Kwantum biologie

Er zijn vele biologische fenomenen die niet kunnen worden verklaard met de huidige biochemische en fysische modellen voor het functioneren van levende organismen. Er is bijvoorbeeld geen overtuigende verklaring voor de gelijktijdigheid van bewegingen die zich voordien in grote zwermen vogels en scholen vis. Bij sommige vissoorten lijkt de hele school ‘één brein’ te zijn. Ze kunnen de nadering van een roofvijand voelen en een vluchtactie ondernemen, niet individueel maar als een naadloos reagerende groep. Of ze kunnen spontaan een grote ‘bal’ vormen om de aanvaller te weerstaan. Als de groep toch verstrooid raakt, kunnen alle individuen zich - zodra het gevaar is geweken - moeiteloos en bijna ogenblikkelijk tot een groep hervormen. De bekende communicatievormen zoals gezichtsvermogen en geluid kunnen deze gelijktijdigheid in het gedrag niet verklaren. Het lijkt alsof de vissen een ‘zesde zintuig’ hebben dat hun bewegingen stuurt, alsof ze door een soort veld geleid worden dat ze helpt bij de coördinatie van hun gedrag. Zou een beschrijving van de biologie volgens het kwantumprincipe dit gedrag kunnen verklaren?

Grote zwermen vogels gedragen zich op dezelfde onverklaarbare wijze. Het is geen uitzondering dat een zwerm kan aangroeien tot wel 100.000 vogels en dan is de zwerm nog steeds in staat om ogenblikkelijk van richting te veranderen. Zwermen kunnen ook over buitengewoon grote afstanden navigeren en jaar na jaar op exact dezelfde locatie uitkomen. Er lijkt ook niet echt een ‘leider’ te zijn in zo’n zwerm, die de rest van de groep de richting wijst.

Het aantal wiskundige onderzoeken op het gebied van gecoördineerd gedrag neemt gestaag toe en concentreert zich op het maken van modellen van de bewegingen van individuen in een grote groep door een reeks regels vast te leggen. In enkele gevallen zijn de programmeurs er in geslaagd om de regels van de individuele acties te coderen en in te voeren in de computer; vervolgens kregen ze output die de waargenomen gecoördineerde groepsactie nabootste. Door extrapolatie opperden wiskundigen dat zwermgedrag kon worden verklaard door simpele regels voor de individuele vogels te formuleren, zoals ‘kom niet te dicht in de buurt van een andere vogel’ en ‘blijf binnen een bepaalde hoek met een andere vogel’. Deze modellen kunnen echter niet verklaren waarom en hoe zwermen in de eerste plaats worden gevormd en hoe zij specifieke bestemmingen kunnen bereiken. Besluit één vogel plotseling om een zwerm te gaan vormen en voegen anderen zich bij hem? Of is het een soort collectieve daad op een exact moment in de tijd? Hoe wordt besloten wat de eindbestemming is en hoe wordt daar naartoe genavigeerd? Dus, hoewel deze computermodellen handig zijn om te verklaren hoe deze acties mogelijk worden uitgevoerd, kunnen ze niet verklaren waarom deze biologische fenomenen eigenlijk ontstaan.

De huidige biologische theorie geeft ook nog lang geen duidelijkheid over het hoe en waarom van de basisfuncties van het menselijk lichaam. Ze kan bijvoorbeeld niet verklaren hoe het menselijk lichaam kan functioneren als een object dat warmte produceert. Koudbloedige soorten lijken te voldoen aan de tweede hoofdwet van de thermodynamica, maar warmbloedige soorten niet. Warmte wordt verondersteld zich volgens bepaalde regels te verspreiden en het vasthouden van de lichaamswarmte met een speling van 1 graad Celsius is geen sinecure, vooral als het aantal cellen in het lichaam in aanmerking wordt genomen en de enorme verscheidenheid aan externe temperaturen waar het menselijk lichaam aan wordt blootgesteld.

De gangbare verklaring van het functioneren van het menselijk zenuwstelsel is ook niet bijzonder bevredigend. Volgens de huidige denkwijze zijn neuronen een soort aan/uit schakelaars en functioneren de zenuwen als draden die ze verbinden. Daarom kan het brein met een computer worden vergeleken. Als het zenuwstelsel zich echter louter bezighoudt met ionen en de transmissie van elektrochemische signalen, dan zou het toch zeker als een aaneengesloten systeem zijn gevormd. In werkelijkheid is het zenuwstelsel geen ononderbroken geheel; eerder een verzameling van dunne vezels die door het hele lichaam verspreid liggen, maar niet overal volledig verbonden zijn.

Er is heel veel onderzoek gedaan waarbij deze vezels nauwkeurig werden bestudeerd en er zijn pogingen gedaan om via de vezels paden te vinden naar bepaalde gebieden in het brein. Daarbij werd geopperd dat het zenuwstelsel via neurale transmissie zou moeten werken en op verschillende snelheden, variërend van snel tot langzaam, op een manier die gerelateerd is met de diameter van het besturende axon. Dat zou echter de coördinatie van praktisch alle handelingen onmogelijk maken. Iedereen die wel eens een balletdanser of een Olympisch turnster heeft bewonderd kan zien dat daar een enorm hoog niveau van precisie voor nodig is en een extreme flexibiliteit voor het bewegen op verbijsterende snelheden. Zou dit niveau van haarfijne precisie gecombineerd met snelheid echt kunnen worden aangestuurd door een aantal aan/uit schakelaars? Of zou de niet-aaneengesloten vorm van het zenuwstelsel beter beschreven kunnen worden in termen van een kwantumsysteem, dat ogenblikkelijk via velden informatie kan overbrengen? Als we de structuren van het brein, de holtes, de gerichtheid en plaatsing van de vloeistoffen bekijken - met daarbij de ladingen die door het zenuwstelsel worden veroorzaakt - is het niet moeilijk te zien dat alle elementen aanwezig zijn voor een complex veldsysteem voor het overbrengen van informatie.

Deze voorbeelden en nog ontelbare andere, leiden tot de conclusie dat de huidige manier waarop we levende organismen bekijken, niet toereikend is en dat een benadering die alles meer tot één geheel maakt hard nodig is. Veel onderzoekers zoeken holistische verklaringen en gebruiken kwantumveldmechanismen om fenomenen te verklaren die met de biochemie niet te verklaren zijn. Zoals Rupert Sheldrake en zijn theorie van de morfogenetische velden en de gestuurde intentie van William Tiller. De meeste van deze toch zeer grondige onderzoeken worden niet geaccepteerd door de conventionele onderzoekers. Het kost tijd om paradigma’s aan te passen. Fraser en Massey zijn een voorbeeld van hen die menen dat we ons in het midden van een grote ommezwaai bevinden, waar het onze visie op het menselijk lichaam en gezondheid betreft. In de volgende paragrafen zullen we het werk behandelen van een aantal van deze onderzoekers, die een belangrijke bijdrage hebben geleverd op dit gebied.

Non-lokale Informatieoverdracht

Veel van de recente ontwikkelingen in de fysica hebben aangetoond dat ‘non-lokale’ interactie niet alleen mogelijk is, maar ook een fundamenteel aspect vormt van de subatomaire wereld. In simpele woorden: ‘non-lokaal’ betekent dat twee dingen (zoals subatomaire deeltjes) een wisselwerking kunnen hebben en elkaar “direct” kunnen beïnvloeden. Ook als ze van elkaar gescheiden zijn. En het maakt niet uit of ze nanometers of lichtjaren van elkaar gescheiden zijn! Dit fenomeen wordt ook wel ‘kwantumverbondenheid’ genoemd. Zoals twee deeltjes die samen zijn gevormd; als de één spin ‘omhoog’ heeft, dan moet het partnerdeeltje spin ‘omlaag’ hebben. Hun eigenschappen zijn gecorreleerd. Door het ene deeltje te meten, weten fysici dus iets over het andere deeltje. Als de twee deeltjes worden gescheiden en de spin van één deeltje wordt gemeten, moet het andere zich onmiddellijk dienovereenkomstig aanpassen om de spinverwantschap te handhaven. Deze ‘onmiddellijke actie op afstand’ trotseert de wetten van de klassieke fysica, want het suggereert dat er tussen de deeltjes een vorm van informatie is overgebracht met een snelheid die groter is dan de lichtsnelheid. En die is volgens de klassieke fysica de uiterste grens van de bewegingssnelheid.

De kwestie van de ‘sneller-dan-lichtcommunicatie’ werd voor het eerst goed onderzocht toen Einstein in de jaren 1930 begon te twijfelen aan de fundamentele principes van de kwantumtheorie. Hij geloofde dat de kwantumtheorie zoals die door Bohr en anderen was ontwikkeld – en op dit moment de geaccepteerde visie op de kwantumtheorie is – niet compleet was en in de toekomst zou worden verbeterd. Samen met Boris Podolsky en Nathan Rosen stelde Einstein in 1935 een gedachte-experiment voor dat bekend zou worden als de EPR-paradox (naar de initialen van de drie wetenschappers). We zullen dat gedachte-experiment hier niet uitleggen, maar volstaan met te zeggen dat het de aandacht trok van vele wetenschappers, die vervolgens probeerden te bewijzen of ‘actie op afstand’ (non-lokaliteit) mogelijk was of niet.

In 1982 werd in Parijs een opmerkelijk experiment uitgevoerd door een onderzoeksteam onder leiding van de fysicus Alain Aspect. Dit ingenieuze experiment, dat was gebaseerd op de EPR-paradox en een aan John Bell ontleent ongelijkheidprincipe, bevestigde het principe van de kwantumverbondenheid en non-lokale interactie. De resultaten van het Aspect-experiment toonde duidelijk aan dat subatomaire deeltjes die met elkaar verbonden waren geweest en vervolgens werden gescheiden op een bepaald fundamenteel niveau met elkaar verbonden blijven. Een recenter experiment naar kwantumverbondenheid, waarvan verslag werd gedaan in de New Scientist van juni 2003, werd uitgevoerd door een Oostenrijks onderzoeksteam onder leiding van Marcus Aspelmeyer. Zij zonden “verbonden” fotonen met succes naar de tegenoverliggende oevers van de rivier de Donau zonder het gebruik van glasvezels. En elk jaar verschijnt er meer wetenschappelijk bewijs dat de theorie van de onderlinge kwantumverbondenheid van het universum ondersteunt.

David Bohm en zijn postdoctoraal student Yakir Aharonov voerden in 1959 een experiment uit dat deze visie ondersteunde. Zij ontdekten dat in bepaalde omstandigheden elektronen in staat zijn om de aanwezigheid van een naburig magnetisch veld te ‘voelen’, zelfs als ze zich door gebieden in de ruimte verplaatsten waar de kracht van het veld nul is; een principe dat nu het Bohm-Aharonov (AB) effect wordt genoemd. Dit voorbeeld en andere van onderlinge kwantumverbondenheid brachten Bohm ertoe zijn theorieën te ontwikkelen betreffende de ‘impliciete orde’ in de wereld van de materie en, bij uitbreiding, in alle biologische systemen. De impliciete orde is een fundamentele, onderliggende eenheid die de materiële wereld doordringt en alle materie met elkaar verbindt.

Bij meer recent onderzoek is gezocht naar kwantumprocessen in het menselijk lichaam, waaronder ook elektromagnetische processen, die aspecten van de fysiologie zouden kunnen verklaren die voor biologen nog steeds grote raadsels zijn. Een van de elektromagnetische fenomenen die wordt onderzocht is de lichtemissie uit lichaamscellen, of biofotonen. Professor Fritz-Albert Popp, vice-president van het International Institute of Biophysics, is een pionier in het biofotonische onderzoek.

In 1976 ontwikkelden Popp en Ruth een zeer gevoelige experimentele testopstelling, die de extreem lage (400-800 nanometer) lichtemissies kon meten in menselijke cellen. Zij bedachten de term ‘biofotonen’ om uitdrukking te geven aan de biologische oorsprong en het kwantumkarakter van deze straling. Sinds deze ontdekking is er grondig experimenteel bewijs gepubliceerd dat aantoont dat DNA een van de bronnen van de biofotonen is en dat er structuur zit in het biofotonische veld. Daarnaast is er ook ondersteunend bewijs voor het idee dat de biofotonen verantwoordelijk zijn voor het in gang zetten van bepaalde biochemische reacties in en tussen de cellen. De onderzoeksgroep van Popp heeft ook gedurende meerdere maanden biofotonische metingen vastgelegd van het gehele menselijke lichaam. Deze metingen tonen aan dat het biofotonische veld al de biologische ritmes weerspiegelt en tevens de links-rechts-symmetrie van corresponderende punten in het lichaam van gezonde mensen.

