Квантовата биология изследва как квантовите ефекти влияят върху биологичните процеси, потенциално водещи до пробиви в медицината и биотехнологиите. Въпреки предположението, че квантовите ефекти бързо изчезват в биологичните системи, изследванията показват, че тези ефекти играят ключова роля във физиологичните процеси.

Това отваря възможността за манипулиране на тези процеси за създаване на неинвазивни, дистанционно управлявани терапевтични устройства. Постигането на това обаче изисква нов, интердисциплинарен подход към научните изследвания.

"Представете си, че с помощта на мобилния си телефон контролирате активността на собствените си клетки за лечение на наранявания и болести. Звучи като фантастика. Но това може един ден да бъде възможност благодарение на нововъзникващата област на квантовата биология", посочва Кларис Айело (Clarice D. Aiello) квантов инженер от лабораторията по квантова биология (QuBiT), асистент по електротехника и компютърно инженерство в Калифорнийския университет, Лос Анджелис в статия, публикувана в The Conversation.

През последните няколко десетилетия учените постигат невероятен напредък в разбирането и манипулирането на биологични системи във все по-малки мащаби, от нагъване на протеини до генно инженерство. И все пак, степента, до която квантовите ефекти влияят на живите системи, едва  сега започва да се разбира.

Квантовите ефекти са явления, възникващи между атоми и молекули, които не могат да бъдат обяснени от класическата физика. От повече от век е известно, че правилата на класическата механика, като законите на движението на Нютон, се разпадат в атомен мащаб. Вместо това малките обекти се държат според различен набор от закони, известни като квантова механика.

^{Квантовата механика описва свойствата на атомите и молекулите.}

За хората, които могат да възприемат само макроскопичния свят или това, което е видимо с невъоръжено око, квантовата механика може да изглежда неинтуитивна и донякъде магическа. В  квантовия свят се случват неочаквани нещав, като електрони, които „тунелират“ през малки енергийни бариери и се появяват от другата страна невредими, или да бъдат на две различни места по едно и също време във феномен, наречен суперпозиция.

Изследванията в квантовата механика обикновено са насочени към технологиите. Въпреки това, и донякъде изненадващо, има все повече доказателства, че природата – инженер с милиарди години практика – се е научила как да използва квантовата механика, за да функционира оптимално. Ако е вярно, това означава, че разбирането ни за биологията е твърде непълно. Това също означава, че е възможно да контролираме физиологичните процеси, като използваме квантовите свойства на биологичната материя.

Квантовостта в биологията вероятно е реална

Изследователите могат да манипулират квантовите явления, за да изградят по-добри технологии. Всъщност вече живеем в квантов свят: от лазерни указатели до GPS, магнитен резонанс и транзисторите във вашия компютър – всички тези технологии разчитат на квантови ефекти.

Като цяло, квантовите ефекти се проявяват само при много малки мащаби на дължина и маса или когато температурите се доближат до абсолютната нула. Това е така, защото квантовите обекти като атоми и молекули губят своята „квантовост“, когато неконтролируемо взаимодействат помежду си и със своята среда. С други думи, макроскопична колекция от квантови обекти се описва по-добре от законите на класическата механика. Всичко, което започва квантово, умира класическо. Например един електрон може да бъде манипулиран да бъде на две места едновременно, но след кратко време ще се окаже само на едно място – точно това, което би се очаквало от класическите понятия.

^{Електроните могат да бъдат на две места едновременно, но в крайна сметка ще се окажат на едно място.}

В една сложна, шумна биологична система се очаква, че повечето квантови ефекти бързо ще изчезнат, отмити в това, което физикът Ервин Шрьодингер нарича „топлата, влажна среда на клетката“. За повечето физици фактът, че живият свят функционира при повишени температури и в сложни среди, предполага, че биологията може да бъде адекватно и напълно описана от класическата физика: без странно пресичане на бариера, без присъствие на множество места едновременно.

Химиците обаче отдавна се противопоставят. Изследванията върху основните химични реакции при стайна температура недвусмислено показват, че процесите, протичащи в биомолекули такива като протеини и генетичен материал, са резултат от квантови ефекти. Важно е, че такива наноскопични, краткотрайни квантови ефекти са в съответствие с задвижването на някои макроскопични физиологични процеси, които биолозите са измервали в живи клетки и организми. Изследванията показват, че квантовите ефекти влияят върху биологичните функции, включително регулиране на ензимната активност, усещане на магнитни полета, клетъчен метаболизъм и транспорт на електрони в биомолекулите.

