Wat is kwantumbiologie?

Een van de interessantste en snelst opkomende vakgebieden in de wetenschap is kwantumbiologie. Het is een discipline, waarbij biologische fenomenen door kwantummechanica wordt beschreven. De kwantummechanica beschrijft de wetten die gelden in de wereld van deeltjes die kleiner zijn dan atomen. Die wereld heeft invloed op biologische fenomenen zoals fotosynthese, enzymkatalyse, navigatie, reukzin, mutaties en zelfs de oorsprong van leven. Hoewel de belangrijkste bevindingen in de afgelopen twee decennia naar voren zijn gekomen, gaan de wortels van de kwantumbiologie veel dieper. Laten we eerst beginnen bij de kwantumpioniers van het begin van de twintigste eeuw.

Geschiedenis kwantummechanica en kwantumbiologie

Bekende wetenschappers zoals Einstein, Planck, Bohr, Schrodinger en Heisenberg waren de founding fathers van de kwantummechanica. Planck beschrijft in 1900 als eerste de wereld van de deeltjes door te stellen dat licht uit pakketjes bestaat en niet continu is. Einstein gaat vervolgens een stap verder en zegt dat licht uit deeltjes bestaat. Bohr komt met een andere theorie en beweert dat licht een golfbeweging is. Uiteindelijk is licht, net als elektronen en andere deeltjes, beide. Schrodinger stelt dat de elektronen in golven rond de kern bewegen. Het is onmogelijk om de exacte positie van een elektron te weten, maar er zijn wel banen waarvan het waarschijnlijker is dat het elektron zich erin bevindt. 

Bohr en Einstein konden het niet eens worden. De beroemde Bohr-Einstein debatten vormen dan ook de basis van de kwantummechanica. Terwijl Bohr voorstelde dat entiteiten (zoals elektronen) alleen kansen hadden als ze niet werden waargenomen, voerde Einstein aan dat ze een onafhankelijke realiteit hadden, wat aanleiding gaf tot zijn beroemde bewering “God dobbelt niet”.

Natuurkundigen waren al in de hele 20ste eeuw bezig met kwantumbiologie

Hoewel de kwantumbiologie pas onlangs veel aandacht heeft gekregen, waren natuurkundigen er in de hele 20e eeuw al mee bezig. Vroege pioniers van de kwantumfysica zagen toepassingen van kwantummechanica in biologische problemen. Erwin Schrödinger’s boek uit 1944 ”What is Life?” besprak toepassingen van kwantummechanica in de biologie. ‘Hij suggereerde al dat mutaties worden geïntroduceerd door “kwantumsprongen”. Andere pioniers Niels Bohr, Pascual Jordan en Max Delbruck voerden aan dat het kwantumidee van complementariteit fundamenteel was voor de levenswetenschappen. In 1963 publiceerde Per-Olov Löwdin protontunneling als een ander mechanisme voor DNA-mutatie. In zijn paper verklaarde hij dat er een nieuw studiegebied is genaamd “kwantumbiologie”.

De meest beroemde Solvay conferentie, in oktober 1927. Er werd vooral gediscussieerd over de nieuwe kwantumtheorie. Einstein en Bohr discussieerden over de implicaties van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, waarover ze al gecorrespondeerd hadden (“God dobbelt niet”). Een andere indicatie van het niveau van deze Solvay-conferentie is dat 17 van de 29 aanwezigen ooit een Nobelprijs hebben gekregen. (aanwezig o.a Einstein, Schrodinger, Eisenberg, Bohr, Planck)

Niemand snapt de kwantumtheorie

Wij zien de wereld om ons heen anders dan de wereld is op subatomaire schaal. We zijn gewend dat je dingen kunt meten. We kunnen exact meten waar iets is of hoe snel iets gaat. Een object is op een plaats en niet ergens anders. De klassieke natuurkunde voorspelt hoe alledaagse dingen zoals ballen en veren bewegen aan de hand van de bewegingswetten van Newton. Maar zo werkt het niet bij de kleinste deeltjes. Kleine deeltjes kunnen door muren, ze kunnen op meerdere plekken tegelijk zijn of op zeer grote afstand verbonden met elkaar zijn.

En het raarste is nog dat ze dat alleen doen als niemand kijkt. Zodra ze worden waargenomen of gemeten, verliezen ze hun vreemdheid en gedragen ze zich als de klassieke objecten die wij om ons heen zien. Een theorie die deze overgang verklaart is het kwantumdarwinisme. Het is een wereld die we ons maar moeilijk voor kunnen stellen, maar door talloze wetenschappelijke onderzoeken bevestigd is. Mocht je het niet snappen, ben je zeker niet de enige. „Niemand snapt de kwantumtheorie”, zei de Amerikaanse fysicus Richard Feynman in 1965.

-verstrengeling

Zelfs Einstein kon bepaalde fenomenen van de kwantummechanica niet accepteren. Een daarvan was verstrengeling. Deeltjes kunnen verstrengeld met elkaar zijn waarbij ze een correlatie met elkaar hebben . Als een deeltje verandert, verandert het andere deeltje onmiddellijk. Maar zelfs experimenten met verstrengelde deeltjes die honderden kilometers van elkaar vandaan gescheiden zijn veranderden onmiddellijk. Volgens Einstein kan niks sneller dan het licht en hij noemde dat fenomeen dan ook ‘spuckhafte fernwirkung’. Deeltjes kunnen verstrengeld zijn terwijl ze lichtjaren van elkaar verwijderd zijn.

-superpositie

Deeltjes kunnen ook in een superpositie verkeren. Superpositie is de eigenschap van deeltjes om in meerdere toestanden te zijn. Een atoom of elektron kan bijvoorbeeld op twee plekken tegelijk zijn. Je spreekt niet langer van exacte plekken van waar een deeltje is, maar van een waarschijnlijkheid dat het deeltje daar is. Deze mogelijke plekken en hun waarschijnlijkheden vertonen samen een golfpatroon. Tot het moment dat je meet, kun je stellen dat het deeltje op alle mogelijke plekken tegelijkertijd is. Zodra je gaat meten, verwoest je deze superpositie en gedraagt het zich als een klassiek object. Je ziet het deeltje op slechts een van die twee plekken.

Een bekend gedachte-experiment is ‘Schrödingers Cat’ van natuurkundige Erwin Schrödinger. Stel, je stopt een kat in een doos. In de doos zit ook een flesje met dodelijk gas waarvan de kans 50 procent is dat het binnen een uur opengaat. Na een uur kun je met geen mogelijkheid zeggen of de kat nog leeft. Hij bevindt zich in een superpositie van dood én levend tegelijk. Pas als je het deksel optilt, blijkt de kat dood óf levend.

Schrödingers Cat
Schrödingers Cat

-tunneling

Nog een bijzonder kwantumverschijnsel van deeltjes is tunneling. Deeltjes kunnen door muren heen. Een deeltje kan dus door een (energie)barriere heen, terwijl het (klassiek gezien) niet voldoende energie heeft om over of door de barrière heen te gaan. Dit heet het tunneleffect, omdat de energiebarrière is voor te stellen als een hoge berg. Het deeltje dat te weinig energie heeft om over de berg heen te komen, gaat als het ware door een tunnel naar de andere zijde. Een mooi voorbeeld waar deeltjes tunnelen is de zon. Dankzij tunnelen kunnen protonen van waterstofatomen zo dicht bij elkaar komen dat ze kunnen fuseren en helium vormen. Zonder tunnelen zou de zon dus helemaal niet schijnen.

kwantumbiologie

De kwantummechanische verschijnselen tunnelen, superpositie en verstrengeling spelen zich af op subatomair niveau. In celonderdelen zoals eiwitten, genen en andere moleculen spelen zich ook kwantumtoestanden af. Biomoleculen zoals DNA en enzymen bestaan uit elementaire deeltjes zoals protonen en elektronen, waarvan de wisselwerking bepaald wordt door de kwantummechanica. ”Genen zijn te klein om niet de invloed van de kwantumregels te ondergaan”, zo Jim Al-Khalili, een van de bekendste kwantumbiologen.

Wetenschappers dachten dat het niet mogelijk was om kwantumverschijnselen te ontdekken in warme, vochtige en rommelige cellen. De kwantumtoestanden zouden verbroken worden door ‘metingen’. Zoals ik boven al beschreef verandert het gedrag van een deeltje zodra het gemeten wordt. Maar een deeltje weet natuurlijk niet dat iemand hem meet. Het is meer dat de aanwezigheid van de deeltjes van het meetinstrument of de deeltjes van de onderzoeker zelf het gedrag verstoren. In een cel zouden de watermoleculen invloed hebben op andere deeltjes. Daardoor wordt de kwantumtoestand verbroken omdat het watermolecuul het deeltje ‘meet’. De laatste jaren zijn er echter ondanks het rommelige milieu in cellen veel kwantumverschijnselen gevonden bij biologische processen.

Mutaties, evolutie en kwantumbiologie

De natuur maakt al miljarden jaren gebruik van superpositie, tunneling en verstrengeling. Wetenschappers in de kwantumbiologie maken grote sprongen op dit redelijk nieuwe vakgebied. Vogels gebruiken bijvoorbeeld kwantumverstrengeling om de weg te vinden over de aardbol en mutaties kunnen ontstaan door tunnelen (zie mijn bericht Evolueren wij dankzij kwantumtunneling?). Protonen kunnen van de ene helft van de dubbele helix naar de andere helft ‘springen’. Dat kost energie, maar dankzij tunnelen kunnen ze door die energiebarriere heen. Als dat gebeurt tijdens de replicatie van DNA zorgt kwantumtunneling voor mutaties en dus voor evolutie. Ook enzymatische processen en geurreceptoren maken gebruik van tunneling.

Fotosynthese, ontstaan van leven en het kwantumbrein

Dankzij superpositie maken planten gebruik van fotosynthese. De fotonen van invallend zonnelicht kunnen dankzij superpositie meerdere routes tegelijk afleggen en zo sneller op de plek belandden waar ze nodig zijn. Dat zorgt ervoor dat planten heel efficiënt zonne-energie kunnen oogsten. Volgens Al-Khalili is zelfs de oorsprong van leven ontstaan dankzij superpositie doordat deeltjes op meerdere plekken tegelijk kunnen zijn. Daardoor is er een veel grotere kans dat zich een zelfreplicerend molecuul ontwikkelt. En dan het mooiste: Leven zou volgens Al-Khalili verschillen van niet-leven door een geordende kwantumtoestand, maar dat is nog maar een theorie.

Misschien wel de meest extreme uitbreiding van de kwantumfysica tot het dierenrijk is het idee dat kwantumeffecten een rol kunnen spelen in het menselijk brein. Natuurkundige Matthew Fisher meent dat neuronen moleculaire machinerie bezitten die in staat is zich te gedragen als een kwantumcomputer. In plaats van bits van 0en of 1en te gebruiken werkt het brein met qubits, informatie-eenheden die zowel een 0 als 1 kunnen hebben. Deze theorie moet net als vele ander ideeën nog wetenschappelijk bewezen worden. Tot nu toe hebben echter meerdere studies bewijs opgeleverd van kwantummechanische effecten in biologische processen, die niet kunnen worden verklaard door de klassieke fysica.