DNA w wodzie przeskakuje między dwoma stanami. Fizyk z Uniwersytetu Śląskiego szuka przyczyny

Cienka warstwa roztworu DNA wyizolowanego z jęczmienia potrafi nagle zmieniać swoją odpowiedź elektryczną – przeskakiwać między dwoma względnie trwałymi stanami. Taki wynik opisał prof. Mariusz Pietruszka z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach w pracy opublikowanej 28 października 2026 r. w „Scientific Reports”. Autor rozważa zarówno klasyczne wyjaśnienie, jak i znacznie śmielsze, związane z fizyką kwantową. To drugie pozostaje na razie hipotezą.

Dlaczego woda wokół DNA ma znaczenie?

DNA kojarzymy z zapisem informacji genetycznej. Jest to jednak także cząsteczka fizyczna: niesie ładunki elektryczne i silnie oddziałuje z otoczeniem. Najbliżej podwójnej helisy cząsteczki wody nie poruszają się całkiem przypadkowo. Wiązania wodorowe i oddziaływania elektryczne porządkują je częściowo, a w jednym z rowków helisy woda układa się w charakterystyczny spiralny łańcuch. Ta wodna otoczka wpływa na stabilność DNA.

Prof. Pietruszka sprawdza, czy taka otoczka może zachowywać się jak jeden współpracujący układ, a nie zbiór niezależnych cząsteczek. W streszczeniu pracy pisze, że „uwodnione DNA tworzy dynamicznie zorganizowaną, bogatą w protony warstwę graniczną, zdolną do zbiorowej dynamiki elektrycznej i polaryzacyjnej w warunkach otoczenia” (tłum. Biomist).

Jak wyglądał eksperyment?

Badacz umieścił niewielką kroplę roztworu DNA na układzie elektrod, tworząc bardzo cienką, niemal dwuwymiarową warstwę cieczy. Przyłożył niewielkie napięcie i mierzył napięcie poprzeczne w obecności pola magnetycznego. W jednym z pomiarów przez około dziesięć minut nie zmieniał warunków. Zamiast stałego sygnału z drobnymi wahaniami pojawiały się wyraźne, nagłe skoki. W innym doświadczeniu wystarczyła niewielka zmiana temperatury: w okolicy 15°C mierzone napięcie zmieniło nawet znak z dodatniego na ujemny.

Taki pomiar przypomina klasyczne badanie efektu Halla. Prąd płynie w jednym kierunku, a woltomierz mierzy napięcie w poprzek tej drogi. W polu magnetycznym poruszające się ładunki są odchylane na bok i właśnie w poprzek próbki pojawia się różnica potencjałów. Jej wielkość i znak mówią, jak zachowują się nośniki ładunku. W uwodnionym DNA autor wiąże sygnał z otoczką wodną bogatą w protony.

Analiza matematyczna sygnału pokazała poziomy, między którymi następowały gwałtowne przeskoki. Według publikacji charakterystyczny czas pozostawania układu w jednym stanie wynosił około 9 sekund. Model z dwoma stanami opisywał dane statystycznie znacznie lepiej niż model z jednym stanem i przypadkowymi wahaniami. Fizycy nazywają takie względnie trwałe konfiguracje stanami metastabilnymi. Można je porównać do kulki leżącej w jednym z dwóch dołków: długo tkwi w miejscu, aż jakieś zaburzenie przerzuci ją do drugiego.

Klasyczne zjawisko czy coś kwantowego?

Pierwsze możliwe wyjaśnienie jest dość znajome. Cząsteczki wody i związane z nimi protony mogłyby działać zbiorowo – jak kibice robiący „falę” na stadionie. Każdy porusza się sam, ale w odpowiednich warunkach powstaje wspólny ruch. Takie zjawiska zbiorowe są w fizyce dobrze znane.

Autor rozważa też bardziej niezwykłą możliwość. W analizie pojawiły się skokowe zmiany tzw. fazy sygnału, bliskie pełnemu obrotowi, a zaproponowany model prowadzi do wartości h/2e. To kwant strumienia magnetycznego znany z teorii nadprzewodnictwa, czyli stanu, w którym prąd płynie bez oporu, a ogromna liczba cząstek zachowuje się jak jeden układ kwantowy. Zwykle wymaga to bardzo niskich temperatur. Długotrwała organizacja kwantowa w uwodnionym materiale biologicznym w temperaturze zbliżonej do pokojowej byłaby przełomem.

„Podobieństwo matematyczne nie oznacza, że DNA stało się nadprzewodnikiem” – podkreśla serwis Nauka w Polsce, który opisał badanie 4 listopada.

O tym, jak bardzo właściwości DNA zależą od otoczenia, pisaliśmy niedawno przy okazji eksperymentu z chromosomem szczura w komórkach myszy. Podstawy pracy z DNA w laboratorium wyjaśnia nasz przewodnik po elektroforezie.

Ograniczenia

Wartość h/2e wynika z założeń modelu, a nie z bezpośredniego pomiaru. Faza, w której wykryto skoki, opisuje zmierzony sygnał elektryczny, a nie stan kwantowy cząsteczek. Praca ma jednego autora, a wyniki nie zostały jeszcze niezależnie powtórzone w innym laboratorium. Nie wiadomo też, jaki mikroskopowy mechanizm odpowiada za przeskoki ani czy podobne zjawisko zachodzi w żywych komórkach – badano roztwór DNA na elektrodach, a nie DNA w jądrze komórkowym. Do rozstrzygnięcia, czy wystarczy klasyczny opis, potrzebne są dalsze doświadczenia.

Źródła i daty

• M. Pietruszka, „Metastable phase switching and an effective h/2e flux scale in hydrated DNA”, Scientific Reports – opublikowano online 28.10.2026 – doi:10.1038/s41598-026-77191-4 (otwarty dostęp, CC BY-NC-ND 4.0).
• Nauka w Polsce (PAP), „Czy DNA potrafi działać jak elektryczny przełącznik?” – 04.11.2026 – naukawpolsce.pl.
• Afiliacja autora: Uniwersytet Śląski w Katowicach. Cytat ze streszczenia pracy przetłumaczyła redakcja.

Ilustracja wyróżniająca: fragment podwójnej helisy DNA w modelu czaszowym (każda kula to atom), z widocznym rowkiem helisy – ilustracja poglądowa, nie z opisanego badania. Autor: Ude, domena publiczna, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.