Kvantbioloogia võib muuta meie arusaama elu toimimisest

Kujutage ette, et kasutate oma mobiiltelefoni oma rakkude aktiivsuse kontrollimiseks vigastuste ja haiguste raviks. See kõlab nagu midagi liiga optimistliku ulmekirjaniku kujutlusvõimest. Kuid ühel päeval võib see kvantbioloogia areneva valdkonna kaudu olla võimalik.

Viimastel aastakümnetel on teadlased saavutanud uskumatuid edusamme bioloogiliste süsteemide mõistmisel ja nendega manipuleerimisel üha väiksemates mastaapides. valgu voltimine et geenitehnoloogia. Siiski on vaevu mõistetav, mil määral kvantefektid elussüsteeme mõjutavad.

Kvantefektid on aatomite ja molekulide vahel esinevad nähtused, mida ei saa klassikalise füüsikaga seletada. Juba üle sajandi on teada, et klassikalise mehaanika reeglid, nagu Newtoni liikumisseadused, lagunevad aatomiskaalal. Selle asemel käituvad pisikesed objektid vastavalt erinevatele seadustele, mida tuntakse kui kvantmehaanika.

Inimestele, kes suudavad tajuda ainult makroskoopilist maailma või seda, mis on palja silmaga nähtav, võib kvantmehaanika tunduda vastuoluline ja mõneti maagiline. Kvantmaailmas juhtub asju, mida te ei pruugi oodata elektronid "tunneldavad" läbi pisikesed energiabarjäärid ja ilmuvad teisele poole vigastamata või viibivad kahes erinevas kohas korraga nähtus, mida nimetatakse superpositsiooniks.

Olen koolitatud a kvantinsener. Kvantmehaanika uuringud on tavaliselt suunatud tehnoloogiale. Kuid ja mõnevõrra üllataval kombel on üha rohkem tõendeid selle kohta, et loodus – miljardite aastate pikkuse praktikaga insener – on õppinud, kuidas optimaalseks toimimiseks kasutada kvantmehaanikat. Kui see on tõesti tõsi, tähendab see, et meie arusaam bioloogiast on radikaalselt puudulik. See tähendab ka seda, et me saaksime kontrollida füsioloogilisi protsesse, kasutades bioloogilise aine kvantomadusi.

Kvantsus bioloogias on tõenäoliselt tõeline

Teadlased saavad parema tehnoloogia loomiseks manipuleerida kvantnähtustega. Tegelikult elate juba a kvantjõul töötav maailm: laserosutitest GPS-i, magnetresonantstomograafia ja arvuti transistorideni – kõik need tehnoloogiad põhinevad kvantefektidel.

Üldiselt ilmnevad kvantefektid ainult väga väikese pikkuse ja massi korral või siis, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile. Seda seetõttu, et kvantobjektid nagu aatomid ja molekulid kaotavad oma "kvantsuse" kui nad omavahel ja oma keskkonnaga kontrollimatult suhtlevad. Teisisõnu kirjeldavad makroskoopilist kvantobjektide kogumit paremini klassikalise mehaanika seadused. Kõik, mis algab kvantiga, sureb klassikaliselt. Näiteks saab elektroni manipuleerida nii, et see oleks korraga kahes kohas, kuid see jõuab mõne aja pärast ainult ühte kohta – täpselt nii, nagu klassikaliselt eeldataks.

Keerulises mürarikkas bioloogilises süsteemis on seega oodata, et enamik kvantefekte kaob kiiresti, pestakse välja selles, mida füüsik Erwin Schrödinger nimetas.raku soe ja märg keskkond.” Enamiku füüsikute jaoks tähendab tõsiasi, et elusmaailm tegutseb kõrgendatud temperatuuridel ja keerulistes keskkondades, seda, et bioloogiat saab adekvaatselt ja täielikult kirjeldada klassikalise füüsikaga: puudub funky barjääri ületamine, ei ole korraga mitmes kohas.

Keemikud on aga pikka aega eriarvamust palunud. Põhiliste keemiliste reaktsioonide uurimine toatemperatuuril näitab seda ühemõtteliselt biomolekulides toimuvad protsessid nagu valgud ja geneetiline materjal on kvantefektide tulemus. Oluline on see, et sellised nanoskoopilised lühiajalised kvantefektid on kooskõlas mõningate makroskoopiliste füsioloogiliste protsesside juhtimisega, mida bioloogid on elusrakkudes ja organismides mõõtnud. Uuringud näitavad, et kvantefektid mõjutavad bioloogilisi funktsioone, sealhulgas ensüümi aktiivsuse reguleerimine, magnetväljade tunnetamine, rakkude metabolismja elektronide transport biomolekulides.

Kuidas õppida kvantbioloogiat

Ahvatlev võimalus, et peened kvantefektid võivad bioloogilisi protsesse muuta, on teadlastele nii põnev piir kui ka väljakutse. Kvantmehaaniliste mõjude uurimine bioloogias nõuab tööriistu, mis suudavad mõõta lühikesi ajaskaalasid, väikese pikkusega skaalasid ja peeneid erinevusi kvantseisundites, mis põhjustavad füsioloogilisi muutusi – kõik integreeritud traditsioonilisse märglabori keskkonda.

Minu töös, Ehitan instrumente väikeste asjade, näiteks elektronide kvantomaduste uurimiseks ja juhtimiseks. Samamoodi nagu elektronidel on mass ja laeng, on neil ka a kvantomadus, mida nimetatakse spiniks. Spin määrab, kuidas elektronid interakteeruvad magnetväljaga, samamoodi nagu laeng määrab elektronide ja elektrivälja vastasmõju. Kvantkatsed, mida olen ehitanud alates aspirantuurist, ja nüüd minu enda laboris, eesmärk on rakendada kohandatud magnetvälju, et muuta teatud elektronide spinne.

Uuringud on näidanud, et nõrgad magnetväljad mõjutavad paljusid füsioloogilisi protsesse. Need protsessid hõlmavad tüvirakkude areng ja Küpsemine, rakkude proliferatsiooni kiirused, geneetilise materjali parandamineja lugematu arv teisi. Need füsioloogilised reaktsioonid magnetväljadele on kooskõlas keemiliste reaktsioonidega, mis sõltuvad konkreetsete elektronide spinnist molekulides. Nõrga magnetvälja rakendamine elektronide spinnide muutmiseks võib seega tõhusalt kontrollida keemilise reaktsiooni lõppprodukte, millel on olulised füsioloogilised tagajärjed.

Praegu ei lase teadlastel täpselt kindlaks teha, milline magnetväljade tugevus ja sagedus põhjustavad rakkudes spetsiifilisi keemilisi reaktsioone, arusaamise puudumine selle kohta, kuidas sellised protsessid nanoskaala tasemel toimivad. Praegused mobiiltelefonid, kantavad ja miniatuursed tehnoloogiad on tootmiseks juba piisavad kohandatud nõrgad magnetväljad, mis muudavad füsioloogiat, nii heas kui halvas. Puuduv pusletükk on seega "deterministlik koodiraamat", kuidas kaardistada kvantpõhjused füsioloogilisteks tulemusteks.

Tulevikus võib looduse kvantomaduste peenhäälestus võimaldada teadlastel välja töötada mitteinvasiivseid, kaugjuhitavaid ja mobiiltelefoniga ligipääsetavaid terapeutilisi seadmeid. Elektromagnetravi võib potentsiaalselt kasutada haiguste ennetamiseks ja raviks, nagu ajukasvajad, samuti biotootmises, nt laboris kasvatatud liha tootmise suurendamine.

Täiesti uus viis teaduse tegemiseks

Kvantbioloogia on üks interdistsiplinaarsemaid valdkondi, mis on kunagi tekkinud. Kuidas luua kogukonda ja koolitada teadlasi selles valdkonnas töötama?

Alates pandeemiast on minu labor California ülikoolis Los Angeleses ja Surrey ülikooli kvantbioloogia doktoriõppe keskus korraldanud Suured kvantbioloogia koosolekud pakkuda teadlastele mitteametlikku iganädalast foorumit, et kohtuda ja jagada oma teadmisi sellistes valdkondades nagu peavoolu kvantfüüsika, biofüüsika, meditsiin, keemia ja bioloogia.

Teadusuuringud, millel on potentsiaalselt muutlikud tagajärjed bioloogiale, meditsiinile ja füüsikalistele teadustele, nõuavad tööd sama ümberkujundava koostöömudeli raames. Ühes ühtses laboris töötamine võimaldaks teadusuuringutele väga erinevat lähenemist kasutavate teadusharude teadlastel läbi viia eksperimente, mis vastavad kvantbioloogia laiusele kvantidest molekulaarsete, rakuliste ja organismideni.

Kvantbioloogia kui distsipliini olemasolu viitab sellele, et traditsiooniline arusaam eluprotsessidest on puudulik. Edasised uuringud viivad uute arusaamadeni igivanast küsimusest, mis on elu, kuidas seda kontrollida ja kuidas õppida koos loodusega paremate kvanttehnoloogiate ehitamiseks.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Image Credit: ANIRUDH / Unsplash

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/