Fysica en biologie in de kwantumwereld

Na het laatste boek The Demon in the Machine van Paul Davies gelezen te hebben¹, is mijn interesse opnieuw uitgegaan naar hoe ver het nu is met de kwantumbiologie. Eerder op dit blog, meer dan 7 jaar geleden, wijdde ik vier berichten aan het prachtige boek van Werner R. Loewenstein Physics in Mind². Na de blogberichten ^{3, 4, 5, 6}, opnieuw doorgelezen te hebben, zijn mij meer dingen duidelijk geworden, ook dankzij de commentaren waaronder die van Gert Korthof, Harry Pinxteren en Kees Jaspers. 

Het boek van Paul Davies The Demon in the Machine wordt vooral interessant vanaf hoofdstuk 5 (p.144). Daar beginnen we te zien hoe de deeltjesfysica verbonden is met biologie, levende organismen, cellen en moleculen via de kwantumwereld. 

Zoals Davies duidelijk uitlegt is er in de kwantumwereld van alles mogelijk, zoals kwantums die plotseling, zonder aanwijsbare reden, van richting veranderen of terugkaatsen, of aan de andere kant van een ‘muur’ belanden. Allemaal fenomenen waar we raar van zouden opkijken als ze in onze dagelijkse macro-wereld zouden plaatsvinden, maar die zich voortdurend afspelen op subatomair en moleculair niveau. Andere kwantum effecten waar geen equivalent voor bestaat in onze macro-wereld zijn bijvoorbeeld elektronen die op twee plaatsen tegelijk lijken te zijn. Het elektron deelt zich echter niet op en elk experiment dat het elektron probeert te lokaliseren zal het altijd op de ene of op de andere plaats terugvinden. Maar zolang deze lokalisatie niet plaatsvindt zijn er natuurkundige effecten die volgen uit deze onbepaalde positie. Er zijn paren fotonen die op meters afstand spontaan hun activiteit coordineren en moleculen die tegelijkertijd zowel met als tegen de klok indraaien. 

Het hart van de kwantummechanica is de dualiteit van golf en deeltje. Beide aspecten kunnen aangetoond worden, maar nooit tegelijk. Worden er door twee deeltjes golven veroorzaakt die elkaar versterken, dan spreekt men van coherentie. Bestaat er daarentegen een wirwar aan golven die elkaar niet kunnen versterken dan gaat het om decoherentie. Veel van de bovengenoemde vreemde kwantumeffecten komen voort uit coherentie van golven. Worden de golven verstoord dan verdwijnt de coherentie. Onder condities zoals die in biologische systemen doet zich snel decoherentie voor door het onophoudelijke thermisch bombardement van watermoleculen. Toch schijnen er situaties voor te komen waarbij er abnormaal langzame decoherentie bestaat onder speciale omstandigheden.

Zoals je zou kunnen verwachten heeft evolutie ook van dit fenomeen gebruik gemaakt om processen als overdracht van informatie te verbeteren en te versnellen. Loewenstein beschreef al in zijn boek uit 2013, dat de rodopsinen in ons oog gebruik maken van coherentie waarbij kwantummechanica het toelaat parallelle computing te bewerkstelligen en daarbij binnen 200 femtoseconden gelijktijdig enorme pakketten informatie over te dragen van de retina naar de achterliggende hersenkwabben. In het zenuwstelsel is  reeds sprake van een uiterst snelle overdracht van signalen op macroniveau (macromoleculair niveau), door neurotransmitters en voltage-dependent kanalen. Daar zou de transmissie van informatie via kwantummechanica nog eens bijkomen die enorme hoeveelheden zintuiglijke prikkels in parallel, dus in één keer, kan doorgeven aan het centrale zenuwstelsel. Dit laatste is vooralsnog een hypothese en is nog niet definitief aangetoond vanwege de overmaat aan thermische ‘ruis’ die decoherentie veroorzaakt.

