Квантовая биология может революционизировать наше понимание того, как устроена жизнь

Представьте, что вы используете свой мобильный телефон, чтобы контролировать активность собственных клеток для лечения травм и болезней. Звучит как плод воображения чересчур оптимистичного писателя-фантаста. Но однажды это может стать возможным благодаря развивающейся области квантовой биологии.

За последние несколько десятилетий ученые добились невероятного прогресса в понимании биологических систем и управлении ими во все более малых масштабах, от сворачивание белка в генная инженерия. И все же степень влияния квантовых эффектов на живые системы остается малоизученной.

Квантовые эффекты — это явления, происходящие между атомами и молекулами, которые не могут быть объяснены классической физикой. Уже более века известно, что правила классической механики, как и законы движения Ньютона, разрушаться в атомных масштабах. Вместо этого крошечные объекты ведут себя в соответствии с другим набором законов, известных как квантовая механика.

Для людей, которые могут воспринимать только макроскопический мир или то, что видно невооруженным глазом, квантовая механика может показаться нелогичной и несколько волшебной. В квантовом мире случаются вещи, которых вы, возможно, не ожидаете, например электроны «туннелируют» через крошечные энергетические барьеры и оказаться с другой стороны целым и невредимым, или оказаться в двух разных местах одновременно в явление, называемое суперпозицией.

я обучаюсь как квантовый инженер. Исследования в области квантовой механики обычно ориентированы на технологии. Однако, что несколько удивительно, появляется все больше свидетельств того, что природа — инженер с многолетней практикой — научилась использовать квантовую механику для оптимального функционирования. Если это действительно так, то это означает, что наше понимание биологии радикально неполно. Это также означает, что мы могли бы управлять физиологическими процессами, используя квантовые свойства биологической материи.

Квантовая природа в биологии, вероятно, реальна

Исследователи могут манипулировать квантовыми явлениями, чтобы создавать более совершенные технологии. На самом деле вы уже живете в квантовый мир: от лазерных указок до GPS, магнитно-резонансной томографии и транзисторов в вашем компьютере — все эти технологии основаны на квантовых эффектах.

В общем, квантовые эффекты проявляются только в очень малых масштабах длины и массы или когда температура приближается к абсолютному нулю. Это связано с тем, что квантовые объекты, такие как атомы и молекулы, теряют свою «квантовость» когда они бесконтрольно взаимодействуют друг с другом и окружающей их средой. Другими словами, макроскопический набор квантовых объектов лучше описывается законами классической механики. Все, что начинается с квантов, умирает классически. Например, можно манипулировать электроном так, чтобы он находился в двух местах одновременно, но через короткое время он окажется только в одном месте — именно то, чего и следовало ожидать в классическом понимании.

Таким образом, ожидается, что в сложной, шумной биологической системе большинство квантовых эффектов быстро исчезнет, ​​размываясь в том, что физик Эрвин Шредингер назвал «теплая влажная среда клетки». Для большинства физиков тот факт, что живой мир существует при повышенных температурах и в сложных условиях, означает, что биология может быть адекватно и полностью описана классической физикой: никаких причудливых пересечений барьеров, никакого пребывания в нескольких местах одновременно.

Химики, однако, долгое время просили не соглашаться. Исследования основных химических реакций при комнатной температуре однозначно показывают, что процессы, происходящие внутри биомолекул как белки и генетический материал являются результатом квантовых эффектов. Важно отметить, что такие наноскопические кратковременные квантовые эффекты согласуются с управлением некоторыми макроскопическими физиологическими процессами, которые биологи измерили в живых клетках и организмах. Исследования показывают, что квантовые эффекты влияют на биологические функции, в том числе регулирующая активность ферментов, обнаружение магнитных полей, клеточный метаболизми транспорт электронов в биомолекулах.

Как изучать квантовую биологию

Дразнящая возможность того, что тонкие квантовые эффекты могут влиять на биологические процессы, представляет собой одновременно захватывающий рубеж и вызов для ученых. Для изучения квантово-механических эффектов в биологии требуются инструменты, которые могут измерять короткие масштабы времени, небольшие масштабы длины и тонкие различия в квантовых состояниях, которые приводят к физиологическим изменениям — все это интегрировано в традиционную среду влажной лаборатории.

В моей работеЯ создаю инструменты для изучения и контроля квантовых свойств таких маленьких вещей, как электроны. Точно так же, как электроны имеют массу и заряд, они также имеют квантовое свойство, называемое спином. Спин определяет, как электроны взаимодействуют с магнитным полем, точно так же, как заряд определяет, как электроны взаимодействуют с электрическим полем. Квантовые эксперименты, которые я строил с аспирантуры, а теперь и в моей собственной лаборатории, стремлюсь применять специальные магнитные поля для изменения спинов определенных электронов.

Исследования показали, что слабые магнитные поля влияют на многие физиологические процессы. Эти процессы включают развитие стволовых клеток и созревание, скорость пролиферации клеток, восстановление генетического материалаи бесчисленное множество других. Эти физиологические реакции на магнитные поля согласуются с химическими реакциями, которые зависят от спина определенных электронов внутри молекул. Таким образом, применение слабого магнитного поля для изменения спинов электронов может эффективно контролировать конечные продукты химической реакции с важными физиологическими последствиями.

В настоящее время отсутствие понимания того, как такие процессы работают на наноуровне, не позволяет исследователям точно определить, какая сила и частота магнитных полей вызывают определенные химические реакции в клетках. Существующие мобильные телефоны, носимые устройства и технологии миниатюризации уже достаточны для производства адаптированные слабые магнитные поля, которые изменяют физиологию, как к хорошему, так и к плохому. Таким образом, недостающая часть головоломки — это «детерминистическая кодовая книга» того, как сопоставить квантовые причины с физиологическими результатами.

В будущем точная настройка квантовых свойств природы может позволить исследователям разрабатывать терапевтические устройства, которые являются неинвазивными, дистанционно управляемыми и доступными с помощью мобильного телефона. Электромагнитное лечение потенциально может быть использовано для профилактики и лечения заболеваний, таких как опухоли головного мозга, а также в биопроизводстве, например увеличение производства мяса, выращенного в лаборатории.

Совершенно новый способ заниматься наукой

Квантовая биология — одна из самых междисциплинарных областей, которые когда-либо возникали. Как вы строите сообщество и готовите ученых для работы в этой области?

После пандемии моя лаборатория в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и Учебный центр докторантуры по квантовой биологии Университета Суррея организовали Большие встречи по квантовой биологии предоставить неформальный еженедельный форум для исследователей, чтобы они могли встречаться и делиться своим опытом в таких областях, как основная квантовая физика, биофизика, медицина, химия и биология.

Исследования с потенциально преобразующими последствиями для биологии, медицины и физических наук потребуют работы в рамках столь же преобразующей модели сотрудничества. Работа в одной объединенной лаборатории позволила бы ученым из дисциплин, использующих очень разные подходы к исследованиям, проводить эксперименты, соответствующие широте квантовой биологии, от квантовой до молекулярной, клеточной и организменной.

Существование квантовой биологии как дисциплины подразумевает неполноту традиционного понимания жизненных процессов. Дальнейшие исследования приведут к новому пониманию извечного вопроса о том, что такое жизнь, как ею можно управлять и как учиться вместе с природой для создания лучших квантовых технологий.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: АНИРУДХ / Unsplash

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/