ביולוגיה קוונטית יכולה לחולל מהפכה בהבנתנו כיצד החיים פועלים

דמיינו את השימוש בטלפון הסלולרי שלכם כדי לשלוט בפעילות התאים שלכם כדי לטפל בפציעות ובמחלות. זה נשמע כמו משהו מדמיונו של סופר מדע בדיוני אופטימי מדי. אבל ייתכן שיום אחד זו תהיה אפשרות דרך התחום המתפתח של ביולוגיה קוונטית.

במהלך העשורים האחרונים, מדענים עשו התקדמות מדהימה בהבנה ובמניפולציה של מערכות ביולוגיות בהיקפים קטנים יותר ויותר. קיפול חלבונים ל הנדסה גנטית. ועדיין, המידה שבה השפעות קוונטיות משפיעות על מערכות חיים עדיין בקושי מובנת.

השפעות קוונטיות הן תופעות המתרחשות בין אטומים ומולקולות שאינן ניתנות להסבר על ידי הפיזיקה הקלאסית. כבר יותר ממאה שנה ידוע שכללי המכניקה הקלאסית, כמו חוקי התנועה של ניוטון, להתפרק בקנה מידה אטומי. במקום זאת, חפצים זעירים מתנהגים לפי מערכת חוקים אחרת המכונה מכניקה קוואנטית.

עבור בני אדם, שיכולים לתפוס רק את העולם המקרוסקופי, או את מה שנראה בעין בלתי מזוינת, מכניקת הקוונטים יכולה להיראות מנוגדת לאינטואיציה ומקצת קסומה. דברים שאולי לא מצפים שיקרו בעולם הקוונטי, כמו אלקטרונים "חודרים" דרכם מחסומי אנרגיה זעירים ולהופיע בצד השני ללא פגע, או להיות בשני מקומות שונים בו-זמנית תופעה הנקראת סופרפוזיציה.

אני מאומנת בתור א מהנדס קוונטי. המחקר במכניקת הקוונטים מכוון בדרך כלל לטכנולוגיה. עם זאת, ובאופן מעט מפתיע, יש יותר ויותר עדויות לכך שהטבע - מהנדס עם מיליארדי שנות תרגול - למד כיצד השתמש במכניקת הקוונטים כדי לתפקד בצורה מיטבית. אם זה אכן נכון, זה אומר שההבנה שלנו בביולוגיה אינה שלמה באופן קיצוני. זה גם אומר שנוכל לשלוט בתהליכים פיזיולוגיים על ידי שימוש בתכונות הקוונטיות של חומר ביולוגי.

הקוונטיות בביולוגיה היא כנראה אמיתית

חוקרים יכולים לתמרן תופעות קוונטיות כדי לבנות טכנולוגיה טובה יותר. למעשה, אתה כבר גר בא עולם המונע על ידי קוונטים: מצביעי לייזר ועד ל-GPS, הדמיית תהודה מגנטית והטרנזיסטורים במחשב שלך - כל הטכנולוגיות הללו מסתמכות על אפקטים קוונטיים.

באופן כללי, השפעות קוונטיות מתבטאות רק בקנה מידה קטן מאוד של אורך ומסה, או כאשר הטמפרטורות מתקרבות לאפס המוחלט. הסיבה לכך היא שאובייקטים קוונטיים כמו אטומים ומולקולות לאבד את ה"קוונטיות" שלהם כאשר הם מקיימים אינטראקציה בלתי נשלטת זה עם זה ועם סביבתם. במילים אחרות, אוסף מקרוסקופי של עצמים קוונטיים מתואר טוב יותר על ידי חוקי המכניקה הקלאסית. כל מה שמתחיל קוונטי מת קלאסי. לדוגמה, ניתן לתמרן אלקטרון כך שיימצא בשני מקומות בו-זמנית, אך הוא יגיע למקום אחד בלבד לאחר זמן קצר - בדיוק מה שהיה צפוי באופן קלאסי.

במערכת ביולוגית מסובכת ורועשת, צפוי אפוא שרוב ההשפעות הקוונטיות ייעלמו במהירות, וישטפו במה שהפיזיקאי ארווין שרדינגר כינה "סביבה חמה ורטובה של התא." עבור רוב הפיזיקאים, העובדה שעולם החיים פועל בטמפרטורות גבוהות ובסביבות מורכבות מרמזת שניתן לתאר את הביולוגיה בצורה נאותה ומלאה על ידי הפיזיקה הקלאסית: אין חציית מחסום פאנקי, אין הימצאות במספר מיקומים בו-זמנית.

אולם כימאים התחננו במשך זמן רב להבדיל ביניהם. מחקר על תגובות כימיות בסיסיות בטמפרטורת החדר מראה זאת באופן חד משמעי תהליכים המתרחשים בתוך ביומולקולות כמו חלבונים וחומרים גנטיים הם תוצאה של השפעות קוונטיות. חשוב לציין, השפעות קוונטיות ננוסקופיות קצרות מועד כאלה תואמות להניע כמה תהליכים פיזיולוגיים מקרוסקופיים שביולוגים מדדו בתאים חיים ובאורגניזמים. מחקרים מראים שהשפעות קוונטיות משפיעות על פונקציות ביולוגיות, כולל ויסות פעילות האנזים, חישת שדות מגנטיים, מטבוליזם של תאים, ו הובלת אלקטרונים בביומולקולות.

כיצד ללמוד ביולוגיה קוונטית

האפשרות המפתה שהשפעות קוונטיות עדינות יכולות לכוונן תהליכים ביולוגיים מהווה חזית מרגשת ואתגר למדענים. חקר ההשפעות המכאניות הקוונטיות בביולוגיה דורש כלים שיכולים למדוד את סולמות הזמן הקצרים, סולמות האורך הקטן וההבדלים העדינים במצבי הקוונטים המביאים לשינויים פיזיולוגיים - כולם משולבים בסביבת מעבדה רטובה מסורתית.

בעבודתי, אני בונה מכשירים כדי ללמוד ולשלוט בתכונות הקוונטיות של דברים קטנים כמו אלקטרונים. באותו אופן שבו לאלקטרונים יש מסה ומטען, יש להם גם א תכונה קוונטית הנקראת ספין. ספין מגדיר את אופן האינטראקציה של האלקטרונים עם שדה מגנטי, באותו אופן שמטען מגדיר כיצד אלקטרונים מתקשרים עם שדה חשמלי. הניסויים הקוונטיים שבניתי מאז לימודי התואר השני, ועכשיו במעבדה שלי, שואפים להחיל שדות מגנטיים מותאמים כדי לשנות את הספינים של אלקטרונים מסוימים.

מחקרים הוכיחו כי תהליכים פיזיולוגיים רבים מושפעים משדות מגנטיים חלשים. תהליכים אלו כוללים התפתחות תאי גזע ו הַבשָׁלָה, שיעורי התפשטות תאים, תיקון חומר גנטי, ו אינספור אחרים. תגובות פיזיולוגיות אלו לשדות מגנטיים תואמות לתגובות כימיות התלויות בספין של אלקטרונים מסוימים בתוך מולקולות. הפעלת שדה מגנטי חלש לשינוי ספינים של אלקטרונים יכולה לפיכך לשלוט ביעילות על התוצרים הסופיים של תגובה כימית, עם השלכות פיזיולוגיות חשובות.

נכון לעכשיו, חוסר הבנה של אופן הפעולה של תהליכים כאלה ברמה הננומטרית מונע מהחוקרים לקבוע בדיוק איזה חוזק ותדירות של שדות מגנטיים גורמים לתגובות כימיות ספציפיות בתאים. הטכנולוגיות הנוכחיות של טלפונים סלולריים, לבישים ומזערות כבר מספיקות לייצור שדות מגנטיים מותאמים וחלשים שמשנים את הפיזיולוגיה, גם לטוב וגם לרע. החלק החסר בפאזל הוא, לפיכך, "ספר קוד דטרמיניסטי" של איך למפות סיבות קוונטיות לתוצאות פיזיולוגיות.

בעתיד, כוונון עדין של התכונות הקוונטיות של הטבע יוכל לאפשר לחוקרים לפתח מכשירים טיפוליים שאינם פולשניים, נשלטים מרחוק ונגישים באמצעות טלפון נייד. טיפולים אלקטרומגנטיים עשויים לשמש כדי למנוע ולטפל במחלות, כגון גידולי מוח, כמו גם בייצור ביולוגי, כגון הגדלת ייצור הבשר שגדל במעבדה.

דרך חדשה לגמרי לעשות מדע

ביולוגיה קוונטית היא אחד התחומים הבינתחומיים ביותר שצמחו אי פעם. איך בונים קהילה ומכשירים מדענים לעבוד בתחום הזה?

מאז המגיפה, המעבדה שלי באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס ומרכז ההכשרה לביולוגיה קוונטית של אוניברסיטת סארי התארגנה מפגשים גדולים של ביולוגיה קוונטית לספק פורום שבועי לא רשמי לחוקרים להיפגש ולשתף את המומחיות שלהם בתחומים כמו פיזיקת קוונטים, ביופיסיקה, רפואה, כימיה וביולוגיה.

מחקר עם השלכות טרנספורמטיביות על ביולוגיה, רפואה ומדעי הפיזיקה ידרוש עבודה בתוך מודל טרנספורמטיבי לא פחות של שיתוף פעולה. עבודה במעבדה מאוחדת אחת תאפשר למדענים מדיסציפלינות הנוקטות גישות שונות מאוד למחקר לבצע ניסויים העונים על רוחב הביולוגיה הקוונטית מהקוונטי למולקולרי, לתאי ולאורגניזמי.

קיומה של ביולוגיה קוונטית כדיסציפלינה מרמזת שההבנה המסורתית של תהליכי החיים אינה שלמה. מחקר נוסף יוביל לתובנות חדשות על השאלה עתיקת היומין של מה זה חיים, כיצד ניתן לשלוט בהם וכיצד ללמוד עם הטבע לבנות טכנולוגיות קוונטיות טובות יותר.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: ANIRUDH / Unsplash

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• קנה ומכירה של מניות בחברות PRE-IPO עם PREIPO®. גישה כאן.
• מקור: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/