Fizica cuantică propune o nouă modalitate de a studia biologia, iar rezultatele ar putea revoluționa înțelegerea noastră asupra vieţii

Imaginați-vă că vă folosiți telefonul mobil pentru a controla activitatea propriilor celule în tratarea rănilor și a bolilor. Sună ca ceva din imaginația unui scriitor de science-fiction mult prea optimist, dar această perspectivă poate 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 o scară din ce în ce mai mică, de la plierea proteinelor la ingineria genetică. Și totuși, măsura în care efectele cuantice influențează sistemele vii rămâne abia înțeleasă.

Privind viața la scară atomică putem înţelege mai bine lumea macroscopică. Credit: theasis/E+ prin Getty Images.

Efectele cuantice sunt fenomene 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, nu se aplică la scară atomică. În schimb, obiectele minuscule se comportă conform unui set diferit de legi cunoscut sub numele de mecanică cuantică.

Pentru oameni, care pot percepe doar lumea macroscopică sau ceea ce este vizibil cu ochiul liber, mecanica cuantică poate părea contraintuitivă și oarecum magică. Lucruri la care s-ar putea să nu vă așteptați se întâmplă în lumea cuantică, cum ar fi electroni trecând prin bariere energetice minuscule (efect tunel ) și care apar nevătămați de cealaltă parte a acestora sau electroni aflați în două locuri diferite, în același timp, într-un fenomen numit superpoziție cuantică.

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

Efectele cuantice în biologie sunt, probabil, reale

Cercetătorii pot manipula fenomenele cuantice pentru a obține o tehnologie mai bună. De fapt, trăim deja într-o lume a tehnologiei cuantice : de la lasere la GPS, imagistica prin rezonanță magnetică sau tranzistorii din computerul nostru, toate aceste tehnologii se bazează pe efecte cuantice.

În general, efectele cuantice se manifestă doar la scări foarte mici de lungime şi masă sau atunci când temperaturile se apropie de zero absolut. Acest lucru se datorează faptului că obiectele cuantice, precum atomii și moleculele, își pierd proprietăţile cuantice atunci când interacționează, în mod necontrolat, între ele și mediul lor. Cu alte cuvinte, o colecție macroscopică de obiecte cuantice este mai bine descrisă de legile mecanicii clasice.

Tot ceea ce începe cuantic sfârșește clasic. De exemplu, un electron poate fi manipulat pentru a fi în două locuri în același timp, dar va ajunge într-un singur loc după o perioadă scurtă de timp. Adică exact ceea ce ar fi de așteptat în mod clasic.

Electronii pot fi în două locuri în același timp, dar în cele din urmă vor ajunge într-o singură locație.

Într-un sistem biologic complicat și „zgomotos”, ne aşteptăm ca majoritatea efectelor cuantice să dispară rapid ca urmare a „mediului 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 pe deplin, de fizica clasică.

Cu toate acestea, cercetările privind reacțiile chimice de bază la temperatura camerei arată, fără ambiguitate, că procesele care au loc în biomolecule, precum proteinele și materialul genetic, sunt rezultatul efectelor cuantice. Este important că astfel de efecte cuantice la scara nanometrică, de scurtă durată, sunt în concordanță cu unele 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, detectarea câmpurilor magnetice, metabolismul celular și transportul de electroni în biomolecule.

Cum să studiezi biologia cuantică

Posibilitatea ca efectele cuantice subtile să poată modifica procesele biologice reprezintă atât o frontieră incitantă, cât și o provocare pentru oamenii de știință. Studierea efectelor mecanicii cuantice în biologie necesită instrumente care pot măsura intervale foarte mici de timp, scări dimensionale mici și diferențe subtile în stările cuantice care dau naștere la schimbări fiziologice.

În munca mea, construiesc instrumente pentru a studia și a controla proprietățile cuantice ale unor obiecte mici, cum ar fi electronii. În același mod în care electronii au masă și sarcină electrică, ei au și o 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 realizat urmăresc să aplice câmpuri magnetice speciale pentru a schimba spinul anumitor electroni.

Cercetările au demonstrat că multe procese fiziologice sunt influențate de câmpuri magnetice slabe. Aceste procese includ dezvoltarea și maturizarea celulelor stem, ratele de proliferare celulară, repararea materialului genetic și altele. Toate aceste răspunsuri fiziologice la câmpurile magnetice sunt în concordanță cu reacțiile chimice care depind de spinul anumitor electroni din molecule. Aplicarea unui câmp magnetic slab pentru a schimba spinul electronilor poate controla astfel eficient produsele finale ale unei reacții chimice, cu consecințe fiziologice importante.

Păsările folosesc efecte cuantice pentru orientare.

În prezent, lipsa de înțelegere a modului în care funcționează astfel de procese la scara nanometrică îi împiedică pe cercetători să determine exact ce putere și frecvență a câmpurilor magnetice provoacă reacții chimice specifice în celule. Tehnologiile actuale pentru telefoane mobile, dispozitive portabile și miniaturizare sunt deja suficiente pentru a produce câmpuri magnetice slabe, adaptate, care schimbă fiziologia, atât în ​​bine, cât și în rău. Piesa lipsă a puzzle-ului este, prin urmare, o „carte de coduri deterministă” a modului de a mapa cauzele cuantice la rezultatele fiziologice.

În viitor, reglarea fină a proprietăților cuantice ar putea permite cercetătorilor să dezvolte dispozitive terapeutice care nu sunt invazive, sunt controlate de la distanță și sunt accesibile cu un telefon mobil. Tratamentele electromagnetice ar putea fi utilizate pentru prevenirea și tratarea bolilor, cum ar fi tumorile cerebrale, precum și în bioproducție, cum ar fi creșterea producției de carne cultivată în laborator.

Un mod cu totul nou de a face știință

Biologia cuantică este unul dintre cele mai interdisciplinare domenii care au apărut vreodată. Cum formăm o comunitate și cum pregătim oamenii de știință pentru a lucra în acest domeniu?

De la pandemie, laboratorul meu de la Universitatea din California, Los Angeles și Centrul de pregătire doctorală în biologie cuantică de la Universitatea din Surrey au organizat întâlniri Big Quantum Biology pentru a oferi un forum săptămânal informal pentru ca cercetătorii să se întâlnească și să-și împărtășească experiența în domenii precum fizica cuantică, biofizică, medicină, chimie și biologie.

Cercetarea cu implicații potențial transformatoare pentru biologie, medicină și științe fizice va necesita lucrul într-un model de colaborare la fel de transformator. Lucrul într-un singur laborator unificat ar permite oamenilor de știință din discipline care adoptă abordări foarte diferite ale cercetării să efectueze experimente care acoperă domeniul biologiei cuantice de la cuantic la molecular, celular și organism.

Existența biologiei cuantice ca disciplină implică faptul că înțelegerea tradițională a proceselor vieții este incompletă. Cercetările ulterioare vor duce la noi perspective asupra vechii întrebări despre ce este viața, cum poate fi controlată și cum să învățăm din natură pentru a construi tehnologii cuantice mai bune.

Traducere după Quantum physics proposes a new way to study biology – and the results could revolutionize our understanding of how life works