Co roku, gdy zbliża się zima, tysiące ptaków znanych jako rudzik (Erithacus rubecula) wyrusza w podróż z północnej Europy do Morza Śródziemnego, gdzie klimat jest łagodniejszy. Zadziwiające jest to, że wracając, te ptaki potrafią znaleźć to samo miejsce, z którego wyruszyły, jakby miały wewnętrzny GPS.
To zdumiewające zjawisko jest wynikiem „supermocy” kwantowej, która pozwala im wykrywać pole magnetyczne Ziemi, znane jako magnetorecepcja. Ale jak to możliwe, że mimo iż to pole jest tak słabe (między 30 a 70 mikrotesli), te ptaki mogą je wykorzystać na swoją korzyść? Odpowiedź leży w fizyce kwantowej.
Magia oka rudzika
W przypadku rudzika uważa się, że mechanizm, który wykorzystują do orientacji, opiera się na reakcji pary rodnikowej. W oku tych ptaków znajduje się białko zwane kriptokromem, składające się z aminokwasu o nazwie tryptofan oraz cząsteczki znanej jako FAD. Kiedy niebieskie światło pada na kriptokrom, fotony przekazują energię, powodując, że elektron przeskakuje z jednego miejsca na drugie, generując w ten sposób rodniki wolne.
Te rodniki, po utworzeniu, pozostają splątane dzięki zjawisku splątania kwantowego, gdzie cząstki, które były połączone, pozostają ze sobą związane, nawet na odległość. To połączenie jest kluczowe, ponieważ wpływa na to, jak rodniki reagują na pola magnetyczne.
Co więcej, spin elektronów odgrywa fundamentalną rolę w tej historii. Pojęcie to, które może brzmieć skomplikowanie, odnosi się do tego, jak elektrony oddziałują z polami magnetycznymi. W zależności od ich orientacji, rodniki mogą znajdować się w stanie singletowym lub tripletowym, a pola magnetyczne, nawet te najsłabsze, mogą wpływać na prawdopodobieństwo, że znajdą się w jednym lub drugim stanie.
W ten sposób, zmieniając równowagę między tymi stanami, pole magnetyczne Ziemi wysyła sygnały do mózgu ptaka, wskazując kierunek najbliższego bieguna magnetycznego. Istnieją teorie sugerujące, że rudziki widzą te kierunki poprzez zmiany w świetle, które przechodzi przez ich oczy.
Fotosynteza i jej kwantowe sekrety
Biologia kwantowa nie kończy się na migracji ptaków; jest również kluczowa dla zrozumienia fotosyntezy. Proces ten, który pozwala roślinom, algom i niektórym bakteriom przekształcać światło w energię, był przedmiotem badań przez dziesięciolecia. Jednak ostatnie badania sugerują, że pełne zrozumienie tego procesu jest możliwe tylko dzięki kwantowej.
Klucz tkwi w tym, jak energia jest transportowana w początkowych etapach fotosyntezy. Gdy fotony ze słońca uderzają w chlorofil, aktywują elektron, tworząc eksciton. Wygenerowana energia musi zostać przeniesiona do centrum reakcji, aby przekształcić się w energię chemiczną. Ale jak ten transport zachodzi?
Wcześniej sądzono, że ekscyton porusza się losowo, jak piłka pingpongowa. Jednak odkryto, że wydajność tego procesu jest zdumiewająco wysoka, z ponad 99% pochłoniętej energii wykorzystywanej. Sugeruje to, że transport nie jest tak chaotyczny, jak wcześniej sądzono.
Proponuje się, że ekscyton zachowuje się jak fala w superpozycji kwantowej, eksplorując wszystkie możliwe ścieżki jednocześnie i znajdując najefektywniejszą trasę do celu. Przypomina to sposób, w jaki komputer kwantowy rozwiązuje problemy.
Chociaż istnieją wskazówki, że ta „kwantowa wędrówka” ma miejsce, wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. Jak koherencja kwantowa utrzymuje się w chaotycznych warunkach komórki? To jedno z wielkich tajemnic, które nauka wciąż stara się rozwikłać.
Biologia kwantowa pokazuje nam, jak to, co dzieje się w maleńkim świecie cząstek, wpływa na nasze codzienne życie. Bez fotosyntezy nasza biosfera byłaby bardzo różna. W gruncie rzeczy wszystko jest ze sobą połączone i jest kwantowe.