Entschlüsseln Sie die Geheimnisse darüber, wie das Leben funktioniert

Die Quantenbiologie erforscht, wie sich Quanteneffekte auf biologische Prozesse auswirken und möglicherweise zu Durchbrüchen in der Medizin und Biotechnologie führen. Obwohl angenommen wird, dass Quanteneffekte in biologischen Systemen schnell verschwinden, deuten Untersuchungen darauf hin, dass diese Effekte eine wichtige Rolle in physiologischen Prozessen spielen. Dies eröffnet die Möglichkeit, diese Prozesse zu manipulieren, um ferngesteuerte, nicht-invasive Therapiegeräte zu schaffen. Um dies zu erreichen, ist jedoch ein neuer interdisziplinärer Ansatz in der wissenschaftlichen Forschung erforderlich.

Stellen Sie sich vor, Sie nutzen Ihr Mobiltelefon, um die Aktivität Ihrer Zellen zu steuern und so Verletzungen und Krankheiten zu behandeln. Es klingt wie etwas, das der Fantasie eines allzu optimistischen Science-Fiction-Autors entsprungen ist. Aber dies könnte eines Tages mit dem aufstrebenden Gebiet der Quantenbiologie eine Möglichkeit sein.

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler erstaunliche Fortschritte beim Verständnis und der Manipulation biologischer Systeme in immer kleineren Maßstäben gemacht Faltungsprotein Zu Gentechnik. Allerdings ist das Ausmaß, in dem Quanteneffekte lebende Systeme beeinflussen, noch immer kaum verstanden.

Quanteneffekte sind Phänomene, die zwischen Atomen und Molekülen auftreten und mit der klassischen Physik nicht erklärt werden können. Seit mehr als einem Jahrhundert ist bekannt, dass die Regeln der klassischen Mechanik, wie etwa die Newtonschen Bewegungsgesetze, zersetzen sich auf atomarer Ebene. Stattdessen verhalten sich kleine Objekte nach einem anderen Satz von Gesetzen, den sogenannten Quantenmechanik.

Die Quantenmechanik beschreibt die Eigenschaften von Atomen und Molekülen.

Für Menschen, die nur die makroskopische Welt oder das, was mit bloßem Auge sichtbar ist, wahrnehmen können, kann die Quantenmechanik etwas unlogisch und magisch wirken. Dinge, von denen man im Quantenbereich vielleicht nicht erwartet, dass sie passieren, wie zum Beispiel durch das „Tunneln“ von Elektronen Kleine Energiebarrieren erscheinen auf der anderen Seite unversehrt oder an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig ein Phänomen namens Superposition.

Ich wurde zum ausgebildeten km-Ingenieur. Forschung in der Quantenmechanik ist normalerweise auf Technologie ausgerichtet. Überraschenderweise gibt es jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass die Natur – ein Ingenieur mit Milliarden von Jahren Erfahrung – es gelernt hat Nutzen Sie die Quantenmechanik, um optimal zu funktionieren. Wenn dies tatsächlich zutrifft, dann ist unser Verständnis der Biologie völlig unvollständig. Es bedeutet auch, dass wir physiologische Prozesse mithilfe der quantitativen Eigenschaften biologischer Materie steuern können.

Quanten in der Biologie könnten eine Tatsache sein

Forscher können Quantenphänomene manipulieren, um bessere Technologien zu entwickeln. Tatsächlich wohnen Sie in A Quantengetriebene Welt: von Laserpointern bis[{“ attribute=““>GPS, magnetic resonance imaging and the transistors in your computer – all these technologies rely on quantum effects.

In general, quantum effects only manifest at very small length and mass scales, or when temperatures approach absolute zero. This is because quantum objects like atoms and molecules lose their “quantumness” when they uncontrollably interact with each other and their environment. In other words, a macroscopic collection of quantum objects is better described by the laws of classical mechanics. Everything that starts quantum dies classical. For example, an electron can be manipulated to be in two places at the same time, but it will end up in only one place after a short while – exactly what would be expected classically.

Elektronen können gleichzeitig an zwei Orten sein, landen aber irgendwann an einem Ort.

In einem komplexen und verrauschten biologischen System wäre daher zu erwarten, dass die meisten Quanteneffekte schnell verschwinden und in dem verschwinden, was der Physiker Erwin Schrödinger als „Die warme und feuchte Umgebung des Bienenstocks. Für die meisten Physiker bedeutet die Tatsache, dass die lebende Welt bei erhöhten Temperaturen und in komplexen Umgebungen operiert, dass die Biologie durch die klassische Physik angemessen und vollständig beschrieben werden kann: kein seltsames Überschreiten einer Barriere, kein gleichzeitiges Vorhandensein an mehreren Orten.

Aber Chemiker betteln seit langem darum, anderer Meinung zu sein. Untersuchungen zu grundlegenden chemischen Reaktionen bei Raumtemperatur zeigen dies eindeutig Prozesse, die innerhalb von Biomolekülen ablaufen Wie Proteine ​​ist auch die genetische Materie das Ergebnis von Quanteneffekten. Wichtig ist, dass solche kurzlebigen Quanteneffekte auf der Nanoskala im Einklang mit der Ansteuerung einiger makroskopischer physiologischer Prozesse stehen, die Biologen in Zellen und Organismen gemessen haben. Untersuchungen zeigen, dass Quanteneffekte biologische Funktionen beeinflussen, einschließlich Regulierung der EnzymaktivitätUnd MagnetfeldsensorUnd Zellstoffwechsel Und Elektronentransport in Biomolekülen.

Wie studiert man Quantenbiologie?

Die beeindruckende Möglichkeit, dass subtile Quanteneffekte biologische Prozesse modulieren können, stellt für Wissenschaftler eine spannende und herausfordernde Herausforderung dar. Die Untersuchung quantenmechanischer Effekte in der Biologie erfordert Instrumente, die die kurzen Zeitskalen, die winzigen Skalen und die subtilen Unterschiede in Quantenzuständen messen können, die zu physiologischen Veränderungen führen – alles integriert in eine herkömmliche Nasslaborumgebung.

bei meiner ArbeitIch baue Werkzeuge, um die Quanteneigenschaften von so kleinen Dingen wie Elektronen zu untersuchen und zu kontrollieren. So wie Elektronen Masse und Ladung haben, haben auch sie Masse und Ladung Die Quanteneigenschaft heißt Spin. Der Spin bestimmt, wie Elektronen mit einem Magnetfeld interagieren, genauso wie die Ladung bestimmt, wie Elektronen mit einem elektrischen Feld interagieren. Quantitative Experimente, die ich erstellt habe Seit meinem Schulabschlussund jetzt möchte ich in meinem eigenen Labor maßgeschneiderte Magnetfelder anwenden, um den Spin bestimmter Elektronen zu verändern.

Untersuchungen haben gezeigt, dass viele physiologische Prozesse durch schwache Magnetfelder beeinflusst werden. Dazu gehören Operationen Entwicklung von Stammzellen Und ReifungUnd ZellreproduktionsratenUnd Reparatur von genetischem Material Und unzählige andere. Diese physiologischen Reaktionen auf Magnetfelder entsprechen chemischen Reaktionen, die vom Spin bestimmter Elektronen innerhalb von Molekülen abhängen. Daher kann die Anwendung eines schwachen Magnetfelds zur Änderung der Elektronenspins die Endprodukte einer chemischen Reaktion wirksam steuern, was wichtige physiologische Konsequenzen hat.

Vögel nutzen Quanteneffekte zur Navigation.

Derzeit mangelt es an Verständnis darüber, wie solche Prozesse funktionieren[{“ attribute=““>nanoscale level prevents researchers from determining exactly what strength and frequency of magnetic fields cause specific chemical reactions in cells. Current cellphone, wearable and miniaturization technologies are already sufficient to produce tailored, weak magnetic fields that change physiology, both for good and for bad. The missing piece of the puzzle is, hence, a “deterministic codebook” of how to map quantum causes to physiological outcomes.

In the future, fine-tuning nature’s quantum properties could enable researchers to develop therapeutic devices that are noninvasive, remotely controlled and accessible with a mobile phone. Electromagnetic treatments could potentially be used to prevent and treat disease, such as brain tumors, as well as in biomanufacturing, such as increasing lab-grown meat production.

A whole new way of doing science

Quantum biology is one of the most interdisciplinary fields to ever emerge. How do you build community and train scientists to work in this area?

Since the pandemic, my lab at the University of California, Los Angeles and the University of Surrey’s Quantum Biology Doctoral Training Centre have organized Big Quantum Biology meetings to provide an informal weekly forum for researchers to meet and share their expertise in fields like mainstream quantum physics, biophysics, medicine, chemistry and biology.

Research with potentially transformative implications for biology, medicine and the physical sciences will require working within an equally transformative model of collaboration. Working in one unified lab would allow scientists from disciplines that take very different approaches to research to conduct experiments that meet the breadth of quantum biology from the quantum to the molecular, the cellular and the organismal.

The existence of quantum biology as a discipline implies that traditional understanding of life processes is incomplete. Further research will lead to new insights into the age-old question of what life is, how it can be controlled and how to learn with nature to build better quantum technologies.

Written by Clarice D. Aiello, Quantum Biology Tech (QuBiT) Lab, Assistant Professor of Electrical and Computer Engineering, University of California, Los Angeles.

This article was first published in The Conversation.