החיים הקוונטיים

החיים הקוונטיים

הרעיון הנושן שתורת הקוונטים יכולה להסביר אספקטים יסודיים רבים של החיים עולה עתה שוב. מעלה את הרעיון פול דייויס, פיזיקאי ואסטרו-ביולוג מהמרכז למושגי יסוד במדע באוניברסיטת המדינה של אריזונה, במאמר שפורסם בראשון ליולי 2009, ב-Physicsworld.

עבור פיזיקאי, כותב דייויס, החיים נראים מעט קצרים מכדי שיביט עליהם כעל נס. הוא מביט עליהם כעל אוסף של אטומים, מסודרים יחד כך שיבצעו איזה שהוא “טריק”. במשך מאות בשנים, אורגניזמים חיים נחשבו למעין חומר קסמים. אולם היום, אנחנו יודעים ששום “כוח חיים” לא פועל בביולוגיה. יש רק חומר רגיל שמבצע דברים רגילים. זאת בעודו נשלט על ידי חוקי פיזיקה מוכרים. מה אם כן, שואל דייויס, הוא סוד התכונות המזהירות של החיים?

בשנות ה-40 וה-50, האופנה הייתה להניח שמכניקת הקוונטים טומנת בחובה את המפתח למסתורין של החיים. שהרי אבות הקוונטים הצליחו להסביר את תכונות החומר הלא חי. על כן הם קיוו שהתיאוריה שלהם היא מספיק מוזרה וגם בעלת עוצמת הסבר בכדי להסביר את מצב החי המוזר לא פחות של החומר גם כן. 

נילס בוהר, ורנר הייזנברג ויוג’ין ויגנר – כולם גם יחד רקחו ספקולציות בנושא. במאמרו “אור וחיים” שפורסם ב-נייצ’ר, בוהר ב-1933 האמין שההבחנה בין מערכות חיות ללא חיות היא יסודית ולמעשה היא ביטוי לעקרון הקומפלמנטריות. זאת בעוד שארווין שרדינגר כתב את ספרו המפורסם מהם החיים? שפורסם ב-1944. שרדינגר כתב, “במקרה זה, הדבר מסופק על ידי תורת הקוונטים. לאור הידע הנוכחי, המכניזם של התורשה קשור במידה קרובה, אם לא נוסד על הבסיס עצמו של תורת הקוונטים”. שרדינגר גם הביע את הספקולציה לפיה אפקטים קוונטיים יובילו להתנהגות חדשה רדיקלית שתבדיל את החי מהלא חי. “עלינו להיות מוכנים למצוא סוג חדש של חוק פיזיקאלי נפוץ בתוך זה”. ספרו של שרדינגר סלל את הדרך להולדת הביולוגיה המולקולארית בשנות ה-50, כותב דייויס.

החתול של שרדינגר: מהם חייו? חיי Q?…

מחצית המאה אחר כך, החלום שמכניקת הקוונטים איכשהו תסביר את החיים “במחי יד” – בדיוק כפי שהיא הסבירה מצבי חומר אחרים בצורה כה מזהירה ומקיפה – נגוז. כמובן, שמשתמשים במכניקת הקוונטים בתחומי הביולוגיה, כמו למשל להסביר את הגדלים והצורות של המולקולות ואת הפרטים של הקשרים הכימיים שלהן. אולם לא הופיע שום “עקרון חיים” מתורת הקוונטים, עקרון שיבדיל בין המצב החי ויאמר שהוא מיוחד. ויותר מזה, המודלים הקלאסיים הנושנים נראים מספיק טובים למרבית ההסברים בביולוגיה המולקולארית.

בנוסף, מערכות ביולוגיות הן כל כך מורכבות שקשה מאוד להפריד בין האפקטים הקוונטיים מהגורמים האחרים שהם בעיקרם תהליכים קלאסיים שגם כן קיימים במערכת. לכן ישנו ויכוח באיזו מידה החיים עושים שימוש בתהליכים קלאסיים, ובאיזו מידה הם מפיקים תועלת מתהליכים קוונטיים לא טריביאליים.

נשאלת השאלה, אומר דייויס, מדוע מכניקת הקוונטים אמורה להיות רלוונטית לחיים? מדוע על תורת הקוונטים להיות חשובה לחיים מעבר ליכולתה להסביר את המבנה הבסיסי והאינטראקציה של המולקולות?

