DNA’nın Tutkalı Kuantum Dolanıklık

Çifte sarmal şekilli insan DNA’sı 3 milyardan fazla baz çifti içeren dev bir molekül. Peki nasıl oluyor da bu kadar büyük ve kompleks bir molekül vücutta kırılıp parçalanmadan duruyor? Yeni teoriye göre, kuantum fiziğindeki dolanıklık etkisi atomları tutkal gibi yapıştırarak DNA’nın parçalanmasını önlüyor.¹

Kuantum kimya

Bilim insanları eskiden kuantum fiziğinin biyolojik sistemlerde rol oynamadığını düşünüyorlardı. Ancak, mikroskobik ölçekte bakarsak hücrelerin bölünmesinden protein sentezlemeye ve vücudun oksijen yoluyla besinleri yakmasına kadar her şey kimyasal reaksiyonlarla gerçekleştiğini görüyoruz.

Bu süreç de kuantum kimyaya tabii. Hatta fizikçi Roger Penrose kuantum dolanıklık etkisinin insan bilincini yarattığını düşünüyor.

İlgili yazı: Ahtapot DNA’sı Uzaylı mı?

 

Meselenin özü

İşin temeline inersek bütün bunların genetik kodumuz olan DNA’nın sağladığı genetik enformasyona bağlı olduğunu görüyoruz. Bu sebeple DNA’nın nasıl olup da ölümden sonra bile binlerce yıl parçalanmadan kaldığını ve genetik bilgiyi saklayarak soyu tükenen mamutların geri getirilmesine imkan tanıdığını açıklamak zorundayız.

Kuantum biyoloji

Bilim insanları uzun zamandır bitkilerin fotosentez yapmasını sağlayan fotoelektrik etkiyi kuantum fiziğiyle açıklıyor. Son 10 yılda ise kuşların uçarken yolunu bulmasını kolaylaştıran “altıncı hissin” kuantum dolanıklığına bağlı olduğunu gördük.

Bu durumda DNA’nın nasıl olup da vücutta uzun süre bozulmadan kaldığını kuantum dünyasıyla açıklamak an meselesiydi. Singapur Ulusal Üniversitesi’nden Elisabeth Rieper ve meslektaşları DNA molekülünün elektron dolanıklığı ile bir arada tutulduğunu söylüyor.

İlgili yazı: Ne Kadar Hızlı Düşünüyoruz? >> Özgür irade var mı diye soran profesör düşünce hızını ölçtü

 

Dolanıklık nedir?

Kuantum fiziğinde “dolanıklık” dalga fonksiyonu denilen garip özelliğin iki ya da daha fazla parçacığı aynı anda etkilemesi demek. Örneğin, iki elektronu alıp birbiriyle dolanıklığa sokarsanız bir elektronda yapacağınız değişiklik diğerini anında etkileyecektir (isterse o elektron Evren’in öbür ucunda olsun!).

Uzaktan etki

Işık hızı sınırına uymayan bu etkiyi Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden kaynaklanan süperpozisyon olgusuna borçluyuz. Belirsizliğe göre, bir elektronunun konumu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesin olarak bilemeyiz: Hızını kesin biliyorsak nerede olduğunu bilemeyiz. Konumunu kesin biliyorsak hızını bilemeyiz.

Bilim insanları bu garipliğin parçacık-dalga ikiliğinden kaynaklandığını düşünüyor; yani elektron hem parçacık hem de dalga gibi davranıyor (matematiksel olarak her elektron parçacığına bir elektron dalgası eşlik ediyor).

Bu durumda bir elektronu uzayda diğer tüm güç alanları ve parçacıklardan izole edersek aynı anda iki kuantum durumunda birden olmasını sağlayabiliriz (spin yukarı ve spin aşağı veya aynı anda hem sağa hem sola doğru dönmek gibi bir gariplik).

İlgili yazı: İnsan DNA’sına Yeni Harfler Ekleniyor, Sentetik İnsan Geliyor

 

Süper pozisyon ve dolanıklık

Şimdi, süperpozisyon durumundaki bu elektronu başka bir elektronla dolanıklığa sokarsak A elektronunun kuantum durumunda yapacağımız değişiklik B elektronunu anında etkileyecektir. Biri spin yukarı durumda ise diğeri otomatik olarak spin aşağı durumda olacaktır.

Elbette elektronlar uzayda tek başına olmak zorunda değil. Vücudumuzu oluşturan nötr atom çekirdeklerinin çevresinde de elektronlar var. Bunlar atom çekirdeklerinin çevresinde dönüyor. Kısacası atomları da süperpozisyona ve birbiriyle dolanıklığa sokmamız mümkün.

İlgili yazı: Kuantum Bilgisayar Devrimi >> Fizikçiler ilk kez bir atomun yerini tam olarak tespit etti

 

DNA ile ne ilgisi var?

Singapurlu fizikçiler DNA molekülünü oluşturan baz çiftlerindeki atomların birbiriyle dolanık olduğunu ve dolanıklığın tutkal gibi davranarak atomları birbirine yapıştırdığını düşünüyor.

Buna göre DNA’yı oluşturan nükleik asitlerin temel birimi olan nükleotidler, örneğin resimdeki gibi 16 atomdan oluşan 5 karbonlu şeker deoksiriboz molekülü tek bir pozitif atom çekirdeği gibi davranıyor:

Bu molekülün elektronları tek tek atomların çevresinde dönmek yerine, molekülün pozitif çekirdeklerinin etrafında negatif elektron bulutu halinde dönüyor. Negatif bulut çekirdeğe göre ileri geri hareket ederek dipol denilen bir çift kutup yaratıyor. Ayrıca ileri geri hareketi de harmonik osilatör (harmonik salınım hareketi, harmonik salıngaç) oluşturuyor.

İlgili yazı: Işınla Beni Scotty! >> Uzay Yolu’ndaki Işınlama teknolojisi gerçek olacak mı?

 

Fonon tutkalı

Nükleotidler DNA’yı oluşturan 3 milyar baz çiftinden birini oluşturmak üzere birbirine bağlandığı zaman, karşılıklı nükleotidlerin elektron bulutları ters yönde salınım hareketi yaparak DNA’nın sağlamlığını artırıyor (tıpkı ip üzerinde yürüyen cambazın kolları arasında sopa tutarak dengesini sağlaması gibi).

Fizikçiler bu tür iki yönlü salınımlara fonon diyor. Fononlar yukarıda anlatıldığı şekilde çifte sarmal DNA’nın baz çiftlerinde ortaya çıkıyor ve süperpozisyona geçerek dolanıklığa giren elektronlardan oluşuyor.

İlgili yazı: Atomları dünya gözüyle görmek ve kütleçekimin resmini çekmek

 

Oda sıcaklığında dolanıklık olur mu?

Dikkatli okurlarımız önceki yazılarımızda dolanıklığın ancak çevreden yalıtılan parçacıklar arasında görüldüğünü ve ısı artıkça parçacıkların titreşmesi yüzünden ortadan kalktığını hatırlayacaktır. Ancak, Rieper fononların insan DNA’sında vücut sıcaklığında bile dolanıklığı koruduğunu söylüyor.

Bunun nedeni fononların dalga boyunun (sonuçta elektron bulutları salınım yaparken dalgalanıyorlar) DNA sarmalındaki diğer atomların elektronlarının salınım dalga boyuna neredeyse eşit olması (harmonik, uyumlu salınım derken kast edilen bu).

Bu da nükleik asitler ile diğer baz çiftleri arasında istikrarlı dalga salınımları, yani molekülleri birbirine bağlayan elektronları hapseden (vida gibi yerinden çıkmasını önleyen) güç alanı kafesleri yaratıyor.

İlgili yazı: Hayat Neden Var? >> Yeni hayat teorisi evrimin termodinamik kökenlerini açıklıyor

 

DNA yapıştırmaya yeterli mi?

Model uçak yapıyorsanız en sinir şeyin gündelikçinin uçağı siliyorum derken iniş takımlarını kırmasıdır. Hem uçağın gövdesini hem de tekerlekleri aynı güçlü yapıştırıcıyla yapıştırmanıza rağmen, uçağın gövdesi ince tekerleklerden daha sağlam olduğundan, dikkatsiz ellerde önce tekerlekler kopar.

Aynı mantıkla DNA’nın baz çiftlerini bir arada tutan fonon tutkalının nasıl olup da 3 milyar baz çiftlik DNA molekülünü bütün halinde koruduğunu merak ediyor olabilirsiniz. İşte Elisabeth Prier, yeni teorisinde, fononları oluşturan elektron salınımlarının bütün DNA’yı koruyan bir güç alanı yarattığını gösterdi.

İlgili yazı: AIDS’e Kesin Çare >> Amerikalı doktorlar HIV virüsünü insan DNA’sından sildi

 

Nasıl çalışıyor?

Her baz çiftinde iki nükleotid var ve bunlar karşılıklı olarak ters yönde salınıyor. DNA molekülünü kuantum fiziği yerine klasik fizikle açıklamaya kalksaydık bu titreşimlerin DNA molekülünü sarsarak parçalara ayırması gerektiğini düşünürdük.

Ancak kuantum fiziğinde durum farklı: Karşılıklı fonon salınımlarının enerjisi toplamda birbirini sıfırlıyor ve DNA molekülünü bir arada tutarken sarsıntıdan parçalanmasını önlüyor.

İlgili yazı: IBM Kuantum Bilgisayar Yaptı >> İnternette üniversitelerin kullanımına açtı

 

Nasıl kanıtlayacağız?

Rieper’a göre fononlar gerçekten varsa DNA sicimlerinin RNA molekülü tarafından protein sentezlemek için okunma şeklini değiştirmek zorundalar (protein sentezlemeye ilişkin kimyasal reaksiyon aşamaları).

Bunu bilgisayardaki sabit disk sürücüsünün okuma kafasının her modelde farklı şekilde titreşmesine benzetebilirsiniz. Bilim insanları da protein sentezlemeyi mikroskopla inceleyerek fonon titreşimleri saptarsa Rieper’ın kuantum dolanıklık DNA’yı bir arada tutan tutkaldır teorisini kanıtlamış olacaklar.
¹The Relevance Of Continuous Variable Entanglement In DNA