量子生物学は生命の仕組みについての私たちの理解を革命的に変える可能性がある

携帯電話を使用して自分自身の細胞の活動を制御し、怪我や病気を治療することを想像してみてください。 あまりにも楽観的な SF 作家の想像力から生まれたもののように聞こえます。 しかし、これは量子生物学という新興分​​野を通じていつか可能になるかもしれません。

過去数十年にわたり、科学者は、ますます小さなスケールでの生物学的システムの理解と操作において、驚くべき進歩を遂げてきました。 タンパク質フォールディング 〜へ 遺伝子工学。 しかし、量子効果が生命システムにどの程度影響を与えるかは、ほとんど解明されていない。

量子効果とは、古典物理学では説明できない原子と分子の間に起こる現象です。 ニュートンの運動法則のような古典力学の法則が、 原子スケールで分解する。 代わりに、小さなオブジェクトは、として知られる別の法則に従って動作します。 量子力学.

巨視的な世界、つまり肉眼で見えるものしか認識できない人間にとって、量子力学は直感に反し、なんだか魔法のように見えるかもしれません。 量子の世界では、次のような予想外のことが起こります。 電子が「トンネル」する 小さなエネルギー障壁があり、反対側に無傷で現れるか、または同じ時間に XNUMX つの異なる場所に存在します。 重ね合わせと呼ばれる現象.

私はとして訓練を受けています 量子エンジニア。 量子力学の研究は通常、テクノロジーを対象としています。 しかし、少し驚くべきことに、自然が、何十億年もの実践を積んできた技術者が、 量子力学を使用して最適に機能する。 これが本当に真実であるならば、それは生物学に対する私たちの理解が根本的に不完全であることを意味します。 それはまた、生物物質の量子特性を使用することで生理学的プロセスを制御できる可能性があることを意味します。

生物学における量子性はおそらく現実である

研究者は量子現象を操作して、より優れたテクノロジーを構築できます。 実際、あなたはすでに次のような場所に住んでいます。 量子力の世界: レーザー ポインターから GPS、磁気共鳴画像法、コンピューター内のトランジスタに至るまで、これらすべてのテクノロジーは量子効果に依存しています。

一般に、量子効果は、長さと質量のスケールが非常に小さい場合、または温度が絶対零度に近づいた場合にのみ現れます。 原子や分子のような量子物体は 「量子性」を失う 彼らがお互いや環境と制御不能に相互作用するとき。 言い換えれば、量子対象の巨視的な集合は古典力学の法則によってよりよく記述できるのである。 量子的に始まるものはすべて古典的ではなくなります。 たとえば、電子は同時に XNUMX つの場所に存在するように操作できますが、しばらくすると最終的に XNUMX つの場所にのみ留まります。これはまさに古典的に予想されることです。

したがって、複雑でノイズの多い生物学的システムでは、ほとんどの量子効果は急速に消滅し、物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが「暖かく湿った細胞環境」 ほとんどの物理学者にとって、生物世界が高温と複雑な環境で機能するという事実は、生物学が古典物理学によって適切かつ完全に記述できることを意味します。つまり、おかしな障壁を越えたり、同時に複数の場所に存在したりすることはありません。

しかし、化学者たちは長い間、異なる意見を求めてきました。 室温での基本的な化学反応に関する研究は、次のことを明確に示しています。 生体分子内で起こるプロセス タンパク質や遺伝物質と同様に、量子効果の結果です。 重要なのは、そのようなナノスケールで短命な量子効果は、生物学者が生きた細胞や生物で測定したいくつかの巨視的な生理学的プロセスの推進と一致していることです。 研究では、量子効果が次のような生物学的機能に影響を与えることが示唆されています。 酵素活性の調節, 磁場を感知する, 細胞代謝, 生体分子における電子輸送.

量子生物学の勉強方法

微妙な量子効果が生物学的プロセスを微調整できるという興味深い可能性は、科学者にとって刺激的な新境地であると同時に挑戦でもあります。 生物学における量子力学効果の研究には、生理学的変化を引き起こす短い時間スケール、短い長さのスケール、および量子状態の微妙な違いを測定できるツールが必要であり、これらすべてが従来のウェットラボ環境内に統合されています。

私の仕事で, 電子のような小さなものの量子特性を研究し、制御するための機器を構築しています。 電子には質量と電荷があるのと同じように、 スピンと呼ばれる量子特性。 電荷が電子が電場とどのように相互作用するかを定義するのと同じように、スピンは電子が磁場とどのように相互作用するかを定義します。 私が構築してきた量子実験 大学院の頃からそして今、私自身の研究室で、特定の電子のスピンを変えるために調整された磁場を適用することを目指しています。

研究により、多くの生理学的プロセスが弱い磁場の影響を受けることが実証されています。 これらのプロセスには以下が含まれます 幹細胞の開発 および 成熟, 細胞増殖速度, 遺伝物質の修復, 無数の他。 磁場に対するこれらの生理学的反応は、分子内の特定の電子のスピンに依存する化学反応と一致しています。 したがって、弱い磁場を印加して電子スピンを変化させると、化学反応の最終生成物を効果的に制御でき、重要な生理学的結果がもたらされます。

現在、そのようなプロセスがナノスケールレベルでどのように機能するかについての理解が不足しているため、研究者は細胞内で特定の化学反応を引き起こす磁場の強さと周波数を正確に判断することができません。 現在の携帯電話、ウェアラブル、小型化技術はすでに十分に生産可能です。 生理機能を変える、調整された弱い磁場、良くも悪くも。 したがって、パズルの欠けているピースは、量子的原因を生理学的結果にマッピングする方法の「決定論的コードブック」です。

将来的には、自然界の量子特性を微調整することで、研究者は非侵襲的で遠隔制御でき、携帯電話でアクセスできる治療装置を開発できるようになるかもしれません。 電磁療法は、次のような病気の予防と治療に使用できる可能性があります。 脳腫瘍、などのバイオ製造においても同様です。 研究室で栽培された肉の生産量を増やす.

まったく新しい科学のやり方

量子生物学は、これまでに登場した中で最も学際的な分野の XNUMX つです。 コミュニティを構築し、この分野で働く科学者をどのように訓練しますか?

パンデミック以来、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の私の研究室とサリー大学の量子生物学博士課程トレーニングセンターは、 大量子生物学会議 研究者が主流の量子物理学、生物物理学、医学、化学、生物学などの分野で専門知識を共有し、共有するための非公式な毎週のフォーラムを提供します。

生物学、医学、物理科学に変革をもたらす可能性のある研究には、同様に変革をもたらすコラボレーション モデル内での作業が必要です。 XNUMX つの統合された研究室で作業することで、研究に対してまったく異なるアプローチを取る専門分野の科学者が、量子から分子、細胞、生物に至るまでの量子生物学の広範を満たす実験を実施できるようになります。

学問としての量子生物学の存在は、生命過程の伝統的な理解が不完全であることを意味します。 さらなる研究は、生命とは何か、生命をどのように制御できるか、そしてより良い量子技術を構築するために自然から学ぶ方法という長年の疑問に対する新たな洞察につながるでしょう。

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

画像のクレジット： アニルーダ / Unsplash

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