Η κβαντική φυσική προτείνει έναν νέο τρόπο μελέτης της βιολογίας – και τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί η ζωή

By | December 23, 2023

Φανταστείτε να χρησιμοποιείτε το κινητό σας τηλέφωνο για να ελέγχετε τη δραστηριότητα των δικών σας κυττάρων για τη θεραπεία τραυματισμών και ασθενειών. Ακούγεται σαν κάτι έξω από τη φαντασία ενός υπερβολικά αισιόδοξου συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας. Αλλά αυτό μπορεί μια μέρα να είναι μια πιθανότητα μέσω του αναδυόμενου τομέα της κβαντικής βιολογίας.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει απίστευτη πρόοδο στην κατανόηση και τον χειρισμό βιολογικών συστημάτων σε όλο και μικρότερη κλίμακα, από την αναδίπλωση πρωτεϊνών έως τη γενετική μηχανική. Και όμως, 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 που 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, δεν λειτουργούν σε ατομικές κλίμακες. Αντίθετα, τα μικρά αντικείμενα συμπεριφέρονται σύμφωνα με ένα διαφορετικό σύνολο νόμων γνωστών ως κβαντική μηχανική.

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 αντιφατική και κάπως μαγική. Πράγματα που δεν θα περιμένατε να συμβούν στον κβαντικό κόσμο, όπως τα ηλεκτρόνια που «χτυπούν» μέσα από μικροσκοπικά ενεργειακά εμπόδια και εμφανίζονται αβλαβή στην άλλη πλευρά ή βρίσκονται σε δύο διαφορετικά σημεία ταυτόχρονα σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.

Είμαι εκπαιδευμένος ως κβαντικός μηχανικός. Η έρευνα στην κβαντομηχανική είναι γενικά προσανατολισμένη στην τεχνολογία. Ωστόσο, και κάπως εκπληκτικά, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η φύση – ένας μηχανικός με δισεκατομμύρια χρόνια πρακτικής – έχει μάθει πώς να χρησιμοποιεί την κβαντική μηχανική για να λειτουργεί βέλτιστα. Αν αυτό είναι πράγματι αλήθεια, σημαίνει ότι η κατανόησή μας για τη βιολογία είναι ριζικά ελλιπής. Αυτό σημαίνει επίσης ότι θα μπορούσαμε να ελέγξουμε τις φυσιολογικές διεργασίες χρησιμοποιώντας τις κβαντικές ιδιότητες της βιολογικής ύλης.

Το κβαντικό στη βιολογία είναι μάλλον αληθινό

Οι ερευνητές μπορούν να χειριστούν τα κβαντικά φαινόμενα για να δημιουργήσουν καλύτερη τεχνολογία. Στην πραγματικότητα, ζείτε ήδη σε έναν κόσμο που τροφοδοτείται από κβαντική ενέργεια: από δείκτες λέιζερ έως GPS, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και τρανζίστορ στον υπολογιστή σας – όλες αυτές οι τεχνολογίες βασίζονται σε κβαντικά εφέ.

Γενικά, τα κβαντικά φαινόμενα εκδηλώνονται μόνο σε πολύ μικρές κλίμακες μήκους και μάζας ή όταν οι θερμοκρασίες πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κβαντικά αντικείμενα όπως τα άτομα και τα μόρια χάνουν την «ποσότητά» τους όταν αλληλεπιδρούν ανεξέλεγκτα μεταξύ τους και το περιβάλλον τους. Με άλλα λόγια, μια μακροσκοπική συλλογή κβαντικών αντικειμένων περιγράφεται καλύτερα από τους νόμους της κλασικής μηχανικής. Όλα όσα ξεκινούν κβαντικά πεθαίνουν κλασικά. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να χειραγωγηθεί ώστε να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα, αλλά θα καταλήξει μόνο σε ένα μέρος μετά από σύντομο χρονικό διάστημα – ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς κλασικά.

