top of page

Kuantum Biyoloji ve Göçmen Kuşlar

Kuantumu anladık(anlamadık) da biyoloji ne alaka hocam ? Göçmen kuşlara girmiyorum bile… Diye düşünüyorsan acele etme çünkü olabilecek en sade şekilde anlatacağım birazdan. =)


Klasik Fizik


Kuantum dünyasına girmeden önce tarihsel açıdan biraz gerilere gitmemiz gerekiyor, Sır Isaac Newton zamanına. Newton, İngiliz fizikçi, matematikçi, din adamı ve filozof gibi daha birçok sıfatı isminin önünde barındıran bir bilim insanı. Tabii bu sıfatlar günümüzde bizim bilimi atomlarına kadar ayrıştırmamızdan kaynaklanıyor. O zamanlardaki herhangi bir bilim insanına baktığımızda çok disiplinli alanda çalışmalar yaptığına şahit olabiliriz.


Her neyse, Newton 1687 yılında yayımladığı orijinal adıyla «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri) adlı kitabında evrensel kütleçekim ve üç hareket yasası ortaya koyarak klasik fiziğin temelini oluşturuyor.


Burası çokomelli çünkü lisede hayatımıza giren ve neredeyse bir daha hayatımızdan hiç çıkmayan yasalar bunlar. =)


Dalga Parçacık Tartışması


Daha sonra bilim camiasında çok uzun süre boyunca tartışmalara sebep olmuş bir konu ortaya çıktı; ışığın yapısı dalga mıydı yoksa parçacık mıydı? Bu tartışma durduk yere ortaya çıkmamıştı. Işığın dalga formunda olduğunu kanıtlayan Thomas Young’ın meşhur çift yarık deneyi vardı. Ancak ışığın dalga modeli ile açıklanamayan fotoelektrik etki gibi olaylar, ışığın yapısı hakkında kafaları karıştırıyordu.


Işığın Dalga Modeli


1803 yılında Thomas Young aralarında belirli uzaklık bulunan paralel iki yarıktan ışığı geçirerek bir perde üzerinde gözlemlediğinde, bir aydınlık bir karanlık saçaklar olduğunu gözlemledi. Bu, ışığın dalga parçacık tartışmasında heyecan verici bir gelişmeydi çünkü bu tür bir girişim olayı dalgalara ait bir özellikti.



Işığın Parçacık Modeli


Ancak Young’ın deneyinden tam 84 yıl sonra, 1887 yılında Heinrich Hertz, bambaşka bir amaçla gerçekleştirdiği deney sırasında(hep de öyle olur!); elektrotların üzerine ışık düştüğü zaman akımın arttığını gözlemledi. Akımın artması ortamda serbest elektronların artması anlamına geliyordu. Bu durum ilginçti çünkü metal yüzeyine ışık düşürüldüğünde yüzeyden elektron kopması olayı, ışığın dalga modeli ile açıklanamıyordu. Daha sonra Einstein’in Nobel kazanmasına sebep olacak bu olaya fotoelektrik etki adı verildi. Bu olayın gizemi ile birlikte dalga-parçacık tartışmalarının henüz bir sonuca varmadığı bilim çevreleri tarafında bir kez daha hissediliyordu.


Siyah Cisim Işıması Paradoksu


Ancak o dönemler, fizik ve doğayı anlama açısından kafalarda birçok sorunun olduğu yıllardı. Bu yıllardaki başka bir problem ısıtılan bir cismin değişen dalga boylarında saklıydı. Klasik fizik, ısıtılan bir cisim tarafından yayılan enerji miktarının, morötesi dalga boylarında sonsuza kadar neden artmadığını açıklayamıyordu.



Planck’in Kuantası


Max Planck, 1900 yılında siyah cisim ışıması paradoksuna bir çözüm önerdi. Isıtılan cisimden etrafa yayılan enerjinin sürekli değil kesikli paketler halinde olabileceğini öngördü ve bu paketleri «kuanta» olarak adlandırdı. (E = hf) Ancak Planck’ın bu kuramının deneysel sonuçlara kusursuz uyması dışında bir gerekçesi yoktu.

Bilim çevreleri tarafında fazla etki yaratmayan bu düşünce aslında planck’in de içine sinmemişti çünkü fiziksel olarak durumu açıklayamıyordu.



Einstein’ın Çözümü


Einstein ise fizikte önemli olan bir şeyi gerçekleştirdi. Planck’in bu fikrini dikkate alarak teorik bir sonucu fiziksel olarak yorumlamayı başardı. Einstein’ın 1905 yılında ona Nobel ödülünü kazandıran fotoelektrik etki adlı makalesinde, bir metal yüzey tarafından emilen radyasyonun küçük parçalara bölündüğünde fotoelektrik etkinin kolayca anlaşılabileceğini ileri sürdü.


Bu kurama göre; bir metal yüzeyindeki elektrona ışık çarptığında, elektron tek bir radyasyon kuantumunu emer. Eğer elektronu bağlı olduğu atomdan ayırmak için yeterli enerji varsa, elektron yüzeyden kopar.



Kuantum Fiziği


Bu kapsamda; enerjinin sürekli değil kesikli olma fikri fizikte yeni bir devrim yaratarak modern fiziğin başlamasına sebep oldu. Atomik skalada fizik, bizim sandığımızdan farklı işliyordu ve klasik fizik bunu açıklamaya uygun araç değildi. Bu sebeple 1900 yılından itibaren kuantum fiziği denilen yeni bir fizik alanı doğdu.


Bütün bu yeni gelişmelerin altında 1900 yılında başlayan fizikteki kuantum devrimi günümüzde de birçok alanda devam etmektedir. Kuantum bilgisayarlar, transistör teknolojisi, nanoteknoloji gibi birçok alan kuantum fiziğinin altında yatan temeller ile çalışmaktadır.


Kuantum Dolanıklık


Dolanıklık, kuantum dünyasına ait bir olgudur ve en kısa ifade ile iki parçacığın uzayda eşzamanlı olarak birbirlerini etkilemeleridir. Einstein determinist dünya görüşüne sahip bir bilim insanıydı. Determinist olmayan bu dolanıklık fikri onu çok rahatsız etti ve bu etkiye uzaktan tuhaf etki anlamına gelen «spooky action at a distance» ismini verdi.



Schrödinger'in kedisi


Schrödinger’in kedisi deneyi belki de kuantum fiziği ile ilgili popüler bilimde en çok yer alan deneylerden birisidir. Kuantum fiziğinin öncülerinden olan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’in aslında gerçek olmayan bir düşünce deneyidir. Bu deneyin asıl amacı kuantum dünyası ile gündelik yaşamımızda gerçekleşen olayların aynı olmadığını vurgulamaktır. Bu deneyle ilgili daha kapsamlı anlatımı “Schrödinger'in Aynı Anda Hayattayken Ölü Olan Kedisi” yazısında yaptık. 😉



Deney basit olarak; bir kedi bir kutu ve radyoaktif bir materyalden oluşur. Yarım saat sonra bozularak etrafa yayılacağı bilinen radyoaktif maddenin bulunduğu bir kutuya kedi kapatılır. Yarım saat geçtikten sonra klasik anlamda kedinin radyasyondan öldüğü bilinen bir gerçektir. Ancak kuantum açısında kedi, kutu açılmadığı yani gözlem yapılmadığı sürece ölü ve hayatta olduğu durumların olasılıklarını içeren bir dalga fonksiyonundadır. Kuantum fiziğinde ölçüm yapmak dalga fonksiyonunu olası durumlardan birisine çökertir. Yani bizim durumumuzda kutuya açtığımızda dalga fonksiyonunu bozarız ve kediyi ölü buluruz.


Schrödinger’in asıl amacı bunun ne kadar olamayacağını düşündürmekti aslında. O, bu deney ile atomik skaladaki kuantum dünyasında gerçekleşen olayların, bizim günlük yaşamımızdaki deneyimlerimizden ne kadar farklı olabileceğini göstermek istiyordu.



