به جهان بسیار عجيب طبيعت جدید خوش امديد
این جهان تحت کنترل ذرات زیر اتمی ه عجیب و غریب
فیزیک کوانتومیست
صدای زنگ کلیسا
زندگی کاری من بعنوان یک فیزیکدان ؛ در مطالعه ی
رفتار این ذرات در ازمایشگاه ؛ گذشته است
اما اکنون در حال رفتن به دل طبیعت هستم
تا ماموریتی را برای محک توانایی مکانیک کوانتوم در حل
بزرگترین رازهای زیست شناسی را انجام دهم
این برایم یک ماجراجویی واقعیست
من از قلمرو راحت خود بسیار دور شده ام تا سعی کنم
ایده هایی را که با دقتی بسیار؛ در ازمایشگاه فیزیک ؛ با انها اشنا هستم
را در جهان شلوغ و بینظم موجودات زنده ؛ بکار بندم
باور دارم که فیزیک کوانتوم ؛ میتواند با بسیاری ازاسرار زندگی ؛ ارتباط داشته باشد
در اعماق سلولهای حیوانات
ذرات از میان دیوارها مانند اشباحی ؛ براحتی لغزیده و عبور میکنند
وقتی که گیاهان نور خورشید را جذب میکنند
سلولهایشان ؛ مورد هجوم امواج مرتعشی قرار میگیرند که
میتوانند هر کجا ؛ در هر زمانی باشند
و حتي حواس انسانيمان نيز
با ارتعاشات عجيب كوانتومي تنظيم ميشوند
در جهان خارق العاده ی زيست شناسي كوانتومي
زندگي ؛ یک بازي ه تصادفی ست
كه با قوانين كوانتومي انجام ميشود
انچه كه من با اميد ه متقاعد كردنتان
ميخواهم نشانتان دهم ؛ اینستكه مکانیک کوانتوم ؛ توضيح اصلي
در برخی از فرایندهای مهم در زندگيست ؛ و همچنین اینکه بطور باالقوه ؛
حتی شاید كه مكانيك كوانتوم ؛ زيربنای وجود داشتن خود حيات باشد
تلاش من با يكي از با شكوهترين مناظر طبيعت اغاز ميشود
مهاجرت
در هر زمستان ؛ غازهاي پوزه بنددار(غازچهره سفید) ؛ وارد همین جای معین
از رودخانه اسكاتلند ميشوند
که پايان حماسه اي دوهزار مايلي است كه سفري از ساولبورد
دربالاي مدارقطب شمال است
البته بسیاری از پرندگان ؛ برای زمستان بجنوب رفته
و سپس در تابستان به منزل بازميگردند
اما برای دهه ها ؛ اینکه دقیقا چگونه ؛ پرندگان با چنین دقتی مسیریابی میکنند
یکی از بزرگترین اسرار در زیست شناسی بود
بهمین دلیل ؛ کشفیات اخیر؛شور و شوقی را بهمراه داشته است
در چند سال گذشته
یکی از گونه های پرندگان ؛ در بوجود امدن انقلابی علمی مفید بوده اند
من یکی از ان دسته فیزیکدانانی بوده ام که ؛ از کشف اینکه
در مسیریابی ؛ یکی از عجیبترین رمز و راز های همه ی علوم ؛ مورد استفاده قرارمیگیرد ؛ بهت زده شده ام
اینکاربا بهره گیری از یکی از تناقضهای مکانیک کوانتوم انجام میگیرد ؛
تناقضی که حتی بزرگترین فیزیکدانان را فریب داده است؛
از ریچارد فایمن گرفته ؛ تا خود البرت اینشتین
بنابراین شما هم با پی بردن به اصل این کشف ؛ مبهوت
ماهیت مرموز ان خواهید شد
به سهره-سینه سرخ کوانتومی سلام کنید
این سهره ی اروپاییست
هر ساله او از شمال اروپا ؛ تا راس اسپانیا
مهاجرت کرده و برمیگردد
در این ازمایشگاه در میان جنگل
زیست شناس هنریک موریتسن ؛ سعی دارد این راز که
او چطور این مهاجرت را انجام میدهد را حل کند
اما او خودش را در دنیای من پیدا کرد
دنیای عجیب مکانیک کوانتومی
مکانیک کوانتوم رفتار بسیار عجیب
ذرات زیر اتمی را توصیف میکند
دراین قلمرو بسیار کوچک (منظور قلمرو ذرات اتمیست)؛
ما درحال دل کندن از ادراک و مفاهیم اشنایمان هستیم
در عوض ؛ اینجا جهانیست که در ان اشیاء ؛ مانند امواج گسترش پیدا میکنند
ذرات کوانتومی میتوانند دریک زمان در مکانهای متعددی باشند
و میتوانند به طور مرموزی با هم ارتباط داشته باشند
برای درک این موضوع که ؛ یک پرنده چطور راهش را پیدا میکند ؛ شروع بکار کردم
ولی فقط برایم مشخص شد که ؛ اطلاعات ؛
بیشتر و بیشتر بر این تاکید میکنند که مکانیک کوانتومی ؛
تنها توضیحی است که میتواند ؛ همه ی نتایج مختلف را جمع بندی کند
بررسی انجام شده توسط هنریک ؛ تئوری قدیمیی است که
که مسیر یابی سینه سرخ ها بوسیله ی میدان مغناطیسی زمین انجام میشود
ازمایشگاه او ؛ یک قفس پرنده ی مغناطیسی ه ابتکاریست
و این لگن های پلاستیکی مخروطی ؛ با صفحات حساس به خراش ؛ پوشانده میشوند
تا اندازه گیری های کلیدی و اصلی را انجام دهند
میدان مغناطیسی مصنوعی ه هنریک ؛ شبیه میدان زمین است بجز اینکه
او میتواند انها را در هر جهتی که میخواهد تنظیم کند
درون این لگن ها ؛ پرندهای سهره همیشه به میدان واکنش نشان داده و
خراشهایی را در جهت واحد باقی میگذارند
رازبزرگ چگونه انجام شدنش است
میدان مغناطیسی زمین فوق العاده ضعیفتر از انست
که موجود زنده ای بتواند انرا تشخیص دهد
اما هنریک سرنخ های جذابی را
با دادن یک ماسک ؛ به سهره سینه سرخ کوانتومی پیدا کرد
ما یک روپوش چرمی کوچک ؛ شبیه انها که بر روی سر قوشها میگذارند داریم
اما فقط برای یک سینه سرخ
و شما سوراخی را در جلوی یکی از چشمانش دارید
یا سوراخی در مقابل چشم دیگرش میگذارید
انچه که ما میتوانیم ببینیم ؛ وقتیکه چشم راست پوشانده شده ؛
شما پردازش قطب نمای مغناطیسی انها را در قسمت چپ مغز خاموش کرده اید
اگر شما این چشم را بپوشانید
قطبنمای مغناطیسی در اینطرف مغز را خاموش کرده اید
اینطور بنظر میرسد که قطب نمای مغناطیسی سهره ها ؛ درون چشمهای انهاست
انچه که رخ میدهد را میتوانم با استفاده از چشم خودم نشانتان دهم
در حال حاضر ما از چشمانمان برای دیدن استفاده میکنیم
اما ما مکانیسم دومی هم برای تشخیص نور داریم
اگر من این چراغ قوه را به چشمم بتابانم
شما میتوانید ببینید که مردمک چشمانم بسته میشود
این سیستم اصلی دفاعی برای محافظت از چشمانم است
چشم من در حال واکنش به ذرات نور یا فوتونهاست
انرژی که فوتونها در خودشان دارند
کافی برای بکار انداختن واکنشی شیمیاییست
بهر حال ؛ ان چیزیست که ماهیچه های چشمم را کنترل میکند
نور میبایستی موجب چیزی شبیه واکنش شیمیایی
در چشمان سهره ها گردد
در واقع ؛ منبع انرژی و محرکی برای ؛ نوعی منحصر بفرد از قطب نمای مغناطیسی ست
