Deblocați misterele cum funcționează viața

Deblocați misterele cum funcționează viața

De

Ilustrație a modelului molecular 3D al ADN-ului

Privirea vieții la scară atomică oferă o înțelegere mai completă a lumii macroscopice.

Biologia cuantică explorează modul în care efectele cuantice influențează procesele biologice, ceea ce poate duce la descoperiri în medicină și biotehnologie. În ciuda presupunerii că efectele cuantice dispar rapid în sistemele biologice, cercetările sugerează că aceste efecte joacă un rol cheie în procesele fiziologice. Acest lucru deschide posibilitatea de a manipula aceste procese pentru a crea dispozitive terapeutice neinvazive controlate de la distanță. Cu toate acestea, realizarea acestui lucru necesită o nouă abordare interdisciplinară a cercetării științifice.

Imaginați-vă că vă folosiți telefonul mobil pentru a vă monitoriza activitatea propriilor celule pentru a trata rănile și bolile. Sună ca ceva din imaginația unui scriitor de science-fiction prea optimist. Dar asta ar putea fi într-o zi o posibilitate datorită domeniului emergent al biologiei cuantice.

În ultimele decenii, oamenii de știință au făcut progrese incredibile în înțelegerea și manipularea sistemelor biologice la scari din ce în ce mai mici, de la plierea proteinelor Pentru Inginerie genetică. Și totuși, măsura în care efectele cuantice influențează sistemele vii rămâne abia înțeleasă.

Efectele cuantice sunt fenomene care apar între atomi și molecule care nu pot fi explicate de fizica clasică. Se știe de mai bine de un secol că regulile mecanicii clasice, precum legile mișcării lui Newton, descompune la scară atomică. În schimb, obiectele minuscule se comportă conform unui set diferit de legi cunoscut sub numele de Mecanica cuantică.

Mecanica cuantică descrie proprietățile atomilor și moleculelor.

Pentru oameni, care pot percepe doar lumea macroscopică sau ceea ce este vizibil cu ochiul liber, mecanica cuantică poate părea contra-intuitivă și oarecum magică. Lucruri la care s-ar putea să nu vă așteptați se întâmplă în lumea cuantică, cum ar fi electronii „tunelind” prin bariere energetice minuscule și să apară nevătămată pe cealaltă parte sau să se afle în două locuri diferite în același timp într-unul fenomen numit suprapunere.

Sunt antrenat ca inginer cuantic. Cercetarea în mecanica cuantică este în general orientată spre tehnologie. Cu toate acestea, și oarecum surprinzător, există tot mai multe dovezi că natura – un inginer cu miliarde de ani de practică – a învățat să utilizați mecanica cuantică pentru a funcționa optim. Dacă acest lucru este într-adevăr adevărat, înseamnă că înțelegerea noastră a biologiei este radical incompletă. De asemenea, înseamnă că am putea controla procesele fiziologice folosind proprietățile cuantice ale materiei biologice.

Cuantismul în biologie este probabil real

Cercetătorii pot manipula fenomenele cuantice pentru a crea o tehnologie mai bună. De fapt, locuiești deja într-o lumea energiei cuantice: de la pointerii laser la[{” 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.

Electronii pot fi în două locuri în același timp, dar în cele din urmă vor ajunge într-un singur loc.

Prin urmare, într-un sistem biologic complicat și zgomotos, se așteaptă ca majoritatea efectelor cuantice să dispară rapid, măturate în ceea ce fizicianul Erwin Schrödinger a numit „mediul cald și umed al celulei.” Pentru majoritatea fizicienilor, faptul că lumea vie funcționează la temperaturi ridicate și în medii complexe implică faptul că biologia poate fi descrisă în mod adecvat și cuprinzător de fizica clasică: nicio traversare a barierei funky, nicio prezență simultană în mai multe locuri.

Chimiștii, însă, au implorat de mult să nu fie de acord. Cercetările privind reacțiile chimice de bază la temperatura camerei arată fără ambiguitate că proces care are loc în biomolecule precum proteinele și materialul genetic sunt rezultatul efectelor cuantice. Important este că aceste efecte cuantice nanoscopice de scurtă durată sunt în concordanță cu conducerea anumitor procese fiziologice macroscopice pe care biologii le-au măsurat în celulele și organismele vii. Cercetările sugerează că efectele cuantice influențează funcțiile biologice, inclusiv reglarea activității enzimelor, detectează câmpurile magnetice, metabolismul celular Și transportul de electroni în biomolecule.

Cum să studiezi biologia cuantică

Posibilitatea tentantă ca efectele cuantice subtile să poată altera procesele biologice prezintă atât o frontieră interesantă, cât și o provocare pentru oamenii de știință. Studierea efectelor mecanicii cuantice în biologie necesită instrumente capabile să măsoare scalele de timp scurte, scalele de lungime mică și diferențele subtile în stările cuantice care dau naștere la schimbări fiziologice – toate încorporate într-un mediu tradițional de laborator umed.

In munca mea, construiesc instrumente pentru a studia și a controla proprietățile cuantice ale lucrurilor mici precum electronii. Așa cum electronii au masă și sarcină, la fel au și ei proprietate cuantică numită spin. Spinul definește modul în care electronii interacționează cu un câmp magnetic, în același mod în care sarcina definește modul în care electronii interacționează cu un câmp electric. Experimentele cuantice pe care le-am construit inca de la scoala doctoralași acum, în propriul meu laborator, urmăresc să aplic câmpuri magnetice personalizate pentru a modifica anumite rotații ale electronilor.

Cercetările au arătat că multe procese fiziologice sunt influențate de câmpuri magnetice slabe. Aceste procese includ dezvoltarea celulelor stem Și maturare, rata de proliferare celulară, repararea materialului genetic Și nenumarate altele. Aceste răspunsuri fiziologice la câmpurile magnetice sunt în concordanță cu reacțiile chimice care depind de spin-ul anumitor electroni din molecule. Aplicarea unui câmp magnetic slab pentru a modifica spinurile electronilor poate controla astfel eficient produșii finali ai unei reacții chimice, cu consecințe fiziologice importante.

Păsările folosesc efecte cuantice în navigație.

În prezent, o lipsă de înțelegere a modului în care funcționează aceste procese[{” 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.The Conversation

This article was first published in The Conversation.

READ  Șansele lui Borisov de a participa la alegerile parlamentare anticipate din Bulgaria sunt periclitate de suspiciunea de corupție

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *