Квантова біологія може революціонізувати наше розуміння того, як влаштовано життя

Уявіть, що ви використовуєте свій мобільний телефон для контролю активності власних клітин для лікування травм і хвороб. Звучить як щось із уяви надто оптимістичного письменника-фантаста. Але одного разу це може стати можливим завдяки новій галузі квантової біології.

За останні кілька десятиліть вчені досягли неймовірного прогресу в розумінні біологічних систем і маніпулюванні ними у все менших масштабах, починаючи з згортання білка до генної інженерії. І все ж ступінь впливу квантових ефектів на живі системи залишається малозрозумілою.

Квантові ефекти — це явища, що виникають між атомами та молекулами, які неможливо пояснити класичною фізикою. Вже понад століття відомо, що правила класичної механіки, як і закони руху Ньютона, розпадаються в атомних масштабах. Натомість крихітні об’єкти поводяться відповідно до іншого набору законів, відомих як квантова механіка.

Для людей, які можуть сприймати лише макроскопічний світ або те, що видно неозброєним оком, квантова механіка може здаватися нерозумною та дещо магічною. У квантовому світі відбуваються речі, яких ви, можливо, не очікуєте «тунелювання» електронів крихітні енергетичні бар'єри і з'являтися з іншого боку неушкодженим або перебувати в двох різних місцях одночасно в явище називається суперпозицією.

Я пройшов навчання як a квантовий інженер. Дослідження квантової механіки зазвичай спрямовані на технологію. Проте, як це дещо дивно, з’являється все більше доказів того, що природа — інженер із мільярдами років практики — навчилася використовувати квантову механіку для оптимального функціонування. Якщо це справді так, це означає, що наше розуміння біології радикально неповне. Це також означає, що ми могли б контролювати фізіологічні процеси, використовуючи квантові властивості біологічної матерії.

Квантовість у біології, ймовірно, реальна

Дослідники можуть маніпулювати квантовими явищами, щоб створити кращу технологію. Фактично, ви вже живете в a квантовий світ: від лазерних покажчиків до GPS, магнітно-резонансної томографії та транзисторів у вашому комп’ютері — усі ці технології покладаються на квантові ефекти.

Загалом, квантові ефекти проявляються лише на дуже малих масштабах довжини та маси або коли температура наближається до абсолютного нуля. Це тому, що такі квантові об’єкти, як атоми та молекули втрачають свою «кількісність» коли вони неконтрольовано взаємодіють один з одним і своїм оточенням. Іншими словами, макроскопічна сукупність квантових об’єктів краще описується законами класичної механіки. Все, що починається квантово, вмирає класично. Наприклад, електроном можна керувати таким чином, щоб він перебував у двох місцях одночасно, але через деякий час він опиниться лише в одному місці — саме те, що очікувалося б класично.

У складній біологічній системі з шумом очікується, що більшість квантових ефектів швидко зникне, вимиваючись у те, що фізик Ервін Шредінгер назвав «тепле, вологе середовище клітини.” Для більшості фізиків той факт, що живий світ функціонує при підвищених температурах і в складних середовищах, означає, що біологія може бути адекватно й повно описана класичною фізикою: немає дивного перетину бар’єрів, немає перебування в кількох місцях одночасно.

Однак хіміки протягом тривалого часу не погоджувалися. Дослідження основних хімічних реакцій при кімнатній температурі це однозначно показує процеси, що відбуваються всередині біомолекул як білки, так і генетичний матеріал є результатом квантових ефектів. Важливо, що такі наноскопічні, короткочасні квантові ефекти узгоджуються з приводом деяких макроскопічних фізіологічних процесів, які біологи виміряли в живих клітинах і організмах. Дослідження показують, що квантові ефекти впливають на біологічні функції, в тому числі регуляція активності ферментів, зондування магнітних полів, клітинний обмін та транспорт електронів у біомолекулах.

Як вивчати квантову біологію

Приголомшлива можливість того, що тонкі квантові ефекти можуть змінювати біологічні процеси, є одночасно захоплюючим кордоном і викликом для вчених. Вивчення квантово-механічних ефектів у біології потребує інструментів, які можуть вимірювати короткі масштаби часу, малі масштаби довжини та тонкі відмінності в квантових станах, які викликають фізіологічні зміни, і все це інтегровано в традиційне середовище мокрої лабораторії.

У своїй роботі, я створюю інструменти для вивчення та контролю квантових властивостей маленьких речей, таких як електрони. Подібно до того, як електрони мають масу та заряд, вони також мають a квантова властивість, яка називається спіном. Спін визначає, як електрони взаємодіють з магнітним полем, так само, як заряд визначає, як електрони взаємодіють з електричним полем. Квантові експерименти, які я будував ще з аспірантури, і тепер у моїй власній лабораторії, прагну застосувати індивідуальні магнітні поля для зміни спінів окремих електронів.

Дослідження показали, що на багато фізіологічних процесів впливають слабкі магнітні поля. Ці процеси включають розвиток стовбурових клітин та дозрівання, швидкості проліферації клітин, відновлення генетичного матеріалу та незліченна кількість інших. Ці фізіологічні реакції на магнітні поля узгоджуються з хімічними реакціями, які залежать від обертання певних електронів у молекулах. Таким чином, застосування слабкого магнітного поля для зміни спінів електронів може ефективно контролювати кінцеві продукти хімічної реакції з важливими фізіологічними наслідками.

В даний час відсутність розуміння того, як такі процеси працюють на нанорозмірному рівні, заважає дослідникам точно визначити, яка сила і частота магнітних полів викликають специфічні хімічні реакції в клітинах. Поточних технологій мобільних телефонів, пристроїв для носіння та мініатюризації вже достатньо для виробництва індивідуальні слабкі магнітні поля, які змінюють фізіологію, як добре, так і погано. Відсутня частина головоломки — це, отже, «детермінована кодова книга» того, як зіставити квантові причини з фізіологічними результатами.

У майбутньому точне налаштування квантових властивостей природи дозволить дослідникам розробляти терапевтичні пристрої, які є неінвазивними, дистанційно керованими та доступними за допомогою мобільного телефону. Електромагнітне лікування може потенційно використовуватися для запобігання та лікування захворювань, таких як пухлини мозку, а також у біовиробництві, наприклад збільшення виробництва м’яса, вирощеного в лабораторії.

Цілком новий спосіб ведення науки

Квантова біологія є однією з найбільш міждисциплінарних галузей, які коли-небудь виникали. Як ви будуєте спільноту та навчаєте науковців працювати в цій сфері?

Після пандемії моя лабораторія Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Докторський навчальний центр квантової біології Університету Суррея організували Великі зустрічі з квантової біології забезпечити неформальний щотижневий форум для дослідників, щоб зустрітися та поділитися своїм досвідом у таких галузях, як квантова фізика, біофізика, медицина, хімія та біологія.

Дослідження з потенційно трансформаційними наслідками для біології, медицини та фізичних наук вимагатимуть роботи в рамках не менш трансформаційної моделі співпраці. Робота в одній об’єднаній лабораторії дозволить науковцям із дисциплін, які використовують дуже різні підходи до дослідження, проводити експерименти, які відповідають широті квантової біології від квантової до молекулярної, клітинної та організмової.

Існування квантової біології як дисципліни означає, що традиційне розуміння життєвих процесів є неповним. Подальші дослідження приведуть до нового розуміння одвічного питання про те, що таке життя, як ним можна керувати та як разом із природою вчитися створювати кращі квантові технології.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: АНІРУДХ / Unsplash

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/