Защо природата е най-добрият квантов инженер

Ваня Милева Последна промяна на 29 септември 2023 в 00:00 8805 0

Природата е квантов инженер

Кредит Adobe Stock Images (свободен лиценз)

Природата е квантов инженер.

В миналото изследователите са смятали, че квантовите свойства изчезват в мащаба на биологията, но има все повече доказателства, че това не е цялата история, разказва физикът Кларис Айело (Clarice Aiello).

Следният текст на Кларис Айело е откъс от бюлетина на New Scientist "Изгубени в пространство-времето" (Lost in pace-Time): 

Години наред подценявах природата. Като квантов физик интересите ми просто не се простираха до биологичната област. Бях очарован от частици и сили, а не от клетки и организми. Един ден всичко се промени, когато разбрах, че природата е по-добър квантов инженер от мен.

Бях навлязъл в една година в постдокторантски проект, който включваше поставяне на биохимични вещества върху нещо с наноразмери. Подробностите нямат значение, но важното е, че биохимичните вещества не правеха това, което трябваше да правят, и аз се оказах в търсене на алтернативи. Започнах случайно да чета за протеин, който усеща магнитни полета по начин, който смятах, че е възможен само с високотехнологични квантови експерименти. Но нямаше никакво съмнение: Това беше истински "квантов сензор".

Вече бях прекарал години в конструиране на инструменти за изучаване и контролиране на квантовите свойства на малки неща като електроните с цел използването им като сензори за електронни и магнитни полета. Тези квантови сонди превъзхождаха много по-големи сензори: Тяхната квантовост всъщност подобрява измерването.

И все пак тук виждах, че природата вече е далеч по-напред от света на физиката, конструиран от хората: "Собственият квантов сензор на природата, 1 милиард години преди новата ера!!!". Как би могло да бъде това? Идеята, че протеините се държат по квантов начин, сякаш противоречеше на моето разбиране за това кога квантовостта се разпада и биологията взема връх.

От повече от век учените знаят, че правилата на класическата механика, като Нютоновите закони за движението, се разпадат в атомни мащаби и контролът се поема от друга система от закони, известна като квантова физика. С просто око квантовата физика може да изглежда нелогична и донякъде магическа. Например в квантовия свят малки обекти като електрони и атомни ядра могат да се намират на две различни места едновременно и да "тунелират" през малки енергийни бариери, появявайки се от другата страна невредими.

Но когато системите станат по-големи - например в мащаба на цял протеин или разтвор, съдържащ милиони протеини - тази квантова способност изчезва много бързо. Макроскопичните мащаби се описват по-добре от законите на класическата механика. Тези малки частици, които са едновременно на две различни места, след кратко време ще се установят само на едно място - както се очаква по класическата логика.

В биологията изследователите традиционно са приемали за даденост, че квантовите ефекти трябва да изчезнат, отмити в това, което Ервин Шрьодингер нарича "топлата, влажна среда на клетката". Повечето учени все още смятат, че биологията може да бъде адекватно описана от класическата физика: Няма забавни пресичания на бариери, няма присъствие на няколко места едновременно.

Въпреки това има все повече доказателства, че биологията използва квантови свойства, за да функционира и да реагира оптимално на външни стимули, какъвто е случаят с протеина, който усеща магнитните полета.

Квантово усещане

Въпросният протеин, както и много други, усеща магнитните полета благодарение на нещо, наречено спин-зависима химична реакция, включваща както любимия ми квантов обект - електрона, така и любимото ми квантово свойство - спина.

Електроните притежават спин, който е фундаментално свойство на материята, подобно на масата и заряда. Докато масата определя взаимодействието на материята с гравитацията, а зарядът - с електрическите полета, спинът определя взаимодействието с магнитните полета. Различните състояния на спина, които обикновено се представят като стрелки нагоре и надолу, взаимодействат по различен начин с магнитните полета.

Спинът има ясно изразена квантова природа, като определени магнитни полета са в състояние да поставят спина на частицата в квантово състояние, което обхваща едновременно и нагоре, и надолу. Това явление е известно като суперпозиция.

Някои химични реакции се влияят от състоянията на суперпозиция на определени електронни спинове. Тъй като магнитните полета могат да повлияят на тези състояния, те могат да повлияят и на макроскопичните резултати от тези реакции. Точно по този начин работи протеинът: Той взаимодейства или "усеща" много малки магнитни полета, като използва електронния спин като квантов детектор. И може да прави всичко това при стайна температура, в разбъркан разтвор с милиони молекули; с други думи, в среда, в която не се очаква квантовостта да оцелее дълго, камо ли да се използва като ресурс.

Интересната научна област, върху която работя в момента, е свързана с вълнуващата възможност протеините в живите клетки да използват квантови ефекти. Клетъчната среда е хаотична, така че шансовете за оцеляване на квантовите процеси, като например суперпозиция на електронния спин, са малки.

Въпреки това, въпреки че все още не е намерено доказателство, че клетките функционират по този начин, съществуват корелативни доказателства, че химичните реакции, зависими от електронния спин, променят функциите на живите клетки. Птиците могат да усетят слабото магнитно поле на Земята като сигнал за миграция. Изглежда, че те правят това чрез магниточувствителен протеин, наречен криптохром - същият протеин, който привлече вниманието ми преди години.

Съществуват и доказателства, че слабите магнитни полета водят до физиологични реакции в цялото дърво на живота - при гръбначни, безгръбначни, растения и бактерии. Тези ефекти варират от промени в скоростта на възстановяване на ДНК и производството на клетъчни оксиданти до неврологични функции и клетъчен метаболизъм, и това са само някои от тях. Изглежда, че голяма част от механизмите на функциониране на клетките могат да бъдат променяни от слаби магнитни полета по квантов начин.

Всичко това сочи към предстояща революция в разбирането ни за биологията и пренебрегваната роля, която квантовата физика играе в нея. Изследователите и компаниите вече търсят начини за използване на слабите магнитни полета - от усилията в медицината за намаляване на размера на туморите или стимулиране на мускулната регенерация до увеличаване на добива на месо, отглеждано в лаборатория. Все още обаче предстои да се извърви дълъг път, преди тези усилия да станат реалност.

Понастоящем липсва цялостно разбиране за това как точно различните състояния на суперпозиция на електронния спин съответстват на различни физиологични резултати в клетката или тъканта. Но ако разработим " шифър" на квантовата биология, това би могло да ни даде детерминиран контрол върху много от нашите физиологични реакции.

В моята лаборатория работим върху този код. Надяваме се, че в крайна сметка тя ще доведе до създаването на прости електронни устройства, които биха могли да произвеждат електромагнитни интервенции за превенция на заболявания и др.

Човечеството е едва в началото на своето пътуване към разбирането на квантовата механика. В продължение на милиарди години природата вече се е превърнала в най-добрия квантов инженер.

Авторът Кларис Айело (Clarice Aiello) ръководи Лабораторията за квантови биологични технологии (QuBiT) в Калифорнийския университет в Лос Анджелис.

Източник: Why nature is the ultimate quantum engineer, Clarice Aiello

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !