量子生物学可以彻底改变我们对生命运作方式的理解

量子生物学可以彻底改变我们对生命运作方式的理解

时间戳：19年2023月10日00:XNUMX AM

想象一下，使用您的手机来控制您自身细胞的活动来治疗损伤和疾病。 这听起来像是一个过于乐观的科幻作家的想象。 但有一天，这可能会通过新兴的量子生物学领域成为可能。

在过去的几十年里，科学家们在理解和操纵越来越小的生物系统方面取得了令人难以置信的进步，从 蛋白质折叠 至 基因工程. 然而，量子效应对生命系统的影响程度仍知之甚少。

量子效应是发生在原子和分子之间的现象，经典物理学无法解释。 一个多世纪以来，众所周知，经典力学的规则，如牛顿运动定律， 在原子尺度上分解. 相反，微小物体的行为遵循一组不同的定律，称为 量子力学.

对于只能感知宏观世界或肉眼可见的世界的人类来说，量子力学似乎违反直觉并且有些神奇。 在量子世界中可能会发生你意想不到的事情，比如 电子“隧穿”通过 微小的能量屏障并毫发无损地出现在另一边，或者同时出现在两个不同的地方 称为叠加的现象.

我被训练成 量子工程师. 量子力学的研究通常面向技术。 然而，有点令人惊讶的是，越来越多的证据表明大自然——一位拥有数十亿年实践经验的工程师——已经学会了如何 使用量子力学发挥最佳功能. 如果这确实是真的，那就意味着我们对生物学的理解是根本不完整的。 这也意味着我们可以通过使用生物物质的量子特性来控制生理过程。

生物学中的量子性可能是真实的

研究人员可以操纵量子现象来构建更好的技术。 事实上，你已经生活在 量子动力世界：从激光指示器到 GPS、磁共振成像和计算机中的晶体管——所有这些技术都依赖于量子效应。

一般来说，量子效应只在非常小的长度和质量尺度下，或者当温度接近绝对零时才会出现。 这是因为像原子和分子这样的量子物体 失去他们的“量子性” 当他们无法控制地与彼此和他们的环境互动时。 换句话说，经典力学定律可以更好地描述量子对象的宏观集合。 一切始于量子的东西都死于经典。 例如，可以操纵一个电子使其同时位于两个位置，但不久之后它最终只会出现在一个位置——这正是经典所期望的。

因此，在一个复杂、嘈杂的生物系统中，大多数量子效应预计会迅速消失，被物理学家埃尔温·薛定谔称为“温暖潮湿的细胞环境” 对于大多数物理学家来说，生命世界在高温和复杂环境中运行的事实意味着经典物理学可以充分和完整地描述生物学：没有时髦的障碍穿越，没有同时在多个位置。

然而，化学家们长期以来一直不同意。 对室温下基本化学反应的研究明确表明： 生物分子内发生的过程 像蛋白质和遗传物质一样是量子效应的结果。 重要的是，这种纳米级、短暂的量子效应与驱动生物学家在活细胞和生物体中测量的一些宏观生理过程是一致的。 研究表明，量子效应影响生物功能，包括 调节酶活性, 感应磁场, 细胞代谢及 生物分子中的电子传输.

如何研究量子生物学

微妙的量子效应可以调整生物过程的诱人可能性既是令人兴奋的前沿，也是对科学家的挑战。 研究生物学中的量子力学效应需要能够测量短时间尺度、小长度尺度和引起生理变化的量子态细微差异的工具——所有这些都集成在传统的湿实验室环境中。

在我的工作中, 我建造仪器来研究和控制电子等小东西的量子特性。 就像电子有质量和电荷一样，它们也有 称为自旋的量子特性. 自旋定义电子如何与磁场相互作用，就像电荷定义电子如何与电场相互作用一样。 我一直在建立的量子实验 从研究生院开始，现在在我自己的实验室里，旨在应用定制磁场来改变特定电子的自旋。

研究表明，许多生理过程都会受到弱磁场的影响。 这些过程包括 干细胞发育 和 成熟, 细胞增殖率, 遗传物质修复及 无数其他人. 这些对磁场的生理反应与依赖于分子内特定电子自旋的化学反应是一致的。 因此，应用弱磁场来改变电子自旋可以有效地控制化学反应的最终产物，具有重要的生理后果。

目前，由于缺乏对这些过程在纳米级如何工作的了解，研究人员无法准确确定磁场的强度和频率会在细胞中引起特定的化学反应。 目前的手机、可穿戴和微型化技术已经足以生产 改变生理机能的定制弱磁场，无论好坏。 因此，这个难题的缺失部分是一本关于如何将量子原因映射到生理结果的“确定性密码本”。

未来，微调自然界的量子特性可以使研究人员开发出无创、远程控制并可通过手机访问的治疗设备。 电磁疗法有可能用于预防和治疗疾病，例如 脑瘤，以及生物制造，例如 增加实验室培育的肉类产量.

一种全新的科学研究方式

量子生物学是有史以来出现的最跨学科的领域之一。 您如何建立社区并培训科学家在该领域工作？

自大流行以来，我在加州大学洛杉矶分校的实验室和萨里大学的量子生物学博士培训中心组织了 大量子生物学会议 为研究人员提供一个非正式的每周论坛，让他们会面并分享他们在主流量子物理学、生物物理学、医学、化学和生物学等领域的专业知识。

对生物学、医学和物理科学具有潜在变革性影响的研究将需要在同样具有变革性的合作模式中开展工作。 在一个统一的实验室工作将允许来自采用截然不同的研究方法的学科的科学家进行实验，以满足从量子到分子、细胞和有机体的量子生物学的广度。

量子生物学作为一门学科的存在意味着对生命过程的传统理解是不完整的。 进一步的研究将导致对生命是什么、如何控制生命以及如何与自然一起学习以构建更好的量子技术等古老问题的新见解。谈话

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图片来源： 阿尼鲁德 / Unsplash

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