जीवन कैसे काम करता है, इस बारे में हमारी समझ में क्रांति ला सकता है क्वांटम जीव विज्ञान

चोटों और बीमारी के इलाज के लिए अपने स्वयं के कोशिकाओं की गतिविधि को नियंत्रित करने के लिए अपने सेल फोन का उपयोग करने की कल्पना करें। यह एक अति आशावादी विज्ञान कथा लेखक की कल्पना से कुछ ऐसा लगता है। लेकिन यह एक दिन क्वांटम जीव विज्ञान के उभरते हुए क्षेत्र के माध्यम से एक संभावना हो सकती है।

पिछले कुछ दशकों में, वैज्ञानिकों ने तेजी से छोटे पैमाने पर जैविक प्रणालियों को समझने और हेरफेर करने में अविश्वसनीय प्रगति की है प्रोटीन की तह सेवा मेरे जेनेटिक इंजीनियरिंग. और फिर भी, क्वांटम प्रभाव किस हद तक जीवित प्रणालियों को प्रभावित करते हैं, यह मुश्किल से समझा जा सकता है।

क्वांटम प्रभाव ऐसी घटनाएँ हैं जो परमाणुओं और अणुओं के बीच होती हैं जिन्हें शास्त्रीय भौतिकी द्वारा नहीं समझाया जा सकता है। यह एक सदी से भी अधिक समय से ज्ञात है कि शास्त्रीय यांत्रिकी के नियम, जैसे न्यूटन के गति के नियम, परमाणु पैमाने पर टूटना. इसके बजाय, छोटी वस्तुएं अलग-अलग कानूनों के अनुसार व्यवहार करती हैं जिन्हें कहा जाता है क्वांटम यांत्रिकी.

मनुष्यों के लिए, जो केवल मैक्रोस्कोपिक दुनिया को देख सकते हैं, या जो नग्न आंखों को दिखाई दे रहा है, क्वांटम यांत्रिकी उल्टा और कुछ हद तक जादुई लग सकता है। आप क्वांटम दुनिया में होने वाली चीजों की उम्मीद नहीं कर सकते हैं, जैसे इलेक्ट्रॉन "टनलिंग" के माध्यम से छोटी ऊर्जा बाधाएं और दूसरी तरफ बिना किसी नुकसान के दिखाई देना, या एक ही समय में दो अलग-अलग जगहों पर होना सुपरपोज़िशन नामक घटना.

मुझे एक के रूप में प्रशिक्षित किया गया है क्वांटम इंजीनियर. क्वांटम यांत्रिकी में अनुसंधान आमतौर पर प्रौद्योगिकी की ओर अग्रसर होता है। हालाँकि, और कुछ हद तक आश्चर्यजनक रूप से, इस बात के प्रमाण बढ़ रहे हैं कि प्रकृति-अरबों वर्षों के अभ्यास के साथ एक इंजीनियर-ने सीखा है कि कैसे इष्टतम कार्य करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करें. यदि यह वास्तव में सत्य है, तो इसका अर्थ है कि जीव विज्ञान के बारे में हमारी समझ मौलिक रूप से अधूरी है। इसका यह भी अर्थ है कि हम जैविक पदार्थ के क्वांटम गुणों का उपयोग करके संभवतः शारीरिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित कर सकते हैं।

जीव विज्ञान में क्वांटमनेस संभवतः वास्तविक है

बेहतर तकनीक बनाने के लिए शोधकर्ता क्वांटम घटनाओं में हेरफेर कर सकते हैं। वास्तव में, आप पहले से ही एक में रहते हैं क्वांटम-संचालित दुनिया: लेज़र पॉइंटर्स से लेकर GPS, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और आपके कंप्यूटर में ट्रांजिस्टर- ये सभी प्रौद्योगिकियाँ क्वांटम प्रभावों पर निर्भर करती हैं।

सामान्य तौर पर, क्वांटम प्रभाव केवल बहुत छोटी लंबाई और बड़े पैमाने पर प्रकट होते हैं, या जब तापमान पूर्ण शून्य तक पहुंचता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि क्वांटम वस्तुएं जैसे परमाणु और अणु उनकी "मात्रा" खोना जब वे अनियंत्रित रूप से एक दूसरे और अपने पर्यावरण के साथ बातचीत करते हैं। दूसरे शब्दों में, शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों द्वारा क्वांटम वस्तुओं का एक मैक्रोस्कोपिक संग्रह बेहतर वर्णित है। क्वांटम शुरू करने वाली हर चीज पारंपरिक रूप से मर जाती है। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन को एक ही समय में दो स्थानों पर होने के लिए हेरफेर किया जा सकता है, लेकिन यह थोड़ी देर के बाद केवल एक ही स्थान पर समाप्त हो जाएगा-बिल्कुल वही जो शास्त्रीय रूप से अपेक्षित होगा।

एक जटिल, शोर वाली जैविक प्रणाली में, इस प्रकार यह उम्मीद की जाती है कि अधिकांश क्वांटम प्रभाव तेजी से गायब हो जाएंगे, जिसे भौतिक विज्ञानी इरविन श्रोडिंगर ने "" कहा था।सेल का गर्म, गीला वातावरण।” अधिकांश भौतिकविदों के लिए, तथ्य यह है कि जीवित दुनिया ऊंचे तापमान पर और जटिल वातावरण में संचालित होती है, इसका तात्पर्य है कि शास्त्रीय भौतिकी द्वारा जीव विज्ञान को पर्याप्त रूप से और पूरी तरह से वर्णित किया जा सकता है: कोई फंकी बैरियर क्रॉसिंग नहीं, एक साथ कई स्थानों पर नहीं होना।

हालांकि, केमिस्ट लंबे समय से अलग होने की भीख मांग रहे हैं। कमरे के तापमान पर बुनियादी रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर शोध से स्पष्ट रूप से पता चलता है बायोमोलेक्यूल्स के भीतर होने वाली प्रक्रियाएं प्रोटीन और अनुवांशिक सामग्री क्वांटम प्रभावों का परिणाम हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इस तरह के नैनोस्कोपिक, अल्पकालिक क्वांटम प्रभाव कुछ मैक्रोस्कोपिक शारीरिक प्रक्रियाओं को चलाने के अनुरूप होते हैं जिन्हें जीवविज्ञानियों ने जीवित कोशिकाओं और जीवों में मापा है। शोध से पता चलता है कि क्वांटम प्रभाव जैविक कार्यों को प्रभावित करते हैं, जिनमें शामिल हैं एंजाइम गतिविधि को विनियमित करना, चुंबकीय क्षेत्र संवेदन, सेल चयापचय, तथा जैव अणुओं में इलेक्ट्रॉन परिवहन.

क्वांटम जीव विज्ञान का अध्ययन कैसे करें

तांत्रिक संभावना है कि सूक्ष्म क्वांटम प्रभाव जैविक प्रक्रियाओं को मोड़ सकते हैं, एक रोमांचक सीमा और वैज्ञानिकों के लिए एक चुनौती दोनों प्रस्तुत करते हैं। जीव विज्ञान में क्वांटम यांत्रिक प्रभावों का अध्ययन करने के लिए उपकरणों की आवश्यकता होती है जो कम समय के पैमाने, छोटे लंबाई के पैमाने और क्वांटम राज्यों में सूक्ष्म अंतर को माप सकते हैं जो शारीरिक परिवर्तनों को जन्म देते हैं - सभी एक पारंपरिक गीले प्रयोगशाला वातावरण के भीतर एकीकृत होते हैं।

मेरे काम में, मैं इलेक्ट्रॉनों जैसी छोटी चीज़ों के क्वांटम गुणों का अध्ययन और नियंत्रण करने के लिए उपकरणों का निर्माण करता हूँ। जिस प्रकार इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान और आवेश होता है, उसी प्रकार उनमें भी होता है क्वांटम संपत्ति जिसे स्पिन कहा जाता है. स्पिन परिभाषित करता है कि इलेक्ट्रॉन एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ कैसे संपर्क करते हैं, उसी तरह चार्ज परिभाषित करता है कि कैसे इलेक्ट्रॉन एक विद्युत क्षेत्र के साथ बातचीत करते हैं। मैं जो क्वांटम प्रयोग बना रहा हूं स्नातक विद्यालय के बाद से, और अब मेरी अपनी प्रयोगशाला में, विशेष इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को बदलने के लिए सिलवाया चुंबकीय क्षेत्र लागू करने का लक्ष्य है।

