Η κβαντική Φυσική εξηγεί τη Βιολογία

ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΛΥΝΕΙ ΜΕΤΑ ΑΠΟ 2.500 ΧΡΟΝΙΑ ΤΟ «ΠΑΡΑΔΟΞΟ» ΤΟΥ ΖΗΝΩΝΑ

Το λεγόμενο «παράδοξο» του αρχαίου Ελληνα φιλοσόφου Ζήνωνα (490-415) από την Ελέα της Κάτω Ιταλίας, σύμφωνα με το οποίο η κίνηση είναι μια ψευδαίσθηση το οποίο ξένοι επιστήμονες είχαν ονομάσει από το 1977 «κβαντικό παράδοξο του Ζήνωνα», λύθηκε έπειτα από περίπου 2.500 χρόνια από τον επίκουρο καθηγητή του Φυσικού Τμήματος του Πανεπιστημίου Κρήτης και ερευνητή του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ), Γιάννη Κομίνη.
Με τη χρήση κβαντικών εξισώσεων ο 37χρονος Ελληνας ερευνητής απαντά σε έναν σύνθετο επιστημονικό γρίφο, που αποτελεί και πολιτιστικό επίτευγμα του 21ου αιώνα με απροσμέτρητες συνέπειες στο μέλλον. Με την εν λόγω ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε χθες στο παγκοσμίου κύρους περιοδικό «Physical Review», για πρώτη φορά στον κόσμο εμφανίζεται στην επιστήμη ένα κβαντικό φαινόμενο να «καθορίζει άμεσα τις δυνατότητες ενός βιολογικού οργανισμού» και συγκεκριμένα των πουλιών, καθορίζοντας τον ακριβή προσανατολισμό τους σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο της Γης.
Οι εξισώσεις του κ. Κομίνη που παρέχουν την εν λόγω εξήγηση ανοίγουν έναν πολύπλευρο δρόμο στην επιστήμη για την κατανόηση πολλών φαινομένων, όπως της φωτοσύνθεσης, της παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας στην κατανόηση της έμβιας ύλης και του ίδιου του ανθρώπου.
* Κύριε Κομίνη, ποια διαδρομή πραγματοποίησε η επιστήμη για να φτάσουμε ώς εδώ;
* «Η ιστορία των φυσικών επιστημών βρίθει από συνθέσεις επιστημονικών αντιλήψεων και θεωριών, το αποτέλεσμα των οποίων πολλές φορές ήταν μια επιστημονική αλλά και τεχνολογική επανάσταση. Για παράδειγμα, ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα ήταν γνωστά από την αρχαιότητα. Οι αρχαίοι Ελληνες είχαν παρατηρήσει ότι όταν τρίψει κανείς ένα κομμάτι από ήλεκτρο (κεχριμπάρι) σε ένα ύφασμα, τότε το ήλεκτρο έλκει ελαφρά αντικείμενα, όπως ένα μικρό κομμάτι χαρτί.
Αυτό είναι ένα ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο σήμερα γνωρίζουμε ότι προέρχεται από τη μεταπήδηση ηλεκτρονίων από το ύφασμα στο υλικό, το οποίο φορτίζεται αρνητικά και έλκει τα θετικά φορτία από ένα άλλο υλικό, όπως το χαρτί. Οι αρχαίοι Κινέζοι γνώριζαν τη χρήση της μαγνητικής πυξίδας στη ναυσιπλοΐα και σήμερα γνωρίζουμε ότι η κίνηση της πυξίδας οφείλεται στη δύναμη που ασκεί το μαγνητικό πεδίο της Γης στο μαγνητισμένο σίδηρο από τον οποίο αποτελείται η βελόνα της πυξίδας».
* Πάμε τώρα σε νέες επιστημονικές συνθέσεις;
* «Οπως είναι λοιπόν γνωστό, οι φυσικές επιστήμες, είτε για ιστορικούς είτε για πρακτικούς λόγους, έχουν χωριστεί σε διάφορους τομείς, π.χ. φυσική, χημεία, βιολογία. Οι τομείς αυτοί είναι με τη σειρά τους χωρισμένοι σε υποτομείς. Τα τελευταία χρόνια μια άλλη σύνθεση που είναι εν τη γενέσει της είναι η κβαντική βιολογία. Το πρώτο εύλογο ερώτημα που προκύπτει είναι: τι σχέση μπορεί να έχει ο παράξενος κόσμος των κβάντων με την έμβια ύλη; Τι σχέση μπορεί να έχει η κβαντική φυσική, που διέπει τον αόρατο στο ανθρώπινο μάτι υπο-ατομικό μικρόκοσμο, με τους έμβιους οργανισμούς; Φαινομενικά, καμία απολύτως σχέση.
Είναι βέβαια γνωστό ότι με την κβαντική φυσική κατανοούμε τη δομή των ατόμων. Η δομή των ατόμων και οι αλληλεπιδράσεις τους οδηγούν στην κατανόηση της δομής των μορίων και των χημικών αντιδράσεων, και αυτές με τη σειρά τους ρυθμίζουν τη συμπεριφορά τεράστιων βιο-μορίων, όπως είναι οι πρωτεΐνες (που αποτελούνται από χιλιάδες άτομα) που είναι η βάση των έμβιων οργανισμών.
Με άλλα λόγια, είναι γνωστό ότι η βάση της χημείας είναι η κβαντική φυσική, η βάση της βιολογίας είναι η χημεία και η βιοχημεία, αλλά μέχρι τώρα θεωρούνταν βέβαιο ότι καμία άλλη σχέση δεν υφίσταται μεταξύ κβαντικής φυσικής και βιολογίας εκτός από την προηγούμενη έμμεση συνάφεια, που κυρίως έχει να κάνει με τη δομή της ύλης, από την πιο στοιχειώδη στην πιο σύνθετη μορφή της».
* Τα κβαντικά φαινόμενα τι εξηγούν;
* «Η φύση όμως έχει τη δυνατότητα να μας εκπλήσσει και να μας δείχνει με απρόσμενο τρόπο ότι η πραγματικότητα είναι διαφορετική απ' ό,τι φανταζόμαστε. Για πρώτη φορά στην επιστήμη ανακαλύφθηκε πρόσφατα ότι υπεισέρχονται κβαντικά φαινόμενα σε ένα σημαντικό βιολογικό σύστημα. Πρόκειται για τις χημικές αντιδράσεις με ζεύγη ιοντικών ριζών. Τα ζεύγη αυτά είναι βιο-μόρια που υπεισέρχονται τόσο στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης όσο και στην "έκτη" αίσθηση των αποδημητικών πουλιών.
Η αίσθηση αυτή αφορά την ικανότητα των πουλιών αυτών να βρίσκουν με ακρίβεια τον προορισμό τους έπειτα από ταξίδι χιλιάδων χιλιομέτρων. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούν το μαγνητικό πεδίο της Γης και ο μηχανισμός με τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι γνωστός ως βιοχημική πυξίδα. Η πυξίδα αυτή στηρίζεται ακριβώς στις αντιδράσεις με ζευγάρια ιοντικών ριζών, οι οποίες λαμβάνουν χώρα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα των πουλιών. Οι αντιδράσεις αυτές επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο και έτσι τα προϊόντα της αντίδρασης φέρουν την πληροφορία για το μαγνητικό πεδίο της Γης».
* Η δική σας ανακάλυψη σε τι συνίσταται;
* «Η ανακάλυψη, που πραγματοποιήσαμε, δημοσιεύτηκε στο διεθνές επιστημονικό περιοδικό "Physical Review" και αφορά το γεγονός ότι οι αντιδράσεις αυτές καθορίζονται από κβαντικά φαινόμενα που για πρώτη φορά φαίνεται να εμφανίζονται σε ένα βιολογικό σύστημα. Τόσο οι χημικές αντιδράσεις και τα βιο-μόρια στα οποία λαμβάνουν χώρα όσο και ο μηχανισμός της βιοχημικής πυξίδας ήταν γνωστά στην επιστημονική κοινότητα εδώ και πολλά χρόνια. Ομως, η φυσική περιγραφή και κατανόηση αυτών των φαινομένων σε κβαντικό επίπεδο ήταν ελλιπής και "αποσιωπούσε" την ύπαρξη και δράση των κβαντικών φαινομένων. Μάλιστα, η δυνατότητα των πουλιών να προσανατολιστούν με μεγάλη ακρίβεια στο μαγνητικό πεδίο της Γης φαίνεται ότι είναι άμεση απόρροια αυτών των κβαντικών "παραδόξων".
Το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα έχει παρατηρηθεί σε πολλά πειράματα και με πολλές παραλλαγές, ποτέ όμως σε ένα βιοχημικό/βιολογικό σύστημα. Πιο αναλυτικά, αυτό που συμβαίνει είναι το εξής: το ζεύγος ιοντικών ριζών αποτελείται, πολύ απλά, από δύο μοριακά ιόντα και δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι μικροσκοπικοί, κβαντικοί μαγνήτες, οι οποίοι "αισθάνονται" το μαγνητικό πεδίο της Γης, όπως μια πυξίδα. Κάποια στιγμή όμως τα ηλεκτρόνια αυτά μεταπηδούν στα ιόντα και προκύπτει ένα ουδέτερο μόριο, δηλαδή η χημική αντίδραση λαμβάνει τέλος. Η μορφή του ουδέτερου μορίου που προκύπτει εξαρτάται από το τι προσανατολισμό έχουν οι δύο ηλεκτρονικοί μαγνήτες. Τον έλεγχο αυτό τον πραγματοποιούν τα δύο μοριακά ιόντα. Οταν ο έλεγχος αυτός που ασκούν τα ιόντα στα ηλεκτρόνια είναι πολύ "ισχυρός", τότε ακριβώς εμφανίζεται το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα και ο χρόνος ζωής της αντίδρασης αυτής παρατείνεται.
Αν βέβαια η χημική αυτή αντίδραση λάβει χώρα πολύ γρήγορα, τα προϊόντα θα είναι ανεξάρτητα από το μαγνητικό πεδίο και δεν θα επιβιώσει καμία πληροφορία γι' αυτό. Το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα είναι λοιπόν υπεύθυνο για τον χρόνο ζωής της βιοχημικής αυτής αντίδρασης, χρόνος που είναι επαρκής για να δουλέψει ο μηχανισμός της βιοχημικής πυξίδας».
* Ποιες θα είναι οι συνέπειες μιας τέτοιας ανακάλυψης;
* «Το ότι ένα κβαντικό φαινόμενο, όπως αυτό που περιγράψαμε, καθορίζει άμεσα τις δυνατότητες ενός βιολογικού οργανισμού είναι γεγονός που για πρώτη φορά εμφανίζεται στην επιστήμη και έρχεται να κλονίσει τα στεγανά μεταξύ παραδοσιακά διαφορετικών και πολύ απόμακρων επιστημονικών τομέων, όπως είναι η κβαντική φυσική και η βιοχημεία ή η βιολογία.
Οι συνέπειες της ανακάλυψης αυτής είναι πολύ πιθανό ότι θα είναι πολύπλευρες. Οι ίδιες χημικές αντιδράσεις που εμφανίζονται στη βιοχημική πυξίδα των πουλιών λαμβάνουν χώρα και στη φωτοσύνθεση, το βιοχημικό εργοστάσιο που μετατρέπει την ενέργεια από τον ήλιο σε βιοχημική ενέργεια που τροφοδοτεί τη ζωή στον πλανήτη. Είναι πιθανό η κατανόηση των αντιδράσεων αυτών σε κβαντικό επίπεδο να οδηγήσει σε μια βαθύτερη κατανόηση της φωτοσύνθεσης και σε μια αποδοτικότερη προσομοίωσή της από τον άνθρωπο, καθότι μέχρι τώρα η τεχνητή φωτοσύνθεση δεν έχει καταφέρει να προσεγγίσει τις δυνατότητες της φύσης. Μια τέτοια εξέλιξη θα έχει σοβαρότατες συνέπειες για την παραγωγή ή αποθήκευση ενέργειας. Ανοίγεται επίσης ο δρόμος για την ανάπτυξη νέων βιο-αισθητήρων, με απρόβλεπτες εφαρμογές στη βιοτεχνολογία. Τέλος, η ανακάλυψη αυτή μπορεί να είναι προπομπός άλλων παρόμοιων ανακαλύψεων σχετικά με την επίδραση των κβαντικών νόμων στην έμβια ύλη, ίσως ακόμα και στον άνθρωπο».

Από ΔΗΜΗΤΡΗ ΚΟΥΓΙΟΥΜΤΖΗ