Η κβαντική βιολογία θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί η ζωή

Η κβαντική βιολογία θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί η ζωή

Χρονική σήμανση: 19 Μαΐου 2023 10:00 π.μ.

Φανταστείτε να χρησιμοποιείτε το κινητό σας τηλέφωνο για να ελέγχετε τη δραστηριότητα των δικών σας κυττάρων για τη θεραπεία τραυματισμών και ασθενειών. Ακούγεται σαν κάτι από τη φαντασία ενός υπερβολικά αισιόδοξου συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας. Αλλά αυτό μπορεί μια μέρα να είναι μια πιθανότητα μέσω του αναδυόμενου τομέα της κβαντικής βιολογίας.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει απίστευτη πρόοδο στην κατανόηση και τον χειρισμό βιολογικών συστημάτων σε όλο και πιο μικρή κλίμακα, από δίπλωμα πρωτεΐνης προς την γενετικής μηχανικής. Και όμως, ο βαθμός στον οποίο τα κβαντικά φαινόμενα επηρεάζουν τα ζωντανά συστήματα παραμένει ελάχιστα κατανοητός.

Τα κβαντικά φαινόμενα είναι φαινόμενα που συμβαίνουν μεταξύ ατόμων και μορίων που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασική φυσική. Είναι γνωστό για περισσότερο από έναν αιώνα ότι οι κανόνες της κλασικής μηχανικής, όπως οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα, διασπώνται σε ατομική κλίμακα. Αντίθετα, τα μικροσκοπικά αντικείμενα συμπεριφέρονται σύμφωνα με ένα διαφορετικό σύνολο νόμων που είναι γνωστό ως κβαντική μηχανική.

Για τους ανθρώπους, που μπορούν να αντιληφθούν μόνο τον μακροσκοπικό κόσμο, ή ό,τι είναι ορατό με γυμνό μάτι, η κβαντική μηχανική μπορεί να φαίνεται αντιφατική και κάπως μαγική. Πράγματα που ίσως δεν περιμένατε να συμβούν στον κβαντικό κόσμο, όπως ηλεκτρόνια που «τρυπώνουν» μέσα μικροσκοπικά ενεργειακά εμπόδια και εμφανίζονται στην άλλη πλευρά αλώβητοι ή βρίσκονται σε δύο διαφορετικά σημεία ταυτόχρονα σε φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.

Εκπαιδεύομαι ως α κβαντικός μηχανικός. Η έρευνα στην κβαντική μηχανική είναι συνήθως προσανατολισμένη προς την τεχνολογία. Ωστόσο, και κάπως εκπληκτικά, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η φύση - ένας μηχανικός με δισεκατομμύρια χρόνια πρακτικής - έχει μάθει πώς να χρησιμοποιήστε την κβαντική μηχανική για να λειτουργήσετε βέλτιστα. Αν αυτό είναι πράγματι αλήθεια, σημαίνει ότι η κατανόησή μας για τη βιολογία είναι ριζικά ελλιπής. Σημαίνει επίσης ότι θα μπορούσαμε ενδεχομένως να ελέγξουμε τις φυσιολογικές διεργασίες χρησιμοποιώντας τις κβαντικές ιδιότητες της βιολογικής ύλης.

Το κβαντικό στη βιολογία είναι πιθανώς πραγματικό

Οι ερευνητές μπορούν να χειριστούν τα κβαντικά φαινόμενα για να δημιουργήσουν καλύτερη τεχνολογία. Στην πραγματικότητα, ζείτε ήδη σε ένα κόσμος με κβαντική ενέργεια: από δείκτες λέιζερ έως GPS, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και τα τρανζίστορ στον υπολογιστή σας—όλες αυτές οι τεχνολογίες βασίζονται σε κβαντικά εφέ.

