ביולוגיה קוונטית

פוטוסינתזה: צמחים קולטים את פוטוני האור בנצילות של כמעט 100 אחוז ומהירות עצומה שאין לה הסבר טוב בפיזיקה הקלאסית. המנגנון היחיד כיום שיכול להסביר אותה הוא קיום של אפקטים קוונטיים בתא הביולוגי

ביולוגיה קוונטית (באנגלית: Quantum Biology) עוסקת בתופעות קוונטיות בצמחים ובבעלי חיים, ומחפשת תשובות לשאלה האם התופעות הקוונטיות כדוגמת סופרפוזיציה קוונטית, מנהור, ושזירה קוונטית (entanglement) מתרחשות בתא החי, ואם כן, מה השפעתן. מכניקת הקוונטים עוסקת בחלקיקים היסודיים ביותר ובמובן טריוויאלי זה נמצאת בכל דבר וגם בתא החי, אך הביולוגיה הקוונטית תרה אחרי התופעות נוגדות האינטואיציה של מכניקת הקוונטים, ומנסה לראות אם הן מעניקות לאורגניזם יתרון, והאם האבולוציה דחפה אותן. קיימות תופעות ביולוגיות, כגון פוטוסינתזה, שמעבר האנרגיה בהן הוא כה מהיר, שההסבר היחיד הקיים להן היום הוא קוונטי. השתתפות של אפקטים קוונטיים בתהליכים ביולוגיים היא לכאורה מפתיעה משום שאפקטים קוונטיים זקוקים לקוהרנטיות, כלומר סביבה ללא הפרעות. הם מוכרים לנו רק בתנאי מעבדה קיצוניים של ואקום וטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט. בסביבה המורכבת והרועשת של התא החי הדבר דומה לגלים שנוצרים מזריקת אבן למים, בבריכה סוערת הם ייעלמו במהירות. כשחלקיק מוקף בשלל חלקיקים אחרים האינטראקציה עם הסביבה מפרקת את הסופרפוזיציה והאפקט הקוונטי מתבטל. על אף זאת נמצאו ראיות שתהליכים אלה אכן קיימים בתא החי ויש להם השפעה ביולוגית.
תחום מדעי זה הוא בראשיתו. בחלק מהמקרים ייתכנו הסברים קלאסיים לתופעות, וגם במקרים שהניסויים האמפיריים הוכיחו אפקט קוונטי, לא ברור עד כמה השפעתו משמעותית והאם האבולוציה דחפה את התהליכים האלה.

המבשרים המוקדמים של הביולוגיה הקוונטית

באוגוסט 1932 נשא נילס בוהר הרצאה בכותרת "אור וחיים" (Light and Life) בכנס על טיפול רפואי בעזרת אור. בוהר היה פיזיקאי ולא היה קרוב לתחום הביולוגיה, אך בהרצאה הוא העלה מחשבות על מה שתורת הקוונטים החדשה, אותה עזר לנסח עשור קודם, יכולה לומר על החיים. הוא סבר שהתובנות הפיזיקליות החדשות של מכניקת הקוונטים מספקות בסיס חדש להבנת תהליכים ביולוגיים. בקהל היה פיזיקאי צעיר בשם מקס דלבריק. דלבריק פרש את רעיונותיו של בוהר כקריאה לחקר הגנטיקה בצורה פיזיקלית. באותו זמן מולקות הדנ"א טרם פוענחה ולא היה ידוע הקשר שלה לגנטיקה. דלברוק חקר תורשה של נגיפים וביסס את הגנטיקה כמדע העוסק בהעברת אינפורמציה, עבודה שזיכתה אותו בסופו של דבר בפרס נובל. מחקריו עוררו עניין באחרים, אחד מהם הוא ארווין שרדינגר, שגם הוא בין האנשים שניסחו את תורת הקוונטים. ב-1944 פרסם שרדינגר ספר בשם "מה הם החיים?" (What is Life?). בספר הוא מעלה השערה שמוטציות הן שינוי במבנה המולקולרי של "גן" – אף שאז עוד לא הובן מהו גן – השינוי נשלט על ידי החוקים של מכניקת הקוונטים, והגנים מסודרים במבנה שאותו כינה גביש אפריודי, כלומר מבנה מסודר ומאורגן אך לא מחזורי שמכיל פריטים רבים של מידע. הוא גם מעלה בספר השערה שמוטציות נגרמות על ידי "קפיצות קוונטיות" כלומר מעבר אטומים ממקום אחד לשני. פיזיקאי נוסף שנמשך לתחום בעקבות דלברוק הוא פרנסיס קריק, שב-1953, יחד עם ג'יימס ווטסון הראה ששרדינגר צדק, גנים בנויים מאבני בניין מולקולריים לאורך הסליל הכפול. בשנת 1962 הוענק להם פרס נובל על גילוי מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. ב-1963 כתב פר אולוב לואודין (Per-Olov Löwdin) על מנהור פרוטונים כמכניזם נוסף למוטציות בדנ"א. במאמר שכתב בנושא הוא גם טבע את שמו של התחום שהיה אז עתידי – "ביולוגיה קוונטית".
מתחילת המאה ה-21 התחום זוכה להתעניינות רבה, הוא נחקר בעזרת מודלים ובצורה אמפירית, ונמצאו ראיות לקיומם של תהליכים קוונטיים.

