กลศาสตร์ควอนตัมในสิ่งมีชีวิต

“ชีวิตคืออะไร ?” คือชื่อหนังสือที่ เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrödinger) ได้เขียนไว้ในปี ค.ศ.1944 หนังสือที่เป็นแรงบันดาลใจให้กับฟรานซิส คลิก และเจมส์ วัตสัน ผู้ค้นพบโครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอ

ชเรอดิงเงอร์อธิบายไว้ในหนังสือว่า ชีวิตคือองค์ประกอบของอะตอมและโมเลกุลที่มีการอัดกันทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) แบบสุ่ม เขากล่าว่า “ที่ระดับโมเลกุลของสิ่งมีชีวิตนั้นมีระเบียบที่แน่นอน โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้แตกต่างอย่างมากจากการอัดกันทางอุณหพลศาสตร์แบบสุ่มในอะตอมและโมเลกุลของสสารที่ไม่มีชีวิต ที่มีความซับซ้อนเหมือน ๆ กัน”

ชเรอดิงเงอร์จึงคิดว่า กลศาสตร์ควอนตัมอาจมีบทบาทสำคัญในชีวิต ปฏิกิริยาควอนตัมอาจมีบทบาทที่สำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างและความเป็นระเบียบภายในเซลล์ มันเป็นทฤษฎีที่เข้าถึงได้ยากในช่วงเวลานั้น

………………..

ในทศวรรษที่ 1970 และ 1980 มีการค้นพบว่า ควอนตัมทันเนลลิง (Quantum tunneling) หรืออุโมงค์ควอนตัม เกิดขึ้นภายในเซลล์สิ่งมีชีวิต เอนไซม์ซึ่งเปรียบเหมือนแรงม้าของชีวิต มันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เอนไซม์คือชีวโมเลกุลที่เร่งความเร็วของปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ที่มีชีวิต ให้เร็วกว่าลำดับความเร็วปกติเป็นอย่างมาก มันเคยเป็นปริศนามาตลอดว่าพวกมันทำอย่างนั้นได้อย่างไร

มันถูกค้นพบว่า หนึ่งในกลเม็ดที่เอนไซม์ได้วิวัฒนาการมาเพื่อดำเนินการก็คือ การถ่ายโอนอนุภาคระดับเล็กกว่าอะตอม เช่น อิเล็กตรอน และโปรตอน จากส่วนหนึ่งของโมเลกุลไปยังอีกส่วนหนึ่งโดยใช้อุโมงค์ควอนตัม มันมีประสิทธิภาพมาก มันหายตัวได้ โปรตอนสามารถหายไปจากที่หนึ่งแล้วปรากฏขึ้นอีกที่หนึ่งโดยอาศัยคุณสมบัติคลื่น เอนไซม์ใช้กลไกทางควอนตัมเหล่านี้ในการทำงาน

ทั้งหมดนี้คืองานวิจัยที่เกิดขึ้นในยุค 1980 โดย ศาสตราจารย์จูดิท คลินแมน (Professor Judith P. Klinman) แห่งสถาบันชีววิทยาศาสตร์เชิงปริมาณ  มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และนอกจากนี้ทีมวิจัยกลุ่มอื่น ๆ ในสหราชอาณาจักรก็ได้ยืนยันแล้วว่าเอนไซม์ทำเช่นนี้ได้จริง ๆ

………………..

เมื่อไม่นานมานี้โลกวิทยาศาสตร์ต้องตกตะลึงเมื่อมีการตีพิมพ์เอกสารงานวิจัยที่แสดงหลักฐานการทดลอง ว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัมเกิดขึ้นภายในแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ที่เรียกว่า “ไซยาโนแบคทีเรีย” หรือสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน

กระบวนการก็คือ โฟตอนอนุภาคของแสงอาทิตย์ที่ถูกจับโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ จะถูกส่งไปยังศูนย์ปฏิกิริยา ซึ่งสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานเคมีได้ และในการเดินทางมันไม่ได้เป็นไปตามเส้นทางเดียว แต่ไปตามทางเดินหลาย ๆ ทางพร้อมกันโดยอาศัยคุณสมบัติคลื่น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเข้าถึงศูนย์ปฏิกิริยาอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด โดยไม่สูญเสียพลังงานความร้อน

ความคิดที่ว่า กลไกทางควอนตัมเกิดขึ้นภายในเซลล์สิ่งมีชีวิต นับว่าเป็นเรื่องที่น่าทึ่งมาก และยังมีหลักฐานเพิ่มขึ้นเกือบทุกสัปดาห์โดยมีเอกสารใหม่ ๆ ออกมาเพื่อยืนยันว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นจริง

บางส่วนจากหนังสือ “จักรวาลควอนตัม”