beyaz logo.png

Biyolojik Sistemlerde Kuantum Davranışlara Örnekler

Nurhayat Kayar - Biyoloji Öğretmeni, Baksan Mesleki Eğitim Merkezi


Kuantum devriminden sonra değişen bir çok dinamik sayesinde farklı bilim dallarında uygulamalarını görmek mümkün olmuştur. Ayrıca kuantum fiziği bize bir kez daha temel bilimlerin diğer bilim dalları için önemini göstermiştir. Kuantum söylemi bugün itibariyle temel olduğu birçok bilimde yeni gelişmelere ön ayak olmaya devam ediyor. Evrenin evrimsel sürecini açıklamaya çalışırken bütünsel sistemlerin yansıttığı yoruma da anlam katıyor. Açıklanmakta zorluk çekilen maddenin ve atomun davranışsal özelliklerini en iyi açıklayan bu sistem yeni çıkarımlar yapmaya neden oluyor. Sonsuz olasılık kümesinin içinden seçilip gerçeğe dönüşenlerle beraber geleceğe yönelik tahmin yapmaya izin veren kuantum farmakolojiden eğitime geniş bir yelpazede çalışma olanağı sunuyor. Enerjinin nasıl bu kadar hızlı aktarılıp dönüşebildiğini açıklamanın yolunu kuantum sayesinde yeniden yorumladık. Bir insan vücudunun atomik davranışlarla nasıl bu kadar bütünsel çalışabildiğini gözlemlememiz de aynı zamanda kuantuma bağlı. Gelecekte çok daha fazla oranda pek çok çalışmaya konu olacağını düşündüğümüz kuantum için bu yazımızda biyolojik sistemlerden yararlanarak küçük bir değerlendirme yapacağız.


Kuantum Biyoloji


20. yüzyıldan önce biyoloji ve fiziğin yolları nadiren kesişiyordu.Biyolojik sistemler, çoğu kez, matematiksel yöntemlerle delinebilir olamayacak kadar karmaşık görülüyordu. Sonuçta, nasıl olabilir? Bir dizi diferansiyel denklem veya fiziksel ilke canlı bir varlık kadar karmaşık bir şey mi? Yirminci yüzyılın başlarında, daha güçlü mikroskopların ortaya çıkması ile, araştırmacılar mümkün olanı daha derinden araştırmaya başladılar. Bazı ünlü örnekler morfogenez ve Schrödinger'in ders dizileri ve işlevsellikten birkaçını öngördüğü "Hayat Nedir?" kitabı DNA'nın özellikleri[1]. Bu kitabın da konu kuantum mekaniği aracılığıyla canlıların ve onların hücresel süreçlerinin kararlılığı moleküllerin kararlılığı ve kuantum etkilerinin farklı moleküller arasında bazen büyük enerji boşlukları yaratması gerçeğidir. Aynı enerji boşlukları elektronik enerji seviyelerine uygulandığında canlıların fotonlar tarafından güneşten taşınan enerjiyi yakalayıp depolamak ve çevrelerindeki dünyayı optik olarak görselleştirmek için indüklenen kimyasal reaksiyonlara olanak verir.[2]Bu alandaki ilerlemenin hızı artık hızlıdır ve fizik ve matematiğin birçok dalı uygulama bulmuştur biyolojide; biyoinformatikte kullanılan istatistiksel yöntemlerden, mekanik ve fabrika benzeri özelliklere hücreler içinde mikro ölçekte gözlenmiştir. Bu ilerleme doğal olarak şu soruya yol açar: Kuantum mekaniğinin biyoloji de bir rolü var mı ? Bir çok yönden açıktır ki zaten var. Her kimyasal süreç kuantum mekaniğine dayanır. Bununla birlikte, birçok yönden kuantum mekaniği hala biyolojiye yabancı bir kavramdır, özellikle fizyolojik bir boyuta sahip olabilecek bir ölçekte [1]. Davydov'un "Biyoloji ve Kuantum Mekaniği" başlıklı makalesindeki görüşü ise, kuantum mekanik, en çok saf hallerdeki izole sistemler için geçerlidir ve bu nedenle biyolojik sistemler için çok az öneme sahiptir [2]. Fotosentez, enzim katalizi, kuş navigasyonu ve koku alma gibi son araştırmalardan kaynaklanan biyolojik olaylar, sadece klasik fiziğin sınırları içinde çalışmakla kalmaz, aynı zamanda kuantum özelliklerinin tünel açma ve belki de karışıklık gibi özellikleri ile önemsiz olmayan tutarlılık içinde doğan Kuantum biyolojinin yeni bir bilim dalı olarak düşünülmesine neden olur.


Şekil 1: Kuantum fiziği, görünüşe göre fotosentezin olağanüstü verimliliğinin sırrını elinde tutuyor[4].


Yine de, Yirminci yüzyılın başlarında en önemli bulgular ortaya çıkmış olsa da son yirmi yılda kuantum biyolojisinin kökleri çok daha derine iner. Burada öncü fizikçiler tarafından sağlanan iç görülere dayalı bazı tartışmalar ele alınmıştır[3].


Biyolojik Sistemlerde Tunelleme


Biyolojik sistemlerde tünel açma. Hafif kütleli parçacıkların tünellenmesi kuantum fiziğinin biyolojide iyi çalışılmış mükemmel bir kuantum etkisidir. Sırasıyla biyolojik redoks reaksiyonlarında ve enzim katalizinde, uzun menzilli elektronun tünel açma ve hidrojen tünel açma önemli roller oynuyor. Deneysel veriler açıkça göstermiştir ki, uzun menzilli mesafelerle ayrılmış proteinlerdeki redoks merkezleri arasındaki elektron transferi mertebesinde solunumda ve fotosentezde önemli rol oynar. Bu süreçler kritik olarak şunlara bağlı olabilir: protein yapılarında kodlanmış spesifik elektron transfer yolları ve amino asit dizilerindeki spesifik açıp kapatıcı mekanizmalar. Proteinler aracılığıyla uzun menzilli elektron transferinin gözlemleri genellikle düşük sıcaklığa bağımlılığı kadar üstel mesafe bağımlılığı da gösterirler. Bunlardan tek adımlı bir tünel açma mekanizması sorumludur. Bu kadar uzun mesafeli olması dikkat çekicidir. Biyolojide elektron transferi kuantum mekaniği yoluyla gerçekleşir. Çünkü bu kadar uzun mesafelerde elektron tünelleme boşlukta imkansız olurdu. Yine de elektron iletken olsun ya da olmasın proteinler özellikle koherent elektron için evrimleşmiştir. Tünel açma önemli bir açık soru olmaya devam ediyor. Kuantum teorisi elektron transfer yollarının birine müdahale edebileceğini tahmin eder. Birden fazla farklı yol arasında enzimler arasında tek elektron transferi yapan azurin proteini ile elektron transferi kritik olarak kuantum müdahalelerine bağlıdır[1].


Yukarıda biyolojide kuantum mekaniğinin etkisin de elektronun zaman zaman aşamadığı enerji engelini tünelleme yaparak aşması ve elektronun farklı bir yere geçmesi olayı azurin proteini örneği ile verilmeye çalışılmıştır. Belki de bu mekanizma ile birlikte kuantum mekaniğinin biyolojide çalışılmaya devam etmesi hücre farklılaşması, çevresel etkileşimlerden kaynaklanan bireyin karakterindeki yaratılış çeşitliliği dahil bir yol açmaya devam edecektir. Kuantum biyo informatikte kuantum fiziğinin biçimciliğini kullanarak farklı problemlere yeni açılımlar getirilebilecektir.





Referanslar

1. Lambert, N., Chen, Y. N., Cheng, Y. C., Li, C. M., Chen, G. Y., & Nori, F. (2013). Quantum biology. In Nature Physics. https://doi.org/10.1038/nphys2474

2. Fleming, G. R., Scholes, G. D., & Cheng, Y. C. (2011). Quantum effects in biology. Procedia Chemistry. https://doi.org/10.1016/j.proche.2011.08.011

3. McFadden, J., & Al-Khalili, J. (2018). The origins of quantum biology. In Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. https://doi.org/10.1098/rspa.2018.0674

4. Filippo Caruso, Lindau Nobel Laureate Meetings Blog,15 Haziran 2016 tarihinde https://www.lindau-nobel.org/what-is-quantum-biology/ adresinden erişildi.






66 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör