Biologia cuantică ar putea revoluționa înțelegerea noastră despre cum funcționează viața

Imaginați-vă că vă folosiți telefonul mobil pentru a controla activitatea propriilor celule pentru a trata rănile și bolile. Sună ca ceva din imaginația unui scriitor de science-fiction prea optimist. Dar aceasta poate fi într-o zi o posibilitate prin domeniul emergent al biologiei cuantice.

În ultimele decenii, oamenii de știință au făcut progrese incredibile în înțelegerea și manipularea sistemelor biologice la scară din ce în ce mai mică, de la pliere de proteine la ingineriei genetice. Și totuși, măsura în care efectele cuantice influențează sistemele vii rămâne abia înțeleasă.

Efectele cuantice sunt fenomene care apar între atomi și molecule care nu pot fi explicate de fizica clasică. Se știe de mai bine de un secol că regulile mecanicii clasice, precum legile mișcării lui Newton, descompune la scară atomică. În schimb, obiectele minuscule se comportă conform unui set diferit de legi cunoscut sub numele de mecanica cuantică.

Pentru oameni, care pot percepe doar lumea macroscopică sau ceea ce este vizibil cu ochiul liber, mecanica cuantică poate părea contraintuitivă și oarecum magică. Lucruri la care s-ar putea să nu vă așteptați să se întâmple în lumea cuantică, cum ar fi electronii „tunelind” prin bariere energetice minuscule și care apar pe cealaltă parte nevătămată sau se află în două locuri diferite în același timp într-un fenomen numit suprapunere.

Sunt instruit ca a inginer cuantic. Cercetarea în mecanica cuantică este de obicei orientată către tehnologie. Cu toate acestea, și oarecum surprinzător, există tot mai multe dovezi că natura – un inginer cu miliarde de ani de practică – a învățat cum să utilizați mecanica cuantică pentru a funcționa optim. Dacă acest lucru este într-adevăr adevărat, înseamnă că înțelegerea noastră a biologiei este radical incompletă. De asemenea, înseamnă că am putea controla procesele fiziologice folosind proprietățile cuantice ale materiei biologice.

Cuantumitatea în biologie este probabil reală

Cercetătorii pot manipula fenomenele cuantice pentru a construi o tehnologie mai bună. De fapt, locuiești deja într-o lume cu putere cuantică: de la pointerii laser la GPS, imagistica prin rezonanță magnetică și tranzistorii din computerul dvs. - toate aceste tehnologii se bazează pe efecte cuantice.

În general, efectele cuantice se manifestă doar la scări foarte mici de lungime și masă sau când temperaturile se apropie de zero absolut. Acest lucru se datorează faptului că obiectele cuantice precum atomii și moleculele își pierd „cuantitatea” atunci când interacționează în mod necontrolat între ele și mediul lor. Cu alte cuvinte, o colecție macroscopică de obiecte cuantice este mai bine descrisă de legile mecanicii clasice. Tot ceea ce începe cuantic moare clasic. De exemplu, un electron poate fi manipulat pentru a fi în două locuri în același timp, dar va ajunge într-un singur loc după o perioadă scurtă de timp - exact ceea ce ar fi de așteptat în mod clasic.

Într-un sistem biologic complicat și zgomotos, se așteaptă astfel ca majoritatea efectelor cuantice să dispară rapid, spălate în ceea ce fizicianul Erwin Schrödinger a numit „mediu cald, umed al celulei.” Pentru majoritatea fizicienilor, faptul că lumea vie funcționează la temperaturi ridicate și în medii complexe implică faptul că biologia poate fi descrisă în mod adecvat și pe deplin de fizica clasică: nicio traversare a barierei funky, nicio ființă în mai multe locații simultan.

Chimiștii, însă, au rugat de multă vreme să fie diferite. Cercetările privind reacțiile chimice de bază la temperatura camerei arată fără ambiguitate că procesele care au loc în biomolecule precum proteinele și materialul genetic sunt rezultatul efectelor cuantice. Este important că astfel de efecte cuantice nanoscopice, de scurtă durată, sunt în concordanță cu conducerea unor procese fiziologice macroscopice pe care biologii le-au măsurat în celulele și organismele vii. Cercetările sugerează că efectele cuantice influențează funcțiile biologice, inclusiv reglarea activității enzimelor, detectarea câmpurilor magnetice, metabolismul celular, și transportul de electroni în biomolecule.

Cum să studiezi biologia cuantică

Posibilitatea tentantă ca efectele cuantice subtile să poată modifica procesele biologice prezintă atât o frontieră incitantă, cât și o provocare pentru oamenii de știință. Studierea efectelor mecanicii cuantice în biologie necesită instrumente care pot măsura scalele scurte de timp, scalele de lungime mică și diferențele subtile în stările cuantice care dau naștere la schimbări fiziologice - toate integrate într-un mediu tradițional de laborator umed.

In munca mea, construiesc instrumente pentru a studia și a controla proprietățile cuantice ale lucrurilor mici precum electronii. În același mod în care electronii au masă și sarcină, ei au și a proprietate cuantică numită spin. Spinul definește modul în care electronii interacționează cu un câmp magnetic, în același mod în care sarcina definește modul în care electronii interacționează cu un câmp electric. Experimentele cuantice pe care le-am construit încă de la studii superioare, iar acum în propriul meu laborator, urmăresc să aplic câmpuri magnetice personalizate pentru a schimba spinurile anumitor electroni.

Cercetările au demonstrat că multe procese fiziologice sunt influențate de câmpuri magnetice slabe. Aceste procese includ dezvoltarea celulelor stem și maturizare, ratele de proliferare celulară, repararea materialului genetic, și nenumarate altele. Aceste răspunsuri fiziologice la câmpurile magnetice sunt în concordanță cu reacțiile chimice care depind de spin-ul anumitor electroni din molecule. Aplicarea unui câmp magnetic slab pentru a schimba spinurile electronilor poate controla astfel eficient produsele finali ale unei reacții chimice, cu consecințe fiziologice importante.

În prezent, lipsa de înțelegere a modului în care funcționează astfel de procese la nivel nano-scal îi împiedică pe cercetători să determine exact ce putere și frecvența câmpurilor magnetice provoacă reacții chimice specifice în celule. Tehnologiile actuale de telefoane mobile, purtabile și miniaturizare sunt deja suficiente pentru a fi produse câmpuri magnetice slabe adaptate, care schimbă fiziologia, și la bine și la rău. Piesa lipsă a puzzle-ului este, prin urmare, o „carte de coduri deterministă” a modului de a mapa cauzele cuantice la rezultatele fiziologice.

În viitor, reglarea fină a proprietăților cuantice ale naturii ar putea permite cercetătorilor să dezvolte dispozitive terapeutice care sunt neinvazive, controlate de la distanță și accesibile cu un telefon mobil. Tratamentele electromagnetice ar putea fi utilizate pentru prevenirea și tratarea bolilor, cum ar fi tumori cerebrale, precum și în bioproducție, cum ar fi creșterea producției de carne cultivată în laborator.

Un mod cu totul nou de a face știință

Biologia cuantică este unul dintre cele mai interdisciplinare domenii care au apărut vreodată. Cum construiți o comunitate și cum pregătiți oamenii de știință pentru a lucra în acest domeniu?

De la pandemie, laboratorul meu de la Universitatea din California, Los Angeles și Centrul de pregătire doctorală în biologie cuantică al Universității din Surrey au organizat Mari întâlniri de biologie cuantică pentru a oferi un forum săptămânal informal pentru ca cercetătorii să se întâlnească și să își împărtășească experiența în domenii precum fizica cuantică, biofizică, medicină, chimie și biologie.

Cercetarea cu implicații potențial transformatoare pentru biologie, medicină și științe fizice va necesita lucrul într-un model de colaborare la fel de transformator. Lucrul într-un singur laborator unificat ar permite oamenilor de știință din discipline care adoptă abordări foarte diferite ale cercetării să efectueze experimente care îndeplinesc lărgimea biologiei cuantice de la cuantic la molecular, celular și organism.

Existența biologiei cuantice ca disciplină implică faptul că înțelegerea tradițională a proceselor vieții este incompletă. Cercetările ulterioare vor duce la noi perspective asupra vechii întrebări despre ce este viața, cum poate fi controlată și cum să învățați cu natura pentru a construi tehnologii cuantice mai bune.

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

Credit imagine: ANIRUDH / Unsplash

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Cumpărați și vindeți acțiuni în companii PRE-IPO cu PREIPO®. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/