Hayat Neden Var? Kuantum Biyoloji Sayesinde

Kuantum fiziğiyle biyolojiyi birleştiren yeni araştırma dalı kuantum biyoloji Dünya’da yaşamın nasıl ortaya çıktığını gösteriyor. Örneğin fotosentez kuantum tünellemeyle gerçekleşiyor ve insan DNA’sı kuantum tünellemeyle mutasyon geçiriyor. Manyetik alanlarla yolunu bulan göçmen kuşlar bunun için kuantum fiziğindeki süperpozisyon halinden yararlanıyor.

Kuantum tünelleme canlıların yapıtaşı aminoasitlerin ve canlıların genetik kodu olan RNA ile DNA’nın oluşmasını hızlandıran bir katalizör işlevi görüyor. Öyle ki kuantum biyoloji canlı türlerinin ortaya çıkmasından kansere ve kök hücrelerle gen tedavisine dek her alanda bizzat yaşamın varlığından sorumlu. Peki nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Kuantum Mekaniğinde Atomlar Neye Benziyor?

 

Hayat genetikten önce ortaya çıktı

Kuantum biyolojiyi anlamak için Dünya’da yaşamın nasıl oluştuğuna bakalım: İngiliz biyolog Nick Lane Türkçeye Yaşam Neden Var olarak çevrilen The Vital Question (Yaşamsal Soru) kitabında yaşamın evrimden önce geldiğini savunuyor. Abiyojenez teorisine göre yaşam inorganik kimyadan türedi ve bunda su kimyası yazısında anlattığım kuantum kimya süreçleri etkili oldu. Henüz hücre zarının olmadığı eski zamanlarda, yaklaşık 4,3 milyar yıl önce beliren ilk canlılar deniz tabanındaki mineralli tatlı su menfezlerinin içinde yaşıyordu (bir tür sualtı bacası ama hidrotermal baca değil).

Bu mikroskobik organizmaların lipitlerden, yani doymuş ve doymamış yağlardan oluşan hücre zarı yoktu. Bunun yerine canlılar taşların içindeki mikroskobik gözeneklerde yaşıyor ve bu gözenekleri taştan kılıf olarak kullanıyordu. Bu nedenle ilk canlıların sualtı menfezlerinden dışarı çıkarak denizde serbestçe yüzmeye başlaması ve mobil olması imkansızdı.

Evet, yaşam vardı ama genetik henüz yoktu. 4,3 milyar yıl önce RNA ve DNA henüz oluşmamıştı. Bu nedenle her menfez bağımsız bir canlı topluluğu gibiydi. Canlılar Dünya’ya yayılamıyor ve her menfezde farklı mikroorganizmalar yaşıyordu. Onların da sahip olduğu özellikleri genetik olarak soylarına aktarma şansı yoktu. Bir sualtı bacası yok olduğunda toplu soy tükeniş yaşanıyordu. Ta ki 4 milyar yıl önce RNA öncülü olan ilk genetik molekül oluşuna kadar. RNA sayesinde canlılar denizlere yayılıp evrim geçirmeye başladı ve toplu soy tükenişe yol açan doğal afetlere karşı direnç kazandı.

Kuantum biyoloji ve genetik

Bugün yaşayan bütün canlılar RNA kullanan ilk atadan değil ama RNA kullanan ilk canlıların birinin soyundan, 4 milyar yıl önce yaşamış son evrensel ortak ata LUCA’dan geliyor. Evrim öncesi canlılar ise genetik mirasını soylarına aktaramadığı için silinip gittiler. 🙁 Belki de bize olası bir Marslıdan daha uzaylıydılar. Siz de yaşamın kökenine dair bu heyecan verici öyküyü yaşam nasıl oluştu ve evrimden önce termodinamik vardı yazılarında okuyabilirsiniz. Ancak, evrim termodinamik enerji optimizasyonunun doğal bir sonucudur derken aslında kuantum biyolojiyi kastediyoruz. Peki o nedir?

İlgili yazı:  Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

Kuantum biyoloji ve evrim

Kuantum biyoloji olmasaydı canlılar evrim geçiremezdi. Bu kadar basit. Sonuçta evrim RNA veya DNA’da gerçekleşen rastgele mutasyonlara dayanır. Bunlar RNA ve DNA kopyalanırken yapılan kopyalama hatalarıdır. Örneğin insan DNA’sı başta hücrelerimiz bölünerek çoğalırken kopyalanır. Oysa kuantum biyolojinin temeli olan kuantum tünelleme olmasaydı DNA’mız asla mutasyon geçiremezdi. İnsanlar da 4 milyar yıllık evrim sürecinde türeyip Dünya’yı kirletemezdi (iyi mi olurdu?).

İşin ilginci evrim öncesi ilk canlılar da kuantum tünelleme olmadan ortaya çıkamazdı. Sualtı menfezlerindeki mikroskobik gözeneklerdeki atomlar genetik olmayan ilk canlıları oluşturacak organik molekülleri üretecek şekilde rastgele bir araya gelemezdi. Canlılar sualtı menfezlerinden denizlere yayıldığı zaman da durum değişmezdi. O ünlü sığ su havuzlarına düşen yıldırımlar asla organik molekülleri RNA üretecek şekilde birleştiremezdi.

RNA, DNA’dan basit olsa da ilkel Dünya’nın doğal kimya reaktörlerinde kendiliğinden oluşamayacak kadar karmaşık bir moleküldür. Bunun için son kara deliklerin de buharlaşacağı 10¹⁰⁰ yıldan çok daha uzun bir süre beklemek gerekir. Kuantum tünelleme canlıları meydana getiren moleküllerin oluşmasını hızlandıran bir katalizör işlevi görmüştür. Evet, hayat kuantum biyoloji ile var ama nasıl var?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum biyoloji kökeni

Kuantum biyoloji dalının kurucusu aynı zamanda kuantum fiziğinin kurucularından Erwin Schrödinger’dir. Biz onu İsviçre’nin dağ evlerinden İrlanda’ya uzanan çalkantılı aşk hayatı ve tabii ki kuantum fiziğinin temeli olan Schrödinger dalga fonksiyonundan biliyoruz. Ancak, bu dahi bilim insanının kuantum biyolojiyle ilişkisi Schrödinger’in kedisiyle sınırlı kalmamıştır. Kendisi gerçekten de Yaşam Neden Var¹ diye bir kitap yazdı ve periyodik olmayan kristallerden söz etti.

Schrödinger’e göre aperiyodik kristaller kimyasal bağlarında genetik enformasyon taşıyordu. Ayrıca bu kristaller elektronların aniden bir enerji düzeyinden başka bir enerji düzeyine sıçramasıyla gerçekleşiyordu. Schrödinger bunu kuantum sıçrama olarak adlandırdı ama biz günümüzde kuantum tünelleme diyoruz. Buna göre elektronlar ve hatta protonlar birbirine yakınsa içlerinden biri adeta ışınlanarak aniden diğerinin yanına sıçrayabilir.

Nitekim kuantum tünellemeyi kuantum bilgisayarlar ve kuantum internette kuantum ışınlama olarak da adlandırırız. Kuantum tünelleme kimyasal reaksiyonları, atomlarla moleküllerin birbirine bağlanmasını ve nükleer tepkimeleri hızlandırır. Elektronların bir atom yörüngesinden diğerine sıçramasını da sağlar. Kuantum tünelleme olmadan kuantum kimya olmaz.