טיעון כללי אחד הוא שהאפקטים הקוונטיים יכולים לשרת לקידום תהליכים שהם או איטיים או בלתי אפשריים בהתאם לפיזיקה הקלאסית. לדוגמא, המאפיינים המוזרים של תורת הקוונטים: אפקט המנהור הקוונטי, הסופרפוזיציה והשזירה הקוונטית – כל אלה יוצרים תופעות חדשות ובלתי צפויות שלא קיימות בעולם הקלאסי. בגלל שהתהליכים הבסיסיים של הביולוגיה מתרחשים ברמה המולקולארית, גיוס האפקטים הקוונטיים האלה להסבר לא נראה לגמרי בלתי הגיוני, טוען דייויס.

למשל, סופרפוזיציות קוהרנטיות מאפשרות לשעתוק להתפתח במהירות על ידי החקירה של מגוון אפשרויות הסתגלות בו-זמניות.

נבחן למשל את המנהור הקוונטי. ספקולציה אחת הייתה שמוטציות ביולוגיות מופיעות כתוצאה ממנהור קוונטי. הבסיס הגנטי לחיים נכתב בארבע אותיות של הנוקליאוטידים A, G, C ו-T שמתחברים בזוגות כדי ליצור את סלילי הסולם המפותל של מבנה הדנ”א. ה-T נצמד ל-A וה-G צמד ל-C, כאשר הזוגות מוחזקים יחד על ידי שלושה קשרי מימן בהתאמה. אולם בסיסי הנוקליאוטידים יכולים להתקיים גם בצורות כימיות אלטרנטיביות שידועות בשם טאוטומרים בהתאם למיקום הפרוטון. מכניקת הקוונטים מנבאת שפרוטון יכול לבצע מנהור בהסתברות סופית דרך מחסום הפוטנציאל שמפריד בין שני מצבים אלה, וזה מוביל לזיווג לא נכון, למשל ש-T יהיה עם G במקום עם A. מוטציות כידוע הן המניע של האבולוציה. במובן זה מכניקת הקוונטים היא בהחלט גורם תורם לשינוי אבולוציוני.

ניתן למשל לדבר על האפקט של מנהור חלבוני – חלבונים שיכולים לנוע דרך מחסומי אנרגיה שבדרך כלל יהיו בלתי אפשריים עבורם.

נגיד שהחיים עצמם למעשה לא עושים שימוש ב”טריקים הקוונטיים”. אנחנו לא יכולים להתעלם ממכניקת הקוונטים בביולוגיה. אי הודאות הקוונטית מציבה גבול יסודי על הדיוק של כל התהליכים המולקולאריים. מכניקת הקוונטים מציבה גבולות ברורים ויסודיים לפעולת המולקולות ולארגונן.

ישנן תופעות ביולוגיות רבות שלא ניתן להסביר על ידי המודלים העכשוויים הביוכימיים והקלאסיים שנהוג להשתמש בהם כאשר רוצים לתאר כיצד אורגניזמים חיים מתפקדים. הגיעו למסקנה שהדרך שבה נהוג להסביר מערכות ביולוגיות ואורגניזמים חיים היא לוקה בחסר ולא לגמרי מספקת ודרושה גישה יותר כוללת. לכן התחילו לפנות להסברים מהפיזיקה הקוונטית כדי למלא את החסר, וזאת היכן שההסבר הביוכימי הקלאסי לוקה בחסר.

ישנם אספקטים של מכניקת הקוונטים שדנים בקרינה. כמוכן, מכניקת הקוונטים מספקת הסבר לצורת המולקולאריות שהכרחיות לשכפול הדנ”א של חומצות הגרעין ולסוגי חלבונים, עקרון האיסור של פאולי מבטיח שלאטומים ומולקולות יהיו גדלים מוגדרים וכתוצאה הוא קובע לא רק את השכפול, אלא גם את קצבי הדיפוזיה המשתנים, תכונות הממברנה ותפקודים רבים ביולוגיים חשובים אחרים. מכניקת הקוונטים גם מסבירה את עוצמות הקשרים המולקולאריים שמחזיקים את מיכון החיים יחד ומאפשרים מטבוליזם. דוגמאות אלה קובעות את המבנה והתכונות הכימיות-הביוכימיות. במובן זה כאשר ביולוגים הבינו את החשיבות של תופעות כאלה ברמות סקאלת הננו למחקרם, מכניקת הקוונטים עלתה באופן טבעי כדיספלינת מחקר. 

תהליכים ביולוגיים יסודיים שקשורים בהמרה של אנרגיה לצורות שניתן להשתמש בהן להתמרות כימיות הם קוונטיים מכניים בטבעם. תהליכים אלה קשורים בריאקציות כימיות עצמן, בבליעת אור, ביצירת מצבים אלקטרוניים מעוררים, במעבר אנרגיה מעוררת, במעבר של אלקטרונים ופרוטונים וכדומה. בצורה זו תהליכים ביולוגים מקבלים הסבר תוך שימוש במכניקת הקוונטים שעוסקת בקרינה. כלומר, תהליכים ביולוגיים חשובים רבים שמתרחשים בתאים מונעים ונשלטים על ידי אירועים שקשורים בדרגות חופש אלקטרוניות. לכן משום כך דרוש התיאור שלקוח ממכניקת הקוואנטים.

דוגמא חשובה היא אירועי מפתח במהלך פוטוסינתזה בצמחים ומטבוליזם אנרגטי בתאים אאוקריוטים שמצדיקים תיאור קוונטי מכני – החל מבליעת האור בצורת פוטונים על ידי הרכיב הפוטוסינטתי ועד לתהליכי הטרנספר של האלקטרונים שמקיימים את היכולת האלקטרו-כימית של הממברנה. בגלל החשיבות של מגע האור עם צמחים (לשם ויסות תפקוד חיוני) וגם עם חיות (לראיה), האינטראקציה שבין האור לפוטו-קולטנים ביולוגיים היא נפוצה בטבע. והיא גם דורשת תיאור קוונטי מכני.

כאשר חושבים על מכניקת הקוונטים כבעלת תפקיד בביולוגיה, כותב דייויס, נתקלים בבעיה רצינית ויסודית. אפקטים כמו קוהרנטיות, שזירה קוונטית וסופרפוזיציה יכולים להתקיים לזמן מוגבל ואז מגיעים למצב שקרוי דה-קוהרנטיות קוונטית. דה-קוהרנטיות מופיעה כאשר המערכת היא באינטראקציה עם סביבתה בצורה תרמודינמית בלתי הפיכה. הדה-קוהרנטיות נגרמת על ידי האינטראקציה של המערכת עם סביבתה. בנוכחות רעש סביבתי, האפקטים הקוונטיים הרגישים מתערבלים, והמצבים הקוונטים הטהורים הופכים לערבובים ואז ישנו מעבר מהתנהגות קוונטית לקלאסית. כל עוד ניתן להרחיק את הדה-קוהרנטיות האפקטים הקוונטיים ישמרו. לכן הטיעונים של הביולוגיה הקוונטית עומדים או נופלים בהתאם ללוח הזמנים של הדה-קוהרנטיות: כמה זמן המערכת יכולה להתקיים עד שהיא תהיה דה-קוהרנטית. אם היא תהיה דה-קוהרנטית מהר מידי, היא תהפך לקלאסית בטרם משהו ביוכימי או ביולוגי מעניין יקרה לה.

פיזיקאים החלו לחשוב על סביבות שיעכבו את הופעת הדה-קוהרנטיות, או את השפעתה. פרמטר חשוב הוא הטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר הדה-קוהרנטיות חזקה יותר. לכן הפיזיקאים שעוסקים בתחום של המחשוב הקוונטי, למשל, משתמשים בסביבות בעלות טמפרטורה אולטרא נמוכות, כמו למשל על-מוליכים או מלכודות אטומים קרות.

במבט ראשון, אומר דייויס, התוך החמים והרטוב של התא החי נראה כסביבה מאוד לא מבטיחה ולכן מוביל מהר לדה-קוהרנטיות. חישובים מהירים מציעים זמני דה-קוהרנטיות מאוד מהירים עבור מרבית התהליכים הביוכימיים בטמפרטורות הדם.

אולם, אומר דייויס, ישנן סיבות מדוע מערכות ביולוגיות אמיתיות עשויות להיות פחות רגישות לדה-קוהרנטיות מאשר נובע מן המודלים הפשטניים. סיבה אחת היא שהאורגניזמים הביולוגיים הם מערכות מונעות, פתוחות ומאוד לא-ליניאריות. הן מערכות שפועלות הרחק משיווי משקל תרמודינמי. הפיזיקה של מערכות כאלה היא לא מובנת היטב והיא עשויה להסוות בתוכה תכונות קוונטיות חדשות. נתגלתה הארכה של זמן הקוהרנטיות במערכת קוונטית מסוימת, שדינמית הייתה מונעת הרחק משיווי משקל ומצומדת לסביבה חמה ורועשת שמהר מאוד הייתה גורמת לדה-קוהרנטיות למערכת סטטית.

אם כן, מאה וחמישים שנה אחרי שצ’רלס דרווין פרסם את על מוצא המינים, מוצא המינים עצמו נותר חידה ומסתורין עיקש. האורגניזם הפשוט ביותר הידוע היום הוא כבר מסובך בצורה מדהימה. לא סביר שצורה כזו תופיע באופן ספונטאני, קובע דייויס, במקרה או בתהליך שקרוי הרכבה עצמית של מולקולות.  

