Igale aastal, kui talv piilub, tuhanded linnud, tuntud kui punarind (Erithacus rubecula), alustavad reisi Põhja-Euroopast Vahemere poole, kus ilm on leebem. Üllatav on see, et tagasi tulles suudavad need linnud leida sama koha, kust nad lahkusid, justkui oleks neil sisemine GPS.
See hämmastav fenomen tuleneb “ülemvõimest” kvanttasandil, mis võimaldab neil tuvastada Maa magnetvälja, mida tuntakse kui magnetoreaktsioon. Kuid kuidas on võimalik, et hoolimata sellest, et see väli on nii nõrk (30 kuni 70 mikroteslat), saavad need linnud seda enda kasuks kasutada? Vastus peitub kvantfüüsikas.
Punarinna silma maagia
Punarinna puhul usutakse, et nende orientatsioonimehhanism põhineb radikaalsete paaride reaktsioonil. Nende lindude silmas on valk nimega kriptokroom, mis koosneb aminohappest nimega trüptofaan ja molekulist, mida tuntakse kui FAD. Kui sinine valgus langeb kriptokroomile, edastavad fotod energiat, põhjustades elektroni hüppamise ühest küljest teisele, genereerides seeläbi vabu radikaale.
Need radikaalid, kui nad on moodustunud, jäävad omavahel seotud kvantpõimimise fenomeni kaudu, kus osakesed, mis olid omavahel seotud, jäävad ühendatuks isegi kauguses. See seos on võtmetähtsusega, kuna see mõjutab, kuidas radikaalid reageerivad magnetväljadele.
Lisaks mängib elektronide spin selles loos olulist rolli. See kontseptsioon, mis võib tunduda keeruline, viitab sellele, kuidas elektronid suhtlevad magnetväljadega. Sõltuvalt nende orientatsioonist võivad radikaalid olla singlet või triplet olekus, ja isegi kõige nõrgemad magnetväljad võivad mõjutada tõenäosust, et nad asuvad ühes või teises olekus.
Nii saadab Maa magnetväli signaale linnu ajusse, muutes tasakaalu nende olekute vahel, andes märku lähima magnetpoli suunast. On teooriaid, mis viitavad sellele, et punarinnad näevad neid suundi läbi oma silmade läbiva valguse muutuste.
Fotosüntees ja selle kvantsaladused
Kvantbioloogia ei piirdu ainult lindude rändega; see on samuti oluline, et mõista fotosünteesi. See protsess, mis võimaldab taimedel, vetikatel ja mõnel bakteril muuta valgust energiaks, on olnud uurimise objektiks aastakümneid. Siiski viitavad hiljutised uuringud sellele, et selle täielik mõistmine on võimalik ainult kvanttasandi kaudu.
Võti peitub selles, kuidas energia transporditakse fotosünteesi algfaasides. Kui fotoon päikesest põrkab klorofülliga, aktiveerib see elektroni, luues ekscitooni. Generatsioonitud energia peab liikuma reaktsiooni keskmesse, et muutuda keemiliseks energiaks. Kuid kuidas toimub see transport?
Varem arvati, et ekscitoon liigub juhuslikult, nagu ping-pongi pall. Siiski on avastatud, et selle protsessi efektiivsus on hämmastavalt kõrge, üle 99% neelatud energiast kasutatakse. See viitab sellele, et transport ei ole nii kaootiline, kui varem arvati.
On pakutud, et ekscitoon käitub nagu laine kvantühtsustuses, uurides kõiki võimalikke teid samal ajal ja leidudes kõige tõhusama tee oma sihtkohta. See sarnaneb sellele, kuidas kvantkompuuter probleeme lahendab.
Kuigi on märke, et see “kvantkäik” toimub, on endiselt palju vastamata küsimusi. Kuidas säilib kvantkoherentsus raku kaootilistes tingimustes? See on üks suurtest müsteeriumidest, mida teadus jätkuvalt püüab lahendada.
Kvantbioloogia näitab meile, kuidas see, mis toimub osakeste mikromaailmas, mõjutab meie igapäevaelu. Ilma fotosünteesita oleks meie biosfäär väga erinev. Sügavalt on kõik omavahel seotud ja kvantne.