अनुसंधान ने प्रदर्शित किया है कि कई शारीरिक प्रक्रियाएं कमजोर चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होती हैं। इन प्रक्रियाओं में शामिल हैं स्टेम सेल विकास और परिपक्वता, सेल प्रसार दर, आनुवंशिक सामग्री की मरम्मत, तथा अनगिनत अन्य. चुंबकीय क्षेत्रों के लिए ये शारीरिक प्रतिक्रियाएं रासायनिक प्रतिक्रियाओं के अनुरूप होती हैं जो अणुओं के भीतर विशेष इलेक्ट्रॉनों के स्पिन पर निर्भर करती हैं। इलेक्ट्रॉन स्पिन को बदलने के लिए एक कमजोर चुंबकीय क्षेत्र को लागू करने से महत्वपूर्ण शारीरिक परिणामों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया के अंतिम उत्पादों को प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है।

वर्तमान में, नैनोस्केल स्तर पर ऐसी प्रक्रियाएं कैसे काम करती हैं, इसकी समझ की कमी शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करने से रोकती है कि चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और आवृत्ति कोशिकाओं में विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रियाओं का कारण बनती है। वर्तमान सेल फोन, पहनने योग्य और लघुकरण प्रौद्योगिकियां उत्पादन के लिए पहले से ही पर्याप्त हैं अनुकूलित, कमजोर चुंबकीय क्षेत्र जो शरीर क्रिया विज्ञान को बदलते हैं, अच्छे और बुरे दोनों के लिए। पहेली का लापता टुकड़ा, इसलिए, शारीरिक परिणामों के लिए क्वांटम कारणों को कैसे मैप किया जाए, इसकी एक "नियतात्मक कोडबुक" है।

भविष्य में, प्रकृति के क्वांटम गुणों को ठीक करने से शोधकर्ताओं को चिकित्सीय उपकरणों को विकसित करने में मदद मिल सकती है जो गैर-इनवेसिव, दूर से नियंत्रित और मोबाइल फोन के साथ सुलभ हैं। बीमारी को रोकने और उसका इलाज करने के लिए विद्युत चुम्बकीय उपचार का संभावित रूप से उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि मस्तिष्क ट्यूमर, साथ ही बायोमैन्युफैक्चरिंग में, जैसे प्रयोगशाला में उत्पादित मांस का उत्पादन बढ़ाना.

विज्ञान करने का एक नया तरीका

क्वांटम जीव विज्ञान अब तक उभरने वाले सबसे अंतःविषय क्षेत्रों में से एक है। आप इस क्षेत्र में काम करने के लिए समुदाय का निर्माण कैसे करते हैं और वैज्ञानिकों को प्रशिक्षित करते हैं?

महामारी के बाद से, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में मेरी प्रयोगशाला और सरे विश्वविद्यालय के क्वांटम जीवविज्ञान डॉक्टरल प्रशिक्षण केंद्र ने बिग क्वांटम बायोलॉजी बैठकें मुख्यधारा के क्वांटम भौतिकी, बायोफिज़िक्स, चिकित्सा, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान जैसे क्षेत्रों में अपनी विशेषज्ञता को पूरा करने और साझा करने के लिए शोधकर्ताओं को एक अनौपचारिक साप्ताहिक मंच प्रदान करना।

जीव विज्ञान, चिकित्सा और भौतिक विज्ञान के लिए संभावित रूप से परिवर्तनकारी प्रभाव वाले अनुसंधान के लिए सहयोग के समान परिवर्तनकारी मॉडल के भीतर काम करने की आवश्यकता होगी। एक एकीकृत प्रयोगशाला में काम करने से वैज्ञानिकों को उन विषयों से अनुमति मिलेगी जो अनुसंधान के लिए बहुत अलग दृष्टिकोण अपनाते हैं, जो क्वांटम जीव विज्ञान की मात्रा से लेकर आणविक, सेलुलर और जीव तक क्वांटम जीव विज्ञान की चौड़ाई को पूरा करते हैं।

एक अनुशासन के रूप में क्वांटम जीव विज्ञान के अस्तित्व का अर्थ है कि जीवन प्रक्रियाओं की पारंपरिक समझ अधूरी है। आगे के शोध से जीवन क्या है, इसे कैसे नियंत्रित किया जा सकता है, और बेहतर क्वांटम तकनीकों का निर्माण करने के लिए प्रकृति के साथ कैसे सीखें, इस पुराने पुराने प्रश्न में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त होगी।

इस लेख से पुन: प्रकाशित किया गया है वार्तालाप क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत। को पढ़िए मूल लेख.

छवि क्रेडिट: अनिरुद्ध / Unsplash

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• स्रोत: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/