Sinh học lượng tử có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của cuộc sống

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Hãy tưởng tượng sử dụng điện thoại di động của bạn để kiểm soát hoạt động của các tế bào của chính bạn để điều trị chấn thương và bệnh tật. Nó giống như một thứ gì đó từ trí tưởng tượng của một nhà văn khoa học viễn tưởng quá lạc quan. Nhưng điều này một ngày nào đó có thể là một khả năng thông qua lĩnh vực sinh học lượng tử mới nổi.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã đạt được tiến bộ đáng kinh ngạc trong việc hiểu và điều khiển các hệ thống sinh học ở quy mô ngày càng nhỏ, từ gấp protein đến kỹ thuật di truyền. Chưa hết, mức độ mà các hiệu ứng lượng tử ảnh hưởng đến các hệ thống sống vẫn còn rất ít hiểu biết.

Hiệu ứng lượng tử là hiện tượng xảy ra giữa các nguyên tử và phân tử mà vật lý cổ điển không thể giải thích được. Hơn một thế kỷ qua, người ta đã biết rằng các quy tắc của cơ học cổ điển, như các định luật về chuyển động của Newton, phân hủy ở quy mô nguyên tử. Thay vào đó, các vật thể nhỏ bé hành xử theo một bộ luật khác được gọi là cơ lượng tử.

Đối với con người, những người chỉ có thể nhận thức được thế giới vĩ mô hoặc những gì có thể nhìn thấy bằng mắt thường, cơ học lượng tử có vẻ phản trực giác và hơi kỳ diệu. Những điều bạn có thể không mong đợi xảy ra trong thế giới lượng tử, như các điện tử "đường hầm" thông qua các rào cản năng lượng nhỏ và xuất hiện ở phía bên kia mà không bị tổn hại, hoặc ở hai nơi khác nhau cùng một lúc trong một hiện tượng gọi là chồng chất.

tôi được đào tạo như một kỹ sư lượng tử. Nghiên cứu về cơ học lượng tử thường hướng tới công nghệ. Tuy nhiên, và hơi ngạc nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy thiên nhiên—một kỹ sư với hàng tỷ năm thực hành—đã học được cách sử dụng cơ học lượng tử để hoạt động tối ưu. Nếu điều này thực sự đúng, điều đó có nghĩa là sự hiểu biết của chúng ta về sinh học hoàn toàn không đầy đủ. Điều đó cũng có nghĩa là chúng ta có thể kiểm soát các quá trình sinh lý bằng cách sử dụng các đặc tính lượng tử của vật chất sinh học.

Lượng tử trong sinh học có lẽ là có thật

Các nhà nghiên cứu có thể điều khiển các hiện tượng lượng tử để xây dựng công nghệ tốt hơn. Trên thực tế, bạn đã sống trong một thế giới lượng tử: từ con trỏ laser đến GPS, chụp ảnh cộng hưởng từ và bóng bán dẫn trong máy tính của bạn—tất cả những công nghệ này đều dựa trên hiệu ứng lượng tử.

Nói chung, các hiệu ứng lượng tử chỉ biểu hiện ở quy mô chiều dài và khối lượng rất nhỏ, hoặc khi nhiệt độ tiến gần đến độ không tuyệt đối. Điều này là do các đối tượng lượng tử như nguyên tử và phân tử mất “lượng tử” của họ khi họ tương tác không kiểm soát với nhau và với môi trường của họ. Nói cách khác, một tập hợp vĩ mô các đối tượng lượng tử được mô tả tốt hơn bằng các định luật cơ học cổ điển. Tất cả mọi thứ bắt đầu lượng tử chết cổ điển. Ví dụ, một electron có thể được điều khiển để ở hai nơi cùng một lúc, nhưng nó sẽ chỉ dừng lại ở một nơi sau một thời gian ngắn—chính xác như những gì cổ điển mong đợi.

Trong một hệ sinh học ồn ào, phức tạp, người ta cho rằng hầu hết các hiệu ứng lượng tử sẽ nhanh chóng biến mất, bị cuốn trôi theo cái mà nhà vật lý Erwin Schrödinger gọi là “môi trường ấm áp, ẩm ướt của tế bào.” Đối với hầu hết các nhà vật lý, việc thế giới sống hoạt động ở nhiệt độ cao và trong môi trường phức tạp ngụ ý rằng sinh học có thể được mô tả đầy đủ và đầy đủ bằng vật lý cổ điển: không có rào cản vui nhộn nào vượt qua, không tồn tại đồng thời ở nhiều địa điểm.

Tuy nhiên, các nhà hóa học từ lâu đã cầu xin sự khác biệt. Nghiên cứu về các phản ứng hóa học cơ bản ở nhiệt độ phòng cho thấy rõ ràng rằng các quá trình xảy ra trong các phân tử sinh học như protein và vật liệu di truyền là kết quả của hiệu ứng lượng tử. Điều quan trọng là, các hiệu ứng lượng tử tồn tại trong thời gian ngắn ở cấp độ nano như vậy phù hợp với việc thúc đẩy một số quá trình sinh lý vĩ mô mà các nhà sinh học đã đo được trong các tế bào và sinh vật sống. Nghiên cứu cho thấy rằng các hiệu ứng lượng tử ảnh hưởng đến các chức năng sinh học, bao gồm điều hòa hoạt tính enzim, cảm biến từ trường, chuyển hóa tế bàovà vận chuyển điện tử trong các phân tử sinh học.

Cách học Sinh học lượng tử

Khả năng trêu ngươi rằng các hiệu ứng lượng tử tinh tế có thể điều chỉnh các quá trình sinh học vừa là một ranh giới thú vị vừa là thách thức đối với các nhà khoa học. Nghiên cứu các hiệu ứng cơ học lượng tử trong sinh học đòi hỏi các công cụ có thể đo các thang đo thời gian ngắn, thang đo độ dài nhỏ và sự khác biệt tinh tế trong các trạng thái lượng tử làm phát sinh các thay đổi sinh lý—tất cả được tích hợp trong môi trường phòng thí nghiệm ướt truyền thống.

Trong công việc của tôi, Tôi chế tạo các dụng cụ để nghiên cứu và kiểm soát các tính chất lượng tử của những vật nhỏ như electron. Giống như các electron có khối lượng và điện tích, chúng cũng có một tính chất lượng tử gọi là spin. Spin xác định cách các electron tương tác với từ trường, giống như cách điện tích xác định cách các electron tương tác với điện trường. Những thí nghiệm lượng tử mà tôi đang xây dựng kể từ khi tốt nghiệp đại học, và bây giờ trong phòng thí nghiệm của riêng tôi, nhằm mục đích áp dụng từ trường phù hợp để thay đổi spin của các electron cụ thể.

Nghiên cứu đã chứng minh rằng nhiều quá trình sinh lý bị ảnh hưởng bởi từ trường yếu. Các quy trình này bao gồm phát triển tế bào gốc và Trưởng thành, tỷ lệ tăng sinh tế bào, sửa chữa vật liệu di truyềnvà vô số người khác. Những phản ứng sinh lý này đối với từ trường phù hợp với các phản ứng hóa học phụ thuộc vào spin của các electron cụ thể trong phân tử. Do đó, việc áp dụng một từ trường yếu để thay đổi spin của electron có thể kiểm soát hiệu quả các sản phẩm cuối cùng của phản ứng hóa học, với những hậu quả sinh lý quan trọng.

Hiện tại, việc thiếu hiểu biết về cách thức hoạt động của các quy trình như vậy ở cấp độ nano ngăn cản các nhà nghiên cứu xác định chính xác cường độ và tần số của từ trường gây ra các phản ứng hóa học cụ thể trong tế bào. Các công nghệ điện thoại di động, thiết bị đeo và thu nhỏ hiện tại đã đủ để sản xuất phù hợp, từ trường yếu thay đổi sinh lý, cả tốt và xấu. Do đó, phần còn thiếu của câu đố là một “cuốn sách mã xác định” về cách ánh xạ các nguyên nhân lượng tử đến các kết quả sinh lý.

Trong tương lai, việc tinh chỉnh các đặc tính lượng tử của tự nhiên có thể cho phép các nhà nghiên cứu phát triển các thiết bị trị liệu không xâm lấn, điều khiển từ xa và có thể truy cập bằng điện thoại di động. Phương pháp điều trị điện từ có khả năng có thể được sử dụng để ngăn ngừa và điều trị bệnh, chẳng hạn như u não, cũng như trong sản xuất sinh học, chẳng hạn như tăng sản lượng thịt nuôi trong phòng thí nghiệm.

Một cách hoàn toàn mới để làm khoa học

Sinh học lượng tử là một trong những lĩnh vực liên ngành nhất từng xuất hiện. Làm thế nào để bạn xây dựng cộng đồng và đào tạo các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực này?

Kể từ sau đại dịch, phòng thí nghiệm của tôi tại Đại học California, Los Angeles và Trung tâm Đào tạo Tiến sĩ Sinh học Lượng tử của Đại học Surrey đã tổ chức Các cuộc họp Sinh học lượng tử lớn để cung cấp một diễn đàn hàng tuần không chính thức để các nhà nghiên cứu gặp gỡ và chia sẻ chuyên môn của họ trong các lĩnh vực như vật lý lượng tử chính thống, vật lý sinh học, y học, hóa học và sinh học.

Nghiên cứu với những tác động có khả năng biến đổi đối với sinh học, y học và khoa học vật lý sẽ yêu cầu làm việc trong một mô hình hợp tác biến đổi không kém. Làm việc trong một phòng thí nghiệm thống nhất sẽ cho phép các nhà khoa học từ các ngành áp dụng các phương pháp nghiên cứu rất khác nhau để tiến hành các thí nghiệm đáp ứng bề rộng của sinh học lượng tử từ lượng tử đến phân tử, tế bào và sinh vật.

Sự tồn tại của sinh học lượng tử với tư cách là một ngành học ngụ ý rằng sự hiểu biết truyền thống về các quá trình sống là không đầy đủ. Nghiên cứu sâu hơn sẽ dẫn đến những hiểu biết mới về câu hỏi muôn thuở về sự sống là gì, cách kiểm soát nó và cách học hỏi với tự nhiên để xây dựng các công nghệ lượng tử tốt hơn.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: ANIRUDH / Unsplash