يمكن لبيولوجيا الكم أن تحدث ثورة في فهمنا لكيفية عمل الحياة

يمكن لبيولوجيا الكم أن تحدث ثورة في فهمنا لكيفية عمل الحياة

الطابع الزمني: 19 مايو 2023 10:00 صباحًا

تخيل استخدام هاتفك الخلوي للتحكم في نشاط خلاياك لعلاج الإصابات والأمراض. يبدو الأمر وكأنه شيء من خيال كاتب خيال علمي مفرط في التفاؤل. لكن هذا قد يكون يومًا ما احتمالًا من خلال المجال الناشئ لبيولوجيا الكم.

على مدى العقود القليلة الماضية ، حقق العلماء تقدمًا مذهلاً في فهم النظم البيولوجية ومعالجتها على نطاقات صغيرة بشكل متزايد ، من البروتين للطي إلى الهندسة الوراثية. ومع ذلك ، فإن مدى تأثير التأثيرات الكمومية على الأنظمة الحية لا يزال غير مفهوم.

التأثيرات الكمومية هي ظاهرة تحدث بين الذرات والجزيئات ولا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية. من المعروف منذ أكثر من قرن أن قواعد الميكانيكا الكلاسيكية ، مثل قوانين نيوتن للحركة ، تتحلل في المقاييس الذرية. بدلاً من ذلك ، تتصرف الأشياء الصغيرة وفقًا لمجموعة مختلفة من القوانين المعروفة باسم ميكانيكا الكم.

بالنسبة للبشر ، الذين يمكنهم فقط إدراك العالم العياني ، أو ما هو مرئي للعين المجردة ، يمكن أن تبدو ميكانيكا الكم غير منطقية وساحرة إلى حد ما. أشياء قد لا تتوقعها تحدث في عالم الكم ، مثل الإلكترونات "نفق" من خلال حواجز طاقة صغيرة وتظهر على الجانب الآخر سالمة ، أو في مكانين مختلفين في نفس الوقت في ظاهرة تسمى التراكب.

أنا تدربت على أن أ مهندس كم. عادة ما يتجه البحث في ميكانيكا الكم نحو التكنولوجيا. ومع ذلك ، والمثير للدهشة إلى حد ما ، أن هناك أدلة متزايدة على أن الطبيعة - مهندس لديه بلايين السنين من الممارسة - قد تعلمت كيفية استخدام ميكانيكا الكم لتعمل على النحو الأمثل. إذا كان هذا صحيحًا بالفعل ، فهذا يعني أن فهمنا للبيولوجيا غير مكتمل جذريًا. وهذا يعني أيضًا أنه يمكننا التحكم في العمليات الفسيولوجية باستخدام الخصائص الكمية للمادة البيولوجية.

ربما يكون الكم في علم الأحياء حقيقيًا

يمكن للباحثين التلاعب بالظواهر الكمومية لبناء تكنولوجيا أفضل. في الواقع ، أنت تعيش بالفعل في أ عالم يعمل بالطاقة الكمومية: من مؤشرات الليزر إلى نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والتصوير بالرنين المغناطيسي والترانزستورات في جهاز الكمبيوتر الخاص بك - تعتمد كل هذه التقنيات على التأثيرات الكمية.

بشكل عام ، تظهر التأثيرات الكمومية فقط في مقاييس الطول والكتلة الصغيرة جدًا ، أو عندما تقترب درجات الحرارة من الصفر المطلق. وذلك لأن الأجسام الكمومية مثل الذرات والجزيئات تفقد "كميتها" عندما يتفاعلون مع بعضهم البعض ومع بيئتهم دون حسيب ولا رقيب. بعبارة أخرى ، يتم وصف المجموعة العيانية للأجسام الكمومية بشكل أفضل من خلال قوانين الميكانيكا الكلاسيكية. كل ما يبدأ الكم يموت كلاسيكيًا. على سبيل المثال ، يمكن التلاعب بالإلكترون ليكون في مكانين في نفس الوقت ، ولكن سينتهي به الأمر في مكان واحد فقط بعد فترة قصيرة - بالضبط ما يمكن توقعه كلاسيكيًا.

في نظام بيولوجي معقد وصاخب ، من المتوقع بالتالي أن تختفي معظم التأثيرات الكمية بسرعة ، وتختفي فيما أسماه الفيزيائي إروين شرودنجر "البيئة الدافئة والرطبة للخلية. " بالنسبة لمعظم الفيزيائيين ، فإن حقيقة أن العالم الحي يعمل في درجات حرارة مرتفعة وفي بيئات معقدة تعني أن علم الأحياء يمكن وصفه بشكل مناسب وكامل بواسطة الفيزياء الكلاسيكية: لا يوجد عبور غير تقليدي للحاجز ، لا يوجد في مواقع متعددة في وقت واحد.

لكن الكيميائيين ظلوا لفترة طويلة يتوسلون أن يختلفوا. تظهر الأبحاث التي أجريت على التفاعلات الكيميائية الأساسية في درجة حرارة الغرفة ذلك بشكل لا لبس فيه العمليات التي تحدث داخل الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والمواد الجينية هي نتيجة التأثيرات الكمومية. الأهم من ذلك ، أن مثل هذه التأثيرات الكمومية قصيرة العمر ذات المنظار النانوي تتسق مع قيادة بعض العمليات الفسيولوجية العيانية التي قاسها علماء الأحياء في الخلايا والكائنات الحية. تشير الأبحاث إلى أن التأثيرات الكمية تؤثر على الوظائف البيولوجية ، بما في ذلك تنظيم نشاط الانزيم, استشعار المجالات المغناطيسية, استقلاب الخليةو نقل الإلكترون في الجزيئات الحيوية.

كيفية دراسة علم الأحياء الكم

إن الاحتمال المثير للإعجاب بأن التأثيرات الكمية الدقيقة يمكن أن تعدل العمليات البيولوجية يمثل حدودًا مثيرة وتحديًا للعلماء. تتطلب دراسة التأثيرات الميكانيكية الكمومية في علم الأحياء أدوات يمكنها قياس المقاييس الزمنية القصيرة ، والمقاييس الصغيرة ، والاختلافات الدقيقة في الحالات الكمومية التي تؤدي إلى تغييرات فسيولوجية - كلها مدمجة في بيئة المختبر الرطب التقليدية.

في عملي، أقوم ببناء أدوات لدراسة والتحكم في الخصائص الكمومية للأشياء الصغيرة مثل الإلكترونات. بنفس الطريقة التي تمتلك بها الإلكترونات كتلة وشحنة ، فإن لها أيضًا تسمى الخاصية الكمومية بالدوران. يحدد السبين كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال المغناطيسي ، بنفس الطريقة التي تحدد بها الشحنة كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال الكهربائي. التجارب الكمية التي كنت أقوم ببنائها منذ التخرج من المدرسة، والآن في مختبري الخاص ، أهدف إلى تطبيق مجالات مغناطيسية مخصصة لتغيير دوران إلكترونات معينة.

أثبتت الأبحاث أن العديد من العمليات الفسيولوجية تتأثر بالمجالات المغناطيسية الضعيفة. وتشمل هذه العمليات تطوير الخلايا الجذعية و إنضاج, معدلات تكاثر الخلايا, إصلاح المادة الجينيةو عدد لا يحصى من الآخرين. تتوافق هذه الاستجابات الفسيولوجية للحقول المغناطيسية مع التفاعلات الكيميائية التي تعتمد على دوران إلكترونات معينة داخل الجزيئات. وبالتالي ، فإن تطبيق مجال مغناطيسي ضعيف لتغيير سبينات الإلكترون يمكن أن يتحكم بشكل فعال في المنتجات النهائية للتفاعل الكيميائي ، مع عواقب فسيولوجية مهمة.

في الوقت الحالي ، يمنع عدم فهم كيفية عمل مثل هذه العمليات على المستوى النانوي الباحثين من تحديد قوة وتكرار المجالات المغناطيسية التي تسبب تفاعلات كيميائية محددة في الخلايا. إن تقنيات الهواتف الخلوية الحالية والقابلة للارتداء والتصغير كافية بالفعل للإنتاج المجالات المغناطيسية الضعيفة والمصممة خصيصًا لتغيير علم وظائف الأعضاء، في كل من الخير والشر. الجزء المفقود من اللغز هو ، بالتالي ، "كتاب الشفرات الحتمية" لكيفية تعيين الأسباب الكمومية للنتائج الفسيولوجية.

في المستقبل ، يمكن لضبط الخصائص الكمومية للطبيعة أن يمكّن الباحثين من تطوير أجهزة علاجية غير باضعة ، ويمكن التحكم فيها عن بعد ، ويمكن الوصول إليها باستخدام الهاتف المحمول. يمكن استخدام العلاجات الكهرومغناطيسية للوقاية من الأمراض وعلاجها ، مثل أورام الدماغ، وكذلك في التصنيع الحيوي ، مثل زيادة إنتاج اللحوم المزروعة في المختبر.

طريقة جديدة تمامًا لممارسة العلم

علم الأحياء الكم هو أحد المجالات متعددة التخصصات التي ظهرت على الإطلاق. كيف تبني المجتمع وتدرب العلماء للعمل في هذا المجال؟

منذ الوباء ، قام مختبري في جامعة كاليفورنيا ولوس أنجلوس ومركز تدريب الدكتوراه في علم الأحياء الكمومي التابع لجامعة سري بتنظيم اجتماعات بيولوجيا الكم الكبيرة لتوفير منتدى أسبوعي غير رسمي للباحثين للالتقاء وتبادل خبراتهم في مجالات مثل فيزياء الكم السائدة والفيزياء الحيوية والطب والكيمياء والبيولوجيا.

ستتطلب الأبحاث ذات الآثار التحويلية المحتملة للبيولوجيا والطب والعلوم الفيزيائية العمل ضمن نموذج تحولي من التعاون. سيسمح العمل في مختبر موحد للعلماء من التخصصات التي تتخذ مناهج مختلفة جدًا للبحث لإجراء تجارب تلبي اتساع نطاق بيولوجيا الكم من الكم إلى الجزيئي والخلوي والكائن الحي.

يعني وجود علم الأحياء الكمومي كنظام دراسي أن الفهم التقليدي لعمليات الحياة غير مكتمل. ستؤدي الأبحاث الإضافية إلى رؤى جديدة حول السؤال القديم حول ماهية الحياة ، وكيف يمكن التحكم فيها ، وكيفية التعلم مع الطبيعة لبناء تقنيات كمومية أفضل.المحادثة

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

الصورة الائتمان: أنيرود / Unsplash

الطابع الزمني:

اكثر من التفرد المحور