Ισχύουν επίσης οι νόμοι της κβαντικής φυσικής στη Βιολογία;

Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής όντως ισχύουν στη βιολογία, αλλά όχι στον βαθμό που ισχύουν σε άλλα επιστημονικά πεδία. Γενικά, η κβαντομηχανική είναι η θεμελιώδης θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των ατόμων, των υποατομικών σωματιδίων, των μορίων και των μοριακών συγκροτημάτων. Ωστόσο, λόγω της πολύπλοκης φύσης των βιολογικών συστημάτων, η κβαντική μηχανική δεν έχει τόσο μεγάλη επίδραση στη βιολογία όσο σε άλλους επιστημονικούς κλάδους.

Μια ανορθόδοξη και εκκεντρική συνεργασία μεταξύ δύο φαινομενικά ασυμβίβαστων επιστημονικών πεδίων —της Κβαντικής Φυσικής και της Βιολογίας— παράγει συναρπαστικές νέες ιδέες για τη φύση του ζωντανού μας κόσμου.

Τα βιολογικά συστήματα έχουν δυναμική φύση, ανταλλάσσουν συνεχώς ενέργεια και ύλη με το περιβάλλον, διατηρώντας την κατάσταση μη ισορροπίας συνώνυμη με τη ζωή. Από την άλλη πλευρά, η κβαντομηχανική είναι η θεμελιώδης θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των ατόμων, των υποατομικών σωματιδίων, των μορίων και των μοριακών συγκροτημάτων—και πιθανώς πολύ περισσότερο πέρα ​​από το σημερινό πεδίο της γνώσης μας.

DNA- Το δομικό στοιχείο της ζωής (Φωτογραφίες:Sergey Nivens/Shutterstock)

Μπορεί να σας μπερδέψει να σκεφτείτε αυτόν τον συνδυασμό, καθώς η βιολογία συνδέεται με την κβαντική φυσική, όταν η δεύτερη ασχολείται με μετρήσεις νανοκλίμακας, ενώ η πρώτη δεν είναι μικρότερη από το μικροεπίπεδο. Λοιπόν, οι αμφιβολίες σας αξίζουν. Συνεχίστε να διαβάζετε για να ανακαλύψετε πώς η κβαντική φυσική διαμορφώνει πολλά από τα κρίσιμα βιολογικά φαινόμενα του κόσμου μας.

Φωτοσύνθεση

Ίσως έχετε μια γενική ιδέα για το τι συνεπάγεται αυτή η διαδικασία. Τα φυτά και ορισμένοι τύποι βακτηρίων απορροφούν το φως του ήλιου και το νερό για να συνθέσουν «τροφή», δηλαδή υδατάνθρακες, και απελευθερώνουν οξυγόνο ως απόβλητο προϊόν, το οποίο είναι απαραίτητο για την επιβίωση όλων των άλλων ζωντανών πλασμάτων.

Ωστόσο, τι συμβαίνει στην πραγματικότητα σε αυτή τη διαδικασία;

Χρωματοφόρα είναι τα κύτταρα που προσδίδουν χρώμα σε ένα φυτό που συγκεντρώνουν φωτόνια ή σωματίδια φωτός από τις εισερχόμενες ηλιαχτίδες ή άλλες πηγές φωτός. Στη συνέχεια απελευθερώνουν εξιτόνια, τα οποία είναι αποτέλεσμα της περίσσειας ενέργειας που απορροφάται. Αυτή η ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε χημική ενέργεια, την οποία το φυτό μπορεί να μεταβολίσει.

Όλη αυτή η διαδικασία συμβαίνει σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, με απόδοση κοντά στο 100%, εξασφαλίζοντας αμελητέα απώλεια ενέργειας! Σε αυτόν τον ταχέως εξελισσόμενο κόσμο, η αποτελεσματικότητα είναι το μόνο που έχει σημασία. Σαφώς, ο έξυπνος μηχανισμός της φωτοσύνθεσης είναι πραγματικά ένα από τα μεγαλύτερα θαύματα της φύσης. Λοιπόν… τι πραγματικά συμβαίνει εδώ;

(Φωτογραφία:Designua / Shutterstock)

Τα εξιτόνια, αντί να ταξιδεύουν σε μια μοναδική και γραμμική διαδρομή, κινούνται με κυματική κίνηση. Όταν ένας καταιγισμός εξιτονίων ταξιδεύει μαζί, οι κυματοειδείς κινήσεις τους υπερτίθενται για να παράγουν κβαντική συνοχή. Ακούγεται αρκετά εντυπωσιακό, σωστά;

Αυτή η κβαντική συνοχή δίνει εντολή στα εξιόνια να δοκιμάσουν όλες τις πιθανές οδούς, και στη συνέχεια επιλέξτε την πιο αποτελεσματική επιλογή.