Σε ένα περίπλοκο και θορυβώδες βιολογικό σύστημα, τα περισσότερα κβαντικά φαινόμενα αναμένεται να εξαφανιστούν γρήγορα, εξαλείφονται σε αυτό που ο φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ αποκάλεσε «ζεστό, υγρό περιβάλλον του κυττάρου». Για τους περισσότερους φυσικούς, το γεγονός ότι ο ζωντανός κόσμος λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες και σε πολύπλοκα περιβάλλοντα υποδηλώνει ότι η βιολογία μπορεί να περιγραφεί επαρκώς και πλήρως από την κλασική φυσική: χωρίς περίεργες διαβάσεις φραγμών, χωρίς να βρίσκεται σε πολλά μέρη ταυτόχρονα.

Οι χημικοί, ωστόσο, διαφωνούν εδώ και καιρό. Η έρευνα σε βασικές χημικές αντιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου δείχνει αναμφίβολα ότι οι διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα βιομόρια, όπως οι πρωτεΐνες και το γενετικό υλικό, είναι αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Είναι σημαντικό ότι αυτά τα βραχύβια, νανοσκοπικά κβαντικά αποτελέσματα συνάδουν με την οδήγηση ορισμένων μακροσκοπικών φυσιολογικών διεργασιών που οι βιολόγοι έχουν μετρήσει σε κύτταρα και ζωντανούς οργανισμούς. Η έρευνα προτείνει ότι τα κβαντικά αποτελέσματα επηρεάζουν τις βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένης της ρύθμισης της ενζυμικής δραστηριότητας, της αίσθησης των μαγνητικών πεδίων, του κυτταρικού μεταβολισμού και της μεταφοράς ηλεκτρονίων στα βιομόρια.

Πώς να μελετήσετε την κβαντική βιολογία

Η δελεαστική πιθανότητα ότι οι λεπτές κβαντικές επιδράσεις θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις βιολογικές διεργασίες αποτελεί ένα συναρπαστικό σύνορο και μια πρόκληση για τους επιστήμονες. Η μελέτη των επιπτώσεων της κβαντικής μηχανικής στη βιολογία απαιτεί εργαλεία που μπορούν να μετρήσουν μικρές χρονικές κλίμακες, μικρές κλίμακες μήκους και λεπτές διαφορές στις κβαντικές καταστάσεις που προκαλούν φυσιολογικές αλλαγές – όλα ενσωματωμένα σε ένα παραδοσιακό υγρό εργαστηριακό περιβάλλον.

Στη δουλειά μου, κατασκευάζω όργανα για τη μελέτη και τον έλεγχο των κβαντικών ιδιοτήτων μικρών πραγμάτων όπως τα ηλεκτρόνια. Όπως τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα και φορτίο, έχουν επίσης μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Το Spin ορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα μαγνητικό πεδίο, με τον ίδιο τρόπο που το φορτίο ορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα κβαντικά πειράματα που δημιουργώ από το μεταπτυχιακό και τώρα στο δικό μου εργαστήριο, στοχεύουν στην εφαρμογή προσαρμοσμένων μαγνητικών πεδίων για να αλλάξουν τις περιστροφές συγκεκριμένων ηλεκτρονίων.

Η έρευνα έχει δείξει ότι πολλές φυσιολογικές διεργασίες επηρεάζονται από ασθενή μαγνητικά πεδία. Αυτές οι διαδικασίες περιλαμβάνουν ανάπτυξη και ωρίμανση βλαστοκυττάρων, ρυθμούς κυτταρικού πολλαπλασιασμού, επισκευή γενετικού υλικού και αμέτρητες άλλες. Αυτές οι φυσιολογικές αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία είναι συνεπείς με χημικές αντιδράσεις που εξαρτώνται από το σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων εντός των μορίων. Η εφαρμογή ενός ασθενούς μαγνητικού πεδίου για την αλλαγή των σπιν ηλεκτρονίων μπορεί έτσι να ελέγξει αποτελεσματικά τα τελικά προϊόντα μιας χημικής αντίδρασης, με σημαντικές φυσιολογικές συνέπειες.