که در درون سلولهای سهره ها ست ؛
این قطبنما درجهان عجیب و غریب ذرات زیراتمی قرار دارد
در مکانی که فقط فیزیک کوانتوم
توانایی ه توضیح اینکه چه چیزی رخ میدهد را دارد
برای دیدن دلایلش ؛ تصور کنید که واکنشهای شیمیایی درون چشم سینه سرخ ؛
جایی مابین کوهها و دره های انرژی رخ میدهد
برای اینکه واکنشی شروع شود
شما باید با فشار بجلو ؛ مولکول ها را به بالای کوه ها ببرید
با تشکر از آزمایشهای هنریک؛
حالا ما میدانیم که نور؛ بیشتر کارهای سخت را ؛ انجام میدهد
اما وقتی که به بالاترین نقطه رسیديد
مولکولها در مقابل کوچکترین تماسی ؛ بطور فوق العاده ای حساس میشوند
نکته ی کلیدی این است که ؛ قطب نمای شیمیایی ه سهره ها ؛ همین لحظه است
لحظه ی تعادل انرژی ؛ که در قله ی مابین دو دره رخ ميدهد
رفتن به يك سمت ؛ يك مجموعه از توليدات شیمیایی را بوجود میاورد
و بسمت ديگر؛ مجموعه اي ديگر را
حالا ؛ حتي تغيير كوچكي در ميدان مغناطيسي زمين ميتواند تلنگری باشد که
مولكول را از بالاي قله سرازير میكند؛ اما روش زدن این تلنگرو وقوع این اتفاق ؛ با ادراك متعارف ما ضدییت دارد
اخرين قطعه از پازل
بستگي به يكي از؛ واقعا
تامل برانگيزترين نظريه ها در فيزيك دارد
اما نگران نفهميدنش نباشید
دركش سخت است
حتي البرت اينشتين
به ان نام "شبح وار" داد
اين نظريه "درهمتنيدگي كوانتومي" ناميده شده است
و درباره ی ذراتيست كه بنظر ميرسد ارتباطي سريعتر از
سرعت نوربا يكديگر دارند
در 1935اينشتين مقاله اي مشهور را منتشر كرد كه
در ان استدلالی مبنی بر؛ غیرممکن بودن این نظریه را بیان میکرد
اما اينشتين در اشتباه بود
در سالهاي اخير ازمايشهاي بشدت حساسی را داشته ايم که نشان داده اند
ذرات زير اتمي واقعا درهمتنيده هستند
معني ه ان اين است كه انها ميتوانند با مهارت و زيركي
و بلافاصله ؛ همديگررا ازمیان فضا ؛ تحت تاثير قرار دهند
و حالا اينطور بنظر ميرسد كه همان چيز؛ در درون چشمان سهره رخ ميدهد
وقتي كه يك فوتون وارد چشم سينه سرخ ميشود
چيزي را بوجود مياورد كه يكجفت الكترون درهمتنيده ناميده شده اند
اینجاست که انها کارشان را انجام میدهند .هر الكتروني دو حالت احتمالي دارد
براي ساده شدن ؛ نامشان را قرمز و سبز انتخاب میکنم
و حالا ؛ ان چيز عجيب اینجاست
تا وقتیكه انها را شناسایی نکرده ام ؛ ان ها هرکدام یا هردو میتوانند باشند
اما هر دو در يك زمان
فكر كنيد كه الكترون ها يك صفحه ي چرخان هستند
انها بصورت همزمان ؛ قرمز و سبزند
اما با پرتاب يك دارت
من ميتوانم به اولين الكترون نيرويي وارد كنم تا اين يكی باشد يا دیگری
فعلا؛ اين فقط یک بازي ه احتمالاتيست
تا وقتي كه سعي درشناختنشان نكنم ؛ نخواهم دانست كه چه چيزي را بدست میاورم
حالا ميدانم كه اولين الكترونم قرمز است
فرض كنيد كه میخواهم الكترون دوم را بشناسم
شما فكر ميكنيد كه من شانس نصف به نصف در داشتن قرمز يا سبز دارم
بهرحال ؛ حدس شمابر طبق روال طبيعي هر روزه ي دنياست
اما در اشتباهيد
در درهمتنيدگي كوانتومي ؛ الكترونها بطور مرموزي با هم مرتبط هستند
براي مثال ؛ اگر در اولين پرتابم قرمز داشته باشم
هميشه پرتاب دومم ؛ قرمز خواهد بود
اين دومي ؛ دیگر يك پرتاب احتمالی نيست
مثل اين استکه ؛ اولين الكترون به دومي ميگوید كه چكار كند
به اين دليل بود كه اينشتين به ان "شبحگون" ميگفت
اينطور بنظر ميرسد كه الكترونها ميدانند كه هر دو انها بايد يك رنگ داشته باشند
مهم نيست كه چقدر از هم دور باشند
بخش واقعا مهم اين است كه
لزومی به همرنگ بودن هر دو الکترون نیست
انها ميتوانند در جهات متفاوتی نیز؛ درهمتنيده باشند
و اگر که اولين الكترون قرمزباشد
دومي هميشه سبز خواهد بود
بنظر ميرسد كه اين ارتباط رازالود ؛
راز بزرگ قطب نماي سهره ی كوانتومي ست
چراکه جهت ميدان مغناطيسيه زمين
ميتواند در نتيجه ؛ تاثير گذار باشد
نزديك خط استوا ؛ انها شايد بيشتر شبيه قرمز-قرمزباشند
اما در نزديكی قطب ؛ انها شايد بيشتربه قرمز-سبز شباهت داشته باشند
و اين همان عامل اصلیست كه نهايتا راهنمای تعادل و هدایت
قطب نماي شيميايي ه سهره است
تغییرات کوچک در ميدان مغناطيسي زمین ؛ منجر به تغيير در مسير
الكترونهاي درهمتنيده ي چشم سهره میشود
واین تغییرات هرچند اندک ؛ کافیست که قطب نمای سهره را فعال کند
اکنون ؛ نهایتا میتوانیم ببینیم که چگونه چیزی به ضعیفی ه
میدان مغناطیسی زمین ؛ میتواند این تعادل را به یک سمت یا جهت دیگری ؛ متمایل کند
با تغییريافتن پیغام ؛
واکنش شیمیایی ؛ که به جهت متفاوتی ؛ متمایل شده است
قرائت قطب نمای سهره را تغییر میدهد
بیکباره ؛ بنظر میرسد که مکانیک کوانتوم ؛ اساسا ؛
پدیده ای طبیعی در پرندگان باشد
و این موضوع میتواند یکی ازاولین ؛ اگر نگوییم اولین ؛ تجلی هایش در زیست شناسی باشد
زیست شناسان ؛ قرابت بهتری ؛ با عجایب فیزیکی دارند
سهره بوسیله ی "ارتباط شبحگون درهمتنیدگي ه كوانتومي" ؛ مسیریابی میکند
دیدن دقيق و ماهرانه ي اثرات کوانتومی؛
انهم در محيط ه تيره و تحت كنترل ه ازمایشگاه فیزیک ؛
واقعا دشوار است
و با اینحال ؛ سهره در اینجا هم ؛ انرا با سهولت انجام میدهد
این ازمایشها واقعیند و قابل اثبات ؛ و با اینکه
من با چشمان خودم انها را دیده ام ؛ هنوز باوربه انها برایم سخت است
مسیر یابی ه پرندگان ؛ دستاوردهایی همزمان برای فیزیک
و طبیعت داشته که ؛ دانش ه زیست شناسی کوانتومی است
تمام دنیای جدید ؛ اماده ی اکتشاف است
اما پیشگامان این موضوع ؛ یافته هایی دارند که این اثرات کوانتومی ؛ فقط مختص پرندگان نیستند
هریک از ما هم ؛ تحت تاثیرش هستیم
چونکه اخرین ازمایشها میگویند که
در همین لحظه هم شما با فیزیک کوانتوم عمل میکنید
باور بکنید یا نه ؛ شما در حال انجامش با بینی خود هستید
سلام جیم
سلام
سلام ؛ دختر کوچولو سلام
حس بویایی ما قابل توجه است
وکاملا متفاوت با دیگر حواس بینایی یا شنواییمان است
در میان هزاران بو که ما تشخیص میدهیم
بسیاری از انها ممکن است که براحتی خاطرات و احساسات قدرتمندی را در ما بحرکت وادارند
این بمنزله ی اینستکه ؛ حس بویایی ما
مستقیما با اگاهی درونیمان متصل است
همچنین حس بویایی ؛ از طریق دیگری هم ؛متفاوت است
حواس دیگر بینایی و شنواییمان ؛ تکیه برتشخیص امواج
نور و صوت هستند
اما حس بویاییمان ؛ مستلزم تشخیص ذرات
مولکولهای شیمیاییست
اخیرا؛ دانشمندان شروع کرده اند تا پی ببرند که از چه زمانی
حس بویایی بعنوان حسی رازالود در ما بوجود امده است
شلیک تفنگ
براي دهه ها ؛ زيست شناسان فكر ميكردند دقيقا ميدانند كه چگونه بيني هاي ما
بوهاي مختلف را استسشمام ميكند
اما فيزيكداناني مانند جني بروكس فكر ميكنند كه ؛ چيزهاي جديدي وجود دارند که
میتوانند عوامل دخیل دراین موضوع باشند
و اين بوها ؛ از مكانيك كوانتوم تبعیت میکنند
بسياري از مردم در مورد حس بويايي و شامه ي خودشان صحبت میکنند
وعلم بويايي بمنزله ه مسئله اي حل شده است
ما همه چيز را در باره اش ميدانيم - و کارهای زیادی هست ؛ كه با دانسته هایمان انجام ميدهيم
در باره ي اجزائش ميدانيم
در مورد اندامي كه با ان بو ميكنيم ميدانيم
اما من معتقدم كه چیزهایی وجود دارند که اندكي بیشتر باید درموردشان فهميد
براي بيشتر دانستن ؛ احتياج دارم كه كسي با تست بويايي كمكم كند
جم داره با بو کشیدن ؛ كسي را دنبال میکند
وجود هر انساني ؛ ترکیب شیمیایی خاصي ؛ از خود بیرون میدهد
و بيني جيم ميتواند ؛ يك مولكول گرم از ان تركيب را
حتي اگر درتمام يك شهر حل شده باشد ؛ تشخيص دهد
بنابراین او هیچ مشکلی در پیدا کردن مردی که دنبالش هستم ندارد
میت کالین باغبان است ؛ مردی که عادت به بوییدن گلها دارد
خوب کالین ؛ قصد دارم که مهارت بویایی تو رو ازمایش كنم
در اینجا انتخابهايی شیمیایی را دارم
و ازت میخواهم که به من بگی که چه چیزی را بخاطرت میاورند
باشه
میخوام با یک اسونترش شروع کنم
صدای استنشاق کالین
این
مثل نعناست ؛ بخار نعنای سائیده شده؛
اره ؛ این چیزی سائیده شده است
این نعناست ؛ اما اسانسش است
خوب ؛ این بعدیشه
تو باید بتونی این یکی رو بشناسی
این را باید دخترم پخته باشه
شکر و تخم مرغ روی شیرینی
وانیل
وقتی که بینی هامان چیزی شمیایی را تشخیص میدهد
بینی ها ؛ یک سیگنال عصبی را به سمت مغزمان شلیک میکنند
اما ترکیبهای شیمیایی متفاوت ؛ تاثیرات متفاوتی هم دارند
توضیح استاندارد برای انجام ان ؛ این است که
با شکل مولکولها انجام میشود
نظریه مرسوم این توضیح به سال 1950برمیگردد
ومیگوید که رایحه ی یک مولکول ؛ شکلی خاص را دارد که به ان اجازه میدهد تا
به گیرنده های مولکولی در بینی هایمان سوارشده و جفت شوند
اگردارای شکل درستی باشد ؛ مانند دستی در یک دستکش قرار میگیرد
یا کلیدی در یک قفل . درواقع اين مکانیزم ؛ "قفل و کلید" نامیده شده است
با شکلی غلط ؛ با گیرنده ها قفل یا جفت نمیشوند
اما با شکل درست ؛ به گیرنده ی خودش قفل میشود و
احساس منحصر بفرد بویایی را ایجاد میکند
گیرنده های متفاوت ؛ به قسمتهای متفاوتی از مغزمان متصل شده اند
پس ؛ وقتیکه مولکول نعنا ؛ با گیرنده ی مخصوص خود قفل میشود
حسي نعنایی خنک و تازه را ایجاد میکند
اما تئوری قفل و کلید همواره مشکلی داشته است
و ازمایش بعدی ه کالینز نشانتان خواهد داد که چرا
خوب ؛ چطوری با
این یکی؟
بویی کاملا قوی
اوه؛ این
اره ؛ چه چیزی رو بیادت میاره؟ چه چیزی رو از تو میخواد؟
چه خاطره ای؟
فکر میکنم کریسمس
کیک کریسمس.اره.شیرینی
شیرینی . اره . همینه
بادام. اره
بوی شیرینی یا بادام ؛ توسط کالینز شناخته شد
در واقع ؛ این ناشی از رایحه ی مولکولی که بنزوالدئید نامیده شده است
انچه که من به او برای بو کردن دادم چیزی نبود بجز ؛ مولکول شیمیایی دیگری که اسمش سیانید است
هر دو مولکول بنزوالدئید و سیانید یک بو را دارند
هر دو بوی بادام را میدهند
اما این دو مولکول دارای شکلهای متفاوتی هستند
پس مکانیسم قفل و کلید
که توضیحیست برای چگونه بوییدنمان ؛ نمیتواند تمام داستان باشد
پس چرا دو مولکول با دو شکل متفاوت دارای بوییی یکسان هستند
زیست شناسی کوانتومی ؛ سرنخی ؛ برای توضیح دارد
این توضیح میگوید که بینی های ما مولکولهای شیمیایی را استشمام نمیکنند
انها به مولکولها گوش میدهند
اینجا موضوع فقط شکل رایحه ی مولکول نیست
اجازه دهید تا از نزدیک نگاهی به طرح مولکول سیانید بیاندازیم
در اینجا توپ سفید ؛ یک اتم هیدروژن است
و میله های خاکستری ؛ نیروهایی هستند که
مولکولهای کربن و نیتروژن را با یکدیگر نگاه میدارند
اما واقعیت به این سادگی ها هم نیست
میتوانم مفهوم بهتری را برای اینکه چه رخ میدهد به شما بدهم
اگر ما به این توپ بزرگ سفید نگاهی بیندازیم
میبینید که اتمها ؛ فقط ساکت و ارام ننشسته اند
نیرویی که انها را بیکدیگر محکم نگاه داشته مثل یک رشته ی لرزان است
و این بما راهی کاملا تازه را برای تفکر در مورد بوییدن میدهد
نظریه ه جدید و عجیب بوییدن ه کوانتومی ؛ تماما در باره ی زنجیره های لرزان است
نواختن نتهای گیتار
مولکولهای شیمیایی برای بینی هایمان موسیقی مینوازند
تصور کنید که گیرنده ی مولکولی ه درون بینی من ؛ مثل این گیتار است
و قبل از اينكه بتواند صدايي توليد كند ؛ يك ملوكول بويايي وارد بيني من ميشود
و وقتي كه مولكول بويايي در جاي خودش قرار گرفت ؛ پيوندهاي شيميايي ان
رشته هايي را برقرار ميكنند و انها اماده ي نواختن ميشوند
گيرنده ي مولكولي شامل ذرات كوانتومي
يعني الكترونهاست
در همان حال كه انها از اتمي به اتم ديگر جهش ميكنند ؛ زنجيرها و پيوندهايي را مرتعش ميكنند كه
كه مرتبط با بويايي ه مولكوليست
مانند انگشتانم كه به سيمهاي گيتار زخمه ميزند
موسيقي ه گيتار
چيزقابل توجهی که این نظریه بما میگوید اينستكه
حواس بويايي ه ما ؛ در مورد ارتعاش مولكولها و
يا رفتار موجی انهاست
و نه در باره شكل خاصی که مولكول ه بويايی دارد
حس بويايي ما شايد بيشتر شبيه حس شنواييمان باشد
نواختن نت بالا
يك مولكول بخصوص ؛ فرض كنيد ؛ چمن ؛
با این فرکانس خاص ارتعاش خواهد داشت
نواختن یک نت پایین
اما مولکول متفاوتی ؛ فرض كنيد ؛ نعنا
در فرکانس دیگری ارتعاش خواهد کرد
نواختن با نت متوسط
طنین صدای یک نت
نت بالاتری طنین انداز میشود
این توضیح میدهد که چرا سیانید بویی شبیه بادام میدهد
دو مولکول اشکال متفاوتی دارند
اما پیوندهای شیمیایی انها ؛ فقط در هنگام ارتعاش كردن؛
فرکانس یکسانی دارند
ارتعاش ثابت درمواد معطر؛ تقریبا ؛
و تحت اللفظی ؛ شبیه ذره صدا هستند
پس ما داریم میگوییم که پروسه ی استشمام میتواند
دقیقا شبیه طنین انداختن یک صدا باشد
درواقع میتواند بسیار مشابه با بنگاهی صوتی تصویری باشد
اما ایا ما واقعا میتوانیم با بینی هایمان بشنویم؟
تئوری های عجیب به ازمایشهای عجیبی برای امتحان نیاز دارند
اینجا چطور کار میکند
این مولکول دارای نافه ای معطر(مشک)مانند عطر است
اما اگر تئوری درست است
باید بتوانم بوی ان را با تغییر ارتعاش های ان تغییر دهم
مولکول مشک شامل
تعدادی اتمهای هیدروژن مثل اینهاست که
به اتمهای کربن پیوسته اند ؛ اما چه میشد اگر؛ تمام این اتمها را با اتم دیگری جایگزین میکردم؟
با نوع متفاوتی ازاتم هیدروژن که دوتریوم نامیده شده
در اینجا ؛ شکل مولکول تغییرنخواهد کرد
اما این کار موجب تغییر در چگونگی ه ارتعاش خواهد شد
و دلیلش هم اینستکه ؛ دوتریوم دوبرابر سنگینتر از هیدروژن عادیست
و درنتیجه ارتعاشش اهسته تر است
و حالا ارتعاشهای متفاوت ؛ بمعنای بوهای متفاوت است
پس اگر من شکل جدیدی از این ترکیب را میساختم که
بجای تمام اتمهای هیدروژن در ان ؛ اتم دوتریوم قرار داده بودم
باید بویی متفاوت میداشت
زیست شناسان کوانتومی راهی منحصر بفرد برای انجام این ازمایش پیدا کرده اند
یک مقيسه ي بویایی
استفاده از حساسترین بینی هایی که میتوانستند بیابند
وزوز حشرات
مگس میوه
در ابتدا ؛ مگسها اموزش داده ميشوند ؛ تا ازنوع تغییر یافته ی
مولکول مشک معطر دوری کنند
صادقانه بگویم
من ايده اي ندارم که چطور؛ ميتوانيد به مگسهای میوه اموزش دهید
اما ظاهرا میتوانید
در ازمایشگاه ؛ مگسها را از درون نوعی پلکان مارپیچ عبور میدهند
بعد به انها انتخابی داده میشود
رفتن بسمت راست برای نافه ی خوشبوی دلپذیر؛
یا سمت چپ ؛ بسمت بوی نامطبوع كه مولكولش از نوع اصلاح شده است
صدای کشیدن آرشه ی آرام
انها قطعا میتوانند تفاوت در بو را بفهمند
همیشه انها منبع اصلی را ترجیح داده و بسمت راست می پیچیدند
ازمایش مگسهای میوه شواهدی قوی میدهد
که نظریه ه کوانتومی ه بو واقعا کار میکند
اما در نهایت ؛ در هماهنگی با نظریه ی قفل و کلید کار میکند
در ابتدا ؛ مولکول رایحه ؛ در جای خود درگیرنده ؛ قرار گرفته
سپس لرزشهای مولکولیش را انجام میدهد
باور نکردنی بنظر میرسد که حشرات و انسانها
و سگها ؛ با صدای زیست شناسی کوانتومی ؛ شاید استشمام میکنند
حواس بویایی ما شگفت انگیزتر و رازالودتر از اینهاست ؛
چرا که ؛ وقتی فقط استشمام یک رایجه ی خاص ؛
ميتواند امواجی از خاطره ها و
احساساتی رادر ذهن من براه بیندازد (که اين خودش نيز تایید کننده اینستکه
مکانیک کوانتوم محرک اين ها بوده)؛
فکر میکنم که موضوع را ؛ حتی بیشتر قابل توجه میکند
غارغار کلاغها
تاثیرات رازالود مکانیک کوانتوم
به هر گوشه ای از دنیای طبیعت میرسد
در واقع ؛ مکانیک کوانتوم ؛ ساکن در دیوارهای
هر سلول زنده ای در روی زمین است
چرا که اخرین ازمایشها ؛ راه حلی جادویی را
برای یکی از بزرگترین رازهای طبیعت پیشنهاد میکند
معجزه ی دگردیسی
تبدیل یک بچه وزغ به یک قورباغه ؛
هیچوقت توضیح کاملی نداشته است
دراندکی بیشتر از شش هفته ؛ اندام بچه وزغ؛ شکسته شده
وسپس دوباره در شکل یک قورباغه بالغ ؛ به هم متصل میگردند
اما راز بزرگ اینستکه چگونه همه اینها با این سرعت اتفاق میافتند
وقتی که در باره اش فکر میکنید ؛ میبینید چیزی غیرعادی تر ازان وجود ندارد
که یک بچه وزغ ؛ تبدیل وزغی بالغ میشود
برای مثال نگاهی به دمش بیندازید
که درپریودی چند هفته ای ؛ جذب بدنش شده
و پروتئین ها و بافت هایی که قبلا گوشت و عضلات دم وزغ نابالغ را میساختند ؛
بازیافت شده و به شکل اندام جدید وزغ بالغ در میایند
اما برای این اتفاق
تریلیونها و تریلیونها واکنش شیمیایی با یکدیگر کار میکنند
تا با شکستن و تفکیک مولکولها ؛ دررقصی بدقت هماهنگ شده ؛ شکلی جدید را بسازند
اما بافت های نگاه دارنده ی گوشت ؛ بسیار-بسیار مستحکم و نیرومند هستند
انها کمی شبیه این طنابهایی هستند که قایقم را یکپارچه نگاه داشته اند
بمنظورجداکردن اجزاء این قایق ؛ من باید عملی برعکس این گره های محکم را انجام دهم
میتوانید شبیه این فکر کنید
بچه وزغی را که لباسی بلند و ساخته شده ازپروتئین پوشیده را مجسم کنید
این لباس بوسیله پیوندهای شیمیایی دوخته شده است
پیوند ها انقدر قوی هستند که شکستنشان سالهایی
بیشتر از کل طول عمر بچه وزغ ؛ طول خواهد کشید
پس چگونه میتواند فقط ظرف چند هفته ؛ وزغ نابالغ به قورباغه ای کامل تبدیل شود
توضيح وابسته به يكي ازمهمترين مولكولها در زندگي دارد
چیزهای كوچكي که در تمام سلولهاي ماست و انزيم ناميده شده است
انزيمها ؛ تشکیلات سازماني ه سلولهاي ما هستند
انها در واقع ماشينهاي كوچكي در درون سلول ها هستند
و تحولات شيميايی يي را انجام ميدهند كه ؛ زندگي هرروزه ي ما بستگی به انها دارند
انها واقعا حياتي هستند
و دليل حياتي بودنشان در توانایی هاییست که دارند
انها بمقدارزیادی انجام واكنشهاي شيميايي را سرعت میبخشند
اجازه دهید تا نشانتان دهم كه انزيمها چقدر سريع كار ميكنند
درون اين بطري ماده اي هست كه هيدروژن پروكسايد ناميده ميشود
احتمالا با اين اشناتر هستيد
ترکیبی که به موهاي سفيد شده ميزنند
در واقع اين نمونه ایست كه
از ارايشگر محليم بدست اوردم
هیدروژن پروکساید در بدن هم تولید میشود
وکار کبد هم اینستکه ما را از شرش خلاص کند
و روش انجامش هم ؛ استفاده از يك انزيم است
كه هيدروژن پروكسايد را به اب و هيدروژن تجزيه ميكند
حالا ؛ فقط براي اينكه بشما نشان دهم كه انزيم چقدر سريع كار ميكند
قصد دارم كه نمايشی سريع را ترتیب دهم
دراينجا مقداري كبد دارم كه انها را ریزریز كرده ام
تا انها ؛ انزيم ازاد كنند
حالا نگاه كنيد كه چه اتفاقي ميافتد ؛ وقتي كه من اين مخلوط كبد را
كه شامل انزيم هم هست را به هيدروژن پروكسايد اضافه ميكنم
تماشا كنيد كه چقدر بسرعت ؛ اكسيژن ازاد ميشود
غارغار كلاغ
فقط يكصد گرم كبد ؛ راكتم را نزديك بيست فوت پرتاب کرد
انزيمهاي كبدی ؛ هيدروژن پروكسايد را
با راندمانی باورنکردنی تجزیه میکنند
و اين يك تريليون بار سريعتر اتفاق مي افتد
یعنی یکميليون - یکميليون بار سريعتر از انکه (بدون انزیم) اتفاق می افتاد
در دگرديسي ها ؛ انزيم ها هستند که
اجزاء دم قورباغه ی نابالغ را از یکدیگر جدا و تقسیم میکنند
و این بدان معناست که با تجزیه و درهم شکستن ه دم بچه وزغ ؛ انرا به
پروتئین هاي فوق العاده محکم و سختي تبدیل ميكنند كه
کلوژن نامیده شده است
کلوژن یکی از مهمترین پروتئین ها در جهان زیست شناسیست
در واقع اين پروتئين كلوژن است كه انعطاف پذيري و كشسان بودن را
به تاندون ها و غضروف ها
و همينطور به پوستمان نیز میدهد
كلوژن در دم وزغ نابالغ ؛ نوعي داربست بندي را ايجاد ميكند تا
ساختارش حفظ شود
حالا ؛ درهنگام تبدیل وزغ نابالغ به وزغي بالغ
انچه كه ضرورتا نیاز دارید یک انزیم است
که كلوژنايز باشد.؛ اگرتحت الفظی بگویم ؛ این انزیم ؛ كلوژنها را
به قطعات كوچك و جدا از همي ريز ريز ميكند كه ؛ داربست كلوژني ؛ انها را يكپارچه و با هم ؛ حفظ ميكند
اما چگونه این انزيمها ؛ پيوندهاي شيميايي را ؛ با اين سرعت باورنكردني گسسته و قطع ميكنند؟
بگذاريد نشانتان دهم كه چرا اين مشكليست كه فقط زيست شناسي كوانتومي توانايي حلش را دارد
اينطورفكر كنيد كه ؛ همه ی این گره ها که در قسمتهای مختلف هستند
هركدام مانند الكترونها و پروتونهایی اند که
قسمتهاي مختلف مولكول را كنار يكديگر نگاه ميدارند
حال براي گشودن گره ها ؛ انزيمها باید روی پروتونها کار كنند
اما همانطور كه خودتان ميبينيد؛اين كار مقداری تلاش و
و مقداری زمان لازم دارد ؛ مخصوصا اگر تعداد گره هايي كه بايد باز شود زياد باشد
فيزيكدانها بروشي تفننی این را بیان میکنند
تلاشت را بکن؛ بالاخره چيزي انجام ميشود
انها ميگويند كه بايد بر يك سد انرژي غلبه کنید
باشد ؛ اينجا سد انرژيم است
و اينجا هم پروتونم
براي شكستن يك پيوند به اجزاء ان
و براي گذشتن ازروی موانع به مقدار كافي انرژي احتياج داريد
مشكل اينستكه كاري كه ميكنيم چقدر زمان ميبرد
و اين تجزيه(یا عبور از بالای دیوار)؛ برای دم وزغ نابالغ ؛ بسیار اهسته انجام میشود
اما اينجا همان جاييست كه پروتون ها به ارواح تبديل ميشوند
براي اين فكر؛ سرزنشتان نميكنم كه بگویید ؛ اين فقط نظريه ايست
ارائه شده توسط یک تئوريسين باهوش؛
و اينكه اينها فقط حدس و گمانی محض است ؛ وچيزيست كه برايش هيچ مدركي نداريم
اما مدرک داریم. ومدارک همیشه و همه جا هستند
در دنياي كوانتومي
پروتون ها از روی موانع عبورنمیکنند
انها ميتوانند مستقيما از درون
موانع تونل بزنند
تونل زنی از درون موانع ؛ از عجیبترین چیزها
درباره مکانیک کوانتومی است
و شبیه هیچ چیزی در دنیایی که هرروزه میبینیم نیست
ذرات کوانتومی میتوانند با نقب زنی از یک جا به جایی دیگربروند
حتی اگر نیاز به عبور از موانع نفوذ ناپذیر داشته باشند
انها اشیاء صلبی مانند توپ هایی در جهان هر روزه مان نیستند
انها به صورت نامشخص ؛ گسترده و پخش میشوند(منطق فازی)؛
رفتار موجي شكل ؛ انها را قادر ميسازد تااز ميان يك مانع یا سد انرژي عبور كنند
يك ذره ميتواند در يك طرف از سد یا مانعي ناپديد شده
و بلافاصله درطرف دیگر آن مانع پديدار شود
در فيزيك هسته اي ؛ اين اثر واقعيتي اثبات شده است
بدون تونل زني كوانتومي ؛ بسادگي ؛ ديگر خورشيد نخواهد درخشيد
اما من هرگز فكر نميكردم كه بتوانم انرا
در يك قورباغه ي نابالغ مشاهده كنم
چگونگي انجام شدن اين پروسه ي عجيب ؛ شما را سخت سردرگم ميكند
مثل اينستكه فكر كنيد كه من درنزديكي ه يك ديوار اجري هستم و
مانند يك روح ؛ در يك طرفش ناپديد شده و در طرف ديگرش پديدار شوم
بيشترين مزيت در تونل زني سرعت ان است
که بطور باورنكردني سريع رخ ميدهد
سريعتراز انكه اگر پروتوني بخواهد ؛ ازبالای مانعي بگذرد
بعنوان يك فيزيكدان هسته اي ؛ تونل زني ه كوانتومي ؛ خورد و خوراك(نان و کره ی)من است
ذرات زيراتمي يي مانند پروتون هميشه انرا انجام ميدهند
اما اینها چه ارتباطی با زیست شناسی دارند؟
پاسخ اینستکه بدون شبح هاي كوانتومي
دگرديسي ه یک بچه وزغ ؛ غير ممكن خواهد بود
بخاطر بیاورید که پيوند هاي شيميايي ؛ اساسا گره هايي هستند كه
تونل زنی انها را سریعتر باز میکند
به این دو گره نگاه کنید
در ابتدا ؛ انها از نظر ظاهری یکسان بنظر میرسند
اما تفاوت ظریفی وجود دارد
دو انتهای کوتاه ؛ در این گره
در یک سمت طناب هستند
در حالی که این یکی
انتهای کوتاه را در دو جهت مخالف دارد
در نگاه اول فکر میکنید که فرقی با یکدیگر ندارند ؛ اما دارند
ببینید ؛ این گره
باز کردنش خیلی سخت است
اما این یکی
اسان است
تونل زنی ه کوانتومی
گره های سخت و محکم را به گره های ضعیف تبدیل میکند
بنابراین در یک بچه قورباغه
تمام داربست کلوژنی ؛ به اسانی میشکند
و درپایان ؛ یک انزیم دیگر؛ شکل قورباغه ی بالغ را بازسازی میکند
