Kvantna biologija bi lahko spremenila naše razumevanje delovanja življenja

Predstavljajte si, da uporabljate svoj mobilni telefon za nadzor aktivnosti lastnih celic za zdravljenje poškodb in bolezni. Sliši se kot nekaj iz domišljije preveč optimističnega pisca znanstvene fantastike. Toda to bo morda nekega dne možnost prek nastajajočega področja kvantne biologije.

V zadnjih nekaj desetletjih so znanstveniki naredili neverjeten napredek pri razumevanju in manipuliranju bioloških sistemov na vse manjših lestvicah, od zvijanje beljakovin do genski inženiring. In vendar ostaja obseg, do katerega kvantni učinki vplivajo na žive sisteme, komaj razumljen.

Kvantni učinki so pojavi med atomi in molekulami, ki jih klasična fizika ne more razložiti. Že več kot stoletje je znano, da pravila klasične mehanike, kot so Newtonovi zakoni gibanja, razpadejo na atomskih lestvicah. Namesto tega se majhni predmeti obnašajo v skladu z drugačnim nizom zakonov, znanih kot kvantna mehanika.

Za ljudi, ki lahko zaznavajo samo makroskopski svet ali tisto, kar je vidno s prostim očesom, se lahko kvantna mehanika zdi protislovna in nekoliko čarobna. V kvantnem svetu se zgodijo stvari, ki jih morda ne pričakujete, npr elektroni "tunelirajo" skozi majhne energijske ovire in se na drugi strani pojaviti nepoškodovani ali biti na dveh različnih mestih hkrati v pojav, imenovan superpozicija.

Usposobljen sem za kvantni inženir. Raziskave v kvantni mehaniki so običajno usmerjene v tehnologijo. Vendar pa je, kar je nekoliko presenetljivo, vedno več dokazov, da se je narava – inženir z milijardami let prakse – naučila, kako uporabite kvantno mehaniko za optimalno delovanje. Če je to res, to pomeni, da je naše razumevanje biologije radikalno nepopolno. Pomeni tudi, da bi morda lahko nadzorovali fiziološke procese z uporabo kvantnih lastnosti biološke snovi.

Kvantnost v biologiji je verjetno resnična

Raziskovalci lahko manipulirajo s kvantnimi pojavi, da ustvarijo boljšo tehnologijo. Pravzaprav že živite v kvantno poganjani svet: od laserskih kazalcev do GPS-a, slikanja z magnetno resonanco in tranzistorjev v vašem računalniku – vse te tehnologije temeljijo na kvantnih učinkih.

Na splošno se kvantni učinki kažejo le na zelo majhnih lestvicah dolžine in mase ali ko se temperature približajo absolutni ničli. To je zato, ker so kvantni predmeti, kot so atomi in molekule izgubijo svojo "kvantnost" ko nenadzorovano komunicirajo drug z drugim in s svojim okoljem. Z drugimi besedami, makroskopsko zbirko kvantnih objektov bolje opišejo zakoni klasične mehanike. Vse, kar se začne kvantno, umre klasično. Na primer, z elektronom je mogoče manipulirati tako, da je na dveh mestih hkrati, vendar bo po kratkem času končal le na enem mestu - točno to, kar bi klasično pričakovali.

V zapletenem, hrupnem biološkem sistemu je torej pričakovati, da bo večina kvantnih učinkov hitro izginila, izprana v tem, kar je fizik Erwin Schrödinger poimenoval "toplo, mokro okolje celice.” Za večino fizikov dejstvo, da živi svet deluje pri povišanih temperaturah in v zapletenih okoljih, pomeni, da je biologijo mogoče ustrezno in v celoti opisati s klasično fiziko: brez smešnega prečkanja ovir, brez bivanja na več lokacijah hkrati.

Vendar pa so kemiki dolgo časa prosili, da se ne strinjajo. Raziskave osnovnih kemijskih reakcij pri sobni temperaturi to nedvoumno kažejo procesi, ki potekajo znotraj biomolekul tako kot proteini in genetski material so rezultat kvantnih učinkov. Pomembno je, da so takšni nanoskopski, kratkotrajni kvantni učinki skladni s poganjanjem nekaterih makroskopskih fizioloških procesov, ki so jih biologi izmerili v živih celicah in organizmih. Raziskave kažejo, da kvantni učinki vplivajo na biološke funkcije, vključno z uravnavanje aktivnosti encimov, zaznavanje magnetnih polj, celični metabolizemin transport elektronov v biomolekulah.