Fig. 1 Kwantumtunneling

Paul Davies’ boek is uit 2019 en beschrijft dit soort kwantum fenomenen in fotosynthese, het reukorgaan en de ‘cryptochromen’ van het netvlies van migrerende vogels. 

In fotosynthese (bij groene zwavelbacteriën) wordt er als gevolg van het vangen van een foton met de juiste golflengte een ‘exciton’ gecreëerd. Dit geëxciteerde electron maakt gebruik van de mogelijkheid van quantumdeeltjes om op meer dan twee plaatsen tegelijk te zijn. Het neemt daarbij allerlei denkbare routes naar het reactiecentrum, iets dat mogelijk is omdat het zich ook als golf voortbeweegt. Dit gebeurt gedurende een interval waarin er coherentie heerst. Het gemeten interval is 200 femtoseconden. Gek genoeg geven recente studies aan dat een lichte thermische ‘ruis’ bevorderlijk kan zijn voor de efficiëntie van transmissie van energie. 

Bij de migratie van vogels is het de ‘intrinsieke spin’ van de elektronen die ervoor zorgt dat elk elektron een klein kompas is dat het aardse magnetische veld ‘voelt’. Dit kan gebeuren wanneer een atoom een foton absorbeert en daarmee een elektron van zijn orbit verplaatst wordt. Dat elektron wordt dan gevoeliger voor het aardse magnetische veld. Het oog van vogels wordt voortdurend door fotonen geraakt, dat is nu eenmaal hoe ogen werken (fotonen van de juiste golflengte laten ons kleuren zien). Maar hoe ‘voelt’ de vogel waar het magnetisch veld is? Dit wordt mogelijk gemaakt door ‘cryptochromen’. In deze proteïnen van het netvlies wordt een elektron verplaatst door een invallend foton, maar ten opzichte van een tweede elektron, dat in het cryptochrome achterblijft en waarmee het eerste entangled is, wordt het ‘losse’ elektron door het aardse magnetische veld scheefgetrokken ten opzichte van het achterblijvende entangled elektron. De vrije positieve radicalen die zo gecreëerd worden reageren met elkaar of vormen neurotransmitters die een signaal vormen naar de hersenen van de vogel.  

Fig. 2 Quantum birds: Shedding light on the mechanism of magnetic sensing in birds

In het geval van het reukorgaan, is er sprake van kwantumtunneling waarbij vibratie een energie kwantum produceert, een phonon – een kwantum van geluid – dat extra dimensies verleent aan het simpele model van docking van geurmoleculen op geurreceptoren. Daarmee is het mogelijk het enorme scala aan geuren, maar ook de gelijkenis van verschillende geuren te verklaren.

Kwantum mechanica heeft alles te maken met coherentie die verstoord wordt door de thermische ‘ruis’. Maar de chaos en de ruis worden ook door het leven uitgebuit met biologische demons. Niet alle ruis is hetzelfde; er bestaat ook ruis die kwantumprocessen juist stimuleert.

Werner Loewenstein denkt dat er veel biologische systemen zijn die gebaseerd zijn op kwantummechanica. Hij eindigt ermee dat we met onze digitale wereld verkeerdom bezig zijn. Kwantumcomputing is zoveel zuiniger en efficiënter vergeleken met digitale computing, dat hij er van overtuigd is dat de evolutie van leven er ruim gebruik van heeft gemaakt. Precies omdat ‘Lady Evolution’ altijd de zuinigste, meeste economische, weg kiest.

1. Paul Davies – The Demon in the Machine – How hidden webs of information are solving the mystery of life – ALAN LANE Penguin Random House UK – 2019
2. Werner R. Loewenstein – Physics in Mind – A Quantum View of the Brain – Basic Books, Perseus Books Group, New York – 2013

Vier oudere berichten op dit blog die het boek van Loewenstein bespreken

3. Een voorzichtig begin in Biofysica
4. Deel twee van een verkenning van de Biofysica
5. Derde en laatste deel van een verkenning van de Biofysica
6. Moleculaire demonen, de cognitive eiwitten