Çok yönlü bir bilim insanı olan E.Schrödinger aynı zamanda kuantum biyolojinin de temellerini atmıştır.


Kuantum Biyoloji


Kuantum fiziğinin öncülerinden Erwin Schrödinger’in fizik ve biyoloji disiplinlerini harmanlayarak kaleme aldığı, Yaşam Nedir? «What is Life?» adlı kitabında, kalıtım mekanizmasını istatistiksel açıdan yorumlamış ve mutasyonları kuantum fiziği açısından ele alarak kuantum biyolojinin temelini atmıştır. Kitabın yayımlandığı yıllarda henüz keşfedilmemiş olan DNA’nın keşfedilme sürecinde bu kitabın esin kaynağı olduğu söylenilmektedir.



Schrödinger kitabında periyodik olmayan kristallerden bahsetmiş ve bu kristallerin kimyasal bağlarında genetik bilgiyi taşıdıklarını öne sürmüştür. Ayrıca bu kristallerin, elektronların kuantum sıçraması yaparak oluştuğunu söylemiştir.


Kuantum Tünelleme ve Mutasyon


İnsan DNA’sında bulunan A-T ve G-S baz çiftlerinin DNA replikasyonu sırasında hidrojen atomlarının(protonların) kuantum sıçraması ile yer değiştirmesi sonucunda mutasyon meydana gelir.



Kuantum Dolanıklık ve Fotosentez


Biyolojide önemli süreçlerden birisi olan fotosentez, biyokütle oluşturmak için güneşten aldığı enerjiyi kullanır. Son 10 yıl içerisindeki deneyler kuantum dolanıklığın fotosentez sürecinin bir parçası olduğunu gösterdi.


Klorofil molekülü tarafından yakalanan fotonlar reaksiyon merkezine ulaşmak için bir yolu takip etmezler. Olası tüm yolların olasılıklarını içinde barından bir dalga fonksiyonu en kısa yolda çöker ve foton reaksiyon merkezine ulaşır.



Kuantum Biyoloji ve Göçmen Kuşlar


Türkçe ismiyle Kızılgerdan(European robin) olarak bilinen göçmen kuşlar her sonbaharda İskandinavya’dan Akdeniz’e doğru göç ederler. Bu kuşlar doğadaki başka bazı canlılar gibi Dünya’nın manyetik alanını kullanarak yönlerini bulurlar.


Wolfgang ve Roswitha Wiltschko 1972’de yayımladıkları makalede Kızılgerdan kuşunun bir şekilde Dünya’nın manyetik alanını kullandıklarını yaptıkları deney düzeneği ile gösterdiler.



Peki Nasıl Gerçekleşiyor ?


Öne çıkan teori Kızılgerdan kuşlarının yönlerini bulmalarında kuantum dolanıklığın bulunmasıydı. Bu teoriye göre Kızılgerdanların retinalarının altında kriptokrom adı verilen ışığa duyarlı özel bir protein bulunmaktadır.


Işık retinadan girip moleküldeki elektronu uyarınca, buradan sıçrayan elektronlar diğer kriptokrom molekülleri uyarıyor ve moleküller iyonize hale geliyor. Bunun sonucunda biri pozitif biri negatif iki kuantum dolanık elektron spini oluşuyor. Kuantum dolanık haldeki elektron spin çiftinden birisi yukarı yönde iken diğeri mutlaka tersi yönde olur.(süperpozisyon)


Elektron spinleri küçük pusula işlevinde bulunurlar. Bunun sonucunda ise radikalleşmiş spinler farklı manyetik alan büyüklükleri ve yönlerine farklı yönelim gösterirler. Böylece Kızılgerdan kuşları göç rotalarını kuantum biyoloji sayesinde gerçekleştirebilirler.









Son Yazılar

Hepsini Gör

Comentarios


bottom of page