Kako študirati kvantno biologijo

Osupljiva možnost, da lahko subtilni kvantni učinki spremenijo biološke procese, predstavlja vznemirljivo mejo in izziv za znanstvenike. Preučevanje kvantno mehanskih učinkov v biologiji zahteva orodja, ki lahko merijo kratke časovne lestvice, majhne lestvice dolžine in subtilne razlike v kvantnih stanjih, ki povzročajo fiziološke spremembe – vse to je integrirano v tradicionalno mokro laboratorijsko okolje.

V mojem delu, gradim instrumente za preučevanje in nadzor kvantnih lastnosti majhnih stvari, kot so elektroni. Na enak način, kot imajo elektroni maso in naboj, imajo tudi a kvantna lastnost, imenovana spin. Spin določa interakcijo elektronov z magnetnim poljem, na enak način kot naboj določa interakcijo elektronov z električnim poljem. Kvantni eksperimenti, ki sem jih gradil od podiplomskega študija, in zdaj v svojem lastnem laboratoriju, želim uporabiti prilagojena magnetna polja za spreminjanje vrtljajev določenih elektronov.

Raziskave so pokazale, da na številne fiziološke procese vplivajo šibka magnetna polja. Ti procesi vključujejo razvoj izvornih celic in Zorenje, stopnje celične proliferacije, popravilo genskega materialain nešteto drugih. Ti fiziološki odzivi na magnetna polja so skladni s kemičnimi reakcijami, ki so odvisne od vrtenja določenih elektronov v molekulah. Uporaba šibkega magnetnega polja za spreminjanje vrtljajev elektronov lahko tako učinkovito nadzoruje končne produkte kemične reakcije s pomembnimi fiziološkimi posledicami.

Trenutno pomanjkanje razumevanja, kako takšni procesi delujejo na ravni nanometrov, raziskovalcem preprečuje, da bi natančno določili, kakšna moč in frekvenca magnetnih polj povzročata specifične kemične reakcije v celicah. Trenutne tehnologije mobilnih telefonov, nosljivih in miniaturnih tehnologij že zadostujejo za proizvodnjo prilagojena, šibka magnetna polja, ki spreminjajo fiziologijo, tako v dobrem kot v slabem. Manjkajoči del uganke je torej »deterministična kodna knjiga«, kako preslikati kvantne vzroke v fiziološke rezultate.

V prihodnosti bi natančno prilagajanje kvantnih lastnosti narave lahko raziskovalcem omogočilo razvoj terapevtskih naprav, ki so neinvazivne, daljinsko vodene in dostopne z mobilnim telefonom. Elektromagnetno zdravljenje bi se lahko potencialno uporabljalo za preprečevanje in zdravljenje bolezni, kot je npr možganskih tumorjev, kot tudi v bioproizvodnji, kot npr povečanje proizvodnje laboratorijsko pridelanega mesa.

Popolnoma nov način delanja znanosti

Kvantna biologija je eno najbolj interdisciplinarnih področij, ki so se kdaj pojavila. Kako gradite skupnost in usposabljate znanstvenike za delo na tem področju?

Od pandemije sta moj laboratorij na Univerzi Kalifornija v Los Angelesu in Center za doktorsko usposabljanje kvantne biologije Univerze Surrey organizirala Velika srečanja kvantne biologije zagotoviti neformalni tedenski forum za srečanje raziskovalcev in izmenjavo strokovnega znanja na področjih, kot so glavna kvantna fizika, biofizika, medicina, kemija in biologija.

Raziskave s potencialno transformativnimi posledicami za biologijo, medicino in fizikalne vede bodo zahtevale delo v enako transformativnem modelu sodelovanja. Delo v enem enotnem laboratoriju bi znanstvenikom iz disciplin, ki imajo zelo različne pristope k raziskovanju, omogočilo izvajanje poskusov, ki ustrezajo širini kvantne biologije od kvantne do molekularne, celične in organizmske.

Obstoj kvantne biologije kot discipline pomeni, da je tradicionalno razumevanje življenjskih procesov nepopolno. Nadaljnje raziskave bodo vodile do novih vpogledov v prastaro vprašanje, kaj je življenje, kako ga je mogoče nadzorovati in kako se z naravo učiti graditi boljše kvantne tehnologije.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Kreditno slike: ANIRUDH / Unsplash

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/