ชีววิทยาควอนตัมสามารถปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของชีวิต

ชีววิทยาควอนตัมสามารถปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของชีวิต

ประทับเวลา: 19 พฤษภาคม 2023 10:00 น

ลองนึกภาพการใช้โทรศัพท์มือถือของคุณเพื่อควบคุมการทำงานของเซลล์ของคุณเองเพื่อรักษาอาการบาดเจ็บและโรค ดูเหมือนบางสิ่งจากจินตนาการของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ที่มองโลกในแง่ดีเกินไป แต่วันหนึ่งนี่อาจเป็นไปได้ผ่านสาขาชีววิทยาควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่

ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์มีความก้าวหน้าอย่างไม่น่าเชื่อในการทำความเข้าใจและจัดการกับระบบทางชีววิทยาในระดับที่เล็กขึ้นเรื่อยๆ ตั้งแต่ การพับโปรตีน ไปยัง พันธุวิศวกรรม. ถึงกระนั้น ขอบเขตที่ผลกระทบของควอนตัมมีอิทธิพลต่อระบบสิ่งมีชีวิตยังแทบไม่เป็นที่เข้าใจ

ผลควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมและโมเลกุลที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยฟิสิกส์แบบดั้งเดิม เป็นที่ทราบกันมานานกว่าศตวรรษว่ากฎของกลศาสตร์คลาสสิก เช่น กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน แตกสลายในระดับปรมาณู. วัตถุขนาดเล็กจะทำงานตามกฎชุดอื่นที่เรียกว่าแทน กลศาสตร์ควอนตัม.

สำหรับมนุษย์ที่สามารถรับรู้ได้เพียงโลกกว้างๆ หรือสิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า กลศาสตร์ควอนตัมอาจดูขัดกับสัญชาตญาณและค่อนข้างมีมนต์ขลัง สิ่งที่คุณอาจไม่คาดคิดเกิดขึ้นในโลกควอนตัม เช่น อิเล็กตรอน "อุโมงค์" ผ่าน อุปสรรคพลังงานเล็ก ๆ และปรากฏขึ้นในอีกด้านหนึ่งโดยไม่ได้รับบาดเจ็บหรืออยู่ในสถานที่ที่แตกต่างกันสองแห่งในเวลาเดียวกันใน ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการทับซ้อน.

ฉันได้รับการฝึกฝนให้เป็น วิศวกรควอนตัม. การวิจัยในกลศาสตร์ควอนตัมมักจะมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม และค่อนข้างน่าแปลกใจที่มีหลักฐานเพิ่มมากขึ้นว่าธรรมชาติ ซึ่งเป็นวิศวกรที่ฝึกฝนมานับพันล้านปี ได้เรียนรู้วิธีการ ใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการทำงานอย่างเหมาะสมที่สุด. หากเป็นจริงก็หมายความว่าความเข้าใจด้านชีววิทยาของเรานั้นไม่สมบูรณ์อย่างสิ้นเชิง นอกจากนี้ยังหมายความว่าเราสามารถควบคุมกระบวนการทางสรีรวิทยาได้โดยใช้คุณสมบัติทางควอนตัมของสสารทางชีววิทยา

ความควอนตัมในชีววิทยาน่าจะเป็นจริง

นักวิจัยสามารถจัดการกับปรากฏการณ์ควอนตัมเพื่อสร้างเทคโนโลยีที่ดีขึ้น ในความเป็นจริงคุณอาศัยอยู่ใน โลกที่ขับเคลื่อนด้วยควอนตัม: ตั้งแต่ตัวชี้แบบเลเซอร์ไปจนถึง GPS การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก และทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์ของคุณ—เทคโนโลยีทั้งหมดนี้อาศัยผลควอนตัม

โดยทั่วไปแล้ว ผลกระทบทางควอนตัมจะปรากฏในระดับความยาวและมวลที่น้อยมาก หรือเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น นี่เป็นเพราะวัตถุควอนตัมเช่นอะตอมและโมเลกุล สูญเสีย "ควอนตัม" ของพวกเขา เมื่อพวกเขามีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและสภาพแวดล้อมที่ไม่สามารถควบคุมได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง การรวบรวมวัตถุควอนตัมด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยตาเปล่านั้นอธิบายได้ดีกว่ากฎของกลศาสตร์คลาสสิก ทุกสิ่งที่เริ่มต้นควอนตัมตายแบบคลาสสิก ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนสามารถถูกควบคุมให้อยู่ในสองตำแหน่งในเวลาเดียวกันได้ แต่จะจบลงที่ตำแหน่งเดียวหลังจากนั้นไม่นาน—ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหวังได้ตามปกติ

ในระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนและมีเสียงดัง จึงคาดว่าผลกระทบทางควอนตัมส่วนใหญ่จะหายไปอย่างรวดเร็ว และถูกชะล้างออกไปในสิ่งที่นักฟิสิกส์ Erwin Schrödinger เรียกว่า "สภาพแวดล้อมที่อบอุ่นและเปียกชื้นของเซลล์” สำหรับนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ ข้อเท็จจริงที่ว่าโลกของสิ่งมีชีวิตดำเนินไปในอุณหภูมิที่สูงขึ้นและในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนนั้นบ่งบอกเป็นนัยว่าฟิสิกส์คลาสสิกสามารถอธิบายชีววิทยาได้อย่างเพียงพอและครบถ้วน: ไม่มีการข้ามสิ่งกีดขวางที่ขี้ขลาด

อย่างไรก็ตาม นักเคมีได้ขอร้องให้แตกต่างไปนานแล้ว การวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานที่อุณหภูมิห้องแสดงให้เห็นอย่างชัดเจน กระบวนการที่เกิดขึ้นภายในสารชีวโมเลกุล เช่น โปรตีนและสารพันธุกรรมเป็นผลมาจากผลควอนตัม ที่สำคัญ ผลกระทบควอนตัมอายุสั้นระดับนาโนดังกล่าวสอดคล้องกับการขับเคลื่อนกระบวนการทางสรีรวิทยาในระดับมหภาคที่นักชีววิทยาวัดได้ในเซลล์และสิ่งมีชีวิตที่มีชีวิต การวิจัยชี้ให้เห็นว่าผลกระทบทางควอนตัมมีอิทธิพลต่อการทำงานทางชีวภาพ ซึ่งรวมถึง ควบคุมการทำงานของเอนไซม์, ตรวจจับสนามแม่เหล็ก, เมแทบอลิซึมของเซลล์และ การขนส่งอิเล็กตรอนในสารชีวโมเลกุล.

วิธีการศึกษาควอนตัมชีววิทยา

ความเป็นไปได้ที่ยั่วเย้าที่เอฟเฟกต์ควอนตัมเล็กน้อยสามารถปรับแต่งกระบวนการทางชีววิทยาได้นำเสนอทั้งพรมแดนที่น่าตื่นเต้นและความท้าทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์ การศึกษาผลกระทบทางกลเชิงควอนตัมในชีววิทยาต้องการเครื่องมือที่สามารถวัดมาตราส่วนเวลาสั้น สเกลความยาวขนาดเล็ก และความแตกต่างเล็กน้อยในสถานะควอนตัมที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา ทั้งหมดนี้รวมอยู่ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการแบบเปียกแบบดั้งเดิม

ในงานของฉันฉันสร้างเครื่องมือเพื่อศึกษาและควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของสิ่งเล็กๆ เช่น อิเล็กตรอน ในทำนองเดียวกับที่อิเล็กตรอนมีมวลและประจุ พวกมันก็มี a คุณสมบัติควอนตัมเรียกว่าสปิน. สปินกำหนดวิธีที่อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก ในลักษณะเดียวกับที่ประจุกำหนดว่าอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้าอย่างไร การทดลองควอนตัมที่ฉันสร้างขึ้น ตั้งแต่เรียนจบและตอนนี้ในห้องทดลองของฉันเอง ตั้งเป้าที่จะใช้สนามแม่เหล็กที่ปรับแต่งเพื่อเปลี่ยนสปินของอิเล็กตรอนบางตัว

การวิจัยแสดงให้เห็นว่ากระบวนการทางสรีรวิทยาหลายอย่างได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กอ่อน กระบวนการเหล่านี้รวมถึง การพัฒนาสเต็มเซลล์ และ การสุก, อัตราการเพิ่มจำนวนเซลล์, การซ่อมแซมสารพันธุกรรมและ อีกนับไม่ถ้วน. การตอบสนองทางสรีรวิทยาต่อสนามแม่เหล็กเหล่านี้สอดคล้องกับปฏิกิริยาเคมีที่ขึ้นอยู่กับการหมุนของอิเล็กตรอนเฉพาะภายในโมเลกุล การใช้สนามแม่เหล็กอ่อนเพื่อเปลี่ยนสปินของอิเล็กตรอนจึงสามารถควบคุมผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของปฏิกิริยาเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีผลกระทบทางสรีรวิทยาที่สำคัญ

ปัจจุบัน การขาดความเข้าใจว่ากระบวนการดังกล่าวทำงานในระดับนาโนได้อย่างไร ทำให้นักวิจัยไม่สามารถระบุได้ว่าความแรงและความถี่ของสนามแม่เหล็กใดที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเฉพาะในเซลล์ โทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์สวมใส่ และเทคโนโลยีการย่อส่วนในปัจจุบันก็เพียงพอแล้วที่จะผลิต สนามแม่เหล็กอ่อนที่ปรับแต่งได้ซึ่งเปลี่ยนแปลงสรีรวิทยาทั้งในด้านดีและด้านไม่ดี ชิ้นส่วนที่ขาดหายไปของปริศนาจึงเป็น "หนังสือรหัสเชิงกำหนด" ของวิธีการแมปสาเหตุควอนตัมกับผลลัพธ์ทางสรีรวิทยา

ในอนาคต การปรับคุณสมบัติควอนตัมของธรรมชาติอย่างละเอียดจะช่วยให้นักวิจัยสามารถพัฒนาอุปกรณ์การรักษาที่ไม่รุกล้ำ ควบคุมจากระยะไกล และเข้าถึงได้ด้วยโทรศัพท์มือถือ การรักษาด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าอาจถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันและรักษาโรค เช่น เนื้องอกในสมองเช่นเดียวกับในการผลิตทางชีวภาพเช่น เพิ่มการผลิตเนื้อสัตว์ในห้องปฏิบัติการ.

วิธีใหม่ในการทำวิทยาศาสตร์

ชีววิทยาควอนตัมเป็นหนึ่งในสาขาสหวิทยาการมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา คุณจะสร้างชุมชนและฝึกอบรมนักวิทยาศาสตร์ให้ทำงานในด้านนี้ได้อย่างไร

นับตั้งแต่เกิดโรคระบาด ห้องปฏิบัติการของฉันที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส และศูนย์ฝึกอบรมปริญญาเอกด้านชีววิทยาควอนตัมของมหาวิทยาลัยเซอร์เรย์ได้จัด การประชุมชีววิทยาควอนตัมครั้งใหญ่ เพื่อจัดฟอรัมรายสัปดาห์อย่างไม่เป็นทางการสำหรับนักวิจัยในการพบปะและแบ่งปันความเชี่ยวชาญในสาขาต่างๆ เช่น ฟิสิกส์ควอนตัมกระแสหลัก ชีวฟิสิกส์ การแพทย์ เคมี และชีววิทยา

การวิจัยที่มีนัยที่อาจก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสำหรับชีววิทยา การแพทย์ และวิทยาศาสตร์กายภาพ จะต้องทำงานภายใต้รูปแบบความร่วมมือที่เปลี่ยนแปลงอย่างเท่าเทียมกัน การทำงานในห้องทดลองที่รวมเป็นหนึ่งเดียวจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จากสาขาวิชาต่างๆ ที่ใช้แนวทางที่แตกต่างกันมากในการวิจัยเพื่อทำการทดลองที่ตรงกับความกว้างของชีววิทยาควอนตัม ตั้งแต่ควอนตัมไปจนถึงโมเลกุล เซลล์ และสิ่งมีชีวิต

การมีอยู่ของชีววิทยาควอนตัมเป็นวินัยหมายความว่าความเข้าใจแบบดั้งเดิมเกี่ยวกับกระบวนการชีวิตนั้นไม่สมบูรณ์ การวิจัยเพิ่มเติมจะนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับคำถามเก่าแก่ที่ว่าชีวิตคืออะไร ควบคุมได้อย่างไร และเรียนรู้กับธรรมชาติเพื่อสร้างเทคโนโลยีควอนตัมที่ดีขึ้นได้อย่างไรสนทนา

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: อนิรุธ / Unsplash

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์