Επί του παρόντος, η έλλειψη κατανόησης του πώς λειτουργούν τέτοιες διεργασίες σε νανοκλίμακα εμποδίζει τους ερευνητές να προσδιορίσουν ακριβώς ποια δύναμη και συχνότητα των μαγνητικών πεδίων προκαλούν συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα. Οι τρέχουσες τεχνολογίες κινητών τηλεφώνων, φορητών συσκευών και μικρογραφίας είναι ήδη αρκετές για να παράγουν αδύναμα και εξατομικευμένα μαγνητικά πεδία που αλλάζουν τη φυσιολογία, τόσο για καλό όσο και για κακό. Το κομμάτι του παζλ που λείπει είναι επομένως ένα «ντετερμινιστικό βιβλίο κωδικών» για το πώς να χαρτογραφηθούν οι κβαντικές αιτίες στα φυσιολογικά αποτελέσματα.

Στο μέλλον, η ρύθμιση των κβαντικών ιδιοτήτων της φύσης θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να αναπτύξουν μη επεμβατικές, τηλεχειριζόμενες θεραπευτικές συσκευές προσβάσιμες μέσω κινητού τηλεφώνου. Οι ηλεκτρομαγνητικές θεραπείες θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και τη θεραπεία ασθενειών όπως οι όγκοι του εγκεφάλου, καθώς και στη βιοκατασκευή, όπως η αύξηση της παραγωγής κρέατος που καλλιεργείται στο εργαστήριο.

Ένας εντελώς νέος τρόπος για να κάνεις επιστήμη

Η κβαντική βιολογία είναι ένα από τα πιο διεπιστημονικά πεδία που έχουν αναδυθεί ποτέ. Πώς δημιουργείτε μια κοινότητα και πώς εκπαιδεύετε επιστήμονες να εργαστούν σε αυτόν τον τομέα;

Από την πανδημία, το εργαστήριό μου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες και το Κέντρο Εκπαίδευσης Διδακτορικών Σπουδών Quantum Biology στο Πανεπιστήμιο του Surrey έχουν οργανώσει μεγάλες συναντήσεις Κβαντικής Βιολογίας για να παρέχουν ένα άτυπο εβδομαδιαίο φόρουμ για τους ερευνητές για να συναντηθούν και να μοιραστούν τις γνώσεις τους σε τομείς όπως συμβατική κβαντική φυσική. , βιοφυσική, ιατρική, χημεία και βιολογία.

Η έρευνα με δυνητικά μετασχηματιστικές επιπτώσεις για τη βιολογία, την ιατρική και τις φυσικές επιστήμες θα απαιτήσει εργασία στο πλαίσιο ενός εξίσου μετασχηματιστικού μοντέλου συνεργασίας. Η εργασία σε ένα ενοποιημένο εργαστήριο θα επέτρεπε σε επιστήμονες από κλάδους που ακολουθούν πολύ διαφορετικές προσεγγίσεις στην έρευνα να διεξάγουν πειράματα που αφορούν το εύρος της κβαντικής βιολογίας, από κβαντική έως μοριακή έως κυτταρική έως οργανική.

Η ύπαρξη της κβαντικής βιολογίας ως κλάδου υποδηλώνει ότι η παραδοσιακή κατανόηση των διαδικασιών της ζωής είναι ελλιπής. Περισσότερη έρευνα θα οδηγήσει σε νέες γνώσεις σχετικά με το πανάρχαιο ερώτημα του τι είναι η ζωή, πώς μπορεί να ελεγχθεί και πώς να μάθουμε από τη φύση για να δημιουργήσουμε καλύτερες κβαντικές τεχνολογίες.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation, έναν ανεξάρτητο, μη κερδοσκοπικό οργανισμό ειδήσεων που σας φέρνει αξιόπιστα γεγονότα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Σας αρέσει αυτό το άρθρο; Εγγραφείτε στο εβδομαδιαίο ενημερωτικό δελτίο μας.

Γράφτηκε από: Clarice D. Aiello, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες.

Δείτε περισσότερες πληροφορίες:

Η Clarice D. Aiello λαμβάνει χρηματοδότηση από NSF, ONR, IDOR Foundation, Faggin Foundation, Templeton Foundation.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *