زیست‌شناسی کوانتومی می‌تواند درک ما از نحوه عملکرد زندگی را متحول کند

زیست‌شناسی کوانتومی می‌تواند درک ما از نحوه عملکرد زندگی را متحول کند

تمبر زمان: 19 مه 2023، 10:00 صبح

تصور کنید از تلفن همراه خود برای کنترل فعالیت سلول های خود برای درمان آسیب ها و بیماری ها استفاده می کنید. به نظر می رسد چیزی از تخیل یک نویسنده علمی تخیلی بیش از حد خوش بین است. اما این ممکن است روزی از طریق حوزه نوظهور زیست شناسی کوانتومی امکان پذیر باشد.

در طول چند دهه گذشته، دانشمندان پیشرفت های باورنکردنی در درک و دستکاری سیستم های بیولوژیکی در مقیاس های کوچکتر داشته اند. تا شدن پروتئین به مهندسی ژنتیک. و با این حال، میزان تأثیر اثرات کوانتومی بر سیستم‌های زنده به سختی قابل درک است.

اثرات کوانتومی پدیده‌هایی هستند که بین اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهند که توسط فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیستند. بیش از یک قرن است که شناخته شده است که قوانین مکانیک کلاسیک، مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی تجزیه می شود. درعوض، اجسام ریز بر اساس مجموعه قوانین متفاوتی رفتار می کنند که به آن معروف است مکانیک کوانتومی.

برای انسان‌هایی که فقط می‌توانند دنیای ماکروسکوپی یا آنچه را که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است درک کنند، مکانیک کوانتومی می‌تواند خلاف واقع و تا حدودی جادویی به نظر برسد. چیزهایی که ممکن است انتظار نداشته باشید در دنیای کوانتومی رخ دهند، مانند الکترون ها در حال "تونل زدن" هستند موانع انرژی کوچک و ظاهر شدن در طرف دیگر بدون آسیب یا قرار گرفتن همزمان در دو مکان مختلف در یک پدیده ای به نام برهم نهی.

من به عنوان یک آموزش دیده ام مهندس کوانتوم. تحقیقات در مکانیک کوانتومی معمولاً به سمت فناوری است. با این حال، و تا حدودی شگفت‌انگیز، شواهد فزاینده‌ای وجود دارد که نشان می‌دهد طبیعت – یک مهندس با میلیاردها سال تمرین – آموخته است که چگونه از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهینه استفاده کنید. اگر این واقعاً درست باشد، به این معنی است که درک ما از زیست شناسی کاملاً ناقص است. همچنین به این معنی است که ما احتمالاً می‌توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با استفاده از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل کنیم.

کوانتومی در زیست شناسی احتمالاً واقعی است

محققان می توانند پدیده های کوانتومی را برای ساخت فناوری بهتر دستکاری کنند. در واقع، شما در حال حاضر در یک زندگی می کنید دنیای کوانتومی: از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، تصویربرداری تشدید مغناطیسی و ترانزیستورهای موجود در رایانه شما - همه این فناوری‌ها به اثرات کوانتومی متکی هستند.

به طور کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس‌های طولی و جرمی بسیار کوچک یا زمانی که دما به صفر مطلق نزدیک می‌شود، ظاهر می‌شود. این به این دلیل است که اجسام کوانتومی مانند اتم ها و مولکول ها هستند "کوانتومی" خود را از دست بدهند هنگامی که آنها به طور غیرقابل کنترلی با یکدیگر و محیط خود تعامل دارند. به عبارت دیگر، مجموعه ای ماکروسکوپی از اجسام کوانتومی با قوانین مکانیک کلاسیک بهتر توصیف می شود. هر چیزی که کوانتومی را شروع می کند کلاسیک می میرد. برای مثال، می‌توان یک الکترون را طوری دستکاری کرد که همزمان در دو مکان باشد، اما پس از مدت کوتاهی تنها در یک مکان قرار می‌گیرد - دقیقاً همان چیزی که در کلاسیک انتظار می‌رود.

در یک سیستم بیولوژیکی پیچیده و پر سر و صدا، انتظار می رود که بیشتر اثرات کوانتومی به سرعت ناپدید شوند، آنچه که اروین شرودینگر فیزیکدان نامیده است.محیط گرم و مرطوب سلول" برای اکثر فیزیکدانان، این واقعیت که جهان زنده در دماهای بالا و در محیط های پیچیده عمل می کند، به این معناست که زیست شناسی را می توان به اندازه کافی و به طور کامل توسط فیزیک کلاسیک توصیف کرد: بدون عبور از مانع بد بو، عدم حضور همزمان در چندین مکان.

شیمیدانان، با این حال، برای مدت طولانی التماس به تفاوت. تحقیقات روی واکنش های شیمیایی پایه در دمای اتاق به طور واضح نشان می دهد که فرآیندهایی که در زیست مولکول ها رخ می دهند مانند پروتئین ها و مواد ژنتیکی نتیجه اثرات کوانتومی هستند. نکته مهم این است که چنین اثرات کوانتومی نانوسکوپی و کوتاه مدت با هدایت برخی از فرآیندهای فیزیولوژیکی ماکروسکوپی که زیست شناسان در سلول ها و موجودات زنده اندازه گیری کرده اند، سازگار است. تحقیقات نشان می دهد که اثرات کوانتومی بر عملکردهای بیولوژیکی، از جمله تنظیم فعالیت آنزیم, سنجش میدان های مغناطیسی, متابولیسم سلولو انتقال الکترون در بیومولکول ها.