Ancak dikkat etmenizi istediğim başka bir şey var: Schrödinger genetik molekül fikrini ortaya atan bilim insanıdır. Her ne kadar Rus genetikçi Mendeleyev canlıları oluşturan bilginin soylarına kalıtsal olarak aktarıldığı fikrini 19. yüzyılda ortaya atmış olsa da bunun organik moleküller yapıldığı fikrini dile getiren Schrödinger olmuştur. Onun aperiyodik kristal fikri, ünlü bilim kadını Rosalind Franklin’in X-ışını kristalografisi tekniğiyle DNA’nın iki iplikli sarmal olduğunu bulan Watson ve Crick’e esin kaynağı oldu. Peki insan DNA’sı nasıl mutasyon geçiriyor?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuantum biyoloji ve mutasyon

Kuantum tünellemenin biyolojik etkisini görmek için DNA’yı tanımamız gerekiyor. Genetik kod söz konusu olduğunda 5 tür baz vardır ve bunlar ikişer ikişer birleşerek DNA sarmalarının basamakları diyebileceğimiz baz çiftlerini oluşturur (insan genomunda, gen dizisinde yaklaşık 3 milyar baz çifti vardır) İkişer ikişer dedim; çünkü urasil sadece RNA’da bulunur. DNA’da urasilin yerini timin almıştır.

DNA’daki 4 baz adenin, guanin, sitozin ve timindir. Baz adları genellikle nükleotidlerin ismi olarak da kullanılır ama teknik olarak bu yanlıştır. Bazlar birer şekere bağlanarak adenozin, guanozin, sitidin, timidin ve RNA durumunda uridin nükleotidlerini oluşturur (resme bakınız). Nükleotidler içerdiği fosfat kökü sayısına göre adlandırılır.

Örneğin adenine bağlı 3 fosfat kökü varsa bu hücrelerin kırarak içindeki enerjiyi açığa çıkardığı ve bağlayarak da aldığımız besinlerdeki enerjiyi kimyasal olarak depoladığı ATP molekülünü oluşturur (adenozin trifosfat). Adenin iki fosfat içerirse ADP ve tek fosfat içerirse AMP adını alır. Aslında beşten fazla baz vardır ki bunlara döngüsel nükleotidler deriz (döngüsel GMP ve döngüsel AMP gibi). Dahası bazları metile ederek farklı moleküller oluşturabilirsiniz.

Tamam, bu kadar genetik yeter. Kuantum biyolojiye geçelim. 😊 İnsan DNA’sı nasıl mutasyon geçiriyor derken iki baz çiftine odaklanacağız (guanin-sitozin G-C ve adenin-timin A-T çiftleri). Hücrelerimizin çoğalma aşamasında DNA kopyalanırken baz çiftlerini bağlayacak hidrojen atomları düşük olasılıkla yer değiştirebilir. Bu durumda G-C çifti A-T çiftine dönüşebilir veya tersi olabilir. Mutasyon budur ve böylece genetik kodunuz değişir. Ancak bir sorun var ve onu da İsveçli fizikçi Per-Olov Lowdin çözdü:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Kuantum tünelleme ve mutasyon

Hidrojen atomunun yer değiştirmesi çok fazla enerji gerektirir ve bu enerjinin kaynağını Güneş’in kanserojen morötesi ışınları veya serbest radikal oksidasyon hasarı gibi klasik mutasyon modelleriyle açıklayamazsınız. Hidrojenin yer değiştirmesi için kuantum tünelleme gerekir ve bu süreç de parçacıkların aynı zamanda dalga olmasından yararlanır.

Öyle ki atomların evrende sahip olabileceği konum ve hızları temsil eden bir dalga fonksiyonu da vardır. Dalga fonksiyonunu deniz dalgası gibi ve atomları da deniz dalgası olarak düşünebilirsiniz. Normalde atomlar duvardan geçemez (hayalet gibi duvarların içinden geçemiyor olmanızın nedeni atomlardaki elektronların birbirini itmesidir). Ancak, kuantum fiziğinde bunun asıl nedeni duvarı oluşturan atomların arasında dışarıdaki bir atom dalgasının geçeceği kadar büyük bir boşluk olmamasıdır.

