Evolueren wij dankzij kwantumtunneling?
Kwantummechanische verschijnselen, zoals kwantumtunneling, hebben invloed op het leven. Deeltjes kunnen door energiebarrieres heen. Protonen kunnen van de ene helft van de dubbele helix naar de andere helft springen. Zo zorgt kwantumtunneling voor mutaties en evolutie.
Het boek ‘Hoe leven ontstaat‘ is nog steeds een van de indrukwekkendste boeken die ik ooit gelezen heb. Niet alleen de fascinerende wereld van kwantummechanica die de schrijvers Al-Khalili en Macfadden beschrijven hebben mijn beeld van de wereld veranderd, maar ook de invloed die het heeft op het leven is uiterst interessant. Zonder kwantummechanica zou leven misschien niet eens ontstaan zijn. We zouden zelfs niet eens muteren. Zonder kwantummechanica dus geen evolutie?
Kwantumbiologie
De kwantumbiologie onderzoekt of de subatomaire wereld van de kwantummechanica een rol speelt in levende cellen. Kwantummechanische verschijnselen zoals tunnelen, coherentie, superpositie en verstrengeling zorgen voor belangrijke biologische processen. Het leven is in eerste instantie zelfs daardoor ontstaan. Dankzij de kwantummechanica kunnen vogels, insecten en vissen navigeren, bestaat fotosynthese en ontstaan mutaties (en dus evolutie). ”Genen zijn te klein om niet de invloed van de kwantumregels te ondergaan”, schrijft Al-Khalili in zijn boek.
kwantumtunneling
Al-Khalili is natuurkundige en heeft nu met zijn onderzoeksgroep echt kunnen aantonen dat mutaties kunnen ontstaan door kwantumtunneling. Tunneling is een verschijnsel waarbij een deeltje door een energiebarriere (zoals een muur) heen kan terwijl het eigenlijk niet genoeg energie heeft. Neem als voorbeeld een bal die tegen een lage heuvel wordt opgeschopt. ”Om de top te bereiken en aan de andere kant naar beneden te rollen moet de schop hard genoeg zijn. Ook al is de schop niet hard genoeg kan een deeltje toch over de heuvel komen”,zo Al-Khalili. Dat kan dankzij de golfachtige aard van het deeltje.
Mutaties door kwantumtunneling
Dat kwantumtunneleffect is ook een oorzaak van mutaties in ons DNA. Waterstofatomen zijn de bindingen die de twee strengen van de dubbele helix van het DNA bij elkaar houden. Het onderzoeksteam ontdekte dat de protonen van die waterstofatomen, zich onder bepaalde omstandigheden kunnen gedragen als uitgespreide golven die op meerdere locaties tegelijk kunnen voorkomen, dankzij protontunneling. Het deeltje maakt soms een oversteek naar de andere streng en moet dan door een energie barrière heen. Dat leidt ertoe dat deze protonen zich af en toe op de verkeerde DNA-streng bevinden tijdens DNA replicaties, wat leidt tot mutaties.
Als het proton aan de ‘verkeerde’ kant van de helix zit tijdens de replicaties ontstaat er een zogenaamde tautomere vorm van een base A,T,C of G. Normaal bindt A altijd met T en C met G. De tautomere T kan echter een paar vormen met G, in plaats van met A. Tautomeren lijken dus een drijvende kracht te zijn achter mutaties, en dus achter evolutie.
“Velen hebben lang vermoed dat de kwantumwereld – die vreemd, contra-intuïtief en wonderbaarlijk is – een rol speelt in het leven zoals we dat kennen. Hoewel het idee dat iets op twee plaatsen tegelijk aanwezig kan zijn voor velen van ons misschien absurd is, gebeurt dit de hele tijd in de kwantumwereld, en onze studie bevestigt dat kwantumtunneling ook plaatsvindt in DNA bij kamertemperatuur”, zo Dr. Marco Sacchi, de projectleider van het onderzoek.
Bron: Wetenschappelijk artikel en boek:
