הפיזיקה הקוונטית
של החיים עצמם

חישבו לרגע על הביטוי "אור השמש הוא חומר החיטוי הטוב ביותר". בדרך כלל משתמשים בו בהקשר של שחיתות שלטונית, אך למעשה יש בו אמת מדעית. זו מורכבת מפיזיקה, שהרי אור השמש מורכב גם מקרינה על-סגולה עתירת אנרגיה, וגם מביולוגיה, שכן חיטוי משמעו טיהור מחיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים. אם תניחו בגד מלוכלך או אריג אחר בשמש למשך כמה שעות, תיווכחו שריחו ישתפר משמעותית. הסיבה ברורה – קרני השמש, כך כבר הראו מחקרים, מפרקות את החיידקים על הבד ביעילות יתרה.

הקשרים בין ביולוגיה לפיזיקה פחות מוכרים מאלה שמחברים בין ביולוגיה לכימיה או בין פיזיקה למתמטיקה. ובכל זאת, כמו כל דבר אחר במציאות, גם מבנים וגופים ביולוגיים מצייתים בהכרח לחוקי הפיזיקה, כך שהבנת הכללים הללו עשויה לסייע לנו גם בהבנת התהליכים שמאפשרים את החיים עצמם.

הפיזיקה הקלאסית עוסקת בתנועתם של עצמים גדולים במהירויות נמוכות ובטמפרטורות גבוהות (אבל לא יותר מדי) לעומת האפס המוחלט; הפיזיקה הקוונטית עוסקת בתנועתם של עצמים קטנים במיוחד – אטומים וחלקיקים זעירים אחרים – במהירויות גבוהות ובטמפרטורות נמוכות. לכאורה נראה אך טבעי לתאר מערכות ביולוגיות באמצעות כללי המכניקה הקלאסית שניסח אייזק ניוטון כבר לפני 350 שנה – שהרי התא גדול פי כמה וכמה מהאטום וטמפרטורת הגוף גבוהה לאין שיעור לעומת האפס המוחלט. ובכל זאת, יש תחומים שבהם המכניקה הקלאסית מתקשה להתמודד עם תהליכים מורכבים המתרחשים בתא החי. הפתרון במקרים כאלה עשוי לבוא מתחום מחקר חדש יחסית: הביולוגיה הקוונטית.

אור השמש הוא אולי לא, מבחינה מעשית, חומר החיטוי הטוב ביותר, אבל הוא בהחלט מחטא. אילוסטרציה של קרני שמש הורגות מיקרואורגניזמים | Shutterstock, GOLDMAN99

פיזיקה של מוטציות גנטיות

נילס בוהר, מאבות תורת הקוונטים, היה בין הראשונים שהחלו להרהר בקשר שבין התחומים. כבר ב-1932 הוא הגה את הרעיון להשתמש באור לטיפולים רפואיים, והציע לפרק תהליכים ביולוגיים לאבני הבניין הפיזיקליות שלהם. הרי התאים והאברונים שבתוכם עשויים מחלבונים ומחומצות גרעין, כלומר ממולקולות, שאותן אפשר לחקור בכלים קוונטיים. הרעיון היה מהפכני, אך בוהר עצמו ידע מעט מאוד ביולוגיה ולא העלה אותו על פסים מעשיים. באחת ההרצאות שנתן בוהר בנושא ישב בקהל הפיזיקאי הצעיר מקס דלבריק (Delbrück), שנדהם מהרעיון, והחל להתעמק בעקרונות הפיזיקליים של מדע הגנטיקה.

בתקופה ההיא הידע הגנטי היה מצומצם מאוד: המבנה של מולקולת ה-DNA פוענח רק לאחר מכן, וריצוף הגנום האנושי לא עלה עדיין ולו רק כרעיון. אפילו המושג "גֵן" לא הובן די הצורך, אך דלבריק הבין שהוא קשור למנגנון התורשה. וכך ב-1935, אחרי שלמד את הנושא, הוא פרסם מאמר שדן בקשר האפשרי בין פיזיקה לגנטיקה.

שנים אחדות לאחר מכן, הוזמן עוד אחד מאבות תורת הקוונטים, ארווין שרדינגר (Schrödinger), לשאת סדרת הרצאות לקהל הרחב בטריניטי קולג' בדבלין, אירלנד. במקום לדבר שוב על המשוואות המפורסמות הקרויות על שמו שזיכו אותו בפרס נובל, או על חתולים, הוא בחר לשאול שאלה בעלת אופי ביולוגי, בין השאר על בסיס מחקריו של דלבריק: "מהם החיים?". בהרצאה, ובספרון שפרסם בעקבותיה, בחן שרדינגר איך הפיזיקה והכימיה יכולות להסביר אירועים שמתרחשים בתוך יצורים חיים, והסיק כי מוטציות גנטיות נגרמות על ידי מעבר של אטומים בין חלקי המבנה הגנטי. שנים ספורות לאחר מכן, ב-1953, פוצח מבנה הסליל הכפול של ה-DNA, והתברר שמסקנתו של שרדינגר על האופן שבו המידע הגנטי מקודד הייתה קרובה מאוד למציאות.

ב-1963 טבע לראשונה הפיזיקאי השבדי פר-אולוב לואודין (Löwdin) את המושג "ביולוגיה קוונטית", במאמר שעסק בקשר בין מנגנון המנהור הקוונטי – תופעה קוונטית שבה חלקיק מסוגל, בהסתברות מסוימת,לעבור מחסום שניצב בדרכו – לשינויים מקריים (מוטציות) ב-DNA. בשנים שחלפו מאז, הלכה והתבססה הביולוגיה הקוונטית כתחום בפני עצמו. היא הפכה מקוריוז לשטח מחקרי שמסביר תופעות רבות שקשה להסביר בדרכים אחרות.

איך הפיזיקה והכימיה יכולות להסביר אירועים שמתרחשים בתוך יצורים חיים? עמוד השער של הספרון "מהם החיים?", מהדורת 1948 | מקור: ויקיפדיה

להמיר אור לאנרגיה כימית

אחת התופעות הבסיסיות שהביולוגיה הקוונטית מסייעת לנו להסביר היא הפוטוסינתזה – התהליך שמאפשר לצמחים, לאצות ולחיידקים מסוימים להפוך מים ופחמן דו-חמצני לסוכר באמצעות אנרגיית השמש. התופעה, שמתרחשת בעזרת מולקולות של הפיגמנט (צבען) הירוק כלורופיל, מוכרת כבר מאות שנים, והתהליך הכימי שבה מובן היטב. אך בכל זאת לא לגמרי ברור איך הצמח מצליח להשתמש באור ביעילות כל כך גבוהה.

מתברר כי כשפוטון (חלקיק אור) שמגיע מהשמש נתקל במולקולת הכלורופיל, הוא עוקר ממנה אלקטרון – חלקיק שמטענו החשמלי שלילי – ומותיר במקומו מעין חלל שנקרא בפשטות "חור". אפשר לחשוב על החור כעל חלקיק דמיוני שנושא מטען חיובי. הצמד אלקטרון-חור נקרא אקסיטון.

האקסיטון צריך לעבור בין מולקולות כלורופיל סמוכות עד שיגיע לאזור מרכז הריאקציה בתא, שבו התהליך הכימי של בניית מולקולות הסוכר מתרחש בפועל. אם האקסיטון היה מתנהג לפי המכניקה הקלאסית, סביר להניח שההתנגשויות הרבות שלו במולקולות הכלורופיל שנמצאות בדרכו היו מפחיתות את האנרגיה שלו, וחלק מהאקסיטונים כלל לא היו מגיעים למרכז הריאקציה.

בפועל זה לא מה שקורה: תהליך העברת האנרגיה מהפוטונים למרכז הריאקציה מתרחש כמעט בלי שום אובדן של אנרגיה בדרך, וזה מתאפשר בזכות התכונות הקוונטיות של האקסיטונים. מההסבר הקוונטי עולה שהאקסיטון עובר בו-זמנית דרך כל המסלולים האפשריים, מביניהם "נבחר" המסלול הקצר ביותר שיאפשר לו להגיע למרכז הריאקציה. התכונה הזאת, של נוכחות בכל המסלולים האפשריים, מכונה "סופרפוזיציה", והיא עומדת ביסודה של מכניקת הקוונטים.

את המודל הזה הציעו הפיזיקאים ג'יימס פרנק (Franck) אדוארד טלר (Teller) כבר ב-1938, אך רק עשרות שנים לאחר מכן פותחה שיטת הספקטרוסקופיה האולטרה-מהירה, שאפשרה לבחון את רעיונותיהם ולאמת אותם הלכה למעשה. מאז נוספו שכבות רבות להבנת התהליך הפוטוסינתטי במונחים קוונטיים.

אחת התופעות שהביולוגיה הקוונטית מסייעת לנו להסביר היא הפוטוסינתזה. אילוסטרציה של פוטוסינתזה בקווים כלליים | Mark Garlick, Science Photo Library

ניווט קוונטי

אחת התופעות המפליאות בטבע היא יכולת הניווט המעולה של הציפורים הנודדות. בדרך כלשהי, בלי ג'י-פי-אס או מפה, הן חשות את השינויים בעוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ ומנווטות באמצעותם. אבל השדה המגנטי של כדור הארץ חלש מאוד, והיות שאין לציפורים פיסת מתכת גדולה בתוך המוח, לא אמורה להיות להן דרך לחוש בשינויים קלים שבקלים בשדה הזה.

אחת ההשערות היא שבראשן של ציפורים נודדות יש כמויות קטנות של המינרל מגנטיט, הרגיש לשדות מגנטיים. הסבר אחר גורס שהן מיישמות כלים קוונטיים. לפני כארבעים שנה הציע הביופיזיקאי קלאוס שולטן (Schulten) מודל קוונטי לחישה מגנטית של ציפורים – ומאז הוא נבחן פעמים רבות במחקרים עיוניים וניסיוניים.

מחקרים מראים שברשתית העין של הציפור אדום החזה (Erithacus rubecula) קיים חומר בשם קריפטוכרום, המשמש כקולטן של אור כחול. כשפוטון בתדר המתאים מגיע לרשתית ופוגש בו-זמנית שתי מולקולות קריפטוכרום המצויות במרחק מסוים זה מזה – והסבירות היא שיימצאו תמיד שלל זוגות של מולקולות כאלה שמתאימות לתנאים – הוא עוקר אלקטרונים משתיהן והם נעים למולקולות שכנות. מכיוון שהתהליך התרחש בדיוק באותו רגע, נוצר סנכרון בין התכונות של שני האלקטרונים, שמכונה "שזירה קוונטית".

כל עוד האלקטרונים לא נתקלו במולקולות שכנות, אפשר לומר שתכונותיהם טרם נקבעו, או טרם נמדדו; כלומר הם יכולים להימצא במצב קוונטי מורכב שנקרא סופרפוזיציה, שהוא הסכום של מצבים קוונטיים אחרים או שילוב כלשהו ביניהם. לדוגמה, הצבע הכתום הוא סופרפוזיציה שוויונית של אדום וצהוב. כאן לא מדובר בצבעים אלא בספין, שהוא תכונה פנימית של האלקטרון שלעיתים יש המשווים אותה לסיבוב עצמי של החלקיק.

כיווני הספינים של שני האלקטרונים יכולים להיות זהים זה לזה או מנוגדים. המצב בו הכיוונים מנוגדים נקרא "סינגלט" והמצב שבו כיווניהם זהים נקרא "טריפלט". כל עוד לא התרחש מפגש עם מולקולה שכנה, ההסתברות למצוא את זוג האלקטרונים במצב סינגלט או במצב טריפלט משתנה עם הזמן ורגישה מאוד לשדה המגנטי החיצוני, שמשפיע מאוד על הספינים. לפי ההשערה, בדרך זו השדה המגנטי משפיע על תכונות המולקולות בעין הציפור, וכך מאפשר לה לחוש אותו. אם ההשערה הזאת נכונה, אפשר לטעון שיש לציפור מעין מצפן קטן בעין.

ייתכן שציפורים, כמו אדום החזה שבתמונה, מנווטות בעזרת שזירה קוונטית שמתרחשת במולקולות שבעיניהן | Shutterstock, PJR-Photography

מנהרה של ריחות

סברה ותיקה נוספת נוגעת לקשר בין חוש הריח למנהור קוונטי. בטבע יש כמות עצומה של ריחות, אך לנו יש רק כמה מאות סוגים של קולטני ריח. אם כך, איך ייתכן שאנו מצליחים להבחין בין כל כך הרבה ריחו שונים?

הרעיון שלפיו עשוי להיות קשר בין רטיטות קוונטיות של מולקולות לבין ריחות עלה לראשונה כבר ב-1928, אך רק ב-1996 הציע הביופיזיקאי לוקה טורין (Turin) מנגנון מבוסס שהתקבל על דעתה של רוב הקהילה המדעית. למולקולות יש כמה אופני תנודה, שכוללים תזוזות קוויות (טרנסלציות), סיבובים (רוטציות) ותנודות (ויברציות). לאופני תנודה שונים יש אנרגיות שונות, וכך כל מולקולה נושאת בתוכה מידע פיזיקלי נוסף, מעבר למבנה הכימי שלה. לפי התיאוריה של טורין, כשקולטני הריח באפנו פוגשים מולקולת ריח מתאימה, הם מסוגלים לחוש גם את התנודות המולקולריות באמצעות מנגנון מנהור שפועל בהן.

כדי להבין בערך מהו מנהור קוונטי אפשר לחזור אל סדרת הטלוויזיה הוותיקה "טירונות". בסדרה הופיעה דמותו של "גוליבר", טירון כבד משקל שהוטל עליו לעבור קיר גבוה בכל מחיר. משלא הצליח לטפס מעליו, לקח הטירון האומלל פטיש חמישה קילו, חצב את דרכו דרך הקיר, וכך צלח את המשימה בדרך שמפקדו הגדיר "מקורית אבל משכנעת".

האלקטרון מתנהג במידה מסוימת כמו גוליבר. הוא נמצא מול מחסום – במקרה הזה כוח חשמלי שמקורו בגרעין האטום. לכאורה אין לו שום סיכוי לעבור את המחסום ולעזוב את האטום, מפני שהאנרגיה שלו נמוכה מזו הדרושה כדי לגבור על הכוח החשמלי. אבל בגלל אופיו הקוונטי-הסתברותי הוא מצליח לעבור חלקית דרך המחסום, כך שמעט מן המסה שלו נמלטת החוצה מהאטום. רוב המסה של האלקטרון עדיין נעצרת בקיר, אך חלקים מסוימים ממנו מטיילים להם בעולם שנמצא מעבר למחסום.

הסצנה מ"טירונות". דמיון חלקי בלבד למנהור קוונטי

בהקשר שלנו, בתנאים מסוימים אלקטרון יכול לעבור מחסומים בעלי אנרגיה גבוהה, כלומר לדלג בין מולקולות בלי להיעקר לחלוטין בדרך מהאטום אליו הוא שייך. התנאים האלה ייקבעו על פי ההפרש האנרגטי בין אופן התנודה הוויברציוני של האלקטרון לבין קולטני הריח, כך שההפרש הזה באנרגיות הוא המפתח לפענוח הריח. לפי ההשערה הזו, לא באמת צריך ספרייה שלמה של מפתחות לכל מנעול אפשרי על מנת לחוש את כל המגוון העצום של הריחות שאנו מרגישים. מפתח אחד יכול לפתוח כמה מנעולים, או ריחות - ובו זמנית להבדיל ביניהם לפי התנודות שלהם.

אלה הן רק מקצת מהתופעות שהביולוגיה הקוונטית מציעה להן הסברים. עוד לא דנו למשל בקשר האפשרי בין ראשית החיים לקוונטים, או בין תודעה לקוונטים, כפי שהציע למשל הפיזיקאי הישראלי יקיר אהרונוב. לא מן הנמנע כי רבות מצפונות החיים עוד יתגלו בעזרת הביולוגיה הקוונטית, אם רק נדע לחשוב מחוץ לקופסה ולמצוא בתוכנו את האומץ לפתוח אותה.

תודה לפרופ' יוסי פלטיאל ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים על הייעוץ בהכנת הכתבה. מעבדתו של פרופ' פלטיאל משתפת פעולה עם הביולוג פרופ' ניר קרן בחיפוש אחרי תופעות קוונטיות שמשפיעות בצורה משמעותית על מנגנונים ביולוגיים.