A kvantumbiológia forradalmasíthatja az élet működésének megértését

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Képzelje el, hogy mobiltelefonját használja saját sejtjei aktivitásának szabályozására sérülések és betegségek kezelésére. Úgy hangzik, mint egy túl optimista tudományos-fantasztikus író képzeletében. De ez egy napon lehetségessé válhat a kvantumbiológia feltörekvő területén keresztül.

Az elmúlt néhány évtizedben a tudósok hihetetlen előrehaladást értek el a biológiai rendszerek megértésében és manipulálásában, egyre kisebb léptékben. fehérje hajtogatás nak nek géntechnika. Mégis, a kvantumhatások milyen mértékben befolyásolják az élő rendszereket, még mindig alig ismert.

A kvantumhatások olyan jelenségek, amelyek atomok és molekulák között fordulnak elő, és amelyek nem magyarázhatók meg a klasszikus fizikával. Több mint egy évszázada ismert, hogy a klasszikus mechanika szabályai, mint a Newton-féle mozgástörvények, atomi léptékben lebomlanak. Ehelyett az apró tárgyak más törvények szerint viselkednek, mint kvantummechanika.

Az emberek számára, akik csak a makroszkopikus világot vagy azt, ami szabad szemmel látható, a kvantummechanika ellentmondásosnak és némileg varázslatosnak tűnhet. Olyan dolgok történnek a kvantumvilágban, amire nem számíthat, mint pl elektronok „alagútba” vezetnek apró energiagátak, és sértetlenül jelennek meg a másik oldalon, vagy egy időben két különböző helyen vannak szuperpozíciónak nevezett jelenség.

Képzett vagyok a kvantummérnök. A kvantummechanika kutatása általában a technológiára irányul. Azonban némileg meglepő módon egyre több bizonyíték áll rendelkezésre arra vonatkozóan, hogy a természet – egy több milliárd éves gyakorlattal rendelkező mérnök – megtanulta, hogyan használja a kvantummechanikát az optimális működés érdekében. Ha ez valóban igaz, az azt jelenti, hogy a biológiával kapcsolatos ismereteink gyökeresen hiányosak. Ez egyben azt is jelenti, hogy a biológiai anyag kvantumtulajdonságai segítségével irányítani tudjuk a fiziológiai folyamatokat.

A kvantumosság a biológiában valószínűleg valóságos

A kutatók manipulálhatják a kvantumjelenségeket, hogy jobb technológiát építsenek ki. Valójában már a kvantumerős világ: a lézermutatóktól a GPS-ig, a mágneses rezonancia képalkotásig és a számítógépben lévő tranzisztorokig – mindezek a technológiák kvantumhatásokon alapulnak.

Általánosságban elmondható, hogy a kvantumhatások csak nagyon kis hossz- és tömegskáláknál jelentkeznek, vagy amikor a hőmérséklet megközelíti az abszolút nullát. Ennek az az oka, hogy a kvantumobjektumok, például az atomok és a molekulák elveszítik a „kvantumosságukat” amikor ellenőrizhetetlenül kölcsönhatásba lépnek egymással és környezetükkel. Más szóval, a kvantumobjektumok makroszkopikus gyűjteménye jobban leírható a klasszikus mechanika törvényeivel. Minden, ami a kvantumot elindítja, klasszikusan meghal. Például egy elektront úgy lehet manipulálni, hogy egyszerre két helyen legyen, de rövid időn belül csak egy helyre kerül – pontosan úgy, ahogyan azt klasszikusan elvárnánk.

Egy bonyolult, zajos biológiai rendszerben tehát várható, hogy a kvantumhatások nagy része gyorsan eltűnik, kimosódva abból, amit Erwin Schrödinger fizikus a „a sejt meleg, nedves környezete.” A legtöbb fizikus számára az a tény, hogy az élővilág magas hőmérsékleten és összetett környezetben működik, azt jelenti, hogy a biológia megfelelően és teljes mértékben leírható a klasszikus fizikával: nincs furcsa akadályátlépés, nincs egyszerre több helyen.

A kémikusok azonban sokáig könyörögtek, hogy ne legyenek. A szobahőmérsékleten végzett alapvető kémiai reakciók kutatása egyértelműen azt mutatja a biomolekulákban végbemenő folyamatok mint a fehérjék és a genetikai anyag kvantumhatások eredménye. Fontos, hogy az ilyen nanoszkopikus, rövid élettartamú kvantumhatások összhangban vannak néhány makroszkopikus fiziológiai folyamat előmozdításával, amelyeket a biológusok élő sejtekben és szervezetekben mértek. A kutatások azt sugallják, hogy a kvantumhatások befolyásolják a biológiai funkciókat, beleértve szabályozza az enzimaktivitást, mágneses mezők érzékelése, sejt metabolizmusés elektrontranszport biomolekulákban.

