Elk jaar, wanneer de winter zich aandient, ondernemen duizenden vogels die bekend staan als de roodborst (Erithacus rubecula) een reis van Noord-Europa naar het Middellandse Zeegebied, waar het klimaat milder is. Wat verbazingwekkend is, is dat deze vogels, bij hun terugkeer, in staat zijn om dezelfde plek te vinden waar ze vertrokken zijn, alsof ze een interne GPS hebben.
Dit verbazingwekkende fenomeen is te danken aan een “superkracht” op kwantumniveau die hen in staat stelt om het magnetische veld van de aarde te detecteren, wat bekend staat als magnetoreceptie. Maar hoe is het mogelijk dat, ondanks dat dit veld zo zwak is (tussen 30 en 70 microtesla), deze vogels het in hun voordeel kunnen gebruiken? Het antwoord ligt in de kwantumfysica.
De magie van het oog van de roodborst
In het geval van de roodborst wordt aangenomen dat het mechanisme dat ze gebruiken om zich te oriënteren gebaseerd is op de radicaal paarreactie. In het oog van deze vogels is er een eiwit genaamd cryptochroom, dat bestaat uit een aminozuur genaamd tryptofaan en een molecuul dat bekend staat als FAD. Wanneer blauw licht op het cryptochroom valt, transfereren de fotonen energie, waardoor een elektron van de ene naar de andere kant springt en zo vrije radicalen genereert.
Deze radicalen, eenmaal gevormd, blijven verstrengeld door het fenomeen van kwantumverstrengeling, waarbij deeltjes die met elkaar verbonden waren, ook op afstand verbonden blijven. Deze verbinding is cruciaal, omdat het beïnvloedt hoe de radicalen reageren op magnetische velden.
Bovendien speelt de spin van de elektronen een fundamentele rol in dit verhaal. Dit concept, dat ingewikkeld kan klinken, verwijst naar hoe elektronen interageren met magnetische velden. Afhankelijk van hun oriëntatie kunnen de radicalen zich in een singlet of triplet toestand bevinden, en de magnetische velden, zelfs de zwakste, kunnen de waarschijnlijkheid beïnvloeden dat ze zich in de ene of de andere toestand bevinden.
Zo, door het evenwicht tussen deze toestanden te verstoren, stuurt het magnetische veld van de aarde signalen naar de hersenen van de vogel, die de richting van de dichtstbijzijnde magnetische pool aangeeft. Er zijn theorieën die suggereren dat roodborsten deze richtingen zien door veranderingen in het licht dat door hun ogen gaat.
De fotosynthese en zijn kwantumgeheimen
Kwantumbiologie stopt niet alleen bij de migratie van vogels; het is ook cruciaal voor het begrijpen van de fotosynthese. Dit proces, dat planten, algen en sommige bacteriën in staat stelt om licht in energie om te zetten, is al tientallen jaren onderwerp van studie. Recent onderzoek suggereert echter dat een volledig begrip alleen mogelijk is door middel van kwantummechanica.
De sleutel ligt in hoe energie wordt getransporteerd in de vroege stadia van de fotosynthese. Wanneer een foton van de zon op chlorofyl botst, activeert het een elektron, waardoor een exciton ontstaat. De gegenereerde energie moet naar het reactiemidden worden getransporteerd om chemische energie te worden. Maar hoe gebeurt dit transport?
Vroeger dacht men dat het exciton willekeurig bewoog, zoals een pingpongbal. Echter, het is ontdekt dat de efficiëntie van dit proces verbazingwekkend hoog is, met meer dan 99% van de geabsorbeerde energie die wordt gebruikt. Dit suggereert dat het transport niet zo chaotisch is als men dacht.
Er is gesuggereerd dat het exciton zich gedraagt als een golf in kwantumsuperpositie, waarbij het alle mogelijke paden tegelijkertijd verkent en de meest efficiënte route naar zijn bestemming vindt. Dit lijkt op hoe een kwantumcomputer problemen oplost.
Hoewel er aanwijzingen zijn dat deze “kwantumwandeling” plaatsvindt, blijven er veel vragen onbeantwoord. Hoe wordt de kwantumcoherentie behouden in de chaotische omstandigheden van een cel? Dit is een van de grote mysteries die de wetenschap nog steeds probeert te ontrafelen.
Kwantumbiologie laat ons zien hoe wat er gebeurt in de kleine wereld van de deeltjes onze dagelijkse leven beïnvloedt. Zonder fotosynthese zou onze biosfeer heel anders zijn. In wezen is alles met elkaar verbonden en is het kwantum.