- Eksperyment zajął 2,5 tygodnia. Było kilka takich doświadczeń, każdy z pojedynczym organizmem, przy czym tylko jeden raz udało się przywrócić niesporczaka do stanu aktywnego. Kluczowe jest delikatne ochłodzenie i potem ocieplanie niesporczaka. Mamy do czynienia z ogromną zmianą temperatury i ogromną zmianą ciśnień - wyjaśnia dr hab. Tomasz Paterek z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego, który brał udział w międzynarodowych badaniach nad splątaniem kwantowym niesporczaka.
tak, to fascynująca dziedzina wiedzy
41%
tak, chociaż muszę jeszcze dużo poczytać
25%
nie, ale chciał(a)bym zacząć się zagłębiać
13%
nie, zupełnie mnie to nie interesuje
21%
Kilka miesięcy temu nagłówki portali popularnonaukowych skupiły się na doniesieniach międzynarodowej grupy naukowców informującej o tym, że niewielki organizm - niesporczak przeżył splątanie kwantowe. Pan również brał udział w eksperymencie, jednak zanim przejdziemy do samej fizyki kwantowej, chciałbym zapytać, dlaczego akurat niesporczak?Dr hab. Tomasz Paterek: - Aby mieć szansę przetrwania w warunkach, w których typowo obserwujemy zjawiska kwantowe (bardzo zimno i wysoka próżnia) potrzeba naprawdę wyjątkowego organizmu. O tym, że niesporczaki mają wyjątkowe cechy związane z ich wytrzymałością, wiemy od dawna. W 2007 r. wysłano je w przestrzeń kosmiczną na niską orbitę okołoziemską i okazało się, że te niewielkie organizmy wielokomórkowe przetrwały w próżni. (Ten sam eksperyment pokazał, że zabójcze okazało się promieniowanie kosmiczne.) W 2019 r. niesporczaki wysłano z kolei na Księżyc na pokładzie izraelskiego lądownika - pojazd rozbił się i niestety nie wiemy jak mają się księżycowe niesporczaki. Naukowcy na Ziemi próbowali symulować tę sytuację, aby zbadać możliwości ich przeżycia.
Wracając do pytania - niesporczaki to złożone, wielokomórkowe organizmy - mają osiem nóg, żyją w wodzie, żywią się m. in. mchami. Ich trik polega na tym, że w niesprzyjających warunkach zwijają swój organizm do formy przetrwalnikowej i ograniczają metabolizm do absolutnego minimum. Naukowcom udało się przywrócić do życia niesporczaka, który był w tym stanie przetrwalnikowym przez 120 lat. Innym badaczom udało się ożywić niesporczaki zamrożone przez 30 lat na Antarktydzie. Morał z tego jest taki, że organizmy są czułe na promieniowanie, natomiast dzięki zamknięciu nie mają większych problemów z bardzo niskimi temperaturami i bardzo niskimi ciśnieniami.
Czytaj też:
Rzeźba odkrywa świat kwantów
Dlaczego fizyk zaczyna interesować się organizmami?Na co dzień zajmuję się mechaniką kwantową i od mniej więcej 10 lat patrzę na możliwość kwantowych efektów u zwierząt. Ta dziedzina nauki nazywa się kwantową biologią. Interesuje mnie np. magnetorecepcja. Jak to się dzieje, że zwierzęta czują pole magnetyczne ziemi? Np. rudziki wykorzystują tę informację podczas wędrówek. W organizmach wielu ptaków znaleziono materiały magnetyczne, można więc domniemywać, że magnetyczne wrażenia zmysłowe pochodzą przynajmniej po części od obrotów małych igieł magnetycznych (fizyka pokazuje, że nawet magnetyczne nanocząsteczki są w stanie zachowywać się jak kompasy w polu magnetycznym ziemi i spokojnie zmieszczą się w komórce). Jednak wątpliwe jest, by wyłącznie nano-kompasy odpowiadały za zmysł magnetyczny. Doświadczenia z rudzikami pokazują, że zmysł magnetyczny zależy również od światła! W ciemności i w świetle czerwonym ptaki się dezorientują. Sugeruje to, że potrzebna jest minimalna energia, żeby wzbudzić tę aktywność. To mnie zainteresowało i zajmuje do dziś.
A niesporczaki?Jeśli chodzi o niesporczaki, dobrze jest zacząć od pewnego doświadczenia z bakteriami z dna wód, które wykształciły światłoczułe anteny - życie tych bakterii zależy bowiem wręcz od pojedynczych fotonów. Naukowcy pokazali, że jeśli umieścimy bakterie w mikroskopowej wnęce, obserwujemy silne oddziaływanie między światłem a antenami bakterii. W pewnych modelach to silne oddziaływanie przekłada się na kwantowe splątanie. W mechanice kwantowej obiekty eksplorują jednocześnie kilka alternatywnych rzeczywistości. Jeśli takie eksplorowanie dotyczy kilku cząstek mówimy o kwantowym splątaniu. W tym wypadku ilość fotonów jest splątana z oscylacjami ładunków elektrycznych w antenach bakterii. Np. dwa fotony powodują, że ładunek oscyluje w jeden sposób, a 10 fotonów, że ładunek oscyluje w inny sposób i te dwie możliwości są eksplorowane naraz. Wykazano również, że podczas doświadczenia bakterie były żywe, co sprawdzono poprzez zastosowanie substancji wnikającej tylko do martwych komórek.