Hogyan tanuljunk kvantumbiológiát

Az a kínzó lehetőség, hogy a finom kvantumhatások módosíthatják a biológiai folyamatokat, izgalmas határvonalat és kihívást jelent a tudósok számára. A kvantummechanikai hatások biológiában történő tanulmányozásához olyan eszközökre van szükség, amelyek képesek mérni a rövid időskálákat, a kis hosszúságú skálákat és a kvantumállapotok finom különbségeit, amelyek fiziológiai változásokat idéznek elő – mindezt egy hagyományos nedves laborkörnyezetbe integrálva.

Munkámban, Olyan eszközöket építek, amelyek segítségével tanulmányozhatom és szabályozhatom a kis dolgok, például az elektronok kvantumtulajdonságait. Ugyanúgy, ahogy az elektronoknak van tömegük és töltésük, van a spinnek nevezett kvantumtulajdonság. A spin határozza meg, hogy az elektronok hogyan lépnek kölcsönhatásba a mágneses mezővel, ugyanúgy, ahogy a töltés határozza meg az elektronok és az elektromos tér közötti kölcsönhatást. Az általam készített kvantumkísérletek érettségi óta, és most a saját laboratóriumomban az a cél, hogy testreszabott mágneses tereket alkalmazzanak bizonyos elektronok spinjei megváltoztatására.

A kutatások kimutatták, hogy sok élettani folyamatot a gyenge mágneses mező befolyásol. Ezek a folyamatok magukban foglalják őssejtfejlődés és a érés, sejtburjánzási sebesség, genetikai anyag javításés számtalan más. Ezek a mágneses mezőkre adott fiziológiai válaszok összhangban vannak azokkal a kémiai reakciókkal, amelyek a molekulákon belüli bizonyos elektronok spinétől függenek. Gyenge mágneses mező alkalmazása az elektron spinek megváltoztatására így hatékonyan szabályozhatja a kémiai reakció végtermékeit, ami fontos élettani következményekkel jár.

Jelenleg az ilyen folyamatok nanoméretű szintű működésének meg nem értése miatt a kutatók nem tudják pontosan meghatározni, hogy a mágneses mezők milyen erőssége és gyakorisága okoz specifikus kémiai reakciókat a sejtekben. A jelenlegi mobiltelefon-, hordható- és miniatürizálási technológiák már elegendőek a gyártáshoz testre szabott, gyenge mágneses terek, amelyek megváltoztatják a fiziológiát, jóban és rosszban egyaránt. A rejtvény hiányzó darabja tehát egy „determinisztikus kódkönyv”, amely a kvantumokok és a fiziológiai kimenetelek leképezésének módját mutatja be.

A jövőben a természet kvantumtulajdonságainak finomhangolása lehetővé teheti a kutatóknak, hogy olyan terápiás eszközöket fejlesszenek ki, amelyek nem invazívak, távirányíthatóak és mobiltelefonról is elérhetők. Az elektromágneses kezelések potenciálisan alkalmazhatók betegségek megelőzésére és kezelésére, mint pl agydaganatok, valamint a biogyártásban, mint pl a laborban termesztett hústermelés növelése.

A tudomány gyakorlásának teljesen új módja

A kvantumbiológia az egyik leginterdiszciplinárisabb terület, amely valaha is megjelent. Hogyan építhet közösséget és képezi ki a tudósokat ezen a területen?

A világjárvány óta a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen és a Surrey Egyetem Kvantumbiológiai Doktori Képzőközpontjában működő laboratóriumom Nagy kvantumbiológiai találkozók informális heti fórum létrehozása a kutatók számára, ahol találkozhatnak és megoszthatják szakértelmüket olyan területeken, mint a kvantumfizika, a biofizika, az orvostudomány, a kémia és a biológia.

A biológiát, az orvostudományt és a fizikai tudományokat potenciálisan átalakító hatásokkal járó kutatásoknak egy hasonlóan átalakuló együttműködési modellen belül kell dolgozniuk. Az egységes laboratóriumban végzett munka lehetővé tenné a kutatást nagyon eltérő megközelítéseket alkalmazó tudományágak tudósai számára, hogy olyan kísérleteket végezzenek, amelyek megfelelnek a kvantumbiológia széles skálájának a kvantumtól a molekulárisig, a sejten át a szervezetig.

A kvantumbiológia tudományágként való létezése azt jelenti, hogy az életfolyamatok hagyományos megértése hiányos. A további kutatások új betekintést adnak abba az ősrégi kérdésbe, hogy mi az élet, hogyan irányítható, és hogyan tanulhatunk együtt a természettel, hogy jobb kvantumtechnológiákat építsünk.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

Kép: ANIRUDH / Unsplash