Kuantum Biyoloji, Doğanın En Büyük Gizemlerinden Üçünü Aydınlatabilir!

Kuantum mekaniği tuhaf olgularıyla ve uçuk sonuçlarıyla tanınır. Bir parçacığın aynı anda iki yerde birden ve hatta parçacık ve dalga olarak iki farklı durumda bulunabileceğini söyleyen “süperpozisyon” olgusunu bir düşünün. Ya bir parçacığın hayalet misali katı bir nesnenin içinden geçebildiği “kuantum tünelleme”ye ne demeli? Peki iki parçacığın aralarında ister 1 cm ister bin ışık yılı mesafe olsun fark etmeksizin ilişki kurabildiği “kuantum dolanıklık” olgusuna ne dersiniz? Bu durumda, bir parçacık bir yerden kaybolup başka bir delikten de çıkabilir, ki Einstein zaten bunu “uzaktan hayaletimsi etki” olarak adlandırmıştır.

Tuhaflıklarla dolu olsa da kuantum dünyası doğal dünyaya olan anlayışımızı büyük çapta genişletmiştir. Artık, kuantum mekaniğini biyolojiye uygulayarak bilim dünyasının en büyük ve en uzun soluklu gizemlerinden bazılarının sır perdesini kaldırmaya başladık. Kuantum biyolojinin verdiği filizler, günümüzde, kuş göçlerini, fotosentezi ve hatta belki de koklama duyusunu anlamamıza yardımcı oluyor.

Fotosentez ve Süperpozisyon

1930’lardan beri bilim insanları, fotosentezin ardında yatan bir kuantum olgunun varlığından şüphelenmişlerdir. 2007’de bir grup bilim insanı bu olgunun gerçekten var olduğuna dair ilk kanıtı ortaya koydu. Bu ekip ABD Enerji Bakanlığına ait Lawrence Berkeley Devlet Laboratuvarında (Berkeley Lab) çalışıyordu. Şimdilerde Şikago Üniversitesinde biyofizikçi olarak çalışan ve araştırmanın baş yazarı olan Greg Engel, kuantum biyoloji alanının aslen doğduğu bu çalışmaya önderlik etti.

Bitkiler fotosentez için “kromofor (renkveren)” adı verilen hücreler aracılığıyla fotonları (ışık parçacıklarını) toplarlar. Bu hücreler, toplanan enerjiyi bir araya getiren ve bu enerjiyi tepki merkezine yönlendiren “eksiton (uyarcık)” adlı yarı-parçacıkları serbest bırakırlar. Tepki merkezine getirilen enerji, burada, bitkinin metabolize edeceği kimyasal enerjiye dönüştürülür. Tüm bu işlem, yüzde 100’e yakın bir verimlilikle, saniyenin milyarda biri bir hızda gerçekleşmektedir. Hız, enerji kaybından kaçınmak için oldukça önemlidir çünkü bu tür bir enerji çabucak ısıya dönüşüp yitirilebilir. Şimdi, bu işlemin gözden kaçan kısmına gelelim…

Engel ve arkadaşları eksitonun, bir ya da daha fazla yolaktan geçmektense, süperpozisyondan faydalandığını gösterdiler. Araştırmacılar deneylerinde Chlorobium tepidum denilen yeşil renkli, sülfür soluyan bakteri kullandılar. (Bu bakteri türü, fotosentez yapan ilk organizmalardan biri olup bir milyar yıldan fazla varlığını sürdürmektedir.) Araştırmacılar, bakterinin vücut ısısını 77 Kelvin’in (-321º F veya -196º C’nin) altına çektiler ve sonra bakterinin vücudundan kısa atımlı lazer geçirdiler. Atımları iki boyutlu elektronik tayf ölçüm cihazıyla takip ederek enerjinin vücut boyunca tam olarak nasıl bir yol aldığını saptadılar. Buldukları şey ise eksitonun doğru bir hat üzerinde ilerlemeyip dalga benzeri bir hareketle yol aldığı oldu. Bir dalgayı oluşturan bütün parçaların özdeş olabildiğini söyleyen “kuantum uyumluluk (coherence)” sebebiyle dalga olarak bir eksiton da muhtemel tüm yolakları hissedebilir, aralarından en uygun olanı bulup o yolda ilerleyebilir. Çalışmanın bulguları Nature dergisinde yayımlanmıştır.

Yapılan diğer birkaç çalışmada da araştırmacılar fotosentezin aynı olguyla, yani kuantum uyumluluk aracılığıyla gerçekleştiğini gözlemlemiştir. Şayet bu sistemi taklit edebilme gücümüz olsaydı, süper verimli güneş panelleri ve daha uzun ömürlü piller üretebilirdik (madem, tamamıyla çevre dostu teknolojiye doğru yol alıyoruz, o halde bu durum bir hayli önem arz ediyor).

Çoğu bilim insanı kuantum mekaniğini biyolojiye uygulama konusunda çekinceli hissediyorlar çünkü ne de olsa fizikçiler parçacıkları oldukça sıkı kontrol edilen ortamlarda incelemekteler. Oysaki biyolojinin ıslak ve kaotik dünyasında olaylar sürekli olarak değişiyor; bu da onu, süperpozisyonun meydana gelebilmesi için fazlasıyla değişken bir ortam kılıyor.

MIT fizikçisi Seth Lloyd, bilgisayar simülasyonları yardımıyla, ortamdaki gürültünün aslında eksitonun ilerlemesini hızlandırabileceğini gösterdi. Eksiton bazen bitkinin iç ortamında takılı kalıyordu. Böyle olduğunda, moleküler gürültü onu takıldığı yerden kımıldatarak serbest bırakabiliyordu.

Kuşlardaki Göç Örüntüsü

Kuşların, Dünya’nın manyetik alanıyla etkileşen kimyasal bir içsel pusula aracılığıyla yollarını buldukları uzun zamandır bilinmektedir. Ancak sorun şu ki bu manyetik alan oldukça zayıftır. O halde kuşlar bu alanla nasıl etkileşim kurmaktadır?

Nature dergisinde yayımlanmış bir çalışmada Oxford Üniversitesinden araştırmacılar, soğuk havalar yaklaştığında bin mil mesafelere kadar uçabilen ve İskandinavya’dan Kuzey Afrika’ya kadar göç edebilen Kızılgerdanlar üzerine çalıştılar. Bir güneş ışığı fotonu kuşun retinasına çarptığında, iki tane eşlenmemiş elektronun serbest kaldığını buldular. Her birinin spini (dönüşü), kendini manyetik alana göre konumlandırıyordu. Oxford Üniversitesinden fizikçi Simon Benjamin bunun kimyasal olarak mümkün olabileceğini 2008 yılında yapmış olduğu bir deneyle kanıtladı. Benjamin, manyetik alana göre konum saptamanın, kuantum dolanıklık sayesinde mümkün olabildiğine ve ayrıca, sadece kuşların değil aynı zamanda böceklerin ve diğer canlıların da bu şekilde kendilerini konumlandırabildiklerine inanıyor.

[Ç.N: Yapılan bir diğer çalışmada Eric Gauger, Simon Benjamin ve arkadaşları, N@C60 adlı bir molekül kullanarak oda sıcaklığında 80 mikrosaniye boyunca kuantum dolanıklık yaratmayı başarmışlardır. Kuşlarda içsel göç pusulası ise yaklaşık 100 mikrosaniye boyunca kuantum dolanıklıktan faydalanıyor gibi durmaktadır. Araştırmanın bulguları 25 Ocak 2011'de Physical Review Letters'ta yayımlanmıştır.]

Koklama Duyusu

İnsanlar binlerce çeşit kokuyu ayırt edebilirler. Bilim insanları, en eski ve en ayırt edici duyulardan biri olan koklamanın tam olarak nasıl çalıştığını anlamak için epey uğraşmışlardır. Havadaki moleküllerin burun deliklerine girdiğini ve burundaki bir reseptörle bir şekilde etkileştiğini biliyoruz. Ancak bir maddeyi diğerinden nasıl ayırt edebildiği konusu hala bir muamma.

Yunanistan’daki BSRC Alexander Fleming Enstitüsünden kimyacı Luca Turin, sadece molekülün şeklinden ziyade, başka bir şeyin işin içinde olduğunu düşünüyor. Öncelikle molekül, burnun içindeki bir reseptöre bağlanır. Sonra, Turin’e göre, o moleküldeki bir elektron, reseptörün diğer tarafına kuantum tünelleme yoluyla geçiyor ve böylelikle beyne, o molekülün ne olduğunu söyleyen bir sinyal gönderiyor. Turin, koku alma duyusunun, molekülün asıl kimyasal terkibini bir şekilde içeren bir mekanizmanın varlığını gerektirdiğini söylüyor. Hal böyle olunca, kuantum tünelleme bu arayış için mükemmel bir kaftan.

Deneylerin birinde Luca Turin, tamamen farklı iki molekül olan boran ve sülfürün aynı koktuğunu buldu. Şeklen farklı olsalar da her ikisinin de çürük yumurta gibi kokmasını sağlayan şey, bağlarında bulunan benzer enerji içeriği olabilir. Ancak elbette ki koklamanın atomaltı düzeyde gerçekleştiğini söylemek için daha fazla araştırma yapılmasına ihtiyaç var. Buna rağmen, kuantum biyoloji alanı önemli atılımlar gerçekleştirmeye başladı bile. Bu atılımlar, Dünya üzerindeki yaşamın doğasına ilişkin kavrayışlarımızı derinleştirebilir ve aynı zamanda teknolojik yeniliklere yol açabilir.