La biologia quantistica potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione di come funziona la vita

Ripubblicato da Platone

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Immagina di usare il tuo cellulare per controllare l'attività delle tue stesse cellule per curare ferite e malattie. Sembra qualcosa dell'immaginazione di uno scrittore di fantascienza eccessivamente ottimista. Ma un giorno questa potrebbe essere una possibilità attraverso il campo emergente della biologia quantistica.

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno compiuto incredibili progressi nella comprensione e nella manipolazione dei sistemi biologici su scale sempre più piccole, da ripiegamento delle proteine a ingegneria genetica. Eppure, la misura in cui gli effetti quantistici influenzano i sistemi viventi rimane a malapena compresa.

Gli effetti quantistici sono fenomeni che si verificano tra atomi e molecole che non possono essere spiegati dalla fisica classica. È noto da più di un secolo che le regole della meccanica classica, come le leggi del moto di Newton, abbattere su scala atomica. Invece, piccoli oggetti si comportano secondo un diverso insieme di leggi note come meccanica quantistica.

Per gli esseri umani, che possono percepire solo il mondo macroscopico, o ciò che è visibile ad occhio nudo, la meccanica quantistica può sembrare controintuitiva e in qualche modo magica. Cose che potresti non aspettarti accadono nel mondo quantistico, tipo gli elettroni "tunneling" attraverso minuscole barriere energetiche e apparire dall'altra parte illeso, o trovarsi in due posti diversi contemporaneamente in un fenomeno chiamato sovrapposizione.

Sono addestrato come a ingegnere quantistico. La ricerca nella meccanica quantistica è solitamente orientata verso la tecnologia. Tuttavia, e in qualche modo sorprendentemente, ci sono prove crescenti che la natura, un ingegnere con miliardi di anni di pratica, ha imparato a utilizzare la meccanica quantistica per funzionare in modo ottimale. Se questo è davvero vero, significa che la nostra comprensione della biologia è radicalmente incompleta. Significa anche che potremmo eventualmente controllare i processi fisiologici utilizzando le proprietà quantistiche della materia biologica.

La quantistica in biologia è probabilmente reale

I ricercatori possono manipolare i fenomeni quantistici per costruire una tecnologia migliore. In effetti, vivi già in a mondo a energia quantistica: dai puntatori laser al GPS, alla risonanza magnetica e ai transistor nel tuo computer: tutte queste tecnologie si basano su effetti quantistici.

In generale, gli effetti quantistici si manifestano solo su scale di lunghezza e massa molto piccole, o quando le temperature si avvicinano allo zero assoluto. Questo perché oggetti quantistici come atomi e molecole perdono la loro "quantità" quando interagiscono in modo incontrollabile tra loro e con il loro ambiente. In altre parole, una collezione macroscopica di oggetti quantistici è meglio descritta dalle leggi della meccanica classica. Tutto ciò che inizia come quantistico muore classico. Ad esempio, un elettrone può essere manipolato in modo che si trovi in due posti contemporaneamente, ma finirà in un solo posto dopo poco tempo, esattamente quello che ci si aspetterebbe classicamente.

In un sistema biologico complicato e rumoroso, ci si aspetta quindi che la maggior parte degli effetti quantistici scompaia rapidamente, sbiadita in quello che il fisico Erwin Schrödinger chiamò "ambiente caldo e umido della cella.” Per la maggior parte dei fisici, il fatto che il mondo vivente operi a temperature elevate e in ambienti complessi implica che la biologia possa essere adeguatamente e completamente descritta dalla fisica classica: nessun bizzarro attraversamento di barriere, nessun essere in più luoghi contemporaneamente.

I chimici, tuttavia, hanno chiesto a lungo di dissentire. La ricerca sulle reazioni chimiche di base a temperatura ambiente lo dimostra inequivocabilmente processi che avvengono all'interno delle biomolecole come le proteine e il materiale genetico sono il risultato di effetti quantistici. È importante sottolineare che tali effetti quantistici nanoscopici e di breve durata sono coerenti con la guida di alcuni processi fisiologici macroscopici che i biologi hanno misurato nelle cellule e negli organismi viventi. La ricerca suggerisce che gli effetti quantistici influenzano le funzioni biologiche, incluso regolazione dell'attività enzimatica, rilevamento di campi magnetici, metabolismo cellularee trasporto di elettroni nelle biomolecole.

Come studiare la biologia quantistica

L'allettante possibilità che sottili effetti quantistici possano modificare i processi biologici rappresenta sia una frontiera entusiasmante che una sfida per gli scienziati. Lo studio degli effetti della meccanica quantistica in biologia richiede strumenti in grado di misurare le scale temporali brevi, le scale di lunghezza ridotta e le sottili differenze negli stati quantistici che danno origine a cambiamenti fisiologici, il tutto integrato in un ambiente di laboratorio umido tradizionale.

Nel mio lavoro, costruisco strumenti per studiare e controllare le proprietà quantistiche di piccole cose come gli elettroni. Allo stesso modo in cui gli elettroni hanno massa e carica, hanno anche a proprietà quantistica chiamata spin. Lo spin definisce come gli elettroni interagiscono con un campo magnetico, nello stesso modo in cui la carica definisce come gli elettroni interagiscono con un campo elettrico. Gli esperimenti quantistici che ho costruito dalla scuola di specializzazione, e ora nel mio laboratorio, miro ad applicare campi magnetici su misura per modificare gli spin di particolari elettroni.

La ricerca ha dimostrato che molti processi fisiologici sono influenzati da deboli campi magnetici. Questi processi includono sviluppo delle cellule staminali ed maturazione, tassi di proliferazione cellulare, riparazione del materiale geneticoe innumerevoli altri. Queste risposte fisiologiche ai campi magnetici sono coerenti con le reazioni chimiche che dipendono dallo spin di particolari elettroni all'interno delle molecole. L'applicazione di un campo magnetico debole per modificare gli spin degli elettroni può quindi controllare efficacemente i prodotti finali di una reazione chimica, con importanti conseguenze fisiologiche.

Attualmente, la mancanza di comprensione del funzionamento di tali processi a livello di nanoscala impedisce ai ricercatori di determinare esattamente quale forza e frequenza dei campi magnetici causino specifiche reazioni chimiche nelle cellule. Le attuali tecnologie per telefoni cellulari, dispositivi indossabili e miniaturizzazione sono già sufficienti per produrre campi magnetici su misura e deboli che cambiano la fisiologia, sia nel bene che nel male. Il pezzo mancante del puzzle è, quindi, un "libro di codice deterministico" su come mappare le cause quantistiche ai risultati fisiologici.

In futuro, la messa a punto delle proprietà quantistiche della natura potrebbe consentire ai ricercatori di sviluppare dispositivi terapeutici non invasivi, controllati a distanza e accessibili con un telefono cellulare. I trattamenti elettromagnetici potrebbero potenzialmente essere utilizzati per prevenire e curare malattie, come ad esempio tumori cerebrali, così come nella bioproduzione, come aumentare la produzione di carne coltivata in laboratorio.

Un modo completamente nuovo di fare scienza

La biologia quantistica è uno dei campi più interdisciplinari mai emersi. Come si costruisce una comunità e si formano gli scienziati per lavorare in quest'area?

Dopo la pandemia, il mio laboratorio presso l'Università della California, Los Angeles e il Quantum Biology Doctoral Training Center dell'Università del Surrey hanno organizzato Grandi incontri di biologia quantistica fornire un forum settimanale informale ai ricercatori per incontrarsi e condividere le loro competenze in campi come la fisica quantistica tradizionale, la biofisica, la medicina, la chimica e la biologia.

La ricerca con implicazioni potenzialmente trasformative per la biologia, la medicina e le scienze fisiche richiederà di lavorare all'interno di un modello di collaborazione altrettanto trasformativo. Lavorare in un laboratorio unificato consentirebbe agli scienziati di discipline che adottano approcci molto diversi alla ricerca di condurre esperimenti che soddisfano l'ampiezza della biologia quantistica dal quantico al molecolare, al cellulare e all'organismo.

L'esistenza della biologia quantistica come disciplina implica che la comprensione tradizionale dei processi vitali è incompleta. Ulteriori ricerche porteranno a nuove intuizioni sull'annosa questione di cosa sia la vita, come possa essere controllata e come imparare dalla natura per costruire tecnologie quantistiche migliori.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: ANIRUDH / Unsplash