Görünüşte uyumsuz olan iki bilim alanı – Kuantum Fiziği ve Biyoloji – arasındaki alışılmışın dışında ve eksantrik bir işbirliği, yaşayan dünyamızın doğasına dair büyüleyici yeni anlayışlar üretiyor.
Biyolojik sistemler doğada dinamiktir, çevre ile sürekli enerji ve madde alışverişinde bulunur, yaşamla eşanlamlı olan denge dışı durumu sürdürür. Öte yandan kuantum mekaniği , atomların, atom altı parçacıkların, moleküllerin ve moleküler düzeneklerin davranışlarını ve özelliklerini tanımlayan ve muhtemelen mevcut bilgi alanımızın çok ötesinde olan temel teoridir.
Biyolojinin kuantum fiziğiyle bağlantılı olduğu, ikincisi nano ölçekli ölçümlerle ilgilenirken, birincisi mikro düzeyden daha küçük olmadığında, bu kombinasyonu düşünmek kafanızı karıştırabilir. Eh, şüpheleriniz haklı. Kuantum fiziğinin dünyamızın önemli biyolojik fenomenlerinin çoğunu nasıl şekillendirdiğini keşfetmek için okumaya devam edin.
Fotosentez
Bu sürecin neyi gerektirdiği hakkında genel bir fikriniz olabilir. Bitkiler ve bazı bakteri türleri, güneş ışığını ve suyu emerek “gıdayı” yani karbonhidratları sentezler ve diğer tüm canlıların hayatta kalması için gerekli olan oksijeni atık ürün olarak serbest bırakır.
Ancak, aslında bu sürece neler giriyor?
Kromoforlar , gelen güneş ışınlarından veya diğer ışık kaynaklarından fotonları veya ışık parçacıklarını toplayan bir bitkideki renk veren hücrelerdir . Daha sonra emilen fazla enerjinin bir sonucu olan eksitonları serbest bırakırlar. Bu enerji daha sonra bitkinin metabolize edebileceği kimyasal enerjiye dönüştürülebilir.
Tüm bu süreç, %100’e yakın bir verimlilikle saniyenin milyarda birinde gerçekleşir ve ihmal edilebilir bir enerji kaybı sağlar! Hızla gelişen bu dünyada, önemli olan tek şey verimliliktir. Açıkçası, fotosentezin dahiyane mekanizması gerçekten de doğanın en büyük harikalarından biridir. Peki… burada gerçekten neler oluyor?
Eksitonlar, tekil ve doğrusal bir yolda ilerlemek yerine, dalga benzeri bir hareketle hareket eder. Bir eksiton barajı birlikte hareket ettiğinde, dalga benzeri hareketleri kuantum tutarlılığı üretmek için üst üste gelir . Kulağa oldukça etkileyici geliyor, değil mi?
Bu kuantum tutarlılık, eksitonlara olası tüm yolları test etmelerini ve ardından en verimli seçeneği seçmelerini emreder .
Şimdi, bu fenomeni kendi teknolojimizde taklit edebilseydik, enerji üreten endüstriler için ne kadar büyük bir atılım olacağını hayal edin. Yüksek verimli güneş panelleri ve uzun ömürlü piller, yeşil ve parlak bir geleceğin yolunu açabilir.
manyetoresepsiyon ve Kuantum Fiziği
Bazı kuşların ve deniz hayvanlarının, Dünya’nın manyetik alanıyla etkileşime giren dahili bir kimyasal pusula kullanarak dünyayı dolaştıkları uzun zamandır bilinmektedir.
Ancak gerçek şu ki, Dünya’nın manyetik alanı duyularını sızlatamayacak kadar zayıf, peki kuşlar gerçekte nasıl yön buluyor?
Özel bir protein türü olan kriptokrom , Avrupa kızılgerdanlarının ve diğer hayvan türlerinin gözünde bulunur. Güneş ışığı gözlerinin retinasına çarptığında, protein, foto-indüklenmiş radikal çiftleri olarak bilinen iki eşleşmemiş elektronu serbest bırakır.
Kuşların gözünde bulunan Kromatoforların kimyasal ve bağ yapılanması.
Eşlenmemiş elektronlar, dakika değişikliklerine karşı oldukça hassastır. Dönüşlerini Dünya’nın manyetik alanı yönünde yönlendirirler, böylece onlara bir yön duygusu verirler. Tüm bu süreçler kuantum seviyesinde gerçekleşir, bu da onu çoğu insanın asla düşünmediği başka bir kuantum biyolojik fenomen haline getirir!
Olfaksiyon: Koku alma duyusu
İnsanlara binlerce farklı kokuyu ayırt etme yeteneği verilmiştir. Aroma molekülleri havadan burun deliklerimize girdiğinde, fotonların bize görme gücü vermek için optik sinirle nasıl etkileştiğine benzer şekilde, burun içindeki bir reseptör ile etkileşime girerler. Soru şu ki, koku alma siniri bir kokuyu diğerinden nasıl ayırt eder? Muhtemelen tahmin edebileceğiniz gibi, kesinlikle kuantum fiziği ile bir ilgisi var!
Aroma moleküllerinin, koku alma sinirleriyle temas ettikleri ve koku hissi verdikleri hava ile birlikte soluma süreci (Fotoğraf Kredisi: Wikimedia Commons)
Bir aroma molekülü burundaki belirli bir reseptör ile etkileşime girdiğinde, o molekülde bulunan bir elektron kuantum tünelleme yoluyla reseptörün diğer tarafına geçer . Kuantum tünelleme , klasik fizik teorilerine göre, elektronlar, protonlar ve nötronlar gibi atom altı parçacıkların, aksi takdirde geçmesi imkansız olan bir bariyerden geçtiği bir olgudur . Bunu yaparak koku moleküllerindeki bilgiyi elektrik sinyallerine dönüştürerek beyne yönlendirilir ve kokuyu algılamamızı ve hızlı bir şekilde tanımlamamızı sağlar.
Kuantum Biliş ve Kuantum Fiziği
Biliş , “düşünce, deneyimler veya duyular yoluyla bilgi ve anlayış edinmeyle ilgili zihinsel eylem veya süreçler” olarak tanımlanabilir.
Olasılık teorisi gibi kuantum mekaniğinin arkasındaki matematiksel ilkelerin insan davranışının arkasındaki psikolojiyi daha iyi anlamak için kullanılabileceğini öne süren yeni bir teori olan “kuantum bilişi”ne bakalım. Sonuçta, düşünme beynimizin bilişsel yeteneğine dayanır ve beyinler kuantum düzeyinde gözlemlenen elektriksel uyarılarla çalışır.
Tutuklunun İkilemi
İnsan beyninin bilişsel yeteneklerini daha iyi anlamak için klasik “Mahkum İkilemi” düşünce deneyini ele alalım. İki suçluya, diğerinin suçlarını gammazlama şansı sunulur. Biri diğerini ispiyonlarsa ve diğeri onu ispiyonlamazsa, ihanet eden serbest kalır, diğeri ise üç yıl tutuklu kalır. Her ikisi de birbirini dışlarsa, her biri iki yıl yatar. Eğer ikisi de diğerini ispiyonlamazsa, her biri birer yıl alır. Her iki suçlunun da her zaman kendi çıkarları için hareket ettiğini düşünürsek, eğer diğerinin ifadesinden habersizlerse, her zaman diğerini gözden çıkaracaklardır.
İlk suçlu, ikincisinin işbirliği yapacağını kesin olarak biliyorsa, onu ispiyonlamak ve kendi suçlarından kurtulmak en mantıklısı olacaktır; aynı şey ikinci suçlu için de geçerli olacaktır. Böylece, diğer suçlu ne yaparsa yapsın, kaçmanın en iyisi olacağı sonucuna varabilirsiniz. Klasik bir perspektiften bakıldığında tüm bunlar oldukça kafa karıştırıcı hale geliyor.
Ancak, bir kuantum açıklaması biraz daha iyi sonuç verir. Schrödinger’in kedi deneyinde, kutu açılmadıkça ve kedinin durumu gözlemlenmedikçe, kedinin kapalı kutuda ölü ve diri olma olasılığı eşit derecededir. Bu sonucu deneyimize uygulayarak, bu olasılıkların her birinin bir düşünce dalgası gibi olduğu söylenebilir. Tıpkı diğer dalgaların (ışık, ses, su) birbirine müdahale edebilmesi gibi, diğer mahkûmu ispiyonlamanın veya ağzınızı kapalı tutmanın ardındaki seçim dalgaları da birbirini iptal etmek, daha küçük bir dalga oluşturmak veya belki de daha da küçük bir dalga oluşturmak için müdahale edebilir. Çok daha büyük olanı. Bu, bir suçlu işbirliği yapacaksa, diğerinin de işbirliği yapabileceği anlamına gelir!
Bu örneği anlamak biraz zor görünebilir, ancak gerçekte olasılık teorisi bir şans oyunudur; nicelleştirilerek, her kararın birbirini etkilemesi sağlanarak tüm taraflara eşit fırsat verilir.
Çözüm
Doğal seçilim, ölçek ve kapsamdan bağımsız olarak canlı sistemler için kuantum fenomenlerini doğal olarak kullanmanın yollarını kesinlikle bulmuştur.
Bu disiplinler arası alanda pek bir şey keşfedilmemiş olsa da ve kuantum biyolojisi anlayışımızı teknolojik ilerlemeler için tam olarak kullanmaktan uzak olsak da, biyo-ilhamlı kuantum cihazlarının klasik, verimsiz analoglardan daha iyi performans göstereceği dönem çok uzak değil.
Kuantum Fiziği enteresandır ama bir o kadarda harikadır!
