Du följer nu ämnet: STOCKHOLMS STAD (sparas i Mitt DN)
Vetenskap

Intrasslade elektroner kan hjälpa rödhaken hitta hem

Enligt det kvantmekaniska fenomen som kallas intrassling eller sammanflätning så skulle två elektroner inne i rödhakens öga tillsammans kunna vara känsliga för riktningen hos det jordmagnetiska fältet och därmed kunna fungera som en kompass.
Enligt det kvantmekaniska fenomen som kallas intrassling eller sammanflätning så skulle två elektroner inne i rödhakens öga tillsammans kunna vara känsliga för riktningen hos det jordmagnetiska fältet och därmed kunna fungera som en kompass. Other: IBL

Kvantmekanikens allra märkligaste fenomen kan kanske förklara fotosyntesen, luktsinnet och hur rödhakar och andra flyttfåglar navigerar med hjälp av jordens magnetfält.

Naturen kan vara märkligare än vi anar. När gröna växter skapar syre och näring av koldioxid, vatten och solljus verkar ljuspartikeln, fotonen, förflytta sig från ett ställe till ett annat i klorofyllmolekylerna längs alla möjliga vägar samtidigt.

Inne i rödhakens öga kan det finnas två elektroner som hänger ihop och hela tiden känner av den andra, trots att de ligger långt ifrån varandra. Kanske är det så som rödhaken ser jordens magnetfält, och kunde hitta rätt när den kom hit till Skandinavien och norra Ryssland från Sydeuropa och Nordafrika tidigare i våras.

– För oss fysiker och kemister är fenomenen märkliga, men vi känner väl till dem från partikelvärlden. För biologer är detta något helt nytt, och okänt, säger Jim Al-Khalili.

Han är professor i teoretisk kärnfysik vid University of Surrey i England. För 20 år sedan höll molekylärbiologen Johnjoe McFadden från samma universitet ett föredrag på fysikinstitutionen.

Foto:

– Han hade några idéer om att kvantmekanik kan vara viktigt även för biologin. De flesta av mina kollegor trodde inte på det, och ansåg att han var tokig. Men jag tyckte att det lät intressant, säger Jim Al-Khalili.

De båda forskarna började samarbeta.

– Det var mest som en hobby, som vi inte tog så allvarligt. Jag hade ju min forskning, och han hade sin. Vi gjorde det för att ha lite roligt, säger Jim Al-Khalili.

Men för sju, åtta år sedan började det komma fler och fler seriösa studier med mycket spännande resultat, och de två forskarna insåg att kvantbiologi var ett växande och viktigt forskningsområde. Tillsammans har de nu skrivit en populärvetenskaplig bok, ”Kvantbiologi: vetenskapens frontlinjer”, för att förklara vad det handlar om.

Kvantmekaniken beskriver hur materians minsta partiklar beter sig. Det är en teori som fungerar väl, samtidigt som den verkar strida mot hur vi är vana att se på världen. En partikel kan vara på flera ställen samtidigt, och bete sig både som en våg och som en partikel. Om vi inte undersöker den kan den också ha flera motsatta egenskaper, som i ett berömt tankeexperiment av den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger, där en katt instängd i en låda är både levande och död så länge vi inte öppnar lådan och tittar efter.

Jim Al-Khalili har skrivit flera populärvetenskapliga böcker om kvantmekanik, bland annat ”Quantum: a guide for the perplexed”, ungefär ”Kvantmekanik: en vägledning för förvirrade”. Inspirationen till titeln kommer från boken ”Vägledning för de villrådiga” av den judiske 1100-talsfilosofen och rabbinen Moses Maimonides.

– Jag gillade det, eftersom kvantmekaniken gör människor förvirrade. Men jag brukar alltid säga att jag inte kan lova att man blir mindre förvirrad av att läsa boken. Men kanske börjar man förstå varför man är förvirrad, säger Jim Al-Khalili.

Det är rimligt att tro att kvantmekaniska effekter även påverkar biologiska processer, men hittills har biologer inte behövt bekymra sig om det.

– Enligt min uppfattning har biologerna inte ägnat tillräcklig uppmärksamhet åt detta. Det beror främst på att de aldrig har behövt lära sig kvantmekanik, säger Jim Al-Khalili.

Om kvantmekaniken kan erbjuda fördelar föreställer jag mig att naturen har använt det tricket.

När kvantmekaniken utvecklades under 1900-talets första decennier upptäckte fysiker och kemister hur viktig och användbar teorin är för att förklara materians innersta. Under samma period hände mycket även inom biologin, med den snabba utvecklingen av genetik och molekylärbiologi, som fungerade bra utan kvantmekanik.

– Nu är många biologer ovilliga att gå med på att även de behöver lära sig kvantmekanik. De tycker att det är matematiskt och komplicerat, och onödigt. Vi behöver övertyga dem om att de kan behöva överväga en del av de här idéerna, säger Jim Al-Khalili.

Även fysiker och kemister kan dra sig för att ägna sig åt kvantbiologi, menar han.

– Många är ovilliga eftersom de tror att biologi är kladdigt, rörigt och komplicerat. De är vana vid att kunna styra sina experiment i fysik- och kemilabbet. Men hur kan vi styra ett experiment inne i rödhakens öga?

Ända sedan 1970-talet har det varit känt att flyttfåglar kan läsa av mycket små variationer i jordens magnetfält när de navigerar.

– Men vi förstår fortfarande inte hur det går till. Var sitter rödhakens inre kompass? Hur känner den magnetfältet? frågar Jim Al-Khalili.

För sex år sedan publicerades en artikel i tidskriften Physical review letters med en möjlig förklaring. Fågeln kan utnyttja det märkliga kvantmekaniska fenomen som kallas intrassling eller sammanflätning. Om två elektroner är sammanflätade kommer den ena alltid att veta vad som händer den andra i samma stund som det sker, oavsett hur långt ifrån varandra de befinner sig.

– Detta är så märkligt att till och med Einstein ogillade det väldigt mycket. Han kallade det spöklik avståndsverkan. Om till och med Einstein tyckte att det var ett konstigt fenomen, då är det verkligen underligt, säger Jim Al-Khalili.

Fysikexperiment har visat att intrassling verkligen existerar, och fenomenet är en förutsättning för att kvantdatorer ska kunna fungera. Men det var mycket oväntat att någon skulle föreslå att rödhaken använder intrassling för att hitta hem, menar Jim Al-Khalili. De två elektronerna finns, enligt forskarna bakom teorin, i en ljuskänslig molekyl inne i rödhakens öga, och blir tillsammans känsliga för riktningen hos det jordmagnetiska fältet.

– Om teorin stämmer, och de märkligaste egenskaperna från partikelvärlden används inne i ett levande system för att känna magnetfältet, så är det en helt underbar historia. Men vi behöver ett sätt att testa det experimentellt. Det är den svåra biten, säger Jim Al-Khalili.

I sin egen forskning vill Jim Al-Khalili ta reda på om kvantmekanik kan ha något att göra med hur mutationer i dna uppkommer. Andra forskare har visat att kvantmekaniska fenomen kan förklara fotosyntesen eller hur luktsinnet fungerar.

– Livet har haft miljontals år på sig. Om kvantmekaniken kan erbjuda fördelar föreställer jag mig att naturen har använt det tricket. Och vi behöver få veta vilka tricken är. De skulle kunna vara mycket användbara för oss, säger han.

Kvantbiologin är av nödvändighet ett tvärvetenskapligt fält.

– Fysikerna och biologerna kan inte arbeta var för sig med de här frågorna. Vi måste prata med varandra. Och det är en utmaning, eftersom vi talar olika språk, och forskar på helt olika sätt.

Så här jobbar DN med kvalitetsjournalistik: uppgifter som publiceras ska vara sanna och relevanta. Rykten räcker inte. Vi strävar efter förstahandskällor och att vara på plats där det händer. Trovärdighet och opartiskhet är centrala värden för vår nyhetsjournalistik. Läs mer här.