Στα νότια της Ρώμης όπου βρίσκεται το Εθνικό Εργαστήριο του Frascati, το κορυφαίο εργαστήριο πυρηνικής φυσικής της Ιταλίας, μέσα σε μια αίθουσα η Cătălina Curceanu παρακολουθεί ένα μικρό κουτί με φακές, ελπίζοντας πως με τη βοήθεια του εξοπλισμού και των μεθόδων της πυρηνικής φυσικής θα λύσει το αιώνιο μυστήριο γιατί οι φακές - και άλλοι ζωντανοί οργανισμοί- εκπέμπουν συνεχώς ένα πολύ ασθενές ρεύμα φωτονίων.
Ορισμένοι υποστηρίζουν ότι αυτά τα βιοφωτόνια δεν έχουν καμία σημασία, ενώ άλλοι επιμένουν ότι αποτελούν μια διακριτή μορφή επικοινωνίας στις φακές. Η Curceanu κλίνει προς την τελευταία ομάδα και έχει την εντύπωση ότι οι παλμοί φωτός μπορεί να περιέχουν μυστικά κβαντικά σήματα.
«Αυτά είναι τα πρώτα βήματα, αλλά φαίνονται ακραία ενδιαφέροντα, λέει στο Newscientist. Ήδη υπάρχουν υπαινιγμοί ότι τα ζωντανά όντα χρησιμοποιούν κβαντικά φαινόμενα, με ανεπίσημες ενδείξεις ότι αυτά εμφανίζονται στη φωτοσύνθεση και στον τρόπο που τα πουλιά βρίσκουν τον προσανατολισμό τους, μεταξύ άλλων.
«Αλλά οι φακές που δεν είναι γνωστές για τη σύνθετη συμπεριφορά τους θα ήταν το πιο εκπληκτικό παράδειγμα κβαντικής βιολογίας», λέει στο Newscientist ο Michal Cifra της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών στην Πράγα. «Αυτό θα ήταν καταπληκτικό», σημειώνει ο Sifra. «Αν είναι αλήθεια».
Δεδομένου ότι τόσοι πολλοί οργανισμοί εκπέμπουν βιοφωτόνια, ένα τέτοιο εύρημα θα μπορούσε να σημαίνει ότι τα κβαντικά φαινόμενα είναι πανταχού παρόντα.
Βιοφωτόνια
Τα βιοφωτόνια προβληματίζουν τους επιστήμονες για ακριβώς έναν αιώνα. Το 1923, ο βιολόγος Alexander Gurwitsch μελετώντας τη διαίρεση των φυτικών κυττάρων σε ρίζες κρεμμυδιού παρατήρησε πως όσο πιο κοντά ήταν οι ρίζες μεταξύ τους, τόσο περισσότερη κυτταρική διαίρεση υπήρχε, υποδηλώνοντας ότι υπήρχε κάποιο είδος σήματος που ειδοποιούσε τις ρίζες για την παρουσία του γείτονά τους.
Ο Gurvich επανέλαβε το πείραμα παρεμβάλλοντας διάφορα είδη φυσικών φραγμών μεταξύ των ριζών, όπως ξύλο, μέταλλο, γυαλί, ακόμη και ζελατίνη και διαπίστωσε πως όλα επιβραδύνουν την κυτταρική διαίρεση το ίδιο όπως και σε μεμονωμένες ρίζες κρεμμυδιού.
Αλλά προς έκπληξη του Gurvich διαπίστωσε πως χαλαζίας ως εμπόδιο δεν είχε κανένα αποτέλεσμα. Σε σύγκριση με το γυαλί, ο χαλαζίας μεταδίδει πολύ περισσότερες ακτίνες UV, έτσι ο επιστήμονας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αιτία πρέπει να είναι κάποιο είδος ασθενούς εκπομπής υπεριώδους ακτινοβολίας.
Είναι από καιρό γνωστό ότι οι ζωντανοί οργανισμοί επικοινωνούν μέσω του φωτός. Οι μέδουσες, τα μανιτάρια και οι πυγολαμπίδες, για παράδειγμα, λάμπουν για να αποκρούσουν τους εχθρούς ή να προσελκύσουν έναν σύντροφο.
Αλλά αυτά τα φαινομενικά σήματα, γνωστά ως βιοφωταύγεια, διαφέρουν από το φαινόμενο που ανακάλυψε ο Gurvitch. Τα βιοφωτόνια είναι «πολύ χαμηλής έντασης φως που δεν φαίνεται με γυμνό μάτι», εξηγεί ο Maurizio Benfatto.
Στην πραγματικότητα, τα βιοφωτόνια είναι τόσο αδύναμα που μόλις το 1954 αναπτύχθηκε εξοπλισμός αρκετά ευαίσθητος για να επιβεβαιώσει οριστικά την ιδέα του Gurvich. Έκτοτε, δεκάδες ερευνητικές ομάδες έχουν αναφέρει περιπτώσεις εκπομπής βιοφωτονίων που έχουν ευεργετική λειτουργία στα φυτά και ακόμη και στα ζώα, όπως π.χ. τα κύτταρα της ζύμης που επηρεάζουν τον ρυθμό ανάπτυξης των γειτονικών κυττάρων τους.
Και το 2022, οι Zsolt Pónya και Katalin Somfalvi-Tóth από το Πανεπιστήμιο του Kaposvár, στην Ουγγαρία, παρατήρησαν την εκπομπή βιοφωτονίων από τους ηλίανθους, ενώ μια ανασκόπηση από τους Roeland Van Wijk και Eduard Van Wijk στην Ολλανδία, υποδηλώνει ότι τα βιοφωτόνια μπορεί να παίζουν ρόλο σε μια ποικιλία παθήσεων του ανθρώπου.
Υπάρχει επίσης μια απλή εξήγηση για το πώς δημιουργούνται τα βιοφωτόνια. Κατά τη διάρκεια του φυσιολογικού μεταβολισμού, οι χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα προκαλούν τα βιομόρια να εισέλθουν σε αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν διεγερμένη κατάσταση, κατά την οποία τα ηλεκτρόνια ανεβαίνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.
Αυτά τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια διασπώνται φυσικά στη βασική τους κατάσταση και εκπέμπουν ένα φωτόνιο. Επειδή οι σπόροι που βλασταίνουν, όπως οι φακές, καίνε ενέργεια γρήγορα για να αναπτυχθούν, εκπέμπουν περισσότερα βιοφωτόνια.
Σήμερα, κανείς δεν αμφισβητεί ότι υπάρχουν βιοφωτόνια. Η διαμάχη αφορά περισσότερο στο αν η φακή και άλλοι οργανισμοί χρησιμοποιούν τα βιοφωτόνια με ευεργετικό τρόπο.
«Αυτό είναι ενδιαφέρον», σχολίασε ο Γκρεγκ Σκόουλς του Πανεπιστημίου Πρίνστον. «Θα μπορούσε αυτή η εκπομπή να χρησιμοποιηθεί ως σήμα;»
Κβαντική βιολογία
Η ιδέα δεν έχει αποδειχθεί, αλλά δεν είναι τόσο ρεαλιστική όσο φαίνεται. Γνωρίζουμε ότι τα φυτά επικοινωνούν χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες και μερικές φορές εκπέμπουν ακόμη και υπερηχητικές κραυγές όταν πιέζονται.
Αυτό τους επιτρέπει να ελέγχουν την ανάπτυξή τους, να προειδοποιούν το ένα το άλλο για εισβολή εντόμων και να προσελκύουν επικονιαστές. Γνωρίζουμε επίσης ότι έχουν τρόπους ανίχνευσης και απόκρισης στα φωτόνια με τη μορφή συνηθισμένου ηλιακού φωτός.
«Τα βιολογικά συστήματα μπορούν να ανιχνεύσουν φωτόνια και να κάνουν ανατροφοδότηση με βάση αυτό», εξηγεί ο Scholes. Και προσθέτει ότι δεν είναι παράλογο να υποθέσουμε ότι εάν έχουν συστήματα για την ανίχνευση φωτονίων, μπορεί επίσης να έχουν τρόπους να ανιχνεύουν ασθενέστερα βιοφωτόνια. «Ωστόσο, δεν ξέρουμε πραγματικά πώς λειτουργεί αυτό», λέει.
Ο Sifra ήταν κάποτε υποστηρικτής της βιοφωτονικής σηματοδότησης, αλλά ο ενθουσιασμός του μειώθηκε τα τελευταία χρόνια καθώς ανακάλυψε πιο πεζές εξηγήσεις για πολλά από τα μηνύματα. Αλλά ο Curcanou και ο Benfatto ελπίζουν ότι η εφαρμογή σοβαρής φυσικής σε αυτό το πρόβλημα μπορεί τελικά να τους επιτρέψει να κρυφακούσουν τα μυστικά των οσπρίων.
Τώρα χρησιμοποιούν υπερευαίσθητους ανιχνευτές σε ένα κουτί με 75 σπόρους φακής. Χρειάζονται τόσους πολλούς σπόρους γιατί αν χρησιμοποιήσουν λιγότερους, τα σήματα βιοφωτονίων θα είναι πολύ αδύναμα.
Κβαντική συνοχή
Οι δύο επιστήμονες γνωρίζουν επίσης ότι είναι πιθανό τα σήματα να έχουν κβαντική συνοχή. Πριν από χρόνια, ο Benfato παρατήρησε ότι υπήρχαν μοτίβα στον τρόπο παραγωγής των βιοφωτονίων.
Η έντασή τους αυξάνεται και μετά μειώνεται, σχεδόν όπως η μουσική. Αυτό του έδωσε την ιδέα να εφαρμόσει μια μέθοδο από τη φυσική που ονομάζεται ανάλυση εντροπίας διάχυσης για να διερευνήσει αυτά τα μοτίβα.
Για να εφαρμόσουν αυτή τη μέθοδο στις φακές, οι Benfato, Curcanou και οι συνεργάτες τους τοποθέτησαν τους σπόρους σε ένα μαύρο κουτί που τους προστάτευε από την όχληση. Έξω από το κουτί, τοποθέτησαν μια συσκευή ικανή να ανιχνεύει μεμονωμένα βιοφωτόνια.
Έβαλαν επίσης περιστρεφόμενα φίλτρα που τους επέτρεψαν να ανιχνεύσουν φωτόνια διαφορετικών μηκών κύματος. Το μόνο που έμενε ήταν να φυτρώσουν οι φακές.
Το 2021 αποκάλυψαν τα πρώτα τους αποτελέσματα αποδεικνύοντας ότι τα σήματα βιοφωτονίων αλλάζουν σημαντικά κατά τη βλάστηση της φακής. Κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης, τα φωτόνια εκπέμπονταν με ένα μοτίβο που επαναλαμβανόταν, παρόμοιο με ένα μουσικό κομμάτι που αλλάζει το ρυθμό του.
Στη συνέχεια, κατά τη δεύτερη φάση, οι εκπομπές πήραν τη μορφή ενός άλλου είδους πολύπλοκου σχεδίου που ονομάζεται κλασματική κίνηση Brown.
Το γεγονός ότι οι εκπομπές βιοφωτονίων της φακής δεν είναι τυχαίες είναι μια ένδειξη ότι οι σπόροι μπορούν να επικοινωνήσουν, πιστεύει ο Benfato. Και δεν είναι μόνο αυτό. Η πολυπλοκότητα στη δεύτερη φάση των εκπομπών σχετίζεται μαθηματικά με τις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής.
Για αυτόν τον λόγο, ο Benfato λέει ότι ότι τα σήματα που παρουσιάζουν κβαντική συνοχή θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο στην κατεύθυνση της βλάστησης της φακής.
Ο Sifra προειδοποιεί ότι κάτι που μπορεί να περιγραφεί με μαθηματικές μεθόδους κβαντικού τύπου δεν αποδεικνύει από μόνο του ότι είναι κβαντικής φύσης. Ο Kurchanu παραδέχεται ότι οποιαδήποτε σημάδια κβαντικών επιδράσεων είναι ακόμα υπό εξέταση. «Υπάρχει κάτι που συμβαίνει εκεί, αλλά δεν μπορούμε να ισχυριστούμε ότι ξέρουμε τι ακριβώς», εξηγεί ο ερευνητής.
«Μέρος του προβλήματος στον σχεδιασμό τέτοιων πειραμάτων είναι ότι δεν γνωρίζουμε πραγματικά τις κβαντομηχανικές επιδράσεις στους ζωντανούς οργανισμούς. Οποιαδήποτε κβαντικά φαινόμενα που θα εντοπιστούν στη φακή και σε άλλους οργανισμούς θα είναι πολύ διαφορετικά από την κβαντική μηχανική των εγχειριδίων», επισημαίνει ο Scholes.
Η ανίχνευση κβαντικών επιδράσεων στα βιοφωτόνια θα ήταν «ένα μεγάλο επίτευγμα», σημειώνει ο Scholes, «αλλά παραμένει ανοιχτό το ερώτημα ποια θα ήταν η λειτουργία». Με άλλα λόγια, τι εξελικτικό πλεονέκτημα θα έδινε στη φακή η χρήση κβαντικών σημάτων; Ίσως, όλα τα κβαντικά σήματα τους προσφέρουν έναν μοναδικό τρόπο αποστολής πληροφοριών — για έναν σκοπό που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη κατανοήσει πλήρως.
Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι η κβαντική επικοινωνία επιτρέπει στη φακή τη μετάδοση μηνυμάτων χωρίς αυτά να χάνονται. Επειδή τα βιοφωτόνια εκπέμπονται από όλα τα έμβια όντα, τα σήματα της φακής θα μπορούσαν να ‘πνιγούν’ από τις εκπομπές της οργανικής ύλης που την περιβάλλει, εξηγεί ο Sifra.
Είναι πιθανό, επισημαίνει ο Scholes, ότι η κβαντική συνοχή επιτρέπει στα σήματα να περάσουν παρά τον θόρυβο του περιβάλλοντος. Ο Benfato παραδέχεται ότι μέχρι στιγμής τα στοιχεία για την κβαντική φακή είναι μέτρια. Ωστόσο, προχωρά με έναν νέο σχεδιασμό του πειράματος που κάνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο 100 φορές καλύτερη.