Możliwość obserwacji typowo kwantowych efektów w organizmie żywym jest fascynująca, jednakże światło użyte w tym doświadczeniu nie miało znamion kwantowych, a więc i cały przedstawiony model można zakwestionować. W naszym eksperymencie chcieliśmy użyć układu, który niewątpliwie jest kwantowy i przy okazji wykorzystać organizm znacznie bardziej złożony, wielokomórkowy. Wybór naturalnie padł na niesporczaka.
Mówimy o wprowadzeniu organizmu żywego do miejsca z bardzo niskim ciśnieniem i temperaturą. Czy to nie wymaga nadzwyczajnych środków? Skąd wiadomo, że mamy do czynienia z mechaniką kwantową?Najprostszy układ niewątpliwie kwantowy to tak zwany kwantowy bit. Moi koledzy z Singapuru dysponują laboratorium i urządzeniami, które dają możliwości wytworzenia, kontroli i analizy kwantowych bitów. W ich przypadku jest to układ elektryczny składający się z kondensatora i odpowiednio dobranej indukcyjności. Okazuje się, że do opisu urządzenia w niskiej temperaturze (10 milikelwinów) i niskim ciśnieniu (miliard-krotnie niższym od atmosferycznego) wystarczają dwa poziomy energetyczne ("0" i "1") i doświadczalnicy potrafią przygotować jednoczesną eksplorację poziomów "0" i 1". Jedyny sposób wytłumaczenia zachowania takiego układu to sposób kwantowy. Intuicyjnie można myśleć, że poziom "0" odpowiada nienaładowanemu kondensatorowi, a poziom "1" odpowiada ładunkowi elektrycznemu, który oscyluje w układzie. Kwanty wchodzą w momencie jednoczesnej eksploracji tych dwóch możliwości.
Co działo się dokładnie z biednym niesporczakiem?Niesporczak w formie przetrwalnikowej został umieszczony pomiędzy okładkami kondensatora jednego (górnego) z dwóch kubitów (typowy żargon kwantowy na określenie kwantowego bitu). W eksperymencie nie mamy dostępu do samego niesporczaka, ale kwantowy bit ma pewną szczególną częstość z jaką oscyluje i tę wielkość możemy zmierzyć. Przed umieszczeniem organizmu częstości obu kubitów zostały scharakteryzowane i po wprowadzeniu niesporczaka, zmierzyliśmy częstość łącznego układu górnego i osobno kubitu dolnego. Okazało się, że częstość układu górnego zmalała, zaś kubitu dolnego nie zmieniła się. Świadczy to o oddziaływaniu między niesporczakiem a kubitem. Na tym etapie nie mówimy jeszcze o splątaniu - opisane oddziaływanie nie musi wymagać jednoczesnej eksploracji różnych możliwości. De facto już Faraday pokazał, że w substancjach umieszczonych w polu elektrycznym indukują się ładunku elektryczne, co wpływa na własności kondensatora i w efekcie przekłada się na obserwowaną zmianę częstości.
Drugi etap doświadczenia polegał na użyciu odpowiedniej sekwencji mikrofal, które splątują dolny kubit z układem górnym, a więc z górnym kubitem oraz niesporczakiem. Ta sekwencja jest tak dobrana, by stany obu kubitów były różne. Mamy teraz do czynienia z eksploracją następujących możliwości. Kiedy dolny kubit jest w stanie "1", górny jest w stanie "0", jego kondensator jest nienaładowany i w niesporczaku nie indukują się ładunki elektryczne. Ta możliwość zachodzi jednocześnie z sytuacją, w której dolny kubit jest w stanie "0", górny w stanie "1", jego ładunek elektryczny wytwarza pole, które indukuje ładunki w niesporczaku.
Organizm przeżył?Eksperyment zajął 2,5 tygodnia. Było kilka takich doświadczeń, każdy z pojedynczym organizmem, przy czym tylko jeden raz udało się przywrócić niesporczaka do stanu aktywnego. Kluczowe jest delikatne ochłodzenie i potem ocieplanie niesporczaka. Mamy do czynienia z ogromną zmianą temperatury i ogromną zmianą ciśnień.
Czy ten niesporczak był żywy podczas eksperymentu, a więc podczas splątania kwantowego?To jest kluczowe pytanie, na które odpowiedź zależy od naszej definicji czym jest życie. Kiedy zastanawialiśmy się nad nim jako fizycy, przyszedł nam do głowy argument bazujący na ciągłości życia. Wydaje się, że jeśli dorosły osobnik jest żywy dziś, to również był żywy wczoraj i dwa i pół tygodnia temu. Ciągłość życia pokazuje wobec tego, że zwierzę było żywe w trakcie splątania. Oczywiście dyskutowaliśmy również z biologami kwestię definicji życia i pojawiły się dwa główne nurty. W pierwszym organizm jest żywy, jeśli jest aktywny metabolicznie - z tej perspektywy zwierzę w eksperymencie nie było więc żywe. Co więcej, doświadczenie to pokazuje (poprzez tak długą ekspozycję na praktycznie zero absolutne), że stan przetrwalnikowy jest niemetaboliczny. Druga definicja życia opiera się na argumentach ewolucyjnych - coś jest żywe, jeśli może wytworzyć następne pokolenia. Nasz wybudzony niesporczak zachowywał się normalnie i najprawdopodobniej byłby do tego zdolny.
Mam nadzieję na następne doświadczenia tego typu. Idealnie byłoby zmierzyć niesporczaka zupełnie niezależnie od kubitu lub pomyśleć nad układami, w których podczas splątania zwierzę jest metabolicznie aktywne. Wszystko przed nami.
Portal trojmiasto.pl nie ponosi odpowiedzialności za treść opinii. 
Filmy