megjelent: KAPU, 2007.05.

Biológia a kvantumszint mögött

A természettörvények létünk legszemélyesebb alapjai

Az ember elsősorban természeti lény. Ha nem lennénk élőlények, ha nem lennénk emberek, nem létezhetnénk egyénként sem. Az általánosabb lét az alapja a konkrétabb létnek, az egyetemes egész nemcsak az alapja, hanem a kiindulópontja is a résznek. A lét az általánosabból halad a konkrétabb felé. Egyéni létünket meg kellett hogy előzze az emberiség léte, az emberiség létét az élővilág léte, a földi élővilág létét a kozmikus világ léte. Ahogy a csillagvilág nélkül nem létezhetne a Föld, úgy nem létezhet az ember az élővilág nélkül, és úgy nem létezhet az egyén az emberiség nélkül. Végső soron, legalapvetőbb mivoltában tehát az ember kozmikus lény, természeti lény. Személyes közünk van a természeti erőkhöz. És akkor személyes közünk van a fizikai és a biológiai erőkhöz is! Érdemes megérteni, hogyan képzelhető el a lehető legszemélyesebb, legemberibb kapcsolat a fizikai és a biológiai erőkkel!

A KAPU előző számában megvilágítottuk, hogy az összes fizikai törvény egyetlen mélyebb szintű törvényre, a hatáselvre (régebbi nevén: a legkisebb hatás elve) vezethető vissza. A legkisebb hatás elve nemcsak összefoglalja az összes alapvető fizikai törvényt, hanem lényeges többletet is tartalmaz hozzájuk képest. A fizikai törvények szokásos alakjukban (differenciál-egyenletek, vagyis különbségekre vonatkozó egyenletek formájában) ugyanis pontról-pontra történő változásokat írnak le időben és térben egyaránt, vagyis a szomszédos időbeli és térbeli tartományok közötti változásokat írják le. A hatáselv viszont integrális, azaz magyarul: átfogó, vagyis a kezdeti és a végállapot közötti időszak egészére vonatkozó kijelentést tesz: az összes lehetséges eset közül a természetben az valósul meg, amelyre a hatás az adott folyamat kezdeti és a végső állapota között szélsőértéket (rendszerint minimum vagy esetleg maximum) vesz fel. A hatáselv tehát képes áttekinteni a helyzetet a tényleges kezdeti állapot és a folyamat majdani végállapota között. Ez az áttekintő-képesség páratlan a fizikában, viszont nélkülözhetetlen feltétele az élőlények egységes szervezettségének. Ismerős az emberi öntudat számára is: hiszen az emberi tudat csak akkor képes értelmesen mérlegelni, ha először áttekinti a helyzetet, mint egy hadvezér a dombtetőről. De hogy kerülhet bármiféle öntudat, bármiféle hadvezér – a fizikába?

Egy ilyen kérdés a legtöbb fizikus számára, akik elsősorban gyakorlati problémákat akarnak megoldani, zavaró lehet, és ezért elkerülik. De sok tudósnak nem kerüli el a figyelmét, hogy a legalapvetőbb kérdések vizsgálata milyen gyakran gyakorol termékenyítő hatást a tudomány fejlődésére. Mi pedig itt most elsősorban éppen a legszemélyesebb kapcsolatot keressük Ember és Természet, az Ember és a természeti erők között – és a fizikai erők kétségkívül a természeti erők szembetűnő, sőt, viszonylag legjobban ismert megnyilvánulásai. És még itt, az embertől látszólag olyan távoli birodalomban is felmerül a kérdés: honnan tudják a fizikai testek, hogyan kell mozogniuk? Honnan tudja a leeső kő, hogyan kell esnie? Honnan tudja a szél, hogyan kell fújnia?

A modern fizikának sikerült választ adnia arra az alapvető kérdésre, hogy honnan tudják a fizikai testek, hogyan kell mozogniuk. A klasszikus fizika hatás-elve a kvantumfizikában kapott mélyebb magyarázatot, Richard Feynman (A „Mai fizika” című világszerte ismert fizikai kézikönyv-sorozat szerzője, Nobel-díjas fizikus) út-integrál elméletével. Feynman ugyanis rájött, hogy a hatáselv az egyes kvantumok szintjén jelentkezik először, és a klasszikus, kézzelfogható fizikai testek viselkedése saját részecskéik viselkedéséből következik. Az egyes kvantumok viszont látszólag nagyon különösen viselkednek.

