w rozdziale 1 i który w tym momencie pracował nad swym doktoratem pod kierunkiem Klausa Schultena. Teraz, będąc na wydziale fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, Thorsten jest uważany za jednego z czołowych ekspertów w zagadnieniach magnetorecepcji. Praca z 2000 roku była ważna z dwóch powodów. Po pierwsze, proponowała molekułę kryptochromu na kandydata na chemiczny kompas; a po drugie, opisywała szczegółowo – choć w bardzo spekulatywny sposób – jak orientacja ptaków w polu magnetycznym mogłaby wpływać na to, co one widzą. Pierwszym krokiem w ich schemacie jest absorpcja fotonu światła niebieskiego przez światłoczułą cząsteczkę barwnika FAD, która mieści się wewnątrz białka kryptochromu i którą spotkaliśmy wcześniej w tym rozdziale. Jak opisywaliśmy, energia tego fotonu użyta jest do wyrzucenia elektronu z jednego z atomów wewnątrz cząsteczki FAD, co pozostawia po nim wakat elektronowy. Ten może być zapełniony przez inny elektron oddany przez splątaną parę elektronów w aminokwasie zwanym

tryptofanem wewnątrz białka kryptochromu. Najważniejsze jest jednak to, że oddany elektron może pozostać splątany ze swym partnerem. Para splątanych elektronów może potem utworzyć superpozycję stanów singlet/tryplet, co jest chemicznym układem, który, jak odkrył Klaus Schulten, jest tak idealnie czuły na pole magnetyczne. Jeszcze raz delikatna równowaga pomiędzy stanami singlet/tryplet jest tak wysoce czuła na natężenie i kąt ziemskiego pola magnetycznego, że kierunek, w którym leci ptak, ma wpływ na skład końcowych produktów, które powstają w reakcji chemicznej. W jakiś sposób, za pomocą mechanizmu, który nie jest jasny nawet teraz, ta różnica – w którą stronę runie głaz granitowy – wytwarza sygnał, który przemieszcza się do mózgu ptaka, aby wskazać mu, gdzie znajduje się najbliższy biegun magnetyczny. Ten mechanizm par rodników, zaproponowany przez Ritza i Schultena, był oczywiście elegancki, ale czy realny? W tym czasie nie znano nawet dowodów na to, że kryptochrom może tworzyć wolne rodniki, gdy jest poddany działaniu światła. Jednak w 2007 roku inna grupa niemiecka, tym razem z uniwersytetu w Oldenburgu i kierowana przez Henrika Mouritsena, wyizolowała cząsteczki kryptochromu z siatkówki gajówki i udowodniła, że po ekspozycji na światło niebieskie produkuje ona długo żyjące pary rodników109. Nie mam żadnego pojęcia, jak to magnetyczne „widzenie” odczuwają ptaki, ale ponieważ kryptochrom jest barwnikiem obecnym w oku i potencjalnie działa podobnie do opsyn i rodopsyn, które zapewniają kolorowe widzenie, być może ptaki widzą niebo wypełnione dodatkowym kolorem niewidocznym dla reszty z nas (tak jak niektóre owady mogą widzieć ultrafiolet), wyrażającym ziemskie pole magnetyczne. Gdy Thorsten Ritz zaproponował swą teorię w 2000 roku, nie było dowodów na to, że kryptochrom bierze udział w magnetorecepcji, ale teraz, dzięki pracy Steve’a Repperta i jego kolegów, wiadomo, że ten sam barwnik jest zaangażowany w mechanizm detekcji pola magnetycznego przez muszki owocowe i danaidy. W 2004 roku badacze odkryli trzy typy cząsteczek kryptochromu w oczach rudzików, a potem, w 2013 roku, w publikacji małżeństwa Wiltschków (wciąż aktywni jak zawsze, chociaż Wolfgang jest już na emeryturze) wykazano, że kryptochrom otrzymany z oczu kurcząt110 absorbuje światło o tej samej częstości, co kryptochrom niezbędny do magnetorecepcji111. Ale czy proces ten z pewnością oparty jest na mechanice kwantowej? W 2004 roku Thorsten Ritz zaczął pracować z małżeństwem Wiltschków nad rozróżnieniem pomiędzy konwencjonalnym kompasem magnetycznym i kompasem chemicznym opartym na mechanizmie wolnych rodników. Działanie kompasu oczywiście można zakłócić czymś magnetycznym: potrzymajcie kompas w pobliżu magnesu, a zacznie on wskazywać biegun północny magnesu, a nie ziemski. Standardowy magnes sztabkowy wytwarza pole zwane statycznym polem magnetycznym, co oznacza, że nie zmienia się ono wraz z upływem czasu. Jednak możliwe jest także wytwarzanie oscylującego pola

magnetycznego – dzięki na przykład obracaniu magnesu sztabkowego – i tu rzecz staje się interesująca. Konwencjonalny kompas może wciąż być zakłócany przez oscylujące pole magnetyczne, ale tylko jeśli oscylacje są na tyle wolne, by igła za nimi nadążała. Jeśli oscylacje są bardzo szybkie, powiedzmy setki razy w ciągu sekundy, to igła kompasu już nie nadąży za nimi i wpływ tych oscylacji uśredni się do zera. A więc konwencjonalny kompas można zaburzyć oscylacjami pola magnetycznego o częstościach niskich, ale o wysokich już nie. Natomiast odpowiedź chemicznego kompasu na takie zakłócenia będzie bardzo odmienna. Pamiętacie, że kompas chemiczny miał zależeć od par rodników w superpozycji stanów singletowego i trypletowego. A oba te stany mają inną energię, a energia jest związana z częstością, dlatego układ będzie powiązany z częstością, która, biorąc pod uwagę energie tych stanów, będzie leżeć, jak się oczekuje, w zakresie milionów oscylacji na sekundę. Klasyczny sposób wyobrażania sobie tego, co tam zachodzi, polega na tym, że (chociaż nie jest to ściśle poprawne) splątana para elektronów oscyluje pomiędzy stanem singletowym i trypletowym miliony razy w ciągu sekundy. W tym stanie układ może oddziaływać z oscylującym polem magnetycznym dzięki zjawisku rezonansu, ale tylko wtedy, gdy pole oscyluje z taką samą częstością, co para rodników; i używając muzycznej analogii, tylko gdy są do siebie „dostrojone”. Rezonans wpompuje wtedy energię do układu, która zmieni krytyczną równowagę pomiędzy stanem singletowym i stanem trypletowym, od których kompas chemiczny zależy – w istocie przewracając ten metaforyczny głaz granitowy, zanim zdąży on wyczuć ziemskie pole magnetyczne. A więc, w odróżnieniu od konwencjonalnego kompasu, kompas utworzony z pary rodników zostanie zniszczony przez oscylacje pola magnetycznego o wielkiej częstości. Zespół Ritz–Wiltschko przygotował eksperyment na rudzikach, umożliwiający sprawdzenie tego bardzo jasno określonego przewidywania dotyczącego pary rodników. Czy ich kompas okaże się czuły na pola zmienne o dużych, czy małych częstościach? Zespół zaczekał do jesieni, gdy ptaki niecierpliwie wyczekiwały migracji na południe, i umieszczali je wewnątrz lejków Emlena. Badacze stosowali zmienne pola magnetyczne o różnych kierunkach i różnych częstościach i obserwowali, czy pola niszczyły naturalną zdolność ptaków do orientacji w przestrzeni. Rezultaty były zadziwiające: pole magnetyczne o częstości 1,3 MHz (to znaczy oscylujące 1,3 miliona razy na sekundę) i słabsze tysiąc razy od ziemskiego pola zdolne było zniszczyć zdolność ptaków do orientowania się. Ale zwiększanie i zmniejszanie częstości pola wpływało na mniejszą efektywność oddziaływania na ptaki. A zatem wydaje się, że pole wpadało w rezonans z czymś, co drgało z dużą częstością w ptasim kompasie: oczywiście nie konwencjonalnym, opartym na magnetycie kompasie, ale czymś odpowiadającym splątanej parze rodników w stanie superpozycji singletu z trypletem. Ten intrygujący rezultat112 pokazuje także, że splątana

para, jeśli istnieje, musi być zdolna do przeżycia dekoherencji przez co najmniej mikrosekundę (milionową część sekundy), ponieważ w przeciwnym razie jej czas życia byłby zbyt krótki, aby doświadczyć górek i dolin przyłożonego zmiennego pola magnetycznego. Jednak doniosłość tego rezultatu została niedawno zakwestionowana. Grupa Henrika Mouritsena z uniwersytetu w Oldenburgu wykazała, że elektromagnetyczne zakłócenia z różnych elektronicznych urządzeń, przenikające przez nieekranowane drewniane ściany szop, w których przebywały ptaki na kampusie uniwersyteckim, niszczyły ich zdolności magnetycznej orientacji. Ale zdolności te powróciły, gdy ptaki umieszczono w szopach ekranowanych aluminium, które nie przepuszcza około 99 procent miejskich zakłóceń elektromagnetycznych. Te rezultaty w decydujący sposób wskazują, że niszczący efekt pól elektromagnetycznych o częstościach radiowych ostatecznie nie może być ograniczony do wąskiego pasma częstości113. A więc istnieją wciąż pewne aspekty tego układu, które pozostają zagadką; na przykład dlaczego kompas rudzików musi być tak hiperczuły na zmienne pola magnetyczne i jak wolne rodniki mogą pozostawać splątane wystarczająco długo, aby mieć skutek biologiczny. Jednak w 2011 roku w publikacji z laboratorium Vlatko Vedrala w Oksfordzie przedstawiono obliczenia kwantowomechaniczne dotyczące kompasu działającego na zasadzie par rodników i pokazano, że superpozycja i splątanie powinny utrzymywać się co najmniej dziesięć mikrosekund, co zacznie przewyższa długotrwałość osiągniętą w wielu porównywalnych układach molekularnych wytworzonych przez człowieka; i potencjalnie wystarczająco długo, aby umożliwić rudzikowi znalezienie odpowiedniej trajektorii lotu114. Te niezwykłe badania spowodowały zainteresowanie magnetorecepcją, którą odkryto teraz w szerokiej gamie gatunków zwierząt, w wielu gatunkach ptaków, langust, ogończowatych, rekinów, delfinów, płetwali, pszczół, a nawet mikrobów. W większości wypadków zastosowany mechanizm nie został jeszcze zbadany, ale związana z kryptochromem magnetorecepcja została teraz odkryta w wielu stworzeniach, od naszego nieustraszonego rudzika do kurcząt i muszek owocowych, i w wielu innych organizmach, łącznie z roślinami115. Badania opublikowane przez czeską grupę w 2009 roku wykazały magnetorecepcję u przybyszki amerykańskiej i pokazały, że jak w przypadku europejskiego rudzika można ją zaburzyć szybkozmiennym polem magnetycznym116. Dalsza część badań zaprezentowana na konferencji w 2011 roku wykazała, że kryptochrom działa w kompasie przybyszek amerykańskich. Odkrycie wspólnego mechanizmu, jego możliwości i tak szerokie rozpowszechnienie w naturze sugeruje, że jest on odziedziczony po wspólnym przodku. Ale wspólny przodek kurcząt, rudzików, muszek owocowych, roślin i przybyszek żył dawno, bardzo

dawno: więcej niż 500 milionów lat temu. A więc kompasy kwantowe są prawdopodobnie starożytne i z pewnością zapewniały nawigacyjne zdolności gadom i dinozaurom, które przemierzały bagna okresu kredy razem z T. rexem, którego spotkaliśmy w rozdziale 3 (pamiętajcie, że współczesne ptaki, takie jak rudziki, są potomkami dinozaurów), rybom pływającym w morzach okresu permskiego, starożytnym stawonogom, które pływały w wodach kambryjskich oceanów lub zaszywały się pod ich powierzchnią, a być może nawet prekambryjskim mikrobom, które były przodkami całego życia komórkowego. Wydaje się, że einsteinowskie „upiorne działania na odległość” pomagają stworzeniom w znalezieniu drogi na całym świecie w ciągu całej historii naszej planety. 84 F.A. Urquhart, Found at last: the monarch’s winter home, „National Geographic”, Aug. 1976. 85 R. Stanewsky, M. Kaneko, P. Emery, B. Beretta, K. Wager-Smith, S.A. Kay, M. Rosbash, J.C. Hall, The cryb mutation identifies cryptochrome as a circadian photoreceptor in Drosophila, „Cell”, vol. 95: 5 (1998), s. 681– 692. 86 H. Zhu, I. Sauman, Q. Yuan, A. Casselman, M. Emery-Le, P. Emery, S.M. Reppert, Cryptochromes define a novel circadian clock mechanism in monarch butterflies that may underlie sun compass navigation, „PLOS Biology”, vol. 6: 1 (2008), e4. 87 D.M. Reppert, R.J. Gegear, C. Merlin, Navigational mechanisms of migrating monarch butterflies, „Trends in Neurosciences”, vol. 33: 9 (2010), s. 399–406. 88 P.A. Guerra, R.J. Gegear, S.M. Reppert, A magnetic compass aids monarch butterfly migration, „Nature Communications”, vol. 5: 4164 (2014), s. 1–8. 89 A.T. von Middendorf, Die Isepiptesen Russlands Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands, St Petersburg 1853. 90 H.L. Yeagley i F.C. Whitmore, A preliminary study of a physical basis of bird navigation, „Journal of Applied Physics”, vol. 18: 1035 (1947). 91 45 M.M. Walker, C.E. Diebel, C.V. Haugh, P.M. Pankhurst, J.C. Montgomery, C.R. Green, Structure and function of the vertebrate magnetic sense, „Nature”, vol. 390: 6658 (1997), s. 371–376. 92 M. Hanzlik, C. Heunemann, E. Holtkamp-Rotzler, M. Winklhofer, N. Petersen, G. Fleissner, Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons, „Biometals”, vol. 13: 4 (2000), s. 325–331. 93 C.V. Mora, M. Davison, J.M. Wild, M.M. Walker, Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon, „Nature”, vol. 432 (2004), s. 508–511.

94 C. Treiber, M. Salzer, J. Riegler, N. Edelman, C. Sugar, M. Breuss, P. Pichler, H. Cadiou, M. Saunders, M. Lythgoe, J. Shaw, D.A. Keays, Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons, „Nature”, vol. 484 (2012), s. 367–370. 95 Proszę nie mylić z Emlenem Tunnellem, wielkim amerykańskim futbolistą z lat pięćdziesiątych XX wieku. 96 S.T. Emlen, W. Wiltschko, N.J. Demong, R. Wiltschko, S. Bergman, Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings, „Science”, vol. 193: 4252 (1976), s. 505–508. 97 L. Pollack, That nest of wires we call the imagination: a history of some key scientists behind the bird compass sense, May 2012, s. 5: http://www.ks.uiuc.edu/History/magnetoreception. 98 Ibid., s. 6. 99 K. Schulten, H. Staerk, A. Weller, H-J. Werner, B. Nickel, Magnetic field dependence of the geminate recombination of radical ion pairs in polar solvents, „Zeitschrift für Physikale Chemie”, n.s., vol. 101 (1976), s. 371–390. 100 Pollack, That nest of wires we call the imagination, s. 11. 101 K. Schulten, C.E. Swenberg, A. Weller, A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion, „Zeitschrift für Physikale Chemie”, n.s., vol. 111 (1978), s. 1–5. 102 Spin po angielsku oznacza obrót, wirowanie. Dlatego w języku angielskim często używa się pojęcia kwantowy spin, aby rozróżnić te dwa zjawiska (przyp. tłum.). 103 Nazwa „tryplet” może być myląca dla laików, zwłaszcza że odnosi się do pary elektronów, zatem tu krótkie wyjaśnienie: elektron ma spin 1/2. Dlatego gdy para elektronów ma przeciwne spiny, te wartości się znoszą: 1/2 – 1/2 = 0. To nazywamy stanem singletowym. Ale gdy ich spiny skierowane są w tym samym kierunku, to wartości się dodają: 1/2 + 1/2 = 1. Pojęcie „tryplet” odnosi się do faktu, że całkowity spin 1 może być ułożony w trzech możliwych kierunkach (w dół, w górę i prostopadle do obu wymienionych). 104 Dwa niesparowane elektrony w cząsteczce tlenu, które utrzymują razem dwa atomy, są normalnie w spinowym stanie trypletowym. 105 P. Hore, The quantum robin, „Navigation News”, Oct. 2011. 106 N. Lambert, Quantum biology, „Nature Physics”, vol. 9: 10 (2013) i cytowania tamże. 107 M.J.M. Leask, A physicochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons, „Nature”, vol. 267 (1977), s. 144–145. 108 T. Ritz, S. Adem, K. Schulten, A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds, „Biophysical Journal”, vol. 78: 2 (2000), s.707–718.

109 M. Liedvogel, K. Maeda, K. Henbest, E. Schleicher, T. Simon, C.R. Timmel, P.J. Hore, H. Mouritsen, Chemical magnetoreception: bird cryptochrome 1a is excited by blue light and forms long-lived radicalpairs, „PLOS One”, vol. 2: 10 (2007), e1106. 110 Kurczęta oczywiście nie migrują, nawet dzikie. Ale wciąż utrzymują magnetorecepcję. 111 C. Nießner, S. Denzau, K. Stapput, M. Ahmad, L. Peichl, W. Wiltschko, R. Wiltschko, Magnetoreception: activated cryptochrome 1a concurs with magnetic orientation in birds, „Journal of the Royal Society Interface”, vol. 10: 88 (6 Nov. 2013), 2013–638. 112 T. Ritz, P. Thalau, J.B. Phillips, R. Wiltschko, W. Wiltschko, Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass, „Nature”, vol. 429 (2004), s. 177–180. 113 S. Engels, N-L. Schneider, N. Lefeldt, C.M. Hein, M. Zapka, A. Michalik, D. Elbers, A. Kittel, P.J. Hore, H. Mouritsen, Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird, „Nature”, vol. 509 (2014), s. 353–356. 114 E.M. Gauger, E. Rieper, J.J. Morton, S.C. Benjamin, V. Vedral, Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass, „Physical Review Letters”, vol. 106: 4 (2011), 040503. 115 M. Ahmad, P. Galland, T. Ritz, R. Wiltschko, W. Wiltschko, Magnetic intensity affects cryptochromedependent responses in Arabidopsis thaliana, „Planta”, vol. 225: 3 (2007), s. 615–624. 116 M. Vacha, T. Puzova, M. Kvicalova, Radio frequency magnetic fields disrupt magnetoreception in American cockroach, „Journal of Experimental Biology”, vol. 212: 21 (2009), s. 3473–3477.

7

Kwantowe geny Najzimniejszym miejscem na Ziemi nie jest, jak moglibyście pomyśleć, biegun południowy, ale leży ono gdzieś pośrodku wschodniej części antarktycznej tafli lodu, prawie 1300 kilometrów od bieguna. Tam temperatury zimowe stale spadają do wielu dziesiątek stopni poniżej zera w skali Celsjusza. Najniższą na Ziemi temperaturą było -82,9°C, zmierzone 21 lipca 1983 roku, i region, w którym to się zdarzyło, zyskał nazwę „południowego bieguna zimna”. W tak niskich temperaturach stal pęka, a paliwo do diesla tnie się piłą łańcuchową. To ekstremalne zimno zamraża każdą wilgoć z powietrza, co razem z silnymi wichurami, wiejącymi poprzez lodowe pustkowia, czyni wschodnią Antarktykę najbardziej niegościnnym miejscem na naszej planecie. Ale nie zawsze było to tak nieprzyjazne miejsce. Kontynent, którym jest Antarktyda, był kiedyś częścią superkontynentu znanego jako Gondwana i leżał w pobliżu równika. Pokryty był gęstą roślinnością nasienną – paprociami, miłorzębami i sagowcami, wśród których pasły się dinozaury i roślinożerne gady, takie jak podobne do nosorożców lystrozaury. Ale około osiemdziesięciu milionów lat temu kontynent zaczął się rozrywać i jego fragment podryfował na południe, osiadając w końcu na biegunie południowym jako Antarktyda. Potem, około sześćdziesięciu pięciu milinów lat temu, ogromna asteroida uderzyła w Ziemię, zmiatając z powierzchni wszystkie dinozaury i inne gigantyczne gady, przez co pojawiła się ekologiczna nisza, umożliwiająca stałocieplnym ssakom stanie się dominującym gatunkiem. Choć oddalona od miejsca uderzenia (Jukatanu), fauna i flora Antarktydy przeszły radykalne zmiany, gdy paprocie i sagowce zastąpiły lasy liściaste. Lasy te zamieszkały wymarłe już teraz torbacze, gady i ptaki, łącznie z gigantycznymi pingwinami. A doliny wypełniły się wartkimi rzekami i głębokimi jeziorami obfitującymi w ryby kostnoszkieletowe i stawonogi. Lecz gdy poziom gazów cieplarnianych opadł, opadła też temperatura w Antarktyce (czyli na Antarktydzie i obszarach przyległych). Prądy oceaniczne powodowały dalsze oziębienie i około czterdziestu pięciu milionów lat temu wody powierzchniowe rzek i jezior lądowych zaczęły zamarzać w zimie. Około piętnastu milionów lat temu

zimowy lód już nie roztapiał się latem, tworząc nad jeziorami i rzekami stałą zamarzniętą pokrywę. Gdy nasza planeta wciąż się oziębiała, masywne lodowce przesuwające się nad Antarktyką spowodowały wyginięcie wszystkich lądowych ssaków, gadów i płazów, pokrywając aż do teraz ląd, jeziora i rzeki gigantycznymi płytami lodu o grubości kilku kilometrów. Od tego czasu Antarktyda pozostawała w stanie głębokiego zamrożenia. Dopiero w XIX wieku amerykański łowca fok, kapitan John Davis, jako pierwszy z ludzi postawił nogę na tym kontynencie, a w wieku XX rozpoczęło się stałe osadnictwo, ponieważ kilka krajów roszczących sobie prawo do tych ziem rozpoczęło budowę stacji naukowych na kontynencie. Pierwsza sowiecka stacja antarktyczna, Mirnyj, powstała na wybrzeżu 13 lutego 1956 roku i stamtąd dwa lata później wyruszyła ekspedycja w kierunku interioru z zadaniem urządzenia bazy na biegunie geomagnetycznym. Ekspedycję prześladowały śnieżyce, lawiny śnieżne, ekstremalne zimno (-55°C) i brak tlenu, ale w końcu, w czasie lata na półkuli południowej, dotarła 16 grudnia na biegun geomagnetyczny i założyła stację Wostok. Odtąd ta stacja badawcza była zamieszkana prawie ciągle przez zespół od dwunastu do dwudziestu pięciu naukowców i inżynierów, którzy dokonywali geomagnetycznych i meteorologicznych pomiarów. Jednym z głównych zadań stacji jest wiercenie otworów w lodowcu, aby zbadać rekordy zimna poprzednich epok. W latach siedemdziesiątych XX wieku inżynierowie nawiercili kilka otworów do głębokości 952 metrów, dosięgając lodu z ostatniej epoki lodowcowej, dziesiątki tysięcy lat temu. Nowy osprzęt wiertniczy zainstalowany w latach osiemdziesiątych XX wieku pozwolił badaczom osiągnąć głębokość 2202 metrów. Do 1996 roku udało im się wwiercić w głąb do 3623 metrów, do pokładu lodu zamarzłego 420 000 lat temu. Ale potem wstrzymano wiercenie, ponieważ odkryto coś dziwnego, leżącego nieco poniżej dna odwiertu. Ale faktycznie odkrycia, że coś niezwykłego znajduje się pod stacją Wostok, dokonano dwadzieścia lat przedtem, w 1974 roku, gdy brytyjskie badania sejsmiczne tego regionu wykazały anomalne odczyty dla ogromnego obszaru pokrywającego 10 000 kilometrów kwadratowych i leżącego około 4 kilometrów w głębi lodu. Rosyjski geograf Andriej Piotrowicz Kapica zasugerował, że ta anomalia spowodowana jest przez ogromne jezioro uwięzione pod lodem i utrzymujące się w stanie ciekłym dzięki ekstremalnym ciśnieniom i energii geotermalnej. Hipoteza Kapicy została później potwierdzona przez satelitarne pomiary tego terenu, dokonane w 1996 roku, które wykazały podlodowcowe jezioro głębokie na 500 metrów (od jego ciekłej powierzchni do dna) i analogicznych rozmiarów, co jezioro Ontario. Nazwano je jeziorem Wostok. Ze starożytnym jeziorem pod lodem cała operacja wiercenia nabrała całkiem innej wagi, gdy wiertło zbliżyło się do zupełnie unikalnego środowiska. Jezioro Wostok zostało odizolowane od powierzchni Ziemi na setki tysięcy, jeśli nie miliony, lat117 ‒ to

zupełnie zaginiony świat. Co stało się z tymi wszystkimi zwierzętami, roślinami, glonami i mikrobami, które rozwijały się w jeziorze, zanim zostało zamknięte, zatrzaskując w pułapce absolutnej ciemności i mrozu każdy organizm, który przeżył? Czy całe życie tam wymarło, czy też jakieś stworzenia przeżyły, a nawet zaadaptowały się do życia kilka kilometrów pod powierzchnią lodowca? Takie odporne organizmy musiałyby mieć do czynienia z ekstremalnym środowiskiem: przejmujące zimno i całkowita ciemność w wodzie poddanej ciśnieniu wywieranemu przez ciężar grubego lodu ‒ trzysta razy większemu niż ciśnienie wywierane na powierzchnię jakiegokolwiek jeziora na powierzchni. Jednak, ku wielkiemu zaskoczeniu, okazało się, że różnorodnym formom życia udało się przeżyć w innych, równie nieprawdopodobnych miejscach, takich jak prażące kratery wulkanów, jeziora kwasowe, a nawet ciemne głębokie oceaniczne rowy, tysiące metrów pod powierzchnią wody. Być może Wostok także mógł podtrzymać swój własny ekosystem ekstremofili118. Odkrycie jeziora pod głębokim lodem nabrało nawet większego znaczenia dzięki innemu odkryciu, w miejscu oddalonym o jakieś sześćset pięćdziesiąt milionów kilometrów, dokonanemu w 1980 roku, gdy sonda kosmiczna Voyager 2 sfotografowała powierzchnię księżyca Jowisza, Europy, ujawniając lodową pokrywę ze znakami sugerującymi istnienie pod nią ciekłego oceanu. Jeśli życie mogłoby utrzymać się przez setki tysięcy lat w wodach ukrytych pod kilkukilometrową pokrywą lodową na Antarktydzie, to może ukryty pod lodem ocean na Europie mógł również podtrzymać jakieś formy życia? Poszukiwanie życia w jeziorze Wostok stało się wstępem do jeszcze bardziej pasjonującego poszukiwania życia poza naszą planetą. Wiercenie wstrzymano w roku 1996, ledwie 100 metrów ponad powierzchnią jeziora, aby zapobiec kontaktowi jego nieskazitelnie czystych wód z usmarowanym naftą wiertłem, potencjalnie skażonymi roślinami, zwierzętami, drobnoustrojami i związkami chemicznymi z powierzchni. Jednak jezioro Wostok było już badane z wcześniej wydrążonych lodowych rdzeni. Prądy cieplne poruszają wodami w jeziorze, a więc tuż pod jego lodowym sklepieniem podlegają one ciągłym cyklom zamarzania i roztapiania się. Ten proces trwa od czasu zamknięcia jeziora lodem, stąd jego sklepienie nie jest zbudowane z lodu lodowca, lecz oziębionych wód jeziora – to lód powstały w wyniku akrecji – i rozciąga się do dziesiątków metrów ponad ciekłą powierzchnią. Rdzenie otrzymane z poprzednich wierceń pochodzą z tego poziomu lodowca i w 2013 roku opublikowano pierwsze ich szczegółowe badania119. Stwierdzono w nich, że uwięzione pod lodem jezioro zawiera złożoną sieć organizmów, w tym jednokomórkowe bakterie, grzyby i pierwotniaki, razem z bardziej złożonymi zwierzętami, takimi jak mięczaki, robaki, ukwiały, a nawet stawonogi. Uczeni zdołali ustalić, jakiego rodzaju metabolizm występuje u tych stworzeń, jak również ich prawdopodobne siedliska i ekologię.

Tym, na czym chcemy się skupić w tym rozdziale, nie jest fascynująca biologia Wostoku, ale środki, dzięki którym może przetrwać dowolny ekosystem zamknięty na tysiące, a nawet miliony lat. Istotnie, sam Wostok może być uważany za rodzaj mikrokosmosu na Ziemi, który praktycznie odizolowany od wpływów zewnętrznych od czterech miliardów lat, poza zasięgiem fotonów słonecznych, utrzymał jednak bogate środowisko w obliczu zagrożeń, jakim są masywne erupcje wulkanów, uderzenia asteroid i zmiany klimatu. Jak ogromna różnorodność życia zdołała rozwijać się i znosić ekstremalne zmiany w swym środowisku przez tysiące, a nawet miliony lat? Odpowiedź można znaleźć w materiale badanym przez zespół biologów z Wostoku: kilku mikrogramach związku chemicznego wyodrębnionego z zamarzniętej wody jeziora. Ten związek jest decydujący dla kontynuacji i różnorodności całego życia na naszej planecie i zawiera najbardziej niezwykłą cząsteczkę w znanym nam Wszechświecie. Nazywamy ją DNA. Grupa, która przeprowadzała badania DNA z Wostoku, ma swoje laboratoria w Bowling Green State University w USA. Aby odczytać sekwencje milionów fragmentów cząsteczek DNA wyodrębnionych z wód jeziora, naukowcy użyli tego rodzaju technologii sekwencjonowania DNA, za pomocą której wcześniej odcyfrowali ludzki genom. Potem porównali DNA z Wostoku z bazą danych sekwencji genów odczytanych z genomów tysięcy organizmów rozsianych po całym świecie. Dzięki temu odkryto, że wiele z sekwencji z Wostoku jest identycznych albo bardzo bliskich do genów bakterii, grzybów, stawonogów i innych stworzeń żyjących ponad lodem, szczególnie tych zamieszkujących zimne jeziora i głębokie, ciemne rowy oceaniczne – środowiska trochę podobne do jeziora Wostok. Te podobieństwa genetyczne pozwoliły na postawienie hipotez o prawdopodobnej naturze i zwyczajach tego rodzaju organizmów, które pozostawiły sygnatury swego DNA pod lodem. Ale pamiętajmy, że organizmy z Wostoku były uwięzione pod lodem przez wiele setek tysięcy lat. Podobieństwa ich sekwencji DNA do sekwencji tych organizmów, które żyją ponad lodem, są więc konsekwencją wspólnego pochodzenia od organizmów, które musiały żyć wśród flory i fauny Antarktyki przed zamknięciem jeziora i jego mieszkańców pod lodem. Sekwencje genów przodków tych organizmów były kopiowane, niezależnie, zarówno nad lodem, jak i pod nim, przez tysiące generacji. A jednak pomimo tego długiego łańcucha zdarzeń kopiowania bliźniacze wersje tych samych genów pozostały niemal identyczne. Złożona genetyczna informacja, która określa kształt, charakterystyki i funkcje organizmów, które żyją ponad i pod lodem, była wiernie przekazywana, bez żadnych błędów, przez setki tysięcy lat. Ta zdolność do wiernej replikacji genetycznej informacji z jednego pokolenia na następne – nazywana dziedzicznością – jest, oczywiście, kluczowa dla życia. Geny,

zapisane w DNA, kodują białka i enzymy, które poprzez metabolizm tworzą każdą cząsteczkę w każdej żywej komórce, od fotosyntetycznych barwników roślin i drobnoustrojów do receptorów węchu zwierząt albo tajemniczych kompasów ptaków, i w istocie każdą cechę każdego żyjącego organizmu. Wielu biologów uważa, że samoreplikacja jest cechą definiującą życie. Ale żywe organizmy nie mogłyby się replikować, jeśli nie byłyby zdolne replikować najpierw instrukcji tworzenia siebie samych. Tak proces dziedziczenia – wierne kopiowanie genetycznej informacji – umożliwia życie. Pamiętacie pewnie z rozdziału 2, że tajemnica dziedziczenia – jak informacja genetyczna może być przekazywana tak wiernie z pokolenia na pokolenia – była zagadką, która przekonała Schrödingera, że geny są bytami kwantowymi. Ale czy miał on rację? Czy potrzebna jest mechanika kwantowa do wytłumaczenia dziedziczności? To zagadnienie, do którego teraz powracamy.

Wierność Zazwyczaj zdolność organizmów żywych do wiernej replikacji swych genomów uważamy za rzecz oczywistą, ale w istocie jest to jeden z najbardziej niezwykłych i istotnych aspektów życia. W procesie replikacji DNA wskaźnik kopiowania błędów, które nazywamy mutacją, jest zwykle mniejszy niż jeden na miliard. Aby zdać sobie sprawę z tej niezwykłej dokładności, weźmy pod uwagę około miliona liter, znaków przestankowych i spacji w tej książce. A teraz niech będzie w bibliotece tysiąc książek o podobnych rozmiarach i niech waszym obowiązkiem będzie wierne skopiowanie każdego znaku i każdej spacji z tych książek. Jak wiele błędów popełnicie waszym zdaniem? To dokładnie zajęcie średniowiecznych kopistów, którzy ręcznie najstaranniej kopiowali teksty, zanim wynaleziono druk. Rezultaty ich wysiłku były usiane błędami, na co wskazuje wielość rozbieżnych kopii średniowiecznych tekstów. Oczywiście komputery są zdolne do kopiowania informacji z ogromną wiernością, ale to wykorzystanie współczesnej elektronowej technologii cyfrowej. Wyobraźmy sobie budowę maszyny kopiującej z mokrego, gąbczastego materiału. Jak wiele błędów waszym zdaniem popełniłaby przy czytaniu i pisaniu kopiowanego przez nią materiału? A jednak gdy mokry i gąbczasty materiał stanowi jedną z komórek waszego ciała, a informacja jest zakodowana w DNA, to błąd zdarza się rzadziej niż w jednej na miliard. Kopiowanie z ogromną wiernością jest decydujące dla życia, ponieważ niezwykła złożoność żywej tkanki wymaga równie złożonego zbioru instrukcji, w którym nawet pojedynczy błąd mógłby być śmiertelny. Genom w naszych komórkach składa się z około trzech miliardów genetycznych liter, które kodują około piętnastu tysięcy

genów, ale genomy nawet prostszych samoreplikujących się drobnoustrojów, takich jak te, które żyją pod lodem Wostoku, składają się z kilku tysięcy genów zapisanych w kilku milionach genetycznych liter. Chociaż większość organizmów toleruje kilka mutacji w każdej generacji, pozwolenie na pojawienie się więcej niż kilku w następnej generacji może doprowadzić do poważnych problemów, które u nas, ludzi, objawiają się w postaci chorób genetycznych lub nawet niezdolnym do życia potomstwem. A gdy replikują się komórki w naszym ciele – komórki krwi, komórki skóry i tak dalej – muszą także replikować swoje DNA do komórki potomnej. Błędy zachodzące w tym procesie prowadzą do nowotworów złośliwych120. Aby zrozumieć, dlaczego mechanika kwantowa ma kluczowe znaczenie dla dziedziczenia, musimy najpierw odwiedzić Cambridge w 1953 roku, gdzie 28 lutego Francis Crick udał się do pubu Eagle i ogłosił, że on i James Watson „odkryli sekret życia”. W tym samym roku opublikowali swoją przełomową pracę121, w której ukazali strukturę i opisali zbiór najprostszych zasad, które rozszyfrowują dwie najbardziej fundamentalne zagadki życia: jak informacja biologiczna jest zakodowana i jak jest ona dziedziczona. To, co podkreśla się w wielu opisach odkrycia kodu genetycznego, jest zapewne cechą o drugorzędnym znaczeniu: struktura DNA ma kształt podwójnej helisy. Jest to istotnie niezwykłe i elegancka struktura DNA słusznie stała się zatem jednym z najbardziej rozpoznawalnych obrazów w nauce, reprodukowanych na T-shirtach i witrynach internetowych, a nawet w architekturze. Ale podwójna helisa jest tylko rusztowaniem. Prawdziwy sekret DNA kryje się w tym, co ta helisa umożliwia. Jak wstępnie opisaliśmy w rozdziale 2, helikalną strukturę DNA (rysunek 7.1.) zapewnia cukrowo-fosforanowy szkielet, który niesie właściwy przekaz DNA: sekwencje zasad azotowych, guaniny (G), cytozyny (C), tyminy (T) i adeniny (A). Watson i Crick dostrzegli, że ta liniowa sekwencja tworzy kod – który, według nich, był kodem genetycznym.

Rysunek 7.1. Struktura DNA: (a) podwójna helisa Watsona i Cricka; (b) pokazane w zbliżeniu sparowane litery genetyczne G i C. W obu przykładach wiązania wodorowe – wspólne protony – które łączą dwie zasady, ukazane są jako linie kropkowane. W tym standardowym (kanonicznym) parowaniu zasad Watsona i Cricka, zasady są w ich normalnej, nietautomerycznej postaci.

W ostatnim wierszu ich historycznej publikacji Watson i Crick zasugerowali, że struktura DNA zapewnia także rozwiązanie następnej wielkiej zagadki życia: „Nie umknęło naszej uwadze, że postulowane przez nas specyficzne parowanie wskazuje natychmiast możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego”. To, co nie umknęło ich uwadze, było zasadniczą cechą podwójnej helisy: informacja na jednej nici – jej sekwencja par zasad – jest także obecna jako odwrotna kopia na drugiej nici. Litera A na jednej z nici jest zawsze sparowana z T na drugiej, a G jest zawsze sparowane z C. To specyficzne parowanie pomiędzy zasadami przeciwnych nici (para A:T albo G:C) jest zapewnione przez słabe wiązanie chemiczne, zwane wiązaniem wodorowym. Ten „klej”, trzymający dwie molekuły razem, to w istocie wspólny

proton i ma on kluczowe znaczenie w naszej historii, dlatego wkrótce opiszemy jego naturę bardziej szczegółowo. Ale słabość wiązania pomiędzy sparowanymi łańcuchami DNA natychmiast wskazuje na mechanizm kopiowania: nici mogłyby być rozdzielone i każda z nich stanowiłaby szablon, na którym można zbudować jej dopełnienie, tak aby powstały dwie kopie oryginalnej podwójnej helisy. I tak dokładnie się dzieje, gdy geny są kopiowane podczas podziału komórki. Dwie nici podwójnej helisy wraz z ich komplementarnymi informacjami są rozdzielane, co umożliwia dostęp do nich enzymowi zwanemu polimerazą DNA. Enzym przyłącza się do pojedynczej nici i ześlizguje wzdłuż nukleotydów, odczytując każdą literę kodu genetycznego, i z niemal niezawodną dokładnością wstawia komplementarną zasadę w rozbudowującą się nić: kiedy widzi A, to wstawia T, kiedy widzi G, to wstawia C – i tak dalej, aż utworzy pełną komplementarną kopię. Ten sam proces jest powtarzany na drugiej nici i powstają dwie kopie oryginalnej podwójnej helisy: po jednej dla każdej z komórek potomnych. Ten zwodniczo prosty proces stanowi podstawę rozmnażania się życia na naszej planecie. Ale gdy Schrödinger upierał się w 1944 roku, że niezwykła wierność dziedziczenia nie może być wyjaśniona za pomocą praw klasycznych – geny, twierdził, są zbyt małe, aby ich regularność była oparta na zasadzie „porządku z nieporządku” – zaproponował, że geny muszą być jakimś rodzajem kryształu aperiodycznego. Czy geny są kryształami aperiodycznymi? Kryształy, takie jak kryształki soli, przejawiają tendencję do posiadania charakterystycznych kształtów. Kryształy chlorku sodu (soli kuchennej) są sześcianami, podczas gdy cząsteczki wody w lodzie tworzą sześciokątne graniastosłupy, które wzrastają do cudownie różnorodnych form płatków śniegu. Te kształty są konsekwencją tego, jak można razem upakować cząsteczki wewnątrz kryształu, więc, ostatecznie, są one określone przez prawa kwantowe, które określają kształt cząsteczek. Ale standardowe kryształy, choć bardzo uporządkowane, nie kodują wielu informacji, ponieważ każda powielana jednostka jest taka sama jak wszystkie inne – trochę jak mozaikowy wzór tapety – stąd prosta zasada opisuje cały kryształ. Schrödinger zaproponował, że geny są tym, co określił jako kryształy aperiodyczne; to znaczy kryształy o tej samej powtarzalnej strukturze cząsteczkowej, co standardowe kryształy, ale modulowane w pewien sposób, na przykład z innymi interwałami, czyli periodami (stąd „aperiodyczny”), pomiędzy powtórzeniami albo różnymi strukturami w powtórzeniach – coś bardziej przypominające skomplikowany arras niż tapetę. Zaproponował, że te modulowane powtarzalne struktury kodują genetyczną informację i że, podobnie jak kryształy, ich porządek byłby zakodowany na kwantowym poziomie. Pamiętajmy, że było to dziesięć lat przed odkryciem Watsona i Cricka: lata całe, zanim poznano strukturę genu albo nawet to, z czego geny są zrobione. Czy Schrödinger miał rację? Pierwszym oczywistym spostrzeżeniem jest to, że kod

DNA jest rzeczywiście stworzony z powtarzającej się struktury – zasad DNA – która jest aperiodyczna w tym sensie, że w każdej powtarzającej się jednostce może występować jedna z czterech różnych zasad. Geny rzeczywiście są aperiodycznymi kryształami, tak jak przewidywał Schrödinger. Ale aperiodyczne kryształy nie muszą wcale kodować informacji na poziomie kwantowym: nieregularne ziarna na błonie fotograficznej są kryształami soli srebra i nie są kwantowe. Aby dowiedzieć się, czy Schrödinger miał także rację w sprawie genów jako kwantowych bytów, musimy zapoznać się bardziej szczegółowo ze strukturą zasad DNA, a szczególnie z naturą wiązania pomiędzy parami komplementarnych zasad T z A i C z G. Parowanie DNA, które zawiera kod genetyczny, ma swe źródło w wiązaniach chemicznych, które utrzymują razem zasady komplementarne. Jak już wspominaliśmy, te wiązania, zwane wiązaniami wodorowymi, są utworzone z pojedynczych protonów, w istocie jąder atomów wodoru, którymi dzielą się dwa atomy, po jednym w każdej z zasad komplementarnych na przeciwnych niciach: to one utrzymują sparowane zasady razem (rysunek 7.1.). Zasada A ma się parować z zasadą T, ponieważ każda A utrzymuje proton w ściśle określonym położeniu, aby stworzyć wiązanie wodorowe z T. Zasada A nie może sparować się z zasadą C, ponieważ protony nie byłyby położone w odpowiednich miejscach, aby utworzyć takie wiązanie. To parowanie zasad nukleotydów za pomocą protonów jest kodem genetycznym, który zostaje replikowany i przekazany następnej generacji. I to nie jest jednorazowy transfer informacji – jak zakodowana wiadomość napisana na bloczku, który po użyciu jest niszczony. Kod genetyczny musi być nieustannie odczytywany przez całe życie komórki, aby kierować maszynerią wytwarzającą białka i produkować maszyny życia, enzymy, a tym samym kierować całą aktywnością komórki. Ten proces jest wykonywany przez enzym zwany polimerazą RNA, który, jak polimeraza DNA, odczytuje położenie tych kodujących protonów wzdłuż nici DNA. Podobnie jak sens przekazu albo treść książki zapisane są w położeniu liter na stronie, położenie protonów na podwójnej helisie determinuje historię życia. Szwedzki fizyk Per-Olov Löwdin jako pierwszy zwrócił uwagę, co wydaje się oczywiste z perspektywy czasu, że położenie protonów jest ustalane prawami kwantowymi, a nie klasycznymi. A więc kod genetyczny, który umożliwia życie, jest nieuchronnie kodem kwantowym. Schrödinger miał rację: geny są zapisane kwantowymi literami, a wierność dziedziczenia jest raczej wynikiem praw kwantowych niż klasycznych. Tak jak kształt kryształu jest ostatecznie wyznaczany przez prawa kwantowe, tak i kształt waszego nosa, kolor oczu i wasz charakter są ustalane przez prawa kwantowe działające wewnątrz struktury pojedynczej cząsteczki DNA, którą odziedziczyliście od jednego z rodziców. Jak przewidział Schrödinger, życie działa poprzez porządek, który schodząc w dół od struktury i zachowania całego organizmu do położenia protonów wzdłuż nici DNA – czyli porządek z porządku –

odpowiada za wierność dziedziczenia. Ale nawet kwantowe replikatory popełniają sporadyczne błędy.