מרבית החוקרים משערים שהחיים התחילו או מתוך קבוצה של מולקולות שנשאו מידע דיגיטלי, שמשכפל-עצמו, והרבה יותר פשוט מאשר הדנ”א. או לחילופין, החלו במחזור כימי קטליטי עצמי שלא אחסן שום מידע גנטי, אבל היה מסוגל לייצר כמויות נוספות של אותה תרכובת כימית. ככה או ככה, שתי גישות אלה מתמקדות ביצור חומרי גלם שהם רק טבעיים, שכן ככלות הכל, החיים הידועים לנו מתרבים תוך שכפול החומר הגנטי. אולם תכונות המפתח לחיים – רפליקציה תוך וריאציה והברירה הטבעית –  לא דורשות באופן הגיוני מהמבנים החומריים עצמם להיות מועתקים. מספיק שהמידע ישוכפל. תכונה זו, כותב דייויס, פותחת אפשרות שהחיים עשויים היו להתחיל מצורה כלשהי של “רפליקטור קוונטי”, או “חיי Q“.

דייויס מהרהר באפשרות של רפליקטור קוונטי, ועושה הקבלה עם המחקר של המחשוב הקוונטי באומרו, שידוע שלא ניתן לשבט פונקציות גל, אולם מידע קוונטי דיסקרטי ניתן בהחלט לשכפול. והרי יש יתרון להעתקת ידע ברמה הקוונטית – המהירות. תהליך העתקה יכול להתקדם על סקאלות זמן כימיות או של מנהור. ואם רק נשווה זאת לזמן שלוקח לבצע רפליקציה לזוג בסיסי דנ”א, חיי ה-Q יכולים להתפתח מהר ובסדרי גודל רבים יותר מאשר החיים הכימיים. הסופרפוזיציה הקוהרנטית מאפשרת לחיי ה-Q להתפתח במהירות על ידי בחינת קשת רחבה של אפשרויות הסתגלות בו-זמנית. שביטי ענן אורט למשל יכולים לאפשר סביבת טמפרטורה נמוכה ועשירה בפוטנציאל פיזיקאלי וכימי לסוג חיים כאלה.

נשאלת השאלה, תוהה דייויס, כיצד רפליקטור קוונטי יכול היה להתפתח לחיים כימיים מוכרים? דייויס מעלה תרחיש אפשרי לפיו המולקולות האורגניות החלו כמו מעין מחשב קוונטי זעיר בכוכבי השביט, מאגר שאוגר מידע בצורה קוונטית. דייויס אז כותב: “בגלל רב גוניותם וחוזקם הרב יותר [של החיים האורגניים], הם היו מסוגלים בסוף בפועל ‘לקבל חיים משל עצמם’, להיפרד מהאב הקדמון של חיי ה-Q ולהתפשט לסביבות פחות מיוחדות ומוגבלות – כמו כדור הארץ”.

 

 

 

Advertisements

0 thoughts on “החיים הקוונטיים

  1. פרופ’ ליבוביץ נהג לומר בהקשר של השאלה הפסיכופיזית [הקשר בין גוף לנפש] שהשאלות החשובות והמעניינות ביותר הן אלו שאנחנו יודעים שלא תיתכן לגביהן תשובה.
    במושגי ותפיסות המדע היום, גם החיים הם עדיין מסתורין שכזה.
    אולי יבוא יום, וכשפרדיגמות המדע ישתנו, נוכל למצוא תשובה גם לשאלה הזו.
    ומצד שני – מה רע במעט מסתורין בחיים?
    (-:

  2. נכון. לשאלת החיים באמת אין תשובה.
    וכנראה שעוד הרבה זמן גם לא תהיה לה ממש תשובה…
    המדענים חשבו שמכיוון שתורת הקוונטים היא כל כך מסתורית אז אולי היא תפתור את חידת החיים שהיא גם מאוד מסתורית, למען האמת עוד יותר מסתורית. כלומר, תורה מסתורית יכולה לפתור חידה מסתורית: אולי הסבר שהוא מסתורי מתאים לחידה מסתורית…
    אבל מסתבר שהמדע לא עובד ככה וגם העולם לא עובד ככה. אנחנו לא פותרים בעיה מסתורית באמצעות תורות מסתוריות, שלמעשה אנחנו בעצמנו לא לגמרי מבינים את הפירושים שלהן. וגם זה שתורה היא מסתורית זה לא אומר שהיא מתאימה לפתרון בעיה כלשהי שהיא מסתורית. אין שום קשר…

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s