Je dobře známo, že odpověď na podstatu života, vesmíru a vůbec je 42, alespoň pro fanoušky Stopařova průvodce po Galaxii. Ale teď vážně. Kvantová biologie je mladý obor, který by nám měl pomoci pochopit, jak se kvantový svět a jeho jevy promítají do chování živých bytostí – tedy i nás, lidí.

Pojmy jako kvantové provázání nebo superpozice jsou mírně obskurní termíny, se kterými se nejčastěji setkáváme u kvantových počítačů a odvozených technologií. Ale to vše v základu vychází z kvantové mechaniky; fascinujícího odvětví, kterému pořád tak úplně nerozumíme. Kvantový svět je zvláštní: jiný, neznámý, tajemný.

Podobná je i kvantová biologie. Jednou ze základních premis mladého oboru je fenomén výše zmíněné superpozice: paradoxního stavu, kdy se částice nachází na dvou místech zároveň. Ty se také zároveň mohou provázat a jsou posléze schopny vzájemně komunikovat na větší vzdálenosti pomocí dosud nepochopeného procesu.

Oba tyto jevy jsou základem jakéhokoliv kvantového oboru. Superpozice je klíčová pro obrovský výkon kvantových počítačů (qubity, tedy kvantové bity, mohou být zároveň 0 i 1 a cokoliv mezi tím); o významu provázání se diskutuje a vědci s ním aktivně pracují.

Co je kvantová fyzika? Naučné video v angličtině:

Myšlenkový experiment: Kvantová Schrödingerova kočka

Jasně nejznámější příklad fantaskních paradoxů kvantového světa je myšlenkový experiment z roku 1935, vykonstruovaný rakouským vědcem Erwinem Schrödingerem. Uhodli jste – slavná Schrödingerova kočka je kvantová záležitost. Skvěle popisuje superpozici, kterou je nutné ustálit jejím faktickým pozorováním. Kočka uložená do krabice se smrtící radioaktivní složkou je živá i mrtvá zároveň až do doby, než je krabice otevřena a prohlédnuta.

Kvantové zákony není jednoduché pochopit – pro kohokoliv, kdo není specializovaný vědec je to téměř nemožné a my si nebudeme hrát na to, že jim skvěle rozumíme. Můžeme však alespoň pozorovat výsledky, které nám kvantové technologie přináší.

Myšlenkový experiment nazývaný Schrödingerova kočka. Zdroj: Wikimedia Commons

Koncepty kvantové mechaniky jsou dnes obecně uznáván a koneckonců mnohdy i prakticky otestovány, ale zatím jen limitovaně a pouze v některých oblastech. Hvězdu, planetu a ani Schrödingerovu kočku nikdo v kvantovém provázání nezaznamenal; u živých organismů nám v provozování větší pokusů brání také etické zábrany.

Schrödingerova kočka je příkladem světa kvantové mechaniky a fyziky, kterému se teprve v posledních letech snažíme opravdu porozumět.

Kvantová biologie toto alespoň částečně mění – ve světě mikroskopickém. I zde jsou sice živé organismy, ale na úrovni, kde nám morální standardy nebrání v experimentech.

Jen letos si mladý obor připsal hned několik zajímavých teorií: kvantové jevy ve fotosyntéze nebo i proces čichání či navigace u ptáků mají dle studií (např. 1, 2) být příkladem průniku kvantového světa a „naší reality“. Žádný živý organismus, který by využíval základních principů superpozice nebo provázání, však nebyl pozorován. Tedy, dosud: zda se tak však opravdu v následující studii stalo je předmětem diskuze, která hned tak neutichne.

Animace kvantového provázání:

Studie: Kvantové provázání mezi bakteriemi a fotony?

Obočí zdvihá oxfordská studie vedená kvantovou fyzičkou Chiarou Marletto, publikovaná v Journal of Physics Communication. Jde o analýzu experimentu z roku 2016, při kterém vědci „uvěznili“ několik stovek fotosynteticky aktivních zelených sirných bakterií. Umístili je mezi sérii zrcadel, u nichž neustále snižovali vzdálenost až na několik stovek nanometrů. Od zrcadel následně odráželi bílé světlo. Výsledkem experimentu mělo být, aby bakterie postupně přijímaly, vysílaly a znovu absorbovaly poskakující fotony a spárovaly se tak s malou dutinou mezi zrcadly a bakteriemi. To se stalo, šest bakterií se tímto způsobem zřejmě (dle pozorování) skutečně propojilo.

Podle Marlettové, která studii zpětně zkoumala, se ovšem bakterie nejen spárovaly s dutinou, ale také přímo se světlem v dutině; některé fotony tak zřejmě s bakteriemi dosáhly primitivního předstupně kvantového provázání.

Pokud se tým Marlettové nemýlí, pak by šlo o první takový jev pozorovaný u živého organismu. Jsme na cestě ke „Schrödingerově bakterii“?

Kvantově provázané atomy, ilustrace. Zdroj: CE

Cesta vstříc kvantovým počítačům

Výsledky oxfordské studie jsou však přinejmenším kontroverzní: v oboru kvantové biologie ostatně vyvolává řadu diskuzí. Chování zelených sirných bakterií by totiž šlo vysvětlit i nekvantovými jevy, přestože fotony samy kvantové jsou (jde o elementární částice); prozatímní pokusy však výsledky Marlettové nevyvrátily. Problémem je ovšem také to, že měřeny byly pouze bakterie a fotony dohromady, nikoliv jednotlivě, což případný dopad studie omezuje.

Přes pochybnosti a nejasnosti však jde o příklad toho, že kvantová biologie se postupně z říše teorií přesouvá do reality: té samé reality, která nám v budoucnu umožní využívat plnohodnotné kvantové počítače. A nejen to: biologickým počítačům by pochopení interakce mezi kvantovou mechanickou a živými organismy bezpochyby pomohlo.

Jaký přesně význam budou kvantové technologie mít pro lidstvo je nejasné: jejich samotná podstata je pro nás totiž zatím jen těžko uchopitelná.

Zdroj: Scientific American