Bacteria lui ”Schrödinger” ar putea fi o descoperire milenară în biologia cuantică

0

Lumea cunatică este una extrem de ciudată. În teorie și până la un moment în practică, doctrinele acesteia spun că o particulă poate să apară în două locuri deodată – un fenomen paradoxal cunoscut sub numele de superpoziție – iar două particule pot deveni ”împletire cuantică”, schimbând informații pe distanțe lungi, arbitrare, printr-un mecanism necunoscut.

Poate cel mai faimos exemplu de ciudățenie cuantică este pisica lui Schrödinger, un experiment mental gândit de Erwin Schrödinger în 1935. Fizicianul austriac și-a imaginat cum o pisică introdusă într-o cutie cu o substanță potențial radioactivă ar putea, prin intermediul legilor fizicii cuantice, să existe în superpoziția de a fi atât moartă cât și vie – cel puțin până când cutia este deschisă și conținutul ei observat.

Pe cât de ireal poate părea acest lucru, conceptul a fost validat experiențial de nenumărate ori  la scară cuantică.Când ajungem la scara aparent simplă și cu siguranță mai intuitivă a lumii macroscopice, totuși, lucrurile se schimbă. Nimeni nu a fost martor al unei stele, planete sau pisică în superpoziție sau în stare de împletire cuantică. Însă, chiar din momentul formulării teoriei inițiale a fizicii cuantice de la începutul secolului 20, oamenii de știință s-au tot întrebat unde se întrepătrund lumea microscopică și cea macroscopică. Cât de mare poate fi tărâmul cuantic și ar putea el să fie destul de mare pentru ca ciudatele sale aspecte legate de intimitate să influențeze lucrurile vii? În ultimele două decenii, noua știință a biologiei cuantice a căutat răspunsuri la asemenea întrebări, propunând și făcând experimente pe organisme vii ce ar putea arăta limitele teoriei cuantice.

Aceste experimente au dat rezultate tentante însă fără a ajunge la o concluzie. Mai devreme, anul acesta, de exemplu, oamenii de știință au arătat cum procesul fotosintezei – în care organismele se hrănesc folosind lumina – ar putea implica ceva efecte cuantice. Modul în care zboară păsările sau cum mirosim pot sugera efecte cuantice care au loc în moduri neobișnuite în cadrul structurilor vii. Însă acestea sunt doar o fină zgârietură a suprafeței lumii cuantice. Până în acest moment nimeni nu a reușit să ”păcălească” un întreg organism viu – nici măcar o singură bacterie uni-celulară – să prezinte efecte cuantice precum împletirea cuantică sau superpoziția.

O nouă lucrare a unui grup de la the University of Oxford ridică sprâncenele tuturor pentru că aceasta pretinde o împletire cuantică a bacteriilor cu fotonii – particulele de lumină. Condus de fizicianul cuantic Chiara Marletto și publicat în numărul din octombrie al the Journal of Physics Communications, studiul este o analiză a unui experiment condus în 2016 de David Coles de la the University of Sheffield, împreună cu colegii săi. În acel experiment, Coles și compania sa au sechestrat câteva sute de bacterii de sulf verde ce fac fotosinteză, între două oglinzi, micșorând progresiv distanța dintre oglinzi până la câteva sute de nanometri – mai puțin decât grosimea unui fir de păr.Reflectând lumină albă între oglinzi, cercetătorii au sperat să facă bacteriile să absoarbă continuu, să emită și reabsoarbă fotonii ce se ciocnesc de cele două oglinzi. Experimentul a fost un succes: aproximativ șase bacterii au părut că se cuplează în acest fel.

Marletto și colegii săi spun că bacteriile au făcut mult mai mult decât să se cupleze cu cavitatea. În analiza lor ei demonstrează energia semnăturii produse în cadrul experimentului ar putea fi permite ca sistemul de fotosinteză al bacteriilor să devină împletit cuantic cu lumina din interiorul cavității. În esență, se pare că anumiți fotoni loveau și în același timp nu loveau moleculele fotosintetice din bacterii – o semnătură a împletirii cuantice. ”Modelele noastre arată că acest fenomen înregistrat este o semnătură a împletirii cuantice dintre lumină și un anumit grad de libertate din interiorul bacteriei”, a declarat ea.

Potrivit declarațiilor co-autorului studiului, Tristan Farrow, tot de la Oxford, aceasta este prima dată când s-a putut observa un asemenea fenomen în cadrul unui sistem viu. ”Este într-adevăr esențial să demonstrăm că suntem pe drum către bacteria lui Schrödinger”, dacă vreți”, a declarat el. Acest fenomen ne direcționează spre posibilitatea de naștere naturală a biologiei cuantice: Bacteriile sulfurice verzi trăiesc în ocean, la adâncime, unde lipsa luminii ar putea declanșa adaptări evolutive cuantum-mecanice pentru a crește nivelul de fotosinteză.

Există multe proteste împotriva unor asemenea declarații, totuși. Mai întâi de toate, dovada faptului că există împletire cuantică în acest experiment este circumstanțială, depinzând de modul în care alegi să interpretezi lumina care este filtrată prin bacteriile prinse în cavitate. Meritto și colegii săi recunosc faptul că un model clasic fără efecte cuantice ar putea explica rezultatele experimentului. Dar, desigur că fotonii nu sunt deloc particule clasice – ele sunt cuantice. Cu toate acestea, niște modele ”semi-clasice” ce au la bază legile lui Newton pentru bacterii și legi cuantice pentru fotoni nu pot reproduce finalul experimentului pe care Coles și colegii săi l-au efectuat în laboratoarele proprii. Acest lucru ne duce cu gândul la faptul că au existat efecte cuantice atât în cazul bacteriilor cât și al luminii. ”Este o modalitate de concluzionare indirectă, însă cred că este astfel doar din cauză că ei încearcă să fie extrem de riguroși în a exclude lucruri și în a emite prea multe ipoteze”, spune James Wootton, cercetător în calcule cuantice de la IBM Zurich Research Laboratory, care nu a fost implicat în niciun dintre studii.

Alte împotriviri: energiile bacteriilor și ale fotonilor au fost măsurat în mod colectiv, nu independent. Acest lucru, potrivit lui Simon Gröblacher de la Delft University of Technology din Olanda, care iarăși nu a făcut parte din studii, este într-un fel o limitare. ”Par să aibă loc niște fenomene cuantice”, spune el. ”Însă… de obicei, dacă demonstrăm împletirea cuantică, trebuie să măsurăm cele două sisteme independent”, pentru a confirma veridicitatea oricărei corelări cuantice dintre sisteme.

În ciuda acestor incertitudini, pentru mulți experți, biologia cuantică este tranziția firească de visul teoretic la o realitate tangibilă, devenind o chestiune de timp și nu doar o posibilitate iluzorie. Izolate și colectiv, moleculele din afara sistemelor biologice au demonstrat efecte cuantice în experimente de laborator deja de decenii bune, astfel că a căuta aceste efecte în cazul unor molecule din interiorul unor bacterii sau chiar din corpul nostru pare un lucru rezonabil. În cazul oamenilor sau al altor sisteme mari multi-celulare, totuși, asemenea efecte moleculare cuantice ar putea fi insesizabile – dar manifestarea lor ar putea deveni evidentă în cazul unor bacterii cu oscară mult mai mică. ”Sunt încă puțin șocată de cât de surprinzătoare este descoperirea”, spune Gröblacher. ”Dar, este cu adevăr incitant să demonstrezi așa ceva în cazul unui sistem biologic viu”.

Mai multe grupuri de cercetători, inclusiv cel condus de Gröblacher  și Farrow, speră să ducă aceste idei și mai departe. Gröblacher a gândit deja un alt experiment ce ar putea plasa un alt animal acvatic minuscul, numit tardigrade în superpoziție – o propunere mult mai dificilă decât împletirea cuantică a bacteriilor cu lumina, datorită dimensiunilor acestora, de sute de ori mai mari decât a bacteriilor. Farrow caută moduri de a îmbunătăți experimentul cu bacteriile; în 2019 el și colegii săi speră să împletească cuantic două bacterii împreună cu lumina și nu independent. ”Țelurile pe termen lung sunt fundamentale și de bază”, spune Farrow. ”Acestea sunt înțelegerea naturii realității și dacă efectele cuantice au o utilitate în funcțiile biologice. La baza tuturor lucrurilor, totul este cuantic”, adaugă el, lansând marea întrebare dacă efectele cuantice joacă un rol în felul în care funcționează sistemele vii.

Se poate, de exemplu, ca ”selecția naturală să fi ajuns la moduri de a exploata natural fenomenele cuantice de către sistemele vii”, notează Marletto, precum exemplul mai sus menționat al bacteriilor care fac fotosinteză în mediile lipsite de lumină ale fundurilor de mare. Dar pentru a ajunge la un rezultat, avem nevoie să pornim de la o scară mică. Cercetarea a urmat un curs ferm către experimente cu sisteme macromoleculare, iar un ultim studiu reușind să împletească cuantic milioane de atomi. Demonstrația faptului că moleculele ce compun lucrurile vii manifestă efecte cuantice cu sens – chiar și pentru scopuri triviale – ar fi următorul pas. Prin explorarea acestor limite cuantice-clasice, oamenii de știință ar putea să se apropie de înțelegerea a ceea ce înseamnă de fapt să existe un fenomen cuantic macroscopic, sau dacă această idee poate să se demonstreze a fi reală.

sursa: https://www.scientificamerican.com/article/schroedingers-bacterium-could-be-a-quantum-biology-milestone/Află cum să scapi de oboseală și să-ți crești nivelul de vitalitate

Share.

About Author

Razvan este arhitect, ca si formare, un spirit-ghid, ca si chemare.

Leave A Reply

Citește articolul precedent:
Gravitația călătorește cu viteza luminii

Pentru prima dată, oamenii de știință pot confirma că gravitația călătorește cu viteza luminii. Este un moment măreț, așteptat îndelung...

Închide