Brak wierności Życie nie wyewoluowałoby na naszej planecie i nie dostosowało się do wielu wyzwań, gdyby proces kopiowania kodu genetycznego był zawsze doskonały. Na przykład drobnoustroje pływające wiele tysięcy lat temu w jeziorach antarktycznych w umiarkowanej strefie klimatycznej musiały być dostosowane do życia we względnie ciepłym i jasnym otoczeniu. Gdy lodowy dach zakrył ich świat, drobnoustroje, które kopiowały swe genomy ze 100-procentową wiernością, musiały na pewno zginąć. Ale wiele drobnoustrojów zrobiło kilka błędów w procesie kopiowania i stworzyło potomstwo odrobinę zmutowane względem nich samych. To potomstwo, którego różnice lepiej wyposażyły do przeżycia w zimnym, ciemnym otoczeniu, miało przeżyć i stopniowo, dzięki tysiącom nie całkiem dokładnych procesów kopiowania, potomstwo tych uwięzionych drobnoustrojów stało się dobrze dostosowane do życia w zatopionym jeziorze. Ten proces adaptacji poprzez mutacje (błędy replikacji DNA) w wodach jeziora Wostok jest mikrokosmosem procesu, który zachodzi na całym globie od miliardów lat. Ziemia doznała wielu poważnych katastrof w ciągu swej długiej historii, od ogromnych erupcji wulkanów do epok lodowcowych i uderzeń meteorów. Życie mogłoby zginąć, gdyby nie przystosowało się do zmian poprzez kopiowanie błędów. Co równie istotne, mutacje dokonywały także zmian genetycznych, które przekształciły proste drobnoustroje, które jako pierwsze wyewoluowały na naszej planecie, w ogromnie dzisiaj zróżnicowaną biosferę. Mały brak wierności odnosi sukces, potrzeba tylko dostatecznej ilości czasu. Oprócz zaproponowania, że mechanika kwantowa jest źródłem wierności dziedziczenia, Erwin Schrödinger w swej książce z 1944 roku, Czym jest życie?, wysunął jeszcze inną śmiałą sugestię. Wskazał na taką możliwość, że mutacje mogą być pewnym rodzajem kwantowych przeskoków wewnątrz genu. Czy to możliwe? Aby na to odpowiedzieć, musimy najpierw opisać spór, który dotyczy istoty teorii ewolucji.

Żyrafa, fasola i muszka owocowa Często twierdzi się, że ewolucja była „odkryta” przez Karola Darwina, ale fakt, że

organizmy zmieniały się w miarę upływu czasu w skali geologicznej, był znany naturalistom przynajmniej wiek wcześniej, zanim Darwin ukończył badania skamielin. Istotnie, dziadek Karola, Erasmus Darwin, był zapalonym ewolucjonistą. Ale być może najbardziej znaną przeddarwinowską teorię ewolucji przedstawił francuski arystokrata o robiącym wrażenie tytule Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck. Lamarck, urodzony w 1744 roku, miał zostać księdzem jezuitą, ale po śmierci ojca odziedziczył wystarczająco dużo pieniędzy, aby kupić konia, na którym odjechał, aby zostać żołnierzem i walczyć na Pomorzu w wojnie siedmioletniej przeciw Prusom. Jego kariera wojskowa skończyła się, gdy został ranny, i po powrocie do Paryża pracował jako urzędnik, a w wolnym czasie studiował botanikę i medycynę. Potem pracował jako asystent w Jardin du Roi (ogród królewski) aż do czasu, gdy rewolucja skróciła jego pracodawcę o głowę. Ale Lamarck prosperował w postrewolucyjnej Francji, uzyskując katedrę na Uniwersytecie Paryskim, gdzie zmienił swe zainteresowania z badań nad roślinami na badania bezkręgowców. Lamarck jest jednym z najbardziej niedocenianych wielkich uczonych, przynajmniej w świecie anglosaskim. Przedstawił teorię ewolucji, która dostarcza przekonującego mechanizmu zmian ewolucyjnych, pół wieku przed Darwinem; jest również autorem terminu „biologia” (z greckiego bios – życie). Lamarck pokazał, że organizmy podczas swego życia są zdolne do modyfikacji swych ciał w odpowiedzi na czynniki środowiskowe. Na przykład chłopi przyzwyczajeni do fizycznego trudu ogólnie bardziej rozwijają swą muskulaturę niż urzędnicy bankowi. Lamarck twierdził, że te nabyte zmiany mogą być dziedziczone przez dzieci i ich potomków i w ten sposób ewolucyjne zmiany są przenoszone. Jego najsławniejszy i najbardziej wyśmiewany przykład to wyimaginowana antylopa, która wyciągała swą szyję, aby uchwycić liście wiszące najwyżej na drzewie. Lamarck twierdził, że potomkowie tej antylopy odziedziczyli nabytą cechę charakterystyczną w postaci wydłużonej szyi, a ich potomstwo, przechodząc ten sam proces, w końcu wyewoluowało do postaci żyrafy. Teoria Lamarcka odziedziczonych zmian adaptacyjnych była ogólnie wyśmiewana w świecie anglosaskim, bo było wiele dowodów na to, że cechy charakterystyczne nabyte podczas życia zwierzęcia nie były powszechnie dziedziczone. Na przykład Europejczycy z Północy o jasnej karnacji, którzy wyemigrowali do Australii kilkaset lat temu, byli opaleni, gdy spędzali dużo czasu na świeżym powietrzu, ale ich potomstwo, choć poddawane ekspozycji na światło słoneczne, było tak białe jak ich przodkowie. Zmiana adaptacyjna będąca odpowiedzią na silne nasłonecznienie – opalenizna – w sposób oczywisty nie jest dziedziczona. Tak więc po opublikowaniu w 1859 roku O powstawaniu gatunków ewolucyjna teoria Lamarcka została zaćmiona przez teorię doboru naturalnego Darwina122. Dzisiaj kładzie się nacisk na ewolucję w wersji Darwina, z bezlitosną naturą

preferującą dobrze dostosowanych spośród mniej doskonałego potomstwa – czyli pogląd, że przetrwa najlepiej przystosowany. Ale dobór naturalny to tylko połowa opowieści o ewolucji. Aby ewolucja odniosła sukces, dobór naturalny wymaga źródła zmian, na którym może ona zdobywać doświadczenie. To była dla Darwina olbrzymia zagadka, ponieważ, jak już odkryliśmy, dziedziczenie charakteryzuje się zadziwiającym stopniem wierności. To może nie od razu jest widoczne na organizmach rozmnażających się płciowo, które wydają się inne od swych rodziców, ale aby uzyskać potomstwo w wyniku rozmnażania płciowego, następuje tylko przetasowanie istniejących cech rodzicielskich. Istotnie na początku XIX wieku powszechnie wierzono, że mieszanie cech w rozmnażaniu płciowym przebiega trochę jak mieszanie farb. Jeśli weźmiesz kilkaset puszek farby różnych kolorów i zmieszasz pół puszki jednego z połową puszki drugiego, i powtórzysz ten proces tysiące razy, to w końcu otrzymasz kilkaset puszek szarej farby: pojedyncze różnice przejdą w mieszaninę dążącą do średniej w danej populacji. Ale Darwin potrzebował zmian, które nieustannie by się utrzymywały i powiększały, jeśli miało to być źródłem zmian ewolucyjnych. Darwin sądził, że ewolucja postępuje stopniowo poprzez dobór naturalny działający na małych dziedziczonych zmianach: Dobór naturalny może działać jedynie drogą zachowywania i nagromadzania bardzo drobnych dziedzicznych zmian, korzystnych dla zachowanego organizmu, i jeżeli nowoczesna geologia rozstała się prawie zupełnie z takimi poglądami, jak wyżłobienie wielkiej doliny przez jedną falę potopu, to i dobór naturalny wyruguje wszelką wiarę w ciągłe stwarzanie nowych istot organicznych lub też w jakiekolwiek wielkie i nagłe zmiany w ich budowie123. Ale źródło tego surowego materiału dla ewolucji – „bardzo drobne dziedziczne zmiany” – było wielką zagadką. Osobliwości albo „zabawy” z cechami dziedzicznymi były znane dziewiętnastowiecznym biologom: na przykład owca z bardzo krótkimi nogami urodziła się na farmie w Nowej Anglii w końcu XIX wieku i została rozmnożona, aby dać krótkonogą rasę owiec Ancon, które łatwiej się hoduje, ponieważ nie mogą skakać przez ogrodzenia. Jednak Darwin nie wierzył, że te zabawy mogłyby napędzać ewolucję, ponieważ zachodzące zmiany były zbyt wielkie i powstawały dziwaczne stworzenia, które z pewnością nie mogłyby przeżyć w naturze. Darwin musiał znaleźć źródło mniejszych, mniej dramatycznych dziedzicznych zmian, które stworzyłyby tylko bardzo małe różnice w pokoleniach, niezbędne do działania jego teorii. Nigdy też nie rozwiązał tego problemu w ciągu swego życia. W późniejszych wydaniach O pochodzeniu gatunków uciekł się nawet do pewnej lamarckowskiej

formy teorii ewolucji, aby pokazać małe dziedziczne zmiany. Rozwiązanie zostało częściowo odkryte jeszcze za życia Darwina przez czeskiego zakonnika i hodowcę roślin Gregora Mendla, o którym była mowa w rozdziale 2. Eksperymenty Mendla z groszkiem wykazały, że małe zmiany w kształcie grochu albo w kolorze były rzeczywiście trwale dziedziczone: to znaczy – co najważniejsze – te cechy nie mieszały się, ale były przekazywane z pokolenia na pokolenie, chociaż często pomijały pokolenia, jeśli miały charakter recesywny, a nie dominujący. Mendel zasugerował, że dyskretne dziedziczne „czynniki”, które dzisiaj nazywamy genami, kodują cechy biologiczne i są źródłem biologicznego zróżnicowania. A więc rozmnażanie płciowe nie jest czymś na podobieństwo mieszania farb, można je sobie wyobrażać raczej jako wazy z kulkami o ogromnej różnorodności barw i wzorów. Każda mieszająca się generacja wymienia się połową kulek z jednej wazy z połową zawartości innej wazy. Najważniejsze, że nawet po tysiącach pokoleń pojedyncze kulki zachowują swoje odrębne kolory. Tak jak cechy przekazywane bez zmian przez setki tysięcy pokoleń. Geny tym samym są stabilnym źródłem zmienności, na które może wpływać dobór naturalny. Praca Mendla była ignorowana za jego życia, a później zapomniana; a więc, o ile nam wiadomo, Darwin nie miał pojęcia o teorii Mendla „czynników dziedzicznych” i jej potencjalnego rozwiązania zagadki mieszania. Zatem w końcu XIX wieku problem znalezienia źródła zmian dziedziczonych, które napędza ewolucję, doprowadził do spadku poparcia dla darwinowskiej koncepcji ewolucji. Ale gdy zaczął się wiek XX, idee Mendla odżyły dzięki kilku botanikom badającym krzyżowanie się roślin, którzy odkryli prawa rządzące dziedziczeniem zmian. Jak wszyscy prawdziwi uczeni, którzy czując, że odkryli coś ważnego, dokonali przeglądu istniejącej literatury przed publikacją swych wyników – i byli zaskoczeni tym, że ich prawa dziedziczenia zostały już opisane kilkadziesiąt lat wcześniej przez Mendla. Ponowne odkrycie czynników Mendla, teraz nazwanych „genami”124, umożliwiło rozwiązanie darwinowskiej zagadki mieszania, ale nie rozwiązało natychmiast problemu znalezienia źródła nowych zmian genetycznych potrzebnych do napędzania długoterminowych zmian ewolucyjnych, ponieważ geny wydawały się być dziedziczone bez zmian. Dobór naturalny może zmieniać mieszankę genowych kulek w każdym pokoleniu, lecz sam z siebie nie stwarza żadnych nowych kulek. Ten impas został przezwyciężony przez jednego z botaników, którzy odkryli na nowo genetykę mendlowską, Hugona de Vriesa, który na polu kartofli znalazł nową odmianę wiesiołka, Oenothera lamarckiana, wyższą od zwykłej rośliny i z płatkami owalnymi, a nie sercowatymi, jak u dotąd znanych. Uznał ten kwiat za „mutanta” i, co ważniejsze, wykazał, że zmutowane cechy zostały przekazane na potomstwo rośliny, a więc zostały odziedziczone. Genetyk Thomas Hunt Morgan podjął badania mutacji de Vriesa w laboratorium na

Uniwersytecie Columbia w pierwszej dekadzie XX wieku, pracując na zawsze uległych muszkach owocowych. On i jego zespół poddali muszki działaniu silnych kwasów, promieni Roentgena i toksyn, starając się stworzyć mutanty. W końcu, w 1909 roku, z poczwarki wylęgła się muszka z białymi oczami i zespół zademonstrował, że, tak jak w przypadku dziwnie ukształtowanych wiesiołków de Vriesa, zmutowana cecha rozmnażała się jak mendlowski gen. Połączenie darwinowskiego doboru naturalnego z mendlowską genetyką i teorią mutacji doprowadziło w końcu do tego, co często określa się mianem neodarwinowskiej syntezy. Mutacja została przyjęta jako ostateczne źródło dziedzicznych zmian genetycznych, które w większości mają mały wpływ i czasami są nawet szkodliwe, ale od czasu do czasu czynią mutanty bardziej dostosowane od ich rodziców. Proces doboru naturalnego odrzuca z populacji mniej dostosowane mutanty, podczas gdy bardziej udanym umożliwia przeżycie i rozmnażanie się. W końcu dostosowane mutanty stają się normą i ewolucja przebiega z „zachowaniem i nagromadzaniem bardzo drobnych dziedzicznych zmian”. Ważną składową neodarwinowskiej syntezy jest zasada, że mutacje zdarzają się losowo; odmiana nie tworzy się w odpowiedzi na zmiany ewolucyjne. A więc gdy środowisko zmienia się, gatunki muszą oczekiwać na nadejście odpowiedniej mutacji – poprzez procesy losowe – aby podążyć tropem tej zmiany. To jest przeciwieństwem idei ewolucji Lamarcka, która zakłada, że dziedziczne cechy dostosowania – długa szyja żyrafy – powstają na skutek wyzwań stawianych przez środowisko, a następnie są dziedziczone. Na początku XX wieku nie było całkiem jasne, czy dziedziczne mutacje pojawiają się losowo, jak wierzyli neodarwiniści, czy też powstawały w odpowiedzi na wyzwania środowiska, jak sądził Lamarck. Pamiętajmy, że Morgan poddawał swe muszki trującym chemikaliom albo promieniowaniu generującemu mutacje. Być może w odpowiedzi na te wyzwania środowiskowe muszki stworzyły nowe zmiany, które pomogły im przetrwać te wyzwania. Jak żyrafa Lamarcka mogły metaforycznie wyciągnąć szyje, a potem przekazać swe cechy adaptacyjne na swoich potomków jako dziedziczne mutacje. Klasyczne eksperymenty przeprowadzone przez Salvadora Lurię, promotora doktoratu Jamesa Watsona, i Maxa Delbrücka na Uniwersytecie Indiana w 1943 roku miały na celu sprawdzenie konkurencyjnych teorii. W tym czasie bakterie zastąpiły muszki owocowe jako ulubiony obiekt badań ewolucyjnych, a to z powodu łatwości ich rozmnażania w laboratorium i krótkich okresów życia pokoleń. Wiedziano, że bakterie mogą być zainfekowane wirusami, ale jeśli wielokrotnie były na to narażane, to szybko rozwijały odporność poprzez mutacje. To była sytuacja idealna, w której można było sprawdzić konkurencyjne – neodarwinowską i lamarckowską – teorie mutacji. Luria i Delbrück chcieli odkryć, czy mutanty bakterii zdolne do przeciwstawienia się

wirusowej infekcji już istniały w populacji, jak przewidywał neodarwinizm, czy też powstały w odpowiedzi na wyzwanie środowiskowe stworzone przez wirusy, jak przewidywała teoria Lamarcka. Dwaj uczeni odkryli, że mutanty występowały w podobnej proporcji w obecności wirusów jak bez ich obecności. Ujmując to inaczej, stopień zmutowania nie był spowodowany selektywną presją wywieraną przez środowisko. Ich eksperymenty zostały nagrodzone Nagrodą Nobla w 1969 roku i ustaliły zasadę losowości mutacji jako fundament współczesnej biologii ewolucyjnej. Ale gdy Luria i Delbrück przeprowadzali swój eksperyment w 1943 roku, wciąż nikt nie wiedział, z czego te genowe kulki są zrobione, a jeszcze mniej, jakie fizyczne mechanizmy były odpowiedzialne za tworzenie mutacji – zmienianie jednej kulki w inną. To wszystko uległo zmianie, gdy w 1953 roku Watson i Crick odkryli podwójną helisę. Kulki genowe okazały się być zbudowane z DNA. Zasada mówiąca, że mutacje są losowe, nabrała wtedy sensu, ponieważ dobrze poznane przyczyny mutacji, takie jak promieniowanie albo mutogenne chemikalia, będą losowo niszczyły molekuły DNA wzdłuż całej ich długości, powodując mutacje w jakimkolwiek genie, który napotkają, niezależnie od tego, czy zmiana będzie korzystna, czy też nie. W swej drugiej publikacji o strukturze DNA125 Watson i Crick sugerowali, że proces nazwany tautomeryzacją, w którym protony poruszają się wewnątrz cząsteczki, może być także przyczyną mutacji. Jestem całkiem pewny, że macie już świadomość tego, że jakikolwiek proces, w którym poruszają się cząstki elementarne, takie jak protony, musi być kwantowomechaniczny. A więc czy Schrödinger miał rację? Czy mutacje są pewnego rodzaju przeskokami kwantowymi?

Kodowanie za pomocą protonów Spójrzcie raz jeszcze na dolną część rysunku 7.1. Zobaczycie tam narysowane kropkowaną linią pomiędzy dwoma atomami (tlenu O i azotu N) sparowanych zasad wiązanie wodorowe, które, jak pamiętacie, jest uwspólnionym protonem. Ale czy proton nie jest cząstką? Dlaczego zatem jest narysowany jako linia kropkowana, a nie kropka? Powód jest oczywiście taki, że protony są bytami kwantowymi, które mają cechy zarówno cząstki, jak i fali: dlatego proton jest zdelokalizowany, zachowując się jak byt rozmyty albo fala, która chlupocze pomiędzy dwoma zasadami. Położenie H na rysunku 7.1. – oznaczające najbardziej prawdopodobne położenie protonu – nie jest w połowie odległości pomiędzy dwoma zasadami, ale raczej przesunięte w jedną stronę: bliżej jednej nici albo drugiej. Ta asymetria jest odpowiedzialna za niezwykle ważną cechę DNA. Rozważmy jedną z możliwych par zasad, taką jak A-T, z A na jednej nici i T na

drugiej, utrzymywaną razem za pomocą dwóch wiązań wodorowych (protonów), z tym że jeden proton jest bliżej atomu azotu w A, a drugi jest bliżej tlenu w T (rysunek 7.2a.), umożliwiając utworzenie wiązania wodorowego A:T. Ale pamiętajmy, że „bliżej niż” jest nieprecyzyjną koncepcją w świecie kwantowym, gdzie cząstki nie mają ustalonych położeń, lecz mogą być we wszystkich miejscach jednocześnie z odpowiednim, przypisanym temu miejscu i cząstce prawdopodobieństwem, oraz z miejscami, gdzie mogą się pojawić w wyniku tunelowania. Jeśli dwa protony, które utrzymują razem dwie genetyczne litery, miałyby przeskoczyć na drugą stronę, odpowiadającą ich wiązaniu wodorowemu, to znalazłyby się bliżej przeciwnej zasady. To skutkowałoby wytworzeniem alternatywnych form każdej z zasad zwanych tautomerami (rysunek 7.2b.). Każda z zasad DNA może dlatego istnieć zarówno w swej formie kanonicznej, jak widzieliśmy w strukturze DNA przedstawionej przez Watsona i Cricka, i w rzadszej formie tautomerycznej, z kodującymi ją protonami przesuniętymi do nowych położeń.

Rysunek 7.2. (a) Standardowa para zasad A•T z protonami w ich normalnych położeniach; (b) tutaj sparowane protony dokonały przeskoku przez podwójną helisę, tworząc tautomeryczną formę zarówno A, jak i T.

Pamiętajmy jednak, że protony tworzące wiązania wodorowe w DNA są odpowiedzialne za specyficzność parowania zasad, które używane jest w replikacji kodu genetycznego. A więc jeśli para kodujących protonów przesunie się (w przeciwnych kierunkach), to efektywnie na nowo pisze kod genetyczny. Na przykład jeśli genetyczna litera w nici DNA to T (tymina), to w jej formie normalnej paruje się, poprawnie, z A. Jednak jeśli nastąpi przeskok obu protonów, to zarówno T, jak i A przyjmą formy tautomeryczne. Oczywiście protony mogą znowu przeskoczyć

z powrotem, ale jeśli przypadkiem w czasie, gdy nić DNA jest kopiowana, są w rzadkiej formie tautomerycznej126, to nieodpowiednie zasady mogą zostać przyłączone do nowych nici DNA. Tautomeryczna forma T może sparować się z G raczej niż z A, a więc G będzie włączone w nową nić tam, gdzie było A w starej nici. Podobnie jeśli A jest w formie tautomerycznej, gdy DNA zostaje replikowane, to wtedy raczej sparuje się z C niż z T, a więc nowa nić ma C tam, gdzie stara nić miała T (rysunek 7.3.). W każdym przypadku nowo utworzone nici DNA będą niosły mutacje – zmiany w łańcuchach DNA, które odziedziczy potomstwo.

Rysunek 7.3. W swej formie tautomerowej (enolowej), oznaczonej na rysunku jako T*, T może sparować się błędnie raczej z G niż ze swą zasadą komplementarną A. Podobnie tautomeryczna forma A (A*) może sparować się błędnie raczej z C niż z T. Jeśli te błędy pojawią się podczas replikacji DNA, to powstanie mutacja.

Chociaż ta hipoteza jest całkowicie prawdopodobna, trudno uzyskać bezpośrednie dowody ją wspierające. Jednak w 2011 roku, prawie sześćdziesiąt lat po publikacji pracy Watsona i Cricka, grupa z Duke University Medical Center w USA wykazała, że błędnie sparowane zasady DNA z protonami w tautomerycznych położeniach mogą rzeczywiście pasować do aktywnego centrum polimerazy DNA (enzymu tworzącego

nowe DNA), a więc prawdopodobnie są dołączone do nowej nici DNA i powodują mutacje127. A więc tautomeryczne formy – z alternatywnymi położeniami protonów – wydają się napędzać mutację, a tym samym i ewolucję; lecz co powoduje przesunięcie protonów w błędne położenia? Oczywista, „klasyczna” możliwość jest taka, że są od czasu do czasu „wytrząsane” na drugą stronę przez stale zachodzące wokół nich molekularne wibracje. Potrzeba jednak dostatecznie dużo energii cieplnej, aby wywołać ten efekt. Tak jak w enzymatycznych reakcjach katalizy, opisywanych w rozdziale 3, proton musi przezwyciężyć całkiem stromą barierę energetyczną, aby poruszyć się. Ewentualnie protony mogą być uderzone w wyniku zderzenia z najbliższymi cząsteczkami wody; ale nie ma wielu cząsteczek wody w pobliżu kodujących DNA protonów, aby dostarczyć im takiego bodźca. Lecz jest jeszcze inna możliwość – taka, która odgrywa istotną rolę w sposobie, w jaki enzymy dokonują transferu elektronów i protonów. Jedną z konsekwencji falowej natury subatomowych cząstek, takich jak elektrony i protony, jest możliwość tunelowania kwantowego. Rozmycie położenia jakiejkolwiek cząstki pozwala jej na przecieknięcie przez barierę energetyczną. Widzieliśmy w rozdziale 3, jak enzymy wykorzystują kwantowe tunelowanie elektronów i protonów, zbliżając molekuły wystarczająco blisko, aby doszło do tunelowania. Dziesięć lat po publikacji doniosłej pracy Watsona i Cricka szwedzki fizyk Per-Olov Löwdin, którego spotkaliśmy wcześniej w tym rozdziale, zaproponował, że kwantowe tunelowanie może być alternatywnym sposobem przemieszczania się wzdłuż wiązania wodorowego, aby stworzyć tautomeryczne, mutagenne formy nukleotydów. Należy podkreślić, że mutacje DNA są spowodowane przez różnorodne mechanizmy, włączając w to zniszczenia powodowane chemikaliami, światłem ultrafioletowym, rozpadem radioaktywnym cząstek, a nawet promieniowaniem kosmicznym. Wszystkie te zmiany zachodzą na poziomie molekularnym i są związane z procesami kwantowomechanicznymi. Jak dotąd nie ma dowodów, które wskazywałyby na udział w tych źródłach mutacji jeszcze dziwniejszych aspektów mechaniki kwantowej. Ale udział kwantowego tunelowania w procesie tworzenia tautomerycznych form zasad DNA jest raczej pewny, a wtedy kwantowa dziwaczność mogłaby grać jakąś rolę w mutacjach, które napędzają ewolucję. Jednak tautomeryczne formy zasad DNA stanowią zaledwie 0,01 procenta wszystkich zasad DNA, co potencjalnie może prowadzić do błędów w tej samej skali. To znacznie większy odsetek niż około jednej mutacji na miliard w naturze, a więc jeśli tautomeryczne formy zasad są faktycznie obecne w podwójnej helisie, to większość powstałych błędów musi być usuwana przez różnorodne mechanizmy korekcji („korekta”), które wspomagają wierność replikacji DNA. Mimo to błędy powodowane przez tunelowanie kwantowe, umykające maszynerii korygującej, mogą być źródłem

naturalnie pojawiających się mutacji, które napędzają ewolucję całego ziemskiego życia. Odkrycie mechanizmów mutacji jest ważne nie tylko dla zrozumienia ewolucji; daje także wgląd w to, jak powstają choroby genetyczne albo jak powstają komórki nowotworowe, albowiem oba te procesy są spowodowane mutacjami. Jednak z udowodnieniem udziału kwantowego tunelowania jest taki problem, że w przeciwieństwie do innych przyczyn mutacji, takich jak oddziaływanie chemikaliów i promieniowania, nie może ono po prostu zostać włączone albo wyłączone. Dlatego niełatwo zmierzyć wskaźnik mutacji z tunelowaniem i bez niego, aby stwierdzić, czy się różnią. Ale może jest alternatywny sposób wykrycia kwantowego źródła mutacji, taki, który odwołuje się do różnicy między klasyczną informacją i informacją kwantową. Klasyczna informacja może być odczytywana wielokrotnie bez zmiany jej treści, podczas gdy układy kwantowe są zawsze zaburzane przez pomiar. A więc gdy enzym polimerazy DNA skanuje zasadę DNA, aby wykryć położenie kodujących protonów, to dokonuje pomiaru kwantowego, nieróżniącego się w zasadzie od pomiaru położenia protonu wykonywanego przez fizyka w laboratorium. W obu procesach pomiar nigdy nie jest nieszkodliwy: zgodnie z mechaniką kwantową każdy pomiar, czy wykonany przez polimerazę DNA wewnątrz komórki, czy też licznikiem Geigera w laboratorium, nieuchronnie zmienia stan cząstki mierzonej. Jeśli stan tej cząstki odpowiada literze kodu genetycznego, to pomiar, szczególnie częsty pomiar, powinien zmienić ten kod i potencjalnie dokonać mutacji. Czy są na to jakieś dowody? Choć cały nasz genom jest kopiowany podczas replikacji DNA, większość odczytów naszych genów zachodzi nie podczas replikacji DNA, ale podczas procesów, za pomocą których informacja genetyczna jest używana do kierowania syntezą białek. Pierwszy z tych dwóch procesów, znany jako transkrypcja, wiąże się z kopiowaniem informacji zakodowanej w DNA do RNA, chemicznego kuzyna DNA. RNA następnie podążą do syntetyzującej maszynerii i powstaje białko: to drugi proces znany jako translacja. Aby wyróżnić te procesy z kopiowania informacji genetycznej podczas replikacji DNA, będziemy mówić o nich jako odczycie DNA. Bardzo ważną cechą tego procesu jest to, że pewne geny są odczytywane znacznie częściej niż inne. Jeśli odczyt kodu DNA podczas transkrypcji stanowi kwantowy pomiar, to częstszy odczyt genów powinien prowadzić do większej ilości zaburzeń spowodowanych pomiarem, podnosząc wskaźnik mutacji. I właśnie to odkryto w czasie niektórych badań. Na przykład Abhijit Datta i Sue Jinks-Robertson z Uniwersytetu Emory w Atlancie, USA, oddziaływali na pojedynczy gen w komórce drożdży w taki sposób, że był odczytywany albo tylko kilka razy, aby wytworzył małą ilość białka w komórce, albo wiele razy, by wytworzył dużo białka. Odkryli przy tym, że wskaźnik mutacji w genie był trzydzieści razy większy, gdy gen był odczytywany

większą ilość razy128. Podobne badania komórek myszy potwierdziły ten efekt129, a ostatnie badania ludzkich genów prowadzą do wniosku, że te z naszych genów, które odczytywane są najczęściej, są na ogół najbardziej zmutowane130. To jest co najmniej spójne z efektem pomiaru kwantowego, ale oczywiście nie dowodzi, że wiąże się z tym mechanika kwantowa. Odczyt DNA wiąże się z reakcjami biochemicznymi, które mogą zaburzać albo niszczyć molekularną budowę genów na różnorodne sposoby, powodując mutacje bez uciekania się do mechaniki kwantowej. Aby zbadać, czy mechanika kwantowa ma związek z procesem biologicznym, potrzebujemy takiego dowodu, bez którego nie sposób wyjaśnić badania bez oparcia się na mechanice kwantowej. W istocie ten właśnie problem spowodował, że obaj zaczęliśmy się interesować rolą mechaniki kwantowej w biologii.

Kwantowe przeskoki genów W sierpniu 1988 roku ukazała się w „Nature”131 publikacja o genetyce bakterii, napisana przez bardzo znanego genetyka Johna Cairnsa, pracującego w Harvard School of Public Health w Bostonie. Publikacja wydawała się podważać fundamentalną zasadę neodarwinowskiej teorii ewolucji głoszącą, że mutacje, źródło zmian genetycznych, występują losowo, a kierunek ewolucji wyznacza dobór naturalny – ponieważ „przeżywają najlepiej dostosowani”. Cairns, brytyjski lekarz i uczony, absolwent Oksfordu, pracował w Australii i Ugandzie, zanim w 1961 roku wziął urlop naukowy w cenionym na świecie ośrodku Cold Spring Harbor Laboratory w stanie Nowy Jork. Od 1963 do 1968 roku zajmował stanowisko dyrektora laboratorium, które było wylęgarnią nowej dziedziny nauki, biologii molekularnej, szczególnie w latach 1960–1970, gdy pracowali tam Salvador Luria, Max Delbrück i James Watson. Cairns spotkał Watsona wiele lat wcześniej, gdy wyglądający raczej niechlujnie przyszły laureat Nobla przedstawiał rozwlekły referat na spotkaniu w Oksfordzie, i nie był nim zbyt zachwycony; a w istocie ogólne wrażenie Cairnsa o jednym z nieśmiertelnych w nauce było takie: „Myślałem, że był całkiem stuknięty”132. W Cold Spring Harbor Cairns przeprowadził kilka przełomowych badań. Na przykład pokazał, jak rozpoczynająca się w jednym punkcie replikacja DNA posuwa się wzdłuż chromosomu podobnie do pociągu poruszającego się po szynach. W końcu chyba też musiał zmienić swój stosunek do Watsona na cieplejszy, bo w 1966 roku wspólnie zredagowali książkę o roli bakteriofagów w rozwoju biologii molekularnej. Potem w latach dziewięćdziesiątych XX wieku zainteresował się wcześniejszymi badaniami Lurii i Delbrücka, nagrodzonymi Noblem, które wydawały się dowodzić, że

mutacje pojawiają się losowo, zanim na organizm zadziałają czynniki środowiskowe. Cairns uważał, że w eksperymencie Lurii i Delbrücka był słaby punkt, dzięki któremu jakoby udało im się udowodnić, że mutanty bakterii odporne na wirusy istniały już w populacji, a nie powstały w odpowiedzi na wystawienie na działanie wirusów. Cairns wskazywał na to, że każda bakteria, która nie była już odporna na wirusa, nie miałaby czasu, aby adaptacyjnie rozwinąć nową mutację w odpowiedzi na zagrożenie, ponieważ byłaby bardzo szybko zabita przez wirusa. Stworzył alternatywną wersję doświadczenia, które dawało bakteriom większą szansę rozwinięcia mutacji w odpowiedzi na zagrożenie. Zamiast poszukiwać mutacji, które uodparniały na śmiertelnego wirusa, on zagładzał komórki i poszukiwał mutacji, które pozwalały bakterii przeżyć i rozwijać się. Podobnie jak Luria i Delbrück zaobserwował, że kilka mutantów zdołało od razu wzrosnąć, co wskazywało, że one już istniały w populacji, ale w odróżnieniu od wcześniejszych badań zaobserwował o wiele więcej mutantów pojawiających się znacznie później, najwidoczniej w odpowiedzi na głód. Wyniki Cairnsa przeczyły powszechnie uznanej zasadzie, że mutacje pojawiają się losowo; jego eksperymenty zdawały się wskazywać na to, że mutacje na ogół pojawiają się wtedy, gdy są korzystne. Jednak zjawisko to nie znalazło wyjaśnienia w ramach współczesnej genetyki i biologii molekularnej. Nie było po prostu mechanizmu, który pozwalałby bakterii lub jakiejkolwiek istocie na wybór genów do mutacji i czasu, kiedy to ma nastąpić. Te odkrycia wydają się przeczyć temu, co niektórzy nazywają głównym dogmatem biologii molekularnej, zasadzie mówiącej, że informacja płynie tylko w jedną stronę podczas transkrypcji, od DNA do białek, do środowiska komórki albo organizmu. Gdyby wnioski Cairnsa okazały się prawdziwe, wtedy komórki musiałyby być zdolne do odwracania biegu informacji genetycznej, pozwalając środowisku na wpływ na to, co jest zapisane w DNA. Publikacja Cairnsa rozpętała spór naukowy i lawinę listów do „Nature”, których autorzy próbowali zrozumieć to odkrycie. Jako genetyk zajmujący się bakteriami Johnjoe był wyjątkowo zaintrygowany zjawiskiem „adaptacyjnych mutacji”, jak zostały one nazwane. W tym czasie czytał popularnonaukową książkę Johna Gribbina o mechanice kwantowej W poszukiwaniu kota Schrödingera133 i rozmyślał, czy mechanika kwantowa, a szczególnie ten zagadkowy proces kwantowego pomiaru, mogłaby wyjaśnić wyniki Cairnsa. Johnjoe wiedział także o stwierdzeniu Löwdina, że kod genetyczny jest zapisany kwantowymi literami; a więc jeśli Löwdin ma rację, genom bakterii Cairnsa trzeba by potraktować jak układ kwantowy. A jeśli to było prawdą, to pytanie o obecność mutacji stanowiłoby pomiar kwantowy. Czy zakłócający wpływ pomiaru kwantowego może być wyjaśnieniem dziwnego rezultatu Cairnsa? Aby zbadać tę możliwość, musimy przyjrzeć się bliżej układowi eksperymentalnemu Cairnsa. Cairns wprowadził miliony komórek bakterii jelitowych E. coli134 na powierzchnię

