Με
Η εξέταση της ζωής σε ατομική κλίμακα προσφέρει μια πληρέστερη κατανόηση του μακροσκοπικού κόσμου.
Η κβαντική βιολογία διερευνά πώς τα κβαντικά αποτελέσματα επηρεάζουν τις βιολογικές διεργασίες, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πρόοδο στην ιατρική και τη βιοτεχνολογία. Παρά την υπόθεση ότι τα κβαντικά φαινόμενα εξαφανίζονται γρήγορα στα βιολογικά συστήματα, η έρευνα δείχνει ότι αυτά τα φαινόμενα παίζουν βασικό ρόλο στις φυσιολογικές διεργασίες. Αυτό ανοίγει τη δυνατότητα χειρισμού αυτών των διαδικασιών για τη δημιουργία τηλεχειριζόμενων, 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 παρακολουθείτε 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 κάνει απίστευτες προόδους 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 είναι ελάχιστα κατανοητός.
Τα κβαντικά φαινόμενα είναι φαινόμενα που συμβαίνουν μεταξύ ατόμων και μορίων που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασική φυσική. Είναι γνωστό εδώ και έναν αιώνα ότι οι κανόνες της κλασικής μηχανικής, όπως οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα, καταρρέουν σε ατομικές κλίμακες. Αντίθετα, τα μικροσκοπικά αντικείμενα συμπεριφέρονται σύμφωνα με ένα διαφορετικό σύνολο νόμων γνωστών 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 αντίθετη και κάπως μαγική. Πράγματα που δεν θα περιμένατε να συμβούν στον κβαντικό κόσμο, όπως τα ηλεκτρόνια που «τρέχουν» 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 κβαντική μηχανική είναι συνήθως τεχνολογική. Ωστόσο, και κάπως εκπληκτικά, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η φύση, ένας μηχανικός με δισεκατομμύρια χρόνια πρακτικής, έχει μάθει να χρησιμοποιεί την κβαντική μηχανική για να λειτουργεί βέλτιστα. Εάν αυτό είναι αλήθεια, σημαίνει ότι η κατανόησή μας για τη βιολογία είναι ριζικά ελλιπής. Σημαίνει επίσης ότι θα μπορούσαμε ενδεχομένως 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 με κβαντική ενέργεια: 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
Τα ηλεκτρόνια μπορεί να βρίσκονται σε δύο μέρη ταυτόχρονα, αλλά τελικά θα καταλήξουν μόνο σε ένα μέρος.
Σε ένα περίπλοκο και θορυβώδες βιολογικό σύστημα, τα περισσότερα κβαντικά φαινόμενα αναμένεται να εξαφανιστούν γρήγορα, όπως 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 σημαίνει ότι η κλασική φυσική μπορεί να περιγράψει επαρκώς και πλήρως τη βιολογία: χωρίς να διασχίζει funky εμπόδια, χωρίς να βρίσκεται σε πολλές τοποθεσίες ταυτόχρονα.
Οι χημικοί, ωστόσο, διαφωνούν εδώ και πολύ καιρό. Η έρευνα για τις βασικές χημικές αντιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου δείχνει αναμφίβολα ότι οι διεργασίες που συμβαίνουν μέσα σε βιομόρια όπως οι πρωτεΐνες και το γενετικό υλικό είναι αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Είναι σημαντικό ότι τέτοια βραχύβια νανοσκοπικά κβαντικά αποτελέσματα συνάδουν με την οδήγηση ορισμένων μακροσκοπικών φυσιολογικών διεργασιών που οι βιολόγοι έχουν μετρήσει σε ζωντανά κύτταρα και 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 αλλάξουν τις βιολογικές διεργασίες αποτελεί τόσο συναρπαστικό σύνορο όσο και πρόκληση για τους επιστήμονες. Η μελέτη των επιδράσεων 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. Με τον ίδιο τρόπο που 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 γυμνάσιο, και τώρα στο δικό μου εργαστήριο, στοχεύουν στην εφαρμογή προσαρμοσμένων μαγνητικών πεδίων για να αλλάξουν τα σπιν 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, επιδιόρθωση γενετικού υλικού και πολλές άλλες. Αυτές οι φυσιολογικές αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία είναι συνεπείς με χημικές αντιδράσεις που εξαρτώνται από το σπιν συγκεκριμένων ηλεκτρονίων μέσα στα μόρια. 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 στην πλοήγηση.
Επί του παρόντος, η έλλειψη κατανόησης του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν αυτές οι διαδικασίες στο[{” 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.