1933’te verdiği meşhur Işık ve Yaşam derslerinde Niels Bohr’un kullandığı bir analoji, fizikçilerin atomu karakterize
etme çabasıyla biyologların hücreyi karakterize etme çabasını benzeştirmekteydi. Canlı hücreler de cansızlar
gibi sıradan maddeden yapılmıştır ve dolayısıyla eksiksiz bir kimyasal analiz yapılabilir. Tek sorun, canlılıkta bu
madde, oldukça karmaşık ve çetrefilli bir şekilde dizilmiştir. Bohr’a göre bir hücrenin kimyasını çalışmak için, o
organizmanın parçalanması ve moleküllerine ayrıştırılması gerekmekteydi; ancak canlının biyolojisini çalışmak
için, kimyanın görünmez olduğu çok daha üst bir seviyede çalışmak gerekmekteydi. Bu nedenle Bohr, bir
organizmanın kimyasal nitelikleri ile biyolojik organizma hiyerarşisinin eş zamanlı çalışmanın imkânsız olduğunu
düşündü.

1940’lardan günümüze yapılan biyolojik ve biyokimyasal atılımlar sayesinde Bohr’un tamamen hatalı olduğunu
biliyoruz; ancak geçtiğimiz günlerde Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi’ndeki bir grup araştırmacı,
modern biyoloji, kimya ve fiziğin ötesine geçerek, bu üçünü bir arada çalışabildikleri sıra dışı bir kuantum
biyolojisi (https://evrimagaci.org/emekleme-evresinde-bir-bilim-kuantum-biyolojisi-962) deneyi
gerçekleştirdiler: Tardigradlar (https://evrimagaci.org/su-ayilari-tardigrada-7282) olarak da bilinen su ayılarını,
süper iletken bir kuantum bit (yani “kübit” veya “qubit” olarak da bilinen kuantum bilgi birimi) içerisine
yerleştirilerek, onları bir devre içerisinde “kuantum dolanıklık” durumuna soktular.

Kuantum dolanıklık, atom altı ölçekteki iki parçacığın kuantum durumlarının birbirine bağımlı olması olgusudur. Eğer deney ortamı kusursuz (veya ona yakın bir şekilde) izole edilebilirse, atom altı seviyenin ötesindeki maddeler de (mesela atomlar ve hatta birkaç atomdan oluşan moleküller) kuantum dolanıklığa sokulabilir. Kuantum dolanıklık halindeki parçacıklardan birinin kuantum durumu ölçüldüğünde, diğerinin kuantum durumu da (aralarındaki mesafe ne olursa olsun), anında belirlenir. Bu durum, klasik fiziğin öngördüğü lokalite olgusunu yerle bir ederek, kuantum fiziğinin Evren’i bambaşka bir boyutta açıklayabilmesini sağlamıştır.

İşte bu deney, bilim tarihinde ilk defa çok hücreli bir organizmayı temel bir kuantum olgunun konusu haline
getirerek, hem fizik hem kimya hem de biyoloji alanında bir devrim yaratmayı başarmaktadır. Ayrıca deney
sırasında tardigradlar, çeşitli abiyotik (pH, sıcaklık, basınç vb.) streslere bugüne dek bırakılmadıkları seviyelerde maruz bırakılmış ve ünlerine yakışırbir şekilde deneyden sağ çıkabilmeyi dahi başarmışlardır.

Tardigradlar Kuantum Deneylerinde “Model Organizma”
Olabilir mi?

Tardigradlar, boyutları mikrometreler ile ölçülen, bu nedenle çıplak gözle gözlemleyemediğimiz hayvan
şubelerinden biridir. Bu şube içerisinde yer alan yaklaşık 1.500 tardigrad türünün her birinin birbirinden farklı
dayanıklılık değerleri olsa da şubeye adını veren tardigrad ismi dünyanın en dayanıklı hayvanı unvanını elinde barındırır.

Bu unvanı 2007 senesinde gerçekleştirilen foton-m3 projesi bünyesinde yer alan TARDIS adlı misyonda daha önce hiçbir hayvanın başaramadığı koruyucu filtresiz çıplak güneş ışığına dayanmalarına atfen verilmiştir. Dayanıklılık özelliğinin keşfinin ardından zaman içerisinde dayanıklılık mekanizmalarının aydınlatılması adına yapılan çalışmaların sayısı da artmıştır. Bu dayanıklılık ile ilgili çalışmalar birçok farklı disiplin ile ortak bir şekilde gerçekleştirilmiş, gelecekteki potansiyel uzay seyahatlerine dair bizlere yol gösterici veriler elde edilmiştir. Tardigradların dayanıklılığını aşağıdaki şekilde özetlemek mümkündür:

• Tun (uzuvlarını gövdesine doğru çektiği kapalı formu) formundayken atmosferik koşullarda 9-20 yıl
  arasında, dondurulmuş durumda 30 yıla kadar hayatta kalabilir.
• Sıvı nitrojen ile -253C dondurulduğunda 21 aya dayanabilmekle beraber, -272C’de yani mutlak sıfırın
  sadece 1 derece üstünde bile birkaç gün dayanabildikleri bilinmektedir.
• 151C’de yaklaşık 15 dakika boyunca hayatta kalabilmektedir.
• Uzay gibi aşırı düşük basınç ortamına 10 gün; 74.019 atm gibi aşırı yüksek basınç ortamlarına günlerce
  dayanabildikleri bilinmektedir.
• X-ray veya ağır iyon (4He) radyasyonunda LD50 (popülasyonun yarısını öldüren değer) değerinde ulaşılan
• radyasyon seviyesi 5.000 Gy, gama tipli radyasyona gösterilen direnç seviyesi ise 1.000 ila 9.000 Gy
• arasında değişmektedir.
• UV’ye karşı olan direnç 75-88 kJm-2 olarak tespit edilmiştir. Unutmamak gerekir ki sadece 40 Jm-2
  ’de DNA’mızda meydana gelen timin dimeri adını verdiğimiz bozulma ciddi bir seviyede gözlemlenmeye
  başlanır.
• Çoğu canlı için direkt öldürücü olan çeşitli kimyasallara (karbon dioksit, hidrojen sülfit, 1-hekzanol,
  metilbromid gazı, etanol) birkaç dakikalığına dayanabildiği bilinmektedir.

Tardigradlar Üzerinde Kuantum Dolanıklılık Deneyleri Nasıl
Yapıldı?

İşte tüm bu özellikleri, kuantum biyolojisinde yapılacak bir devrim için tardigradları ideal aday yapıyordu. Çünkü
kuantum deneylerde aşırı düşük basınç ve sıcaklıklar kullanılmaktadır ve birçok canlı, bu kadar ekstrem
durumlara dayanamayacaktır. Tardigradlar içinse bu, parkta sıradan bir yürüyüş yapmak gibidir!

Çalışmanın ekip lideri Rainer Dumke ve meslektaşları, deney için iki süper iletken kübit (klasik hesaplamadaki bir
bitin kuantumdaki eşdeğeri) arasına tun durumunda bir tardigrad yerleştirdiler. Bu tardigradlar, Ramazzottius
variornatus türü, oldukça dayanıklı hayvanlardı. Tardigrad, süper iletken bir kavşak yardımı ile bir yük kübitine
(Qubit B) bağlandı. Qubit B’nin bir kavşak yardımı ile bağlanmasına karşılık, Qubit A sadece Qubit B’ye bir bir
kapasitör ile bağlanmıştı.

İlgili bağlantıların ve konumlandırmaların hepsi gerçekleştirildikten sonra deneyin gerçekleşeceği ortamın olası
çevresel etkenler ile müdahalede bulunup deney sonuçlarını etkilememesi için ortamın basıncı, vakum olarak adlandırılacak seviyeye, ortamın sıcaklığı ise mutlak sıfır olarak bilinen -273C’ye indirildi. Böylece kübitler ve tardigrad üzerindeki etki edebilecek dış etkiler en aza indirilmiş oldu ve akademik literatürde bir tardigradın maruz kaldığı en ekstrem
koşullar yaratılmış oldu.

Tardigradların halihazırda mutlak sıfıra çok yakın değerlere dayanabilmesi, onları atomların kuantum belirsizlikten
ötürü olan hareketleri haricinde tamamen donmuş oldukları bu ortamda, deneğin canlı olmasından kaynaklı
doğabilecek olan endişelerin önüne geçerek, deneye tamamen fizik açısından yaklaşmayı ve müdahale etmeyi
mümkün kıldı.
Deney düzeneğinde tardigrad ve kübit arasında dolanıklılık durumunun elde edilip edilmediğini belirlemek için
tardigrad-kübit kombinasyonunun ne sıklıkta titreştiği ölçüldü.

Deneyde Elde Edilen Sonuçlar

Deneyler gerçekleştirildikten sonra, araştırmacılar tardigradı yavaşça tekrar basınçlı ve sıcak bir ortama aldılar ve
tun (korunaklı) durumundan çıkararak hayata döndürmeyi başardılar. Bu sayede tardigradlar, kendilerine ait
dayanıklılık rekorunu tazeleyerek, mutlak sıfırın 0.01°C üzerinde de hayatta kalmayı başarabildiklerini ispatlamış
oldular. Böylece deney, biyoloji alanında da bir başarıya imza atmış oldu.

Deney sonucunda yapılan osilatör ölçümleri, kübit-tardigrad dolanıklığına ait durumların birbirine dik yapıda
(ortogonal) olduğunu, dolayısıyla bu sistemin 3 kübit ile temsil edilebileceğini gösterilmiş oldu (Qubit A, Qubit B
ve tardigrad). Bir yoğunluk matrisi kullanan uzmanlar, bu 3 parçanın da birbiriyle dolanık olduğunu göstermeyi
başardılar. Böylece araştırmacılar, dünyada ilk kez bir çok hücreli organizmayı bir kuantum biti olarak, yani dolanık
bir hâlde kullanmış oldular.

Sonuç

Bu kadar devrimsel nitelikte bir çalışmanın akıllarda yepyeni sorular oluşturması kaçınılmazdır. Özellikle
tardigradın deney sırasında ametabolik bir duruma geçmesi bekleniyordu (bir anlamda kısa süreliğine canlı
olmaması), çünkü herhangi bir aktif biyokimyasal işlem kuantum dolanıklılığına izin vermezdi. Bununla birlikte
tardigradların metabolizmasının bu şekilde bir davranış sergilemesi, bazı uzmanlar tarafından daha şimdiden
tartışmaları doğurdu. Tardigradlar üzerinde çalışmalar gerçekleştiren bazı araştırmacılar, tardigradların kuantum
dolanıklılık deneyi sırasında hala metabolik aktivitesini çok düşük bir düzeyde korunduğunu dile getiriyor.
Araştırmacıların kafalarını karıştıran bir diğer soru ise, bu tür bir deneyde organizmanın hangi bölümünün
dolanıklılığa katıldığıdır. Canlının tümünün devrede yer almasından dolayı böylesine bir deney düzeneğinde bunu
bilmek pek kolay değildir. Bu teknik engellere rağmen Dumke ve ekibi, gelecekte diğer yaşam formları ile de bu
deneyi gerçekleştirmeyi planlıyorlar.

İlk etapta meraka dayalı bir araştırma gibi gelen bu ilginç deney, tardigrad gibi büyük ve çok hücreli biyolojik bir
sistemin serbestlik derecesi ile, atom altı değerlerin hakim olduğu kuantum durumunun “tutarlı” bir şekilde
iletişim kurabildiğini ispatlamıştır. Bu çalışma, ileride biyolojik organizmaların kuantum sistemlere dâhil edilmesini
ve kuantum sistemlerin biyolojik organizmalarla etkileşebilecek biçimde inşa edilmesini sağlayabilir. Ama
araştırmacılar için her şeyden önemlisi, makalelerinin sonuç paragrafında şöyle anlatılıyor:

“Bohr’un canlı organizmalarla kuantum deneyleri yapmanın imkansızlığı konusundaki iddiasını yeniden
gözden geçirerek bir sonuca varmak isteriz: Mevcut araştırmamız, biyolojik maddeyi ve kuantum maddeyi
günümüz teknolojisiyle mümkün olan belki de en yakın birleştirme işlemini başarmıştır. Tardigrada benzer
bileşime sahip cansız bir nesnenin benzer fiziksel sonuçlar vermesi beklenebilirdi; ancak bu deneyimizde,
deney sonrasında biyolojik işlevini tamamen koruyan bir organizmanın dolanıklığını gösterdiğimizi
vurgulamak isteriz. Tardigrad, maruz kaldığı en aşırı ve uzun süreli koşullardan sağ çıktı ve kriptobiyozun
gerçekten ametabolik olduğunu gösterdi. Bunun, hayvanın durumlarının makroskopik olarak giderek daha
ayırt edilebilir olduğu deneyleri teşvik edeceğini umuyoruz. Çalışmamız, canlı madde ve kuantum bitlerinden
oluşan hibrit sistemlerin yaratılacağı yepyeni ve heyecan verici bir yönde atılan ilk adımdır.”

Kaynaklar

• K. S. Lee, et al. (2021). Entanglement Between Superconducting Qubits And A Tardigrade
• Archyw. First Multicellular Organism To Be Quantum Entangled.

Evrim Ağacı // 21 Aralık 2021