Oysa belirsizlik ilkesi yüzünden dalga fonksiyonunda bir atomun duvarın içinden geçebileceğine dair olasılık dalgası da vardır. Bu olasılık dalgası çok düşüktür ki atomun kütlesi ne kadar büyükse ve atom duvara ne kadar uzaksa o kadar düşüktür. Neredeyse gerçekleşmeyecek kadar düşük bir olasılıktır ama hidrojen atomu en hafif atomdur ve DNA’daki baz çiftlerine değecek kadar yakın olduğunda aniden kuantum ışınlama ile sıçrayıp bir baza bağlanabilir, dolayısıyla baz çiftlerini bağlayabilir.

Kuantum tünellemeye ilişkin duvar örneğinde ise duvarı oluşturan atomların arasından geçecek kadar küçük bir atom dalgası olabilir ve böylece atom kuantum tünelleme/ışınlama ile duvarın içinden geçip öbür taraftan dışarı çıkar deriz. İnsan DNA’sındaki G-C baz çiftlerini bağlayan hidrojen atomları da aniden sıçrayıp bazlarda yer değiştirerek G-C’yi A-T baz çiftine dönüştürebilir. Evet, mutasyon budur.

Peki ya ağır su?

İnsan vücudunun yüzde 60’ı sudan oluşur deriz ki su moleküllerinde birer hidrojen atomu vardır. Ağır suda ise fazladan bir nötron içeren hidrojen atomu, yani ağır hidrojen olan döteryum vardır. Döteryum hidrojenden ağır olduğu için bazlarda sıçrama yaparak baz çiftlerini birbirine dönüştürme olasılığı çok düşüktür. Dolayısıyla ağır hidrojen DNA’sı çok yavaş mutasyon geçirir ama yine de kanserden korunmak için sakın ağır su içmeyin. İki aylık sürede ölümcüldür. Neyse ki bakkalda satılmıyor. 😊

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Gelelim kuantum biyoloji ile fotosenteze

Fotosentez bitkilerin gün ışığından elde ettiği fotoelektrik enerjiyi kimyasal enerjiye dönüştürmesini sağlar. Bu bağlamda yaprakların bir tür doğal güneş paneli olduğunu düşünebilirsiniz. Tabii o kadar basit değil, ama bilim insanları yapay yaprak ile bitkilerin fotosentez kapasitesini 5 kat artırıp onları endüstriyel güneş paneli olarak kullanmayı planlıyor.

Yine de bitkiler kuantum tünelleme olmadan fotosentez yapamaz. Fotosentezde bitki hücrelerinin içindeki kloroplast organcıkları Güneş’ten gelen fotonları klorofil denilen moleküller yardımıyla emer. Bitkilere yeşil rengini veren de klorofil kimyasalıdır. Kloroplastların antenlerinden içeri girip klorofil moleküllerine çarpan fotonlar klorofildeki elektronlarından birini uyarıp enerjisini artırır. Bu da elektronun antenden sıçrayıp kloroplastın içindeki bir reaksiyon merkezine girmesini sağlar.

Fotosentezle enerji üretimi bu merkezde gerçekleşir. Burada biriken elektronlar şarj edilen lityum-iyon pillerdeki gibi sonradan kullanılmak üzere depolanır. Bitkiler reaksiyon merkezi denilen doğal pilleri kullanarak depoladığı enerjiyi açığa çıkarır. Oysa elektronun antendeki yüz binlerce klorofil molekülü arasından yolundan şaşmadan geçip reaksiyon merkezine ulaşması çok düşük bir olasılıktır.

Elektron kloroplastın içine saniyenin milyarda biri sürede ulaşmazsa klorofiller fotonu emer ve elektron bir yere sıçrayamaz (elektronlar aldığı enerjiyi foton yayarak geri vermeye çalışır). Elektronun reaksiyon merkezine ulaşması için antenden çıktığı klorofille merkez arasındaki en kısa yolu bulması gerekir. Burada kuantum süperpozisyon devreye girer:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Süperpozisyon ve fotosentez

Süperpozisyon Schrödinger dalga fonksiyonunun doğal bir sonucudur. Dalga fonksiyonu elektron dalgasının bütün olası genliklerini, yani bitkide enerji kazanan bir elektronun (düşük ve yüksek olasılıklarla) reaksiyon merkezine ulaşmakta kullanacağı bütün olası yolları içerir. Dahası bir elektron örneğin sağdan gidiyorsa bu olasılığın gerçekleşmesi gitmediği sol yol olasılıklarını da içerir.