Как да изучаваме квантовата биология

Изкусителната възможност фините квантови ефекти да променят биологичните процеси представлява както вълнуваща граница, така и предизвикателство за учените. Изучаването на квантово-механичните ефекти в биологията изисква инструменти, които могат да измерват кратките времеви мащаби, малките мащаби на дължина и фините разлики в квантовите състояния, които пораждат физиологични промени – всички интегрирани в традиционна влажна лабораторна среда.

В работата си Кларис Айело създава инструменти за изучаване и контрол на квантовите свойства на малки обекти като електрони. По същия начин, по който електроните имат маса и заряд, те също така имат квантово свойство, наречено спин. Спинът определя как електроните взаимодействат с магнитно поле, по същия начин, по който зарядът определя как електроните взаимодействат с електрическо поле. Квантовите експерименти, които изгражда от дипломирането си, а сега и в собствената си лаборатория, имат за цел да прилагат персонализирани магнитни полета за промяна на спиновете на определени електрони.

Изследванията показват, че много физиологични процеси се влияят от слаби магнитни полета. Тези процеси включват развитие и съзряване на стволови клетки, скорост на клетъчна пролиферация, възстановяване на генетичен материал и безброй други. Тези физиологични реакции към магнитните полета са в съответствие с химични реакции, които зависят от спина на определени електрони в молекулите. Прилагането на слабо магнитно поле за промяна на електронните спинове може по този начин ефективно да контролира крайните продукти на химичната реакция с важни физиологични последици.

^{Птиците използват квантови ефекти в навигацията}

Понастоящем липсата на разбиране за това как подобни процеси работят в наномащаб не позволява на изследователите да определят точно каква сила и честота на магнитните полета причиняват специфични химични реакции в клетките. Настоящите технологии за мобилни телефони, носими устройства и миниатюризация вече са достатъчни, за да произведат персонализирани, слаби магнитни полета, които променят физиологията, както за добро, така и за лошо. Следователно липсващото парче от пъзела е „детерминистична кодова книга“ за това как да се картографират квантовите причини към физиологичните резултати.

В бъдеще фината настройка на квантовите свойства на природата може да позволи на изследователите да разработят терапевтични устройства, които са неинвазивни, дистанционно контролирани и достъпни с мобилен телефон. Електромагнитното лечение може потенциално да се използва за предотвратяване и лечение на заболявания, като мозъчни тумори, както и в биопроизводството, като увеличаване на производството на лабораторно отгледано месо.

Изцяло нов начин за правене на наука

Квантовата биология е една от най-интердисциплинарните области, възниквали някога. Как се изгражда общност и обучение на учени, които да работят в тази област?

След пандемията лабораторията в Университета на Калифорния, Лос Анджелис и Центърът за обучение по квантова биология на университета в Съри организират срещи по квантова биология, за да осигурят неформален седмичен форум за изследователи, които да се срещат и споделят своя опит в области като основи на квантовата физика, биофизика, медицина, химия и биология.

Изследванията с потенциално трансформиращи последици за биологията, медицината и физическите науки ще изискват работа в рамките на еднакво трансформиращ модел на сътрудничество. Работата в една обединена лаборатория би позволила на учени от дисциплини, които използват много различни подходи към изследванията, да провеждат експерименти, които отговарят на обхвата на квантовата биология от квантовата до молекулярната, клетъчната и организмовата.

Съществуването на квантовата биология като дисциплина предполага, че традиционното разбиране на жизнените процеси е непълно. По-нататъшните изследвания ще доведат до нови прозрения за вековния въпрос какво е животът, как може да бъде контролиран и как да се научим с природата да изграждаме по-добри квантови технологии.

Авторът Кларис Айело (Clarice D. Aiello) квантов инженер от лабораторията по квантова биология (QuBiT), асистент по електротехника и компютърно инженерство в Калифорнийския университет, Лос Анджелис.

Тази статия е публикувана за първи път в The Conversation.

Източник: Quantum Biology: Unlocking the Mysteries of How Life Works, SciTechDaily

Още по темата

30/10/2018

Животът

За първи път живи организми са квантово вплетени. Може би