Mechanika kwantowa może być wykorzystana do zrozumienia tych procesów biologicznych, których nie można dokładnie opisać klasycznymi prawami fizyki. Biologia kwantowa stosuje teorię kwantową do wyjaśnienia aspektów biologii, w przypadku których fizyka klasyczna nie daje odpowiedzi.
Ta rozwijająca się dziedzina nauki jest uważana za stosunkowo nową, chociaż pierwsze rozważania na temat tego, jak natura mogłaby powrócić do mechaniki kwantowej w celu uzyskania biologicznej przewagi, pojawiły się już w pierwszej połowie XX wieku, kiedy mechanika kwantowa znajdowała się w fazie rozkwitu.
Jednak dopiero w ciągu ostatniej dekady postęp w technikach eksperymentalnych, takich jak ultraszybka spektroskopia, spektroskopia pojedynczych cząsteczek i obrazowanie pojedynczych cząstek, pomógł wielu naukowcom w rozwoju dziedziny biologii kwantowej.
Stało się możliwe badanie dynamiki biologicznej w coraz mniejszych skalach czasowych, pokazując, jak pewne procesy niezbędne do funkcjonowania systemów żywych wymagają mechaniki kwantowej do ich wyjaśnienia. Obejmuje to zjawiska takie jak spójność kwantowa i tunelowanie.
Biologia kwantowa eksperymentalnie dowiodła, że procesy takie jak fotosynteza, widzenie i kataliza enzymatyczna manifestują efekty kwantowe. To fascynujące, jak zjawiska, o których wcześniej sądzono, że występują wyłącznie w układach atomowych i subatomowych i które mogą zachodzić tylko w ekstremalnie niskich temperaturach, można teraz zaobserwować w niektórych mechanizmach odpowiedzialnych za życie.
Duże zainteresowanie tą nową dziedziną jest dodatkowo wzmacniane przez potencjalnie ogromny wpływ technologiczny. Biologia kwantowa mogłaby w rzeczywistości przyspieszyć rozwój nanotechnologii inspirowanych biologią, zwłaszcza w zakresie technologii wykrywania, zdrowia i informacji.
Kwantowy spójny transfer energii w fotosyntezie
Jeden z najlepiej zbadanych przykładów efektów kwantowych obserwowanych w procesach biologicznych jest związany z fotosyntezą. Istnieją eksperymentalne dowody na to, że koherencja kwantowa zachodzi wewnątrz bakterii przeprowadzających fotosyntezę.
Cząsteczki chlorofilu są wyposażone w anteny zbierające światło, które wychwytują fotony, które są następnie dostarczane do centrum reakcji, gdzie są przekształcane w energię. Proces ten ma wydajność bliską 100%, gdzie prawie każdy wychwycony foton jest z powodzeniem przenoszony do centrum reakcji.
Początkowo sądzono, że transfer fotonów przebiega losowo. Biologia kwantowa wykazała następnie, że w celu zoptymalizowania najskuteczniejszego sposobu dotarcia do centrum reakcji fotony poruszają się jednocześnie wieloma ścieżkami dzięki koherencji kwantowej.
Istnieje duże zainteresowanie wyjaśnieniem i odtworzeniem takiego procesu. Dokładne zrozumienie fotosyntezy w skali mikroskopowej może w rzeczywistości doprowadzić do zaprojektowania inspirowanych biologicznie sztucznych systemów fotosyntezy, które będą w stanie wydajniej wykorzystywać energię światła słonecznego.
Transfer energii i ładunku przez tunelowanie kwantowe
Tunelowanie to archetypowy efekt kwantowy, bardzo dobrze zbadany w fizyce kwantowej. Biologia kwantowa wykazała, że niektóre białka przeprowadzają reakcje redoks przy użyciu tunelowania elektronów dalekiego zasięgu, z centrami reakcji odległymi do 30 Å.
Proces pokazuje wykładniczą zależność odległości i temperatury, zgodnie z jednoetapowym mechanizmem tunelowania. Tego typu zjawisko w systemie biologicznym jest niezwykłe, biorąc pod uwagę, że tunelowanie elektronów na tak dużą odległość byłoby niemożliwe w próżni.
Istnieją również dowody na to, że niektóre enzymy powracają do tunelowania kwantowego w celu przeniesienia protonu w celu przeprowadzenia reakcji katalitycznych. Zaobserwowano, że protony mogą być przenoszone z jednej części cząsteczki do drugiej.
Istnieją również przesłanki sugerujące, że tunelowanie kwantowe odgrywa rolę w mutacjach DNA. Dwie nici DNA są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe utworzone między komplementarnymi zasadami nukleinowymi. Podczas tautomeryzacji zasad DNA z ich powszechnych form iminowych do rzadkich form enolowych, dwie przeciwstawne zasady nukleinowe mogą wymieniać protony.
Podczas fazy replikacji nić DNA może się rozdzielić, podczas gdy atomy wodoru znajdują się w niewłaściwych pozycjach. Może to prowadzić do nieprawidłowych par zasad i ostatecznie do mutacji. Dlatego losowe mutacje punktowe mogą mieć pochodzenie kwantowe.
Wpływ na kompas biologiczny ptaków podczas migracji
Obecnie dobrze wiadomo, że niektóre gatunki ptaków wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do nawigacji podczas migracji, dzięki zjawisku znanemu jako magnetorecepcja. Mechanizm stojący za ptasią magnetorecepcją stanowi wielkie pytanie, na które odpowiedź można znaleźć dzięki biologii kwantowej.
Zmysł nawigacyjny niektórych ptaków, takich jak rudzik, zależy od obecności pewnych częstotliwości światła otoczenia i jest wrażliwy na zmiany natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Wyjaśnienie, w jaki sposób regulowany jest ten biologiczny kompas, zaproponowano za pomocą mechanizmu par rodników.
Kryptochromy, światłoczułe białka w siatkówce rudzika, zawierają rodnikową parę elektronów, które są splątane – co oznacza, że są w jakiś sposób ze sobą w kontakcie, chociaż są daleko od siebie. Reakcja na światło powoduje fotowzbudzenie pary rodników, która w konsekwencji oscyluje między stanami spinowymi singletowymi i trypletowymi. Na mieszanie się stanów singletowo-trypletowych ma wpływ bardzo słabe pole magnetyczne Ziemi.
Teoretyczne i eksperymentalne badania sugerują, że zakłócenie spowodowane zewnętrznymi polami jest efektem kwantowym i stanowi kolejny doskonały przykład tego, jak mechanika kwantowa może być zaangażowana w procesy biologiczne. Jednak w tej chwili jest to nadal spekulacja ze względu na wyzwania związane z odtworzeniem warunków, w których kryptochromy lub podobne cząsteczki wykazują wrażliwość na bardzo słabe pola magnetyczne.
Tłumaczenie z https://www.azolifesciences.com/article/What-is-Quantum-Biology.aspx
Źródła:
- Mcfadden, J. & Al-Khalili, J. (2018). Początki biologii kwantowej. Proc Math Phys Eng Sci, 474 , 20180674.10.1098/rspa.2018.0674
- Marais, A., Adams, B., Ringsmuth, AK, Ferretti, M., Gruber, JM, Hendrikx, R., Schuld, M., Smith, SL, Sinayskiy, I., Kruger, TPJ, Petruccione, F. & Van Grondelle, R. (2018). Przyszłość biologii kwantowej. Interfejs JR Soc, 15.10.1098/rsif.2018.0640
- Lambert, N., Chen, Y.-N., Cheng, Y.-C., Li, CM, Chen, G.-Y. & Nori, F. (2012). Biologia kwantowa. Fizyka przyrody, 9 , 10-18.10.1038/nphys2474
Spróbuj Oddychania Neurodynamicznego Online – przeżywaj odmienne stany świadomości bez psychodelików.