Ξεκλειδώνοντας τα μυστήρια του πώς λειτουργεί η ζωή

Η κβαντική βιολογία διερευνά πώς οι κβαντικές επιδράσεις επηρεάζουν τις βιολογικές διεργασίες, οδηγώντας δυνητικά σε ανακαλύψεις στην ιατρική και τη βιοτεχνολογία. Αν και τα κβαντικά φαινόμενα υποτίθεται ότι εξαφανίζονται γρήγορα στα βιολογικά συστήματα, η έρευνα δείχνει ότι αυτά τα αποτελέσματα παίζουν σημαντικό ρόλο στις φυσιολογικές διεργασίες. Αυτό ανοίγει τη δυνατότητα χειρισμού αυτών των διαδικασιών για τη δημιουργία εξ αποστάσεως ελεγχόμενων, μη επεμβατικών θεραπευτικών συσκευών. Ωστόσο, για να επιτευχθεί αυτό απαιτείται μια νέα διεπιστημονική προσέγγιση στην επιστημονική έρευνα.

Φανταστείτε να χρησιμοποιείτε το κινητό σας τηλέφωνο για να ελέγξετε τη δραστηριότητα των κυττάρων σας για τη θεραπεία τραυματισμών και ασθενειών. Ακούγεται σαν κάτι από τη φαντασία ενός υπερβολικά αισιόδοξου συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας. Αλλά αυτό μπορεί μια μέρα να είναι μια πιθανότητα με το αναδυόμενο πεδίο της κβαντικής βιολογίας.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει εκπληκτική πρόοδο στην κατανόηση και το χειρισμό βιολογικών συστημάτων σε όλο και πιο μικρή κλίμακα, από πτυσσόμενη πρωτεΐνη προς την Γενετική μηχανική. Ωστόσο, ο βαθμός στον οποίο τα κβαντικά αποτελέσματα επηρεάζουν τα ζωντανά συστήματα παραμένει ελάχιστα κατανοητός.

Τα κβαντικά φαινόμενα είναι φαινόμενα που συμβαίνουν μεταξύ ατόμων και μορίων και δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασική φυσική. Είναι γνωστό για περισσότερο από έναν αιώνα ότι οι κανόνες της κλασικής μηχανικής, όπως οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα, αποσυντίθενται σε ατομικές κλίμακες. Αντίθετα, τα μικρά αντικείμενα συμπεριφέρονται σύμφωνα με ένα διαφορετικό σύνολο νόμων που είναι γνωστό ως Κβαντική μηχανική.

Η κβαντομηχανική περιγράφει τις ιδιότητες των ατόμων και των μορίων.

Για τους ανθρώπους, που μπορούν να αντιληφθούν μόνο τον μακροσκοπικό κόσμο, ή αυτό που είναι ορατό με γυμνό μάτι, η κβαντική μηχανική μπορεί να φαίνεται λίγο παράλογη και μαγική. Πράγματα που ίσως δεν περιμένατε να συμβούν στο κβαντικό βασίλειο, όπως π.χ μέσω της «σήραγγας» των ηλεκτρονίων Μικρά ενεργειακά εμπόδια εμφανίζονται στην άλλη πλευρά αλώβητα ή σε δύο διαφορετικά σημεία ταυτόχρονα ένα φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.

Εκπαιδεύτηκα να είμαι α χλμ μηχανικός. Η έρευνα στην κβαντική μηχανική συνήθως κατευθύνεται προς την τεχνολογία. Ωστόσο, κάπως εκπληκτικά, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η φύση – ένας μηχανικός με δισεκατομμύρια χρόνια πρακτικής – έχει μάθει πώς να Χρησιμοποιήστε την κβαντική μηχανική για να λειτουργήσετε βέλτιστα. Εάν αυτό είναι πράγματι αλήθεια, τότε η κατανόησή μας για τη βιολογία είναι ριζικά ελλιπής. Σημαίνει επίσης ότι μπορούμε να ελέγξουμε τις φυσιολογικές διεργασίες χρησιμοποιώντας ποσοτικές ιδιότητες της βιολογικής ύλης.

Το κβαντικό στη βιολογία μπορεί να είναι γεγονός

Οι ερευνητές μπορούν να χειριστούν τα κβαντικά φαινόμενα για να δημιουργήσουν καλύτερη τεχνολογία. Στην πραγματικότητα, ζείτε στην Α Κβαντικός κόσμος: από δείκτες λέιζερ έως[{” attribute=””>GPS, magnetic resonance imaging and the transistors in your computer – all these technologies rely on quantum effects.

In general, quantum effects only manifest at very small length and mass scales, or when temperatures approach absolute zero. This is because quantum objects like atoms and molecules lose their “quantumness” when they uncontrollably interact with each other and their environment. In other words, a macroscopic collection of quantum objects is better described by the laws of classical mechanics. Everything that starts quantum dies classical. For example, an electron can be manipulated to be in two places at the same time, but it will end up in only one place after a short while – exactly what would be expected classically.

Τα ηλεκτρόνια μπορεί να βρίσκονται σε δύο μέρη ταυτόχρονα, αλλά τελικά θα καταλήξουν σε ένα μέρος.

Σε ένα πολύπλοκο και θορυβώδες βιολογικό σύστημα, τα περισσότερα κβαντικά φαινόμενα αναμένεται να εξαφανιστούν γρήγορα και να εξαφανιστούν σε αυτό που ο φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ αποκάλεσε “Το ζεστό και υγρό περιβάλλον της κυψέλης. Για τους περισσότερους φυσικούς, το γεγονός ότι ο ζωντανός κόσμος λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες και σε πολύπλοκα περιβάλλοντα σημαίνει ότι η βιολογία μπορεί να περιγραφεί επαρκώς και πλήρως από την κλασική φυσική: καμία funky διάβαση ενός φραγμού, καμία ύπαρξη σε πολλές τοποθεσίες ταυτόχρονα.

Αλλά οι χημικοί εδώ και καιρό ζητούν να διαφέρουν. Η έρευνα για τις βασικές χημικές αντιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου το δείχνει κατηγορηματικά Διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα βιομόρια Όπως οι πρωτεΐνες, η γενετική ύλη είναι αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Είναι σημαντικό ότι τέτοιες βραχύβιες κβαντικές επιδράσεις σε νανοκλίμακα συνάδουν με την οδήγηση ορισμένων μακροσκοπικών φυσιολογικών διεργασιών που οι βιολόγοι έχουν μετρήσει σε κύτταρα και οργανισμούς. Η έρευνα δείχνει ότι τα κβαντικά αποτελέσματα επηρεάζουν τις βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένων ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότηταςΚαι αισθητήρα μαγνητικού πεδίουΚαι μεταβολισμό των κυττάρων Και Μεταφορά ηλεκτρονίων σε βιομόρια.

Πώς μελετάτε την κβαντική βιολογία;

Η εντυπωσιακή πιθανότητα ότι τα ανεπαίσθητα κβαντικά φαινόμενα μπορούν να ρυθμίσουν τις βιολογικές διεργασίες αποτελεί ένα συναρπαστικό και προκλητικό σύνορο για τους επιστήμονες. Η μελέτη των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων στη βιολογία απαιτεί εργαλεία που μπορούν να μετρήσουν τις μικρές χρονικές κλίμακες, τις μικροκλίμακες και τις ανεπαίσθητες διαφορές στις κβαντικές καταστάσεις που οδηγούν σε φυσιολογικές αλλαγές – όλα ενσωματωμένα σε ένα συμβατικό εργαστηριακό περιβάλλον.

στη δουλειά μου, Κατασκευάζω εργαλεία για να μελετήσω και να ελέγξω τις κβαντικές ιδιότητες των πραγμάτων τόσο μικρών όσο τα ηλεκτρόνια. Με τον ίδιο τρόπο που τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα και φορτίο, το ίδιο έχουν Η κβαντική ιδιότητα ονομάζεται σπιν. Το σπιν καθορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα μαγνητικό πεδίο, με τον ίδιο τρόπο που το φορτίο καθορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Ποσοτικά πειράματα που έχω δημιουργήσει Από την αποφοίτησή του από το σχολείοκαι τώρα στο δικό μου εργαστήριο, στοχεύω να εφαρμόσω προσαρμοσμένα μαγνητικά πεδία για να αλλάξω το σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων.

Η έρευνα έχει αποδείξει ότι πολλές φυσιολογικές διεργασίες επηρεάζονται από ασθενή μαγνητικά πεδία. Αυτές οι λειτουργίες περιλαμβάνουν ανάπτυξη βλαστοκυττάρων Και ωρίμανσηΚαι ρυθμούς πολλαπλασιασμού των κυττάρωνΚαι Επισκευή γενετικού υλικού Και αμέτρητα άλλα. Αυτές οι φυσιολογικές αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία αντιστοιχούν σε χημικές αντιδράσεις που εξαρτώνται από το σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων εντός των μορίων. Έτσι, η εφαρμογή ενός ασθενούς μαγνητικού πεδίου για την αλλαγή των σπιν ηλεκτρονίων μπορεί να ελέγξει αποτελεσματικά τα τελικά προϊόντα μιας χημικής αντίδρασης, με σημαντικές φυσιολογικές συνέπειες.

Τα πουλιά χρησιμοποιούν κβαντικά εφέ για πλοήγηση.

Επί του παρόντος, υπάρχει έλλειψη κατανόησης του πώς λειτουργούν τέτοιες διαδικασίες[{” attribute=””>nanoscale level prevents researchers from determining exactly what strength and frequency of magnetic fields cause specific chemical reactions in cells. Current cellphone, wearable and miniaturization technologies are already sufficient to produce tailored, weak magnetic fields that change physiology, both for good and for bad. The missing piece of the puzzle is, hence, a “deterministic codebook” of how to map quantum causes to physiological outcomes.

In the future, fine-tuning nature’s quantum properties could enable researchers to develop therapeutic devices that are noninvasive, remotely controlled and accessible with a mobile phone. Electromagnetic treatments could potentially be used to prevent and treat disease, such as brain tumors, as well as in biomanufacturing, such as increasing lab-grown meat production.

A whole new way of doing science

Quantum biology is one of the most interdisciplinary fields to ever emerge. How do you build community and train scientists to work in this area?

Since the pandemic, my lab at the University of California, Los Angeles and the University of Surrey’s Quantum Biology Doctoral Training Centre have organized Big Quantum Biology meetings to provide an informal weekly forum for researchers to meet and share their expertise in fields like mainstream quantum physics, biophysics, medicine, chemistry and biology.

Research with potentially transformative implications for biology, medicine and the physical sciences will require working within an equally transformative model of collaboration. Working in one unified lab would allow scientists from disciplines that take very different approaches to research to conduct experiments that meet the breadth of quantum biology from the quantum to the molecular, the cellular and the organismal.

The existence of quantum biology as a discipline implies that traditional understanding of life processes is incomplete. Further research will lead to new insights into the age-old question of what life is, how it can be controlled and how to learn with nature to build better quantum technologies.

Written by Clarice D. Aiello, Quantum Biology Tech (QuBiT) Lab, Assistant Professor of Electrical and Computer Engineering, University of California, Los Angeles.

This article was first published in The Conversation.