Γενικά, τα κβαντικά φαινόμενα εκδηλώνονται μόνο σε πολύ μικρές κλίμακες μήκους και μάζας ή όταν οι θερμοκρασίες πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κβαντικά αντικείμενα όπως τα άτομα και τα μόρια χάνουν την «κβαντικότητά» τους όταν αλληλεπιδρούν ανεξέλεγκτα μεταξύ τους και το περιβάλλον τους. Με άλλα λόγια, μια μακροσκοπική συλλογή κβαντικών αντικειμένων περιγράφεται καλύτερα από τους νόμους της κλασικής μηχανικής. Όλα όσα ξεκινούν κβαντικά πεθαίνουν κλασικά. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να χειραγωγηθεί ώστε να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα, αλλά θα καταλήξει σε ένα μόνο μέρος μετά από λίγο - ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς κλασικά.

Σε ένα περίπλοκο, θορυβώδες βιολογικό σύστημα, αναμένεται επομένως ότι τα περισσότερα κβαντικά φαινόμενα θα εξαφανιστούν γρήγορα, ξεπλύθηκαν σε αυτό που ο φυσικός Erwin Schrödinger αποκάλεσε «ζεστό, υγρό περιβάλλον του κυττάρου.» Για τους περισσότερους φυσικούς, το γεγονός ότι ο ζωντανός κόσμος λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες και σε πολύπλοκα περιβάλλοντα υποδηλώνει ότι η βιολογία μπορεί να περιγραφεί επαρκώς και πλήρως από την κλασική φυσική: χωρίς funky διάσχιση φραγμού, χωρίς ύπαρξη σε πολλές τοποθεσίες ταυτόχρονα.

Οι χημικοί, ωστόσο, για πολύ καιρό εκλιπαρούσαν να διαφέρουν. Η έρευνα για τις βασικές χημικές αντιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου το δείχνει ξεκάθαρα διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα βιομόρια όπως οι πρωτεΐνες και το γενετικό υλικό είναι αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Είναι σημαντικό ότι τέτοια νανοσκοπικά, βραχύβια κβαντικά αποτελέσματα συνάδουν με την οδήγηση ορισμένων μακροσκοπικών φυσιολογικών διεργασιών που οι βιολόγοι έχουν μετρήσει σε ζωντανά κύτταρα και οργανισμούς. Η έρευνα προτείνει ότι τα κβαντικά αποτελέσματα επηρεάζουν τις βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένων ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότητας, ανιχνεύοντας μαγνητικά πεδία, κυτταρικού μεταβολισμού, να μεταφορά ηλεκτρονίων σε βιομόρια.

Πώς να μελετήσετε την Κβαντική Βιολογία

Η δελεαστική πιθανότητα ότι τα ανεπαίσθητα κβαντικά αποτελέσματα μπορούν να τροποποιήσουν τις βιολογικές διεργασίες αποτελεί τόσο συναρπαστικό σύνορο όσο και πρόκληση για τους επιστήμονες. Η μελέτη των κβαντομηχανικών επιδράσεων στη βιολογία απαιτεί εργαλεία που μπορούν να μετρήσουν τις μικρές χρονικές κλίμακες, τις μικρές κλίμακες μήκους και τις λεπτές διαφορές στις κβαντικές καταστάσεις που προκαλούν φυσιολογικές αλλαγές - όλα ενσωματωμένα σε ένα παραδοσιακό υγρό εργαστηριακό περιβάλλον.

Στη δουλειά μου, κατασκευάζω όργανα για τη μελέτη και τον έλεγχο των κβαντικών ιδιοτήτων μικρών πραγμάτων όπως τα ηλεκτρόνια. Με τον ίδιο τρόπο που τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα και φορτίο, έχουν επίσης α κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Το Spin καθορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα μαγνητικό πεδίο, με τον ίδιο τρόπο που το φορτίο ορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα κβαντικά πειράματα που έχω δημιουργήσει από το μεταπτυχιακό, και τώρα στο δικό μου εργαστήριο, στοχεύω να εφαρμόσω προσαρμοσμένα μαγνητικά πεδία για να αλλάξω τα σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων.