Dolayısıyla elektron belirli bir yolu seçmeden önce reaksiyon merkeziyle arasındaki bütün yollarda aynı anda bulunur. 😮 Neyse ki bu yüzden dalga fonksiyonundaki tüm olasılıkların toplamı hep 1’e eşittir ve kuantum elektrodinamiğinde elektronlar genellikle en kısa yolu izler (bkz. Feynman diyagramları). Böylece elektron süperpozisyonun çökmesiyle reaksiyon merkezine en kısa yoldan kuantum tünelleme yapar ve fotosentez gerçekleşir. Sırada manyetik alanları hissederek yolunu bulan göçmen kuşlar var:

İlgili yazı: Oklo 2 Milyar Yıllık Doğal Nükleer Reaktör

 

Göçmen kuşlar ve kuantum biyoloji

Göçmen kuşlar manyetik alanların yönü ve şiddetini hissederek vücudunu doğal pusula olarak kullanabilir, böylece ekvatorla kutupların yerini bilebilir. Bu da seyrüsefer yaparak her yıl doğru ülkeye/bölgeye göç etmelerini sağlar. Örneğin kızılgerdanlar kuzey ve güney Avrupa arasında göç eder. Bilim insanları kızılgerdanların manyetik alanlarla nasıl yolunu bulduğunu bilmiyor ama birkaç teori var. Bunların içinde en sıkıcı olanı vücutlarında mıknatıslı metal parçacıkları olması.

Daha heyecan verici teoriye göreyse göçmen kuşların gözlerinde kriptokrom denilen özel bir protein var. Fotonlar göze girip bu moleküllere çarpınca moleküllerin içerdiği elektronlar diğer kriptokrom moleküllerine sıçrıyor. Böylece molekülleri iyonize ederek (toplam elektron sayısının proton sayısını aşması) biri negatif ve diğeri pozitif olan iki radikal oluşturuyor. Elektronun koptuğu molekül artık bir elektronu eksik olduğu için pozitif yüklü ve elektronun sıçradığı molekül de negatif yüklü oluyor.

İşte burada kuantum dolanıklık devreye giriyor. Buna göre dolanık elektronlardan biri spin yukarı durumdayken eşi mutlaka spin aşağı durumda olacaktır. Aynı şey iyonize kriptokrom molekülleri için de geçerli. İyonize moleküller yeni elektron spinine göre manyetik alanların yönü ve şiddetine farklı tepki veriyor; çünkü elektronlar birer mini pusuladır. Bu da kuşun yolunu bulmasını sağlıyor.

Böylece kuantum fiziğinin ilk canlıların ortaya çıkmasından genetiğe ve kuşların yolunu bulmasından fotosenteze kadar her alanda yaşamın temelinde olduğunu gördük. Kuantum biyoloji ile yaşamın işleyişini gösteren kısa bir yolculuğa çıktık. İnsan beyni bir kuantum bilgisayar değil ama kuantum tünellemenin insan zihnini etkilediğine dair teoriler var.

Kuantum fiziği ve bilinç

Onu da bilinç bilinçsiz beyinden nasıl çıkar ve insan bilinci maddenin yeni bir hali mi yazılarında okuyarak virüsler uzaydan bulaşır mı diye sorabilirsiniz. Dünyadaki en ölümcül 5 toksine bakarak geçmişle kuantum dolanıklığı şimdi görebilirsiniz. Bayramın son günü muhteşem geçsin. 🙏

Kuantum biyoloji yaşamı nasıl açıklar?

¹What is life
²Quantum Biology
³Quantum effects in the brain: A review
⁴Sustained Quantum Coherence and Entanglement in the Avian Compass
⁵Reaction models to probe the structure of light exotic nuclei