ปริศนาควอนตัม เมื่อแบคทีเรียประพฤติพฤติกรรมเยี่ยงควอนตัม

โลกของควอนตัมนั้นเป็นโลกที่แสนจะประหลาด โลกของควอนตัมบนแผ่นกระดาษนั้นแตกต่างไปจากสิ่งที่พวกมันประพฤติตัวในโลกกความเป็นจริงยิ่งนัก จนสามารถเรียกความแปลกประหลาดเหล่านี้ได้ว่า “ความยุ่งเหยิง” อย่างแท้จริง

แมวของชโรดิงเจอร์ ซึ่งเป็นการทดลองทางความคิดของ Erwin Schrödinger คือหนึ่งในตัวอย่างการทดลองทางควอนตัมที่ได้รับการยอมรับสูงสุดและมีชื่อเสียงเป็นอย่างมาก (เพราะใคร ๆ ก็ชอบแมวยังไงละ) ที่ได้ออกแบบการทดลองโดยการวางแมวไว้ในกล่องปิดทับไม่สามารถเห็นภายในได้ กล่องหนึ่ง

ชโรดิงเจอร์ เจ้าของการทดลองในอุดมคติที่โด่งดัง ที่มา – Helmholtz Association

ภายในกล่องมีเครื่องไกร์เกอร์มิเตอร์ที่ค่อยวัดระดับรังสีที่ปล่อยออกมาจากแร่กัมมันตรังสี เมื่อเครื่องไกร์เกอร์มิเตอร์สามารถตรวจจับได้ว่าตัวก้อนกัมมันตรังสีนั้นปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมามันจะส่งสัญญาณไปทุบขวดแก้วที่เต็มไปด้วยแก๊สพิษภายในกล่องและส่งผลให้แมวตัวนั้นตาย อีกทั้งเราไม่สามารถเปิดกล่องใบนี้เพื่อเปิดดูได้ว่าแมวตัวนี้ตายหรือว่ายังมีชีวิตอยู่ แมวตัวนั้นจึงอยู่ในสภาวะกึ่งเป็นกึ่งตายที่เรียกว่า Quantum Superposition ซึ่งเป็นสภาวะที่แสนจะพัวพันจากการซ้อนทับกันของเหตุการณ์

นอกจากแมวในจินตนาการของเขาแล้ว ปรากฎการณ์ทางควอนตัมที่เราเรียนกันในสมัย ม.ปลาย ก็เช่น ปรากฎการณ์ double slit ที่แสดงพฤติกรรมเชิงควอนตัมของแสงที่เราสามารถสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจน ซึ่งสุดท้ายมันคือบทเรียนเรื่องการแทรกสอด หรือ Interference ที่เราได้เรียนกัน

พฤติกรรมของแสงที่พัวพันกับคุณสมบัติเชิงควอนตัมของมัน ในการทดลอง double slit ที่มา – Live Science

ซึ่งการทดลองอื่น ๆ นอกเหนือจากการทดลองในระดับอนุภาคหรือวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมแล้ว เรายังพยายามที่จะศึกษาการพัวพันทางควอนตัมในสิ่งมีชีวิตอีกด้วย เช่น เราตั้งสมมุติฐานว่าการที่นกสามารถบินอพยพกลับไปยังสถานที่เดิม ๆ ได้อย่างถูกต้องนั้นเป็นผลมากจากการพัวพันทางควอนตัม เป็นต้น ซึ่งนับครั้งไม่ถ้วน การทดลองทางควอนตัมกับเหล่าสิ่งมีชีวิตนั้นกลับล้มเหลวอยู่เสมอ

เมื่อแบคทีเรียพัวพันทางควอนตัม

เราแทบไม่ทราบเลยว่าขอบเขตของควอนตัมนั้นมีขนาดใหญ่เท่าใด แล้วใหญ่แค่ไหนจึงจะหลุดออกจากขอบเขตของควอนตัม เราไม่เคยเห็นดาวเคราะห์หรือแมวสักตัวอยู่ในสถานะที่เกิดการพัวพันทางควอนตัมในจักกรวาลนี้เลย แต่เรากลับเห็นการพัวพันทางควอนตัมในอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมอยู่เสมอ นักวิทยาศาสตร์ทางชีววิทยาควอนตัมพยายามที่จะหาคำตอบถึงการพัวพันทางควอนตัมในระดับของสิ่งมีชีวิต ตลอดการวิจัยหลายปีที่ผ่านมานั้น เราไม่เคยตรวจการขีดขวางหรือการพัวพันทางควอนตัมในระดับสิ่งมีชีวิตเลย

งานวิจัยใหม่ของมหาวิทยาลัยออกฟอร์ดกำลังสร้างความเปลี่ยนแปลงให้กับวงการชีววิทยาควอนตัมขนาดใหญ่เมื่อการทดลองในปี 2017 แบคทีเรียที่ใช้ในการทดลองได้เกิดการพัวพันทางควอนตัมจริง

รูป A ในช่องแรก เป็นภาพถ่าย Chlorobaculum tepidum (Cba. Tepidum) ที่ใช้ในการทดลอง ถ่ายโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

กราฟที่อยู่ด้านข้างคือเส้นกราฟแสดงการเปรียบเทียบของเส้นสเปกตรัมของการใช้สารละลาย trypan blue (TB)  0.4% (สีน้ำเงิน) และ สารละลาย Cba. tepidum ในน้ำ (สีเขียว) ส่วนด้างล่างคือภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของระบบที่ทดลองแสดงให้เห็นถึงการรวมกลุ่มของแบคทีเรียพวกที่สังเราะห์แสงได้(วงกลมสีเขียว) และกลุ่มที่สูญเสียสภาพสังเคราะห์แสง (วงกลมสีน้ำเงิน)

โดยการทดลองนี้ได้ใช้ Chlorobaculum tepidum (Cba. Tepidum) แบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงด้วยซัลเฟอร์ (การสังเคราะห์แสงไม่จำเป็นต้องสังเคราะห์แสงด้วยคาร์บอนไดออกไซด์เสมอไป) หลายร้อยตัวมาแบ่งออกเป็นสองฝั่งที่กั้นด้วยกระจกสองบานที่มีระยะห่างกว้างหลายร้อยนาโนเมตร (น้อยกว่าความกว้างของเส้นผม) โดยการสะท้อนแสงสีขาวระหว่างกระจกสองบานตามรูป นักวิจัยหวังที่จะทำให้โมเลกุลสังเคราะห์แสงภายในแบคทีเรียมีการจับคู่หรือโต้ตอบกับความจำเพาะของโฟตอนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสงภายในกระจก

โดยตามปกติของการสังเคราะห์แสง โฟตอนมิได้ถูกรงควัตถุภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตดูดซับไปเสียหมดทีเดียว มันจะดูดซับเฉพาะช่วงคลื่นที่ไม่ได้มีช่วงคลื่นใกล้เคียงกับสารรงควัตถุ และเมื่อมันไม่สามารถดูดซับคลื่นแสงในช่วงนั้นได้มันจึงสะท้อนแสงที่มีย่านความถี่ในช่วงนั้นออกมา และแบคทีเรียที่อยู่ใกล้เคียงที่เป็นสายพันธุ์เดียวกันนั้นก็จะรับโฟตอนที่มาจากการสะท้อนของรงควัตถุของเพื่อนมันและสะท้อนออกไปอีกครั้ง

การสังเคราะห์แสงของแบคทีเรีย ที่มา – Mohamed E El-Khoul

ซึ่งหมายความว่าแบคทีเรียจะมีการสะท้อนโฟตอนและดูดซับโฟตอนที่มาจากการสะท้อนอย่างต่อเนื่อง และดูดซับโฟตอนที่กระดอนกลับมาอีกครั้ง ซึ่งจากการทดลองได้มีแบคทีเรียเกิดการจับคู่ทางควอนตัมระหว่างตัวของมันกับแสงที่มาจากการสะท้อนของกระจกกันมากถึง 6 ตัว

นักวิจัยบางส่วนมีความเห็นว่าเจ้าพวกแบคทีเรียเหล่านี้มันไม่ได้เป็นเพียงแค่จับคู่ทางควอนตัมกับแสงเหล่านี้เท่านั้นแต่แบคทีเรียเหล่านี้มีกระบวนการเมตาบอลิซึม โดยมีพฤติกรรมเดียวกับแบคทีเรียที่กำลังมีการสังเคราะห์แสงและพัวพันกับแสงอยู่

นอกจากนี้แล้วแบคทีเรียที่อยู่ภายในระบบบางส่วนอาจจะสูญเสียโปรตีนในส่วนของการสังเคราะห์แสง ทำให้มันดูดกลืนแสงและไม่มีการสะท้อนออกของโฟตอนจากตัวของพวกมัน ทำให้เกิดการกีดกันและขัดขวางภายในระบบของแบคทีเรีย ซึ่งเมื่อนำข้อมูลของแบคทีเรียเหล่านี้มาวิเคราะห์ถึงปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นโดยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ทำให้เห็นถึงความยุ่งเหยิงของการเคลื่อนที่ของโฟตอนภายในระบบนิเวศที่ออกแบบไว้ ซึ่งเมื่อดูแล้วเหมือนกับระบบของควอนตัมที่ซับซ้อนไม่มีผิด

ความสำเร็จแรกของวงการชีววิทยาควอนตัมกับคำถามที่กำลังตามมา

Tristan Farrow ซึ่งเป็นผู้ร่วมเขียนการศึกษาของอ็อกซ์ฟอร์ดได้กล่าวว่า “นี่เป็นครั้งแรกที่ผลกระทบดังกล่าวได้รับการสังเกตในสิ่งมีชีวิต มันเปรียบเสมือนกุญแจดอกสำคัญสำหรับพวกเรา ถ้าจะหาไอเดียสำหรับการใช้งานเจ้าแบคทีเรียของชโรดิงเจอร์นี้”

ถึงแม้การทดลองนี้จะให้ผลออกมาอย่างน่าพึงพอใจและมีการตีพิมพ์บทความลงวารสารทางวิชาการอันทรงคุณค่าทั้งหลาย แต่ก็มีกลุ่มผู้ร่วมวิจัยไม่เห็นด้วยกับข้อสรุปของผลการทดลอง เนื่องด้วยปัจจัยหลายต่อหลายอย่าง

อย่างแรกคือการอธิบายผลการทดลองนั้นไม่สามารถใช้กับโฟตอนได้เพราะว่าโฟตอนนั้นไม่สามารถใช้สมการเคลื่อนที่แบบคลาสสิคในการอธิบายได้ ทำไมน่ะเหรอ เพราะโฟตอนมันเป็นทั้งอนุภาคและคลื่นได้ในเวลาเดียวกันส่งผลให้เมื่อโฟตอนอยู่ในรูปของคลื่นมันสามารถกระจายและแทรกสอดไปรอบ ๆ ได้ไม่เหมือนกับกาารเคลื่อนที่แบบคลาสสิคทั่ว ๆ ไป จึงไม่สามารถเอารูปแบบการเคลื่อนที่เช่นนั้นมาอธิบายการเคลื่อนที่ของโฟตอนภายในระบบที่มีเหล่าแบคทีเรียเหล่าอาศัยอยู่ได้

อีกทั้งข้อจุกจิกอีกมากมายไม่ว่าจะเป็นการวัดพลังงานรวมของโฟตอนกับแบคทีเรียที่ไม่เป็นไปตามอิสระ โดยปกติของการวัดในเชิงควอนตัมที่ละเอียดอ่อนนั้นจำเป็นต้องวัดในระบบอิสระที่แยกออกจากโลกภายนอกอย่างสมบูรณ์และตรวจวัดทั้งสองอย่าง อย่างเป็นอิสระต่อกัน ไม่ใช่อย่างการทดลองนี้

ซึ่งกลุ่มนักวิทยาศาสตร์อื่นที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับกลุ่มนักวิจัยกลุ่มนี้และนักวิจัยกลุ่มที่เห็นแย้ง ได้ออกมาให้ความเห็นกับกลุ่มที่เห็นแย้งว่า “กลุ่มคนเหล่านี้ไม่มีจินตนาการเอาเสียเลย”

ควอนตัมกำลังจะเข้ามาฉีกบทเรียนชีวะ

หากแบคทีเรียของชโรดิงเจอร์เหล่านี้ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องและได้รับยอมรับในระดับนานาชาติ มันจะทำลายระบบความรู้เกี่ยวกับชีววิทยาทั้งหมดที่มนุษย์สั่งสมมาอย่างนานแสนนาน

เมื่อกลศาสตร์ควอนตัมนั้นมาเกี่ยวเนื่องเชื่อมโยงกับวัฏจักรของสิ่งมีชีวิต ทฤษฎีวิวัฒนาการของชาร์ล ดาวินที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบันรวมไปถึงการส่งถ่าย Epigenetic ที่เรากำลังทำการศึกษาอยู่จะกลายเป็นเพียงอดีตในทันที เหล่าสิ่งมีชีวิตอาจกำลังใช้งานกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อแทรกแซงกระบวนการทางวิวัฒนาการ ให้พวกของตัวเองอยู่บนจุดสูงสุดของความสำเร็จทางชีววิทยา เมื่อสิ่งมีชีวิตสามารถนำกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้งานในการสืบทอดเผ่าพันธุ์หรือภายในระบบนิเวศน์ที่เรารู้จักและศึกษาถึงความสัมพันธ์อันแสนซับซ้อนอาจจะซับซ้อนเพิ่มขึ้นไปมากกว่าที่เราเคยศึกษา กลศาสตร์ควอนตัมอาจจะเข้ามาแทรกแซงกระบวนการทางนิเวศน์วิทยาทำให้สรรพสัตว์นั้นอาจจำเป็นต้องใช้หรือถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ด้วยกลศาสตร์ควอนตัม (ปวดหัวมั้ย คนเขียนปวดหัวมาก)

นึกภาพ Heisenberg กำลังเขียนตำราชีวะวิทยาดูสิ “ใครว่าชีวะคือวิชาท่องจำวะ” ที่มา – Bundesarchiv Bild

อย่างเช่นเจ้า Cba. Tepidum ที่นักวิจัยนำมาทดลองในการทดลองนี้ มันเป็นสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรตั้งแต่สมัยโบราณกาล ในโลกที่ปราศจากออกซิเจน เมื่อเข้าสู่ยุคที่โลกนั้นมีออกซิเจนขึ้นมา แบคทีเรียเหล่านี้ย่อมตายลงเพราะพวกมันไม่สามารถอยู่ในสภาวะที่มีออกซิเจนได้ เหล่าพวกที่เหลือรอดจำนวนหนึ่งจึงต้องดำลงไปอยู่ใต้มหาสมุทรเพื่อหลีกหนีจากออกซิเจนที่ละลายอยู่ภายในน้ำ เมื่ออยู่ใต้สมุทรที่ลึกเกินกว่าที่จะมีการละลายของออกซิเจน มันย่อมแปลว่าบริเวณนั้นเรียกได้ว่าแทบจะปราศจากแสงเลยทีเดียว เพื่อที่จะดำรงชีวิตของมันนั้น พวกมันจึงวิวัฒนาการโดยดึงความสามารถทางควอนตัมมาใช้งานเพื่อรอวันที่มีแสงสว่างส่องลงมาถึงพวกมันเมื่อใด เพียงตัวใดตัวหนึ่งที่สัมผัสแสง มันจะใช้ระบบสื่อสารผ่านทางกลศาสตร์ควอนตัมกับเพื่อนร่วมเผ่าพันธุ์ให้มารวมตัวกันสังเคราะห์แสงเพื่อให้ผลิตพลังงานและดำรงเผ่าพันธุ์ของมันให้อยู่ได้ต่อไป

“ชีวะไม่ใช่วิชาท่องจำ” จำไว้

 

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co 

อ้างอิง

Entanglement between living bacteria and quantized light witnessed by Rabi splitting – IOPscience

A Nanophotonic Structure Containing Living Photosynthetic Bacteria – Wiley Online Library





Must Know Topics