Evrimin merkezinde yatan sorulardan biri, neden yaşamın kaosun uç noktalarında kendisini sürdürmeyi denediğidir. Yaşamın moleküler dinamiğindeki birçok biyokimyasal süreçteki moleküllerin, en küçüklerinden proteinlere, kritik kuantum durumlarında olduğu gösterilmiş. Yani normal elektron transferi, enerji iletimi gibi olayların bu denli karmaşık sistemleri nasıl oluşturduğunu (çok daha basit devrelerin yol açtığı kayıplar düşünüldüğünde) anlamak çok da kolay durmuyor. Kanada’daki Calgary Üniversitesi’nden Stuart Kauffmann ve ekibi, bu inanılmaz karmaşık mekaniğin nasıl olduğuna dair bir cevap sunmuş olabilirler.
Çalışmalarına göre, biyomoleküllerin birçoğu kuantum kritik durumdaki iletkenler. Elektronik özellikleri özellikle bir metal ve yalıtkan arasındaki geçiş noktasında olacak şekilde “ayarlanmış.” Yani diğer bir deyişle, biyomoleküller aslında tamamen başka bir iletken sınıfına aitler ve bildiğimiz normal elektron transferi kurallarının dışında da kurallara uyuyor olabilirler. Eğer bu yaklaşım doğru ise, bize yaşamın başlangıcı ve doğasıyla ilgili farklı ve önemli bilgiler sunabilir.
Kuantum kritiklik, büyük moleküllerin içerisindeki elektronlar egzotik kuantum hallerinde olduklarında, yani tam iletkenlik ve yalıtkanlık arasındaki sınırda olduklarında, sahip oldukları davranışı açıklar. Bu moleküller iletken olduklarında, bağlı elektronlardan bazıları serbest hareket edebilirken, moleküller yalıtkan olduğunda serbest hareket edemez. Kuantum kritik durum ise bu elektronların durumları yalıtkan ve iletken arasında dengelendiği zaman oluşur. Bu durumda, elektrik akım tahmin edilemez şekilde davranır ve akım bir anda ciddi oranlarda değişebilir. Bu, normal elektrik devrelerinde asla görülmeyen bir durumdur.
Büyük moleküllerdeki elektronların durumları, bu eletkronların doldurabileceği enerji durumu şekillerine bakarak anlaşılır. Moleküller iletken veya yalıtkan olduklarında, bu şekiller farklılık gösterir ve bu sayede bir molekül iletken mi, yalıtkan mı anlaşılabilir. Ancak büyük moleküllerdeki elektron sayıları düşünülürse, bu çok da kolay bir iş olmayabilir. Mesela, sıradan bir biyomolekül olan miyoglobin, 153 aminoasitten oluşur ve 1000’in üzerinde atomu vardır. Bu tarz moleküllerin enerji seviyesi şekilleri, güçlü bilgisayarlar ve belli fiziksel yapıları barındıran veriler kullanılarak modellenebilir.
Bu yeni çalışmada ortaya konulan ise, bu modellemeler yapıldığında, kuantum kritik durumdaki molekülerin kendilerine has enerji seviyesi şekillerini belirleyebildikleri. Yani, biyomoleküllerin ne kadarının kuantum kritik durumlarda olduğunun söylenebilecek olması. Buldukları cevap ise birçoğunun gerçekten de kuantum kritik durumda oldukları. Bunların içinde, kaslarda oksijen depolanmasını sağlayan miyoglobin de var, sükroz da, B12, D3 vitaminleri de…
Sadece birkaç molekül hem bu metoda hem de deneylere göre yalıtkan. Bu grup içerisinde bulunan moleküllerin çoğu ise yapısal moleküller: İpek, dekstrin, oktadekan… Bu grup içerisinde ayrıca DNA’da bulunuyor. Başka çalışmalarda yarı-iletken olarak adlandırılan molekül Kauffmann ve grubu için pratik olarak yalıtkan diye adlandırılmış. Ayrıca sadece çok az sayıda biyomolekülün iletken enerji seviyesi şekillerine sahip olduğu bulunmuş. Bunlar da daha çok hormonlar.
Çalışmanın özetini ise şu şekilde sunuyorlar: “Biyokimyasal süreçlerde aktif rol alan moleküllerin çoğu tam olarak kuantum kritik durumlardalar ve birçoğu kritik iletkenler.” Bu önemli olduğu kadar da beklenmedik olan bir buluş, çünkü biyolojideki iletken mekanizmasının elektronik devrelerdekine göre çok farklı olduğunu öngörüyor. Beklenmedik, çünkü olası enerji seviyesi durumu permütasyonları çok büyük; bu nedenle biyomoleküllerde, bu durumlardan birinin şansına kuantum kritik bir durum olması inanılmaz derecede az ve neredeyse imkânsız. Bu durumda, modellemenin moleküllerin birçoğunun bu durumda olduğunu söylemesi, son derece kayda değer. Çalışmada, bu olasılık şöyle açıklanmış:
“Kimyasal ve biyolojik evrim sadece çok küçük bir olası biyomolekül kümesini seçmiş gözüküyor. 1050’de bir olan bir kısmı. Bu küme, proteinler için daha da küçük bir parça.” Yani, evrimsel olarak, kuantum kritik durumda olan moleküller inanılmaz bir avantaja sahipler.
Peki bu durumların evrimsel olarak avantajı tam olarak nedir? Bu, yeni tanımlanmış iletkenlik durumu canlılarda nasıl çalışıyor? Ve neden bu, evrimsel olarak bu kadar önemli role sahip kompleks sistemlerde bu kadar önemli bir etken? Bunlar, eğer model doğru ise, gelecekte cevaplanması gereken sorular.
Kaynaklar
1) https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/the-origin-of-life-and-the-hidden-role-of-quantum-criticality-ca4707924552
2) http://arxiv.org/pdf/1502.06880v2.pdf
