क्वांटम जीवशास्त्र म्हणजे काय?

युरोपियन रॉबिन. छायाचित्र: फ्रान्सिस सी. फ्रँकलिन/विकीमीडिया कॉमन्स, CC BY-SA 3.0

पदार्थ किंवा मॅटरची वैशिष्ट्ये काय असतात ते आपल्याला माहीत असते. उदाहरणार्थ, एखादा चेंडू एका अडथळ्याच्या पार घालवण्यासाठी त्याचा जमिनीवर किती जोरात टप्पा टाकायला पाहिजे हे तुम्हाला अंतःप्रेरणेने कळते. पण सबऍटॉमिक पार्टिकल्स म्हणजेच अणूपेक्षा बारीक कणांच्या बाबतीत आपल्याला असे करता येत नाही. आपल्याला एखाद्या इलेक्ट्रॉनला तशाच चिमुकल्या अडथळ्यावरून पार घालवायचे असेल तर तुम्हाला त्याचा टप्पा टाकावा लागत नाही (आणि तुम्ही तसे करूही शकत नाही). कधीकधी दुसऱ्या बाजूला जाण्यासाठी तो त्या अडथळ्यातूनच बोगदा बनवून जाऊ शकतो.

याचे कारण म्हणजे चेंडूचे वागणे पारंपरिक यंत्रविज्ञानाच्या – क्लासिकल मेकॅनिक्सच्या तत्त्वांद्वारे संचालित होते. ज्याचे चेंडू काय करू शकतो आणि काय करू शकत नाही याबाबत विशिष्ट नियम असतात. दुसऱ्या बाजूला इलेक्ट्रॉनचे वागणे हे क्वांटम मेकॅनिक्सनुसार चालते. जेक्लासिकल मेकॅनिक्समध्ये ज्यांना परवानगी असते अशा गोष्टी तिथे कदाचित शक्यच होणार नाहीत, मात्र दुसऱ्या एरवी आपल्याला विचित्र वाटणाऱ्या गोष्टी होऊ शकतात. उदाहरणार्थ, शास्त्रज्ञांना फोटॉनच्या अशा जोड्या जमवता आल्या आहेत, ज्यामध्ये एकामध्ये काही बदल झाला तर दुसऱ्यामध्येही त्वरित बदल होतो. अगदी ते शेकडो किलोमीटर अंतरावर असले तरीही!

क्लासिकल मेकॅनिक्समध्ये आपल्याला एखादा चेंडू पाच टप्पे खाल्ल्यानंतर कुठे जाऊन पडेल हे नेमके गणन करून सांगता येते. क्वांटम मेकॅनिक्सचे तसे नाही, त्यामध्ये काहीही निर्धारित नसते. आणखी पाच मिनिटांनी एखादा इलेक्ट्रॉन कुठे असेल हे आपल्याला सांगता येत नाही. केवळ संभाव्यतेचे गणन करता येते.

क्वांटम मेकॅनिक्समधले नियम जीवशास्त्रामध्येही लागू होऊ शकतील का? २० व्या शतकाच्या सुरवातीला क्वांटम मेकॅनिक्स निर्माण करणाऱ्या लोकांनी या प्रश्नाचेही उत्तर देण्याचा प्रयत्न केला. १९४४ मध्ये, एर्विन श्रॉडिंजरने ‘What is Life?’ नावाचे एक छोटेसे पुस्तक प्रसिद्ध केले. इतर अनेक गोष्टींबरोबर त्याला, मुलांना त्यांच्या पालकांकडून जनुकीय माहिती कशी मिळते ते, क्वांटम फिजिक्स विश्वसनीयरित्या स्पष्ट करू शकेल का असाही प्रश्न पडला होता.

श्रॉडिंजर आणि नील्स बोर या दोघांनीही जीवशास्त्र आणि क्वांटम मेकॅनिक्स यांच्या संयोगातून उद्भवणाऱ्या या कल्पनांना विज्ञानाच्या चर्चाविश्वात पुढे आणण्याचा प्रयत्न केला. पण त्यांच्या काळानंतर क्वांटम जीवशास्त्राकडे मोठ्या प्रमाणात दुर्लक्ष झाले. भौतिकशास्त्रज्ञांना त्याचे फारसे आकर्षण वाटले नाही, रसायनशास्त्रज्ञांचा त्यावर विश्वास नव्हता आणि जीवशास्त्रज्ञांना क्वांटम मेकॅनिक्सबद्दल काही देणेघेणे नव्हते.

शास्त्रज्ञ टनेलिंग आणि एन्टँगलमेंट अशा क्वांटम घटनांचे निरीक्षण अत्यंत जटिल अशा प्रयोगांमधून करतात जे सर्व प्रकारच्या हस्तक्षेपांपासून अत्यंत काळजीपूर्वक वेगळे करून करावे लागतात. जितका हा व्यत्यय जास्त असेल तितके प्रणालीला आपले क्वांटम स्वरूप राखणे कठीण होते, ती पारंपरिक प्रणाली म्हणून वर्तणूक करेल अशी शक्यता वाढते. म्हणूनच अनेक प्रयोग अत्यंत कमी तापमानाला केले जातात, जिथे प्रयोगात वापरलेल्या साधनांची कंपनेसुद्धा थांबवली जातात. म्हणूनच क्वांटम मेकॅनिक्स हे एखाद्या सजीव प्रणालीमध्ये – जो अव्यवस्था असलेला उबदार, द्रवपदार्थ असतो –  काम तरी करेल का असा प्रश्न पडतो.

मात्र नेहमीप्रमाणेच, असे दिसते की निसर्गाने त्याचा काम करण्याचा मार्ग शोधला आहे. १९६० च्या दशकाच्या शेवटी अमेरिकन शास्त्रज्ञांनी क्वांटम जीवशास्त्र हे एन्झाईममध्ये काम करते याचा पुरावा सादर केला. एन्झाईम म्हणजे प्रथिनांच्या जटिल रचना असतात जे जैवरासायनिक अभिक्रियांचा वेग नाट्यमयरित्या वाढवतात. ते हे कसे करतात हे दोन प्रकारे समजून घेता येते: क्वांटम मेकॅनिक्स आणि क्लासिकल मेकॅनिक्स. मात्र, संशोधकांना असे आढळून आले की वेग एवढ्या मोठ्या प्रमाणात का वाढतो हे क्लासिकल मेकॅनिक्सच्या सहाय्याने सांगता येत नाही. म्हणून शास्त्रज्ञांनी क्वांटम टनेलिंग वापरून उत्तर मिळते का हे शोधण्यास सुरुवात केली आणि त्याचे निकाल आशादायक होते.

या शोधामुळे त्याच्यासारख्याच, जैविक प्रणालींमध्ये सामान्य अशा प्रोटॉन आणि हायड्रोजन ट्रान्स्फरचा समावेश असलेल्या अनेक गोष्टींचा शोध लागला. आणि त्यामुळेच इतर ठिकाणच्याही अभ्यासांना प्रोत्साहन मिळाले.

एन्झाईम उत्प्रेरकांमध्ये क्वांटम टनेलिंगची नेमकी काय भूमिका आहे आणि काय मूल्य आहे हे अजूनही शास्त्रज्ञांना नीटसे समजलेले नाही, मात्र त्यामुळे वेगवेगळ्या नैसर्गिक क्षेत्रांमध्ये यासारख्याच घटनांचा शोध घेणे थांबलेले नाही.

त्यापैकी एक आहे प्रकाशसंश्लेषण. नेमके सांगायचे, तर प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेतील एक पायरी इतकी कार्यक्षम आहे की यामध्ये क्वांटम परिणाम समाविष्ट असतील का असा प्रश्न शास्त्रज्ञांना पडला आहे.

प्रकाशसंश्लेषण ही रासायनिक अभिक्रियांची एक मालिका असते. पहिल्या अभिक्रियेमध्ये क्रोमोफोर नावाचा एक भाग असलेले रेणू सामील असतात. जेव्हा सूर्यप्रकाशातील फोटॉन क्रोमोफोरवर आदळतो, तेव्हा त्या क्रियेमध्ये एक्सिटॉन नावाच्या विद्युतभारित कणसदृशाची निर्मिती होते. एक्सिटॉन मग रेणूंच्या जाळ्यामधून पुढे सरकत अभिक्रियेच्या केंद्रस्थानी पोहोचतो. तिथे तो इतर रेणूंशी अभिक्रिया करतो जे एक्सिटॉनच्या ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेत रुपांतर करतात.

वस्तुतः हा प्रवास म्हणजे मानवाला ज्ञात असलेला ऊर्जेच्या हस्तांतरणाचा सर्वात कार्यक्षम मार्ग आहे. क्लासिकल फिजिक्सच्या अंतःप्रेरणा सांगतात की असे असता कामा नये – म्हणून शास्त्रज्ञांना तिथे क्वांटमची शंका आली. २००७ मध्ये आलेल्या खरोखरच त्यात क्वांटम मेकॅनिक्स सामील असू शकते असे सुचवणाऱ्या पहिल्या प्रयोगात्मक निकालांनी त्यांच्या संशयाची पुष्टी झाली. तेव्हापासून शास्त्रज्ञ ते नेमके कसे मदत करते याचा बारकाईने शोध घेत आहेत. आणि आता त्यांच्यापुढे आणखी एक प्रश्न उभा ठाकला आहे: जर वनस्पती आणि काही जीवाणू जगण्याकरिता क्वांटम मेकॅनिक्सचा उपयोग करत असतील, तर मग मोठ्या, अधिक जटिल सजीवांचे काय?

बराच काळपर्यंत, युरोपियन रॉबिन नावाचा एक छोटासा स्थलांतर करणारा पक्षी क्वांटम जीवशास्त्रज्ञांचा अत्यंत लाडका होता. या पक्ष्यांना पूर्व युरोपातून उत्तर आफ्रिकेत प्रवास करत असताना पृथ्वीच्या (अत्यंत क्षीण) चुंबकीय क्षेत्राची जाणीव असते. जणू त्यांच्या मेंदूमध्ये होकायंत्र असते. हे कसे शक्य आहे ते क्लासिकल फिजिक्सला स्पष्ट करता येत नव्हते. म्हणून मग पुन्हा शास्त्रज्ञांनी क्वांटम मेकॅनिक्सकडे आपला मोर्चा वळवला.

प्रचलित कल्पना अशी आहे की पक्ष्यांच्या डोळ्यांमध्ये क्रिप्टोक्रोम्स नावाची एक प्रकारची प्रथिने असतात. ती प्रकाशाला प्रतिसाद देऊन कणांची एक जोडी तयार करतात जी क्वांटम एन्टँगलमेंटमध्ये असते. म्हणजेच त्यांच्यामध्ये एक बंध असतो व एकाच बदल झाला की दुसऱ्यात बदल होतोच. ही एकमेकांमध्ये अडकलेली जोडी मग शक्य तितका वेळ वेगवेगळ्या क्वांटम स्थितींमध्ये तोपर्यंत झुलत राहते, जोपर्यंत कोणत्या तरी अनियंत्रित व्यत्ययामुळे ती नष्ट होत नाही.

मात्र जोपर्यंत ही जोडी जोडलेल्या अवस्थेमध्ये असते तोपर्यंत चुंबकीय क्षेत्र तिला एकाच क्वांटम स्थितीमध्ये अधिक वेळ घालवण्यास भाग पाडते, ज्यामुळे मेंदूकरिता संकेत तयार होतो. हा संकेत चुंबकीय क्षेत्राच्या सेन्सरसारखा काम करतो. १९७८ मध्ये शास्त्रज्ञांनी मूलभूत आवृत्ती मांडल्यानंतर, स्वतंत्रपणे घेतलेल्या मोजमापांनी सावकाश पण निश्चितपणे या सिद्धांताच्या वेगवेगळ्या तुकड्यांची पडताळणी केली आहे.

२०१९ पर्यंत, एन्झाईमचे उत्प्रेरण, प्रकाशसंश्लेषण आणि पक्ष्यांचे दिशाशोधन हे क्वांटम जीवशास्त्राचे सर्वात लोकप्रिय उपयोग आहेत. इतरही निश्चितपणे दृष्टिक्षेपात आहेत: जगभरचे संशोधक वास, चेतनेचे मूळ आणि (चिंतनात्मक रीतीने) जीवसृष्टीचे मूळ यांचा त्या दृष्टीने अभ्यास करत आहेत. त्याच वेळी, ते क्वांटम परिणाम हे या प्रणालींचे नेहमीचे वैशिष्ट्य आहे की निसर्ग स्वतःहून गोष्टींमध्ये सुधारणा करण्यासाठी त्यांचा वापर करतो असा प्रश्नही स्वतःला विचारत आहेत.

या टप्प्यावर हे लक्षात ठेवणे उपयुक्त ठरेल – ख्रिस फील्ड्स नावाचा एक स्वतंत्र शास्त्रज्ञ म्हटला होता त्याप्रमाणे – क्लासिकल आणि क्वांटम मेकॅनिक्स ह्या संकल्पना विकसित होत गेल्या तेव्हा मानवाने त्यांना ती दिलेली नावे आहेत; निसर्गाला असा फरक करण्याचे काहीच कारण नाही. माणसाने क्वांटम मेकॅनिक्सचा शोध लावण्यापूर्वीही वनस्पती प्रकाशसंश्लेषण करत होत्या, रॉबिन मार्ग शोधत होते आणि एन्झाईम अभिक्रियेचा वेग वाढवत होते. त्यामुळे जीवशास्त्रज्ञांनी हे स्वीकारले पाहिजे की सजीव प्रणाली क्वांटम परिणामांपासून लांब नाहीत आणि भौतिकशास्त्रज्ञांनीही काळजीपूर्वक नियंत्रित केलेल्या प्रयोगशाळेतील प्रयोगांच्या बाहेरही क्वांटम परिणाम सापडू शकतील यासाठी तयार असले पाहिजे.

क्लॅरिस डी. ऐलो यांचे आभार.

रोनक गुप्ता हे व्हँकूवर येथील युनिव्हर्सिटी ऑफ ब्रिटिश कोलंबिया येथे फ्लुईड मेकॅनिक्स या विषयात पीएचडी करत आहेत.

मूळ लेख येथे वाचावा.