Τώρα, φανταστείτε πόσο σημαντική θα ήταν η σημαντική ανακάλυψη για τις βιομηχανίες που παράγουν ενέργεια εάν μπορούσαμε να μιμηθούμε αυτό το φαινόμενο στη δική μας τεχνολογία. Τα ηλιακά πάνελ υψηλής απόδοσης και οι μπαταρίες μεγάλης διάρκειας θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για ένα πράσινο και λαμπρό μέλλον.

Magnetoreception

Είναι γνωστό εδώ και καιρό ότι ορισμένα πουλιά και θαλάσσια ζώα πλοηγούνται στην υδρόγειο χρησιμοποιώντας μια εσωτερική χημική πυξίδα που αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Ωστόσο, η αλήθεια είναι ότι το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι πολύ αδύναμο για να μυρμηγκιάσει τις αισθήσεις τους, οπότε πώς πραγματικά πλοηγούνται τα πουλιά;

Cryptochrome , ένα ειδικό είδος πρωτεΐνης, βρίσκεται στα μάτια των ευρωπαϊκών κοκκινοφόρων και άλλων ζωικών ειδών. Όταν το ηλιακό φως χτυπά τον αμφιβληστροειδή των ματιών τους, η πρωτεΐνη απελευθερώνει δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια, γνωστά ως ζεύγη ριζών που προκαλούνται από φωτογραφία .

Η χημική και δεσμευτική δομή των χρωματοφόρων, που υπάρχουν στα μάτια των πτηνών

Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι πολύ ευαίσθητα σε μικρές αλλαγές. Προσανατολίζουν το σπιν τους προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης, δίνοντάς τους έτσι μια αίσθηση κατεύθυνσης. Όλες αυτές οι διαδικασίες λαμβάνουν χώρα σε κβαντικό επίπεδο, καθιστώντας το ένα ακόμη κβαντικό βιολογικό φαινόμενο που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν σκέφτονται ποτέ!

Όσμηση:Η αίσθηση της όσφρησης

Οι άνθρωποι είναι προικισμένοι με την ικανότητα να διακρίνουν χιλιάδες διαφορετικές μυρωδιές. Όταν τα μόρια αρώματος εισχωρούν στα ρουθούνια μας από τον αέρα, αλληλεπιδρούν με έναν υποδοχέα μέσα στη μύτη, παρόμοια με τον τρόπο που τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με το οπτικό νεύρο για να μας προσφέρουν τη δύναμη της όρασης. Το ερώτημα είναι πώς το οσφρητικό νεύρο διακρίνει τη μια μυρωδιά από την άλλη; Όπως μάλλον μαντεύετε, σίγουρα έχει κάποια σχέση με την κβαντική φυσική!

Η διαδικασία εισπνοής μορίων αρώματος μαζί με τον αέρα, όπου έρχονται σε επαφή με τα οσφρητικά νεύρα και προσδίδουν την αίσθηση της όσφρησης (Προστασία φωτογραφίας:Wikimedia Commons)

Όταν ένα μόριο αρώματος αλληλεπιδρά με έναν συγκεκριμένο υποδοχέα στη μύτη, ένα ηλεκτρόνιο που υπάρχει σε αυτό το μόριο περνά στην άλλη πλευρά του υποδοχέα μέσω κβαντικής σήραγγας . Η κβαντική σήραγγα είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο υποατομικά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια κινούνται μέσα από ένα φράγμα που διαφορετικά είναι αδύνατο να περάσει, σύμφωνα με τις θεωρίες της κλασικής φυσικής . Με αυτόν τον τρόπο, μετατρέπει τις πληροφορίες σε μόρια οσμής σε ηλεκτρικά σήματα, τα οποία στη συνέχεια κατευθύνονται στον εγκέφαλο, επιτρέποντάς μας να ανιχνεύσουμε και να αναγνωρίσουμε γρήγορα τη μυρωδιά.

Κβαντική γνώση

Γνώση μπορεί να οριστεί ως «η νοητική δράση ή διαδικασίες που εμπλέκονται στην απόκτηση γνώσης και κατανόησης, είτε μέσω της σκέψης, των εμπειριών ή των αισθήσεων.

(Φωτογραφίες:agsandrew/Shutterstock)

Εισαγάγετε την "κβαντική γνώση", μια νέα θεωρία που υποδηλώνει ότι οι μαθηματικές αρχές πίσω από την κβαντική μηχανική, όπως η θεωρία πιθανοτήτων, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση της ψυχολογίας πίσω από την ανθρώπινη συμπεριφορά. Εξάλλου, η σκέψη βασίζεται στη γνωστική ικανότητα του εγκεφάλου μας και οι εγκέφαλοι λειτουργούν με ηλεκτρικές παρορμήσεις, οι οποίες παρατηρούνται σε κβαντικό επίπεδο.