żelu w naczyniu zawierającym jako pożywienie tylko laktozę. Szczególny szczep bakterii E. coli, użyty przez Cairnsa, posiadał błąd w jednym z genów, który powodował, że bakterie nie mogły żywić się laktozą, a więc bakterie głodowały. Ale nie zginęły; po prostu utrzymywały się na powierzchni żelu. Cairnsa zaskoczyło, że długo to nie trwało. Po kilku dniach zaobserwował kolonie występujące na powierzchni żelu. Każda z kolonii składała się z mutantów potomków pojedynczej komórki, w której mutacja poprawiła błąd w kodzie DNA wadliwego genu odpowiedzialnego za metabolizm laktozy. Kolonie mutantów utrzymywały się przez kilka dni, aż w końcu płytki wyschły. Zgodnie ze standardową teorią ewolucji, ilustrowaną eksperymentem Lurii i Delbrücka, ewolucja komórki E. coli wymagała obecności w populacji istniejących przedtem mutantów. Kilka z nich rzeczywiście wcześniej występowało w eksperymencie, ale było ich zbyt mało, aby mogły być przyczyną powstania ogromnych kolonii żywiących się laktozą, które pojawiły się kilka dni później, po umieszczeniu bakterii w środowisku z laktozą (w którym mutacje mogły wytworzyć korzystne zmiany w komórkach – stąd nazwa „adaptacyjne mutacje”). Cairns wykluczył trywialne wyjaśnienia zjawiska, takie jak ogólnie zwiększone tempo mutacji. Pokazał także, że adaptacyjne mutacje mogą pojawiać się tylko w środowiskach, gdzie mutacje zapewniają korzystne zmiany. A jednak jego rezultaty nie mogą być wyjaśnione za pomocą klasycznej biologii molekularnej: mutacje powinny pojawić się w takim samym tempie niezależnie od tego, czy obecna była laktoza, czy też nie. Jednak jeśli, jak dowodził Löwdin, geny są w zasadzie układami kwantowej informacji, wtedy obecność laktozy stwarzałaby potencjalny pomiar kwantowy, ponieważ ujawniałaby, czy w komórce nastąpiła mutacja DNA: czyli zdarzenie na poziomie kwantowym, zależne od położenia pojedynczych protonów. Czy pomiar kwantowy może wyjaśnić różnicę w tempie mutacji, którą zaobserwował Cairns? Johnjoe zdecydował się poddać swój pomysł pod dyskusję na wydziale fizyki uniwersytetu w Surrey. Jim był wśród słuchaczy i, choć sceptycznie nastawiony, był jednak zaintrygowany. Zdecydowaliśmy się wspólnie zbadać, czy pomysł ten ma jakieś kwantowe uzasadnienie, i w końcu wystąpić z modelem dowiedzionym „na palcach”135, który mógłby wyjaśnić adaptacyjne mutacje; zostało to opublikowane w czasopiśmie „Biosystems” w 1999 roku136. Model opiera się na założeniu, że protony mogą zachowywać się kwantowomechanicznie, a więc te w DNA głodującej bakterii E. coli będą od czasu do czasu tunelować do położenia tautomeru (mutagenu) i będą równie łatwo mogły tunelować z powrotem do swych normalnych położeń. Kwantowo-mechanicznie układ musi znajdować się w superpozycji obu stanów, tunelowania i nietunelowania, z protonem opisanym funkcją falową, która jest rozmyta nad oboma położeniami, ale

jest asymetryczna – dając o wiele większe prawdopodobieństwo znalezienia protonu w pozycji normalnej (niezmutowanej). Tu nie ma aparatu lub urządzenia pomiarowego, które mogłoby zarejestrować, gdzie znajduje się proton, ale proces pomiaru, o jakim mówiliśmy w rozdziale 4, jest przeprowadzany przez otaczające środowisko. To dzieje się ciągle, na przykład odczyt DNA przez maszynerię syntezującą białko zmusza proton do „podjęcia decyzji”, po jakiej stronie wiązania się znajduje – albo w normalnej (brak wzrostu), albo tautomerycznej (wzrost), i najczęściej będzie on znajdowany w pozycji normalnej. Wyobraźmy sobie płytkę z E. coli, jaką stosował Cairns, jako pudełko z monetami, z każdą monetą reprezentującą proton w kluczowej zasadzie nukleotydu w genie umożliwiającym metabolizm laktozy137. Ten proton może istnieć w jednym z dwóch stanów: „reszka” odpowiada normalnemu położeniu, nietautomerycznemu, a „orzeł” odpowiada rzadkiemu położeniu tautomerycznemu. Zaczynamy ze wszystkimi monetami ułożonymi reszką w górę, co odpowiada rozpoczęciu eksperymentu z protonami w położeniu nietautomerycznym. Ale kwantowomechanicznie proton jest zawsze w stanie superpozycji obu położeń, a więc nasze wyimaginowane kwantowe monety będą podobnie w superpozycji reszek i orłów, z prawdopodobieństwem faworyzującym reszkę, stan normalny. Lecz położenie protonu zostanie w końcu zmierzone przez środowisko wewnątrz komórki, zmuszając go do wyboru, gdzie się znajduje, co możemy wyobrazić sobie jako rodzaj molekularnego rzutu monetą, z ogromnym prawdopodobieństwem wyrzucenia reszki. DNA może od czasu do czasu zostać skopiowane138, ale jakakolwiek nowa nić będzie kodować tylko informację genetyczną, która tam jest, co prawie zawsze odpowiadać będzie wadliwemu enzymowi – a więc komórka nadal będzie głodować. Ale pamiętajmy, że moneta reprezentuje kwantową cząstkę, proton w nici DNA, a więc nawet po pomiarze może wymknąć się z powrotem do świata kwantowego, aby ustanowić swój początkowy stan superpozycji. Po tym, jak monety zostały rzucone i wylądowały na reszkach, będą rzucane ponownie i ponownie, i ponownie. W końcu wylądują na orłach. W tym stanie DNA może znów być kopiowane, ale teraz wytworzy enzym aktywny. Przy braku laktozy nie będzie to stanowiło różnicy, bo bez laktozy gen jest bezużyteczny. Komórka nadal będzie głodować. Jednak jeśli jest laktoza, wtedy sytuacja będzie zupełnie inna, ponieważ naprawiony gen, wytworzony przez komórkę, pozwoli jej na metabolizowanie laktozy, wzrost i replikację. Powrót do kwantowej superpozycji nie będzie już możliwy. Układ nieodwracalnie przejdzie do świata klasycznego jako komórka zmutowana. Możemy wyobrazić to sobie – tylko gdy obecna jest laktoza – jako wzięcie tych rzadkich monet, które spadły na orła, i umieszczenie ich w osobnym pudełku z napisem – mutanty. [A w] oryginalnym pudełku pozostałe monety (komórki E. coli) będą wciąż rzucane, a ilekroć zostanie wyrzucony orzeł, moneta będzie wybrana i przeniesiona do pudełka

z mutantami. Stopniowo w pudełku z mutantami uzbiera się coraz więcej monet. Tłumacząc to na język eksperymentu, mutanty zdolne do wzrostu na laktozie będą wciąż pojawiać się w eksperymencie, dokładnie tak jak odkrył Cairns. Opublikowaliśmy nasz model w 1999 roku, ale nie zyskał on wielu zwolenników. Niezrażony tym Johnjoe zasiadł do pisania książki zatytułowanej Quantum Evolution139, przypisującej dużą rolę w biologii i w ewolucji mechanice kwantowej. Ale pamiętajcie, to było przed powszechnym zaakceptowaniem tunelowania protonów w enzymach, a kwantowa koherencja nie była jeszcze odkryta w fotosyntezie, a więc uczeni mieli prawo odnosić się sceptycznie do dziwacznych kwantowych zjawisk zaangażowanych w mutację; a prawdę mówiąc, opuściliśmy kilka kwestii140. A także zjawisko adaptacyjnej mutacji okazało się pogmatwane. Odkryto, że głodujące komórki E. coli w eksperymencie Cairnsa żywiły się resztkami składników pokarmowych, pochodzących od zmarłych i umierających komórek i od czasu do czasu replikowały, a nawet wymieniały DNA. Zaczęły się pojawiać konwencjonalne wyjaśnienia adaptacyjnych mutacji, w których twierdzono, że zwiększone wskaźniki mutacji wytłumaczyć można współudziałem kilku procesów, ogólnym wzrostem tempa mutacji wszystkich genów, śmiercią komórki i uwolnieniem zmutowanego DNA umarłej komórki – a w końcu selektywnym wychwyceniem i wzmocnieniem zmutowanego genu laktozy przez komórki, które przeżyły i zdołały przyłączyć go do swego genomu141. Czy te „konwencjonalne” wyjaśnienia mogą w pełni wytłumaczyć adaptacyjną mutację, pozostaje niejasne. Dwadzieścia pięć lat po publikacji oryginalnej pracy Cairnsa zjawisko pozostaje zagadkowe, na co wskazuje ciągłe pojawianie się publikacji badających jego mechanizm142, nie tylko na E. coli, ale także na innych drobnoustrojach. W obecnym stanie rzeczy nie wykluczamy możliwości występowania kwantowego tunelowania w adaptacyjnych mutacjach, choć tym razem nie możemy twierdzić, że to jedyne wytłumaczenie. Z braku potrzeby angażowania mechaniki kwantowej do adaptacyjnych mutacji zdecydowaliśmy się ostatnio uczynić krok wstecz i zbadać bardziej fundamentalne zagadnienie: czy kwantowe tunelowanie gra w ogóle jakąś rolę w mutacjach. Jak zapewne pamiętacie, przypadek mutacji wiążących się z kwantowym tunelowaniem miał po raz pierwszy teoretyczne podstawy u Löwdina i od tego czasu wsparło go kilka badań teoretycznych143, a także badań eksperymentalnych tego, co nazywa się „modelem par zasad”, czyli związków chemicznych o tych samych własnościach, co zasady DNA, ale będących dogodniejszymi do eksperymentów. Jednak nikt dotąd nie dowiódł, że tunelowanie protonu powoduje mutacje. Problemem jest to, że tunelowanie musi konkurować z innymi przyczynami mutacji i mechanizmami naprawczymi mutacji, które powodują, że ujawnienie jego roli, o ile ono istnieje, staje się coraz trudniejsze. Aby zbadać to zagadnienie, Johnjoe zapożyczył pomysł z eksperymentów nad

enzymami opisanymi w rozdziale 3, gdzie, jak sobie przypominacie, udział tunelowania protonów został zapostulowany po odkryciu „kinetycznego efektu izotopowego”. Jeśli tunelowanie kwantowe bierze udział w przyspieszaniu reakcji enzymatycznej, to zamiana jądra wodoru (pojedynczy proton) na jądro deuteru (proton plus neutron) powinna zwolnić reakcję, ponieważ tunelowanie kwantowe będzie bardzo czułe na podwojenie masy cząstki tunelującej. Johnjoe stara się obecnie stosować to samo podejście do mutacji, badając, czy tempa mutacji różnią się w deuterowanej wodzie, D2O, i w normalnej H2O. Wydaje się, że tempa są faktycznie zmienione przez podstawienie, ale trzeba jeszcze dużo pracy, aby upewnić się, że efekt jest istotnie powodowany kwantowym tunelowaniem, bowiem zastąpienie wodoru deuterem może mieć wpływ na inne procesy biologiczne, których wyjaśnienie nie wymaga uciekania się do mechaniki kwantowej. Jim skupił się na badaniu, czy kwantowe tunelowanie protonów w podwójnej helisie DNA jest realne na gruncie teoretycznym. Gdy fizyk teoretyk bierze się za tak złożone zagadnienie, próbuje stworzyć uproszczony model, który można opisać matematycznie, i jednocześnie zachowujący główne cechy układu badanego. Takie modele udoskonala się później i czyni bardziej złożonymi poprzez dodawanie szczegółów w celu dokładniejszego naśladowania układu rzeczywistego. W tym wypadku wybrany model wyjściowy do matematycznej analizy można przedstawić za pomocą kuli (reprezentującej proton) utrzymywanej w miejscu przez dwie sprężyny przytwierdzone do ścian (rysunek 7.4.), ciągnących kulę w przeciwnych kierunkach. Kula zajmuje położenie w miejscu, gdzie działające na nią siły są takie same, a więc jeśli jedna ze sprężyn jest twardsza (mniej się rozciąga) niż druga, wtedy kula będzie bliżej tej ściany, do której ta sprężyna jest przymocowana. Jednak sprężyna ta powinna mieć na tyle „elastyczności”, że możliwe byłoby także ułożenie kuli w położeniu mniej stabilnym, bliższym drugiej ścianie. Odpowiadałoby to temu, co mechanika kwantowa nazywa podwójną studnią potencjału i co można odwzorować na sytuację kodującego protonu w nici DNA, z lewą ścianą potencjału na diagramie, odpowiadającą normalnemu położeniu protonu, podczas gdy prawa ściana odpowiada rzadszemu położeniu tautomerycznemu. Klasycznie proton częściej będzie się znajdował przy lewej ścianie studni, ale jeśli otrzyma wystarczająco mocny impuls energetyczny ze źródła zewnętrznego, to może od czasu do czasu uderzyć w ścianę przeciwną (tautomeryczną). Ale zawsze będzie znajdować się w jednej lub drugiej studni. Jednak mechanika kwantowa zezwala protonowi na spontaniczne tunelowanie poprzez barierę – nawet jeśli nie ma wystarczającej energii, aby ją przeskoczyć – bez uzyskania impulsu. Co więcej, proton może przebywać w superpozycji obu stanów położenia (lewa i prawa studnia) jednocześnie.

Rysunek 7.4. Można przyjąć, że proton z wiązania wodorowego, łączącego dwie zasady DNA, jest zawieszony na dwóch sprężynach i może oscylować od ściany do ściany. Ma on dwa stabilne położenia, ukazane tutaj jako podwójna studnia potencjału. Studnia z lewej strony (odpowiadająca położeniu niemutującemu) jest trochę głębsza niż studnia z prawej strony (położenie tautomeryczne), stąd proton preferuje położenie z lewej strony.

Oczywiście znacznie prościej narysować obrazek, niż znaleźć rozwiązanie matematycznego modelu, który dobrze opisuje sytuację. Aby zrozumieć zachowanie protonu, musimy znaleźć bardzo dokładne odwzorowanie kształtu tej studni potencjału albo energetycznej powierzchni. To nie jest proste zadanie, ponieważ kształt ten zależy od wielu zmiennych. Wiązanie wodorowe nie tylko jest typowym składnikiem wielkiej i złożonej struktury DNA, zbudowanej z setek albo i tysięcy atomów, jest także zanurzone wewnątrz komórki w ciepłym środowisku utworzonym z cząsteczek wody i innych związków chemicznych. Ponadto na zachowanie wiązania, zarówno pośrednio, jak i bezpośrednio, mogą wpływać wibracje molekularne, fluktuacje cieplne, reakcje chemiczne inicjowane przez enzymy, a nawet ultrafiolet albo promieniowanie jonizujące. Podejście do tego złożonego zagadnienia, jakie przyjął Adam Godbeer, doktorant Jima, polega na użyciu bardzo skomplikowanego aparatu matematycznego, używanego

przez fizyków i chemików do modelowania złożonych struktur, zwanego teorią funkcjonału gęstości (DFT). To pozwala obliczyć studnię potencjału wiązania wodorowego z dużą dokładnością, biorąc pod uwagę tyle informacji strukturalnych o zasadach komplementarnych DNA, ile jest to obliczeniowo możliwe. Działanie DFT można wyobrazić sobie jako odwzorowywanie wszystkich sił, które wiązanie wodorowe pociągają, odpychają i kołyszą, a pochodzących od otaczających atomów wewnątrz DNA. Ta informacja jest następnie wykorzystywana do obliczenia, jak zachowuje się tunelowanie protonu w miarę upływu czasu. Dodatkowe komplikacje, pochodzące od innych atomów wewnątrz DNA i cząsteczek wody, mają ciągły wpływ na zachowanie protonu i jego zdolność do tunelowania z jednej nici na drugą. Ale ten nieustanny wpływ środowiska zewnętrznego można także włączyć do równań mechaniki kwantowej. W czasie pisania tej książki, w lecie 2014 roku, wstępne wyniki Adama sugerują, że choć jest możliwe tunelowanie dwóch protonów z tautomerycznych położeń w wiązaniu A-T, to prawdopodobieństwo zajścia tego zdarzenia jest raczej małe. Model wskazuje jednak na to, że otaczające środowisko wnętrza komórki aktywnie wspiera, a nie utrudnia, proces tunelowania. Co zatem możemy obecnie przypuszczać o związku mechaniki kwantowej z genetyką? Dowiedzieliśmy się, że jest istotny dla dziedziczenia, ponieważ nasz kod genetyczny jest zapisany w cząstkach kwantowych – tak jak przewidział Schrödinger. Kwantowe geny kodują klasyczną strukturę i funkcje każdego kiedykolwiek żyjącego drobnoustroju, rośliny i zwierzęcia. To nie jest przypadek ani mało istotne, ponieważ kopiowanie genów z ogromną wiernością nie zachodziłoby, gdyby to były struktury klasyczne, dlatego że są zbyt małe, aby nie miały nań wpływu prawa kwantowe. Kwantowa natura genów pozwoliła drobnoustrojom z jeziora Wostok na wierną replikację genów przez tysiące lat, tak jak naszym przodkom na replikację ich genów przez wiele milionów, a faktycznie miliardy lat, od początku życia na naszej planecie. Życie nie trwałoby i ewoluowało na Ziemi, gdyby nie „odkryło” sztuczki z kodowaniem informacji w domenie kwantowej miliardy lat temu144. Z drugiej strony zagadnienie, czy mechanika kwantowa odgrywa ważną rolę i kieruje mutacjami genetycznymi – brak wierności w kopiowaniu informacji genetycznej, tak istotny dla ewolucji – pozostaje do wyjaśnienia. 117 Dno lodowca zalegającego na powierzchni jeziora powstało więcej niż czterysta tysięcy lat temu, ale jezioro mogło pozostawać zamarznięte znacznie dłużej. Nie jest pewne, czy obecny lodowiec zastąpił lodowce wcześniejsze albo czy jezioro nie miało okresów, kiedy było odmarznięte pomiędzy erami lodowcowymi. 118 Organizmy żyjące w ekstremalnych (z naszej perspektywy) środowiskach. 119 Y.M. Shtarkman, Z.A. Kocer, R. Edgar, R.S. Veerapaneni, T. D’Elia, P.F. Morris, S.O. Rogers, Subglacial Lake Vostok (Antarctica) accretion ice contains a diverse set of sequences from aquatic, marine and sediment-

inhabiting bacteria and eukarya, „PLOS One”, vol. 8: 7 (2013), e67221. 120 Nowotwory spowodowane są przez mutacje w genach, które kontrolują wzrost komórki, prowadzące do niekontrolowanego wzrostu komórki, a zatem do guzów. 121 J.D. Watson, F.H.C. Crick, Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid, „Nature”, vol. 171 (1953), s. 737–738. 122 Oczywiście równie dobrze można by nazwać ją teorią Wallace’a doboru naturalnego, od nazwiska wielkiego brytyjskiego naturalisty i geografa Alfreda Russela Wallace’a, który w czasie ataku malarii podczas podróży po tropikach wystąpił praktycznie z tym samym pomysłem, co Darwin. 123 Karol Darwin, O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, rozdział 4, Warszawa 1884–1885, tłum. Szymon Dickstein i Józef Nusbaum. Tekst uwspółcześniony z wydania Jirafa Roja, Warszawa 2006. 124 Termin „genetyka” został ukuty w 1905 roku przez Williama Batesona, angielskiego genetyka i orędownika idei Mendla; cztery lata później ten termin został także zasugerowany przez duńskiego botanika Wilhelma Johannsena w celu odróżnienia pomiędzy zewnętrznym wyglądem osobnika (jego fenotyp) i jego genami (jego genotyp). 125 J.D. Watson, F.H.C. Crick, Genetic implications of the structure of deoxyribonucleic acid, „Nature”, vol. 171 (1953), s. 964–969. 126 Alternatywne tautomeryczne formy guaniny i tyminy nazywają się enolową i ketonową, w zależności od położenia kodujących protonów; podczas gdy cytozyna i adenina ma formę iminową i aminową. 127 W. Wang, H.W. Hellinga, L.S. Beese, Structural evidence for the rare tautomer hypothesis of spontaneous mutagenesis, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 108: 43 (2011), s. 17644–17648. 128 A. Datta, S. Jinks-Robertson, Association of increased spontaneous mutation rates with high levels of transcription in yeast, „Science”, vol. 268: 5217 (1995), s. 1616–1619. 129 J. Bachl, C. Carlson, V. Gray-Schopfer, M. Dessing, C. Olsson, Increased transcription levels induce higher mutation rates in a hypermutating cell line, „Journal of Immunology”, vol. 166: 8 (2001), s. 5051–5057. 130 P. Cui, F. Ding, Q. Lin, L. Zhang, A. Li, Z. Zhang, S. Hu, J. Yu, Distinct contributions of replication and transcription to mutation rate variation of human genomes, „Genomics, Proteomics and Bioinformatics”, vol. 10: 1 (2012), s. 4–10. 131 J. Cairns, J. Overbaugh, S. Millar, The origin of mutants, „Nature”, vol. 335 (1988), s. 142–145. 132 John Cairns on Jim Watson, Cold Spring Harbor Oral History Collection. Wywiad dostępny w: http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/james-d-watson/meeting-jim-watson/watson/. 133 John Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera: realizm w fizyce kwantowej, tłum. Jacek Bieroń, Poznań

1997. 134 Escherichia coli. 135 Co według nas znaczy, że brakuje mu ścisłych matematycznych podstaw. 136 J. McFadden, J. Al-Khalili, A quantum mechanical model of adaptive mutation, „Biosystems”, vol. 50: 3 (1999), s. 203–211. 137 W rzeczywistości więcej niż jedno wiązanie wodorowe będzie utrzymywać parę zasad komplementarnych razem, ale argumenty mają moc także, jeśli uprościmy ten obrazek do jednego wiązania. 138 Głodne, poddane stresowi komórki mogą wciąż próbować kopiowania ich DNA, ale replikacja prawdopodobnie zostanie wstrzymana ze względu na niedostateczne zasoby, a więc zostanie stworzone tylko kilka odcinków odpowiadających kilku genom. 139 J. McFadden, Quantum Evolution, HarperCollins, London 2000. 140 Przegląd tutaj: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101019, a odpowiedzi tutaj: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0110083. 141 H. Hendrickson, E.S. Slechta, U. Bergthorsson, D.I. Andersson, J.R. Roth, Amplification-mutagenesis: evidence that “directed” adaptive mutation and general hypermutability result from growth with a selected gene amplification, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 99: 4 (2002), s. 2164–2169. 142 Na przykład: J.D. Stumpf, A.R. Poteete, P.L. Foster, Amplification of lac cannot account for adaptive mutation to Lac+ in Escherichia coli, „Journal of Bacteriology”, vol. 189: 6 (2007), s. 2291–2299. 143 Na przykład: E.S. Kryachko, The origin of spontaneous point mutations in DNA via Löwdin mechanism of proton tunneling in DNA base pairs: cure with covalent base pairing, „International Journal Of Quantum Chemistry”, vol. 90: 2 (2002), s. 910–923; Zhen Min Zhao, Qi Ren Zhang, Chun Yuan Gao, Yi Zhong Zhuo, Motion of the hydrogen bond proton in cytosine and the transition between its normal and imino states, „Physics Letters A”, vol. 359: 1 (2006), s. 10–13. 144 To aktualnie sztandarowe zagadnienie w kwantowej biologii – a konkretnie, czy życie odkryło swe kwantowe atuty, czy też mechanika kwantowa odgrywa rolę bierną.

8

Umysł Jean-Marie Chauvet urodził się w starożytnej francuskiej prowincji Owernii, ale gdy miał pięć lat, rodzice przeprowadzili się na południowy wschód, do sąsiedniego departamentu Ardèche, zachwycającego regionu rzek, wąwozów i kanionów wyżłobionych w wapiennym podłożu. W wieku dwunastu lat Jean-Marie odkrył w sobie życiową pasję, gdy on i jego koledzy pierwszy raz, założywszy hełmy z II wojny światowej, badali jaskinie i groty wykute w ścianach doliny potężnej rzeki Ardèche. Opuścił szkołę w wieku lat czternastu, aby zacząć pracować jako kamieniarz, potem jako sprzedawca w sklepie żelaznym i w końcu jako dozorca. Lecz zainspirowany książką Norberta Castereta Ma vie souterraine145 Jean-Marie, gdy tylko mógł, poświęcał weekendy na pasję z dzieciństwa, wspinaczkę po urwistych skałach albo przekopywanie ciemnych pieczar, marząc, że pewnego dnia jako pierwszy ujrzy skarb w postaci niezbadanej jaskini. „To nieznane zawsze nas wiedzie. Gdy idziesz jaskinią, nie wiesz nigdy, co znajdziesz. Czy skończy się ona za pierwszym zakrętem, czy też odnajdziesz coś fantastycznego”146. W sobotę 18 grudnia 1994 roku rozpoczął się więc „zwykły” weekend dla 42letniego Jeana-Marie i jego dwojga eksplorujących jaskinie przyjaciół, Eliette BrunelDeschamps i Christiana Hillaire’a, wędrujących po wąwozach w poszukiwaniu czegoś nowego. Gdy popołudnie miało się ku końcowi i powietrze stawało się zimniejsze, zdecydowali się na zbadanie obszaru zwanego Cirque d’Estre, który zimą dzięki promieniom zachodzącego słońca jest trochę cieplejszy niż osłonięte części doliny. Przyjaciele podążali starym szlakiem mulników, który wił się wzdłuż klifu porośniętego dębami ostrolistnymi, bukszpanem i wrzosami, z pięknym widokiem na Pont d’Arc u wejścia do wąwozu. Gdy przedzierali się przez zarośla, zauważyli mały otwór w skale, szeroki na 25 centymetrów i wysoki na 75 centymetrów. To było – dosłownie – zaproszenie dla grotołazów, więc wkrótce przeciskali się przez szczelinę do małej komory, długiej na kilka metrów i ledwie wystarczająco wysokiej, by stać wyprostowanym. Prawie natychmiast poczuli słaby powiew dochodzący z tyłu komory. Każdy, kto badał jaskinie, zna to odczucie ciepłego

powiewu dochodzącego z niewidocznego tunelu. Większość ukrytych korytarzy jest dobrze znana doświadczonym grotołazom, tyle że leżą poza wąską wiązką światła padającego z latarki. Ale powiew w tej maleńkiej komorze nie pochodził ze znanej jaskini. Grupa na zmianę usuwała kamienie z tylnej części komory, aż znalazło się źródło powietrza: komin wiodący pionowo w dół. Najmniejsza z nich, Eliette, jako pierwsza opuściła się na linie w ciemność szybu tak wąskiego, że ledwie mogła się przecisnąć. Korytarz najpierw biegł w dół, potem znów w górę, zanim znalazło się jego ujście, w którym Eliette poczuła, że wisi 10 metrów nad gliniastym podłożem. Jej latarka była zbyt słaba, by oświetlić ścianę naprzeciw, ale echo, które z ciemności zwróciło jej krzyk, dało świadectwo ogromu jaskini. Zespół był bardzo podniecony odkryciem, ale musiał powrócić do furgonetki zaparkowanej u stóp urwiska, aby przynieść drabinę sznurową. Po powrocie do jaskini rozwinęli drabinkę i Jean-Marie jako pierwszy znalazł się na dnie. To faktycznie była ogromna pieczara, przynajmniej 50 metrów wysoka i tyle samo szeroka, z olśniewającymi kolumnami białego kalcytu. Cała trójka ostrożnie poruszała się w ciemności, idąc po śladach prowadzącego, aby nie zaburzać dziewiczego środowiska pomiędzy kośćmi i zębami umarłych dawno temu niedźwiedzi, porozrzucanych w pradawnych norach wykopanych w gliniastym podłożu. Gdy Eliette oświetliła latarką ścianę, wydała z siebie okrzyk. Natrafiła na linię czerwonej ochry, tworzącą zarys małego mamuta. Oniemiali przyjaciele przesuwali się wzdłuż ściany, oświetlając sylwetki niedźwiedzia, lwa, drapieżnego ptaka, innego mamuta, nawet nosorożca, i obrys ludzkich rąk. „Wciąż myślałem: «my śnimy, my śnimy»”, wspominał Chauvet147. Gdy latarki zaczęły słabiej świecić, wycofali się z jaskini i pojechali do domu Eliette, aby zjeść kolację z jej córką, Carole. Ale ich stan emocjonalny, chaotyczne i niespójne opowieści o tym, co zobaczyli, tak zaintrygowały Carole, że nalegała, aby zabrać ją tam zaraz, żeby mogła na własne oczy ujrzeć te cuda. Było już po zmroku, gdy powtórnie weszli do jaskini, tym razem z mocniejszymi latarkami, które odsłoniły cały splendor odkrycia: kilka pieczar udekorowanych cudowną menażerią zwierząt: końmi, kaczkami, sową, lwem, hienami, pumami, jeleniami, mamutami, kozłami skalnymi i bizonami. Większość była rysowana we wspaniałym stylu naturalistycznym, z cieniowaniem węglem drzewnym, z głowami zachodzącymi na siebie, sugerującymi perspektywę, w pozach, które niosły sobą emocjonalne przesłanie. Zobaczyli też rząd spokojnych, zamyślonych koni, uroczego młodego mamucika z dużymi okrągłymi łapami i parę szarżujących nosorożców. Był tam nawet nosorożec, którego siedem nóg miało sugerować, że jest w biegu. Jaskinia Chauveta, jak nazywa się teraz, jest zaliczona do jednego z najważniejszych miejsc sztuki prahistorycznej. Jest tak dziewicza, że nosi odciski stóp swych prahistorycznych mieszkańców, pozostaje zamknięta i strzeżona, aby zachować swoje

delikatne środowisko. Dostęp jest ściśle kontrolowany, tylko kilku szczęściarzy miało okazję w niej być; jednym z nich był niemiecki reżyser Werner Herzog, którego film z 2011 roku Jaskinia zapomnianych snów najlepiej przedstawia zachwycające skalne malarstwo łowców epoki lodowcowej, którzy chronili się w tych jaskiniach trzydzieści tysięcy lat temu. W tym rozdziale chcemy się jednak zająć nie samym malarstwem naskalnym, lecz zagadką najlepiej zobrazowaną przez tytuł filmu Herzoga. Z tych malowideł jasno wynika, że nie tylko reprezentują to, co jest widoczne oczami. Wiele z nich często wywołuje wrażenie ruchu, a wypukłości i zaokrąglenia skał zostały wykorzystane do ukazania zwierząt prawie w ich trójwymiarowej postaci148. Artysta (artyści) nie tylko namalował obiekty, on malował idee. Ludzie, którzy rozprowadzili pigment po ścianach jaskini Chauveta, rozmyślali o świecie i swojej roli w nim – tak jak my. Byli świadomi. Ale czym jest świadomość? To jest oczywiście pytanie, które dręczyło filozofów, artystów, neurobiologów i naturalnie resztę z nas przypuszczalnie od chwili, gdy tylko staliśmy się świadomi. W tym rozdziale uchylimy się od podania jakiejkolwiek ścisłej definicji. Faktycznie, naszym zdaniem dążenie do zrozumienia tego najdziwniejszego ze zjawisk biologicznych jest często utrudniane przez przesadny nacisk na jego zdefiniowanie. Biolodzy nawet nie mogą dojść do porozumienia w sprawie jednej definicji samego życia, a nie powstrzymało ich to przed rozwikłaniem budowy komórki, podwójnej helisy, fotosyntezy, enzymów i wielu innych zjawisk związanych z życiem, łącznie z tymi napędzanymi przez mechanikę kwantową, co wzbudziło duże zainteresowanie kwestią, co to właściwie oznacza „być żywym”. Wiele z tych rewelacji zgłębialiśmy w poprzednich rozdziałach, ale wszystkie, które omawialiśmy, od kompasu magnetycznego do działania enzymu, od fotosyntezy do dziedziczenia i węchu, można omówić w ramach konwencjonalnej chemii i fizyki. Choć mechanika kwantowa jest mało znana, szczególnie jeśli chodzi o biologów, niemniej wpisuje się ona w całości w ramy współczesnej nauki. I choć możemy nie mieć intuicyjnego albo zdroworozsądkowego wyobrażenia o tym, co zachodzi w eksperymencie z dwiema szczelinami albo w kwantowym splątaniu, matematyka, która leży u podstaw mechaniki kwantowej, jest precyzyjna, logiczna i niesłychanie skuteczna. Ale świadomość to co innego. Nikt nie wie, gdzie i jak pasuje ona do nauki, o której była dotąd mowa. Nie istnieją (renomowane) równania matematyczne, które zawierają człon „świadomość”, i w przeciwieństwie do, powiedzmy, katalizy albo transportu energii nikt dotąd nie odkrył jej w czymkolwiek, co nie byłoby żywe. Czy jest to właściwość całego życia? Większość ludzi powiedziałaby, że nie, i zarezerwowałaby to zjawisko dla zwierząt posiadających układ nerwowy, ale wtedy powstaje pytanie: ile tego układu nerwowego potrzeba? Czy amfipriony tęsknią za ich rafą? Czy

europejski rudzik faktycznie odczuwa pragnienie lotu na południe na zimę lub czy jest sterowany pilotem automatycznym jak dron? Większość posiadaczy zwierząt domowych jest przekonana, że ich psy, koty albo konie mają świadomość, a więc: czy świadomość wyłoniła się u ssaków? Wielu ludzi, którzy hodują papużki nierozłączki albo kanarki, jest równie przekonana, że ich ulubieńcy także posiadają swe własne osobowości i są równie świadomi jak koty, które na nich polują. Ale jeśli świadomość jest wspólna ptakom i ssakom, wtedy oba gatunki prawdopodobnie odziedziczyły tę cechę od wspólnego przodka, może od czegoś takiego jak prymitywne gady zwane owodniowcami, które żyły więcej niż trzysta milionów lat temu i wydają się być przodkami ptaków, ssaków i dinozaurów. A więc czy Tyrannosaurus rex, którego spotkaliśmy w rozdziale 3, odczuwał strach, gdy tonął w triasowym bagnie? I czy bardziej prymitywne zwierzęta naprawdę są świadome? Wielu akwarystów stwierdziłoby, że ryby albo mięczaki, takie jak ośmiornice, są świadome; ale aby znaleźć przodków tych gatunków, musielibyśmy się cofnąć do momentu wyłonienia się kręgowców w okresie kambru, pięćset milionów lat temu. Czy świadomość jest faktyczne aż tak stara? Oczywiście nie wiemy tego. Nawet właściciele zwierząt domowych tylko zgadują, bo nikt tak naprawdę nie wie, jak odróżnić zachowania podobne do ludzkich od prawdziwej świadomości. Nie wiedząc, czym jest świadomość, nigdy nie dowiemy się, które formy życia posiadają tę cechę. A więc w naszym naiwnym podejściu będziemy wystrzegać się tych argumentów, pozostając całkowicie obojętnymi na pytania o to, kiedy świadomość wyłoniła się na naszej planecie albo którzy z naszych krewnych w królestwie zwierząt są świadomi. Na początek założymy, że ci z naszych przodków, którzy malowali wyobrażenia niedźwiedzi, bizonów albo dzikich koni na ścianach jaskini, byli z pewnością świadomi. A więc w jakimś momencie pomiędzy trzema miliardami lat temu, gdy drobnoustroje wyłoniły się z prymitywnej mazi, i dziesiątkami tysięcy lat temu, gdy ci wczesnowspółcześni ludzie dekorowali jaskinie wyobrażeniami zwierząt, pojawiła się dziwna właściwość w materii tworzącej żywe organizmy: część z tej materii stała się świadoma. Celem naszym w tym rozdziale będzie omówienie, jak i dlaczego się to stało, i zbadanie kontrowersyjnej idei, że mechanika kwantowa gra główną rolę w wyłonieniu się świadomości. Najpierw, w duchu naszych poprzednich rozdziałów, zapytamy, czy musimy odwoływać się do mechaniki kwantowej, aby wyjaśnić to najbardziej tajemnicze ze wszystkich zjawisk zachodzących w człowieku. Oczywiście nie wystarczy tu pogląd, jaki ma wiele osób, że świadomość jest tajemnicza i trudna do uchwycenia oraz że mechanika kwantowa także jest tajemnicza i trudna do uchwycenia, dlatego obie muszą w jakiś sposób się ze sobą łączyć.

Jak dziwna jest świadomość? Być może najbardziej dziwnym faktem, jaki poznaliśmy o Wszechświecie, jest to, że wiemy o nim dużo dzięki niezwykłej właściwości posiadanej przez te jego części, które są zamknięte w naszych czaszkach, nasze świadome rozumy. To rzeczywiście bardzo dziwne, nie tylko z tego powodu, że funkcjonowanie tej dziwnej właściwości jest zupełnie niejasne. Filozofowie często badają to zagadnienie, wyobrażając sobie żywe trupy. One funkcjonują tak jak istoty ludzkie, jeśli chodzi o działanie, malowanie ścian jaskiń czy czytanie książek, ale bez jakiegokolwiek życia wewnętrznego; nic nie dzieje się wewnątrz ich głów poza mechanicznymi obliczeniami, które napędzają ruch ich kończyn lub funkcje motoryczne, które władają ich mową. Zombie są automatami, bez świadomości lub zmysłu doznania. Takie istoty mają co najmniej hipotetyczne podstawy istnienia, gdyż, jak dowiedziono, wiele naszych czynności – chodzenie, jazda na rowerze, ruchy wymagane do gry na naszym ulubionym instrumencie i tak dalej – może być wykonywanych nieświadomie (w tym znaczeniu, że nasz świadomy umysł może być zaangażowany czymś innym, gdy wykonuje te zadania), bez udziału świadomości albo pamięci doznań. Co więcej, gdy o nich myślimy, wykonywanie tych czynności jest paradoksalnie utrudnione. Albowiem do ich wykonywania świadomość nie jest konieczna. Ale jeśli są czynności, które można wykonywać bez udziału świadomości, to czy przynajmniej nie można sobie wyobrazić sterowanego automatycznie stworzenia wykonującego wszystkie ludzkie czynności? Wydaje się, że nie; istnieją pewne czynności, do wykonania których świadomość wydaje się niezbędna, na przykład język naturalny. Bardzo trudno wyobrazić sobie konwersację prowadzoną automatycznie. Byłoby także trudno wykonywać automatycznie skomplikowane obliczenia albo rozwiązywać krzyżówkę. Nasza artystka ery lodowcowej (arbitralnie założymy, że była to kobieta), dysponując tylko ścianą jaskini, nie byłaby zdolna do namalowania bizona, gdyby nie była świadoma. Te niezbędne świadome działania łączy ze sobą fakt, że wszystkie kierowane są ideami, takimi jak ta stojąca za słowem, za rozwiązaniem zadania albo za zrozumieniem, czym jest bizon i jakie ma on znaczenie dla ludzi epoki kamiennej. Rzeczywiście, ściany jaskini Chauveta dostarczają wielu dowodów na to bardzo istotne zaangażowanie idei: kilka z nich razem tworzy nowatorską koncepcję. Na przykład nawis skalny z namalowaną niesamowitą postacią, mającą górną część ciała bizona, ale dolną połowę człowieka. Taki obiekt mógł być wytworem tylko umysłu świadomego. Czym zatem są idee? Dla naszych celów założymy, że idee reprezentują złożoną informację, która zostaje połączona w naszym świadomym umyśle, aby stworzyć koncepcje, które mają dla nas jakieś znaczenie, tak jak dla ludzi zamieszkujących

jaskinię Chauveta znaczenie miała namalowana na ścianie postać pół człowieka, pół bizona. Taka informacja skondensowana do pojedynczej idei, zapisana w notatce przypisywanej Mozartowi, jak cała kompozycja muzyczna, „ukończona w mojej głowie, choć może być długa. Mój umysł w okamgnieniu potem to chwyta (…). Nie przychodzi to kolejno, różnymi partiami dopracowanymi w szczegółach, takimi jak będą później, lecz w swej całości”149. Świadomy umysł zdolny jest „uchwycić” złożoną informację w „różnych partiach”, tak aby jej znaczenie mogło zostać zrozumiane „w swej całości”. Świadomość napędza nasz umysł bardziej za pomocą idei i koncepcji niż za pomocą zwykłych bodźców. Ale jak złożona, przekazywana neuronami informacja zostaje sklejona w ideę w naszych świadomych umysłach? To pytanie stanowi pierwszą zagadkę świadomości – tym, co często określa się jako problem łączenia: jak informacja zakodowana w zasadniczo odmiennych regionach naszego mózgu jednoczy się w świadomym umyśle? Problem łączenia zwykle formułuje się na podstawie informacji wizualnej i sensorycznej. Wspomnijmy dla przykładu sugestywny opis zapachu perfum Nombre Noir japońskiej firmy Shiseido, dokonany przez Turina: „W połowie między różą a fiołkiem, ale bez śladu słodyczy charakterystycznej dla obu, mające za to w tle szlachetne nuty cedru z pudełka na cygara”. Doznania Turina nie były mieszaniną odrębnych zapachów związanych z sygnałami wystrzelonymi z poszczególnych neuronowych receptorów węchu, lecz wystąpiły jako pojedynczy aromat z gamą tworzących je sugestywnych nut i tonów, łącznie z całą chmarą dodatkowych pomysłów, dotyczących cygar i fiołków. Podobnie obserwacje wzrokowe i słuchowe nie są odczuwane jako wyraźne proporcje kolorów, tekstur albo tonów, lecz jako zintegrowane wrażenia sensoryczne, wspomnienia i koncepcje, dotyczące na przykład bizona, drzewa albo osoby. Wyobraźmy sobie naszą paleolityczną artystkę obserwującą realnego bizona. Jej oczy, nos, uszy i, jeśli był to nieżywy bizon, receptory dotyku w palcach musiały uchwycić mnóstwo wrażeń czuciowych zwierzęcia, łącznie z jego zapachem, kształtem, kolorem, teksturą, ruchem i dźwiękiem. W rozdziale 5 omawialiśmy, jak zapachy są wychwytywane przez nasz zmysł węchu. Przypominacie sobie, że cząsteczki odorantów, które łączyły się z odpowiednim neuronem węchu, powodowały jego „wystrzał”, co oznacza, że wysyłał on sygnał elektryczny wzdłuż swego aksonu (ten koniec komórki ukształtowany jak trzonek miotły), który przebiegał od nabłonka węchowego w tylnej komorze nosa do opuszki węchowej w mózgu. Będziemy badać szczegóły tego procesu wystrzeliwania w dalszej części rozdziału, ponieważ jest on kluczem do zrozumienia potencjalnego uczestnictwa mechaniki kwantowej w procesie myślenia. Teraz jednak zajmijmy się bydlęcą cząsteczką odorantu, przepływającą od bizona do nosa naszej artystki, gdzie przylgnie do receptora węchu i uruchomi łańcuch impulsów elektrycznych podążających wzdłuż aksonu, jak sygnał w telegrafie,

ale zawierający jedynie kropki albo bipnięcie, a nie kropki i kreski, jak w telegramach. Gdy sygnał pochodzący od receptora węchu przybył już do mózgu naszej artystki, uruchomił on wystrzeliwanie (więcej bipnięć) wielu kolejnych nerwów: sygnał bipnięcia przeskakuje z jednego nerwu na następny, przy czym każdy z tych nerwów działa jak telegraficzna stacja przekaźnikowa. Inne dane sensoryczne w podobny sposób zostają ujęte w formę sygnałów bipnięcia. Na przykład pręciki i czopki (wyspecjalizowane neurony, podobnie jak neurony węchowe, ale reagujące na światło zamiast na zapach) w siatkówce jej oka wysyłają ciągi bipnięć poprzez nerw wzrokowy do kory wzrokowej jej mózgu. I tak jak neurony węchu reagują tylko na pojedyncze cząsteczki odorantów, neurony wzrokowe reagują tylko na określone cechy obrazu, który powstaje na siatkówce: niektóre reagują na poszczególne kolory albo odcień szarości, inne na krawędzie albo linie, albo konkretne tekstury. Nerw słuchowy w jej uchu wewnętrznym podobnie zareaguje na dźwięk, może na ciężki oddech ugodzonego włócznią bizona, a dotyk jego futra zostanie uchwycony przez receptor dotyku w jej skórze i przekazany przez nerw czuciowy. We wszystkich tych przykładach każdy neuron sensoryczny reaguje tylko na specyficzne dla siebie bodźce. Na przykład konkretny neuron słuchowy wystrzeli sygnał tylko wtedy, gdy dźwięk docierający do ucha artystki zawiera odpowiednią częstość. Ale niezależnie od tego, jakie to będzie źródło, sygnał wytwarzany w każdym z nerwów będzie dokładnie ten sam: impuls elektryczny w formie bipnięcia, poruszający się od organu sensorycznego do wyspecjalizowanego regionu mózgu artystki. Tam te sygnały mogą wywołać natychmiastowe wyjściowe sygnały motoryczne, ale mogą także modyfikować łączność między neuronami, stwarzając wspomnienie jej obserwacji dzięki zasadzie, że „neurony odpalane naraz depeszują naraz”, która leży u podstaw procesu kodowania wspomnień w mózgu. Ważne w tym jest to, że wśród tych około 100 miliardów neuronów w ludzkim mózgu ten ogromny sensoryczny strumień bipnięć nigdzie nie jednoczy się, aby utworzyć świadome wrażenie bizona. Właściwie to „strumień” nie jest tu odpowiednim słowem, ponieważ sugeruje ono zbieranie się informacji w obrębie tego strumienia, a tak się nie dzieje w neuronach. Każdy z sygnałów nerwowych pozostaje zamknięty wewnątrz pojedynczego nerwu. A więc powinniście wyobrażać sobie informację przemieszczającą się w mózgu jak ciąg bip, bip, bip… sygnałów przechodzących wzdłuż pojedynczych włókien ogromnej plątaniny miliardów neuronów. Problem łączenia polega na zrozumieniu, jak zasadniczo ta cała zróżnicowana informacja, zakodowana w bipnięciach, stwarza jednolite wyobrażenie bizona. I nie tylko sensoryczne wrażenia muszą być tu połączone. Surowy materiał świadomości to nie tylko dane odarte z kontekstu, ale ważne koncepcje – w przypadku bizona: włochaty, śmierdzący, przerażający, lecz wspaniały – a każda z nich niosąca złożoną informację. Cały ten dodatkowy bagaż musi być połączony z wrażeniami

sensorycznymi, aby dać wrażenie włochatego, śmierdzącego, przerażającego, lecz wspaniałego bizona, którego nasza paleolityczna artystka później przypominała sobie, gdy odtwarzała go barwnikiem na ścianie150. Formułowanie problemu łączenia za pomocą idei, a nie wrażeń sensorycznych, prowadzi nas do sedna zagadnienia świadomości, którym jest zagadka, jak idee mogą poruszać umysłem, a tym samym ciałem. Nigdy nie dowiemy się, co dokładnie w umyśle artystki epoki kamiennej sprowokowało ją do rozsmarowania barwnika na kamieniu. Być może myślała, że postać bizona ożywi ciemny zakamarek, albo może wierzyła, że namalowanie zwierzęcia zwiększy szanse myśliwych z jej plemienia na sukces. Ale jednego możemy być pewni: artystka musiała uważać, że namalowany bizon był jej ideą. Ale jak idea może poruszyć materię? Rozumiany jako klasyczny obiekt, mózg otrzymuje informację poprzez jedno z sensorycznych wejść, a potem przetwarza tę informację, aby uzyskać sygnały na wyjściach, tak jak komputer (albo zombie). Ale gdzie w tej plątaninie bipów jest nasz świadomy umysł, odczuwający „jaźń” kierującą naszymi świadomymi czynami, o czym jesteśmy przekonani? Czym dokładnie jest ta świadomość i jak oddziałuje z materią naszego mózgu, aby poruszać naszymi ramionami, nogami albo językiem? Świadomość, albo wolna wola, nie występuje w całym deterministycznym Wszechświecie, ponieważ prawa przyczynowości pozwalają tylko na jedną rzecz po drugiej w nieskończonym łańcuchu przyczynowoskutkowym, który rozciąga się od tej jaskini Chauveta prosto do samego Wielkiego Wybuchu. Jean-Marie opisuje moment, w którym on i jego przyjaciele po raz pierwszy ujrzeli malowidła w jaskini Chauveta: „Byliśmy przytłoczeni uczuciem, że nie jesteśmy sami, że dusze artystów i ich duchy nas otaczają. Mieliśmy wrażenie, że czujemy ich obecność”151. Grotołazi wyraźnie przeżywali głębokie, ktoś mógłby powiedzieć duchowe, doznania. Gdy patrzymy do wnętrza ludzkiej albo zwierzęcej czaszki, wszystko, co widzimy, to wilgotna, miękka tkanka, niezbyt różniąca się od tego, co tworzy stek z bizona. Ale gdy ten materiał jest wewnątrz naszej czaszki, jest on świadomy i ma doznania, takie pojęcia, które nie wydają się istnieć w świecie materialnym. I to eteryczne coś świadomego i doznającego – nasz świadomy rozum – wpływa na materię naszego mózgu, aby spowodowała nasze działanie (albo przynajmniej takie jest nasze wrażenie). Ta zagadka, czasem określana jako dylemat psychofizyczny albo trudny problem świadomości, jest na pewno najgłębszą tajemnicą naszej egzystencji. W tym rozdziale będziemy pytali, czy mechanika kwantowa może rozwikłać tę najgłębszą tajemnicę. Musimy podkreślić na wstępie, że jakiekolwiek idee dotyczące świadomości mają naturę wysoce spekulatywną, ponieważ nikt tak naprawdę nie wie, czym to jest i jak działa. Nie istnieje nawet zgoda wśród neurobiologów, psychologów,

informatyków i badaczy sztucznej inteligencji, czy do wyjaśnienia zagadki świadomości potrzeba czegokolwiek więcej niż zwykła złożoność ludzkiego mózgu. Zaczniemy od procesu zachodzącego w mózgu, który doprowadził do kształtu bizona namalowanego na wapieniu z Ardèche.

Mechanika myśli W tej części podążymy łańcuchem przyczynowym wstecz, od pojawienia się na ścianie jaskini linii czerwonej ochry trzydzieści tysięcy lat temu. To zajęcie prowadzić będzie nas wstecz od kurczących się mięśni w ręce malarza, który malował linię, do impulsu nerwowego powodującego skurcz mięśnia, dalej wstecz, do impulsów mózgowych, które powstały w nerwach, i do wejść sensorycznych odpowiedzialnych za uruchomienie całego łańcucha zdarzeń. Naszym celem jest ustalenie, w którym miejscu łańcucha przyczynowo-skutkowego pojawia się świadomość, tak byśmy mogli odpowiedzieć na pytanie, czy mechanika kwantowa odgrywa jakąś rolę w tym ciągu zdarzeń. Wyobraźmy sobie scenę zachodzącą tysiące lat temu, gdy nieznana artystka, ubrana zapewne w skórę niedźwiedzia, spogląda w mrok jaskini Chauveta. Malowidła zostały odkryte w głębi jaskini, a więc razem z naczyniami na barwniki musiała mieć ze sobą pochodnię. Potem w jakimś momencie zanurzyła palec w barwniku i rozsmarowała go na ścianie, aby stworzyć zarys bizona. Ruch ramienia malarki został zainicjowany przez białko zwane miozyną. Miozyna używa energii chemicznej do kurczenia mięśni, w gruncie rzeczy powodując, że włókna przesuwają się wzdłuż siebie. To niezwykły przykład biologicznej inżynierii i dynamiki w nanoskali i w ciągu kilkudziesięciu lat szczegóły tego mechanizmu kurczenia zostały przebadane przez setki uczonych. Ale w tym rozdziale opuścimy fascynujące szczegóły molekularne kurczliwości mięśni, aby skupić się na zagadnieniu, jak coś tak efemerycznego jak idea mogłoby spowodować skurcz mięśni (rysunek 8.1.).

Rysunek 8.1. Sygnały nerwowe poruszają się od mózgu do rdzenia kręgowego, aby dotrzeć do włókien mięśniowych i spowodować skurcz mięśni, a tym samym poruszyć kończyną, na przykład ręką.

Natychmiastowa odpowiedź brzmi: nie może. Skurcz włókien mięśniowych artystki wywołują bezpośrednio dodatnio naładowane jony sodu, napływające do jej komórek mięśniowych. Komórki mięśniowe posiadają więcej jonów sodu na zewnątrz ich błony niż wewnątrz, co powoduje powstanie różnicy potencjałów pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej, jak w maleńkiej baterii. Jednak w tych błonach komórkowych istnieją pory zwane kanałami jonowymi, które, jeśli są otwarte, pozwalają jonom sodu na wejście do komórki. To właśnie ten proces rozładowania elektrycznego spowodował skurcz mięśnia artystki. Następny krok wstecz wzdłuż łańcucha przyczynowego prowadzi do pytania: co spowodowało otwarcie kanałów jonowych właśnie w tym momencie? Odpowiedź brzmi: to neurony motoryczne przyczepione do mięśni w ręce artystki uwolniły związki chemiczne zwane neuroprzekaźnikami, które spowodowały otwarcie kanałów jonowych. Ale w takim razie co spowodowało, że te neurony motoryczne uwolniły neuroprzekaźniki? Zakończenia nerwowe uwalniają neuroprzekaźniki, ilekroć sygnał elektryczny, zwany potencjałem czynnościowym, do nich dociera (rysunek 8.2.).

Potencjały czynnościowe są podstawą całej sygnalizacji nerwowej, dlatego bliżej zapoznamy się z ich działaniem. Komórka nerwowa, albo neuron, jest niezwykle długa, cienka, kształtem przypominająca węża i składa się z trzech części. Z jednej strony znajduje się podobne do pająka ciało komórki, w którym następuje wzbudzenie potencjału czynnościowego. Ten potem przemieszcza się wzdłuż środkowej części, zwanej aksonem (trzonek „miotły” komórki węchowej) do zakończenia nerwu, gdzie zostają uwolnione neuroprzekaźniki (rysunek 8.2.). Chociaż akson trochę wygląda jak cienki przewód elektryczny, sposób, w jaki przewodzi sygnał elektryczny, jest o wiele bardziej skomplikowany niż zwykły przepływ ujemnie naładowanych elektronów w miedzianym przewodzie. Komórka nerwowa, tak jak komórka mięśniowa, normalnie ma na zewnątrz więcej dodatnio naładowanych jonów sodu niż wewnątrz. Różnica ta jest utrzymywana przez pompy, które przepychają dodatnie jony sodu na zewnątrz komórki poprzez błonę komórkową neuronu. Nadmiar zewnętrznych jonów dodatnich powoduje, że różnica potencjałów w poprzek błony komórkowej wynosi jedną setną wolta. Nie brzmi to imponująco, musicie jednak wiedzieć, że błony komórkowe mają grubość kilku nanometrów, a więc jest to różnica potencjałów na bardzo małej odległości. To oznacza, że mamy ogromny gradient pola elektrycznego w poprzek błony komórkowej, wynoszący około miliona woltów na metr. To jest równoważne przyłożeniu dziesięciu tysięcy woltów do szczeliny o szerokości jednego centymetra i wystarczy do wywołania iskry, takiej jak w świecy samochodowej inicjującej wybuch paliwa w cylindrze silnika. Zakończenie komórki nerwowej w kształcie głowy, ciało komórki nerwowej, połączone jest z grupą struktur zwanych synapsami (rysunek 8.2.), które są rodzajem połączeń pomiędzy nerwami. Leżące wyżej pod prąd komórki nerwowe uwalniają cząsteczki neuroprzekaźnika do tych połączeń, podobnie jak neuroprzekaźniki uwalniane są w połączeniach nerw‒mięsień; to powoduje otwarcie kanałów jonowych w błonie komórkowej otaczającej ciało komórki, tym samym pozwalając dodatnio naładowanym jonom napływ do wnętrza, powodujący nagły spadek napięcia w poprzek błony komórkowej.

Rysunek 8.2. Nerwy wysyłają sygnały z ciała komórki wzdłuż aksonu do jego zakończeń, gdzie powodują uwolnienie neuroprzekaźników do synapsy. Neuroprzekaźnik jest wychwycony przez ciało następnej w łańcuchu komórki nerwowej, co prowadzi do jej pobudzenia i tym samym transmisji sygnału nerwowego z jednego neuronu do następnego.

Większość spadków napięcia spowodowanych otwarciem kilku kanałów jonowych w synapsie będzie miała niewielki wpływ albo nie będzie go miała w ogóle. Ale jeśli dotrze wiele neuroprzekaźników, to wiele kanałów zostanie otwartych. Powstały napływ dodatnich jonów do komórki spowoduje spadek napięcia na błonie komórkowej poniżej krytycznej granicy -0,04 wolta. Gdy do tego dojdzie, jeszcze inny zbiór kanałów jonowych dochodzi do głosu. Są to kanały zależne od napięcia, co oznacza, że są czułe nie na neuroprzekaźniki, ale na różnicę potencjałów po obu stronach błony komórkowej. W przykładzie z naszą artystką, gdy napięcie w ciele komórki spadnie poniżej krytycznej granicy, cała masa tych kanałów ulega otwarciu, umożliwiając coraz większy napływ jonów do nerwu, jeszcze bardziej zwierając ich wycinek błony komórkowej. Powstający spadek napięcia otwiera jeszcze więcej zależnych od napięcia kanałów, umożliwiając jeszcze większy napływ jonów, powodujący zwieranie elektryczne jeszcze większej części błony komórkowej. Długi przewód nerwu, akson, jest pokryty tymi kanałami zależnymi od napięcia, a więc gdy zwarcie zostało już zainicjowane w ciele komórki, uruchamia pewnego rodzaju efekt domina zwierania elektrycznego błony komórkowej – nazywany potencjałem

czynnościowym – który szybko przemieszcza się wzdłuż nerwu, aż osiągnie jego zakończenie (rysunek 8.3.). A tu doprowadza do uwolnienia neuroprzekaźnika do płytki nerwowo-mięśniowej, co powoduje u naszej artystki skurcz mięśnia, wspomagający nakreślenie zarysu bizona na ścianie jaskini (rysunek 8.1.).

Rysunek 8.3. Potencjały czynnościowe poruszają się wzdłuż aksonu na skutek działania kanałów jonowych sodu zależnych od napięcia w błonie komórkowej nerwu. W stanie spoczynku błona ma więcej jonów dodatnich na zewnętrznej powierzchni niż na powierzchni wewnętrznej. Jednak zmiana napięcia spowodowana potencjałem czynnościowym komórki leżącej powyżej uruchamia otwarcie kanałów jonowych i napływ fali dodatnio naładowanych jonów sodu – potencjał czynnościowy – do wnętrza komórki, czasowo odwracając napięcie na błonie komórkowej. Ten elektryczny bip uruchamia otwarcie kanałów jonowych wzdłuż strumienia za pomocą efektu podobnego do elektrycznego efektu domina, który powoduje, że impuls przesuwa się w dół nerwu, aż osiąga jego zakończenie, gdzie uwalnia neuroprzekaźnik. Gdy już impuls potencjału czynnościowego przepłynie, pompy jonowe przywracają błonie komórkowej jej stan spoczynkowy.

Z tego opisu widać, jak bardzo różnią się sygnały nerwowe od sygnałów elektrycznych płynących wzdłuż przewodów. Po pierwsze, prąd, ruch ładunków, nie zachodzi wzdłuż nerwu w kierunku biegu sygnału, ale prostopadle do potencjału czynnościowego: z zewnątrz do wewnątrz, poprzez kanały jonowe w błonie komórkowej. A po drugie, natychmiast gdy zainicjowany jest potencjał czynnościowy przez otwarcie pierwszych kanałów, są one zatrzaskiwane powtórnie, a pompy jonowe zaczynają pracę, aby ponownie ustanowić oryginalne napięcie w poprzek błony komórkowej. A więc w innym ujęciu sygnał nerwowy można traktować jak falę otwarć i zamknięć bramek kanałów jonowych, która przemieszcza się od ciała komórki do zakończenia nerwu: taki płynący elektryczny bip. Połączenia nerw–nerw dla większości motorycznych komórek nerwowych znajdują się w rdzeniu kręgowym, gdzie otrzymują sygnały neuroprzekaźników z setek, a nawet tysięcy nerwów leżących „pod prąd” (rysunek 8.1.). Niektóre neurony leżące w górę strumienia uwalniają neuroprzekaźniki do skrzynek przyłączowych, synaps, które otwierają kanały jonowe w ciele komórki, aby zwiększyć prawdopodobieństwo

aktywacji nerwu motorycznego, podczas gdy inne starają się je zamknąć. W ten sposób ciało komórki każdego z neuronów wydaje się działać jak bramka logiczna komputera, dając sygnał na wyjściu – aktywując się lub nie – w oparciu o sygnał na wejściu. A więc jeśli neuron jest jak bramka logiczna, to mózg, zbudowany z miliardów neuronów, można uważać za pewnego rodzaju komputer – albo przynajmniej takie założenie jest przyjmowane przez badaczy funkcjonowania mózgu, którzy zgadzają się z obliczeniową teorią umysłu. Ale na razie musimy się trochę cofnąć, bo nie dotarliśmy jeszcze do mózgu. Mięsień motoryczny naszej artystki otrzymał wiele neuroprzekaźników w jego skrzynkach przyłączowych, powodując ich aktywację. Te sygnały wejściowe pochodzą z komórek nerwowych położonych w kierunku przeciwnym do strumienia, mających swój początek w mózgu. Posuwając się wstecz po łańcuchu przyczynowym, głowy tych nerwów podejmują decyzję o swej aktywacji, czyli odpaleniu sygnału, na podstawie sygnałów na swych licznych wejściach i wejściach tych wejść – i tak dalej i dalej wstecz po łańcuchu przyczynowym, aż dotrzemy do nerwów, które otrzymują sygnał wejściowy z oczu artystki, uszu, nosa i receptorów dotyku oraz centrów pamięci, które otrzymały już wejściowe sygnały sensoryczne z wcześniejszych jej obserwacji życia i śmierci bizona. Pomiędzy wejściami sensorycznymi i wyjściami motorycznymi znajduje się sieć neuronowa mózgu, która wykonała obliczenia narzucające decyzję: czy aktywować, czy też nie wyjście motoryczne niezbędne do narysowania sylwetki bizona. A więc tu to mamy: cały łańcuch zdarzeń doprowadził nas do tego skurczu mięśnia, który przeciągnął rękę artystki wzdłuż ściany. Ale czy nie brakuje tu czegoś? To, co dotąd opisywaliśmy, jest całkowicie mechanicznym łańcuchem przyczynowym zdarzeń od sensorycznego wejścia do motorycznego wyjścia, z pewnymi informacjami kierowanymi poprzez centra pamięci. To ten rodzaj mechanizmu, o którym mówił Kartezjusz, gdy twierdził (omawiane w rozdziale 2), że zwierzęta są jedynie maszynami; my tylko zastąpiliśmy bloczki i dźwignie nerwami, mięśniami i bramkami logicznymi. Ale pamiętajmy, że Kartezjusz uwzględnił także istotę duchową, duszę, w roli najważniejszego sterownika ludzkich działań. Gdzie znajduje się dusza w tym łańcuchu zdarzeń wejścia–wyjścia? Jak dotąd opisaliśmy tylko artystkę zombie. Gdzie wstępuje w ten łańcuch zdarzeń jej świadomość, jej idea namalowania bardzo wymownej sylwetki bizona na ścianie jaskini? To pozostaje wielką zagadką dla badaczy mózgu.

Jak umysł porusza materię

Tak czy inaczej, większość ludzi pewnie zaakceptuje pojęcie dualizmu – poglądu, że świadomość umysłu/duszy jest czymś innym niż ciało fizyczne. Ale dualizm wypadł z łask kół naukowych XX wieku i większość neurobiologów teraz preferuje ideę zwaną monizmem – pogląd, że ciało i umysł to ta sama rzecz. Na przykład neurolog i kognitywista Marcel Kinsbourne twierdzi, że „być świadomym to jak mieć obwody neuronowe w szczególnych interaktywnych stanach funkcjonalnych”152. Ale bramki logiczne komputera są raczej podobne do neuronów, jak już zauważyliśmy, a więc nie jest jasne, dlaczego komputery ściśle ze sobą połączone w sieć, tak jak sieć internetowa z jej jakimś miliardem serwerów (choć to wciąż mało w porównaniu ze stoma miliardami neuronów), nie wykazuje żadnych oznak świadomości. Dlaczego oparte na krzemie komputery nie posiadają świadomości, podczas gdy komputery osadzone w ciele ją mają? Czy to tylko sprawa złożoności i zwykłej „zdolności do połączeń” komórek naszego mózgu, nieosiągniętej dotąd przez Internet153, czy też świadomość jest bardzo odmiennym rodzajem obliczeń? Istnieje oczywiście wiele teorii dotyczących świadomości i każda z nich jest wyjaśniona w całym mnóstwie książek na ten temat. Ale w tej książce skupimy się na wielce kontrowersyjnym, lecz fascynującym twierdzeniu, które ma ścisły związek z naszym tematem: że świadomość jest zjawiskiem kwantowym. W związku z tym najbardziej znane jest stwierdzenie Rogera Penrose’a, matematyka z Oksfordu, który w swej książce z 1989 roku, Nowy umysł cesarza, napisał, że ludzki umysł jest komputerem kwantowym. Zapewne pamiętacie ideę komputera kwantowego z rozdziału 4, gdzie wspominaliśmy o artykule z „New York Timesa” z 2007 roku, w którym napisano, że rośliny są komputerami kwantowymi. Grupa naukowców z MIT w końcu przekonała się do idei, że układy fotosyntetyzujące drobnoustrojów i roślin mogą istotnie wykonywać pewnego rodzaju kwantowe obliczenia. Ale czy bardzo mądre umysły tych badaczy działają także w świecie kwantowym? Aby zbadać to zagadnienie, najpierw musimy przyjrzeć się, czym są kwantowe komputery i jak one działają.

Obliczenia na kubitach Gdy mówimy o współczesnym komputerze, to mamy na myśli każde urządzenie elektryczne zdolne do wykonania instrukcji przetwarzających informacje poprzez zbiór elektrycznych wyłączników, które mogą być albo w stanie ON (włączone), albo w stanie OFF (wyłączone) – co umożliwia zakodowanie liczby w układzie dwójkowym, w postaci 1 lub 0 w każdej pozycji tego układu. Za pomocą zbioru takich wyłączników można utworzyć obwody, które wykonają operacje logiczne, które z kolei

można wykorzystać do wykonywania operacji arytmetycznych, takich jak dodawanie i odejmowanie, a nawet otwieranie i zamykanie bramek w przypadku neuronów. Wielką zaletą takiego komputera cyfrowego jest to, że jest to najszybszy sposób wykonywania tego typu operacji, zwłaszcza w porównaniu z liczeniem na palcach, w pamięci czy też przy użyciu pióra i kartki papieru. Ale podczas gdy komputery mogą być niezwykle szybkie w wykonywaniu sum, nawet nie mogą równać się w złożoności ze światem kwantowym z jego mnóstwem nakładających się na siebie prawdopodobieństw. Aby przezwyciężyć ten problem, laureat Nagrody Nobla fizyk Richard Feynman znalazł możliwe rozwiązanie. Zasugerował wykonywanie obliczeń w świecie kwantowym za pomocą komputera kwantowego. Kwantowy ekwiwalent bitu nazywa się kubitem. Jest podobny do klasycznej sfery154, ale jego ruch nie jest ograniczony do przewrotu o 180°. Zamiast tego sfera taka może się obracać o dowolny kąt i będąc obiektem kwantowomechanicznym, może także być skierowana w wielu kierunkach jednocześnie w kwantowej superpozycji (rysunek 8.4b.). Ta zwiększona elastyczność pozwala na zakodowanie w kubicie więcej informacji niż w klasycznym bicie. Ale prawdziwe przyspieszenie w obliczeniach uzyskuje się, gdy działania przeprowadza się na wielu kubitach jednocześnie. Podczas gdy stan klasycznego bitu nie ma wpływu na swych sąsiadów, kubity mogą być także w stanie kwantowego splątania. Pamiętacie zapewne z rozdziału 6, że splątanie jest kwantowym krokiem wyżej od koherencji, zgodnie z którym cząstki kwantowe tracą swą indywidualność i to, co spotyka jedną, oddziałuje na wszystkie, i to natychmiast. Z punktu widzenia kwantowych obliczeń splątanie można zwizualizować jako połączenie każdej ze sfer (kubitu) elastyczną nitką155 z każdą inną sferą (kubitem) (rysunek 8.4c.). A teraz wyobraźmy sobie, że obracamy tylko jedną ze sfer. Bez splątania obrót nie wpłynie na sąsiednie kubity. Ale jeśli nasz kubit jest splątany z innymi kubitami, to wtedy obrót zmienia napięcie wszystkich nitek łączących kubity. Zasoby obliczeniowe tkwiące w tych splątanych nitkach wzrastają wykładniczo wraz z ilością kubitów, co oznacza, że ten wzrost jest ogromnie gwałtowny.

Rysunek 8.4. (a) Zmiana klasycznego bitu z 1 na 0 reprezentowana jest przez obrót klasycznej sfery o 180°. (b) Zmiana kubitu może być reprezentowana jako obrót sfery o dowolny kąt. Jednak koherentny kubit może być także w superpozycji wielu obrotów. (c) Trzy koherentne kubity ukazują swe splątanie jako wyimaginowane nici łączące powierzchnie każdej ze sfer. To naprężenie tych nici w następstwie obrotów reprezentuje kwantowe obliczenia.

Aby dać pojęcie, czym jest wzrost wykładniczy, opowiemy bajkę, którą może słyszeliście, o chińskim cesarzu, który tak był zadowolony z wynalezienia szachów, że obiecał wynagrodzić wynalazcę nagrodą, którą miał on sobie sam wymyślić. Sprytny wynalazca poprosił tylko o jedno ziarnko ryżu za pierwsze pole szachownicy, dwa ziarnka za drugie pole, cztery za trzecie i tak dalej, czyli o podwojenie liczby ziarnek

z każdym następnym polem szachownicy aż do sześćdziesiątego czwartego pola. Cesarz, uważając to za skromną nagrodę, skwapliwie zgodził się na nią i rozkazał służącym przyniesienie ryżu. Ale gdy policzono ziarenka ryżu, szybko przekonał się o swym błędzie. Pierwszy rząd pól dał tylko 128 ziarenek (27 + 1; pamiętajmy, że za pierwsze pole było tylko jedno ziarenko) i nawet cały drugi rząd dał tylko 32 768 ziarenek, co wynosi mniej niż kilo ryżu. Ale kiedy kilogramy zaczęły się mnożyć na sąsiednich polach, cesarz z przerażeniem odkrył, że na końcu trzeciego rzędu musi oddać więcej niż dwieście ton ryżu. Na końcu czwartego rzędu cesarstwo musiałoby zbankrutować! A na końcu szachownicy mielibyśmy 9 223 372 036 854 775 808 (268 + 1) ziarenek ryżu albo 230 584 300 921 ton, co stanowi ekwiwalent zbiorów ryżu w przeciągu całych dziejów ludzkości. Błędem cesarza było niezrozumienie faktu, że podwajanie ilości raz za razem jest wzrostem wykładniczym – co innymi słowami można wyrazić jako zwiększenie z jednej wielkości na następną proporcjonalnie do tej poprzedniej wielkości. Wzrost wykładniczy to wzrost wybuchowy, jak odkrył na swe nieszczęście cesarz. Tak jak liczba ziarenek ryżu w bajce moc obliczeń kwantowych wzrasta wykładniczo wraz z ilością kubitów. To zupełnie odmienna sytuacja niż w klasycznym komputerze, którego moc obliczeniowa wzrasta tylko liniowo z liczbą bitów. Na przykład dodanie jednego bitu do 8-bitowego klasycznego komputera zwiększy jego moc o czynnik jednej ósmej; aby podwoić jego moc, jego liczba bitów musi być podwojona. Ale proste dodanie jednego kubitu do kwantowego komputera podwoi jego moc, prowadząc do tego samego rodzaju wzrostu wykładniczego, który obserwował cesarz, tracąc swój ryż. Faktycznie, jeśli kwantowy komputer mógłby utrzymać koherencję i splątanie w obrębie tylko 300 kubitów, w co mogłoby potencjalnie być zaangażowanych tylko 300 atomów, mógłby pozostawić w tyle, w szczególnych zadaniach, klasyczny komputer rozmiarami sięgający całego Wszechświata! Ale, i to bardzo duże „ale”, aby kwantowy komputer działał, kubity muszą oddziaływać tylko ze sobą (poprzez ich niewidoczne nitki „splątania”). To oznacza, że muszą być całkowicie odizolowane od swego otoczenia. Problemem jest to, że każde oddziaływanie ze światem zewnętrznym powoduje splątanie kubitów z ich środowiskiem, co możemy wyobrazić sobie jako stworzenie jeszcze większej liczby nitek, ciągnących kubity z różnych stron, konkurujących z nitkami rozpiętymi między kubitami i przez to ingerującymi w obliczenia wykonywane za pomocą kubitów. To w istocie proces dekoherencji (rysunek 8.5.). Nawet najsłabsze oddziaływanie środowiska stwarza taki zamęt pośród splątanych nitek łączących kubity, że przestają one zachowywać się w sposób koherentny: ich kwantowe nitki są odcięte i kubity zaczynają zachowywać się jak niezależne klasyczne bity.

Rysunek 8.5. Dekoherencję w komputerze kwantowym można sobie wyobrażać jako splątanie kubitów z plątaniną nitek pochodzących ze środowiska. Te ciągną kubity tu i tam, co powoduje, że kubity przestają reagować na swe wzajemne splątanie.

Fizycy kwantowi robią, co w ich mocy, aby zachować koherencję w splątanych kubitach dzięki tworzeniu bardzo wyrafinowanych urządzeń, gdzie można zakodować garstkę atomów schłodzonych niemal do bezwzględnego zera i ekranując urządzenie od zewnętrznego otoczenia na wystarczająco długo, aby utrzymać koherencję. Stosując to podejście, osiągnęli istotne wyniki. W 2001 roku naukowcy z IBM i Uniwersytetu Stanforda zbudowali siedmiokubitowy komputer kwantowy, który zrealizował algorytm Shora, nazwany tak na cześć matematyka Petera Shora, opracowany w 1994 roku specjalnie dla komputerów kwantowych. Algorytm Shora oblicza w bardzo efektywny sposób rozkład liczby na czynniki pierwsze (oblicza liczby pierwsze, które pomnożone przez siebie dają liczbę wejściową). To był ogromny przełom, który zapełnił nagłówki gazet na całym świecie; choć dziewicze obliczenie dotyczyło tylko czynników pierwszych liczby 15 (3 i 5, gdybyście nie wiedzieli). W ciągu minionej dekady zespoły złożone z wybitnych fizyków, matematyków i inżynierów, pracując ciężko, zbudowały większe i lepsze komputery kwantowe, ale postęp okazał się umiarkowany. W 2011 roku chińskim badaczom udało się dokonać rozkładu na czynniki pierwsze liczby 143 (13 x 11) za pomocą tylko czterech kubitów. Podobnie jak przed nimi grupa z USA, chiński zespół używał układu, w którym kubity były kodowane za pomocą stanów spinu atomów. Całkiem odmienne podejście

zaprezentowała kanadyjska firma D-Wave, która zakodowała kubity za pomocą ruchu elektronów w obwodach elektrycznych. W 2007 roku firma twierdziła, że zbudowała pierwszy komercyjny 16-kubitowy kwantowy komputer, zdolny do rozwiązania puzzli sudoku i innych podobnych puzzli oraz problemów optymizacji. W 2013 roku NASA, Google i Universities Space Research Association (USRA) zawiązały spółkę, która zakupiła 512-kubitowy komputer kwantowy od D-Wave, który NASA planuje użyć do poszukiwań egzoplanet, to znaczy planet, które orbitują nie wokół naszego Słońca, ale wokół odległych gwiazd. Jednak wszystkie zagadnienia, które jak dotąd rozwiązywał ten kwantowy komputer, były w zasięgu mocy obliczeniowej komputerów klasycznych i wielu ekspertów od komputerów kwantowych pozostaje nieprzekonanych, że technologia D-Wave jest istotnie kwantowa – albo jeśli jest, to czy kiedykolwiek stanie się istotnie szybsza od klasycznej. Jakiekolwiek podejście wybiorą eksperymentatorzy, wyzwanie, jakiemu muszą stawić czoło, usprawniając obecną generację raczkujących komputerów kwantowych, jest ogromne. Największym problemem jest zwiększanie skali. Podwojenie kubitów podwaja moc obliczeniową obliczeń kwantowych, ale także podwaja trudności z utrzymaniem kwantowej koherencji i splątania. Atomy muszą być bardziej schładzane, ekranowane bardziej efektywnie i coraz trudniej utrzymać koherencję na więcej niż kilka bilionowych sekundy. Dekoherencja zaczyna się, zanim komputer zdoła wykonać nawet najprostszą operację. (Choć w czasie pisania tej książki rekord w utrzymaniu koherencji kwantowej w temperaturze pokojowej stanów spinu jądrowego wynosił całe 39 minut156). Ale jak już odkryliśmy, żywe komórki utrzymują koherencję kwantową wystarczająco długo, aby przetransportować ekscytony w kompleksach fotosyntetyzujących albo elektrony i protony w enzymach. Czy koherencja może być utrzymana w centralnym układzie nerwowym, aby doszło do kwantowych obliczeń w mózgu?

Obliczenia z użyciem mikrotubul? Argumentacja Penrose’a dotycząca tego, że ludzki mózg jest komputerem kwantowym, nadeszła z zupełnie zaskakującego kierunku: słynnych (przynajmniej w kręgach matematycznych) twierdzeń o niezupełności zaproponowanych przez austriackiego matematyka Kurta Gödla. Te twierdzenia były szokujące dla matematyków w latach trzydziestych XX wieku, którzy z ufnością podjęli program określenia zbioru aksjomatów, które mogą dowodzić prawdziwości twierdzeń prawdziwych i fałszu twierdzeń fałszywych – a w gruncie rzeczy mających dowieść, że cała arytmetyka jest wewnętrznie spójna i wolna od sprzeczności. To brzmi trochę tak, jak gdyby tylko

matematycy i filozofowie tym się martwili, ale to było i wciąż jest istotnym zagadnieniem dla logiki. Twierdzenia Gödla o niezupełności pokazały, że taka próba jest skazana na porażkę. Pierwsze z tych twierdzeń pokazało, że systemy logiczne, takie jak naturalny język albo matematyka, mogą wytworzyć prawdziwe twierdzenia, których nie są w stanie udowodnić. To wydaje się stwierdzeniem nieszkodliwym, ale jego implikacje sięgają daleko. Rozważmy znany system logiczny, taki jak język, za pomocą którego można dowodzić pewnych tez poprzez stwierdzenia na przykład takie jak: „Wszyscy ludzie są śmiertelni. Sokrates jest człowiekiem”, aby wywnioskować, że „Sokrates jest śmiertelny”. Łatwo zauważyć, i łatwo formalnie dowieść, że ostatnie stwierdzenie logicznie wynika z dwóch pierwszych, jeśli dany jest zbiór reguł logicznych (jeśli A = B i B = C, to A = C). Ale Gödel pokazał, że każdy system logiczny dostatecznie złożony, aby dowodzić twierdzenia matematyczne, ma fundamentalne ograniczenie: zastosowanie jego reguł może tworzyć stwierdzenia, które są prawdziwe, ale ich nie można dowieść, stosując te same reguły, za pomocą których zostały utworzone. To wydaje się raczej dziwne, i rzeczywiście jest. Jednak, i to jest ważne, twierdzenie Gödla nie oznacza, że niektóre prawdziwe stwierdzenia są nie do udowodnienia. Natomiast w jednym zbiorze reguł można udowodnić prawdziwość stwierdzeń utworzonych za pomocą innego zbioru reguł i w tym właśnie zbiorze nie do udowodnienia. Na przykład w języku prawdziwe, lecz nie do udowodnienia stwierdzenia mogą być udowodnione regułami algebraicznymi, i vice versa. To, oczywiście, ogromne uproszczenie, które nie oddaje wszystkich subtelności tematu. Czytelnicy zainteresowani tym zagadnieniem mogą zapoznać się z książką napisaną w 1979 roku przez amerykańskiego profesora kognitywistyki Douglasa Hofstadtera157. Tutaj istotnym jest to, że dla Penrose’a twierdzenie Gödla o niezupełności było punktem wyjściowym jego argumentu, wskazując, że klasyczne komputery tworzą stwierdzenia, używając formalnych systemów logicznych (algorytmów). Z twierdzenia Gödla wynika, że muszą także tworzyć prawdziwe stwierdzenia, których nie są w stanie udowodnić. Ale ludzie, twierdził Penrose, (albo przynajmniej ci z tego gatunku, którzy są matematykami) mogą dowieść prawdy tych niemożliwych do dowiedzenia, choć prawdziwych komputerowych stwierdzeń. Dlatego, dowodził, ludzki umysł jest czymś więcej niż klasyczny komputer, ponieważ jest zdolny do czegoś, co on nazwał procesem nieobliczalnym. Następnie postulował, że ta nieobliczalność wymaga czegoś ekstra, czegoś, co tylko może dać mechanika kwantowa. Świadomość, dowodził, wymaga komputera kwantowego. To jest oczywiście bardzo śmiała teza wypowiedziana na gruncie rozstrzygalności lub niepewnych trudnych matematycznych stwierdzeń, i do tego zagadnienia jeszcze wrócimy później. Ale w swojej późniejszej książce, Cienie umysłu, Penrose poszedł dalej i zaproponował mechanizm fizyczny, za pomocą którego mózg mógłby obliczać

sumy w świecie kwantowym158. Połączył siły ze Stuartem Hameroffem159, profesorem anestezjologii i psychologii na Uniwersytecie Arizony, aby stwierdzić, że struktury zwane mikrotubulami odkryte w neuronach są kubitami kwantowych mózgów160. Mikrotubule są długimi nitkami białka zwanego tubuliną. Hameroff i Penrose wysunęli tezę, że te białka – perełki na nitce – są zdolne do nagłej zmiany pomiędzy przynajmniej dwoma kształtami, rozciągniętym i skurczonym, i są zdolne do zachowywania się jak obiekty kwantowe w stanie superpozycji obydwu kształtów naraz, jak coś w rodzaju kubitów. Zaproponowali nie tylko to, według nich białko tubulina w jednym neuronie jest splątana z tubuliną w wielu innych neuronach. Pamiętacie, że splątanie to „upiorne działanie na odległość”, które potencjalnie łączy obiekty, które są bardzo oddalone od siebie. Jeśli upiorne połączenia pomiędzy bilionami neuronów w ludzkim mózgu byłyby możliwe, to mogłyby one, potencjalnie, zebrać razem całą informację zakodowaną w oddzielnych nerwach i tym samym rozwiązać problem łączenia. Mogą one stworzyć świadomy umysł posiadający trudne do określenia, ale ogromne zdolności komputera kwantowego. Teoria świadomości Penrose’a–Hameroffa zawiera jeszcze więcej stwierdzeń, może nawet jeszcze bardziej kontrowersyjnych, jak zaproponowany udział grawitacji161. Ale czy jest to wiarygodne? My, łącznie z niemal wszystkimi neurobiologami i fizykami kwantowymi, nie jesteśmy przekonani. Jedno z głównych zastrzeżeń pochodzi z poprzedniego opisu, jak informacja przemieszcza się z mózgu poprzez nerwy. Zapewne zauważyliście, że nie wspominaliśmy mikrotubul w tym opisie. A to dlatego, że one, o ile wiadomo, nie grają żadnej bezpośredniej roli w przetwarzaniu informacji. Mikrotubule wspierają archtekturę neuronu i transportują neuroprzekaźniki wzdłuż swej długości, ale uważa się, że nie biorą udziału w przetwarzaniu informacji w sieci neuronowej odpowiedzialnego za obliczenia mózgu. A więc mało prawdopodobne jest to, aby mikrotubule stanowiły podstawę naszego myślenia. Ale być może nawet bardziej istotnym zastrzeżeniem jest to, że mikrotubule w mózgu z dużym prawdopodobieństwem nie są koherentnymi kubitami po prostu dlatego, że są zbyt duże i skomplikowane. W poprzednich rozdziałach widzieliśmy przykłady koherencji kwantowej, splątania i tunelowania w całej gamie układów biologicznych – od fotosyntezy do enzymów, receptorów węchu, DNA i nieuchwytnego organu magnetorecepcji u ptaków. Ale kluczową cechą dla tego wszystkiego jest to, że „kwantowa” część układu (ekscyton, elektron, proton albo wolny rodnik) jest prosta. Składa się albo z pojedynczej cząstki, albo niewielkiej liczby cząstek, robiących to, co robią w skali atomowej. To odpowiada oczywiście mającemu siedemdziesiąt lat poglądowi Schrödingera, że ten rodzaj żywego organizmu, który wykazuje cechy kwantowe, musi składać się z małej liczby cząstek. Ale teoria Penrose’a–Hameroffa zakłada, że całe molekuły białka, składające się z milionów cząstek, są w stanie splątania nie tylko z molekułami tej samej mikrotubuli,

ale i z innymi mikrotubulami, podobnie składającymi się z milionów cząstek, w miliardach komórek nerwowych w całym mózgu. To brzmi nieprawdopodobnie. Ponadto nikt nie zdołał zmierzyć koherencji w mikrotubulach mózgu; obliczenia wskazują, że koherencja kwantowa w pojedynczej mikrotubuli może być utrzymana przez kilka pikosekund162, o wiele za krótko, aby mieć jakiś wpływ na sprawność obliczeniową mózgu163. Jednak być może nawet bardziej fundamentalny problem z teorią kwantowej świadomości Penrose’a–Hameroffa tkwi w traktowaniu mózgu jako komputera kwantowego. Pamiętacie, że Penrose oparł to twierdzenie na tym, że ludzie mogą udowodnić gödelowskie stwierdzenia, natomiast komputer nie może. Ale to wskazuje na kwantowe obliczenia w mózgu, tylko jeśli komputer kwantowy może udowodnić gödelowskie stwierdzenia, ale nie tylko nie ma na to dowodów, lecz na dodatek większość badaczy wierzy w coś zupełnie przeciwnego164. Ponadto nie jest wcale pewne, że ludzki umysł faktycznie może sprawić się lepiej z dowodzeniem gödelowskich stwierdzeń niż klasyczny komputer. Chociaż ludzie mogą być zdolni do dowiedzenia prawdziwości niemożliwych do dowiedzenia stwierdzeń gödelowskich utworzonych przez komputer, jest równie prawdopodobne, że komputery mogą być zdolne do dowodzenia prawdziwości niemożliwych do dowiedzenia gödelowskich stwierdzeń utworzonych przez ludzki umysł. Twierdzenie Gödla ogranicza tylko zdolność jednego systemu logicznego do dowodzenia wszystkich jego własnych stwierdzeń; nie nakłada ograniczeń na zdolność jednego systemu logicznego do dowodzenia stwierdzeń gödelowskich utworzonych w innym systemie. Ale czy to dowodzi, że nie ma miejsca dla mechaniki kwantowej w mózgu? Czy jest prawdopodobne, że przy tak dużym działaniu mechaniki kwantowej w innych organach naszego ciała nasze myśli są całkowicie sterowane procesem maszyny parowej klasycznego świata? Być może nie. Ostatnie badania wskazują, że mechanika kwantowa może istotnie odgrywać ważną rolę w pracy umysłu.

Kwantowe kanały jonowe? Część mózgu, gdzie mogłyby występować zjawiska kwantowe, leży wewnątrz kanałów jonowych w błonie komórkowej neuronów. Jak już opisywaliśmy, są one odpowiedzialne za pośredniczenie w działaniu potencjałów czynnościowych – sygnałów nerwowych – które przekazują informację w mózgu, a więc grają główną rolę w neuronalnym przetwarzaniu informacji. Kanały te mają długość około jednej miliardowej metra (1,2 nanometra) i szerokość wyrażoną połową tej liczby, a więc jony muszą przeciskać się przez nie rządkiem. A jednak wykonują to w iście

niezwykłym tempie stu milionów na sekundę. A kanały są przy tym bardzo selektywne. Na przykład kanał odpowiedzialny za napływ jonów potasu do komórki przepuszcza tylko jeden jon sodu na dziesięć tysięcy jonów potasu, pomimo że jon sodu jest mniejszy niż jon potasu – a więc naiwnie moglibyśmy oczekiwać, że mógłby się on łatwo wśliznąć wszędzie tam, gdzie przechodzą jony potasu. To bardzo wysokie tempo transportu, połączone z ogromną selektywnością, ustala szybkość potencjałów czynnościowych, tym samym ich zdolności do przesyłania naszych myśli w mózgu. Ale w jaki sposób jony są tak szybko i tak selektywnie transportowane, pozostaje częściowo zagadką. Czy pomaga tu mechanika kwantowa? Już wspomnieliśmy (w rozdziale 4), że mechanika kwantowa może zwiększyć transport energii w fotosyntezie. Czy może także zwiększyć transport jonów w mózgu? W 2012 roku neurobiolog Gustav Bernroider, z Uniwersytetu w Salzburgu, wraz z Johannem Summhammerem z Instytutu Fizyki Atomowej na Technologicznym Uniwersytecie Wiedeńskim wykonali symulacje kwantowe jonu przelatującego przez zależny od napięcia kanał jonowy i odkryli, że jon jest zdelokalizowany (rozmyty), gdy porusza się przez kanał: bardziej jak fala koherentna niż cząstka. A także że fala tego jonu oscyluje z bardzo dużą częstością i przekazuje energię otaczającym białkom w pewnego rodzaju procesie rezonansu, tak więc kanał efektywnie działa jak chłodziarka jonów, która redukuje energię kinetyczną jonu o połowę. To efektywne chłodzenie jonu pomaga mu zachować zdelokalizowany stan kwantowy, utrzymując z dala dekoherencję i umożliwiając gwałtowny transfer poprzez kanał. Ma także udział w selektywności, ponieważ stopień schłodzenia będzie inny, gdy jon potasu zostanie zastąpiony jonem sodu: konstruktywna interferencja może promować transport jonów potasu, podczas gdy destrukcyjna interferencja będzie hamować transport jonów sodu. Zespół doszedł do wniosku, że kwantowa koherencja gra „niezbędną” rolę w przewodnictwie jonów poprzez kanały jonowe nerwu i dlatego jest istotną częścią naszego procesu myślenia165. Musimy podkreślić, że ci badacze nie sugerowali, że koherentne jony są zdolne do działania w charakterze kubitów ani że mogą odgrywać jakąś rolę w świadomości, i na pierwszy rzut oka trudno dostrzec, jak mogłyby one rozwiązać niektóre problemy świadomości, jak problem łączenia. Jednak w przeciwieństwie do mikrotubul w hipotezie Penrose’a–Hameroffa kanały jonowe grają istotną rolę w obliczeniach neuronalnych – stanowią podstawę potencjałów czynnościowych – a więc ich stan odzwierciedla stan komórki nerwowej: gdy nerw się aktywuje, to jony płyną (pamiętajmy, że poruszają się jak fale kwantowe) gwałtownie kanałami, lecz gdy nerw jest w spoczynku, pozostają w kanałach w stanie stacjonarnym. A więc ponieważ w sumie aktywacja i dezaktywacja neuronów w naszym mózgu musi jakoś kodować nasze myśli, to te myśli są także odzwierciedlane – kodowane – w sumie całości przepływu jonów do i z komórek nerwowych.

Ale jak pojedynczy proces myślenia mógłby być połączony, aby wygenerować świadome, powiązane ze sobą myśli? Jeden koherentny kanał jonowy – obojętnie, kwantowy czy klasyczny – nie może zakodować całej informacji zgromadzonej w procesie myślowym, który dokonuje wizualizacji złożonego obiektu, takiego jak bizon. Aby odgrywać rolę w świadomości, kanały jonowe musiałyby być połączone w jakiś sposób. Czy pomaga tu mechanika kwantowa? Czy to możliwe na przykład, że jony w kanale są nie tylko koherentne wzdłuż kanału, ale także koherentne albo nawet splątane z jonami w innych kanałach albo okolicznych neuronach? Prawie na pewno nie. Z kanałami jonowymi i jonami wewnątrz nich byłby ten sam problem, co z hipotezą Penrose’a–Hameroffa o mikrotubulach. Chociaż można sobie wyobrazić, że jeden kanał jest splątany z innym kanałem jonowym wewnątrz tego samego neuronu, to splątanie z kanałami jonowymi w innej komórce, co jest potrzebne do rozwiązania problemu łączenia, jest całkowicie niewykonalne w ciepłym i wilgotnym, dynamicznym i dążącym do dekoherencji otoczeniu żyjącego mózgu. A więc jeśli splątanie nie może połączyć informacji na poziomie kwantowym w kanałach jonowych, czy jest coś innego, co wykonałoby to zadanie? Może jest. Kanały zależne od napięcia są oczywiście czułe na napięcie; ono otwiera je i zamyka. Napięcie jest po prostu miarą gradientu pola elektrycznego. Ale cała objętość mózgu jest wypełniona jego własnym polem elektromagnetycznym (EM), które generuje aktywność jego wszystkich nerwów. To jest to pole, które rutynowo jest badane w encefalografie (EEG) albo magnetoencefalografie (MEG), i nawet spojrzenie na jeden z tych wyników daje pojęcie, jak niezwykle złożone i bogate w informacje jest to pole. Większość neurobiologów ignoruje potencjalną rolę pola EM w obliczeniach zachodzących w mózgu, ponieważ założyła, że jest to jak gwizdek parowozu: produkt aktywności mózgu, ale bez wpływu na tę aktywność. Jednak kilku badaczy, a wśród nich Johnjoe, skwapliwie podchwyciło ideę, że przesunięcie świadomości z dyskretnych cząstek materii w mózgu do połączonego z nim pola EM mogłoby potencjalnie rozwiązać problem łączenia i ustanowić siedlisko świadomości166. Aby zrozumieć, jak mogłoby to działać, musielibyśmy powiedzieć coś więcej o tym, co rozumiemy przez pole. Ten termin pochodzi z jego powszechnego użycia: oznacza coś, co rozciąga się w przestrzeni, jak pole uprawne albo boisko piłkarskie. W fizyce pojęcie „pola” ma takie samo znaczenie, ale zwykle odnosi się do pól energetycznych, które mogą poruszać obiekty. Pole grawitacyjne porusza wszystko, co ma masę, pole elektryczne albo magnetyczne porusza cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny albo cząstki magnetyczne, takie jak jony w kanałach jonowych neuronów. W wieku XIX James Clerk Maxwell odkrył, że elektryczność i magnetyzm są dwoma aspektami tego samego zjawiska, elektromagnetyzmu, a więc oba określamy jako pole EM. Równanie Einsteina E = mc2, z energią po jednej stronie i masą po drugiej, pokazuje, że energia i masa są zamienialne. A więc energia pola EM mózgu – lewa strona

równania Einsteina – jest tak samo realna jak materia, z której są neurony, a ponieważ jest wytworzona na skutek aktywacji neuronów, koduje dokładnie tę samą informację, co neuronowe wzorce aktywacji mózgu. Jednak podczas gdy informacja neuronalna pozostaje zamknięta w tych bipiących neuronach, aktywność elektryczna, generowana przez całe to bipienie, unifikuje całą informację wewnątrz pola EM mózgu. To potencjalnie rozwiązuje problem łączenia167. I, dzięki otwieraniu i zamykaniu bramek kanałów jonowych zależnych od napięcia, pole EM sprzęga się z tymi koherentnymi jonami poruszającymi się poprzez kanały. Gdy po raz pierwszy zaproponowano teorie świadomości na samym początku tego stulecia, nie było bezpośrednich dowodów na to, że pole EM mózgu mogłoby mieć wpływ na wzorzec aktywacji neuronów, aby kierować naszymi myślami i działaniami. Jednak eksperymenty przeprowadzone w kilku laboratoriach pokazały ostatnio, że zewnętrzne pola EM o podobnym natężeniu i strukturze, co te, które generuje mózg, rzeczywiście mają wpływ na aktywację neuronów168. Rzeczywiście: to, co wydaje się robić pole, polega na koordynacji aktywacji neuronów: to znaczy synchronizuje aktywację tak, że następuje ona wspólnie. Odkrycia sugerują, że pole własne mózgu, generowane przez aktywację neuronów, ma wpływ na tę aktywację, co jest pewnego rodzaju pętlą sprzężenia zwrotnego, która, jak sugeruje wielu teoretyków, jest niezbędnym czynnikiem świadomości169. Synchronizacja aktywacji neuronów przez pole EM mózgu ma także wielkie znaczenie w kontekście zagadki świadomości, ponieważ jest to jedna z niewielu cech aktywności nerwowej, o której wiadomo, że jest skorelowana ze świadomością. Na przykład wszyscy doświadczyliśmy kiedyś zjawiska patrzenia na obiekt będący na widoku, jak nasze okulary, a potem poszukiwania ich wśród bałaganu innych przedmiotów. Gdy patrzyliśmy na bałagan, informacja wizualna kodująca ten obiekt przebiegała w naszym mózgu, poprzez oczy, ale jakoś nie widzieliśmy obiektu, którego poszukiwaliśmy: nie byliśmy jego świadomi. Ale nagle go zauważyliśmy. Co zmieniło się w naszym mózgu pomiędzy czasem, gdy byliśmy po raz pierwszy nieświadomi, a potem świadomi obiektu będącego w tym samym polu widzenia? Przecież aktywacja neuronów się nie zmieniła: te same neurony aktywują się bez względu na to, czy widzimy okulary, czy nie widzimy. Ale gdy nie natykamy się na okulary, neurony aktywują się asynchronicznie, a gdy je spostrzegamy, aktywują się synchronicznie170. Pole EM, porządkujące wszystkie te koherentne kanały jonowe w zasadniczo odmiennych częściach mózgu, aby wywołać synchroniczną aktywację, może odgrywać rolę w tym przejściu pomiędzy świadomymi i nieświadomymi myślami. Powinniśmy podkreślić, że odwoływanie się do takich idei jak pola EM mózgu albo koherentnych kwantowo kanałów jonowych w celu wyjaśnienia świadomości w żaden sposób nie stanowi wsparcia tak zwanych „zjawisk paranormalnych”, takich jak

telepatia, ponieważ obie koncepcje zdolne są do wywierania wpływu na procesy neuronowe zachodzące wewnątrz pojedynczego mózgu – nie umożliwiają komunikacji pomiędzy różnymi mózgami! I, jak już wskazywaliśmy przy omawianiu argumentów Penrose’a, nie ma dowodów, że mechanika kwantowa jest potrzebna do wyjaśnienia świadomości – w przeciwieństwie do innych zjawisk biologicznych, jak działanie enzymów albo fotosynteza, które omawialiśmy w tej książce. Ale czy jest prawdopodobne, że dziwne własności mechaniki kwantowej, obecne w tak wielu zjawiskach życia, są wyłączone z jego najbardziej tajemniczego produktu, świadomości? Odpowiedź pozostawiamy czytelnikowi. Schemat przedstawiony powyżej, w którym występuje kwantowa koherencja kanałów jonowych oraz pola EM, jest na razie bardzo spekulatywny, ale przynajmniej dostarcza odpowiedniego powiązania mechaniki kwantowej z mózgiem. A więc mając to w umyśle, powróćmy jeszcze raz do ciemnej jaskini na południu Francji, aby skompletować łańcuch zdarzeń od mózgu do ręki, gdy nasza artystka stoi znieruchomiała przed ścianą, obserwując światło łuczywa migocące na jej szarych płaszczyznach. Gra światła na ścianie wywołuje w jej świadomości kontur bizona. To wystarczy do stworzenia w jej głowie idei, być może reprezentowanej jako fluktuacje pola EM jej własnego mózgu, które otwierają bramki klastrów kanałów jonowych w wielu oddzielnych neuronach, powodując ich synchroniczną aktywację. Synchroniczne sygnały nerwowe aktywują potencjały czynnościowe w mózgu i poprzez połączenia synaptyczne inicjują ciąg sygnałów, który przemieszcza się wzdłuż jej rdzenia, a poprzez połączenia nerwowe dociera do nerwów motorycznych, które uwalniają pakiety neuroprzekaźników do płytek nerwowo-mięśniowych, które są przyczepione do mięśni jej ramienia. Te mięśnie kurczą się, wykonując skoordynowany ruch ręki, która przesuwając się wzdłuż ściany, rysuje węglem na skale linię przedstawiającą kontur bizona. I co najważniejsze, ona uświadamia sobie, że to ona zainicjowała akcję z powodu idei goszczącej w jej świadomym mózgu. To nie zombie. Trzydzieści tysięcy lat później Jean-Marie Chauvet zapalił latarkę przy tej samej ścianie i idea, która powstała w mózgu tej dawno temu zmarłej artystki, jeszcze raz przemknęła poprzez neurony świadomego ludzkiego mózgu. 145 „Moje życie podziemne” (przyp. tłum.). 146 Wywiad dla „Los Angeles Times”, 14 lutego 1995. 147 J-M. Chauvet, E. Brunel-Deschamps, C. Hillaire, J. Clottes, Dawn of Art. The Chauvet Cave: The Oldest Known Paintings in the World, Harry N. Abrams, New York 1996. 148 Szokującym dla wielu kinomanów jest to, że film Herzoga jest w 3D.

149 Cytowane w: J. Hadamard, Essay on the Psychology of Invention in the Mathematical Field, Princeton University Press, Princeton 1945. Jednak według Daniela Dennetta w: Memes and the exploitation of imagination, „Journal of Aesthetics and Art Criticism”, vol. 48 (1990), s. 127–135 (dostępne: http://ase.tufts.edu/cogstud/dennett/papers/memeimag.htm#5), ten często cytowany fragment nie pochodzi prawdopodobnie od Mozarta, a jego źródło jest niepewne. My mimo to zdecydowaliśmy się zachować go, bo jego autorowi, ktokolwiek to jest, udało się bardzo ładnie opisać znane, ale niezwykłe zjawisko. 150 J. McFadden, The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning, „Journal of Consciousness Studies”, vol. 20: 3–4 (2013), s. 152–182. 151 Chauvet e.a., Dawn of Art. 152 M. Kinsbourne, Integrated cortical field model of consciousness, [w:] Experimental and Theoretical Studies of Consciousness, CIBA Foundation Symposium No. 174, Wiley, Chichester 2008. 153 Rozmiar Internetu trudno oszacować, ale każda witryna łączy się obecnie do, średnio, mniej niż stu stron, podczas gdy neurony mają połączenia synaptyczne z tysiącami innych neuronów. A więc, z punktu widzenia połączeń, istnieje około biliona połączeń pomiędzy stronami internetowymi i około sto razy więcej pomiędzy neuronami w ludzkim mózgu. Ale sieć podwaja swe połączenia co roku, a więc za około dziesięć lat Internet będzie konkurował w złożoności z ludzkim mózgiem. Czy wtedy Internet stanie się świadomy? 154 Dla fizyków to sfera Blocha. 155 W rzeczywistości jest to związek fazy z amplitudą splątanych kubitów, który zawarty jest w rozwiązaniu równania Schrödingera. 156 K. Saeedi, S. Simmons, J.Z. Salvail, P. Dluhy, H. Riemann, N.V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, J.J.L. Morton, M.L. W. Thewalt, Room-temperature quantum bit storage exceeding 29 minutes using ionized donors in silicon-28, „Science”, vol. 342: 6160 (2013), s. 830–833. 157 D. Hofstadter, Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid, Basic Books, New York 1999; I wyd. 1979. 158 R. Penrose, Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness, Oxford University Press, Oxford 1994. 159 Johnjoe pragnie przeprosić Stuarta Hameroffa za niepoprawną pisownię jego nazwiska w książce Quantum Evolution. 160 S. Hameroff, Quantum computation in brain microtubules? The Penrose–Hameroff “Orch OR” model of consciousness, „Philosophical Transactions of the Royal Society Series A”, vol. 356: 1743 (1998), s. 1869–1895; S. Hameroff, R. Penrose, Consciousness in the universe: a review of the “Orch OR” theory, „Physics of Life Reviews”, vol. 11 (2014), s. 39–78. 161 To następna trudna koncepcja, ale Penrose zaproponował całkiem dziwaczną interpretację problemu pomiaru w kwantowej mechanice poprzez postulowanie, że dla wystarczająco złożonych (i dlatego masywnych) układów kwantowych ich grawitacyjny wpływ na czasoprzestrzeń tworzy zaburzenie, które dokonuje redukcji funkcji falowej,

przekształcając układ kwantowy w klasyczny, i to ten proces tworzy nasze myśli. Szczegóły tej niezwykłej teorii są opisane w książkach Penrose’a, ale trzeba uczciwie powiedzieć, że ta propozycja nie wzbudziła zainteresowania w środowisku fizyków kwantowych. 162 M. Tegmark, Importance of quantum decoherence in brain processes, „Physical Review E”, vol. 61 (2000), s. 4194–4206. 163 Pikosekunda to milionowa część milionowej części sekundy (10–12). 164 Zobacz na przykład: A. Litt, C. Eliasmith, F.W. Kroon, S. Weinstein, P. Thagard, Is the brain a quantum computer? „Cognitive Science”, vol. 30: 3 (2006), s. 593–603. 165 G. Bernroider, J. Summhammer, Can quantum entanglement between ion transition states effect action potential initiation? „Cognitive Computation”, vol. 4 (2012), s. 29–37. 166 McFadden, Quantum Evolution; J. McFadden, Synchronous firing and its influence on the brain’s electromagnetic field: evidence for an electromagnetic theory of consciousness, „Journal of Consciousness Studies”, vol. 9 (2002), s. 23–50; S. Pockett, The Nature of Consciousness: A Hypothesis, Writers Club Press, Lincoln, NE 2000; E.R. John, A field theory of consciousness, „Consciousness and Cognition”, vol. 10: 2 (2001), s. 184–213; J. McFadden, The CEMI field theory closing the loop, „Journal of Consciousness Studies”, vol. 20: 1– 2 (2013), s. 153–168. 167 McFadden, The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning. 168 C.A. Anastassiou, R. Perin, H. Markram, C. Koch, Ephaptic coupling of cortical neurons, „Nature Neuroscience”, vol. 14: 2 (2011), s. 217–223; F. Frohlich, D. A. McCormick, Endogenous electric fields may guide neocortical network activity, „Neuron”, vol. 67: 1 (2010), s. 129–143. 169 McFadden, The CEMI field theory closing the loop. 170 W. Singer, Consciousness and the structure of neuronal representations, „Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences”, vol. 353: 1377 (1998), s. 1829–1840.

9

Jak rozpoczęło się życie (…) jeśli (och! jakie wielkie jeśli!) moglibyśmy sobie wyobrazić jakąś małą ciepłą sadzawkę z obecnym tam amoniakiem, solami fosforu, światłem, ciepłem i elektrycznością etc., w której nastąpiło utworzenie białka gotowego do dalszych, jeszcze bardziej skomplikowanych zmian (…). Charles Darwin, list do Josepha Hookera, 1871 Grenlandia nie jest szczególnie zielona. Gdzieś około roku 982 duński wiking, znany jako Eryk Czerwony, uchodząc przed oskarżeniem o morderstwo, pożeglował na zachód od Islandii i odkrył krainę lodu. Nie był tam pierwszy: Grenlandia była już odkryta kilka razy przez ludzi epoki kamiennej, którzy przybyli ze wschodniej Kanady około roku 2500 p.n.e. Środowisko Grenlandii jest surowe i niewybaczające błędów, dlatego te wczesne kultury zniknęły, pozostawiając po sobie nikłe ślady. Eryk miał nadzieję, że pójdzie mu lepiej, gdyż przybył podczas tak zwanego średniowiecznego optimum klimatycznego, gdy warunki były bardziej łagodne; dlatego nadał wyspie jej obecną nazwę, ufając, że zawarta w niej obietnica zielonych pastwisk zwabi jego rodaków na zachód. Wybieg udał się, ponieważ wkrótce powstała kolonia złożona z kilku tysięcy osadników i przynajmniej początkowo wydawała się kwitnąć. Ale gdy okres ciepły skończył się, warunki klimatyczne Grenlandii powróciły do bardziej typowych dla północnego Atlantyku, a centralna pokrywa lodowa rozrosła się, zajmując 80 procent lądu. Gdy pogoda zmieniała się na coraz gorszą, wyspiarze walczyli o utrzymanie ich skandynawskiej gospodarki rolnej na wąskim, przybrzeżnym skrawku ziemi ale zbiory, jak i inwentarz żywy stale się zmniejszały. Jak na ironię, mniej więcej w tym samym czasie, gdy upadała kolonia wikingów, inna fala emigrantów, Inuitów (Eskimosów), utrzymywała się na północy wyspy, posługując się zaawansowaną technologią rybacką i łowiecką, które były dobrze dostosowane do lokalnych warunków. Wikingowie mogli ocaleć, gdyby przyjęli strategię przetrwania od Inuitów, ale jedyny zapis, jaki mamy o kontaktach między tymi dwoma ludami, to uwaga poczyniona przez wikinga, że Inuita mocno krwawi, gdy jest dźgnięty. Ta uwaga

świadczy raczej o braku gotowości do pobierania nauk od północnych sąsiadów. W rezultacie gdzieś w końcu XV wieku kolonia wikingów upadła, a kilku ostatnich mieszkańców podobno posunęło się aż do kanibalizmu. Jednak Duńczycy nigdy nie zapomnieli o swych zachodnich placówkach i w początkach XIX wieku wysłali ekspedycję mającą na celu odnowienie więzi z osadnikami. Członkowie ekspedycji znaleźli tylko opuszczone obejścia i cmentarzyska, ale wizyta doprowadziła do założenia lepiej prosperującej kolonii, która obejmując też tubylczych Inuitów, stała się w końcu współczesną Grenlandią. Ekonomika dzisiejszej Grenlandii wyrasta z inuickich korzeni i zależy głównie od rybołówstwa, ale wyspa posiada również bogactwa mineralne, które są coraz intensywniej badane. W latach sześćdziesiątych XX wieku duński Instytut Geologiczny Grenlandii zatrudnił młodego nowozelandzkiego geologa Vica McGregora, aby przeprowadził badania geologiczne południowo-zachodniego rogu wyspy w pobliżu jej stolicy, Godthaab (teraz przemianowana na Nuuk). McGregor spędził kilka lat, przemierzając rozdarty fiordami region w niewielkiej, częściowo otwartej łodzi, na tyle dużej, by zmieścić jego, dwóch lokalnych członków załogi, ekwipunek geologa i wyposażenie rybackie – nieodbiegające od tego, jakim posługiwali się wcześni koloniści inuiccy. Posługując się standardową techniką stratygrafii, wywnioskował, że skały na tym obszarze ułożone są w dziesięciu następujących po sobie warstwach, z których najstarsza i najgłębsza prawdopodobnie była „bardzo stara w rzeczy samej” – być może starsza niż trzy miliardy lat. Na początku lat siedemdziesiątych XX wieku McGregor posłał próbkę tej pradawnej skały do Oksfordu, do laboratorium Stephena Moorbatha, badacza, który zyskał uznanie za radiometryczne badanie wieku skał. Ta metoda polega na pomiarze stosunku radioaktywnych izotopów do ich produktów rozpadu. Na przykład uran 238 rozpada się z okresem połowicznego rozpadu wynoszącym 4,5 miliarda lat (poprzez łańcuch nuklidów w końcu do stabilnego izotopu ołowiu); a więc gdy Ziemia ma około 4 miliardów lat, koncentracja naturalnego uranu w skale spadnie o połowę w czasie równym wiekowi Ziemi. Mierząc stosunek izotopów w próbce skały, naukowcy mogą obliczyć, ile czasu upłynęło od powstania skały. I tę technikę zastosował Stephen Moorbath w 1970 roku do analizy próbki skały zwanej gnejsem, którą McGregor odłupał w południowo-zachodnim rejonie wybrzeża Grenlandii, zwanym Amîtsoq. I, o dziwo, odkrył, że gnejs zawierał proporcjonalnie więcej ołowiu niż jakakolwiek znana ziemska ruda żelaza albo skała. Odkrycie bardzo wysokiej zawartości ołowiu oznaczało, że skała gnejsowa z Amîtsoq, jak McGregor się domyślał, była „bardzo stara w rzeczy samej”; miała przynajmniej 3,7 miliarda lat, więcej niż jakakolwiek skała znaleziona wcześniej na Ziemi. Na Moorbathu odkrycie to zrobiło tak duże wrażenie, że dołączył do McGregora w czasie kilku ekspedycji na Grenlandię. W 1971 roku obaj zdecydowali się

odwiedzić odległy i praktycznie niezbadany region Isua na granicy pokrywy lodowej (zobacz rysunek 9.1). Najpierw żeglowali w małej łódce McGregora aż do czoła lodowca w Fiordzie Godthaab, gdzie w średniowieczu wikingowie ledwie wiązali koniec z końcem, aby przeżyć. Potem polecieli helikopterem należącym do lokalnej kopalni, również interesującej się tym regionem, którego badania magnetyczne sugerowały obecność rudy żelaza. Naukowcy odkryli, że wewnątrz lokalnego łupka zielonego znajdowało się wiele skał o kształtach poduszek, znanych jako bazaltowe lawy poduszkowe, które zostały uformowane przez lawę wulkaniczną, wylewającą się bezpośrednio do wody morskiej: tak zwane wulkany błotne. Badania tych skał wykazały, że mają one 3,7 miliarda lat. Znaleziska w sposób oczywisty pokazały, że na Ziemi istniały ciekłe, ciepłe oceany niedługo po jej powstaniu171, z wulkanami błotnymi (rysunek 9.2.) wydobywającymi się z kominów hydrotermalnych na dnie płytkiego morza.

Rysunek 9.1. Mapa Grenlandii ukazująca położenie Isua.

Jednak największe zaskoczenie przyszło wtedy, gdy Minik Rosing, badacz z Muzeum Geologicznego w Kopenhadze, zmierzył stosunek izotopów węgla w łupku zielonym z Isua. Skała zawierała około 0,4 procenta węgla i gdy odpowiednie stosunki dwóch izotopów, 13C i 12C, zostały zmierzone, odkryto, że ilość cięższego i rzadszego izotopu

13C była znacznie mniejsza, niż przypuszczano. Nieorganiczne źródła węgla, takie jak

atmosferyczny dwutlenek węgla, dają około 1 procenta zawartości 13C, ale fotosynteza faworyzuje wchłanianie lżejszego izotopu 12C do rośliny i biomasy drobnoustroju, tak więc niski poziom 13C jest wskazówką obecności materiału organicznego. Te rezultaty sugerowały, że w ciepłych wodach otaczających wulkany błotne w Isua 3,7 miliarda lat temu żyły organizmy i jak współczesne rośliny wychwytywały węgiel z dwutlenku węgla, zarówno z atmosfery, jak i rozpuszczonego w wodzie, i używały go do syntezy związków organicznych, z których zbudowane były ich komórki.

Rysunek 9.2. Współczesny wulkan błotny z Trynidadu. Czy pierwsze oznaki życia na Ziemi wybąbelkowały z podobnego wulkanu błotnego, którego ślady znajdują się w łupkach zielonych w Isua? Fotografia: Michael C. Rygel z Wikipedia Commons.

Teoria o pochodzeniu skał z Isua jest kontrowersyjna i wielu naukowców nie jest przekonanych, że niski poziom 13C w znalezionych tam skałach wskazuje na tak wczesną obecność organizmów żywych. Ta niewiara ma swe źródło w fakcie, że 3,8 miliarda lat temu Ziemia była poddana Wielkiemu Bombardowaniu, regularnym uderzeniom asteroid i komet z energiami wystarczającymi do odparowywania jakichkolwiek wód powierzchniowych i przypuszczalnie także sterylizacji oceanów.

Odkrycie skamienielin jakichkolwiek takich pradawnych organizmów zdolnych do fotosyntezy byłoby oczywiście rozstrzygającym argumentem, ale skały w Isua zostały poważnie zdeformowane przez miliony lat i każda z takich skamienielin prawdopodobnie byłaby nie do rozpoznania. Musimy dokonać przeskoku w przód o przynajmniej kilkaset milionów lat, aby znaleźć oczywisty dowód istnienia życia w formie rozpoznawalnych skamienielin pradawnych drobnoustrojów. Pomimo braku ostatecznych dowodów wielu wierzy, że dane izotopowe z Isua są najwcześniejszymi oznakami życia na Ziemi, a błotne wulkany w Isua, z ich ciepłymi alkalicznymi wodami wytryskującymi z kominów termalnych, byłyby idealnym środowiskiem, w jakim mogłoby wyłonić się życie. Były zapewne bogate w rozpuszczone nieorganiczne węglany, a podobne do węży ekstrudowane, bardzo porowate skały serpentynitu byłyby podziurawione miliardami maleńkich otworów, tworzących mikrośrodowisko zdolne do koncentrowania i stabilizowania maleńkich ilości związków organicznych. Być może życie rzeczywiście stało się najpierw zielone w błocie grenlandzkim. Pytanie tylko – jak?

Problem mazi Powszechnie uważa się, że trzy wielkie tajemnice naukowe to pochodzenie Wszechświata, pochodzenie życia i pochodzenie świadomości. Mechanika kwantowa jest silnie związana z pierwszą i omawialiśmy jej możliwy związek z trzecią. Jak wkrótce odkryjemy, może ona pomóc zrozumieć i drugą. Ale najpierw zbadajmy, czy niekwantowo można objaśnić pochodzenie życia. Naukowcy, filozofowie i teolodzy, którzy przez stulecia zastanawiali się nad pochodzeniem życia, wymyślili ogromną różnorodność teorii wyjaśniających to zagadnienie, poczynając od boskiego stworzenia do przeniesienia życia na Ziemię z kosmosu w tak zwanej teorii panspermii. Bardziej ścisłe naukowe podejście zostało zapoczątkowane w XIX wieku przez takich uczonych jak Karol Darwin, którzy sugerowali, że procesy chemiczne zachodzące w „jakiejś małej ciepłej sadzawce” mogły doprowadzić do powstania żywej materii. Formalną naukową teorię opartą na rozważaniach Darwina przedstawili na początku XX wieku oddzielnie i niezależnie Rosjanin Aleksander Oparin i Anglik J.B.S. Haldane. Teraz powszechnie znana jest jako hipoteza Oparina–Haldane’a. Obaj zasugerowali, że gdy atmosfera wczesnej Ziemi, bogata w wodór, metan i parę wodną, została poddana wyładowaniom elektrycznym, promieniowaniu Słońca albo ciepłu wulkanicznemu, to składniki te uległy połączeniu, tworząc mieszaninę prostych związków organicznych. Potem te związki zostały wchłonięte przez pierwotny ocean i stworzyły ciepłą, rozcieńczoną

zupę organiczną, która unosiła się w wodach przez miliony lat, być może nawet nad maziowymi wulkanami w Isua, aż losowe połączenie jej składników stworzyło w końcu nową cząsteczkę o niezwykłej zdolności do samopowielania. Haldane i Oparin uważali, że wyłonienie się tego pierwotnego replikatora było zdarzeniem kluczowym, które stało się źródłem życia, jakie znamy. Jego dalsze powodzenie nadal uzależnione było od darwinowskiego doboru naturalnego. Jako bardzo prosty byt replikator musiał dokonać wielu błędów albo mutacji w swym samopowielaniu. Te mutanty replikatora musiały zatem rywalizować z formami niezmutowanymi o materiał chemiczny, z jakiego można zbudować więcej replikatorów. Te, które były najbardziej skuteczne, pozostawiły po sobie największą ilość potomków i molekularny proces naturalnego doboru darwinowskiego musiał prowadzić chmarę replikatorów ku coraz większej sprawności i coraz większej złożoności. Replikatory, które schwytały dodatkowe molekuły, jak peptydy enzymatycznie katalizujące ich replikację, uzyskały przewagę i niektóre mogły stać się, jak żywe współczesne komórki, otoczone grubą błoną, która chroniła je od kaprysów zewnętrznego otoczenia. Gdy już zostały otoczone, wnętrze komórki mogło być już zdolne do dokonywania transformacji biochemicznych – metabolizmu – aby wytwarzać własne biomolekuły i zapobiegać ich wyciekaniu na zewnątrz. Wraz ze zdolnością utrzymywania i podtrzymywania swego stanu wewnętrznego i z zachowaniem odrębności od środowiska urodziła się pierwsza żywa komórka. Hipoteza Oparina–Haldane’a stworzyła naukową podstawę do zrozumienia tego, jak życie mogło powstać na Ziemi. Ale przez wiele lat teoria ta pozostawała niesprawdzona – aż do chwili, gdy zainteresowali się nią dwaj amerykańscy chemicy. Do lat pięćdziesiątych XX wieku Harold Urey był wyróżniającym się, ale kontrowersyjnym naukowcem. Został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1934 roku za odkrycie deuteru, izotopu wodoru, który, jak pamiętacie z rozdziału 3, użyty był do badań kinetycznego efektu izotopowego w enzymach, i dowiódł, że ich działanie opiera się na wykorzystaniu tunelowania kwantowego. Kompetencje Ureya w dziedzinie oczyszczania izotopów doprowadziły do zatrudnienia go w 1941 roku na stanowisku kierownika działu wzbogacania uranu, stanowiącego część projektu Manhattan, który miał za zadanie stworzenie bomby atomowej. Jednak Urey rozczarował się celami projektu i tajemnicy go otaczającej i próbował później odwieść prezydenta USA, Harry’ego S. Trumana, od użycia bomby w Japonii. Po Hiroshimie i Nagasaki Urey napisał artykuł Jestem człowiekiem przerażonym do cieszącego się popularnością magazynu „Collier”, w którym ostrzegał przed niebezpieczeństwem, jakie stanowi broń atomowa. Ze swego stanowiska na Uniwersytecie w Chicago aktywnie sprzeciwiał się „polowaniu na czarownice” lat pięćdziesiątych XX wieku, prowadzonemu przez komisję senacką McCarthy’ego; pisał też listy do Trumana w sprawie Juliusa i Ethel Rosenbergów, którzy byli sądzeni za szpiegostwo i w końcu

straceni za przekazanie Sowietom sekretów atomowych. Stanley Miller, inny chemik amerykański związany ze sprawdzaniem hipotezy Oparina–Haldane’a, dołączył do Uniwersytetu w Chicago w 1951 roku jako doktorant, pracujący początkowo nad problemem nukleosyntezy pierwiastków wewnątrz gwiazd, pod kierunkiem „ojca bomby wodorowej” Edwarda Tellera. Życie Millera odmieniło się, gdy w październiku 1951 roku wysłuchał wykładu o pochodzeniu życia, wygłoszonego przez Harolda Ureya, w którym Urey omawiał realność scenariusza Oparina–Haldane’a i sugerował, że ktoś powinien przeprowadzić odpowiednie eksperymenty. Zafascynowany tym tematem, Miller przeszedł od Tellera do laboratorium Ureya i starał się namówić go, aby został jego promotorem i zezwolił mu na przeprowadzenie eksperymentów. Urey początkowo sceptycznie odniósł się do tego; to mogłoby zająć miliardy lat, myślał, żeby reakcje organiczne wytworzyły dostateczną ilość molekuł organicznych, aby mogły zostać odkryte, podczas gdy Miller miał tylko trzy lata na zrobienie doktoratu! Niemniej Urey był przygotowany, aby udzielić mu miejsca i zasobów, jakich potrzebował, na sześć miesięcy do roku. W taki sposób gdyby eksperymenty prowadziły donikąd, Miller miał wystarczająco dużo czasu, aby przerzucić się na bardziej bezpieczne zagadnienie. W swej próbie powtórzenia warunków, w jakich powstało życie na wczesnej Ziemi, Miller symulował pierwotną atmosferę – po prostu kolbę z wodą, symulującą ocean, dopełnił gazami, które, jak sądził, mogły znajdować się w atmosferze, metanem, amoniakiem, wodorem i parą wodną. Potem symulował błyskawice wyładowaniami elektrycznymi w tej mieszaninie gazów. Ku zaskoczeniu Millera i ogólnemu zdziwieniu świata naukowego, odkrył zaledwie po tygodniu prowadzenia wyładowań w tej pierwotnej atmosferze, że kolba zawierała znaczącą ilość aminokwasów, budulca białek. Praca opisująca jego eksperyment została opublikowana w „Science” w 1953 roku172 ‒ z Millerem jako jedynym autorem; Harold Urey zachował się w bardzo nietypowy sposób, nalegał, aby całe uznanie za to odkrycie przypadło jego doktorantowi. Eksperyment Millera–Ureya – jak się go współcześnie nazywa pomimo gestu Ureya – okrzyknięto pierwszym krokiem ku kreacji życia w laboratorium i stał się kamieniem milowym w biologii. Chociaż nie powstały samoreplikujące się cząsteczki, powszechnie uważa się, że „pierwotna” zupa Millera aminokwasów spolimeryzowałaby się do peptydów i złożonych białek i w odpowiednio długim czasie oraz odpowiednio dużym oceanie dałaby w rezultacie replikatory Oparina– Haldane’a. Od lat pięćdziesiątych XX wieku eksperyment Millera–Ureya został powtórzony przez mnóstwo naukowców w wielu różnych wersjach, z użyciem innych związków chemicznych, gazów i źródeł energii, aby wytworzyć nie tylko aminokwasy, ale też cukry, a nawet małe ilości kwasów nukleinowych. A mimo to jesteśmy teraz, więcej

niż pół wieku później, bez stworzonej w laboratorium pierwotnej zupy tworzącej pierwotne replikatory Oparina–Haldane’a. Aby zrozumieć dlaczego, musimy przyjrzeć się bardziej szczegółowo eksperymentowi Millera. Pierwszym zagadnieniem jest złożoność chemicznej mieszaniny, którą stworzył Miller. Większość wyprodukowanego materiału organicznego była w formie złożonej smoły, tego rodzaju, który znany jest chemikom organikom, jeśli procedury ich złożonej syntezy organicznej nie są ściśle kontrolowane i w rezultacie powstaje wiele produktów ubocznych. Rzeczywiście, prosto wyprodukować podobną smołę w waszej kuchni, po prostu przypalając jedzenie: ta czarno-brunatna maź, którą tak trudno usunąć z dna garnka, jest dość podobna w składzie do smoły Millera. Wiadomo, że bardzo trudno otrzymać coś więcej z tej smolistej mazi. Chemicy mówią o czymś takim, że jest dalekie od „produktywności”, ponieważ jest tak złożone, że każdy specyficzny związek chemiczny, jak aminokwas, będzie dążył do reakcji z tak wieloma różnymi związkami, że zgubi się w lesie nieistotnych reakcji chemicznych. Miliony kucharzy i tysiące studentów chemii wytwarzają taką organiczną maź od stuleci z tym efektem, że okropnie trudno później to usunąć.

Od mazi do komórek Spróbujcie wyobrazić sobie tworzenie zupy pierwotnej poprzez wyskrobywanie całej mazi z dna wszystkich przypalonych garnków na całym świecie, a potem próbę rozpuszczenia tych bilionów złożonych cząsteczek organicznych w wodzie o objętości oceanu. A teraz dodajcie kilka grenlandzkich wulkanów błotnych, jako źródła energii, i być może kilka błyskawic, a potem mieszajcie. Jak długo musielibyście mieszać, zanim stworzycie życie? Milion lat? Sto milionów lat? A może sto miliardów lat? Nawet najprostsza forma życia jest, podobnie do tej chemicznej mazi, niezwykle złożona. Jednak w przeciwieństwie do mazi jest także wysoko zorganizowana. Problem z użyciem mazi jako punktu wyjścia do stworzenia zorganizowanej formy życia jest taki, że losowe siły termodynamiczne występujące w pierwotnej Ziemi – ruch podobnych do bil molekuł, omawiany w rozdziale 2 – dążą do zniszczenia porządku, a nie do jego stworzenia. Wrzucacie kurczę do garnka, podgrzewacie, mieszacie i robicie rosół. Jednak nikt jak dotąd nie stworzył kurczaka, wlewając rosół do garnka. Oczywiście, życie nie rozpoczęło się od kurczaka (albo jajka). Najbardziej prostym samoreplikującym się organizmem obecnie jest bakteria, która jest znacznie prostsza niż jakikolwiek ptak173. Najprostszą bakterią jest mykoplazma (bakteria będąca przedmiotem eksperymentu z życiem syntetycznym Craiga Ventera), ale nawet te stworzenia są niezwykle złożonymi formami życia. W ich genomie zakodowanych jest

niemal pięćset genów, które wytwarzają podobną ilość bardzo złożonych białek, które jak enzymy tworzą lipidy, cukry, DNA, RNA, błony komórkowe, ich chromosomy i tysiąc innych struktur, z których każda jest bardziej skomplikowana niż silnik waszego samochodu. I w rzeczywistości mykoplazma jest trochę bakteryjnym słabeuszem, ponieważ aby przeżyć, potrzebuje wiele biomolekuł od swego gospodarza, jest pasożytem, który nie przeżyłby w żadnej realnej pierwotnej zupie. Bardziej prawdopodobnymi kandydatami byłyby inne organizmy jednokomórkowe, zwane sinicami, zdolne do fotosyntezy wszystkich ich związków biochemicznych. Jeśli byłyby obecne na wczesnym etapie istnienia Ziemi, sinice byłyby potencjalnym źródłem tego niskiego poziomu 13C odkrytego w skałach Isua na Grenlandii. Ale ta bakteria jest bardziej złożona niż mykoplazma i jej genom ma zakodowanych dwa tysiące genów. Jak długo należałoby mieszać pierwotną zupę, aby stworzyć sinice? Brytyjski astronom, który stworzył termin Wielki Wybuch, sir Fred Hoyle, interesował się pochodzeniem życia przez cały okres swego własnego. Jak kiedyś stwierdził, prawdopodobieństwo, by w wyniku losowego procesu chemicznego powstało życie, jest podobne do tego, jakie miałoby tornado szalejące na podwórku na przypadkowe sklecenie jumbo jeta. Myśl zawarta w jego tak obrazowej uwadze jest taka, że życie komórkowe, takie, jakie obecnie znamy, jest zbyt złożone, ma zbyt skomplikowaną organizację, aby mogło powstać w sposób przypadkowy; musiało być poprzedzone prostszymi samoreplikatorami.

Świat RNA A więc czym były te proste samoreplikatory? I jak działały? Ponieważ nie przeżyły do dzisiaj – być może dlatego, że uległy wytępieniu, konkurując ze swym bardziej skutecznym potomstwem – ich natura jest głównie hipotetyczna. Jednym z podejść do tego problemu jest ekstrapolacja wstecz od najprostszych form żyjących obecnie, aby wyobrazić sobie prostego samoreplikatora, rodzaj ogołoconej bakterii, która mogłaby być miliardy lat temu prekursorem całego życia na Ziemi. Problem polega na tym, że nie da się wyizolować prostszego samoreplikatora z żywej komórki, ponieważ żaden z jej składników nie jest zdolny do samodzielnego powielania się. DNA genów nie powielają się same, to zadanie enzymu polimerazy DNA. Z kolei te enzymy nie powielają samych siebie, bo najpierw muszą zostać zakodowane wewnątrz nici DNA i RNA. RNA będzie grać istotną rolę w tym rozdziale, a więc przypomnijmy, co to jest i jaka jest jego rola. RNA jest prostszym kuzynem DNA i występuje jako pojedyncza helisa, w odróżnieniu od podwójnej helisy DNA. Pomimo tej różnicy RNA ma mniej więcej

taką samą zdolność kodowania informacji genetycznej jak jego bardziej znany kuzyn – tyle że nie posiada komplementarnej kopii tej informacji. I, jak DNA, jego informacja genetyczna jest zapisana za pomocą czterech różnych liter genetycznych, a więc geny mogą być zakodowane w RNA tak jak w DNA. Faktycznie, wiele wirusów, jak wirus grypy, posiada raczej genom RNA niż DNA. Ale w żywych komórkach, na przykład bakterii, zwierzęcia lub rośliny, RNA odgrywa rolę odrębną niż DNA: informacja genetyczna zapisana w DNA jest najpierw skopiowana do RNA w procesie czytania genu, o którym mówiliśmy w rozdziale 7. A ponieważ krótsze nitki RNA mogą swobodniej przemieszczać się w komórce, w odróżnieniu od względnie cięższych i nieruchliwych chromosomów DNA, mogą one nieść przekaz genetyczny genów z chromosomu do maszynerii syntetyzującej białka. Tutaj sekwencja RNA jest odczytywana i tłumaczona na sekwencję aminokwasów, które wejdą w skład białka, takiego jak enzym. A więc, przynajmniej we współczesnych komórkach, RNA jest kluczowym pośrednikiem pomiędzy kodem genetycznym zapisanym w DNA i białkami, które będą budulcem dla wszystkich innych składników naszych komórek. Powracając zatem do zagadnienia pochodzenia życia, chociaż pojedyncza komórka jest jako całość samoreplikującym się tworem, indywidualnie jej składniki już nie są, podobnie jak kobieta jest samoreplikatorem (z małą „pomocą”), ale jej serce albo wątroba już nie. To stwarza problem, gdy staramy się ekstrapolować wstecz od dzisiejszego złożonego życia komórkowego do jego znacznie prostszych, niekomórkowych przodków. Ujmując rzecz inaczej – co powstało pierwsze: DNA genu, RNA czy enzym? Jeśli DNA albo RNA powstało wcześniej, to co je wytworzyło? Jeśli enzym powstał pierwszy, to jak został zakodowany? Jedno z możliwych rozwiązań znalazł amerykański biochemik Thomas Cech, który odkrył w 1982 roku, że oprócz kodowania informacji genetycznej niektóre cząsteczki RNA mogą przejąć od enzymów katalizę reakcji (odkrycie, za które otrzymał w 1989 roku Nagrodę Nobla wspólnie z Sidneyem Altmanem). Pierwsze rybozymy, tak się one nazywają, zostały odkryte w genach maleńkiego jednokomórkowego organizmu zwanego Tetrahymeną, który jest typem pierwotniaka występującym w jeziorach słodkowodnych; ale odkryto, że rybozymy grają rolę we wszystkich żywych komórkach. To odkrycie skwapliwie wykorzystano jako możliwe wyjście z impasu kura–jajko w zagadce życia. Hipoteza świata RNA, tak ją nazwano, zakłada, że pierwotna synteza chemiczna doprowadziła do powstania cząsteczki RNA, która mogła działać jak enzym i gen – i stąd mogła obu zakodować ich struktury (podobnie jak DNA) oraz zrobić kopie samej siebie (jak enzym) ze związków biochemicznych dostępnych w zupie pierwotnej. Ten proces kopiowania przebiegałby raczej na oślep, co prowadziłoby do powstawania wielu zmutowanych wersji, które rywalizowałyby między sobą w molekularny sposób darwinowski, wcześniej zakładany. W miarę upływu czasu te replikatory RNA zatrudnią białka do usprawnienia swego procesu

replikacji, co prowadzić będzie do DNA i w końcu do pierwszej żywej komórki. Pomysł, że świat samoreplikujących się molekuł RNA poprzedzał wyłonienie się DNA i komórek, jest obecnie prawie dogmatem w badaniach nad pochodzeniem życia. Pokazano, że rybozymy są zdolne do wykonania wszystkich kluczowych reakcji oczekiwanych po samoreplikującej się molekule. Na przykład jedna z klas rybozymów może połączyć razem dwie molekuły RNA, podczas gdy inna klasa może je rozerwać. A jeszcze inna forma rybozymu może skopiować krótkie łańcuchy zasad RNA (o długości tylko garstki zasad). Na podstawie tych prostych czynności możemy wyobrazić sobie bardziej złożony rybozom, zdolny do katalizy pełnego zbioru reakcji niezbędnych do samoreplikacji. Gdy już dojdzie do samoreplikacji, to także dojdzie do naturalnego doboru; a więc świat RNA znajdzie się na ścieżce współzawodnictwa, która w końcu doprowadzi, czego się dowodzi, do pojawienia się pierwszych żywych komórek. Są jednak problemy z tym scenariuszem. Chociaż proste reakcje biochemiczne mogą być katalizowane przez rybozymy, samoreplikacja rybozymów jest znacznie bardziej skomplikowanym procesem, w którym musi dojść do rozpoznania przez rybozym sekwencji jego własnych zasad, identyfikacji identycznych związków chemicznych w środowisku rybozymu i syntezy tych związków w odpowiedniej kolejności, aby stworzyć replikę samego siebie. To trudne zadanie, nawet dla białek mających luksus życia wewnątrz komórek wypełnionych po brzegi odpowiednimi związkami chemicznymi, a więc jeszcze trudniej zrozumieć, jak rybozymy walczące o przetrwanie w mazi pierwotnej zupy mogłyby dokonać tego wyczynu. Do dzisiaj nikt nie odkrył ani nie stworzył rybozymu, który mógłby podjąć się tak złożonego zadania, nawet w laboratorium. Jest także bardziej podstawowy problem: jak stworzyć same molekuły RNA w pierwotnej zupie. Molekuła złożona jest z trzech części: zasad RNA, które kodują jej informację genetyczną (tak jak zasady DNA kodują informację w DNA), grupy fosforowej i cukrowej, zwanej rybozą. Chociaż osiągnięto pewne postępy w opracowywaniu odpowiednich reakcji chemicznych, które mogłyby doprowadzić do powstania zasad RNA i grup fosforowych w zupie pierwotnej, najbardziej wiarygodne reakcje dające rybozę dają także całe mnóstwo innych cukrów. Nie jest znany żaden niebiologiczny mechanizm powstawania samej rybozy. A nawet gdyby można było wytworzyć cukier rybozę, to poprawna synteza wszystkich trzech składników jest zadaniem ogromnie trudnym. Gdy odpowiednie formy trzech składników RNA wziąć razem, mogą one połączyć się w sposób przypadkowy, tworząc nieuniknioną pierwotną maź. Chemicy unikają takiego problemu, używając zasad o specjalnej postaci, których grupy chemiczne są tak zmodyfikowane, aby uniknąć tych niechcianych reakcji ubocznych – ale to oszustwo, w każdym razie w pierwotnych warunkach nawet jest jeszcze mniejsze prawdopodobieństwo powstania tych „aktywowanych” zasad niż

oryginalnych zasad RNA. Jednak chemicy mogą dokonać syntezy zasad RNA z prostszych związków chemicznych poprzez serię bardzo złożonych i starannie kontrolowanych reakcji, w których każdy z poszukiwanych produktów w jednej reakcji jest oczyszczany, zanim weźmie udział w następnej reakcji. Szkocki chemik Graham Cairns-Smith oszacował, że wymagane byłoby 140 niezbędnych kroków do syntezy zasady RNA z prostych organicznych związków, które z dużym prawdopodobieństwem nie występowały w pierwotnej zupie174. Na każdym etapie tego łańcucha występuje około sześciu reakcji, których należałoby unikać. To umożliwia wyobrażenie sobie takiej syntezy jak rzut kośćmi, gdzie każda z molekuł byłaby kością, na której numer sześć oznaczałby prawidłowy produkt, a każda inna liczba produkt niepożądany. A więc szansa, że początkowa molekuła przekształci się w końcu w zasadę RNA, jest równoważna szansie wyrzucenia szóstki 140 razy pod rząd. Oczywiście chemicy zwiększają te szanse, starannie kontrolując każdy etap, ale świat prebiotyczny był światem zjawisk przypadkowych. Może to Słońce pojawiło się w odpowiednim czasie, by wyparowała mała sadzawka ze związkami chemicznymi, otaczająca wulkan błotny? Albo nastąpiła erupcja wulkanu błotnego, dodając wody i trochę siarki, aby stworzyć inny zestaw związków? A może burza z piorunami wymieszała wszystko i przyspieszyła kilka zmian za pomocą energii elektrycznej? Pytania można mnożyć i mnożyć, ale dość łatwo oszacować prawdopodobieństwo, że przypadkowo każdy z tych niezbędnych 140 kroków dał ten, jeden z sześciu, prawidłowy produkt: wynosi ono jak jeden do 6140 (około 10109). Aby statystycznie mieć szansę utworzenia RNA dzięki procesowi czysto losowemu, potrzebna by była obecność przynajmniej tych 10109 molekuł w pierwotnej zupie. Ale 10109 to nawet więcej niż szacowana liczba cząstek elementarnych w widzialnej części Wszechświata (około 1080). Na Ziemi po prostu nie ma tylu molekuł albo wystarczająco długiego czasu, aby wytworzyć znaczące ilości RNA w czasie tych milionów lat pomiędzy jej uformowaniem się i wyłonieniem życia w okresie wskazywanym przez skały w Isua. Niemniej wyobraźmy sobie, że synteza znaczących ilości RNA zaszła dzięki jakiemuś dotąd nieodkrytemu procesowi chemicznemu. Musimy teraz uporać się z tym zniechęcającym problemem ułożenia czterech różnych zasad RNA (ekwiwalent tych czterech liter kodu DNA, A, G, C i T) razem w odpowiedniej prawidłowej sekwencji, aby rybozym stał się zdolny do samoreplikacji. Większość rybozymów to nici RNA długie przynajmniej na sto zasad. W każdej pozycji nici musi być obecna jedna z czterech zasad, a więc jest 4100 (albo 1060) różnych sposobów ułożenia zasad ze sobą w formie nici długiej na 100 zasad. Jak duża jest szansa, że losowa mieszanina zasad RNA wytworzy prawidłową sekwencję wzdłuż długości nici, aby powstał samoreplikujący się rybozym?

Skoro już bawimy się tak dużymi liczbami, możemy to obliczyć. Okazuje się, że tych 4100 pojedynczych nici RNA długich na 100 zasad miałoby masę 1050 kilogramów. A więc tyle potrzebowalibyśmy, aby mieć dużą szansę na otrzymanie jednej nici z prawidłowym ułożeniem zasad, które pozwalałoby na samoreplikację. Jednak całkowita masa galaktyki Drogi Mlecznej oszacowana jest na około 1042 kilogramów. W sposób oczywisty nie można polegać tylko na przypadku. Oczywiście może być więcej ułożeń zasad niż jedna wśród tych 4100 możliwych dla nici RNA długiej na 100 zasad, które prowadziłyby do pojawienia się samoreplikacji. Może być ich znacznie więcej. Mogą być nawet miliardy replikatorów utworzonych z nici RNA długich na 100 zasad. Może samoreplikująca się nić RNA jest faktycznie całkiem powszechna i potrzebujemy miliona molekuł, aby mieć szansę na uformowanie samoreplikatora. Problem z tym argumentem jest tego rodzaju, że jest to tylko argument. Pomimo wielu prób nikt dotąd nie stworzył pojedynczej samoreplikującej się molekuły RNA (albo DNA, albo białka) ani nie zaobserwował takiej w naturze. To nie jest zaskakujące, gdy weźmie się pod uwagę, jakim wyzwaniem jest samoreplikacja. W obecnym świecie cała żywa komórka dokonuje tego wyczynu. Czy możliwe to było w przypadku znacznie prostszych układów miliardy lat temu? Oczywiście, że tak, w przeciwnym razie nie byłoby tu nas, rozważających obecnie ten problem. Ale brak nam wiedzy, jak do tego doszło, zanim komórki wyewoluowały. Biorąc pod uwagę trudności w identyfikacji biologicznej samoreplikatorów, moglibyśmy uzyskać pewien wgląd w zagadnienie, zadając bardziej ogólne pytanie: jak łatwa jest samoreplikacja w każdym układzie? Współczesna technologia dostarcza nam wiele maszyn, które coś potrafią replikować, od fotokopiarek do komputerów i drukarek 3D. Czy każda z tych maszyn może zrobić swoją własną kopię? Być może najbliżej tego zadania sytuuje się drukarka 3D, taka jak jedna z drukarek RepRap (skrót od Replicating Rapid prototyper), które są dziełem Adriana Bowyera z Uniwersytetu w Bath. Maszyny te mogą drukować swe własne komponenty, które potem można złożyć, aby stworzyć inną drukarkę RepRap. No cóż, nie całkiem tak jest. Maszyna drukuje wyłącznie w plastiku, ale jej własna rama wykonana jest z metalu, tak jak większość elektrycznych komponentów. A więc replikować może tylko części plastikowe; a one i tak muszą być ręcznie składane z dodatkiem innych części, aby otrzymać nową drukarkę. Wizją konstruktorów jest stworzenie samoreplikującej się drukarki 3D serii RepRap (jest kilka alternatywnych konstrukcji) dostępnej dla każdego. Ale w czasie pisania tej książki jesteśmy daleko od zbudowania prawdziwie samoreplikującej się maszyny. A więc jeśli poszukiwanie maszyn samoreplikujących się nie pomaga w naszym poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie, jak łatwo albo trudno dokonywać samoreplikacji, czy możemy porzucić świat materialny i szukać odpowiedzi w komputerze, gdzie te trudne do syntezy związki chemiczne można zastąpić prostymi

jednostkami świata cyfrowego, konkretnie bitami, które mogą przybierać dwie wartości: 1 albo 0? Bajt danych, składający się z ośmiu bitów, reprezentuje pojedynczy znak w tekście w kodzie komputerowym i z grubsza może być porównany do jednostki kodu genetycznego: zasady RNA lub DNA. Teraz możemy zapytać: jak powszechne są wśród możliwych ciągów bajtów informacji te, które mogą replikować się w komputerze? Tutaj mamy ogromną przewagę, ponieważ samoreplikujące się bajty są całkiem powszechne: znamy je pod nazwą wirusów komputerowych. Są to względnie krótkie programy komputerowe, które infekują komputery, zmuszając ich jednostki centralne CPU do wykonywania ogromnie wielkiej ilości kopii. Te wirusy komputerowe potem wskakują do naszych e-maili, aby infekować komputery naszych przyjaciół i kolegów. A więc jeśli będziemy traktować pamięć komputera jak pewien rodzaj pierwotnej zupy, to wirusy komputerowe mogą być uważane za ekwiwalent cyfrowy pierwotnych samoreplikatorów. Jednym z najprostszych wirusów komputerowych, Tinba, ma tylko 20 kilobajtów długości: bardzo niewiele w porównaniu z większością programów komputerowych. A jednak Tinba skutecznie zaatakował komputery dużego banku w 2012 roku, infekując przeglądarki i kradnąc dane logowania jego klientów, a więc był to doskonały samoreplikator. Dwadzieścia kilobajtów to może niewiele jak na program komputerowy, niemniej obejmuje względnie długi ciąg informacji cyfrowej, ponieważ odpowiada 160 000 bitom informacji. A ponieważ każdy bit może być w dwóch stanach (0 albo 1), łatwo możemy obliczyć prawdopodobieństwo losowej generacji poszczególnych ciągów liczb binarnych. Na przykład szansa wygenerowania konkretnego trójbitowego ciągu, powiedzmy, 111 to 1/2 x 1/2 x 1/2 albo jedna szansa na 23. Posługując się tą samą logiką, wynika, że otrzymanie losowo konkretnego ciągu o długości 160 000 bitów, długości, jaką miał Tinba, to jedna szansa na 2120 000. To przerastająca wyobrażenie liczba mówiąca nam, że Tinba nie mógł powstać tylko przez przypadek. Być może jest bardzo wiele, jak domyślaliśmy się w przypadku molekuł RNA, samoreplikujących się kodów, które są znacznie prostsze niż Tinba i które mogły powstać przypadkowo. Ale gdyby tak było, to wirus komputerowy zapewne już by się zrodził spontanicznie z ogromnych zasobów Internetu, sięgających tryliony gigabajtów kodów przepływających w każdej sekundzie. Większość tych kodów to przecież nic innego jak ciągi zer i jedynek (pomyślmy o tych wszystkich obrazach i filmach ściąganych co sekundę). Te kody potencjalnie mogą zawierać instrukcje dla naszych CPU, rozkazujące wykonywanie podstawowych operacji, takich jak kopiowanie albo kasowanie, a jednak wszystkie wirusy, jakie dotąd zaatakowały komputery, posiadają niewątpliwą sygnaturę stworzenia przez człowieka. O ile nam wiadomo, ogromny strumień informacji cyfrowej, który każdego dnia przepływa przez świat, nigdy dotąd

spontanicznie nie wygenerował wirusa komputerowego. Samoreplikacja jest trudna nawet w środowisku sprzyjającym replikacji, jakim jest komputer, i o ile nam wiadomo, nigdy nie zaszła spontanicznie.

Czy mechanika kwantowa może pomóc? Ta wycieczka w świat cyfrowy odsłoniła istotny problem poszukiwania pochodzenia życia, który sprowadza się do natury wyszukiwarki używanej do gromadzenia w poprawnej konfiguracji niezbędnych składników do utworzenia samoreplikatora. Obojętnie, jakie związki chemiczne były dostępne w pierwotnej zupie, to istniało ogromnie wiele możliwości, z czego niewiele prowadziło do powstania niezmiernie rzadkiego samoreplikatora. Czy nasz problem jest tego rodzaju, że ograniczamy się do algorytmu wyszukiwania opartego na zasadach świata klasycznego? Może pamiętacie z rozdziału 4, że teoretycy kwantowi z MIT byli początkowo bardzo sceptycznie nastawieni do artykułu z „New York Timesa”, informującego, że rośliny i drobnoustroje posługują się kwantowym algorytmem wyszukiwania. Ale w końcu zmienili zdanie co do idei, że układy fotosyntetyzujące istotnie wdrażają kwantową strategię wyszukiwania, zwaną kwantowym błądzeniem. Kilku badaczy, w tym i my175, badało ideę, że powstaniu życia mógłby podobnie towarzyszyć pewnego rodzaju scenariusze kwantowego wyszukiwania. Wyobraźmy sobie pierwotną sadzawkę wewnątrz poru skały serpentynitu, która wydobyła się z wulkanu błotnego leżącego na dnie pradawnego morza w Isua, trzy i pół miliarda lat temu, gdy formowały się warstwy grenlandzkiego gnejsu. Tu właśnie jest darwinowska „mała ciepła sadzawka z obecnym tam amoniakiem, solami fosforu, światłem, ciepłem i elektrycznością etc.”, w której „nastąpiło utworzenie białka gotowego do dalszych jeszcze bardziej skomplikowanych zmian (…)”. A teraz dalej wyobraźmy sobie, że jedna „cząsteczka białka” (może równie dobrze być to molekuła RNA), sformowana w tego rodzaju chemicznym procesie, który odkrył Stanley Miller, jest swego rodzaju protoenzymem (albo rybozymem), który posiada aktywność enzymu, ale nie jest jeszcze samoreplikującą się molekułą. Dalej wyobraźmy sobie, że pewne cząstki w tym enzymie mogą przemieszczać się w inne pozycje, ale zabrania im tego klasyczna bariera energetyczna. Jednak zarówno elektrony, jak i protony, jak omawialiśmy w rozdziale 3, są zdolne do kwantowego tunelowania przez bariery energetyczne, które uniemożliwiają im klasyczny transfer, co jest własnością kluczową dla działania enzymu. Na skutek tego elektron albo proton istnieją po obu stronach bariery jednocześnie. Jeśli wyobrazimy sobie, że dzieje się to w naszych protoenzymach, to możemy oczekiwać różnych konfiguracji – znalezienia cząstki po

obu stronach bariery energetycznej – związanych z różnym działaniem enzymów, to znaczy zdolności do przyspieszania różnego typu reakcji chemicznych, być może i takich, które go samoreplikują. Aby łatwiej zrozumieć liczby, z którymi będziemy mieć do czynienia, wyobraźmy sobie, że istnieją 64 protony i elektrony w obrębie naszego wyimaginowanego protoenzymu, które są zdolne do kwantowego tunelowania w każde z dwóch różnych położeń. Całkowita ilość różnych struktur dostępnych naszemu protoenzymowi jest wciąż ogromna: 264 – straszna liczba możliwych konfiguracji. A teraz wyobraźmy sobie, że tylko jedna z tych konfiguracji doprowadza do samoreplikującego się enzymu. Pytanie jest tego rodzaju: jak łatwo znaleźć konkretną konfigurację, która prowadzi do wyłonienia się życia? Czy samoreplikator kiedykolwiek powstanie w naszym ciepłym małym bajorku? Rozważmy najpierw protoenzym jako całkowicie klasyczną molekułę niezdolną do uprawiania trików kwantowych, takich jak superpozycja albo tunelowanie. Molekuła musi być, w każdym określonym momencie, w jednej z możliwych 264 różnych konfiguracji, a prawdopodobieństwo, że ten protoenzym będzie samoreplikatorem, wynosi jeden do 264 – co w istocie jest zupełnie znikomą szansą. Prawie z całą pewnością klasyczny protoenzym utknie w jednej z konfiguracji, która nie będzie prowadzić do samoreplikacji. Oczywiście molekuły ulegają zmianom w rezultacie ogólnego termodynamicznego zużycia, ale w świecie klasycznym takie zmiany są względnie powolne. Aby jedna molekuła zmieniła się, oryginalne uporządkowanie musi być zlikwidowane, a stanowiące go cząstki przestawione do nowych położeń, aby stworzyć inną molekularną konfigurację. Jak odkryliśmy w rozdziale 3 o długowiecznym kolagenie dinozaura, zmiany chemiczne mogą czasami trwać w geologicznej skali czasowej. Zatem na gruncie klasycznym naszemu protoenzymowi bardzo wiele czasu zajmie zbadanie jedynie maleńkiej części z tych 264 chemicznych konfiguracji. Jednak sytuacja jest radykalnie odmienna, jeśli rozważymy 64 kluczowe cząstki z protoenzymu jako elektrony i protony zdolne do tunelowania pomiędzy alternatywnymi położeniami. Będąc układem kwantowym, protoenzym może istnieć we wszystkich możliwych stanach jednocześnie jako kwantowej superpozycji. Powód naszego wyboru liczby 64 staje się bardziej jasny; to ta sama liczba, której używaliśmy w rozdziale 8, gdy chodziło o pomyłkę chińskiego cesarza w sprawie szachownicy, co miało ilustrować potęgę kwantowego komputera z tunelowaniem cząstek odgrywających rolę pól szachownicy albo kubitów. Nasz protosamoreplikator mógłby, jeśli przeżyje dostatecznie długi okres, działać jak 64-kubitowy komputer kwantowy, a już odkryliśmy, jak potężna może być taka maszyna. Może on posłużyć się swymi ogromnymi zasobami obliczeniowymi, aby wyliczyć odpowiedź na pytanie: jaka jest

poprawna konfiguracja samoreplikatora? W tej postaci problem i jego potencjalne rozwiązanie stają się jaśniejsze. Załóżmy, że protoenzym jest w takim stanie kwantowej superpozycji, a problem wyszukiwania jednej z 264 struktur samoreplikatora jest rozwiązywalny. Jest jednak szkopuł. Pamiętacie, że kubity muszą pozostawać w stanie koherentnym i splątanym, aby można było na nich przeprowadzać kwantowe obliczenia. Gdy tylko zacznie się dekoherencja, superpozycja 264 różnych stanów redukuje się do jednego ze stanów. Czy to pomaga? Na pierwszy rzut oka nie, ponieważ szansa redukcji kwantowej superpozycji do pojedynczego stanu samoreplikacji jest nadal taka sama jak przedtem, maluteńka: jedna na 264, taka sama jak szansa wyrzucenia orła 64 razy pod rząd. Ale to, co następnie się dzieje, ukazuje, jak opis kwantowy różni się od klasycznego. Jeśli układ utraci stan kwantowy, co z pewnością zajdzie, i zredukuje się do złej konfiguracji, uniemożliwiającej samoreplikację, to utworzenie innej konfiguracji będzie wymagać rozerwania wiązań molekularnych i wytworzenia nowych, co może wymagać czasu w skali geologicznej. Ale po dekoherencji każdy z 64 elektronów i protonów naszego protoenzymu będzie prawie natychmiast gotów znów tunelować do superpozycji obu możliwych położeń i odzyskać początkową superpozycję 264 różnych konfiguracji. W tym 64-kubitowym stanie kwantowy protoreplikator mógłby nieustannie w świecie kwantowym powtarzać wyszukiwanie konfiguracji odpowiadającej samoreplikacji. Dekoherencja w sposób nagły zredukuje superpozycję jeszcze raz, ale tym razem molekuła znajdzie się w innej spośród różnych 264 klasycznych konfiguracji. Powtórnie dekoherencja zredukuje superpozycję i jeszcze raz układ znajdzie się w innej konfiguracji, a proces ten może zachodzić bez końca. Co istotne, w tym względnie chronionym środowisku tworzenie i niszczenie kwantowego stanu superpozycji jest procesem odwracalnym, kwantowa moneta jest nieustannie rzucana przez procesy superpozycji i dekoherencji, procesy znacznie szybsze niż klasyczne tworzenie i niszczenie wiązań chemicznych. Ale jest takie zdarzenie, które kończy rzuty kwantową monetą. Jeśli kwantowy protoreplikator w końcu zredukuje się do stanu samoreplikacji, zacznie się replikować i tak jak w przypadku głodującej bakterii E. coli, o której mówiliśmy w rozdziale 7, replikacja zmusi układ do dokonania nieodwracalnego przejścia do świata klasycznego. Kwantowa moneta zostanie nieodwracalnie rzucona, a pierwszy samoreplikator narodzi się w świecie klasycznym. Oczywiście ta replikacja będzie wymagać pewnych biochemicznych procesów zachodzących wewnątrz molekuły, albo pomiędzy nią i jej otoczeniem, które będą zupełnie inne niż te, które zachodziły, zanim została znaleziona odpowiednia konfiguracja. Innymi słowy, powinien istnieć jakiś

mechanizm, który zakotwiczy tę specjalną konfigurację w świecie klasycznym, zanim zostanie utracona, a molekuła przejdzie następny raz w stan kwantowej superpozycji.

Jak wyglądał pierwszy samoreplikator? Propozycja, którą opisaliśmy wyżej, oczywiście ma spekulatywny charakter. Poszukiwanie pierwszego samoreplikatora nastąpiło raczej w świecie kwantowym niż klasycznym, ale przynajmniej potencjalnie rozwiązuje nasz problem. Aby ten scenariusz mógł zachodzić, pierwotna biomolekuła – protosamoreplikator – musi być zdolna do zbadania wielu różnych struktur poprzez kwantowe tunelowanie jej cząstek do różnych położeń. Czy wiemy, jaki rodzaj molekuł jest zdolnych do wykonywania takich trików? W pewnym stopniu tak. Jak już odkryliśmy, elektrony i protony w enzymie są dość swobodnie utrzymywane, co umożliwia im bez trudności tunelowanie do różnych położeń. Protony w DNA i RNA są także zdolne do tunelowania, przynajmniej wzdłuż wiązania wodorowego. A więc moglibyśmy wyobrazić sobie nasz pierwotny samoreplikator jako coś podobnego do molekuły białka albo RNA, które są luźno utrzymywane wiązaniami wodorowymi i słabymi wiązaniami elektronowymi, które pozwalają cząstkom – zarówno elektronom, jak i protonom – na swobodne poruszanie się w strukturze, aby utworzyć superpozycję bilionów różnych konfiguracji. Czy są jakieś dowody takiego scenariusza? Apoorva D. Patel, fizyk w Centre for High Energy Physics w Indian Institute of Science w Bangalore, jest jednym z ekspertów w dziedzinie kwantowych algorytmów – oprogramowania komputerów kwantowych – o światowej renomie. Apoorva sugeruje, że wygląd kodu genetycznego (sekwencje zasad DNA, które kodują aminokwasy) ujawnia jego kwantową naturę176. Nie miejsce tutaj, aby zgłębiać detale matematyczne (bo musielibyśmy zagłębić się w matematyczną naturę kwantowej informacji), ale jego idea nie powinna zbytnio zaskakiwać. W rozdziale 4 widzieliśmy, jak w fotosyntezie energia protonu jest przekazywana do centrum reakcji po wielu trajektoriach jednocześnie (kwantowe błądzenie przypadkowe). Potem, w rozdziale 8, omawialiśmy ideę kwantowych obliczeń i pytaliśmy, czy życie mogło posłużyć się kwantowym algorytmem, aby wzmocnić wydajność pewnych procesów biologicznych. Podobnie scenariusze pojawienia się życia, które wykorzystują mechanikę kwantową, choć spekulatywne, są niczym więcej niż rozszerzeniem tych idei; istnieje możliwość, że kwantowa koherencja w biologii odegrała rolę w powstaniu życia, tak jak obecnie odgrywa ją w żywych komórkach. Oczywiście każdy scenariusz powstania życia trzy miliardy lat temu uwzględniający

mechanikę kwantową jest bardzo spekulatywny. Ale, jak już wspominaliśmy, nawet klasyczne objaśnienia pochodzenia życia rodzą problemy; niełatwo stworzyć życie, wychodząc od samych podstaw! Zapewniając bardziej wydajne strategie wyszukiwania, mechanika kwantowa może uczynić proces tworzenia samoreplikatora trochę łatwiejszym. Prawie na pewno nie jest to cała opowieść, ale istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że to mechanika kwantowa mogła spowodować wyłonienie się życia w tych pradawnych grenlandzkich skałach. 171 Uważa się, że Ziemia skondensowała się z pozostałości słonecznych około 4,5 miliarda lat temu, ale twarda jej pokrywa powstała około półtora miliarda lat temu. 172 S.L. Miller, A production of amino acids under possible primitive earth conditions, „Science”, vol. 117: 3046 (1953), s. 528–529. 173 Wirusy są wykluczone, ponieważ mogą się replikować tylko przy pomocy żywej komórki. 174 G. Cairns-Smith, Seven Clues to the Origin of Life: A Scientific Detective Story, Cambridge University Press, Cambridge 1985; nowe wydanie 1990. 175 McFadden, Quantum Evolution; J. McFadden, J. Al-Khalili, Quantum coherence and the search for the first replicator, [w:] D. Abbott, P.C. Davies, A.K. Patki, red., Quantum Aspects of Life, Imperial College Press, London 2008. 176 A. Patel, Quantum algorithms and the genetic code, „Pramana Journal of Physics”, vol. 56 (2001), s. 367–381, dostęp na: http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002037.pdf.

10

Biologia kwantowa: życie na skraju sztormu „Dziwna” – to najczęstszy epitet, jakim określa się mechanikę kwantową. Istotnie, jest ona dziwna. Teoria, która pozwala obiektom na przechodzenie przez niemożliwe do pokonania bariery, bycie w dwóch miejscach jednocześnie albo posiadanie „upiornych połączeń”, nie może być określana mianem zwykłej. Ale jej matematyczne ramy są w istocie absolutnie logiczne, spójne i wiernie opisują działanie świata na poziomie cząstek i sił podstawowych. Mechanika kwantowa jest zatem podstawą fizycznej rzeczywistości. Dyskretne poziomy energii, dualizm falowo-cząstkowy, koherencja, splątanie i tunelowanie nie są tylko interesującymi ideami, którymi zajmują się oderwani od realnego świata naukowcy pracujący w laboratoriach fizycznych. Te idee są tak realne i tak normalne jak babcina szarlotka i w istocie opisują także to, co dzieje się wewnątrz babcinej szarlotki. Mechanika kwantowa jest normalna. To tylko świat, który ona opisuje, jest dziwny. Jednak, jak już się dowiedzieliśmy, większość kontrintuicyjnych właściwości materii na poziomie kwantowym zostaje, dzięki procesowi zwanemu dekoherencją, zniesiona w turbulentnym termodynamicznym wnętrzu wielkich obiektów i pozostaje dobrze nam znany świat klasyczny. A więc w naszym postrzeganiu fizycznej rzeczywistości możemy wyróżnić trzy poziomy (rysunek 10.1.). Na poziomie najwyższym istnieją obiekty makroskopowe, takie jak piłki futbolowe, pociągi i planety, których zachowanie podlega prawom ruchu mechaniki newtonowskiej opartej na tak dobrze znanych pojęciach jak prędkość, przyspieszenie, pęd i siły. Środkowy poziom to termodynamiczny opis własności cieczy i gazów. Tutaj mają zastosowanie te same klasyczne zasady newtonowskie, ale, jak wskazał Schrödinger i opisaliśmy to w rozdziale 2, te prawa termodynamiki, które opisują rozszerzalność gazu podczas ogrzewania albo silnik parowy, są oparte na „porządku z nieporządku”, który uśrednia przypadkowe zderzenia trylionów atomów i molekuł. Trzeci i najgłębszy poziom jest podstawą rzeczywistości: to świat kwantów. To tutaj cząstki, atomy i cząsteczki

podlegają ścisłym zasadom mechaniki kwantowej, a nie klasycznej. Jednak większość tej dziwnej materii nie jest dla nas widoczna. Tylko gdy bardzo uważnie obserwujemy pojedyncze cząsteczki, jak na przykład w eksperymencie z dwiema szczelinami, możemy poznać głębsze, kwantowe prawa. Zachowania, jakie one opisują, wydają się nam całkiem nieznane, ponieważ normalnie rzeczywistość oglądamy poprzez filtr dekoherencji, który zdejmuje całą dziwność z większych obiektów. Większość żywych organizmów to względnie duże obiekty. Podobnie jak pociągi i pociski armatnie ich ruch spełnia prawa Newtona: człowiek wystrzelony z działa porusza się po takiej samej trajektorii, co pocisk. Na poziomie głębszym fizjologia tkanek i komórek jest równie dobrze opisana zasadami termodynamiki: rozszerzanie i kurczenie się płuc nie jest aż tak bardzo odmienne od rozszerzania się i kurczenia balonu. A więc na pierwszy rzut oka moglibyśmy założyć, i większość naukowców tak robi, że zachowanie kwantowe podobnie zostaje zniesione u rudzików, ryb, dinozaurów, jabłoni, motyli i u nas ‒ tak jak się to dzieje w przypadku obiektów klasycznych. Ale widzieliśmy już, że nie zawsze tak bywa, jeśli chodzi o życie; jego korzenie sięgają głęboko pod newtonowską powierzchnię, aż do burzliwych wód termodynamicznych, i przenikają do kwantowych podstaw, co pozwala życiu na korzystanie z koherencji, superpozycji, tunelowania albo splątania (rysunek 10.1.). Zagadnieniem, jakim mamy zamiar zająć się w ostatnim rozdziale, jest odpowiedź na pytanie: w jaki sposób to zachodzi?

Rysunek 10.1. Trzy poziomy rzeczywistości. Górny poziom to świat widzialny, wypełniony obiektami, takimi jak spadające jabłko, kule armatnie, pociągi parowe i samoloty, których ruch jest opisywany mechaniką newtonowską. Poniżej leży poziom termodynamiki podobnych do bil cząstek, których ruch jest całkowicie chaotyczny. Ten poziom odpowiada za tworzenie praw „porządku z nieporządku”, które rządzą zachowaniem obiektów takich jak silniki parowe. Następny, głębszy poziom jest poziomem cząstek elementarnych, podlegających prawom mechaniki kwantowej. Widoczne cechy większości obiektów, jakie widzimy wokół siebie, wydają się pochodzić z poziomu newtonowskiego lub termodynamicznego, ale żywe organizmy mają swe korzenie, które sięgają aż do kwantowych podstaw rzeczywistości.

Już wcześniej odkryliśmy część odpowiedzi. Erwin Schrödinger wskazywał więcej niż sześćdziesiąt lat temu, że życie jest odmienne od świata nieorganicznego, ponieważ jest uporządkowane nawet na poziomie molekularnym. Ten porządek, aż do samego dołu, obdarza życie ścisłym przełożeniem tego, co molekularne, na to, co makroskopowe, w taki sposób, że zdarzenia kwantowe zachodzące wewnątrz pojedynczych biomolekuł mają wpływ na cały organizm: to rodzaj wzmocnionego odbicia tego, co kwantowe, na poziomie makroskopowym, o czym mówił inny pionier teorii kwantów, Pascual Jordan. Oczywiście gdy Schrödinger i Jordan pisali o biologii, nikt nie wiedział, z czego zbudowane są geny albo jak enzymy działają i w jaki sposób zachodzi fotosynteza. Ale pół wieku intensywnych badań w dziedzinie biologii molekularnej dostarczyło bardzo

szczegółowych danych o strukturze biomolekuł na poziomie pojedynczych atomów w DNA albo w białkach. A wtedy wnikliwe spostrzeżenia pionierów mechaniki kwantowej zostały trochę poniewczasie potwierdzone. Układy fotosyntetyzujące, enzymy, łańcuchy oddechowe i geny są uporządkowane aż do położeń pojedynczych cząstek, a ich ruch kwantowy ma istotny wpływ na oddychanie, które utrzymuje nas przy życiu, na enzymy, które budują nasze ciała, albo na fotosyntezę, która wytwarza niemal całą biomasę na naszej planecie. A jednak pozostało wiele pytań, dotyczących głównie tego, jak życie utrzymuje kwantową koherencję wewnątrz żywej komórki. Białka albo DNA nie są maszynami ze stali, jak instrumenty używane do badania efektów kwantowych w laboratoriach; są miękkimi, giętkimi strukturami, które w sposób ciągły poddawane są ich własnym wibracjom termicznym jak i uderzeniom otaczających je molekuł, czyli nieustannemu szumowi molekularnemu177. Te przypadkowe wibracje i zderzenia będą wstrząsać delikatnym uporządkowaniem atomów i molekuł, które jest niezbędne do ich kwantowego zachowania. Jak tę koherencję utrzymują układy biologiczne, pozostaje tajemnicą – ale, jak się przekonamy, jest ona powoli odkrywana i powinna dać wgląd w to, jak działa życie; co może nawet zostać wykorzystane w kwantowych technologiach przyszłości.

Dobre, dobre, dobre, dobre wibracje (bop, bop) Kilka książek popularnonaukowych wymaga korekty w czasie ich pisania. Ale w tym końcowym rozdziale opiszemy rezultaty, które pojawiają się właśnie teraz. Rzeczywiście kwantowa biologia rozwija się tak szybko, na tak wielu frontach, że ta książka nieuchronnie będzie trochę nieaktualna w czasie jej publikacji. Największa niespodzianka, jaka wyłoniła się z ostatnich badań, to zrozumienie, jak życie daje sobie radę z wibracjami molekularnymi albo szumem. Pewne nowe najbardziej interesujące rezultaty na tym polu wyłaniają się z dalszych badań nad fotosyntezą. Pamiętacie zapewne z rozdziału 4, że drobnoustroje i liście roślin są pełne chloroplastów wypełnionych molekułami barwnika chlorofilu i że pierwszy krok w fotosyntezie polega na złapaniu fotonu światła przez molekułę barwnika i przekształceniu go w oscylujący ekscyton, który przez las chlorofilu dociera do centrum reakcji. Pamiętacie także, że sygnaturę koherencji, kwantowe dudnienie, odkryto w tym procesie transportu energii – wydajnym w prawie 100 procentach dzięki kwantowemu błądzeniu ekscytonu po drodze do centrum reakcji. Ale jak te ekscytony zachowują swe koherentne falowo-cząstkowe zachowanie podczas przechadzki przez molekularne, pełne zgiełku środowisko żywej komórki – aż do niedawna pozostawało

tajemnicą. Obecne odkrycia wskazują na to, że żywe układy nie unikają molekularnych wibracji, a nawet tańczą w ich rytm. W rozdziale 4 wyobrażaliśmy sobie koherencję kwantową w fotosyntezie jako molekularną wersję orkiestry „dostrojonej” do wszystkich molekuł barwnika grających ten sam rytm. Ale układ musi przezwyciężyć to, że wnętrze komórki jest bardzo głośne. Molekularna orkiestra nie gra w sali koncertowej, ale w czymś przypominającym ruchliwe centrum miasta pełne kakofonii szumu molekularnego, który przeszkadza każdemu muzykowi tak, że oscylacje eksytonów są łatwo wybijane z rytmu, powodując utratę ich bardzo delikatnej kwantowej koherencji. To wyzwanie znane jest fizykom i inżynierom budującym urządzenia takie jak komputer kwantowy. Dlatego posługują się dwiema strategiami ograniczania szumu. Pierwsza: jak tylko mogą, ochładzają swój układ do temperatur bliskich zeru absolutnemu. W tak niskich temperaturach molekularne wibracje są stłumione, co powoduje dużą redukcję szumów molekularnych. Po drugie: ekranują swoje urządzenia wewnątrz czegoś, co można by nazwać molekularnym studiem nagrań, co znacznie zmniejsza szum pochodzący z otoczenia. Nie ma oczywiście studia nagrań w komórce, a rośliny i drobnoustroje żyją w ciepłych środowiskach, a więc jak układy fotosyntetyzujące utrzymują swą kwantową koherencję tak długo? Odpowiedź jest taka, że centra reakcji fotosyntezy wykorzystują dwa rodzaje szumów molekularnych do utrzymywania koherencji. Pierwszy to względnie słaby szum, czasami nazywany szumem białym, podobny do zakłóceń w telewizji i w radiu, rozłożony na całe widmo częstości178. Ten biały szum pochodzi od termicznych zderzeń pomiędzy wszystkimi cząsteczkami otoczenia, takimi jak molekuły wody oraz jony metalu, które występują wewnątrz żywej komórki. Drugi rodzaj szumów to takie, które posiadają kolor, są „głośniejsze” i ograniczone do wybranych częstości spektrum. Źródłem kolorowych szumów są wibracje większych struktur molekularnych wewnątrz chloroplastów, takich jak cząsteczki barwnika (chlorofilu) albo rusztowania z białka utrzymujące je w miejscu, które zbudowane są ze strun z koralikami aminokwasów i poskręcane, powyginane w kształty odpowiednie do pomieszczenia molekuł barwnika. Ich wygięcia i skręty są giętkie i mogą drgać, ale tylko z odpowiednimi częstościami, podobnie jak struny gitary. Same molekuły barwnika mają też własne częstości wibracji. Te wibracje generują szum, który ma kolory i jak struna instrumentu składa się z kilku tonów. Zarówno biały, jak i kolorowy szum wykorzystywane są przez kompleks fotosyntetyzujący do utrzymywania ekscytonu w stanie koherentnym w centrum reakcji. Klucz do tego, jak życie wykorzystuje tego typu molekularne wibracje, został odkryty niezależnie przez dwie grupy w latach 2008‒2009. Jedną z nich był zespół z UK, małżeństwo Martin Plenio i Susana Huelga, którzy od dawna interesowali się skutkiem, jaki wywiera „szum” zewnętrzny na dynamikę układów kwantowych, i dlatego nie byli

zaskoczeni eksperymentem Grahama Fleminga z 2007 roku, o którym mówiliśmy w rozdziale 4. Opublikowali szybko kilka prac, teraz szeroko cytowanych, z modelem tego, co według nich tam zachodzi179. Zaproponowali w nich, że hałaśliwe wnętrze żywej komórki może raczej kierować kwantową dynamiką i utrzymywać koherencję kwantową w kompleksach fotosyntetyzujących i innych układach biologicznych, niż ją niszczyć. Druga grupa, po przeciwnej stronie Atlantyku, pracowała w MIT, a jej kierownikiem był Seth Lloyd, który początkowo uważał, że mechanika kwantowa w roślinach to zwariowana idea. Razem z kolegami z leżącego nieopodal Uniwersytetu Harvarda Lloyd zbadał kompleksy fotosyntetyzujące glonów, w których Fleming i Engel wykryli dudnienia kwantowe180. Wykazali oni, że transport ekscytonu w stanie koherentnym może być opóźniany albo wspomagany przez szum środowiska, w zależności od tego, jak głośny jest ten szum. Jeśli układ jest za bardzo schłodzony i zbyt spokojny, to ekscyton drga bez celu, właściwie nie dążąc donikąd, podczas gdy w gorącym i wilgotnym otoczeniu dołącza się coś zwane kwantowym efektem Zenona i opóźnia transport kwantowy. Pomiędzy tymi dwiema ekstremalnymi sytuacjami znajduje się strefa złotowłosej, gdzie wibracje są dokładnie takie, jakich wymaga transport kwantowy. Nazwa „kwantowy efekt Zenona” wywodzi się od imienia starożytnego greckiego filozofa Zenona z Elei, który przedstawiał zagadnienia filozoficzne w formie zbioru paradoksów, a jeden z nich znany jest jako paradoks strzały. Zenon rozważał strzałę w locie, która, jak dowodził, musi posiadać konkretne położenie w przestrzeni w każdym momencie czasu. Gdyby uchwycić obraz strzały w każdym takim momencie czasu, to byłyby to obrazy pozbawione ruchu. Paradoks polega na tym, że tor strzały składa się z sekwencji strzały nieruchomej w każdym jej położeniu. A jednak gdy dodać te wszystkie obrazy do siebie, to strzała się porusza. A więc jak taka sekwencja bezruchu może stać się ruchem realnym? Odpowiedź, jak teraz wiemy, opiera się na tym, że interwał czasu nie jest złożony z sekwencji niepodzielnych jednostek o długości zero. Ale to rozwiązanie musiało poczekać aż do wynalezienia analizy matematycznej w XVII wieku, więcej niż dwa tysiące lat po tym, gdy Zenon przedstawił swój paradoks. Niemniej paradoks Zenona przeżył, przynajmniej jego nazwa, w jednej z najdziwniejszych właściwości mechaniki kwantowej. Kwantowe strzały mogą ulec zamrożeniu w czasie podczas aktu obserwacji. W 1977 roku fizycy z Uniwersytetu Teksasu opublikowali pracę, która pokazuje, jak coś podobnego do paradoksu Zenona o strzale może zajść w świecie kwantów181. Kwantowy efekt Zenona (taką otrzymał nazwę) opisuje, jak ciągłe obserwacje mogą zapobiegać występowaniu zdarzeń kwantowych. Na przykład atom radioaktywny, jeśli jest obserwowany nieustannie, nigdy się nie rozpadnie – to efekt opisywany starym

przysłowiem „obserwowany czajnik wody nigdy nie gotuje182”. W rzeczywistych czajnikach woda oczywiście się zagotuje, ale gdy bardzo chcesz się napić herbaty, czas okropnie ci się dłuży. Jednak, jak zauważył Heisenberg, w królestwie kwantów akt patrzenia (pomiaru) nieubłaganie zmienia stan rzeczy, która jest obserwowana. Aby zobaczyć, jaki związek ma paradoks Zenona z życiem, powróćmy do transportu energii w fotosyntezie. Wyobraźmy sobie, że właśnie liść pochłonął foton pochodzący ze Słońca i przekształcił jego energię w ekscyton. Klasycznie ekscyton to cząstka, która jest zlokalizowana w czasie i przestrzeni. Ale, jak ujawnił eksperyment z dwoma szczelinami, cząstki kwantowe posiadają także rozmyty charakter falowy, który umożliwia im istnienie w wielu miejscach jednocześnie w akcie kwantowej superpozycji. To falista natura ekscytonu jest istotna dla sprawności kwantowego transportu, bo umożliwia mu, jak fali wody, wykorzystanie wielu trajektorii jednocześnie. Ale jeśli jego kwantowa falistość rozbije się wewnątrz liścia na molekularnie szumiących skałach dekoherencji, to falistość zostanie utracona i ekscyton zostanie zlokalizowaną w jednym położeniu cząstką. Szum działa jak nieustanny pomiar i jeśli jest bardzo intensywny, to zanim kwantowa koherencja będzie miała szansę pomóc ekscytonowi w dotarciu do celu, pojawi się szybko dekoherencja. Taki jest właśnie kwantowy efekt Zenona, nieustanny kolaps kwantowej fali do świata klasycznego. Gdy zespół z MIT oszacował wpływ szumu molekularnego/wibracji w kompleksie fotosyntetyzującym bakterii, odkrył, że transport kwantowy był optymalny w temperaturach przybliżonych do tych, w jakich zachodzi fotosynteza u drobnoustrojów i roślin. Niesamowite jest to doskonałe dopasowanie pomiędzy optymalną wydajnością transportu i rodzajem temperatur, w jakich żyją organizmy, co, jak twierdzą badacze, sugeruje, że trzy miliardy lat doboru naturalnego musiały doskonale dostosować kwantową ewolucyjną inżynierię transportu ekscytonowego do optymalnych warunków, w jakich zachodzi większość ważnych reakcji biochemicznych w biosferze. Jak sugerują w następnej publikacji, „dobór naturalny dąży do doprowadzenia układów kwantowych do takiego stopnia koherencji kwantowej, który jest «odpowiedni» dla uzyskania maksymalnej wydajności”183. Jednak dobre molekularne wibracje nie są ograniczone tylko do białego szumu. „Kolorowy” szum, generowany przez określony zakres wibracji molekuł chlorofilu albo nawet otaczających białek, jak uważa się teraz, też gra kluczową rolę w hamowaniu dekoherencji. Jeśli wyobrazimy sobie biały szum termiczny jako molekularną wersję szumu źle dostrojonego radia, to dobre wibracje szumu kolorowego są zbliżone do prostego rytmu – „bop, bop, bop” – grupy Beach Boys w utworze Good Vibrations. Ale pamiętajmy, że ekscyton zachowuje się również falowo, aby wygenerować te kwantowe dudnienia, które grupa Grahama Fleminga odkryła. Dwie ostatnie publikacje, z 2012 i 2013 roku, grupy Martina Plenio

z uniwersytetu w Ulm w Niemczech wykazały, że jeśli oscylacje ekscytonu i oscylacje białek z otoczenia – kolorowy szum – dudnią na tym samym bębnie, to gdy koherentny ekscyton zostanie wybity z rytmu przez biały szum, może z powrotem się dostroić dzięki oscylacjom białek184. Rzeczywiście, w publikacji w „Nature” z 2014 roku Alexandra Olaya-Castro z University College London w pięknym teoretycznym modelu wykazała, że ekscyton i wibracje molekularne – kolorowy szum – wspólnie korzystają z kwantu energii w sposób, który nie mógłby być wyjaśniony bez uciekania się do mechaniki kwantowej185. Aby w pełni zrozumieć wkład dwóch rodzajów szumu molekularnego na transport energii, powróćmy do muzycznej metafory jeszcze raz i wyobraźmy sobie układ fotosyntetyzujący jako orkiestrę z różnymi instrumentami grającymi rolę molekuł barwnika i ekscytonem jako melodią muzyczną. Niech muzyka rozpoczyna się od partii solowej na skrzypcach, czyli molekuły barwnika, która wychwytuje foton i przekształca jego energię w drgający ekscyton. Melodia ekscytonu jest podejmowana przez inne instrumenty strunowe, potem instrumenty dęte i w końcu odzywa się perkusja, której rytm gra rolę centrum reakcji. Wyobraźmy sobie dalej, że muzyka ta jest wykonywana w teatrze wypełnionym publicznością, która wytwarza szum biały, otwierając paczki z czipsami, szurając krzesłami, kaszląc i kichając. Dyrygentem będzie szum kolorowy. Najpierw założymy, że przybyliśmy w bardzo hałaśliwą noc, gdy widownia robi taki harmider, że muzycy nie słyszą siebie samych i innych muzyków. W całej tej wrzawie pierwsze skrzypce zaczynają swą partię, ale inni muzycy ich nie słyszą i dlatego nie są w stanie podjąć melodii. To kwantowy scenariusz Zenona, gdzie zbyt wielki szum powstrzymuje transport kwantowy. Jednak przy bardzo niskim poziomie szumu, powiedzmy w pustym teatrze bez widowni, muzycy tylko siebie słuchają i wszyscy podejmują pierwszą frazę, kontynuując jej granie. W tym scenariuszu, w przeciwieństwie do poprzedniego, mamy zbyt wiele koherencji kwantowej i ekscyton oscyluje w całym układzie, ale donikąd w końcu nie trafia. W strefie złotowłosej, z szumem w sam raz, wytworzonym przez samokontrolującą się widownię, zaburzenie jest wystarczające do wybicia muzyków z monotonii, aby zagrali dynamicznie całą kompozycję. Niektóre instrumenty wciąż są wybijane z rytmu, gdy okazjonalnie jakiś hałaśliwy słuchacz sięgnie po czipsy, ale pod batutą dyrygenta są w stanie ponownie dostroić się do muzyki fotosyntezy.

Refleksje o sile napędowej życia W rozdziale 2 zaglądnęliśmy do silnika parowego, aby odkryć, że jego siła napędowa tkwi w turbulentnym ruchu ogromnej ilości molekuł, który skierowany zostaje do

napędzania tłoków wewnątrz cylindra. Pytaliśmy, czy życie może być wyjaśnione przez tę samą regułę termodynamiki „porządek z nieporządku”, która napędza silniki parowe. Czy życie jest taką bardziej złożoną maszyną parową? Wielu naukowców jest przekonanych, że tak jest, ale w sposób bardzo subtelny, który wymaga omówienia. Teoria układów złożonych bada tendencje pewnych form ruchu chaotycznego do tworzenia porządku poprzez zjawisko zwane samoorganizacją. Na przykład molekuły w cieczy poruszają się całkowicie chaotycznie, a jednak gdy podniesiemy korek w wannie, wypływająca woda wokół ujścia spontanicznie płynie albo zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, albo w kierunku przeciwnym. Porządek makroskopowy można także zauważyć w układach konwekcji wody, tworzących się wewnątrz podgrzewanego garnka z wodą, w huraganach, tornadach, w czerwonych plamach na powierzchni Jowisza i wielu innych zjawiskach naturalnych. Samoorganizacja jest także obecna w wielu zjawiskach biologicznych, takich jak tworzenie chmar przez ptaki, ryby lub owady, albo we wzorcach pasków u zebr, albo w złożonej strukturze fraktalnej niektórych liści. Niezwykłe w tych układach jest to, że porządek makroskopowy, jaki obserwujemy, nie ma przełożenia na poziom molekularny. Gdybyśmy mieli potężny mikroskop, który mógłby odkryć ruch pojedynczych molekuł wyciekających przez ujście w wannie, bylibyśmy zdziwieni, widząc, że ich ruch jest prawie całkowicie chaotyczny, z bardzo małym odstępstwem od przypadkowości w kierunku ruchu wskazówek zegara albo w kierunku przeciwnym. Na poziomie molekularnym jest tylko chaos – ale w chaosie pojawia się mała tendencja potrafiąca wytworzyć porządek na poziomie makroskopowym. Porządek z chaosu, tak zasada ta często jest nazywana186. Porządek z chaosu intelektualnie nie odbiega od tego, co twierdził Erwin Schrödinger o „porządku z nieporządku” i z czego, jak już opisywaliśmy, wywodzi się siła napędzająca maszyny parowe. Ale, jak już odkryliśmy, życie jest inne. Chociaż jest ogromnie wiele nieuporządkowanego molekularnego ruchu wewnątrz żyjących komórek, rzeczywiste życie jest ściśle dyrygowanym ruchem cząstek podstawowych wewnątrz enzymów, układów fotosyntetyzujących, DNA i gdzie indziej. Życie ma wbudowany porządek na poziomie mikroskopowym i dlatego zasada „porządek z chaosu” nie może być jedynym wyjaśnieniem podstawowej cechy wyróżniającej życie. Życie w niczym nie przypomina maszyny parowej. Jednak ostatnie badania sugerują, że życie może działać jak kwantowa wersja maszyny parowej. Zasada pracy maszyny parowej była po raz pierwszy przedstawiona w XIX wieku przez Francuza Sadiego Carnota. Był on synem napoleońskiego ministra wojny, Lazare’a Carnota, który otrzymał nominację na oficera w korpusie inżynierskim armii Ludwika XVI. Po detronizacji króla Lazare Carnot nie uciekł z kraju, jak zrobiła większość jego kolegów pochodzenia arystokratycznego, ale dołączył do rewolucji

i jako minister wojny był w dużej mierze twórcą francuskiej armii rewolucyjnej, która odparła najazd pruski. Ale będąc błyskotliwym strategiem, był też matematykiem, miłośnikiem muzyki i poezji (nadał imię synowi po średniowiecznym perskim poecie Saadim Shirazim) i inżynierem. Napisał książkę o tym, jak maszyny przekształcają jedną formę energii w inną. Sadi będąc studentem, wykazał rewolucyjny i nacjonalistyczny zapał swego ojca, uczestnicząc w obronie Paryża w 1814 roku, gdy miasto było powtórnie oblegane przez Prusaków. Wykazał, jak jego ojciec, także zrozumienie zagadnień inżynierskich, pisząc niezwykłą książkę zatytułowaną Refleksje o sile napędowej ognia (1823), którą często uważa się za wstęp do nauki o termodynamice. Sadi czerpał inspirację z konstrukcji maszyn parowych. Wierzył, że Francja przegrała wojny napoleońskie, ponieważ nie potrafiła zaprząc pary do budowy przemysłu ciężkiego, tak jak uczyniła to Anglia. Jednak choć w Anglii maszyna parowa została wynaleziona i skomercjalizowana, jej konstrukcja opierała się na metodzie prób i błędów oraz intuicji inżynierów, takich jak szkocki wynalazca James Watt. Brakowało w tym wszystkim podstaw teoretycznych. Carnot poszukiwał wyjścia z tej sytuacji poprzez matematyczny opis silnika cieplnego, wyrażony cyklem jego pracy, który do dziś nosi nazwę cyklu Carnota. Cykl Carnota opisuje, jak maszyna cieplna przekazując energię z miejsca gorącego do zimnego, wykorzystuje część z niej do wykonania pracy, zanim powróci do stanu początkowego. Na przykład maszyna parowa przekazuje ciepło z gorącego kotła do skraplacza, gdzie jest ochładzane, i w czasie tego procesu wykorzystuje część energii w postaci pary wodnej do poruszenia tłoka, a tym samym kół lokomotywy. Ochłodzona woda powraca do kotła gotowa do powtórnego ogrzania w następnym cyklu Carnota. Zasada cyklu Carnota stosuje się do wszystkich rodzajów silników, które używają ciepła do wykonania jakiejkolwiek pracy, od silników parowych, które były siłą napędową rewolucji przemysłowej, do silników benzynowych, które napędzają twój samochód, albo pompy elektrycznej, która chłodzi twoją lodówkę. Carnot pokazał, że sprawność, jak to ujął, „każdej, jaką można sobie wyobrazić, maszyny cieplnej” zależy od kilku podstawowych zasad. Ponadto udowodnił, że sprawność jakiejkolwiek klasycznej maszyny cieplnej nie może być większa od teoretycznego maksimum, zwanego teraz granicą Carnota. Na przykład silnik elektryczny, który używa 100 watów mocy elektrycznej, aby dostarczyć 25 watów mocy mechanicznej, ma 25 procent wydajności. Traci 75 procent dostarczonej energii w postaci ciepła. Klasyczne silniki cieplne nie są tak wydajne. Zasady i ograniczenia silników cieplnych, sformułowane przez Carnota, są nadzwyczaj szerokie i mogą być stosowane nawet w przypadku fotokomórek zakładanych na dachach budynków do przekształcania energii słonecznej w prąd elektryczny. To samo odnosi się do fotokomórek biologicznych w chloroplastach liści,

o których mówiliśmy w tej książce. Takie kwantowe maszyny cieplne mają podobną zasadę pracy, co maszyny klasyczne, ale są w nich elektrony zamiast pary wodnej i fotony światła zastępujące źródło ciepła. Mogą one zatem oddawać tę energię, gdy jest konieczne, aby wykonać użyteczną pracę w postaci reakcji chemicznych. Ta idea sięga prac Alberta Einsteina i leży u podstaw działania laserów. Problem polega na tym, że wiele z tych elektronów utraci swą energię w formie bezużytecznego ciepła, zanim dostaną szansę na wykorzystanie jej. To nakłada ograniczenia na wydajność takiej kwantowej maszyny cieplnej. Pamiętacie, że centrum reakcji jest ostatecznym celem dla tych wszystkich oscylujących ekscytonów w kompleksach fotosyntetyzujących. Jak dotąd skupialiśmy się na procesie dostarczania energii, ale realne działanie fotosyntezy zachodzi w samym centrum reakcji. Tutaj wrażliwa energia ekscytonów przekształcana jest w stabilną energię chemiczną molekuły, nośnika elektronów, którą rośliny lub drobnoustroje wykorzystują do wykonywania pracy użytecznej, jak wytwarzanie jeszcze większej ilości roślin i drobnoustrojów. To, co zachodzi w centrum reakcji, jest tak niezwykłe jak transport energii za pomocą ekscytonu, a nawet jeszcze bardziej zagadkowe. Utlenianie jest procesem chemicznym, w którym elektrony są wymieniane pomiędzy atomami. W wielu procesach utlenienia elektrony aktywnie przeskakują z jednego atomu (który staje się utleniony) na drugi. Ale w innych procesach utlenienia, jak spalanie węgla, drewna i jakichkolwiek opartych na węglu paliw, elektrony, które początkowo posiadał wyłącznie jeden atom, kończą jako wspólne z innymi atomami: to utrata netto elektronu przez dawcę (tak jak podzielenie się batonikiem czekolady stanowi dla ciebie utratę netto czekolady). A więc gdy węgiel jest spalany w powietrzu, elektrony na jego orbitach zewnętrznych stają się wspólne z tlenem, tworząc wiązanie molekularne dwutlenku węgla. W tych reakcjach spalania elektrony zewnętrzne węgla są względnie słabo z nim związane, a więc są względnie łatwe do uwspólniania. Ale w centrum reakcji fotosyntezy rośliny lub drobnoustroju energia jest wykorzystywana do wyciągnięcia elektronów z cząsteczek wody, w których elektrony są o wiele silniej związane. W gruncie rzeczy para cząsteczek H2O zostaje rozerwana, aby powstała cząsteczka O2, cztery dodatnio naładowane jony wodoru i cztery elektrony. A więc skoro cząsteczki wody tracą swe elektrony, centrum reakcji jest jedynym miejscem naturalnym, gdzie woda jest utleniana. W 2011 roku amerykański fizyk Marlan Scully, obecnie profesor w Texas A&M University i Princeton, wraz ze swymi współpracownikami z wielu uniwersytetów amerykańskich, opisał bardzo sprytny sposób na stworzenie hipotetycznej kwantowej maszyny cieplnej o wydajności sięgającej granicy standardowej kwantowej maszyny cieplnej187. Aby tego dokonać, użyty jest szum molekularny, by wtrącić elektron w superpozycję dwóch stanów energetycznych w tym samym czasie. Gdy ten elektron

zaabsorbuje energię fotonu i zostanie „wzbudzony”, pozostanie w superpozycji dwóch (teraz wyższych) energii jednocześnie. Teraz prawdopodobieństwo, że elektron spadnie do swego początkowego stanu i nastąpi utrata energii w formie ciepła, może zostać zredukowane dzięki kwantowej koherencji swych dwóch stanów energetycznych – jest to podobne do przykładu obrazu interferencyjnego w doświadczeniu z dwiema szczelinami, jaki opisaliśmy w rozdziale 4. Tam określone położenia na tylnym ekranie dozwolone dla atomu, gdy jedna szczelina jest otwarta, stają się nieosiągalne ze względu na destrukcyjną interferencję, gdy obie szczeliny są otwarte. Tutaj delikatna współpraca pomiędzy kwantowym szumem i kwantową koherencją dostraja kwantowy silnik cieplny tak, że następuje redukcja strat cieplnych, a dzięki temu wzrost wydajności poza granicę Carnota. Ale czy tak delikatne dostrajanie jest możliwe na poziomie kwantowym? Trzeba by móc wykonywać działania w skali subatomowej w celu przesuwania i zmiany energii pojedynczych elektronów, aby dostarczać im energii w określonych ilościach do wytworzenia odpowiedniej interferencji, zwiększającej przepływ energii wzdłuż wydajnych trajektorii i eliminującej przepływ wzdłuż nieużytecznych. Musielibyśmy także umieć dostrajać otaczający biały szum, aby mógł on wbijać niedostrojone elektrony w ten sam rytm, ale nie nazbyt energicznie, bo wbijemy je w inny rytm i utracą koherencję. Czy jest gdzieś we Wszechświecie tak doskonale dostrojony porządek molekularny, aby był zdolny do wykorzystania delikatnych efektów kwantowych w świecie subatomowym? Publikacja Scully’ego z 2011 roku była w całości teoretyczna. Nikt dotąd nie zbudował silnika cieplnego, który uzyskałby bonus energetyczny przewyższający cykl Carnota. Ale w 2013 roku inna praca tego samego zespołu wskazała na ciekawy fakt odnoszący się do centrów reakcji fotosyntezy188. Wszystkie one są wyposażone nie w pojedyncze molekuły chlorofilu, ale w pary molekuł chlorofilu, znane jako pary specjalne, które mogłyby działać bezpośrednio jak kwantowe silniki cieplne. Chociaż cząsteczki chlorofilu w parze specjalnej są identyczne, osadzone są w innych środowiskach w rusztowaniu z białek, co powoduje, że drgają z trochę innymi częstościami: są trochę niedostrojone. W swej późniejszej publikacji Scully i jego koledzy wskazują, że ta struktura dostarcza centrom reakcji fotosyntezy dokładnie takiej architektury, jaka jest wymagana do kwantowego silnika cieplnego. Badacze pokazali, że specjalna para chlorofili staje się dostrojona, aby wykorzystać kwantową interferencję do zabronienia niewydajnych trajektorii transferu energii i tym samym dostarczania energii do molekuły akceptora wydajniej o około 18 do 27 procent, niż przewiduje to 200-letnia granica ustanowiona przez Carnota. Może się to nie wydawać dużo do czasu, gdy rozważymy współczesne oszacowania wskazujące na wzrost konsumpcji energii na świecie o około 56 procent pomiędzy rokiem 2014 a 2040: wtedy rozwinięcie technologii umożliwiającej większe wykorzystanie energii

użytecznej wydaje się bardzo ważne. Ten wyjątkowy wynik jest jeszcze jednym przykładem tego, jak organizmy żywe, zakorzenione w świecie kwantowym, wydają się mieć zdolności niedostępne nieożywionym maszynom makroskopowym. Oczywiście niezbędna jest kwantowa koherencja dla takiego scenariusza, aby działał, ale w komunikacie z ostatniej chwili, opublikowanym w czerwcu 2014 roku, zespół naukowców z Holandii, Szwecji i Rosji odkrył kwantowe dudnienia w roślinnym centrum reakcji fotosyntezy II189 i stwierdził, że te centra działają jak „kwantowe pułapki światła”190. Pamiętajmy, że centra reakcji fotosyntezy ewoluowały od dwóch do trzech miliardów lat. A więc przez prawie całą historię naszej planety rośliny i drobnoustroje wydają się użytkować kwantowo doładowane silniki cieplne – tak złożone i tak pomysłowe, że dopiero uczymy się je sztucznie wytwarzać – aby pompować energię w węgiel i dzięki temu wytwarzać całą biomasę, z której utworzone są drobnoustroje, rośliny, dinozaury i oczywiście my. Rzeczywiście, wciąż zbieramy pradawną energię kwantową w formie paliw kopalnych, które ogrzewają nasze domy, napędzają nasze samochody i większość współczesnego przemysłu. Potencjalne korzyści z poznania pradawnej, naturalnej kwantowej technologii są dla współczesnej ludzkiej technologii ogromne. A więc w fotosyntezie szum jest wykorzystany zarówno do wzmocnienia wydajności transportu energii za pomocą ekscytonów do centrów reakcji fotosyntezy, jak i do schwytania tej pochodzącej ze Słońca energii, gdy już dotrze do centrum reakcji. Ale ta zdolność do stworzenia kwantowej cnoty z molekularnej wady – szumu – nie ogranicza się tylko do fotosyntezy. W 2013 roku grupa Nigela Scruttona z uniwersytetu w Manchesterze, która badała tunelowanie protonów w enzymach, o którym mówiliśmy w rozdziale 3, zastąpiła atomy w enzymie ich cięższymi izotopami. Wymiana izotopowa dodaje trochę ciężaru molekularnym sprężynom wiązań, tak że wibrują – to ich szum kolorowy – z innymi częstościami. Badacze stwierdzili, że tunelowanie protonów i aktywność enzymu zostały zaburzone w enzymie cięższym191, co wskazuje, że w stanie normalnym z naturalnym, lżejszym izotopem oscylacje białek szkieletu podobne do metronomu mają wpływ na tunelowanie i aktywność enzymu. Podobne rezultaty, z innymi enzymami, otrzymała grupa Judith Klinman z Uniwersytetu Kalifornijskiego192. A więc tak jak w prowadzeniu fotosyntezy szum wydaje się uczestniczyć w przyspieszaniu reakcji enzymatycznych. A pamiętajmy, że enzymy są maszynerią życia, wytwarzającą każdą pojedynczą molekułę wewnątrz każdej komórki każdej żywej istoty na naszej planecie. Dobre wibracje mogą odgrywać istotną rolę w utrzymywaniu nas przy życiu.

Życie na kwantowym skraju klasycznego sztormu

Okręt na morzu. Burza, pioruny i błyskawice. William Shakespeare, Burza, akt I, scena 1, wskazówki autora otwierające scenę Czy jakiekolwiek z tych sugestii dają odpowiedź na pytanie Schrödingera, jakie zadał lata temu: o naturę życia? Jak dotąd przyjmowaliśmy jego pogląd, że życie jest układem zdominowanym przez porządek, który rozciąga się aż na sam dół, od wysoko zorganizowanych organizmów, przez burzliwy termodynamiczny ocean, do kwantowych podstaw (rysunek 10.1.). Najważniejsze jest to, że ta dynamika życia jest utrzymywana w delikatnej gotowości do wpływu zdarzeń poziomu kwantowego na świat makroskopowy, jak przewidywał Pascual Jordan w latach trzydziestych XX wieku. Ta makroskopowa czułość na kwantową rzeczywistość jest wyjątkową cechą życia i pozwala mu na potencjalne wykorzystanie zjawisk poziomu kwantowego, takich jak tunelowanie, koherencja i splątanie. Ale, i to wielkie „ale”, to wykorzystanie świata kwantowego może zajść, tylko jeśli dekoherencja jest ograniczona. W przeciwnym razie układ traci swój kwantowy charakter i zachowuje się w pełni klasycznie lub termodynamicznie, opierając się na zasadzie „porządek z nieporządku”. Naukowcy pozbywają się dekoherencji poprzez ekranowanie kwantowych reakcji od natarczywego „szumu”. W tym rozdziale odkryliśmy, że życie może przyjąć bardzo odmienną strategię. Zamiast pozwalać szumowi utrudniać koherencję, życie używa szumu do podtrzymania swego powiązania ze światem kwantów. W rozdziale 6 wyobrażaliśmy sobie życie jako blok granitowy ustawiony w stanie chwiejnej równowagi w celu spowodowania jego wrażliwości na zdarzenia z poziomu kwantowego. Z powodów, jakie staną się zaraz jasne, zrobimy metaforyczny zwrot, zastępując głaz dużym żaglowcem. Nasz wyimaginowany żaglowiec początkowo pozostaje w suchym doku, z wąską stępką kunsztownie zrównoważoną na ułożonych w jednej linii atomach. W tym niebezpiecznie nieruchomym stanie nasz żaglowiec, jak żywa komórka, jest wrażliwy na zdarzenia zachodzące na poziomie kwantowym w jego atomowej stępce. Tunelowanie protonu, wzbudzenie elektronu albo splątanie atomu mogą mieć wpływ na cały żaglowiec, być może wpływając na jego delikatną równowagę w suchym doku. Wyobrazimy sobie jednak, że jego kapitan znalazł sprytny i zaskakujący sposób, jak wykorzystać zjawiska kwantowe, takie jak koherencja, tunelowanie, superpozycja albo splątanie, do nawigacji, gdy jednostka będzie już pod żaglami. Ale pamiętajmy, że wciąż jesteśmy w suchym doku: ten żaglowiec nigdzie się jeszcze nie wybiera. I chociaż w swym bardzo chwiejnym stanie równowagi potencjalnie może wykorzystywać zjawiska z kwantowego poziomu, jego niepewne osadzenie czyni go bezbronnym na nawet najsłabsze podmuchy – być może nawet dotknięcie jednej molekuły powietrza – które mogłyby wywrócić cały żaglowiec. Inżynierskim

podejściem do problemu, jak utrzymać okręt w pozycji pionowej i jednocześnie pozostawić mu wrażliwość na zdarzenia kwantowe zachodzące w jego stępce, będzie otoczenie żaglowca ekranem w kształcie prostopadłościanu i wypompowanie z niego powietrza, aby żadna podobna do bili molekuła nie mogła zaburzyć stanu żaglowca. Inżynierowie zamroziliby także cały układ do temperatury zera bezwzględnego, aby wygasić wszelkie wibracje molekularne. Ale doświadczeni kapitanowie żeglugi morskiej wiedzą, że istnieje inny sposób utrzymania prosto statku: musi być jednak najpierw zwodowany na burzliwe, termodynamiczne wody. Przyjmujemy za prawdę, że łatwiej utrzymywać statek prosto na wodzie niż na lądzie, ale na poziomie molekularnym jego zwiększona stabilność nie jest tak oczywista. Dopiero co stwierdziliśmy, że podejście inżynierskie wymaga zabezpieczenia statku przed wszelkimi potencjalnymi zaburzeniami, pochodzącymi od zabłąkanych atomów i cząsteczek. Ale czy morze nie jest pełne błąkających się atomów i cząsteczek losowo obijających się o siebie i stępkę każdego statku? Jak to się dzieje, że niepewnie zrównoważony statek może być wywrócony przez najsłabsze uderzenie na lądzie, a pozostaje obojętny na nie, gdy jest na wodzie? Odpowiedź sięga wstecz do zasady „porządek z nieporządku”, którą opisał Schrödinger. Statek rzeczywiście będzie bombardowany przez biliony molekuł z obu burt. Oczywiście, teraz już nie balansuje na swej wąskiej stępce, ale unosi się na rozkołysanych wodach, a przy tak ogromnej ilości uderzeń z obu burt średnia siła działająca na dziób i na rufę albo na prawą i lewą burtę będzie taka sama. A więc kołyszące się statki nie przewracają się, ponieważ utrzymują je biliony losowych bombardowań: porządek (położenie pionowe statku) z nieporządku (biliony losowych molekularnych uderzeń). Ale statki mogą oczywiście przewrócić się, nawet na otwartym morzu. Wyobraźcie sobie, że kapitan wypłynął żaglowcem na burzliwe morze, ale jeszcze nie rozwinął żagli. Fale uderzające w statek nie są już tak przypadkowe i wielkie grzywacze mogą z jednej burty albo drugiej łatwo wywrócić statek. Ale mądry kapitan wie, jak wzmocnić stabilność swego statku: rozwija żagle, aby zaprząc moc wiatru do utrzymania statku na stępce (rysunek 10.2.).

Rysunek 10.2. Życie żegluje po krawędzi między światem kwantowym i klasycznym. Żywa komórka jest jak statek, którego wąska stępka sięga aż do kwantowego poziomu rzeczywistości i dzięki temu może wykorzystać zjawiska takie jak tunelowanie albo splątanie, aby utrzymać się przy życiu. Ten związek ze światem kwantowym musi być aktywnie utrzymywany przez komórki żywe, które wykorzystują termodynamiczny sztorm – szum molekularny – do podtrzymania kwantowej koherencji.

Ten podstęp może, na pierwszy rzut oka, wydawać się sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem. Oczekiwalibyśmy, że chaotycznie wiejący wiatr i nieprzewidziane porywy raczej wywrócą statek, niż go ustabilizują – szczególnie gdy będą przychodzić z jednej burty i stamtąd wywierać większą siłę na statek. Ale kapitan wie, jak ustawić żagle i ster, aby wiatr i prądy działały przeciw porywom i przechyłom na jedną burtę. W ten sposób wykorzystuje otaczającą go burzę do utrzymania równowagi żaglowca. Życie jest jak żaglowiec z metafory, płynący po burzliwych klasycznych wodach z mądrym kapitanem na pokładzie. Program genetyczny, udoskonalany przez cztery miliardy lat ewolucji, jest zdolny do żeglowania po różnych głębinach kwantowej

i klasycznej rzeczywistości. Nie uciekając od burz, lecz raczej wykorzystując je skwapliwie, życie kieruje jej szkwałami, wypełniając żagle, i utrzymuje żaglowiec w pionie, aby jego wąska stępka penetrowała termodynamiczne wody aż do połączenia ze światem kwantów (rysunek 10.2.). Głębokie korzenie życia pozwalają mu wykorzystać dziwne zjawiska, które grasują na kwantowym pograniczu. Czy to pozwala nam lepiej zrozumieć, czym życie tak naprawdę jest? Otóż jest następne przypuszczenie – i podkreślamy, że to naprawdę przypuszczenie, ale takie, że doszedłszy tak daleko, nie sposób o nim nie wspomnieć. Pamiętacie zagadnienie, które rozważaliśmy w rozdziale 2, dotyczące różnicy pomiędzy tym, co żywe, i tym, co pozbawione życia; to różnica, którą starożytni zwykli nazywać duszą. Śmierć, jak wierzyli, doprowadza duszę do opuszczenia ciała. Mechanistyczna filozofia Kartezjusza odrzucała witalizm i duszę, przynajmniej u roślin i zwierząt, ale różnicę pomiędzy żywym a umarłym pozostawiała tajemniczą. Czy nasze nowe rozumienie życia zastąpi duszę kwantową iskrą witalną? Wielu będzie uważać już samo zadanie tego pytania za podejrzane, przekraczające powszechnie uznane granice konwencjonalnej nauki i zbaczające do domeny pseudonauki lub nawet duchowości. Ale my tutaj tego nie proponujemy. Chcemy natomiast zaproponować ideę mającą zastąpić mistyczne i metafizyczne spekulacje, ideę, która zawiera przynajmniej ziarenko teorii naukowej. W rozdziale 2 porównaliśmy zdolność życia do zachowania swego stanu o wysokiej organizacji z czymś podobnym do stołu bilardowego, które mogło utrzymać trójkąt bil w centrum stołu dzięki wykrywaniu i zastępowaniu bil wybitych z trójkąta przez kolizje z innymi bilami w układzie niby-termodynamicznym. Teraz, gdy dowiedzieliście się więcej o tym, jak życie działa, możecie zrozumieć, że ta samowystarczalność utrzymywana jest dzięki pracy maszynerii molekularnej enzymów, barwników, DNA, RNA i innych biomolekuł, których własności nierzadko zależą od zjawisk kwantowych, takich jak tunelowanie, koherencja i splątanie. Ostatnie dowody, które badaliśmy w tym rozdziale, wskazują, że dominujące albo całe to zróżnicowane, kwantowo doładowane działanie, które wyobrażaliśmy sobie jako działanie zachodzące na pokładzie naszego żaglowca, jest utrzymywane przez niezwykłą zdolność życia do ujarzmiania termodynamicznego sztormu, aby utrzymać swe połączenie z głębszą kwantową rzeczywistością. Ale co się dzieje, jeśli sztorm termodynamiczny jest zbyt silny, metaforycznie łamiący maszty żaglowca? Już dłużej nie mogąc wykorzystywać termodynamicznych szkwałów i porywów – białego i kolorowego szumu – aby utrzymać się na stępce, pozbawiona żagli komórka, o której wnętrze będą walić fale, metaforycznie wywróci się stępką do góry, zrywając w końcu swoje połączenie z uporządkowanym światem kwantów (rysunek 10.3.). Bez tego połączenia koherencja, splątanie, tunelowanie albo superpozycja nie mogą dłużej już wpływać na makroskopowe zachowanie komórki, a więc odcięta od świata

kwantowego komórka zatonie we wzburzonych falach termodynamicznego morza, stając się całkowicie klasycznym obiektem. Gdy żaglowiec już zatonie, żaden sztorm nie zepchnie go z mielizny. I być może gdy żywy organizm zostanie schwytany przez sztormowy ocean molekularnego ruchu, żadna burza nie przywróci mu kwantowego łącznika.

Rysunek 10.3. Być może śmierć jest zerwaniem połączenia żywego organizmu z uporządkowanym światem kwantowym, czyniącym go bezsilnym na chaotyczne siły termodynamiki.

Czy możemy wykorzystać biologię kwantową do stworzenia nowej technologii?

Sztormy mogą nie zepchnąć z mielizny zatopionych statków, ale ludzie mogą. Ludzka pomysłowość może osiągnąć więcej niż losowe siły. Jak omawialiśmy w rozdziale 9, prawdopodobieństwo, że wiejące na podwórku tornado zmontuje przypadkowo jumbo jeta, jest niewiarygodnie małe. Ale inżynierowie umieją budować samoloty. Czy możemy także zbudować życie? Jak już wskazywaliśmy w tej książce przy wielu okazjach, nikt dotąd nie stworzył życia ze związków chemicznych, co zgodnie ze słynnym powiedzeniem Richarda Feynmana oznacza, że nie rozumiemy jeszcze w pełni, czym jest zjawisko życia. Ale być może nasze nowe zrozumienie kwantowej biologii dostarczy nam środków do stworzenia nowego życia, a nawet stworzenia rewolucyjnej formy technologii życia. Technologia życia jest oczywiście nam znana. Jesteśmy zupełnie od niej zależni, od rolnictwa, które wytwarza nam pożywienie. Polegamy także na produktach tej technologii, takich jak chleb, ser, piwo i wino, które są przetworami mąki, mleka, ziaren i soku z owoców przez drożdże i bakterie. Nasz świat współczesny podobnie korzysta z jej plonów, nieżywych produktów z kiedyś żywych komórek, takich jak enzymy, których Mary Schweitzer używała do rozkładu kości dinozaura. Podobnie enzymy są używane do rozkładu naturalnych włókien, aby zrobić materiał na ubrania, albo są dodawane do detergentów biologicznych, w których pierze się ubrania. Biotechnologia warta wiele milionów dolarów i przemysł farmaceutyczny produkują setki produktów naturalnych, takich jak antybiotyki, które leczą infekcje. Przemysł energetyczny wykorzystuje zdolność mikroorganizmów do przekształcania biomasy w biopaliwa; a wiele materiałów, które wspierają współczesne życie, takich jak drewno i papier, było kiedyś organizmami żywymi, jak paliwa kopalne, które ogrzewają nasze domy i napędzają samochody. A więc nawet w XXI wieku pozostajemy nadzwyczajnie uzależnieni od naszej odwiecznej technologii życia. Jeśli żywicie jeszcze jakieś wątpliwości, postarajcie się przeczytać powieść Cormaca McCarthy’ego The Road, opisującą ponury świat, który nam pozostanie, jeśli nierozważnie zniszczymy technologię życia. Ale istniejąca technologia życia ma swe ograniczenia. Na przykład, choć – jak odkryliśmy – pewne kroki w procesie fotosyntezy są niezwykle wydajne, ich większość taka nie jest i całkowita sprawność energetyczna przekształcenia energii słonecznej w energię chemiczną, którą zbieramy w rolnictwie, jest bardzo mała. Powód jest taki, że rośliny i drobnoustroje mają inny program niż my; one wykonują niewydajne obowiązki, jak wytwarzanie kwiatów i nasienia, które nie są potrzebne przy wychwytywaniu energii, ale są za to niezbędne do ich własnego przeżycia. Podobnie drobnoustroje wytwarzające antybiotyki, enzymy albo farmaceutyki robią to bardzo rozrzutnie, ponieważ ich udoskonalony przez ewolucję program zmusza je do wytwarzania zbędnej materii – coraz większej ilości komórek. Czy możemy skonstruować życie, które będzie działać wedle naszego planu?

Oczywiście, że możemy, i już czerpiemy korzyści z przekształcenia dzikich roślin i zwierząt w uprawy i zwierzęta hodowlane, zoptymalizowane do ludzkich wymagań. Ale proces sztucznej selekcji, który dał nam rośliny z większymi nasionami albo uległe zwierzęta nadające się do hodowli, ma swoje ograniczenia. Nie możemy dokonywać selekcji w tym, czego jeszcze natura nie zrobiła. Na przykład miliardy dolarów są wydawane każdego roku na nawozy, które uzupełniają w glebie azot, utracony na skutek częstych upraw. Strączkowe rośliny, takie jak groch, nie wymagają nawozów azotowych, ponieważ w swych korzeniach mają siedlisko bakterii, które wyłapują ten gaz bezpośrednio z atmosfery. Rolnictwo mogłoby być znacznie bardziej wydajne, gdybyśmy mogli stworzyć uprawy zbóż strączkowych, które chwytałyby swój własny azot, jak robi to groch. Ale taka zdolność nie wyewoluowała w żadnym ze zbóż. Jednak nawet to ograniczenie może być częściowo przezwyciężone. Genetyczna inżynieria roślin, drobnoustrojów, a nawet zwierząt rozpoczęła się w końcu XX wieku. Dzisiaj większość zbiorów z większych upraw, takich jak soi, pochodzi z genetycznie zmienionych roślin odpornych na zarazy albo środki chwastobójcze – i trwają wysiłki, aby wstawić gen umożliwiający wychwytywanie azotu do upraw zbożowych. Przemysł biotechnologiczny również opiera się na genetycznie modyfikowanych drobnoustrojach przy produkcji farmaceutyków i antybiotyków. Pomimo to wciąż istnieją ograniczenia. Inżynieria genetyczna w większości przypadków polega na przenoszeniu genów z jednego gatunku na drugi. Na przykład ryż wytwarza witaminę A (beta-karoten) w swych liściach, ale już nie w ziarnach, a więc nie jest obecny w podstawowych uprawach, które żywią większość krajów rozwijających się. Witamina A jest niezbędna dla naszego układu immunologicznego i dla naszego wzroku, a więc jej niedostatek w biedniejszych regionach żywiących się ryżem prowadzi każdego roku do śmierci milionów dzieci na skutek infekcji albo prowadzi do ich ślepoty. W latach dziewięćdziesiątych XX wieku Peter Beyer z uniwersytetu we Freibergu i Ingo Potrykus ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologicznego w Zurychu dodali do genomu ryżu dwa geny potrzebne do wytwarzania witaminy A – jeden pochodził od żonkila, a drugi z drobnoustroju – aby stworzyć odmianę ryżu z najwyższą zawartością witaminy A w ziarnach. Złoty ryż, jak nazwał tę odmianę Beyer ze względu na kolor jej ziaren, może teraz dostarczyć większości dawki dziennej witaminy A potrzebnej dziecku. Jednak choć genetyczna inżynieria jest metodą bardzo skuteczną, to zaledwie majstrowanie z życiem. Nowa nauka nazwana syntetyczną biologią ma na celu dokonanie prawdziwej rewolucji technologii życia poprzez wytworzenie zupełnie nowych form życia. Istnieją dwa komplementarne podejścia do biologii syntetycznej. Podejście od góry do dołu jest tym, które już spotkaliśmy w czasie omawiania, jak pionier sekwencjonowania genów Craig Venter skonstruował tak zwane „syntetyczne życie” poprzez zastąpienie genomu bakterii mykoplazma chemicznie zsyntetyzowaną wersją

tego samego genomu. Niemniej była to wciąż mykoplazma: nie wprowadzono żadnych radykalnych zmian w biologii bakterii. W ciągu najbliższych lat zespół Ventera planuje dokonać bardziej radykalnych zmian, ale będą one wprowadzane krok po kroku w tym podejściu od góry do dołu do syntetycznej biologii. Zespół nie stworzył nowego życia: zmodyfikował tylko istniejące. Drugie podejście, od dołu do góry, jest bardziej radykalne: bardziej niż na modyfikowaniu istniejącego organizmu podejście to skupia się na stworzeniu zupełnie nowych form życia z chemikaliów. Wielu uważa takie próby za niebezpieczne, a nawet za świętokradztwo. Czy jest to wykonalne? Otóż żywy organizm, taki jak my, to niesłychanie skomplikowana maszyneria. Jak każda maszyna można ją rozebrać na czynniki pierwsze, aby poznać zasadę projektu, a potem te zasady mogą zostać użyte do zbudowania jeszcze lepszej maszyny.

Budowanie życia od dołu w górę Entuzjaści budowy życia od dołu do góry marzą o stworzeniu zupełnie nowych form życia, które mogłyby przekształcić nasz świat. Na przykład współcześni architekci są słusznie pochłonięci tematem samowystarczalności: samowystarczalne domy, biura, fabryki i miasta. Jednak choć współczesne budynki albo miasta są często opisane jako samowystarczalne, w większości to wysiłek i umiejętności prawdziwie samowystarczalnych istot – ludzi – utrzymuje je w dobrym stanie: gdy na dachu wiatr zwieje dachówki podczas burzy, ty wynajmujesz dekarza, który wejdzie na górę i wstawi nowe; gdy ciekną rury, ty dzwonisz po hydraulika; gdy zepsuje się samochód, ty musisz dostarczyć go do mechanika. W gruncie rzeczy manualne działanie potrzebne jest do napraw naszych domów lub samochodów uszkodzonych w wyniku tej molekularnej przepychanki wiatru, deszczu i ogólnie wpływu środowiska. Życie jest inne: nasze ciała są zdolne do nieustannego podtrzymywania życia dzięki odnawianiu i naprawianiu uszkodzonych albo zużytych tkanek. Tak długo, jak jesteśmy żywi, w istocie sami siebie podtrzymujemy. Współczesna architektura stara się naśladować określone cechy życia w wielu znaczących budynkach ostatnich lat. Na przykład wieża „Korniszon” autorstwa Normana Fostera, która pojawiła się w panoramie Londynu w 2003 roku, posiada sześciokątne poszycie inspirowane koszyczkiem Wenery (to gąbka, a nie kwiat), które wydajnie rozprowadza naprężenia występujące w budynku. Eastgate Centre w Harare, w Zimbabwe, projektu architekta Micka Pearce’a, naśladuje klimatyzację kopca termitów, aby zapewnić odpowiednią wentylację i chłodzenie budynku. Rachel Armstrong, zastępca dyrektora grupy AVATAR z uniwersytetu w Greenwich, ma śmielszą wizję: prawdziwie

samowystarczalne budynki, szczytowe osiągnięcie architektury biometrycznej. Wraz z innymi wizjonerami architektury marzy ona o zbudowaniu budynków z żywych sztucznych tkanek, które posiadają zdolność samonaprawy, a nawet samoreplikacji193. Gdyby takie budynki zostały uszkodzone przez wiatr, deszcz albo powódź, mogłyby, jak organizmy żywe, odczuwać swoje rany i naprawić je tak, jak robią to organizmy żywe. Idea Armstrong może być rozszerzona na inne syntetyczne elementy będące dodatkiem do naszego życia. Żywy materiał mógłby zostać zastosowany przy wyrobie protez, takich jak sztuczne kończyny albo stawy, które miałyby zdolność samonaprawy i obrony przed mikrobami, tak jak żywa tkanka. Sztuczne formy życia wstrzykiwane do ludzkiego ciała wyszukiwałyby i niszczyły komórki nowotworowe. Farmaceutyki, paliwa i żywność mogłyby być wytwarzane ze sztucznej, syntetycznej formy życia nieobciążonej ewolucją. Zagłębiając się w przyszłość, powstaje wizja żywych robotów, androidów, które mogłyby przejąć czynności uważane przez społeczeństwo za niewdzięczne. Androidy mogłyby nawet „uziemić” Marsa, tak aby nadawał się do zamieszkania przez kolonie ludzi. Istnieje także wizja żywego statku kosmicznego, który mógłby zbadać Galaktykę. Idea kreacji syntetycznych form życia od dołu w górę sięga wstecz, początku XX wieku, gdy francuski biolog Stéphane Ludec napisał, że „tak jak chemia syntetyczna rozpoczęła się wraz ze sztucznym utworzeniem najprostszych związków organicznych, tak biologiczna synteza musi zadowolić się najpierw wytworzeniem form przypominających najprostsze organizmy”194. Jak omawialiśmy w rozdziale 9, obecnie „najprostsze organizmy” żywe to bardzo złożone bakterie zbudowane z tysięcy składników, których nie da się jeszcze teraz wytworzyć w żadnym wyobrażalnym schemacie podejścia od dołu w górę. Życie musi się rozpocząć w czymś znacznie prostszym od bakterii. W obecnym stanie wiedzy naszym pierwszym praprzodkiem, jak sugerowaliśmy w tym rozdziale, mogła być molekuła samoreplikującego się enzymu RNA (rybosom) albo białko, które zostało otoczone pewnego rodzaju małym pęcherzykiem i uformowało się w samoreplikującą strukturę komórkową, protokomórkę. Natura pierwszych protokomórek, o ile rzeczywiście istniały, jest zupełnie niejasna. Wielu naukowców wierzy, że znalazły one schronienie w mikroskopijnych porach skał, takich jak skały w Isua z rozdziału 9, wypełnionych prostymi związkami biochemicznymi mogącymi podtrzymywać życie. Inni wierzą, że były to pęcherzyki albo kropelki związków biochemicznych, unoszące się w pierwotnym oceanie, otoczone czymś, co przypominało błonę komórkową. Większość entuzjastów syntetycznego życia inspirują teorie o pochodzeniu życia tworzące swe własne sztuczne protokomórki zdolne do pływania w laboratoryjnych morzach pierwotnych. Być może najprostszymi były kropelki albo pęcherzyki oleju w wodzie lub wody w oleju. Są one łatwe do wytworzenia, w istocie sami je milionami wytwarzacie, gdy robicie dressing do sałaty. Olej i woda nie łączą się

ze sobą i szybko się separują, ale jeśli dodacie substancji, której molekuły przylgną i do wody, i do oleju, substancji powierzchniowo czynnej, takiej jak musztarda, i dobrze wstrząśniecie miksturą, to powstanie dressing do sałaty. Chociaż może on wyglądać na gładki i jednorodny, w rzeczywistości jest wypełniony bilionami maleńkich stabilnych kropelek oleju. Martin Hanczyc z Uniwersytetu Południowej Danii stworzył niezwykle podobne do żywych protokomórki z kropelek oleju w środowisku wodnym, które stabilizuje detergent. Jego protokomórki są bardzo proste, często składają się tylko z pięciu związków chemicznych. Zmieszane w odpowiednich proporcjach, same składają się w kropelki oleju. We wnętrzu tych kropelek prosta chemia sprawia, że protokomórka porusza się w swym środowisku, napędzana konwekcją (cyrkulacją ciepła) i tego samego rodzaju siłami chemicznymi, które powodują koalescencję kropelek oleju. Te protokomórki dzięki absorpcji związków chemicznych ze środowiska są nawet zdolne do wzrostu i prostej samoreplikacji, ostatecznie rozpadając się na dwie części195. Protokomórki Hanczyca uważane są za żywe komórki wywrócone na lewą stronę, ponieważ mają wnętrze oleiste, a wodę na zewnątrz. Większość badaczy wybiera komórki z wodnym wnętrzem. To pozwala na wypełnienie ich roztworem biomolekuł. Na przykład w 2005 roku Jack Szostak wypełnił protokomórki molekułami rybosomów RNA196. Pamiętajmy (rozdział 9), że rybosomy są molekułami RNA, które kodują informację genetyczną, tak jak DNA, ale także wykazują aktywność enzymu. Jego zespół pokazał, że wypełniona rybosomami protokomórka była zdolna do prostych form dziedziczenia, w istocie rozdzielając się na dwie protokomórki podobne do tych, jakie stworzył Hanczyc. W 2014 roku zespół kierowany przez Sebastiena Lecommandoux z Uniwersytetu Radbouda w Holandii stworzył inny rodzaj protokomórki o licznych komorach wypełnionych enzymami, które mogły, tak jak komórki żywe, posługiwać się prostym metabolizmem tworzącym kaskadę z jednej komory do następnej197. Te dynamiczne, aktywne chemicznie protokomórki są z pewnością intrygującymi i robiącymi wrażenie konstrukcjami, ale czy są one życiem? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przyjąć roboczą definicję życia. Taka oczywista, czyli samoreplikacja, jest dobra do wielu celów, ale wymaga zbyt wiele. Większość komórek w dorosłym organizmie, takich jak krwinki czerwone i komórki nerwowe, nie replikuje się, a jednak bez wątpienia są one żywe. Nawet cali ludzie, tak jak buddyjscy lub katoliccy duchowni, nie zaprzątają sobie głowy (zwykle) takimi sprawami jak samoreplikacja, a mimo to pozostają wciąż bardzo żywi. A więc choć samoreplikacja jest oczywiście niezbędna w przeżyciu każdego gatunku, to nie jest obowiązkową cechą życia. Cechą życia bardziej podstawową niż samoreplikacja jest ta, którą omawialiśmy już wcześniej i którą starają się naśladować biomimetyczni architekci: samowystarczalność. Życie ma zdolność do ciągłego podtrzymywania swego stanu.

A więc minimalnym wymaganiem, jakie będziemy stawiali budowanym od dołu w górę protokomórkom, aby zakwalifikować je jako żyjące, jest ich samowystarczalność na burzliwych termodynamicznych morzach. Niestety, według tej ograniczonej definicji życia żadna z dotąd istniejących protokomórek nie jest żywa. Nawet te, które potrafią dokonać kilku trików, jak prosta samoreplikacja (podział na dwie), wytwarzają potomstwo, które nie jest tak naprawdę takie samo jak rodzice: mają mniej składników początkowych, jak rybosomy albo enzymy, stąd gdy proces replikacji postępuje, te składniki wyczerpują się w końcu. Podobnie jest z protokomórkami stworzonymi przez grupę Lecommandoux, są one zdolne do utrzymywania metabolizmu przypominającego ten u prostych organizmów żywych, ale muszą być napełniane aktywnymi biomolekułami, których same nie są w stanie uzupełniać. Obecne generacje protokomórek są jak stare nakręcane zegary: mogą podtrzymywać swój chemiczny stan początkowy aż do wyczerpania składników. Potem ciągłe bombardowanie otaczającego je środowiska molekularnego niszczy organizację tych protokomórek i stają się one coraz bardziej chaotyczne, aż w końcu niewiele różnią się od swego otoczenia. Sztuczne protokomórki, w odróżnieniu od życia, są niezdolne do samonakręcania się. Czy brak im jakiegoś składnika? Ta dziedzina badań jest bardzo młoda i prawdopodobnie nastąpi jej ogromny rozwój w nadchodzących dekadach. Idea, jaką chcemy zająć się w ostatniej części tej książki, polega na tym, że mechanika kwantowa może dostarczyć tej brakującej iskierki do ożywienia sztucznego życia i uczynienia go prawdziwym. Taki postęp mógłby, oprócz zapoczątkowania nowych technologii, dać nam odpowiedź na pradawne pytanie, jakie zadaliśmy w rozdziale 2: czym jest życie? My, autorzy tej książki, i inni twierdzimy, że termodynamiczny opis życia jest nieadekwatny, ponieważ nie uwzględnia zdolności życia do wykorzystania świata kwantów. Życie, naszym zdaniem, zależy od mechaniki kwantowej. Ale czy mamy rację? Jak już omawialiśmy, trudno to udowodnić za pomocą technologii, jaką obecnie dysponujemy, ponieważ w żywej komórce nie można po prostu włączyć i wyłączyć mechaniki kwantowej. Przewidujemy jednak, że życie, sztuczne lub naturalne, nie jest możliwe do zrealizowania bez dziwnych właściwości świata kwantowego, o których mówiliśmy w tej książce. Jedynym sposobem, by się przekonać, czy mamy rację, jest stworzenie sztucznego życia „z” i „bez” (jeśli to możliwe) kwantowej dziwaczności i przekonanie się, które z nich lepiej się sprawuje.

Pierwotna kwantowa protokomórka Wyobraźmy sobie budowanie prostej żywej komórki z całkowicie nieożywionego

materiału. Być może takiej, która jest zdolna do wykonywania prostych zadań, takich jak wyszukanie pożywienia w czymś, co przypomina pierwotne morze. Naszym zadaniem będzie budowa takiego urządzenia na dwa sposoby. Jedno z nich będzie próbowało wykorzystywać dziwaczne własności świata kwantów i nazwiemy je kwantową protokomórką. A drugie nie będzie – i to nazwiemy klasyczną protokomórką. Dobrym punktem startu dla obu wersji będzie wielokomorowa, otoczona błoną protokomórka Sebastiena Lecommandoux, co pozwoli na wydzielenie odrębnych funkcji życiowych do poszczególnych komór. Następnie musimy zapewnić naszej protokomórce źródło energii: wykorzystajmy to najczęstsze źródło fotonów, światło słoneczne. Załadujemy jedną z komór molekułami barwnika i białkami stanowiącymi ich rusztowanie, to będzie czymś w rodzaju panelu słonecznego zdolnego do wychwytywania fotonów i zamiany ich energii na energię ekscytonów, jak w sztucznym chloroplaście. Jednak bezładny stos molekuł barwnika nie będzie w stanie efektywnie transportować energii, co jest cechą charakterystyczną układu fotosyntetyzującego, ponieważ molekularny bałagan nie będzie podtrzymywał kwantowej koherencji, niezbędnej do wysoce wydajnego transportu energii. Aby uchwycić kwantowy rytm, musimy zorientować molekuły barwnika tak, aby koherentna fala kwantowa mogła płynąć poprzez układ. W 2013 roku grupa z uniwersytetu w Chicago, kierowana przez pioniera badań fotosyntezy Grega Engela, wzięła się za ten problem i chemicznie ustawiła wszystkie molekuły w jednym kierunku. Tak jak w przypadku kompleksów FMO glonów, w których Engel po raz pierwszy odkrył kwantową koherencję (rozdział 4), ich układ sztucznego barwnika wykazał kwantowe dudnienia, które trwały przez dziesięć femtosekund, nawet w temperaturze pokojowej198. A więc aby zapewnić naszej kwantowej protokomórce napędzane koherencją ekscytony, napełnimy ją lasem ześrubowanych przez Engela molekuł barwnika. Klasyczna fotokomórka zawierałaby te same molekuły barwnika, ale byłyby one rozłożone losowo, a więc ekscyton musiałby lawirować pomiędzy nimi. Możemy w ten sposób dowiedzieć się, czy kwantowa koherencja jest niezbędna, czy niepotrzebna do transportu energii przez ekscyton w zjawisku fotosyntezy. Jednak, jak już odkryliśmy, wychwycenie światła to zaledwie pierwszy krok w fotosyntezie. Musimy teraz przekształcić niestabilny ekscyton w stabilną chemiczną formę energii. Pewien postęp już nastąpił na tej drodze. Gdy grupa Scully’ego demonstrowała w swej pierwszej publikacji, że centrum reakcji fotosyntezy wydaje się być kwantową maszyną cieplną, dowodziła, że biologiczne kwantowe maszyny cieplne mogą być przykładem dla projektów bardziej wydajnych fotokomórek199. Jeszcze w tym samym roku zespół z uniwersytetu w Cambridge, zainspirowany ich słowami, pokazał schemat konstrukcyjny takiej sztucznej fotokomórki, która mogłaby działać jak

kwantowa maszyna cieplna200. Grupa ta zrobiła sztuczny model centrum reakcji z ześrubowanych razem molekuł barwnika z laboratorium Engela i pokazała, że powinno ono dostarczyć elektron do modułu akceptora za pomocą przekraczającego granicę Carnota powiększenia sprawności, które w naturalnej fotosyntezie odkryła grupa Scully’ego. Wyobraźmy sobie zatem kwantową komórkę słoneczną ustawioną na sztucznym centrum reakcji, inspirowaną modelem zespołu z Cambridge, która zdolna jest przechwytywać elektrony jako stabilną formę energii chemicznej. Powtórzmy jeszcze raz: będziemy tworzyć układ konkurencyjny wobec klasycznej protokomórki, która posługuje się podobnym procesem transportu energii, ale bez udziału kwantowego, obalającego granicę Carnota, powiększenia sprawności. Gdy już energia światła zostanie przechwycona, może być użyta do budowy złożonych biomolekuł, jak molekuły barwnika. Jednak tak jak elektronów, reakcje biosyntezy potrzebują dodatkowej energii, której naszym komórkom dostarcza oddychanie komórkowe (rozdział 3). Oddychanie będzie naszą inspiracją i przerzucimy kilka wysoko energetycznych elektronów otrzymanych w reakcji fotosyntezy do przedziału „elektrownia”, gdzie będą tunelować z jednego enzymu do drugiego, tak jak w łańcuchu oddechowym, aby wytworzyć ATP, molekularny nośnik energii komórki. I znów naszym celem jest stworzenie komory oddechowej i zbadanie roli mechaniki kwantowej w tym podstawowym procesie biologicznym. Posiadając źródło elektronów i energię, nasza kwantowa protokomórka jest teraz zdolna wytwarzać swe własne związki biochemiczne; ale potrzebuje źródła surowca – pożywienia. A więc zapewnimy jej to źródło, proste cukry: glukozę rozpuszczoną w naszym laboratoryjnym pierwotnym morzu. Musimy zainstalować napędzane przez ATP transportery cukru, zdolne do pompowania glukozy do wnętrza komórki, razem z innymi enzymami zdolnymi do manipulacji na jej atomach – inżynieria kwantowego poziomu – aby tworzyć bardziej złożone związki biochemiczne. Wiele z tych enzymów normalnie posługuje się tunelowaniem elektronów i protonów, jak omawialiśmy w rozdziale 3, ale naszym celem jest budowa wersji, które pracują z udziałem mechaniki kwantowej lub bez jej udziału, tak aby rozstrzygnąć, czy mechanika kwantowa jest istotna dla tych maszyn życia. Inną cechą, którą chcielibyśmy obdarzyć naszą protokomórkę, jest możliwość wykorzystywania burzy molekularnych szumów w celu podtrzymania koherencji kwantowej. Obecnie zbyt mało wiemy, jak życie posługuje się tym trikiem, aby mieć pewność, jak można to sztucznie wytworzyć. W grę może wchodzić wpływ wielu czynników: na przykład, jak wiadomo, ekstremalnie zapełnione środowisko molekularne żywej komórki może zmieniać wiele reakcji biochemicznych201 i tym samym może wspomóc ograniczenie randomizującego wpływu szumu. A więc

napakujemy protokomórki bardzo ciasno biomolekułami, aby symulować to zatłoczone żywe otoczenie, i mamy nadzieję, że pomoże to ujarzmić szkwały i porywy termodynamiczne, aby utrzymać koherencję. Ale nasza protokomórka pozostaje dalej w potrzebie, bo wszystkie jej enzymy muszą być z góry załadowane na pokład. Aby stała się samowystarczalna, musimy utworzyć jeszcze jedną komorę, sterownię, ze sztucznie wytworzonym genomem opartym na DNA, zdolnym do zakodowania wszystkiego, co potrzebne, razem z maszynerią konieczną na poziomie kwantowym do wykonania kodu na protonie w białkach. To podejście całkiem podobne do tego, jakie stosował Craig Venter, tylko nasz genom będzie wstrzyknięty do nieżyjącej protokomórki. I w końcu moglibyśmy nawet wyposażyć naszą protokomórkę w system nawigacji, może na przykład molekularny nos, umożliwiający lokalizację jej pożywienia za pomocą kwantowego splątania receptorów węchu, o jakim była mowa w rozdziale 5. No, i może jeszcze wyposażymy ją w molekularny silnik, umożliwiający pływanie w pierwotnym morzu. Moglibyśmy nawet wyposażyć ją w kwantowy system nawigacji, jaki posiadają rudziki, który pomógłby jej przy wyborze kursu na laboratoryjnym morzu pierwotnym. To, co opisaliśmy, jest czymś więcej niż fantazją biologiczną – nie bardziej realną niż Ariel Shakespeare’a. Pominęliśmy ogromną ilość szczegółów i aby uczynić zagadnienie bardziej zrozumiałym, nie wspomnieliśmy o ogromnych wyzwaniach, jakim musi sprostać każdy realny, budowany od dołu w górę biologiczny projekt. Nawet gdyby kiedykolwiek podjęto próbę urzeczywistnienia tego projektu, to wszystkie te procesy nie byłyby uruchamiane w jednym kroku, ale z pewnością najpierw uruchomiono by w protokomórce najprostsze, najlepiej zrozumiane procesy – być może fotosyntezę. To oczywiście samo w sobie byłoby wielkim osiągnięciem i stałoby się doskonałym modelem do badania roli kwantowej koherencji w procesie fotosyntezy. Gdyby się to udało, w następnym kroku trzeba włączyć dodatkowe składniki, aby wprowadzić jeszcze większą złożoność, prowadzącą być może do prawdziwie żywej sztucznej komórki. Ale będzie to możliwe tylko, jak przepowiadamy, na kwantowej drodze do życia. Życie po prostu nie działa, nie mając łączności ze światem kwantów. Gdyby kiedykolwiek podjęto się takiego projektu, to może w końcu udałoby się stworzenie nowego życia. Taki postęp spowodowałby prawdziwie nową technologię życia: sztuczne życie zdolne do żeglugi tam, gdzie łączy się świat kwantów ze światem klasycznym. Sztuczne żywe komórki mogłyby być wytwarzane jako cegły prawdziwie samowystarczalnych budynków; mikrochirurdzy naprawialiby nasze uszkodzone i zniszczone tkanki. Fantastyczne właściwości kwantowej biologii, o których była mowa w tej książce, od fotosyntezy do działania enzymów i od nosów kwantowych do kwantowych genomów, kwantowych kompasów i być może kwantowych mózgów, mogą być spożytkowane do budowy nowego wspaniałego świata syntetycznych,

kwantowych żywych organizmów, które mogłyby uwolnić ich naturalnie urodzonych kuzynów od mozołu zaspokajania wszystkich potrzeb ludzkości. Ale być może jeszcze ważniejsza jest zdolność do tworzenia nowego życia od podstaw, co pozwoli biologii w końcu odpowiedzieć na słynne powiedzonko Feynmana: „nie rozumiem tego, czego nie mogę stworzyć”. Jeśli taki projekt kiedyś się powiedzie, to w końcu będziemy mogli stwierdzić, że rozumiemy życie i jego niezwykłą zdolność do zaprzęgnięcia sił chaosu do żeglowania wzdłuż wąskiej szczeliny pomiędzy światem klasycznym i kwantowym. Zaćmiłem słońca blaski południowe, Zbudziłem wiatry, wywołałem wojnę Zielonej fali i błękitnych stropów, Grzmiących piorunów zapaliłem ognie (…). William Shakespeare, Burza, akt V, scena 1, w tłumaczeniu Leona Ulricha 177 To pojęcie często używane jest do opisu niekoherentnych wibracji molekularnych. 178 Amplituda wibracji jest całkiem mała, a więc nie mają wiele energii. 179 M.B. Plenio, S.F. Huelga, Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules, „New Journal of Physics”, vol. 10 (2008), 113019; F. Caruso, A.W. Chin, A. Datta, S.F. Huelga, M.B. Plenio, Highly efficient energy excitation transfer in light-harvesting complexes: the fundamental role of noise-assisted transport, „Journal of Chemical Physics”, vol. 131 (2009), 105106–21. 180 M. Mohseni, P. Rebentrost, S. Lloyd, A. Aspuru-Guzik, Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer, „Journal of Chemical Physics”, vol. 129: 17 (2008), 1741–06. 181 B. Misra, G. Sudarshan, The Zeno paradox in quantum theory, „Journal of Mathematical Physics”, vol. 18 (1977), s. 746: http://dx.doi.org/10.1063/1.523304. 182 A watched pot never boils (Czekającemu czas się dłuży) (przyp. tłum.). 183 S. Lloyd, M. Mohseni, A. Shabani, H. Rabitz, The quantum Goldilocks effect: on the convergence of timescales in quantum transport, arXiv preprint, arXiv:1111.4982, 2011. 184 A.W. Chin, S.F. Huelga, M.B. Plenio, Coherence and decoherence in biological systems: principles of noise-assisted transport and the origin of long-lived coherences, „Philosophical Transactions of the Royal Society A”, vol. 370 (2012), s. 3658–3671; A.W. Chin, J. Prior, R. Rosenbach, F. Caycedo-Soler, S.F. Huelga, M.B. Plenio, The role of non-equilibrium vibrational structures in electronic coherence and recoherence in pigment-protein complexes, „Nature Physics”, vol. 9: 2 (2013), s. 113–118.

185 E.J. O’Reilly, A. Olaya-Castro, Non-classicality of molecular vibrations activating electronic dynamics at room temperature, „Nature Communications”, vol. 5 (2014), art. nr 3012. 186 I. Stewart, Does God Play Dice?: The New Mathematics of Chaos, Penguin UK, Harmondsworth 1997; S. Kauffman, The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution, Oxford University Press, New York 1993; J. Gleick, Chaos: Making a New Science, Random House, New York 1997. 187 M.O. Scully, K.R. Chapin, K.E. Dorfman, M.B. Kim, A. Svidzinsky, Quantum heat engine power can be increased by noise-induced coherence, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 108: 37 (2011), s. 15097–15100. 188 K.E. Dorfman, D.V. Voronine, S. Mukamel, M.O. Scully, Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 110: 8 (2013), s. 2746–2751. 189 Rośliny posiadają dwa fotosyntetyzujące układy, I i II. 190 M. Ferretti, V.I. Novoderezhkin, E. Romero, R. Augulis, A. Pandit, D. Zigmantas, R. Van Grondelle, The nature of coherences in the B820 bacteriochlorophyll dimer revealed by two-dimensional electronic spectroscopy, „Physical Chemistry Chemical Physics”, vol. 16 (2014), s. 9930–9939. 191 C.R. Pudney, A. Guerriero, N.J. Baxter, L.O. Johannissen, J.P. Waltho, S. Hay, N.S. Scrutton, Fast protein motions are coupled to enzyme H-transfer reactions, „Journal of the American Chemical Society”, vol. 135 (2013), s. 2512–2517. 192 J.P. Klinman, A. Kohen, Hydrogen tunnelling links protein dynamics to enzyme catalysis, „Annual Review of Biochemistry”, vol. 82 (2013), s. 471–496. 193 R. Armstrong, N. Spiller, Living quarters, „Nature”, vol. 467 (2010), s. 916–919. 194 S. Ludec, The Mechanism of Life, William Heinemann, London 1914. 195 T. Toyota, N. Maru, M.M. Hanczyc, T. Ikegami, T. Sugawara, Self-propelled oil droplets consuming „fuel” surfactant, „Journal of the American Chemical Society”, vol. 131: 14 (2009), s. 5012–5013. 196 I.A. Chen, K. Salehi-Ashtiani, J.W. Szostak, RNA catalysis in model protocell vesicles, „Journal of the American Chemical Society”, vol. 127: 38 (2005), s. 13213–13219. 197 R.J. Peters, M. Marguet, S. Marais, M.W. Fraaije, J.C. van Hest, S. Lecommandoux, Cascade reactions in multicompartmentalized polymersomes, „Angewandte Chemie International Edition” (English), vol. 53: 1 (2014), s. 146–150. 198 D. Hayes, G.B. Griffin, G.S. Engel, Engineering coherence among excited states in synthetic heterodimer systems, „Science”, vol. 340: 6139 (2013), s. 1431–1434.

199 Dorfman e.a., Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine. 200 C. Creatore, M.A. Parker, S. Emmott, A.W. Chin, An efficient biologically-inspired photocell enhanced by quantum coherence, arXiv preprint, arXiv:1307.5093, 2013. 201 C. Tan, S. Saurabh, M.P. Bruchez, R. Schwartz, P. Leduc, Molecular crowding shapes gene expression in synthetic cellular nanosystems, „Nature Nanotechnology”, vol. 8: 8 (2013), s. 602–608; M. S. Cheung, D. Klimov, D. Thirumalai, Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins, „Proceedings of the National Academy of Sciences”, vol. 102: 13 (2005), s. 4753–4758.

Epilog

Życie kwantowe Europejski rudzik, którego spotkaliśmy w rozdziale 1, z powodzeniem przezimował w śródziemnomorskim słońcu i podskakując pośród rzadkich drzew i kamieni Kartaginy w Tunezji, utuczył się muchami, chrząszczami, robakami i nasionami, składającymi się z biomasy wytworzonej z powietrza i światła przez kwantowo napędzane maszyny fotosyntezy, które nazywamy roślinami i drobnoustrojami. Ale Słońce zawędrowało wysoko na nieboskłon i jego nieznośne ciepło wysuszyło płytkie strumyczki, które wiły się między drzewami. W lesie coraz mocniej praży słońce i staje się on niegościnny dla europejskich wróblowatych. Już czas wyruszać. Dzień już ma się ku zachodowi i maleńki ptaszek wzlatuje na wysoką gałązkę cedrowego drzewa. Starannie czyści piórka – tak jak czynił to wiele miesięcy temu – słuchając odgłosów innych rudzików, które podobnie odczuwają chęć do dalekiego lotu. Gdy ostatnie promienie słońca zapadają się pod horyzontem, rudzik zwraca swój dziobek ku północy, rozpościera skrzydła i wylatuje w nocne niebo. Rudzik kieruje się ku wybrzeżu Afryki Północnej i kontynuuje lot nad Morzem Śródziemnym, obierając prawie dokładnie tę samą drogę, jaką przebył sześć miesięcy wcześniej, kierowany raz jeszcze swoim ptasim kompasem ze splątaną kwantowo igłą. Każdy ruch jego skrzydła napędzany jest skurczem włókien mięśniowych, którym energii dostarcza kwantowe tunelowanie elektronów i protonów w enzymach oddechowych. Po wielu godzinach lotu osiąga wybrzeże Hiszpanii i zatrzymuje się w zalesionej dolinie rzeki Andalucía, gdzie odpoczywa wśród obfitej roślinności, w tym wierzb, klonów, wiązów i olch, drzew owocowych i kwitnących krzewów, takich jak oleander, a każdy z nich jest produktem kwantowo napędzanej fotosyntezy. Molekuły zapachowe rozchodzą się po jego przewodach nosowych, przylegają do molekuł receptorów węchu i wywołując zdarzenia tunelowania kwantowego, przesyłają poprzez kanały jonowe w stanie kwantowej koherencji sygnały do mózgu, które mówią mu, że w pobliżu, na kwiecie pomarańczy, są smakowite pszczoły i inne owady zapylające, mogące być treściwym pożywieniem na następny etap podróży. Po wielu dniach lotu rudzik w końcu odnajduje skandynawski las świerkowy,

z którego wyprawił się zimą wiele miesięcy temu. Teraz musi znaleźć partnera. Nasz rudzik to samiczka; samce powróciły kilka dni wcześniej i większość z nich znalazła odpowiednie miejsca do gniazdowania, które teraz zachwalają samiczkom swoim śpiewem. Nasz rudzik zwraca szczególną uwagę na wyjątkowo melodyjnego samca i w ramach zalotów zjada kilka smacznych pędraków uzbieranych przez niego. Po krótkim akcie nasienie samca łączy się z jajeczkiem samicy i oparta na kwantowej mechanice informacja genetyczna, kodująca formę, strukturę, biochemię, fizjologię, anatomię i nawet pieśni każdej pary ptaków, zostaje prawie bezbłędnie skopiowana do nowej generacji rudzików. Kilka pomyłek w kwantowym tunelowaniu dostarczy materiału przyszłej ewolucji gatunku. Oczywiście, jak podkreślaliśmy w poprzednich rozdziałach, nie możemy być pewni tego, że wszystkie opisane tu cechy są kwantowomechaniczne. Ale nie ma wątpliwości, że większość z tego, co było tak niezwykłe w rudzikach, amfiprionach, bakteriach, które przetrwały pod lodami Arktyki, dinozaurach, które wędrowały po lasach jurajskich, danaidach wędrownych, muszkach owocowych, roślinach i drobnoustrojach, ma swój związek z tym, że tak jak my są one zakorzenione w świecie kwantów. Jeszcze wiele jest do odkrycia; ale piękno każdej nowej dziedziny badań jest w tym, co nieznane. Jak powiedział Izaak Newton: Nie wiem, jak wyglądam w oczach świata, lecz dla siebie jestem tylko chłopcem bawiącym się na morskim brzegu, pochylającym się i znajdującym piękniejszą muszelkę lub kamień gładszy niż inne, podczas gdy wielki ocean prawdy jest ciągle zakryty przede mną. (https://pl.wikiquote.org/wiki/Isaac_Newton)

e 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