A kétrés-kísérlet

 A huszadik század elején a fény természetére vonatkozóan két elmélet is létezett. A tűsugárzás-elmélet szerint a fény egyenes vonalban terjed. Másrészt a fény gyakran hullámként viselkedik. Akármilyen kis lyukon halad is át, mégis bevilágítja szinte az egész mögöttes teret. A fénysugarak találkozásakor fellépő interferencia-jelenségek vizsgálata megerősítette a fény hullámtermészetét. A legmeglepőbb jelenséget akkor fedezték fel, amikor két parányi, lyuk-szerű rést állítottak egy olyan fényforrás elé, amely annyira gyenge fényű volt, hogy csak egyenként bocsátotta ki magából a fotonokat. A lyukakon áthaladó fény képét egy fényérzékeny ernyőn fogták fel. Kimutatták, hogy az egyetlen foton, bármelyik lyukon halad is át, valahogy tudomást szerez arról, nyitva van-e a másik rés, mert ettől függően változik a lyukak mögötti ernyőn kialakuló interferencia-kép (azaz a fényhullámok és hullámvölgyek jellegzetes, csíkos mintázata). Az egyetlen foton ugyanis hol itt, hol ott csapódik be az ernyőn. Hogy pontosan mikor, hova, azt a fizika nem tudja megmondani, de hogy nagy átlagban hogyan oszlik el, azt fizikai rendszerekben igen – a fizikai mérések szerint ugyanis jellegzetesen sűrűsödő-ritkuló mintázatot, un. interferencia-képet alkot. A fény kettős természetű, részecske (foton) és hullámtermészetű egyszerre, de úgy, hogy mielőtt részecskeként észlelhető lenne, hullám-természete révén tájékozódik, mi a helyzet, érzékeli az egész berendezést. Azóta különböző részletesebb és cselesebb kísérletekkel azt is kimutatták, hogy ez a tájékozódó képesség kiterjedhet az egész világegyetemre, vagyis nyilvánvalóan végtelen gyors kell legyen. Végtelen gyors viszont fizikai folyamat nem lehet, ezt tiltja a relativitás elmélete. Ezért virtuális (látszólagos) hatásról beszélnek, és azt mondják, olyan, „mintha” a foton „tudná”, mi a helyzet a kísérleti berendezés egészében, illetve az egész világegyetemben.

Tudat fénye az atomok világának mélyén

Csakhogy a fotonok viselkedését leíró elmélet (a kvantumelektrodinamika) az egész modern fizika legpontosabb elmélete, minden esetben sok tizedes-jegy pontosan sikerült igazolni. Értelmezésemben ez azt jelenti, hogy a fotonok nemcsak „úgy viselkednek”, „mintha” „tudnák”, „mi a helyzet” a kísérleti berendezésben vagy a világegyetemben, hanem valóban tudják is! Ha a kopernikuszi rendszer pontosabb, mint elődje, a ptolemaioszi, az nemcsak azt jelenti, hogy „olyan, mintha a Föld forogna a Nap körül, és nem fordítva” – hanem valóban azt, hogy a Föld forog a Nap körül! Ha a baktériumok szappannal történő lemosása nőgyógyászati műtét előtt minden esetben segíti a fertőzések csökkenését, az nem azt jelenti, hogy „olyan, mintha” „segítene”, hanem valóban ez a helyzet! Az elemi részecskék tehát valóban rendelkeznek egyfajta elemi tudattal, hiszen nemcsak látszólag, hanem a valóságos gyakorlatban is ennek megfelelően viselkednek, vagyis ok-okozati összefüggés áll fenn. Feynman kimutatta, hogy az egész kvantumfizika ezen a hatás-elven alapszik. Ma már az egész modern fizikát a hatás-elvből vezetik le, és világszerte így tanítják az egyetemek. A hatás-elvnek a 21. században egyre nagyobb jelentőséget tulajdonítanak. Igazi jelentőségét azonban akkor fogják felfogni, ha komolyan veszik a mögötte meghúzódó különös tájékozódó-képességet éppúgy, mint a hatáselv átfogó, egységessé szervező természetét; azt, amiben ez az elv több, mint a differenciális (különbségi) természettörvények.

A fény az élőlényekben az élet hordozója

Igen ám, de azt is kimutatták a fizikusok, hogy a fizikai rendszerekben a kvantumok viselkedése nemcsak a berendezés beállításai által adott viszonyoknak felel meg, hanem véletlenszerű, statisztikus törvényeknek is engedelmeskedik. Ezért a kvantummechanika megszületése óta általánosan elfogadott, hogy a kvantumok „határozatlanok”, „véletlenszerű viselkedésűek”, és ennek a véletlenszerű viselkedésnek nincs semmiféle konkrét fizikai oka. Csakhogy a fizikai rendszerek éppen attól fizikaiak, hogy olyan részekből állnak, amelyekben az elemi részek mozgása egymástól független, már csak a hőmozgás miatt is. Ha pedig ez így van, akkor a fizikában kimutatott véletlenszerűség nem áll kívül az okság egyetemes törvényén, hanem éppen fordítva: ennek alapján érthető meg! A fizikai rendszerekben mikroszkopikus szinten uralkodó kaotikus viszonyokat éppúgy érzékelhetik a fotonok, mint a kétrés-kísérletben; és ha ezek véletlenszerűek, akkor az őket érzékelő foton viselkedése is véletlenszerű lesz! A kvantummechanikát a legtöbb fizikus a mai napig nem érti. De nem is lehet megérteni, ha elvetjük az okság törvényét! Ahhoz, hogy a kvantumfizikát meg tudjuk érteni, ismét el kell fogadni az okság egyetemes érvényét! A fizikai kísérletekben kimért véletlenszerűségnek oka van, és ez az ok éppen a fizikai rendszerek alaptermészetében, termodinamikailag véletlenszerű természetében gyökerezik! Csakhogy ebből egyáltalán nem következik, hogy az élő szervezetekben is ugyanilyen véletlenszerűen viselkedjenek a kvantumok!

Ha az okság törvénye egyetemesen érvényes, és ha a sokszorosan beigazolt virtuális tájékozódás valóban létezik a fizikai rendszerekben, akkor működhet a biológiai szervezetekben is. A biológiai szervezetekben az elemi részecskék viselkedése már nem független egymástól. Szent-Györgyi Albert „Az anyag élő állapota” (1983, Gyorsuló idő) című alapvető munkájának 80. oldalán azt írja: „A sejt egységes rendszer, tehát bármely alkotórészének megváltozása a többi megváltozását vonja maga után”. Vagyis a foton viselkedése egy élő szervezetben nem feltétlenül véletlenszerű, hiszen az elemi részek nem függetlenek egymástól! És ha a foton képes az egész világegyetemben egy pillanat alatt tájékozódni, és a helyzetnek megfelelően viselkedni, akkor az élő szervezet egészét is képes lehet átlátni egy pillanat alatt, és képes lehet ennek megfelelően viselkedni! Az élő szervezetben a fény tehát az életet segítő szerepet játszhat!

Figyelembe kell venni ugyanis, hogy az élő szervezet több, mint fizikai alkotórészeinek adott, egységes elrendezése. Az élő szervezet lényege abban áll, hogy önálló munkát végez a fizikai egyensúly beállása ellen, ezzel biztosítva életképessége fennmaradását (Bauer Ervin: Elméleti biológia. Akadémiai Kiadó, 1967). Ezt az önálló munkavégzést egy olyan természeti törvény biztosítja, ami a szervezet egészére vonatkozó fizikai tulajdonságok közül egyetlenegyre vonatkozik, és a környezettel való fizikai egyensúlyhoz viszonyított, biológiai célokra felhasználható energiatöbblet, azaz röviden: szabadenergia. Az élet legfőbb törvénye, hogy az életenergiát minél hosszabb időszakon át a lehető legmagasabb érték felé hajtsa. Vagyis itt egyáltalán nem valamiféle megfoghatatlan, misztikus életerőről van szó. Az élethez szükséges szabadenergiát a biológiai termodinamikában Gibbs szabadenergiának nevezik (Lásd pl. Haynie, D. T. 2001, Biological Thermodynamics, 75).

A biológiának is léteznek törvényei

Nyilvánvaló, hogy az élő szervezet egészét jellemző Gibbs szabadenergia a fizikai hatások következtében folyamatosan csökken. A fizika törvényei az élő szervezetre is érvényesek: a szervezetben a hőmérséklet kiegyenlítődik, a szervezetből hő távozik. A fizikai folyamatok éppen azok, amelyekben a Gibbs szabadenergia csökken (ezek az exergonikus folyamatok, amelyekben energia szabadul fel; lásd pl. Gergely Pál - Erdődi Ferenc- Vereb György: Általános és bioszervetlen kémia, 2000, Semmelweis Kiadó, 166. oldal). Ha a fizikai törvények irányítanák az élő szervezet működését, a Gibbs szabadenergia folyamatosan csökkenne, és pár percen belül a szervezet kijutna az élethez szükséges feltételek zónájából. Mivel azonban a szervezet nemcsak pár percig, hanem sokmillió percig képes fennmaradni, nyilvánvaló, hogy benne a fizikai folyamatokkal ellentétes irányú, endergonikus folyamatok lényegében ugyanolyan mértékben zajlanak le, mint a fizikai, exergonikus, a szervezetet lebontó folyamatok. Az élő szervezetben tehát nem-fizikai, biológiai folyamatok is végbemennek, szervezetten, törvényszerűen, vagyis létezniük kell biológiai törvényeknek, amelyek előírják az endergonikus, energiaigénylő, a szervezetet felépítő folyamatok törvényszerű fellépését is. Ezek a felépítő folyamatok mind szinte végtelenül valószínűtlenek, együttesen pedig hatványozottan valószínűtlenek. A biológiai törvények teszik lehetővé és szükségszerűvé fellépésüket.

Ha a felépítő és leépítő folyamatok egymással nagyjából egyensúlyt tartanak, akkor a szervezet hosszú időn keresztül életképes maradhat. Nincs tehát másra szükség, mint arra, hogy a legtöbb szervezeten belüli energia-felszabadító folyamatot a biológiai törvények a szervezetet felépítő folyamatok beindítására használják fel, ahogy egy jó gyárban hasznosítják a gyártás során keletkező hőt, hulladék-anyagokat. Egy fizikai hasonlattal: képzeljünk magunk elé egy csigasort. Ahogy a nagyobb súly lesüllyed, a csigán átvetett kötél másik végén lógó könnyebb testet felemeli. A két test, a lefelé elmozduló és a felemelkedő, egymáshoz csatolt, a kötél és a csiga révén. Az ilyen csigasort egyszerű gépnek nevezzük.   Valóban, a biológiai szerveződés lényege éppen olyan csatolás lehet, amely a legtöbb lefutó, exergonikus folyamathoz felemelő, endergonikus folyamatot csatol. S ha így van, akkor a biológiai szerveződés lényege, hogy minden pillanatban új és új, biológiailag hasznos csatolás-rendszert létesít. S ha egy-egy pillanatban egy-egy rendkívül komplex géprendszert kell ehhez létrehozni, akkor a biológiai szerveződés minden pillanatban új és új rendkívül komplex géprendszert hoz létre. A biológiai szervezetek tehát nem gépek, mint aminek sokan tekinttették őket, hanem rendkívül komplex, önmagukat létrehozó és irányító, leleményes gyárak, amelyek minden pillanatban a biológiailag legmegfelelőbb csatolásrendszert létesítik a lefutó és felemelő biokémiai folyamatok között. És ebben messze meghaladnak nemcsak minden ember által valaha is létrehozható gépet, hanem minden ember által létrehozható gyárat is, hiszen az ember készítette gyárak csak az adott céltermék gyártására képesek.

A fény magától születik, és magától tudja, hova menjen az élő szervezetben

A KAPU előző számában megjelent cikkünkben rámutattunk, hogy a fizikai kétrészecske-kölcsönhatások mellett a biológiai sokrészecske-kölcsönhatások is létezhetnek. A fény keletkezését pedig a fizika törvényei egyáltalán nem irányítják a megszokott, determinisztikus módon, ahogyan a fizikai testekét. A fizikai testek ugyanis a fizikai kísérlet során nem vesznek el, se nem keletkeznek. A fény viszont nagyon fürge, könnyen keletkező részecske. Keletkezését a fizikusok úgy írják le, hogy azt mondják: magától keletkezik (ez az un. spontán emisszió, magától létrejövő fénykibocsátás). Csakhogy annyira magától keletkezik a fény, hogy se helyét, se idejét nem köti meg a fizika, legfeljebb fizikai feltételeit képes megadni. Az életnek, a tudatnak is léteznek fizikai feltételei, de ezek a feltételek nem jelentik azt, hogy az élőlények vagy a tudat viselkedését, változásait a fizika törvényei irányítanák. Mivel a fizika nem köti meg a foton születésének helyét és idejét, ezért a fény kiválóan alkalmas arra, hogy a kellő időben a kellő helyen szülessen meg, és a kellő időben és a kellő helyen nyelődjön el. Ha a fény az élő szervezetekben a biológiai viszonyoknak megfelelően keletkezik és nyelődik el, akkor kiváló eszköz lehet az exergonikus és endergonikus folyamatok közötti csatolásra! Ha ugyanis exergonikus (energia-felszabadulással járó) folyamatban keletkezik, akkor játszhat biológiai szerepet, ha endergonikus folyamatban nyelődik el, vagyis ha energiát ad át ott, ahol elnyelődik – márpedig ha elnyelődik, akkor ez kikerülhetetlen. A fény tehát eleve kitűnően alkalmas a megfelelő reakciók beindítására, ha éppen a megfelelő molekulák megfelelő energiaszintű elektronjait tölti fel éppen a megfelelő biokémiai reakció beindításához szükséges energiával. És mivel az élő szervezetekben milliárdszámra nyüzsögnek, valósággal hemzsegnek a fotonok, sőt az élő szervezetek szabadenergiájának jelentős része éppen fotonok és energia-tároló ATP molekulák alakjában van jelen, a lényeges biokémiai reakciók beindításában a fotonok fontos szerepet játszhatnak. Az ATP molekulákban raktározott energia is tulajdonképpen a fényhez hasonló elektromágneses energia, hiszen a kémiai kötések energiája elektromágneses energiakvantumok formájában van jelen.

A „látszólagos” kölcsönhatás igazi arca

A fizika első elve, a hatáselv mélyebb magyarázata a kvantumszintre vezet. Mivel azonban az a folyamat, aminek révén a kvantumok tájékozódnak, azonnali és tájékozódó, feltérképező jellegű, és a fizikusok szótárában éppen ezért „virtuális” jelzőt kapott, azaz magyarul „látszólagos”, nem valódi fizikai folyamatról van szó, ezért úgy tűnik, hogy a valóságnak kell legyen a kvantumfizikai szintnél is mélyebb szintje, ahol ezek a „látszólagos” folyamatok valóságosak. A fizika által felismert „látszólagos” részecskék legfőbb tulajdonsága, hogy olyan rövid ideig léteznek, hogy nem hatnak kölcsön semmi mással, csakis azzal a rendszerrel, ahol elnyelődnek. Maguktól keletkeznek és maguktól nyelődnek el. Éppen olyan folyamatról van tehát szó, mint amit kerestünk a fény esetében: a fény akkor játszhat biológiai szerepet, ha a kellő helyen és időben keletkezik és nyelődik el! A csakis biológiai szerepet szolgáló fény így pontosan ugyanolyan, mint az ún. „virtuális”, „látszólagos” részecskék, amelyeknek keletkezési és elnyelődési helyét és idejét a fizika nem tudja egyértelműen meghatározni! A fény biológiai szerepe tehát kísértetiesen megegyezik a virtuális részecskékével! Így jutunk arra a következtetésre, hogy ha az életnek vannak törvényei – márpedig fentebb bebizonyítottuk, hogy vannak – akkor a fénynek és a többi mozgékony energiakvantumnak biológiai szerepet kell játszania. Ha pedig a fény – amelynek biológiai szerepét már Niels Bohr is kiemelte a Nature-ben 1933-ban megjelent híres cikkében - és a többi mozgékony kvantum (például az elektronok, amelyeknek biológiai szerepét Szent-Györgyi Albert hangsúlyozta könyveiben) biológiai szerepet játszik, akkor a virtuális kölcsönhatások jelentős részben biológiai kölcsönhatásokat közvetítenek.

Ami pedig azért érdekes, mert a virtuális részecskék alkotják azt a vákuumot, ami pedig a Természet végső titka. Már Paul Davies (1984, Superforce) és László Ervin (1995, The Interconnected Universe) is felvetették, hogy a vákuum alkotja a valóság legmélyebb szintjét. Ha pedig a vákuumról kiderül, hogy nem kizárólag fizikai, hanem biológiai kölcsönhatások hordozója is, akkor a vákuum lehet az életjelenségek végső forrása. Más szóval: a vákuum nem fizikai, hanem biológiai természetű, vagyis életet hordozó, élő természetű. És mivel az egész Világegyetemben egyetlen vákuum létezik, ezért ez a végső élőlény egyedüli, egyedülálló lény. A tudomány legújabb eredményei kezdik az Ember és a Világegyetem lehető legszemélyesebb kapcsolatának mélységeit feltárni.

(folyt. köv.)