Το δίλημμα του φυλακισμένου

Ας εξετάσουμε το κλασικό πείραμα σκέψης «Prisoner’s Dilemma» για να κατανοήσουμε καλύτερα τις γνωστικές ικανότητες του ανθρώπινου εγκεφάλου. Σε δύο εγκληματίες προσφέρεται η ευκαιρία να εξοντώσουν τα εγκλήματα του άλλου. Εάν ο ένας εκδικάσει τον άλλον, αλλά ο άλλος δεν τον εξοργίσει, ο προδότης αποφυλακίζεται, ενώ ο άλλος εκτελεί τριετή θητεία. Αν και οι δύο εξαντλήσουν ο ένας τον άλλον, ο καθένας εκτελεί δύο χρόνια. Αν κανένας από τους δύο δεν σηκώσει τον άλλον, θα πάρουν ο καθένας ένα χρόνο. Αν σκεφτούμε ότι και οι δύο εγκληματίες συμπεριφέρονται πάντα με γνώμονα το δικό τους συμφέρον, θα εκνευρίζουν πάντα τον άλλον, αν δεν γνωρίζουν τη δήλωση του άλλου.

Όταν κλασική πιθανότητα εφαρμόζεται σε αυτό το σκεπτικό πείραμα, αποτυγχάνει να το εξηγήσει. Εάν ο πρώτος εγκληματίας ήξερε, σίγουρα, ότι ο δεύτερος θα συνεργαζόταν, θα ήταν πολύ λογικό να τον εκνευρίσει και να ξεφύγει από τα δικά του εγκλήματα. το ίδιο θα ίσχυε και για τον δεύτερο εγκληματία. Έτσι, μπορείτε να συμπεράνετε ότι ανεξάρτητα από το τι κάνει ο άλλος εγκληματίας, το καλύτερο θα ήταν να αυτομολήσετε. Όλα αυτά γίνονται αρκετά μπερδεμένα όταν το δούμε από μια κλασική προοπτική.

Ωστόσο, μια κβαντική εξήγηση λειτουργεί λίγο καλύτερα. Στο πείραμα της γάτας του Schrödinger, όπου η γάτα είναι εξίσου πιθανό να είναι νεκρή και ζωντανή στο κλειστό κουτί, εκτός εάν το κουτί ανοίξει και παρατηρηθεί η κατάσταση της γάτας. Εφαρμόζοντας αυτό το αποτέλεσμα στο πείραμά μας, μπορούμε να πούμε ότι κάθε μία από αυτές τις δυνατότητες είναι σαν ένα κύμα σκέψης. Ακριβώς όπως άλλα κύματα (φως, ήχος, νερό) μπορούν να παρεμβαίνουν μεταξύ τους, τα κύματα των επιλογών που κρύβουν τον άλλο κρατούμενο ή το να κρατάς το στόμα σου κλειστό μπορεί να παρεμβαίνουν, είτε για να ακυρώσουν το ένα το άλλο, να δημιουργήσουν ένα μικρότερο κύμα ή ίσως ένα πολύ μεγαλύτερο. Αυτό σημαίνει ότι εάν ένας εγκληματίας πρόκειται να συνεργαστεί, μπορεί να καταλήξει και ο άλλος!

Αυτό το παράδειγμα μπορεί να φαίνεται λίγο δύσκολο να τυλίξετε το κεφάλι σας γύρω, αλλά στην πραγματικότητα, η θεωρία πιθανοτήτων είναι ένα τυχερό παιχνίδι. Με την ποσοτικοποίηση του, δίνονται ίσες ευκαιρίες σε όλες τις πλευρές, διασφαλίζοντας ότι κάθε απόφαση επηρεάζει κάθε άλλη.

Συμπέρασμα

Η φυσική επιλογή έχει σίγουρα βρει τρόπους για τα ζωντανά συστήματα, ανεξαρτήτως κλίμακας και εμβέλειας, να εκμεταλλεύονται φυσικά τα κβαντικά φαινόμενα.

Αν και δεν έχουν ανακαλυφθεί πολλά σε αυτό το διεπιστημονικό πεδίο, Και ενώ απέχουμε πολύ από το να εκμεταλλευτούμε πλήρως την κατανόησή μας για την κβαντική βιολογία για τεχνολογικές προόδους, δεν είναι μακριά η εποχή που οι κβαντικές συσκευές βιολογικής έμπνευσης θα ξεπεράσουν τις κλασικές, αναποτελεσματικές ανάλογες.

Σε αντίθεση με την εποχή της δεκαετίας του 1960, όταν τα «καυτά, υγρά και πολύπλοκα» βιολογικά συστήματα θεωρούνταν εντελώς ασύμβατα με τον μικρόκοσμο της κβαντικής δυναμικής, έχουμε φτάσει σε ένα νέο στάδιο κατανόησης. Τώρα, το ερώτημα του «Can Τα κβαντικά φαινόμενα επηρεάζουν τη βιολογία;» έχει αντικατασταθεί από το "If κάνουν, τι αποτέλεσμα προκαλεί και πώς συμβαίνει;» Δεδομένου ότι η εξέλιξη στη Γη είχε 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να επινοήσει διαφορετικούς τρόπους για να αξιοποιήσει τις ανωμαλίες της κβαντικής μηχανικής, φαίνεται να υπάρχει πολύ συναρπαστικός χώρος για εξερεύνηση της κβαντικής βιολογίας!