Η έρευνα έχει δείξει ότι πολλές φυσιολογικές διεργασίες επηρεάζονται από ασθενή μαγνητικά πεδία. Αυτές οι διαδικασίες περιλαμβάνουν ανάπτυξη βλαστοκυττάρων και ωρίμανση, ρυθμούς πολλαπλασιασμού των κυττάρων, επισκευή γενετικού υλικού, να αμέτρητα άλλα. Αυτές οι φυσιολογικές αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία είναι συνεπείς με χημικές αντιδράσεις που εξαρτώνται από το σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων μέσα στα μόρια. Η εφαρμογή ενός ασθενούς μαγνητικού πεδίου για την αλλαγή των σπιν ηλεκτρονίων μπορεί έτσι να ελέγξει αποτελεσματικά τα τελικά προϊόντα μιας χημικής αντίδρασης, με σημαντικές φυσιολογικές συνέπειες.

Επί του παρόντος, η έλλειψη κατανόησης του τρόπου λειτουργίας τέτοιων διεργασιών σε επίπεδο νανοκλίμακα εμποδίζει τους ερευνητές να προσδιορίσουν ακριβώς ποια ένταση και συχνότητα των μαγνητικών πεδίων προκαλούν συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα. Οι τρέχουσες τεχνολογίες κινητών τηλεφώνων, φορητών συσκευών και μικρογραφίας επαρκούν ήδη για την παραγωγή προσαρμοσμένα, ασθενή μαγνητικά πεδία που αλλάζουν τη φυσιολογία, και για καλό και για κακό. Το κομμάτι του παζλ που λείπει είναι, επομένως, ένα «ντετερμινιστικό βιβλίο κωδικών» για το πώς να χαρτογραφηθούν οι κβαντικές αιτίες στα φυσιολογικά αποτελέσματα.

Στο μέλλον, η βελτίωση των κβαντικών ιδιοτήτων της φύσης θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να αναπτύξουν θεραπευτικές συσκευές που να είναι μη επεμβατικές, ελεγχόμενες από απόσταση και προσβάσιμες με ένα κινητό τηλέφωνο. Οι ηλεκτρομαγνητικές θεραπείες θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και τη θεραπεία ασθενειών, όπως π.χ όγκους του εγκεφάλου, καθώς και στη βιοκατασκευή, όπως π.χ αύξηση της παραγωγής κρέατος που καλλιεργείται στο εργαστήριο.

Ένας εντελώς νέος τρόπος επιστήμης

Η κβαντική βιολογία είναι ένα από τα πιο διεπιστημονικά πεδία που έχουν εμφανιστεί ποτέ. Πώς δημιουργείτε κοινότητα και πώς εκπαιδεύετε επιστήμονες να εργαστούν σε αυτόν τον τομέα;

Από την πανδημία, το εργαστήριό μου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες και το Κέντρο Εκπαίδευσης Διδακτορικής Κβαντικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου του Surrey έχουν οργανώσει Μεγάλες συναντήσεις Κβαντικής Βιολογίας να παρέχει ένα άτυπο εβδομαδιαίο φόρουμ για τους ερευνητές που θα συναντώνται και θα μοιράζονται την τεχνογνωσία τους σε τομείς όπως η κύρια κβαντική φυσική, η βιοφυσική, η ιατρική, η χημεία και η βιολογία.

Η έρευνα με δυνητικά μετασχηματιστικές επιπτώσεις για τη βιολογία, την ιατρική και τις φυσικές επιστήμες θα απαιτήσει εργασία σε ένα εξίσου μετασχηματιστικό μοντέλο συνεργασίας. Η εργασία σε ένα ενοποιημένο εργαστήριο θα επέτρεπε σε επιστήμονες από κλάδους που ακολουθούν πολύ διαφορετικές προσεγγίσεις στην έρευνα να διεξάγουν πειράματα που ανταποκρίνονται στο εύρος της κβαντικής βιολογίας από την κβαντική έως την μοριακή, την κυτταρική και την οργανική.

Η ύπαρξη της κβαντικής βιολογίας ως κλάδου υποδηλώνει ότι η παραδοσιακή κατανόηση των διαδικασιών της ζωής είναι ελλιπής. Περαιτέρω έρευνα θα οδηγήσει σε νέες γνώσεις σχετικά με το πανάρχαιο ερώτημα του τι είναι η ζωή, πώς μπορεί να ελεγχθεί και πώς να μάθουμε με τη φύση για να χτίσουμε καλύτερες κβαντικές τεχνολογίες.Η Συνομιλία

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Image Credit: ANIRUDH / Unsplash

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας