Giriş
Kuantum mekaniği, fizik, matematik, tıp, biyoloji ve kimya gibi pek çok farklı bilim dalının olgunlaşmasında ve sabit kurallı duvarların aşılmasında basamak oluşturmuştur. Kuantum, canlılık belirtisi kabul edilen tüm süreçlerde kimyasal değişimlerin, enerji dönüşümlerinin ve aktarımlarının atomdan daha küçük, parçacık düzeyinde sebep olduğu fonksiyonel değişimleri açıklamada bilime katkı sunmaktadır. Klasik fizikteki kanunların, makro ölçekte limitleri çerçevesinde açıkladığı veya prensipleri gereği belirsiz olarak nitelendirdiği pek çok olayın hem dalga hem de parçacık özelliklerini kullanarak anlaşılmasında önemli rol oynamaktadır.
Kuantum Biyolojisinin Temelleri
Niels Bohr, Uluslararası Işık Terapisi Kongresi’nde yaptığı konuşmasında, kuantumun canlılardaki biyolojik süreçlerde bilimsel bir anlayış olup olmadığını sorgulaması sayesinde kuantum biyolojisinin temelleri atılmıştır. Kuantum biyolojisi, istatistiksel olarak termal denge durumlarında izole edilmiş biyolojik sistemlerin anlaşılması için kullanılan temel kimya ve termodinamik yasalar üzerine kurulu biyoloji kavramlarına göre daha açıklayıcı bilgiler elde edilmesini sağlamaktadır.Bu sistemlerin tutarlı bir fiziksel tablosunu sunmak için yapılan çalışmalar; kuantum süperpozisyon, dolanıklık ve tünelleme kavramlarının oluşmasını mümkün kılmaktadır. Dolanıklık kavramı, klasik fizik kavramlarıyla açıklanamayan benzer iki parçacığın farklı yerlerdeyken aynı anda birbirlerini etkileyerek benzer davranışları göstermesi olarak tanımlanmaktadır. Süperpozisyon ise iki yerde birden bulunan parçacığın konumunu belirtmek için kullanılan kuantum kavramıdır; bu dalga özellikli parçacık çekirdeğinin hem içinde hem de dışında olabilme özelliğine sahiptir. Bu ilginç durum parçacığın bulunduğu yerden ötekine geçme imkanı sağlamakta ve bu olay kuantum mekaniğinde tünelleme olarak ifade edilmektedir.
Kuantum Biyolojisi Model Sistemleri
1. Fotosentez
Fotosentez olayı taşıma süreçleri içerisinde en çok bilinen mekanizmalardan biridir ve süreç, ışık enerjisinin soğurulması ile başlamaktadır. Klorofiller tarafından güneş enerjisi toplanır ve fotonun enerjisi elektrona etki ettiğinde atomdan uzaklaşmasına sebep olur; atomdan uzaklaşan elektronun atomda yarattığı pozitif yüke sahip bir boşluk ve gerçekteki varlığı birlikte “eksiton” adı verilen yapıyı oluşturmaktadır. Nanosaniyeler seviyesindeki sonlu yaşam süreleri boyunca enerji depolayabilen eksitonlar, kararlı yapıya erişmek için fotonlar aracılığıyla reaksiyon merkezine ulaşma çabasındadır. Merkeze ulaşma sürecinde kaybolmadan fotosentez aşamalarının verimli bir şekilde oluşmasını sağlayan eksitonların yollarını nasıl bulduğu kuantum süperpozisyon kavramı ile açıklanmaktadır. Süperpozisyon ve eşzamanlılık ilkesi ile muazzam bir depolama yapan mekanizmanın sıra dışı mantığı günümüzde farklı endüstri alanlarında fikir kaynağı olmuş, bataryaların hızlı depolama ve uzun kullanım ömrü prensibine dayanan yeni piller oluşturulmuştur.
2. Enzim Katalizi
Kataliz süreçlerinde hücresel fonksiyonlar için vazgeçilmez olan enzimler, düşük biyokimyasal reaksiyonlarda katabolizmayı hızlandırmada görev almaktadır. Enzimler, kuantum tünelleme ile molekülün bir bölgesinden bir başka bölgesine elektron veya proton gibi atom altı parçacıklar aktarılabilmektedir; böylece protonlar enerji bariyerini aşmak zorunda kalmamaktadır.
3. Görme (Vision)
Fotokimyasal işlemlere en iyi örneklerden biri de görmedir. Işığa duyarlı bir sinir katmanından oluşan retina, ilk olarak korneadan ve sonrasında lensten kırılarak gelen fotonların enerjisini fotoreseptörler (çubuklar ve koniler) yardımıyla elektrokimyasal enerjiye dönüştürmekte ve görme sinirleri ile beyne iletmektedir. Bir kuantum tarafından uyarılan çubuğun ancak bir veya daha fazla çubuğun eş zamanlı yardımıyla iki kutuplu bir hücreyi uyarabileceği gözlemlenmiştir. Yakın tarihli çalışmalarda, güvenilir ve hassas kuantum cihazların temellerini atabilecek kuantum noktalarının özelliklerinin de kullanılabileceği mekanizmalar önerilmekte ve medikal görüntüleme çalışmalarına esneklik sağlamak hedeflenmektedir.
4. Dış Manyetik Alan
Maeda ve arkadaşları, yaklaşık 50 tür canlının (kuşlar, böcekler, bazı memeliler, vb) oryantasyonları ve yön bulmaları için dünyanın manyetik alanını kullandığını ve bu manyetik alanın radikal bir çiftin ömrünü etkilediğini yapay fotokimyasal reaksiyon çalışmalarında göstermiştir. Tek bir fotonun emilimi ile oluşan iki farklı elektronun kuantum dolanıklığı durumunda var olabileceği öne sürülmüştür. Göçmen kuşların retinasında bulunan ve biyolojik saat döngüsünü etkileyen Cry4 proteini, manyetik alanlarla etkileşimi ve bu sayede de kuşların manyetik alanı algılayarak yön bulmasını sağlamaktadır.
5. Koku Alma (Olfaction)
Turin ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada, koku duyusunun molekül ile reseptör arasında bir şekilsel ilişki aracılığıyla tepki mekanizması oluşturması prensibinin doğru olmadığını kanıtlanmıştır. Çalışmanın bulguları, molekül şekline bağlı olduğu sanılan koku alma kuramının aksine molekülün kimyasal yapısı ve içerdiği bağların arasındaki titreşim hareketlerine bağlı olduğunu göstermiştir. Yapılan çalışmalarda koku molekülünün reseptöre bağlanmasının ardından moleküldeki bir elektronun, reseptörün olduğu bölgeye kuantum tünelleme yolu ile geçip beyne sinyal ilettiği gösterilmiştir.
6. DNA Mutasyonu
DNA replikasyonu sırasında karşılıklı gelmesi gereken tamamlayıcı baz çiftlerinin karışıklığa uğraması ve nokta mutasyonu olarak adlandırılan DNA hasarının nedeninin de kuantum tünelleme ile açıklanabileceği düşünülmektedir. Replikasyon sırasında yeni çiftlerini oluşturmak için önce parçalanan ve ayrılan parçalara kararlı protonlar geçiş sağlamaktadır; bu geçiş esnasında hidrojen bağı oluşturacak proton, kuantum tünelleme ile kendi baz çiftinin dışında bir bölgeye denk gelebilmekte veya süperpozisyon durumunda olup iki yerde birden bulunabilmektedir. Bakteriler üzerinde yapılan deneylerde elde edilen bulgular, taşınan genetik bilgiler ve değişikliklerinde, yaşam koşullarına göre hayatta kalma ve doğal seçilimde kuantum tutarlılık süreçlerinin önemli olduğunu vurgulamaktadır.
Diğer Biyofizyolojik Çalışmalar
Fizyolojide gün geçtikçe kuşkusuz merakları ve dikkatleri üzerine çekmekte başarılı olan konu başlıklarından biri de beynin zihin ve bilinç arasındaki uyum mekanizmasıdır. Uyku-uyanıklık fonksiyonlarının meydana getirdiği kimyasal etkileşimler ve nörotransmitter örüntüleri kuantum etkileşimleriyle ortak çalışmalarda incelenmektedir. Ayrıca, nöron ateşlemenin kuantum korelasyonları analiz edilmekte ve elektronların spin hareketleriyle bilinç okuma deneyleri yürütülmektedir. Bunlar dışında klasik fiziğin cevaplayamadığı, mitokondriyal solunum, oksidatif stres, kalsifikasyon, sinyal iletimleri, D vitamini üretimi, ilaç direnci ve metabolizma işlevleri gibi pek çok biyolojik süreçte kuantum biyolojisine başvurulması gerektiği öngörülmektedir.
Sonuç
Kuantum biyolojisinin de hizmet ettiği kuantum mekanikleri, çeşitli algoritmaların simülasyon yapımında, süreç optimizasyonunda ve güvenlik sistemleri için şifrelemede, lojistik pazarlama endüstrilerinde tedarik işleyişi ve rekabetçi faktörlerin belirlenmesinde, finansal ürün portföyleri için kar/zarar tahmin çizelgeleri oluşturmada ve risk yönetimlerinde kullanılmaktadır. Kuantum inanılması ve inşası oldukça zor bir yol olsa da doğadaki sistemler ve döngülerdeki gizemi çözmemiz için doğru bir anahtar olacaktır. Fiziksel süreçlerin analizlerini mümkün kılma ve tıp alanındaki teşhis-tedavi olanaklarını genişletme niteliğindedir.
Bu içerik “Biyolojik Sınırdaki Mekanik: Kuantum Biyolojisi” derleme yazısının bir özeti olarak hazırlanmıştır. Detaylı ve uzun versiyonuna linkten erişebilirsiniz: https://www.bioinforange.com/bioinforeviews/biyobilimler/biyolojik-sinirdaki-mekanik-kuantum-biyolojisi/
