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 από τη φαντασία ενός υπερβολικά αισιόδοξου συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας. Αλλά μια μέρα αυτό θα μπορούσε να είναι μια πιθανότητα χάρη στο αναδυόμενο πεδίο 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 φαινόμενα επηρεάζουν τα ζωντανά συστήματα είναι ακόμα ελάχιστα κατανοητός.
Τα κβαντικά φαινόμενα είναι φαινόμενα που συμβαίνουν μεταξύ ατόμων και μορίων και δεν μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας την κλασική φυσική. Είναι γνωστό για περισσότερο από έναν αιώνα ότι οι κανόνες της κλασικής μηχανικής, όπως οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα, δεν ισχύουν πλέον σε ατομικό επίπεδο. Αντίθετα, τα μικροσκοπικά 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 κβαντομηχανική μπορεί να φαίνεται αντιφατική και κάπως μαγική. Συμβαίνουν πράγματα στον κβαντικό κόσμο που μπορεί να μην περιμένατε: ηλεκτρόνια «σηράγονται» μέσα από μικροσκοπικά ενεργειακά εμπόδια και αναδύονται αλώβητα ή βρίσκονται σε δύο διαφορετικά σημεία την ίδια στιγμή σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.
Είμαι εκπαιδευμένος ως κβαντικός μηχανικός. Η έρευνα στην κβαντική μηχανική είναι συνήθως προσανατολισμένη στην τεχνολογία. Ωστόσο, και κάπως εκπληκτικά, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η φύση, ένας μηχανικός με δισεκατομμύρια χρόνια εμπειρίας, έχει μάθει να κάνει βέλτιστη χρήση της κβαντικής μηχανικής. Εάν αυτό είναι πράγματι αλήθεια, σημαίνει ότι η κατανόησή μας για τη βιολογία είναι εντελώς ελλιπής. Σημαίνει επίσης ότι θα μπορούσαμε δυνητικά να ελέγξουμε τις φυσιολογικές διεργασίες εκμεταλλευόμενοι τις κβαντικές ιδιότητες της βιολογικής ύλης.
Η ποσότητα είναι πιθανώς πραγματική στη βιολογία
Οι ερευνητές μπορούν να χειριστούν τα κβαντικά φαινόμενα για να αναπτύξουν καλύτερες τεχνολογίες. Στην πραγματικότητα, ζείτε ήδη σε έναν κόσμο με κβαντική ενέργεια: από δείκτες λέιζερ έως GPS, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού έως τα 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 «κβαντικότητά» τους όταν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και το περιβάλλον τους με ανεξέλεγκτο τρόπο. Με άλλα λόγια, μια μακροσκοπική συλλογή κβαντικών αντικειμένων μπορεί να περιγραφεί καλύτερα από τους νόμους της κλασικής μηχανικής. Οτιδήποτε ξεκινά με κβαντικό πεθαίνει κλασικά. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να χειραγωγηθεί ώστε να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα, αλλά μετά από σύντομο χρονικό διάστημα καταλήγει μόνο σε ένα μέρος – ακριβώς αυτό που θα περιμένατε κλασικά.
Σε ένα περίπλοκο, θορυβώδες βιολογικό σύστημα, θα περίμενε κανείς λοιπόν τα περισσότερα κβαντικά φαινόμενα να εξαφανιστούν γρήγορα και να ξεπλυθούν στο «ζεστό, υγρό περιβάλλον του κυττάρου», όπως το ονόμασε ο φυσικός Erwin Schrödinger. Για τους περισσότερους φυσικούς, το γεγονός ότι ο ζωντανός κόσμος λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες και σε πολύπλοκα περιβάλλοντα συνεπάγεται ότι η βιολογία μπορεί να περιγραφεί επαρκώς και πλήρως από την κλασική φυσική: καμία περίεργη διέλευση φραγμών, καμία ύπαρξη σε πολλά μέρη ταυτόχρονα.
Ωστόσο, οι χημικοί διαφωνούν εδώ και καιρό. Μελέτες θεμελιωδών χημικών αντιδράσεων σε θερμοκρασία δωματίου δείχνουν ξεκάθαρα ότι οι διεργασίες που συμβαίνουν σε βιομόρια όπως οι πρωτεΐνες και το γενετικό υλικό είναι αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Είναι σημαντικό ότι τέτοια νανοσκοπικά, βραχύβια 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 τα λεπτά κβαντικά φαινόμενα μπορούν να βελτιστοποιήσουν τις βιολογικές διεργασίες αντιπροσωπεύει τόσο μια συναρπαστική πρόκληση όσο και μια πρόκληση για τους επιστήμονες. Η μελέτη των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων στη βιολογία απαιτεί εργαλεία που μπορούν να μετρήσουν μικρές χρονικές κλίμακες, μικρές κλίμακες μήκους και λεπτές διαφορές στις κβαντικές καταστάσεις που οδηγούν σε 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 καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με ένα μαγνητικό πεδίο, όπως το φορτίο ορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα κβαντικά πειράματα που κατασκευάζω από τις μεταπτυχιακές μου σπουδές και τρέχουν 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, 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, η οποία έχει σημαντικές φυσιολογικές συνέπειες.
Επί του παρόντος, λόγω έλλειψης γνώσης για το πώς συμβαίνουν τέτοιες διεργασίες σε νανοκλίμακα, οι ερευνητές δεν είναι σε θέση να προσδιορίσουν ακριβώς ποια ισχύς και συχνότητα μαγνητικών πεδίων πυροδοτούν ορισμένες χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα. Οι τρέχουσες τεχνολογίες κινητών τηλεφώνων, φορητών συσκευών και μικρογραφίας επαρκούν ήδη για τη δημιουργία προσαρμοσμένων, αδύναμων μαγνητικών πεδίων 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 τα κβαντικά αίτια μπορούν να χαρτογραφηθούν σε φυσιολογικά αποτελέσματα.
Η λεπτή ρύθμιση των κβαντικών ιδιοτήτων της φύσης θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές στο μέλλον να αναπτύξουν θεραπευτικές συσκευές που να είναι μη επεμβατικές, εξ αποστάσεως ελεγχόμενες και 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 βιοπαραγωγή, όπως η αύξηση της παραγωγής κρέατος που καλλιεργείται στο εργαστήριο.
Ένας εντελώς νέος τρόπος επιστήμης
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 Κβαντικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου του Surrey έχουν οργανώσει μεγάλες συναντήσεις κβαντικής βιολογίας για να παρέχουν στους ερευνητές ένα άτυπο εβδομαδιαίο φόρουμ για να συναντώνται και να μοιράζονται εμπειρογνωμοσύνη σε τομείς όπως η επικρατούσα κβαντική φυσική , βιοφυσική, ιατρική, χημεία και βιολογία.
Η έρευνα με δυνητικά μετασχηματιστικές επιπτώσεις στη βιολογία, την ιατρική και τις φυσικές επιστήμες απαιτεί εργασία σε ένα εξίσου μετασχηματιστικό μοντέλο συνεργασίας. Η εργασία σε ένα ενοποιημένο εργαστήριο θα επέτρεπε σε επιστήμονες από κλάδους που ακολουθούν πολύ διαφορετικές ερευνητικές προσεγγίσεις να διεξάγουν πειράματα που καλύπτουν όλο το φάσμα της κβαντικής βιολογίας, από κβαντική έως μοριακή έως κυτταρική και οργανική βιολογία.
Η ύπαρξη της κβαντικής βιολογίας ως κλάδου υποδηλώνει ότι η παραδοσιακή κατανόηση των διαδικασιών της ζωής είναι ελλιπής. Περαιτέρω έρευνα θα οδηγήσει σε νέες γνώσεις για το πανάρχαιο ερώτημα του τι είναι η ζωή, πώς μπορεί να ελεγχθεί και πώς μπορούμε να μάθουμε από τη φύση για να αναπτύξουμε καλύτερες κβαντικές τεχνολογίες.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες 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.
Διαβάστε περισσότερα:
Η Clarice D. Aiello λαμβάνει χρηματοδότηση από το NSF, το ONR, το IDOR Foundation, το Faggin Foundation και το Templeton Foundation.