Cyril W. Smith, een Britse biomedische technicus en fysicus, voert al sinds begin jaren 1970 experimenten uit op dit gebied. Dankzij zijn achtergrond als docent elektronica en elektrotechniek kon hij radiësthetische technieken ontwikkelen die er specifiek op gericht waren om subtiele elektromagnetische velden en stralingen te onderzoeken. Sinds 1973 heeft hij aan het hoofd gestaan van studies naar de interactie van coherente elektromagnetische velden met levende systemen en biologische stoffen. Hij is tot de conclusie gekomen dat levende systemen een karakteristiek patroon van frequenties voortbrengen die een weergave zijn van hun elektrochemische activiteiten. Deze frequenties zijn sterk genoeg om waarneembare synchronisaties teweeg te brengen bij kikkervisjes in de nabijheid van geel licht. Smith veronderstelt dat er biocommunicatie is tussen organismen als ze in de nabijheid zijn van licht en een zwak elektromagnetisch veld. Hij oppert dat deze onzichtbare informatieoverdracht tot stand komt door macroscopische systemen die afhankelijk zijn van fotonenuitwisseling in de nabijheid van magnetische vectorpotentialen. Zijn theorie vertoont duidelijke overeenkomsten met het biofotonenconcept van Popp.

Matti Pitkanen, een Fins theoretisch natuurkundige, veronderstelt dat veel principes van de kwantumfysica toepasbaar zijn op biologische systemen. Hij oppert dat in de biologie informatieoverdracht plaatsvindt via supergeleidende banen en dat elektronen en fotonen de dragers van deze informatie zijn. Zijn onderzoekswerk werd bevestigd door experimenten die in de jaren 1970 werden uitgevoerd door Freeman W. Cope. Cope heeft cruciaal werk verricht in het verbinden van de fysica en de biologie en ontwikkelde een vaste-stof-theorie van biologische processen. Hij concludeerde dat de activiteit in een cel niet alleen elektrochemisch was en observeerde de celfuncties alsof de organellen driedimensionale halfgeleiders waren. Volgens zijn theorie bevinden alle structuren in een cel zich in één veld waarin een voortdurende interactie plaatsvindt tussen alle subatomaire deeltjes, niet alleen tussen de ladingen van de elektronen. Cope publiceerde in 1978 een verhandeling waarin hij aantoonde dat gehydrateerde nucleïnezuren, of droge melanine, een lage frequentie geluid voortbrengen bij metingen van elektrische geleidingen. Dit gebeurde wanneer ze aan magnetische velden op kamertemperatuur werden blootgesteld. Hij concludeerde hieruit dat supergeleiding plaatsvond in levende systemen in de nabijheid van een magnetisch veld, analoog aan de supergeleiding in metalen bij zeer lage temperaturen. Zijn algemene visie was dat supergeleidende banen een belangrijke, sturende rol vervullen in biologische functies.

Ananthaswarmy, A., (2003), "Entangled photons dance across the blue Danube ,"New Scientist, 28 June: 15.

Bohm, D., and Hiley, B. J., (1993), The Undivided Universe, Routledge.

Cope, F. W., (1971), "Evidence from activation energies for superconductive tunneling in biological systems at physiological temperatures,"Physiol. Chemistry & Physics, 3: 403-410.

Cope F. W., (1978), "Discontinuous magnetic field effects (Barkhausen noise) in nucleic acids as evidence for room temperature organic superconduction,"Physiol. Chemistry & Physics, 10: 233-246.

Fraser, P., (1999), "Quantum Body Fields - Part 1,"Pacific Journal of Oriental Medicine , 14: 37 +.

Mandelbrot, B. B., (1982), The Fractal Geometry of Nature, W.H. Freeman.

Popp F. A., et al., (1984): Biophoton emission - New evidence, Biophysics , 6 (1): 33-52.

Popp F. A., and Zhang, J. Z., (2000), "Mechanism of interaction between electromagnetic fields and living organisms," Science in China (Series C - Life Sciences), 43 (5): 507-518.