Biologia kwantowa może zrewolucjonizować nasze rozumienie działania życia

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Wyobraź sobie, że używasz telefonu komórkowego do kontrolowania aktywności własnych komórek w celu leczenia urazów i chorób. Brzmi to jak coś z wyobraźni nazbyt optymistycznego pisarza science fiction. Ale pewnego dnia może to być możliwe dzięki powstającej dziedzinie biologii kwantowej.

W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy poczynili niesamowite postępy w zrozumieniu systemów biologicznych i manipulowaniu nimi w coraz mniejszych skalach, od fałdowanie białek do inżynieria genetyczna. A jednak stopień, w jakim efekty kwantowe wpływają na żywe systemy, pozostaje słabo poznany.

Efekty kwantowe to zjawiska zachodzące między atomami i cząsteczkami, których nie można wyjaśnić fizyką klasyczną. Od ponad wieku wiadomo, że zasady mechaniki klasycznej, takie jak prawa dynamiki Newtona, rozbić w skali atomowej. Zamiast tego małe obiekty zachowują się zgodnie z innym zestawem praw znanych jako mechanika kwantowa.

Dla ludzi, którzy mogą postrzegać tylko świat makroskopowy lub to, co jest widoczne gołym okiem, mechanika kwantowa może wydawać się sprzeczna z intuicją i nieco magiczna. Rzeczy, których możesz się nie spodziewać w świecie kwantowym, na przykład elektrony „tunelujące”. maleńkie bariery energetyczne i przejście bez szwanku po drugiej stronie lub bycie w dwóch różnych miejscach jednocześnie w zjawisko zwane superpozycją.

Jestem wyszkolony jako inżynier kwantowy. Badania w mechanice kwantowej są zwykle ukierunkowane na technologię. Jednak, co jest nieco zaskakujące, pojawia się coraz więcej dowodów na to, że natura — inżynier z miliardami lat praktyki — nauczyła się, jak wykorzystać mechanikę kwantową do optymalnego funkcjonowania. Jeśli to rzeczywiście prawda, oznacza to, że nasze rozumienie biologii jest radykalnie niekompletne. Oznacza to również, że moglibyśmy sterować procesami fizjologicznymi za pomocą kwantowych właściwości materii biologicznej.

Kwantowość w biologii jest prawdopodobnie rzeczywista

Naukowcy mogą manipulować zjawiskami kwantowymi, aby budować lepszą technologię. W rzeczywistości mieszkasz już w świat napędzany kwantowo: od wskaźników laserowych po GPS, rezonans magnetyczny i tranzystory w komputerze — wszystkie te technologie opierają się na efektach kwantowych.

Ogólnie rzecz biorąc, efekty kwantowe pojawiają się tylko w bardzo małych skalach długości i mas lub gdy temperatury zbliżają się do zera bezwzględnego. Dzieje się tak, ponieważ obiekty kwantowe, takie jak atomy i cząsteczki tracą swoją „kwantowość” kiedy wchodzą w niekontrolowane interakcje ze sobą i swoim otoczeniem. Innymi słowy, makroskopowy zbiór obiektów kwantowych lepiej opisują prawa mechaniki klasycznej. Wszystko, co zaczyna się kwantowo, umiera klasycznie. Na przykład elektronem można manipulować tak, aby znajdował się w dwóch miejscach w tym samym czasie, ale po krótkiej chwili znajdzie się tylko w jednym miejscu — dokładnie tak, jak można by tego oczekiwać klasycznie.

Oczekuje się zatem, że w skomplikowanym, hałaśliwym systemie biologicznym większość efektów kwantowych szybko zniknie, wymyta w coś, co fizyk Erwin Schrödinger nazwał „ciepłe, wilgotne środowisko komórki”. Dla większości fizyków fakt, że świat żywy działa w podwyższonych temperaturach i w złożonych środowiskach, oznacza, że biologię można odpowiednio iw pełni opisać za pomocą fizyki klasycznej: nie ma żadnych dziwnych przejść przez bariery, nie ma przebywania w wielu miejscach jednocześnie.

Chemicy jednak od dawna błagali, by się różnić. Jednoznacznie pokazują to badania podstawowych reakcji chemicznych w temperaturze pokojowej procesy zachodzące w biomolekułach jak białka i materiał genetyczny są wynikiem efektów kwantowych. Co ważne, takie nanoskopowe, krótkotrwałe efekty kwantowe są zgodne z niektórymi makroskopowymi procesami fizjologicznymi, które biolodzy zmierzyli w żywych komórkach i organizmach. Badania sugerują, że efekty kwantowe wpływają na funkcje biologiczne, m.in regulujące aktywność enzymów, wykrywanie pól magnetycznych, metabolizm komórkowy, transport elektronów w biomolekułach.

Jak studiować biologię kwantową

Kusząca możliwość, że subtelne efekty kwantowe mogą wpływać na procesy biologiczne, stanowi zarówno ekscytującą granicę, jak i wyzwanie dla naukowców. Badanie efektów mechaniki kwantowej w biologii wymaga narzędzi, które mogą mierzyć krótkie skale czasowe, skale o małej długości i subtelne różnice w stanach kwantowych, które powodują zmiany fizjologiczne – a wszystko to zintegrowane w tradycyjnym środowisku mokrego laboratorium.

W mojej pracy, konstruuję instrumenty do badania i kontrolowania właściwości kwantowych małych obiektów, takich jak elektrony. W ten sam sposób, w jaki elektrony mają masę i ładunek, mają również właściwość kwantowa zwana spinem. Spin określa, w jaki sposób elektrony oddziałują z polem magnetycznym, w taki sam sposób, w jaki ładunek określa, w jaki sposób elektrony oddziałują z polem elektrycznym. Eksperymenty kwantowe, które budowałem od ukończenia studiów, a teraz w moim własnym laboratorium, dążę do zastosowania dostosowanych pól magnetycznych do zmiany spinów poszczególnych elektronów.

Badania wykazały, że słabe pola magnetyczne wpływają na wiele procesów fizjologicznych. Te procesy to m.in rozwój komórek macierzystych i dojrzewanie, szybkości proliferacji komórek, naprawa materiału genetycznego, niezliczone inne. Te reakcje fizjologiczne na pola magnetyczne są zgodne z reakcjami chemicznymi, które zależą od spinu poszczególnych elektronów w cząsteczkach. Zastosowanie słabego pola magnetycznego do zmiany spinów elektronów może zatem skutecznie kontrolować końcowe produkty reakcji chemicznej, co ma ważne konsekwencje fizjologiczne.

Obecnie brak zrozumienia, jak działają takie procesy na poziomie nanoskali, uniemożliwia naukowcom dokładne określenie, jaka siła i częstotliwość pól magnetycznych wywołuje określone reakcje chemiczne w komórkach. Obecne technologie telefonów komórkowych, urządzeń do noszenia i miniaturyzacji są już wystarczające do produkcji dopasowane, słabe pola magnetyczne, które zmieniają fizjologię, zarówno na dobre, jak i na złe. Brakującym elementem układanki jest zatem „deterministyczna książka kodów” tego, jak mapować przyczyny kwantowe na wyniki fizjologiczne.

W przyszłości precyzyjne dostrojenie właściwości kwantowych natury może umożliwić naukowcom opracowanie urządzeń terapeutycznych, które są nieinwazyjne, zdalnie sterowane i dostępne za pomocą telefonu komórkowego. Zabiegi elektromagnetyczne mogą być potencjalnie stosowane do zapobiegania i leczenia chorób, takich jak nowotwór mózgu, a także w bioprodukcji, np zwiększenie produkcji mięsa laboratoryjnego.

Zupełnie nowy sposób uprawiania nauki

Biologia kwantowa jest jedną z najbardziej interdyscyplinarnych dziedzin, jakie kiedykolwiek powstały. Jak budujesz społeczność i szkolisz naukowców do pracy w tej dziedzinie?

Od czasu pandemii moje laboratorium na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i Quantum Biology Doctoral Training Center na Uniwersytecie w Surrey zorganizowały Wielkie spotkania Biologii Kwantowej zapewnienie nieformalnego cotygodniowego forum dla naukowców, na którym mogliby spotykać się i dzielić swoją wiedzą specjalistyczną w dziedzinach takich jak fizyka kwantowa głównego nurtu, biofizyka, medycyna, chemia i biologia.

Badania o potencjalnie przełomowych implikacjach dla biologii, medycyny i nauk fizycznych będą wymagały pracy w ramach równie transformacyjnego modelu współpracy. Praca w jednym zunifikowanym laboratorium umożliwiłaby naukowcom z dyscyplin, które przyjmują bardzo różne podejścia do badań, przeprowadzanie eksperymentów obejmujących szeroki zakres biologii kwantowej, od kwantowej po molekularną, komórkową i organiczną.

Istnienie biologii kwantowej jako dyscypliny oznacza, że tradycyjne rozumienie procesów życiowych jest niepełne. Dalsze badania doprowadzą do nowego wglądu w odwieczne pytanie, czym jest życie, jak można je kontrolować i jak uczyć się z naturą, aby budować lepsze technologie kwantowe.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: ANIRUDH / Unsplash