Selamlar! Bu yazımda sizlere kuantum biyolojisinden bahsetmek istiyorum. Evet, doğru duydunuz kuantum biyolojisi! Belki size garip gelmiş olabilir çünkü “kuantum” genelde yanında “fiziği” ya da “mekaniği” kelimeleriyle anılır fakat burada size bu garip bilim dalının biyolojiye nasıl etki ettiğinden bahsedeceğim. Bu yazıyı “Kuantum Sınırında Yaşam (Orijinal adıyla 'Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology')” adlı kitaptan esinlenerek yazdığımı belirtmek isterim.*

Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği atom altı parçacıkları (proton, nötron ve elektron) inceleyen ve bu parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışan bir bilim dalıdır. Bu bilim dalı kuark, gluon gibi parçacıklarla da uğraşır fakat bizim odağımız elektronlar (biraz da protonlar) olacak. Öncelikle elektronların bazı garip davranışları var, bunları basitçe bir izah edelim. Bu davranışlardan “Süperpozisyon”, “Kuantum Tünelleme” ve “Kuantum Dolanıklık”lığı inceleyeceğiz.

Kuantum dünyasında parçacıklar bizim günlük hayatta alışık olduğumuz gibi davranmaz. Mesela bir elektron, aynı anda birden fazla durumda bulunabilir. Buna süperpozisyon denir.

Örneğin, klasik dünyada bir top ya A kutusunda ya da B kutusundadır. Ama bir elektronu ele alırsak, o aynı anda hem A kutusunda hem de B kutusunda olabilir. Bu, gerçek anlamda “aynı anda iki yerde bulunma” durumu değil, daha çok bulunma olasılıklarının üst üste binmesi gibi düşünülmelidir.

Elektronun spin denilen içsel hareketi de süperpozisyon gösterebilir: Yani bir elektron aynı anda hem "yukarı spinli" hem de "aşağı spinli" olabilir. Ta ki biri gelip ölçüm yapana kadar. Ölçüm yapıldığında bu süperpozisyon "çöker" ve elektron tek bir durumu seçer.

Kısacası, süperpozisyon, kuantum parçacıklarının aynı anda birden fazla durumda bulunma ihtimaline sahip olmasıdır. Bunu klasik mantıkla anlamak zor olabilir ama kuantum dünyasının doğası tam da böyle çalışıyor.

Bunu daha önce duymuş olmanız muhtemel. Elektronlar adından da anlaşılacağı üzere bariyerlerin içinden aynı ses gibi bir dalga gibi davranarak geçebilirler. Bu durum genelde Heisenberg’ün Belirsizlik İlkesi ve dalga parçacık ikiliği kullanılarak açıklanır fakat burada bunlara değinemeyeceğim basitçe ne olduğunu anlamanız yeterli.

Kuantum dolanıklık, 1935’te Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen tarafından ortaya atılan bir düşünce deneyinde tartışılmıştır. Basitçe, birbirinden rastgele bir uzaklıkta bulunan iki parçacıktan birinde gerçekleşen bir olayın, diğerini anında etkilemesi şeklinde tanımlanabilir. Einstein bu duruma “uzaktan hayaletimsi etki” ya da “ürkütücü uzaktan etki” (spooky action at a distance) adını vermiştir; fakat bu fikri kabul etmemiş, kuantum mekaniğine olan eleştirisinin bir parçası olarak dile getirmiştir.

Evet, şimdi bu ilginç durumlardan bahsettiğimize göre kuantumun biyoloji tarafına geçebiliriz. Vücudumuzdaki tepkimeleri hızlandıran “enzim” adı verilen maddeler vardır. Bu garip maddeler milyonlarca yıl sürecek bir tepkimeyi bile kaşla göz arasında bitirmeyi sağlayabilir. Ancak enzimlerin çalışması için optimum şartlar vardır (görsel 1.1). Bu şartlara pH ve sıcaklık örnek gösterilebilir. İşte işin içine kuantum devreye girdiği yer de burası.

Şimdi bu grafiği tepkime gibi düşünüp grafiğin sol tarafına tepkimede rol oynayacak elektronlarımızı koyalım (görsel 1.2)

Şimdi noktalarımızın karşıya geçmesi gerekiyor bunun için enzim kullanmak şart yoksa tepkime yıllarca sürebilir. Enzimimiz bu grafikteki en üst noktayı tutup aşağı çekmesi gerekmekte işte tam da burada kuantum devreye giriyor. Aslında bu grafiğin uç noktasını aşağı çekmek yerine kuantum tünelleme kullanarak direkt bir şekilde grafiğin içinden geçiyoruz (görsel 1.3).

Bu sayede tepkimemiz yıllarca sürebilecek bir yükün altından kurtuldu ve istediğimiz ürünlere eriştik ve bunu yaparken de kuantum tünellemeden yararlandık. Yanlış anlaşılmaya sebep olmaması için bu olayın sadece bazı tepkimelerde gerçekleştiğini de belirtmek isterim. Şundan da bahsetmeliyim: Vücudumuzda gerçekleşen bu tepkime daha bir çok canlıda da gerçekleşmektedir başta vücudumuzda dememin sebebi olayı basitleştirmektedir. Araştırmak isteyenler için girişte bahsettiğim kitapta da bulunan burada bahsedemediğim DNA’daki organik bazlar arasındaki bağların arasındaki protonun davranışları, bazı canlıların Dünya’nın manyetik alanını kullanarak yön bulması, sinir hücrelerimizin çalışma prensipleri gibi bir çok örnek de mevcut. Bu da aslında kuantumun biyolojide de rol oynadığını bize gösteriyor ve farklı bir bakış açısı sunuyor. Burada daha fazla örnek vermem mümkün olmadığı için izninizle kısa kesiyorum. Umarım size bir şeyler katmışımdır ve kuantum hakkındaki görüşlerinizi bir nebze etkilemişimdir. İyi günler dilerim.

*: McFadden, J., & Al-Khalili, J. (2016). Life on the edge: The Coming of Age of Quantum Biology. Crown.