تونل زنی ه کوانتومی در ذرات ؛ یکی از خصوصیات عجیب انها
در دنیای زیر اتمیست
که فیزیکدانانی مانند من با ان کاملا اشنا هستند
بغیرازاینها؛ تونل زنی ه کوانتومی مسئول واپاشی رادیواکتیویته ایست
که در داخل خورشید رخ میدهد
که دلیل درخشش خورشید و تمام ستاره هاست
اما این کشف ؛ نیاز به رفتن به داخل همه ی سلولهای تمام
ارگانیسم های زنده ی سیاره مان دارد ؛ چرا که هر سلولی شامل انزیم هاییست
و اینجاست که من شگفتی ه واقعی را پیدا کردم
زیست شناسی کوانتومی نقش حروف الفبا را برای هر موجود زنده ای بازی میکند
ما پرندگان و پستانداران و حشرات را میبینیم
و دوزیستانی که تابع سختترین قوانین علمی هستند
اما مهيج ترين دستاوردهاي اخير؛ مربوط به
پروسه ي منحصربفرديست كه وابسته به همه ي اشكال حيات است
تبادل هوا و نور خورشيد
در گياهان
این نمونه ی خوب کاج سیاه یا صنوبر اروپاییست
اين درخت حدود يكصد فوت ارتفاع دارد ودرست در همین لحظه
در حال عبورازقسمتی از سياره زهره هست
که نشانه ای با نام این درخت روی ان است
گلوله یک فوتون است
كه سفر طولانيش از خورشيد نزديك به پايان است
و گامهای پایانی ه سرنوشتش را اغاز میکند
که اين سرنوشت ؛ مجموعه اي از واكنشهاي شيمياييست كه زيربناي حيات در زمين است
فتوسنتز
هر ثانيه از هر روز
شانزده هزار تن حيات جديد از نوع گياهي در زمين بوجود ميايد
و براي من ؛ اين غيرقابل باور است كه فكر كنم كه وجود ما
در اين سياره وابسته به اتفاقاتيست که
در يك تريليونم از ثانيه اتفاق میافتد
اولين مرحله ي با اهميت درفتوسنتز
جذب انرژي از خورشيد است
بازده ي اين كار نزديك صد در صد است
و بسیار فراتر از هر تکنولوژی ه انسانیست
اما روشی که هر گیاهی در روی زمین اینکار را میکند
یکی از بزرگترین معماهای زیست شناسیست
وقتیکه معلوم شد که عجایب کوانتومی ممکن است که جواب معما باشند
فیزیکدانان بسختی میتوانستند ان را باور کنند
برای من این شبیه یک مکاشفه بود
بسیار هیجان انگیز بودم ؛ چرا که
در همان زمان درحال کار بر روی مسائلی
با ازمایشهاییی کاملا انتزاعی بودم
من یک نظریه پرداز هستم ؛ اما تئوری های من؛ همیشه
با ازمایشهایی کاملا شفاف و واضح در ازمایشگاه ؛ ارتباط داشتند
چیزهایی که میتوانید کنترلشان کنید
اما حالا؛ چیزی را پیدا کرده بودم که میدانستم میتوانند به من کمک کنند
تا چگونگی کارکردن طبیعت را درک کنم
واقعی ؛ علمی ؛ این شباهت به
يك الهامي جدید در زندگیم داشت
میتوانم بگویم که احساس میکردم ؛ عاشق این رشته و عرصه شده ام
کتابهای درسی زیست شناسی میگویند که رنگ سبز گیاهان
از مولکول های کلروفیل بوجود میاید
درون سلولهای زنده ؛ انها نور خورشید را جذب میکنند
سپس انرژی-ه این نور؛ با سرعتی باور نکردنی
به کارخانه های غذاسازی در هسته ی سلول انتقال می یابند
کل این رویداد
فقط یک میلیونیم از یک میلیونیوم ثانیه زمان میبرد
هنگامیکه فوتون به سلول برخورد میکند
ضربه ی برخورد ؛ یک الکترون را از درون مولکول کلروفیل به بیرون میاندازد که
بسته ی کوچکی از انرژی که اکسیتون نامیده شده را بوجود میاورد
سپس اکسیتون درراهی میجهد که
از میان جنگلی از مولکول های کلروفیل میگذرد
تا اینکه به جایی که ؛ مرکز واکنش نامیده شده میرسد
اینجا جاییست که ان انرژی ؛ برای فعل و انفعال شیمیاییی استفاده میشود که
همه ی مولکول های با اهمیت زندگی را بوجود میاورد
سوال اینستکه ؛ در وحله نخست ؛اکسیتون نیازمند پیدا کردن راهی برای رسیدن به مرکز واکنش است
این اولین کار اکسیتون است
کتابهای درسی زیست شناسی نمیتوانند توضیح دهند که اکسیتون چگونه اینکاررا انجام میدهد
دلیلش هم البته اینست که کسی نمیداند که ؛ اکسیتون از چه مسیری دارد میرود
اکسیتون فقط مانند توپی دربازی پین بال به اطراف میپرد
در پروسه ای بنام "گام تصادفی" قرار دارد
که دیر یا زود
از میان همه ی قسمتهای مجزای سلول عبور میکند
اما این روش؛ بهترین راه برای رسیدن به یک نقطه نیست
چرا که در نهایت ؛وقتی اکسیتون به مرکز واکنش میرسد
این کار کاملا شانسی و احتمالاتی انجام شده است
اگر که اکسیتون فقط کورکورانه و شانسی
مابین مولکول های کلروفیل جست و خیز کند
رسیدنش به مرکز واکنش زمان زیادی خواهد برد
و انرژی ه تلف شده ای بصورت گرما خواهد داشت
اما اینطور نمیشود.باید چیزی بسیار پیچیده تردر حال رخ دادن باشد
سرنخهایی حیاتی از ازمایشهای اخیر بدست امده
که دنیای علم را مات و مبهوت کرده است
شیمیدانها؛ اشعه های لیزر را بسمت سلولهای گیاهان شلیک کردند
تا نورگيري از خورشید را مشابه سازی کنند
انها تایید کرده اند که پرش اکسیتون بجلو؛ درمسیر تصادفی
از میان سلول نیست
نظریه-ه اصلی که داریم توضیحی نمیدهد؛ که
انچه که ما در ازمایشگاه مشاهده میکنیم چه تفسیری دارد
چه چیزی درپس ان رازنهفته است ...؛
بالاخره؛توضيح انچه كه ما در ازمايشگاه مشاهده ميكنيم چيست؟
راه حل اينستكه گياهان؛ از مشهورترين قانون-ه؛
همه ي مكانيك كوانتوم تبعیت ميكنند
اصل عدم قطعيت
اين اصل ميگويد كه شما هرگز نميتوانيد قاطعانه بگوييد
كه اكسيتون درکدام مكان خاص است
در عوض ؛ مثل امواجی كوانتومي رفتار ميكند
و جاي پا و اثر خود را در تمام سلول باقي ميگذارد
اكسيتون بسادگي از نقطه ي الف به نقطه ي ب نميرود
اين مفهومي بسیار واقعی ؛ ولي عجيب استکه
اكسيتون در هرلحظه اي ؛ در تمام جهات حركت ميكند
اکسیتون خودش را مثل یک موج گسترش ميدهد
و در نتيجه قادر است كه در يك زمان ؛ تمام مسيرهاي ممكن را كشف كند
اين نفوذی عميق ؛به قلب-ه چیزهاییست
که درباره ی عجيبترين موضوعات مكانيك كوانتوم است
موج اكسيتون فقط در اين جهت يا ان جهت حركت نميكند
موج اكسيتون ؛ همه ي مسيرها را در يك زمان واحد ؛ دنبال ميكند
و همین رفتار موجی اکستیون است كه چنين راندمان باورنكردني را به فتوسنتز ميدهد
زيباييش نیز در همین است
وقتیکه اكسيتون ؛ فقط برای یکبار؛ سعي میکند تا در یک مسير تصادفی و دلخواه ؛
بسمت مركز واكنش ؛ پیشروی و حرکت کند؛
همين يكبارپریدن ؛ سريعترين راه ممكن براي انتقال انرژي اش را ؛ براي او مشخص ميكند ؛(یعنی بدلیل رفتار موجی ؛ فقط یکباررفتن ازهرمسیری ؛ منجر به تست مسیرهای دیگر ؛ و یافتن بهترین مسیر میشود)؛
بیان اینکه این کشف ؛ چقدر باورنکردنی و افسانه ای بنظر میرسید ؛ سخت است
انهم برای فيزيكداناني مانند من
سلولهاي زيستي ؛ سرشار از جنبش های احتمالیی هستند
که هرکدام ناشی ازلرزش ميلياردها اتم و مولكول میباشد
اما در این بین بنوعي ؛ فقط اكسيتونها هستند كه با حفظ و ابقاء شكل خودشان
به زيبايي ؛ و با امواج كوانتومي بی عیب و نقصی ؛
انتقال دهنده ي انرژي يي هستند كه زندگي روي زمين را تضمين ميكنند
اين بتمامی ؛ مسير کاملا جديدي را درعلوم برايم گشود
و برايم واقعا لذت بخش است ؛ بدليل اينكه
توانايي درك كامل اينكه چه چيزي انجا اتفاق ميافتد يا در گياهان؛
شما با دانشمنداني تعامل داريد
كه روشي كاملا متفاوت دارند
مانند زيست شناسان يا شيميدانها
اما همه ي ما بايد دور هم جمع شويم
تا واقعا درك كنيم كه چه چيزهايي
وابسته به اينهاست
در نتيجه ؛ براي من اين يكي از هيجان انگيزتريم قسمتهاي اين حوزه است
ازمايشهاي علمي واقعي ؛ هيچ ترديدي باقي نگذاشته كه
ان بخش از مکانیک کوانتوم که عجیب و غیرعادیست ؛ در شكل دادن
كل جهان زنده نقش داشته است
تعجبی ندارد كه شما بايد فوت وفن های كوانتومي را كه
در سيستم هاي بيولوژيك استفاده ميشوند را کشف کنید
دليلش هم اينستكه انها بهترند
درهمتنيدگي كوانتومي ؛ بطورطبیعی در
ازمايشگاههای فيزيكيیی كه شرايطشان بسیاركنترل شده است ؛ نیز مشاهده میشود
حالا ميدانيم كه سهره ها از ان استفاده ميكنند تا
مسيريابي فوق العاده دقيقشان را داشته باشند
معنای ارتعاشات كوانتومي در بيني هایمان ؛ گوش دادن به مواد شیمیاییست
تا درکمان را از دنياي اطراف افزايش دهد
سلولهاي زنده در همه ي حيوانات ؛ وابسته به پروتونهاييست
كه مانند روح ناپديد و پدیدار ميگردند
تا بتوانند فرايندهاي با اهمیت حیات و زندگی را سرعت بدهند
و بالاخره فتوسنتز؛ که نشان دهنده ی دورنما و تصویری بزرگ است
؛"جهانی درحال سوسو زدن و لرزان"؛ مترجم:شايدهرچه درجهان وجود دارد ؛مانند لامپ اتاقمان که درهرثانیه50بارخاموش و روشن میشود ؛باشد
كه در ان؛ امواج كوانتومي در یک لحظه ؛ انرژي خورشيدی را بدست میاورند
مردم اغلب ميگويند" اه ؛ از این فيزيكدانها که
دهه هاست که وقتشان را در اين موضوع هدر داده اند"؛
خوب ؛ زيست شناسي هم تا بحال ميليونها سال را پشت سر گذاشته
علم فوق مدرن مكانيك كوانتوم
يك واقعيت باستاني از زندگيست
در پايان سفرم
ميخواهم به اين ايده ها ؛ یک نتيجه گيري ه منطقي را اضافه كنم
البته ؛ بعنوان يك دانشمند ؛
هر گمانه زني كه دارم ؛ بايد براساس ازمايشهاي دقيقي باشد
بنابراين ميخواهم یک ازمايش فكري را ترتیب دهم تا كمكم كند که
جواب بزرگترين سوال زيست شناسيی را كه ميتوانم فكرش را بكنم را بیابم
ايا فيزيك كوانتوم ؛ هیچ نقشي را در
خود مكانيسم تكامل ؛ بازي میكند؟
در 1859 چارلز داروين جهان را
با تئوري تكاملیش که بوسیله انتخاب طبيعي انجام میگرفت ؛ مبهوت کرد
و در ادامه به توضیح تفاوتهایي
که بين انسانها و ديگر ميمونها وجود دارد پرداخت
صدوپنجاه سال بعد ؛ هيچگونه ترديدي وجود ندارد كه تئوري داروين
دليل بودن ه هر ارگانيسم زنده اي
در دريا و خشكي را بيان ميكند
اما من می خواهم به بررسی آخرین
تفسير فوق العاده از اين نظريه بپردازم
ريسمان هاي لرزان
ايا ميتواند يك نظريه تكاملي كوانتومي وجود داشته باشد؟
اداجيو:"اسپارتاكوس و فريجيا"از ارام خاچاطوريان
ايا تكامل كوانتومي ميتواند توضيحي براي اينكه حلزون چگ.مخ پوسته اش را بدست میاورد؛بدهد؟
حلزونهايي كه معمولا در باغ حیاط خلوتم ؛ عادت بدیدنشان دارم
با تمايل به داشتن ارامش بيشتر؛ پوسته هایي ملال اوردارند
نگاهي به اين زيبايي داشته باشيد
الگوهاي روي اين پوسته ها ؛ درانطباق كامل با
خطوط روي ساقه ها هستند
نامش ؛ حلزون نواری یا سپیا نيموراليس میباشد
واین الگوها تصادفي نيستند
بياييد تا نگاهي به اين داشته باشيد
كمتر سازگارييي در طبیعت ؛ بخوبي ه حلزونهاست
و بيشترين شباهت نیز؛ اينجا پیدا ميشود
اين سنگ "سندان توکا" نامگذاري شده است ؛(توکا پرنده ای از رده گنجشک سانان است)؛
توكای باغی یا(توكاي اوازه خوان)؛ شكارگر اصلي حلزونهاست
انها حلزونها را گرفته
وسپس پوسته شان را با ضربه زدن درروي سنگ میشکنند تا به خود حلزون برسند
حالا ؛ چيزي كه اينجا ميتوانم ببينم
اين است كه پوسته ي حلزون هاي نواری زيادی ؛ اینجا وجود ندارد
كه نشان ميدهد كه رنگ انها بخوبي انها را استتار كرده است
و از پرندگان پنهانشان كرده است
نظريه داروين ميگويد
كه تكامل ؛ وابسته به تنوع ؛ در درون يك گونه است
حلزونهاي با استتار بيشتر ؛ شانس بيشتري براي بقا و تكثير
وانتقال پوسته شان به نسل بعدي دارند
بطوريكه ان گونه ها در کل ؛ تطابق بهتري پيدا ميكنند
بنابراين تنوع گونه ها-یا تفاوت تصادفي بين حلزونها
نيروي محركه ي پیشبرنده ی تكامل در انهاست
اکنون ؛ همه گونه ها تكامل يافته ؛ و با محيط زيستشان تطابق پيدا كرده اند
اما سوالي كه مایلم به پیگیری ان بپردازم
نقشيست كه مكانيك كوانتوم در اينجا بازي ميكند
تنها راه پيدا كردن اين نقش
بوسيله ازمايشهاي علميست
پس ماجراجويي من در زيست شناسي كوانتومي ؛ نهايتا من را بخانه اورد
به دانشگاه ساري
در این ازمايشگاه
من درحال طراحی ه ؛ ازمایش جدیدی ؛ برای مشهور ترين مولكول علم هستم
اسيد ديوكسي ريبونوكلئيك يا دي ان ا
مارپيچ دوگانه اي كه كد ژنتيكي ه هر ارگانيسم زنده اي را در خود دارد
اين واقعيتي قابل توجه است كه خود داروين هيچ تصوري از اثری
که دي ان ا در تنوع گونه ها میگذارد ؛ نداشت
ساختار دي ان ا تا سال1953 كشف نشده بود
تا بوسيله فرانسيس كريك وجيمز واتسون کشف شد
البته يكي از مهمترين ويژگي هاي دي ان ا
ساختار زيباي مارپيچ دوگانه ي ان است
اما اين فقط داربست و نگاه دارنده اي است
راز واقعي ژنتكي ؛ نهفته در مابين انهاست
چهار رنگ متفاوت در مولكولها ؛ پايه ها يا بازهاي ان ناميده شده اند
اگر كد رنگها در يك طرف ؛مثلا ابي-قرمز-ابی-... باشد
این رنگها ؛ یک شكل از ترکیب ژنی است ؛ كه والدين به فرزندانشان منتقل ميكنند
يك ژن كمي شباهت به یک معمای منبت کاری (پازل شکلی) دارد
اينها شبيه به اين ؛ با يكديگر وصل ميشوند
یک رشته كامل از مارپیچ دوگانه ؛ یک الگوی رنگی را تشکیل میدهد
ولی رشته های دیگرهم ؛ همیشه به همان شیوه جفت ميشوند
باز آبی همیشه با رنگ زرد جفت ميشود
و سبز همیشه با قرمز جفت ميشود
چراكه فقط ان رنگها ؛ شكل صحيح را براي جفت شدن با يكديگر دارند
انچه كه كريك و واتسون متوجه شدند ان بود كه
اين مكانيسمي است كه انتقال كد ژنتيكي را امكان پذير ميسازد
هنگام تكثير سلولها ؛ دو رشته از دي ان ا جدا شده
و اماده ي كپي شدن ميشوند
اما قرمز هنوز با سبز جفت ميشود
و زرد هم هنوز؛ برای جفت شدن ؛ به سمت زرد ميرود
و اندك اندك
سلول ؛ دو رشته ي جديد را ميسازد
دو نسخه ي كامل از تمام كد ژنتيكي
تا اينجا ؛ تنوع ژنتيكي يي وجود ندارد
اين نسخه ي جديد مشابه نسخه ي اصليست
اما اينجاست كه اندكي جالب ميشود
در طي فرايند كپي شدن ؛ چيزي بسيار مهم ممكن است اتفاق بيافتد
بعضي اوقات اشتباهاتي بداخل ميخزد
كه به انها جهش ؛ نام داده اند
بياييد نگاهي به اين دو باز دراينجا بيندازيم
شاخک هایی كه دو باز را به يكديگر نگاه داشته اند ؛ ذرات زير اتمي هستند
انها پروتونها هستند
انها در اساس پيوند بين رشته هاي دي ان ا هستند
اين پروتون ها ميتوانند از اين سو به سمت ديگر پرش كنند
اگرجدا شدن ه دو رشته ؛ همزمان با پریدن پروتونها ؛ از يك سمت بطرف دیگررخ دهد
پروتون ها بعد ازپرش ؛ خودشان را در موقعيت اشتباه پیدا میکنند
و انگاه ؛ اين باز قرمز نخواهد توانست كه به باز سبز متصل شود
در عوض ؛ ان باز قرمز به باز زرد اتصال خواهد داشت
حال اگر این را به جای خالی خودش برگردانم
ميبينيم كه اين كپي ديگر يكسان با اصل نيست
چون يك پايه زرد در اينجا ؛ بجاي پايه ي سبز داريم
ما يك جهش ژنتيكي بدست اورده ایم
پریدن پروتونهاست ؛ که دي ان ا حلزونها را تغييرمیدهد
و اين ميتواند ژن جديدي را برای استتار پوسته ها بسازد
سوال اين است كه پريدن پروتونها چگونه است؟
اين باور من استكه شبح كوانتومي ميتواند اين كار را بكند
حالا ؛ براي اينكه اين جهشها اتفاق بيفتد
پروتونها بايد بر يك سد انرژي غلبه كنند
و اگر شما اتفاقي كه با انزيمها افتاد را بخاطر داشته باشيد
خوب ؛ احتمالا حدس ميزنيد كه چه چيزي قراراست بشود
پروتونها ميتوانند شبيه حالتي رفتار كنند كه مانعي وجود ندارد
انها مستقيما تونل زني را ؛ از ميان سد انرژي انجام میدهند
اما ايا اين اثر شبه گون واقعا رخ ميدهد؟
در حال حاضر همكاران زيست شناس من دنبال
شواهد اولیه ای براي جهش كوانتومي هستند
زيست شناسها حتي اطلاعاتي واقعي در باره مكانيك كوانتوم ندارند
پس ؛ وقتيكه به انها ميگوييد كه ذرات ميتوانند در يك زمان ؛ در دو مكان باشند
نوع حرف انها اين استكه ؛ خوب در سلولهاي من انها نميتوانند
ازمايشهاي ما شامل نمونه اي از باكتريست
نمونه ي اول ؛ اماده شده در اب طبيعيست
كه شامل هسته ي هيدروژن يا پروتون است
وقتيكه باكتري تكثير ميشود ؛ ما بسادگي تعداد جهشها را ميشماريم
اگر تئوري ما درست باشد
ما باید قادر به تغییر؛ درصدی که ؛ جهش رخ می دهد ؛ باشيم
به یاد داريد که چگونه ؛ نظريه بوييدن کوانتومی را ازمايش كرديم؟
چه ميشود اگر من بجاي پروتون ؛ برادر بزرگترش ؛ دوتريوم را جايگذاري كنم؟
اين هسته ي اتم دوتريوم است
مشخصا ؛ يك اتم دوتريوم دوبار سنگينتر از پروتون است
و اين بايد در چگونگی ه(سختی یا اسانی )تونل زنی کوانتومی ؛
دراتم دوتريوم اثر گذار باشد
مكانيك كوانتوم سرشار ازشگفتيست
پروتون براحتي تونل ميزد
اما دوتريوم نميتواند
اين ذرات سنگينتر ؛ پریدنشان بسیار شباهت به پرش مستقیم به عقب دارد!!!؛
بنابراين نمونه ي دوم باكتري را ؛ با اب سنگين اماده كرديم
كه پر از دوتريوم ها است
نظريه ي ما ميگويد كه شما بايد جهش هاي خيلي كمتري داشته باشيد (نرخ جهش درمحلول با اب عادی؛ بدلیل "تونل زنی شبه وار"درپروتون بالاتر است و چون دوتریوم تونل نمیزند ؛پس نرخ جهش ؛کمترميشود)
و تاكنون ؛ نتایج بسيار دلگرم كننده بوده است
ازمايشهاي اوليه اي كه انجام داده ايم به اين نكته اشاره ميكنند
كه در واقع نرخ جهش ؛ تحت فشار اب دوتريومي است
ما دريافتيم كه اين نرخ پايين تراست و حدس من اين است كه دليل ان اينستكه حق با ماست
اما ما قبل از مطمئن شدن بايد كمي صبر كنيم
اثبات نهايي در اينده نهفته است
حتي اگر حق با ما باشد
تونل زني ه كوانتومي ؛ شكل نادري از جهش ژنتيكي است
اما نتايج ما نياز به شواهد سختي دارد
تا توضيحی جديد براي يكي از پايه اي ترين فرايند هاي زندگي بدهد
حتی کوچکترین امکان براي یک مکانیسم کوانتومی جدید
براي خود تكامل هم؛ هيجان انگيز است
در واقع داستان زيست شناسي كوانتومي تنها يك اغازاست
اگرچه قورباغه ؛ سهره ؛ مگس ميوه ؛و درخت بما نشان داده اند كه
اثرات كوانتومي واقعي هستند و همواره در طبيعت رخ ميدهند
و اما اگر چيزي وجود داشته باشد ؛ كه ما انرا
از تاريخ مكانيك كوانتومي اموخته باشيم ؛ اين است كه
ما نميتوانيم مطمئن باشيم ؛ در كجا كشف بعدي ما رخ خواهد داد
زيست شناسي كوانتومي؛ انقلابي درعلوم است
اما دیگر وقت انستکه من به دپارتمان فيزيك برگردم