דואליות חלקיק-גל בפוטוסינתזה

אילו האקסיטון היה מפלס את דרכו במסלול אקראי דרך מולקולות הכלורופיל הוא היה מאבד אנרגיה, אך בפועל הוא מגיע למרכז הריאקציה במהירות עצומה ובנצילות של כמעט 100 אחוז.

תהליך הפוטוסינתזה מתחיל כשפוטון באורך הגל המתאים פוגע במולקולת כלורופיל. מולקולת הכלורופיל פולטת חלקיק אנרגיה שנקראת אקסיטון, האקסיטון מגיע למרכז הריאקציה (reaction center) שהופך את אנרגיית האור למטען חשמלי כימי על ידי כך שהוא פולט אלקטרון שנשמר במאגר. אלקטרונים אלה משתתפים בשלב הבא בתהליך חמצון-חיזור שבסופו מים ו-CO₂ הופכים לסוכר. אך כדי להגיע למרכז הריאקציה על האקסיטון לפלס את דרכו בין מולקולות הכלורופיל הצפופות האחרות. אם הוא יעשה זאת במסלול אקראי, הדרך תהיה ארוכה והרבה מהאנרגיה ילך לאיבוד בגלל התנגשויות עם המולקולות האחרות. בפועל מדידות מדויקות הראו שנצילות הפוטונים היא כמעט מאה אחוז, כמעט כל פוטון שנקלט מגיע למרכז הריאקציה והוא עושה זאת תוך פיקושנייה, שהיא מיליונית של מיליונית שנייה. מהירות כזאת ונצילות כזאת אי אפשר להסביר באמצעות פיזיקה קלאסית.

ההסבר הקוונטי גורס שהאקסיטון נמצא בסופרפוזיציה קוונטית, אין לו מקום מסוים אלא הוא מתפשט כגל עד שפונקציית הגל קורסת. כך הוא בפועל עובר בבת אחת דרך כל המסלולים האפשריים, ומובטח לו להגיע למרכז הריאקציה בדרך הקצרה ביותר. לשם כך הסביבה צריכה לשמור על קוהורנטיות לפרק זמן יחסית ארוך במובנים קוונטיים. עדיין לא ברור איך זה נעשה, ייתכן שנוצר סוג של מיסוך להפרעות שמצליח לשמר את הקוהרנטיות לזמן קצר.

מנהור קוונטי באנזימים

אנרגיית שפעול. דרושה השקעת אנרגיה כדי להעביר מולקולה למצב ביניים לקראת התפרקות, שבו יש מקסימום אנרגיה. אנזימים מורידים את האנרגיה הדרושה למצב הביניים

על פי מכניקת הקוונטים חלקיק לא נמצא במקום מסוים, המיקום שלו מוגדר על ידי פונקציית גל שמתארת את ההסתברות שלו להיות במקום כלשהו. ההסתברות היא גבוהה סביב אזור מסוים, וקטנה יותר אך לא אפס בנקודות מרוחקות, גם אם הן מעבר למחסום אנרגטי. באנלוגיה הדבר דומה לכדור שנזרק אל קיר ומיד מופיע מצידו השני. בעולם היומיום התופעה אינה מוכרת לנו, אך בתחום החלקיקים היא קורית, והיא נקראת מנהור קוונטי. מנהור קורה בטבע, למשל ללא מנהור השמש לא הייתה זורחת. מנהור גם מנוצל במכשירים כגון מיקרוסקופ מנהור, אבל מכשירים אלה עובדים רק בתנאים מחמירים של ואקום וטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט. בסביבה מרובת חלקיקים ורועשת, הסופרפוזיציה קורסת מיד, לכן מנהור בממלכת הביולוגיה לא היה צפוי. אחת הסברות היא שמנהור מסייע לזירוז פעולת האנזימים.

בתהליך כימי דרושה השקעה של אנרגיה ראשונית בצורת חום שנקראת אנרגיית שפעול, כדי להחליש את הקשרים הקיימים בין האטומים ולהעביר את המולקולה למצב ביניים. במצב הביניים האנרגיה של המולקולה היא הגבוהה ביותר, וזהו מצב רגעי שלאחריו היא מתפרקת. אנזימים הם חלבונים שמזרזים תהליכים כימיים על ידי כך שהם מורידים את הרמה של מצב הביניים ולכן את כמות האנרגיה שצריך להשקיע. כך הם מסייעים לחיבור או פירוק של מספר חומרים "מגיבים" כדי ליצור חומרים חדשים שנקראים "תוצרים". התהליכים הכימיים היו מתרחשים גם ללא האנזימים, אך בנוכחותם הם מהירים בסדרי גודל של טריליונים, עד סדר גודל של פי 10²⁰. העברה של אטום מימן ממקום למקום במולקולה היא בעלת חשיבות רבה בתהליכים אנזימטיים, ויש מספר אנזימים שתפקידם לעשות זאת, כמו לקטט דהידרוגנאז וציטוכרום C אוקסידאז (cytochrome c oxidase), שמשתתפים בנשימה וביצירת אנרגיה. העתקת אטום המימן כרוכה בהשקעת אנרגיה, ומנהור מאפשר לפרוטון (אטום המימן) לעבור את המחסום האנרגטי ללא צורך בהשקעת אנרגיה.
כדי לבדוק זאת אמפירית החליפו את המימן בדאוטריום, שהוא איזוטופ של מימן עם תוספת של נייטרון אחד בגרעין ולכן כבד פי שניים ממימן. בתחום הקוונטי ככל שהחלקיק כבד יותר הסיכויים שלו לעבור מנהור קטנים יותר. כצפוי, אכן שיעור המעבר לתוצר היה נמוך פי 100. אחד החוקרים, סיבארד, אף העלה סברה שאם כל אטומי המימן בגוף שלנו היו מוחלפים בדאוטריום היינו מתים, משום שהתהליכים הביולוגיים היו פשוט איטיים מדי. ניסויים שנעשו על האנזים אלכוהול דהידורגנאז (שמשתתף בהתססה של יין ובירה), מצאו שקצב העברת הפרוטון הוא שונה עבור דאוטריום, בשיעור שמתאים למה שהיה צפוי לפי החישובים משינוי המסה. המסקנה אושרה עבור מספר אנזימים נוספים.

אנזימים מאיצים תהליכים ביוכימיים בשיעור כה גבוה, שאין ספק שהם נעזרים במגוון מנגנונים כדי לעשות זאת. ככל הנראה המנהור תורם רק מעט להאצת התהליך. לא ברור אם האנזימים התפתחו אבולוציונית כדי להפיק תועלת ממנהור, או שמנהור פשוט קיים כתופעת לוואי שקורית בתהליך.

שזירה קוונטית בציפורים

אדום-החזה. מחקרים מצביעים על כך שהוא מוצא את דרכו מצפון אירופה לקצה ספרד, על ידי תחושה של כיוון השדה מגנטי של כדור הארץ בעזרת שזירה קוונטית

ציפורים נודדות למרחקים עצומים על פני כדור הארץ, והן עושות זאת בין היתר באמצעות חישה של השדה המגנטי על כדור הארץ. השדה המגנטי על כדור הארץ הוא חלש מאוד והשינויים ממקום אחד לאחר הם זעירים, ולא ברור איזה מנגנון מאפשר חישה של שינויים כה קטנים. קיימות שתי תאוריות על מנגנון החישה המגנטית (magnetoreception) של הציפורים ובעלי חיים אחרים. תאוריה אחת גורסת קיומם של חלקיקי מגנטיט בראשה של הציפור. לפי הסברה השנייה המנגנון מבוסס על אחת התכונות הקוונטיות של האלקטרון – הספין. ספין, בהפשטה, הוא הסחרור של האלקטרון עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון. בגלל הסחרור האלקטרון הוא מגנטי ורגיש לתנודות מגנטיות בסביבה. במולקולות אלקטרונים נוטים להתחבר לזוגות של ספינים הפוכים כך שהמגנטיות שלהם מתבטלת, אך קיימים תהליכים שמפרידים בין האלקטרונים, ויוצרים זוג רדיקלים חופשיים.

ברשתית של אדום-החזה וכן בבעלי חיים אחרים כולל האדם, נמצא החומר קריפטוכרום שרגיש לאור. כשפוטון פוגע בקריפטוכרום הוא גורם לשליפת אלקטרון מאחד האטומים והעברתו לאטום אחר. כששני חלקיקים קיימים יחד באופן שהתכונות שלהן קשורות, למשל אם הם נוצרו בבת אחת מתוך אנרגיה, סכום הספינים שלהם חייב להיות אפס, והם "שזורים" קוונטית. משמעות הדבר היא שאם נמדד הספין של אחד מהם והוא בכיוון השעון, הספין של השני יהיה בוודאות נגד כיוון השעון, אך כל עוד לא נמדד הספין של אחד מהם, הספין של שניהם איננו מוגדר והוא סופרפוזיציה של כל האפשרויות. מדידת הספין של אחד האלקטרונים "בוחרת" את הספין של החלקיק הנמדד, ובו בזמן נקבע הספין של החלקיק המרוחק. ההשערה היא ששני האלקטרונים שהופרדו בקריפטוכרום הם שזורים קוונטית. הם מגנטיים ורגישים לשדה המגנטי של כדור הארץ, ובגלל המרחק שנוצר ביניהם יש הפרש זעיר בתגובה שלהם לשדה המגנטי, והפרש זה מתפרש במוח ככיוון השדה המגנטי של כדור הארץ. שזירה קוונטית, כמו שאר התופעות הקוונטיות, נעלמת מהר מאוד בגלל דה-קוהורנטיות, גם במעבדה קשה לשמור על שזירה קוונטית, והשאלה היא האם בתא החי היא יכולה להחזיק מעמד די זמן כדי שתהיה לה השפעה ביולוגית.

אבולוציה קוונטית

מולקולת דנ"א בנויה משתי שרשראות של נוקלאוטידים (בסיסים) בהן כל זוג בסיסים מחובר בקשרי מימן – אדנין ותימין מחוברים בשני קשרי מימן, וגואנין וציטוזין מחוברים בשלושה קשרי מימן. קיימים שני בורות פוטנציאל לאורך קשר המימן וביניהם מחסום אנרגיה. מקובל לחשוב שהבורות אינם סימטריים ובור אחד עמוק יותר מהשני, לכן פרוטון המימן יימצא בו ולא בבור הרדוד. על פי תאוריית הקוונטים קיימת הסתברות שפרוטון המימן יעבור לצד השני דרך מנהור. אם מנהור כזה מתרחש בזמן שכפול הדנ"א כשהסליל הכפול מופרד לשני גדילים, תקרה מוטציה, משום שמעבר פרוטון המימן לצד השני יגרום לכך שהבסיס לא יתחבר אל בן הזוג הרגיל שלו אלא לבסיס אחר.