نحوه مطالعه زیست شناسی کوانتومی

این احتمال وسوسه انگیز که اثرات کوانتومی ظریف می تواند فرآیندهای بیولوژیکی را تغییر دهد، هم مرز هیجان انگیز و هم چالشی را برای دانشمندان ایجاد می کند. مطالعه اثرات مکانیکی کوانتومی در زیست‌شناسی به ابزارهایی نیاز دارد که بتوانند مقیاس‌های زمانی کوتاه، مقیاس‌های طول کوچک و تفاوت‌های ظریف در حالت‌های کوانتومی را که منجر به تغییرات فیزیولوژیکی می‌شوند اندازه‌گیری کنند - همه در یک محیط آزمایشگاهی مرطوب سنتی یکپارچه شده‌اند.

در کار من، من ابزارهایی برای مطالعه و کنترل خواص کوانتومی چیزهای کوچک مانند الکترون می سازم. همانطور که الکترون ها جرم و بار دارند، الف نیز دارند خاصیت کوانتومی به نام اسپین. اسپین نحوه برهمکنش الکترون ها با میدان مغناطیسی را مشخص می کند، به همان ترتیبی که بار نحوه برهمکنش الکترون ها با یک میدان الکتریکی را مشخص می کند. آزمایش های کوانتومی که من ساخته ام از دوران تحصیلات تکمیلیو اکنون در آزمایشگاه خودم، هدف از اعمال میدان های مغناطیسی مناسب برای تغییر اسپین الکترون های خاص است.

تحقیقات نشان داده است که بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی تحت تأثیر میدان های مغناطیسی ضعیف هستند. این فرآیندها شامل توسعه سلول های بنیادی و بلوغ, نرخ تکثیر سلولی, ترمیم مواد ژنتیکیو تعداد بی شماری دیگر. این پاسخ های فیزیولوژیکی به میدان های مغناطیسی با واکنش های شیمیایی که به اسپین الکترون های خاص درون مولکول ها بستگی دارد، سازگار است. بنابراین اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف برای تغییر اسپین های الکترون می تواند به طور موثری محصولات نهایی یک واکنش شیمیایی را با پیامدهای فیزیولوژیکی مهم کنترل کند.

در حال حاضر، عدم درک چگونگی عملکرد چنین فرآیندهایی در سطح نانو، محققان را از تعیین دقیق قدرت و فرکانس میدان های مغناطیسی که باعث واکنش های شیمیایی خاص در سلول ها می شود، باز می دارد. فن آوری های فعلی تلفن همراه، پوشیدنی و کوچک سازی برای تولید کافی است میدان های مغناطیسی مناسب و ضعیفی که فیزیولوژی را تغییر می دهند، هم برای خوب و هم برای بد. از این رو، قطعه گمشده این پازل یک «کتاب رمز قطعی» از نحوه ترسیم علل کوانتومی برای نتایج فیزیولوژیکی است.

در آینده، تنظیم دقیق ویژگی‌های کوانتومی طبیعت می‌تواند محققان را قادر به ساخت دستگاه‌های درمانی غیرتهاجمی، کنترل از راه دور و قابل دسترسی با تلفن همراه کند. درمان های الکترومغناطیسی می توانند به طور بالقوه برای پیشگیری و درمان بیماری هایی مانند تومورهای مغزی، و همچنین در تولید زیستی، مانند افزایش تولید گوشت آزمایشگاهی.

یک روش کاملاً جدید برای انجام علم

زیست‌شناسی کوانتومی یکی از میان‌رشته‌ای‌ترین رشته‌هایی است که تاکنون پدید آمده است. چگونه می توانید جامعه بسازید و دانشمندانی را برای کار در این زمینه تربیت کنید؟

از زمان همه گیری، آزمایشگاه من در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس و مرکز آموزش دکتری زیست شناسی کوانتومی دانشگاه ساری سازماندهی کرده اند. نشست های بزرگ زیست شناسی کوانتومی برای فراهم کردن یک انجمن غیررسمی هفتگی برای محققان برای ملاقات و به اشتراک گذاشتن تخصص خود در زمینه هایی مانند فیزیک کوانتومی، بیوفیزیک، پزشکی، شیمی و زیست شناسی.

تحقیقات با پیامدهای بالقوه دگرگون کننده برای زیست شناسی، پزشکی و علوم فیزیکی نیاز به کار در یک مدل همکاری به همان اندازه متحول کننده دارد. کار در یک آزمایشگاه یکپارچه به دانشمندان رشته‌هایی که رویکردهای بسیار متفاوتی برای تحقیق دارند این امکان را می‌دهد تا آزمایش‌هایی را انجام دهند که گستره زیست‌شناسی کوانتومی را از کوانتومی تا مولکولی، سلولی و ارگانیسمی برآورده می‌کند.

وجود زیست شناسی کوانتومی به عنوان یک رشته حاکی از آن است که درک سنتی از فرآیندهای زندگی ناقص است. تحقیقات بیشتر منجر به بینش های جدیدی در مورد این سوال قدیمی می شود که زندگی چیست، چگونه می توان آن را کنترل کرد و چگونه می توان با طبیعت برای ساخت فناوری های کوانتومی بهتر یاد گرفت.گفتگو

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: انیرود / می Unsplash

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب