Ekoloji, viroloji, botanik gibi kavramlar hayatımızda uzun yıllardır bulunan biyoloji dalları ancak birkaç senedir bu kavramlara bir yenisi eklendi: kuantum biyolojisi. Eğer bir bilim insanı ya da biyoloji lisans öğrencisi değilseniz kuantum biyolojisi kavramını hala diğer kavramlar kadar sık duymuyor olabilirsiniz ancak kuantum biyolojisi son yıllarda ivmelenerek gelişiyor. Peki nedir bu kuantum biyolojisi?
Kuantum Nedir ve Nasıl Gelişti?
Kuantum biyolojisinden bahsedebilmemiz için öncelikle kuantum nedir veya neyi inceler bunun bilinmesi gerekmektedir. Kuantum fiziği, madde ve enerjiyi anlama sürecinde klasik fiziğin açıklayamadığı ya da açıklamakta yetersiz kaldığı kavramları açıklamak için geliştirilmiş fizik dalıdır[1][2]. Örneğin, klasik fizik elektronların çekirdek etrafındaki (orbitallerdeki) hareketlerini açıklayamıyordu çünkü elektronlar çekirdek etrafında ivmeli hareket yapmaktaydı ve bu durumda elektronların foton yayarak enerji kaybetmeliydi ancak bu durumun sonucu olarak elektronlar çekirdeğe düşmeliydi. Klasik fiziğe göre bu hareketin sonucu atomun çökmesiydi yani madde var olamazdı.
Fizikte ismini sıkça duyduğumuz bilim insanı Planck, bu durumu fark etti ve atom seviyesinde bir varsayım yaparak bu soruna bir açıklama getirmeye çalıştı. Yaptığı varsayım atom düzeyinde enerjinin ancak “quanta” denilen ufak birimlerle transfer edilebileceğiydi ve bu varsayım kendi ismiyle anılan bir sabitin kabul edilmesine yol açtı. Bugün bu sabit Planck sabiti olarak anılmakta ve fizikte ya da kimyada oldukça sık kullanılmakta (h=6.62607015 × 10-34 m2.kg / s). Planck’in yaptığı bu varsayım birçok gelişmeyi de beraberinde getirdi ve atom boyutundaki çalışmaların önünü açmış oldu. Kuantum sıçraması, çift yarıkta girişim deneyi, Einstein’in Nobel ödülü kazandığı fotoelektrik olayı (sanılanın aksine Einstein Nobel ödülünü özel görelilik teorisi ile değil fotoelektrik olayını açıklaması ile kazanmıştır), De Broglie dalga boyu, dalga-parçacık ikilemi vb. kavramlar kuantum dünyasında sıkça duyabileceğiniz ve atomu anlamak için veya anlatırken ortaya çıkmış kavramların bazılarıdır. Kuantumun kendisi başka bir yazıya hatta yazılara konu olacak kadar geniştir ancak kuantum, biyoloji ile nasıl ve neden ilişkilendirildi?[1][2]
Kuantum ile Biyolojinin Kesişimi: Kuantum Biyolojisi
Bilim insanlarının kuantum fiziğini anlayışları ve kuantum fiziğindeki bilgileri geliştikçe kuantum artık diğer bilim dalları ile birleştirilmeye ve kuantum boyutundaki etkilerin daha makro boyuttaki olaylara etkisi araştırılmaya başlandı. İşte kuantum biyolojisi de tam olarak böyle gelişen bir alandı. Basitçe tanımlamak gerekirse, kuantum biyolojisi; canlılardaki fizyolojik olaylarda kuantumun etkili olup olmadığını ve eğer oluyorsa bu etkinin nasıl gerçekleştiğini anlamaya çalışan bir alandır yani kuantum ile biyoloji birleştirilmiştir. Son 20-30 senede moleküler biyolojinin gelişmesiyle birlikte moleküllerin hücreleri nasıl etkilediği zaten daha da anlaşılır hale gelmekteydi. Kuantum biyolojisi ile artık moleküllerden atom boyutuna doğru inilmeye başlandı demek çok da yanlış olmayacaktır. Kısacası klasik biyoloji canlıları ve hücreleri, moleküler biyoloji hücreleri ve molekülleri incelerken kuantum biyolojisi atomları inceleyip canlılar üzerindeki etkilerini anlamaya çalışıyor.
Kuantum Neden Canlılarda Etkili?
Bütün biyolojik sistemler için kuantum etkisinden bahsetmek ya da gözlemlemek çok mümkün değildir çünkü canlıların kompleks yapıları işin içine kuantum girince çözülmesi oldukça güç diferansiyel denklemleri beraberinde getiriyor[3]. Zaten uzun yıllar boyunca fiziğin ve biyolojinin yollarının çok kesişmemesi ya da kuantum etkilerin canlılarda bahsedilmemesi bu tür zorluklardan kaynaklanıyordu. Ancak gelişen teknolojilerle beraber artık bu denklemleri çeşitli biyolojik sistemlerde çözmek mümkün hale gelmeye başladı ve kuantum biyolojisi adını yavaş yavaş duyurmaya başladı. Biyolojik sistemlerde kuantum etkilerinin tespit edildiği durumlar başlıca fotosentez mekanizması, kuşlardaki ya da kuşlarla ilişkili canlılardaki manyetik alanı algılama yetenekleri olarak belirtilebilir. Kuantum etkisinin, canlılarda fizyolojik etkilere yol açmasının kanıtlanması ile birlikte bilim insanları bu etkilerin nasıl ve neden oluştuğunu sorgulamaya başladı. Önce açıklaması daha basit olan kuantum etkilerinin neden oluştuğunu açıklamak gerekirse, canlıların kuantumu etkili bir şekilde kullanabilmesi onlara evrimsel süreçte bir avantaj kazandırmış ve bu yüzden kuantumu efektif kullanabilen canlılar doğal seçilim tarafından seçilmiş denilebilir. Yapılan araştırmalar kuantum etkisinin çok yüksek düzeylere ulaşamadığını belirtse de evrimsel süreçte özellikle bakteri gibi alt düzey canlılarda bu tarz ufak evrimsel avantajlar çok büyük öneme sahip olabiliyor. Fotosentezi %2 daha verimli gerçekleştirebilen bir siyanobakteri, kendi türü içerisinde daha çok üreme ve hayatta kalma fırsatına sahip olup genlerini popülasyon içinde daha çok yayabilir, yani doğal seçilim tarafından seçilebilir. İşte kuantumu efektif kullanabilen canlılarda da bu durum yaşanmışa benziyor. Peki, canlılar kuantumu nasıl kendi yararları için kullanıyor?[3]
Kuantum ve Fotosentez
Fotosentez mekanizması canlılık söz konusu olduğunda en önemli mekanizmalardan biri hatta belki de en önemlisi olarak bilim insanların karşısına çıkar çünkü canlıların ihtiyaç duyduğu enerjinin büyük çoğunluğu doğrudan ya da dolaylı olarak fotosentezden karşılanır[3]. Fotosentez mekanizmasında bitkilerde ya da fotosentetik bakterilerde bulunan ışık toplayıcı kompleksler (pigmentler, proteinler vb. şeyler bütünü) güneş ışığını foton formunda elektronik uyarım olarak yakalar. Yakalanan bu foton ışık toplayıcı komplekslerdeki antenlerden geçerek fotosentez reaksiyon merkezine ulaşır ve burada kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu dönüşüm sırasında çeşitli pigmentler kullanılır ve reaksiyonun verimliliği kullanılan pigmentin yapısı ya da özelliklerine göre kolayca etkilenebilir. Yeşil sülfür bakterilerinin FMO (Fenna-Matthews-Olson) kompleksi en çok çalışılmış ve yapısı en iyi bilinen ışık toplayıcı komplekslerden bir tanesidir. FMO kompleksinin oldukça ufak yapısı ve suda çözünebilme özelliği bu kompleksi bilim insanlarının çalışması için uygun bir aday yapmakta ancak bu özelliklerinin yanı sıra FMO ışık toplayıcı kompleksini diğerlerinden ayıran bir özelliği de yakaladığı fotonların neredeyse %100’ünü reaksiyon merkezine iletebilmesidir (Yani FMO kompleksi neredeyse %100’e yakın bir verimlilikle çalışabiliyor).
Kuantum, işte tam olarak bu noktada devreye giriyor. Bilim insanları önce çok düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 70 Kelvin ki bu -203,15 °C ediyor) bu komplekste kuantum etkilerinin göz ardı edilemeyecek düzeyde etkili olduğunu buldu ve daha sonra bu etkilerin oda sıcaklığında da bulunduğunu belirtti. FMO komplekslerinde kuantum uyumluluk, fotonların reaksiyon merkezine gitmesini sağlayan elektron uyarımlarının daha verimli gerçekleşmesini sağlıyor ve bu da canlılara belirli düzeyde avantaj sağlıyor. Yukarıda da belirtildiği gibi kuantum etkisinin sağladığı verimlilik yüzdelik olarak oldukça ufak olsa da evrimsel süreçte bu ufak verimlilik farkı özellikle bakteriler için oldukça önemli olabilir çünkü evrimsel süreçte fotosentez mekanizmasını bulunduğu ortamda en verimli gerçekleştirebilen ve bunu gerçekleştirecek uygun pigmentlere sahip olan canlılar doğal seçilim tarafından seçilir, çoğalır ve genlerini yayma fırsatı bularak gelecek nesillerin çoğalmasını sağlar. Kısacası, kuantum uyumluluk fotosentez mekanizmasının verimliliğini arttırmış ve bu yüzden bazı canlılarda doğal seçilim tarafından seçilmişse benziyor ancak bilim insanları hala kuantum etkisinin varlığından bahsederken şüpheci yaklaşılması gerektiğini belirtiyor çünkü kuantum etkisi henüz in vivo deneylerle kanıtlanmadı[3].
Kuantum ve Kuşların Manyetik Alan Algısı
Kuantumun canlılar üzerindeki etkisi konuşulurken en çok gündeme gelen bir diğer özellik de kuşların manyetik alanı algılama yetenekleridir (Eng: magnetoreception)[3]. Kuşların bu özelliği türden türe çeşitli farklar gösterse de genel olarak göç eden kuşların kullandığı bu özellik kuşların yön bulmasını sağlıyor. Kuşların manyetizmayı yön bulmada nasıl kullandıkları hala tam olarak bilinmiyor ve bu konuda farklı hipotezler bulunmakta. Manyetik demir minerallerinin kuşlardaki bu algılama yeteneğinden sorumlu olduğu düşünülmekteyken yapılan bazı davranışlar deneyler durumun manyetik demir mineralleri ile ilgili olmadığını, bunun yerine fotoreseptörler ve dışsal titreşen manyetik alanların (Eng: external oscillating magnetic fields) etkili olduğunu işaret etmeye başladı. Yapılan son deneyler, göçebe kuşların retinasında bol miktarda bulunan kriptokrom proteinleri yardımıyla manyetik alanı algıladıklarını gösteriyor. Kriptokrom proteinin radikal-çift oluşturucu molekülünde (Eng: radical pair) ışığın neden olduğu bir elektron transferi gerçekleşmeye başlıyor ve bu molekül radikal-çift oluşturucu başka bir moleküle bağlanıyor. Daha sonra tekli ve üçlü halde bulunan elektron çifti durumları oluşuyor ve çok daha karmaşık reaksiyonların meydana gelişi tetiklenmiş oluyor. Bu karmaşık reaksiyonlarda önemli olan kilit nokta, ufak manyetik alan değişimlerinin etkili oluşu. Göçebe kuşlar retinalarında bulunan kriptokrom proteini sayesinde yönlerini bulurken ufak manyetik alan değişimlerini bile kullanabiliyor ve kuantum da bu noktada işin içine giriyor. Tekli ve üçlü halde bulunan elektron çifti durumları kuantum boyutundaki olaylardan etkileniyor ve böylece kuşların yön bulmasında kuantum etkili olmuş oluyor. Tabii ki olay kuantum bu elektron çifti durumlarını etkiliyor denebilecek kadar basit değil ancak genel bir görüş oluşturmak açısından bu noktada basit ve tatmin edici bir açıklama.
Kuantum etkilerinin canlılardaki yalnızda fotosentez ve manyetik alan algılama ile kalmıyor. Son yıllarda yapılan deneyler ve araştırmalar uzun menzilli elektron tünelleme, hidrojen tünelleme vb. çeşitli kuantumsal etkilerin canlılardaki redoks reaksiyonları ve enzim katalizlemesi gibi durumlarda etkili olabileceğine işaret ediyor. Kuantum biyolojisi moleküler biyolojideki ve kuantum teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte daha da gelişecek gibi görünüyor[3].
Referanslar
[1] What is quantum physics? Caltech Science Exchange. (n.d.). Retrieved December 17, 2022, from https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/quantum-physics
[2]Quantum Physics. (n.d.). Retrieved December 17, 2022, from http://abyss.uoregon.edu/~js/cosmo/lectures/lec08.html
[3] Lambert, N., Chen, YN., Cheng, YC. et al. Quantum biology. Nature Phys 9, 10–18 (2013). https://doi.org/10.1038/nphys2474
