كشف أسرار كيف تعمل الحياة

تدرس بيولوجيا الكم كيف تؤثر التأثيرات الكمية على العمليات البيولوجية ، مما يؤدي إلى تطورات في الطب والتكنولوجيا الحيوية. على الرغم من افتراض أن التأثيرات الكمومية تختفي بسرعة في الأنظمة البيولوجية ، تشير الأبحاث إلى أن هذه التأثيرات تلعب دورًا مهمًا في العمليات الفسيولوجية. هذا يفتح إمكانية التلاعب بهذه العمليات لإنشاء أجهزة علاجية غير جراحية يتم التحكم فيها عن بعد. ومع ذلك ، يتطلب تحقيق ذلك نهجًا جديدًا متعدد التخصصات للبحث العلمي.

تخيل استخدام هاتفك الخلوي للتحكم في نشاط خلاياك لعلاج الإصابات والأمراض. يبدو الأمر وكأنه شيء من خيال كاتب خيال علمي مفرط في الثقة. ولكن مع ظهور بيولوجيا الكم ، قد يكون هذا ممكنًا يومًا ما.

على مدى العقود القليلة الماضية ، حقق العلماء تقدمًا هائلاً في فهم النظم البيولوجية ومعالجتها. البروتين للطي لكى يفعل الهندسة الوراثية. ومع ذلك ، فإن مدى تأثير التأثيرات الكمومية على الأنظمة الحية لم يُفهم بعد.

التأثيرات الكمومية هي ظاهرة تحدث بين الذرات والجزيئات ولا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية. إن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ، مثل قوانين نيوتن للحركة ، معروفة منذ أكثر من قرن. ينقسم إلى الأحجام الذرية. بدلاً من ذلك ، تعمل ما يسمى بالأشياء الأصغر وفقًا لقوانين مختلفة ميكانيكا الكم.

https://www.youtube.com/watch؟v=7kb1VT0J3DE
تصف ميكانيكا الكم خصائص الذرات والجزيئات.

بالنسبة للبشر الذين لا يستطيعون إلا إدراك العالم العياني أو ما هو مرئي للعين المجردة ، يمكن أن تبدو ميكانيكا الكم غير منطقية وساحرة إلى حد ما. تحدث أشياء غير متوقعة في العالم الكمي عن طريق “تعدين” الإلكترونات الظهور على الجانب الآخر بدون حواجز طاقة بسيطة وأضرار ، أو التواجد في مكانين مختلفين في وقت واحد ظاهرة تسمى التراكب.

لقد تدربت مهندس الكم. البحث في ميكانيكا الكم موجه بشكل عام نحو التكنولوجيا. ومع ذلك ، من المدهش إلى حد ما ، أن هناك أدلة متزايدة على أن الطبيعة – مهندس لديه مليارات السنين من الممارسة – قد تعلمت كيف. استخدم ميكانيكا الكم لأداء مثالي. إذا كان هذا صحيحًا ، فهذا يعني أن فهمنا للبيولوجيا غير كامل تمامًا. وهذا يعني أيضًا أنه يمكننا التحكم في العمليات الفسيولوجية باستخدام الخصائص الكمومية للمادة البيولوجية.

قد يكون الكم في علم الأحياء صحيحًا

يمكن للباحثين التلاعب بالظواهر الكمومية لخلق تكنولوجيا أفضل. في الحقيقة ، أنت بالفعل عالم يعمل بالطاقة الكمومية: من مؤشرات الليزر[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=8ROHpZ0A70I
يمكن أن تتواجد الإلكترونات في مكانين في وقت واحد ، ولكنها تنتهي في النهاية في مكان واحد.

قال الفيزيائي إروين شرودنجر إنه في نظام بيولوجي معقد وصاخب ، من المتوقع أن تختفي معظم التأثيرات الكمومية بسرعة.البيئة الدافئة والرطبة للخليةبالنسبة لمعظم الفيزيائيين ، فإن حقيقة أن العالم الحي يعمل في درجات حرارة عالية وبيئات معقدة تشير إلى أن الفيزياء الكلاسيكية يمكن أن تصف البيولوجيا بشكل مناسب وكامل: لا يوجد عبور لحاجز بانجي ، ولا يوجد في أماكن متعددة في وقت واحد.

ومع ذلك ، لطالما توسل الكيميائيون إلى الاختلاف. أظهرت الأبحاث التي أجريت على التفاعلات الكيميائية الأساسية في درجة حرارة الغرفة بما لا يدع مجالاً للشك العمليات التي تحدث داخل الجزيئات الحيوية البروتينات والمواد الجينية هي نتيجة التأثيرات الكمية. الأهم من ذلك ، أن مثل هذه التأثيرات الكمومية قصيرة العمر ذات المنظار النانوي تتسق مع قيادة بعض العمليات الفسيولوجية العيانية التي قاسها علماء الأحياء في الخلايا والكائنات الحية. تشير الأبحاث إلى أن التأثيرات الكمية يمكن أن تؤثر على النشاط البيولوجي ينظم نشاط الانزيمو استشعار المجالات المغناطيسيةو التمثيل الغذائي للخلية و نقل الإلكترون في الجزيئات الحيوية.

كيف تدرس بيولوجيا الكم

إن الاحتمال المذهل بأن التأثيرات الكمية الدقيقة يمكن أن تعدل العمليات البيولوجية هي حدود مثيرة وتحدي للعلماء. تتطلب دراسة التأثيرات الميكانيكية الكمومية في علم الأحياء نطاقات زمنية قصيرة ، ومقاييس أطوال صغيرة ، وأدوات يمكنها قياس الفروق الدقيقة في الحالات الكمومية التي تؤدي إلى تغييرات فسيولوجية – كلها مدمجة في بيئة المختبر الرطبة التقليدية.

في عملي، أقوم بتطوير أدوات لسبر الخصائص الكمومية للأشياء الصغيرة مثل الإلكترونات والتحكم فيها. مثلما تمتلك الإلكترونات كتلة وشحنة ، فإن لها أيضًا خاصية كمومية تسمى الدوران. يحدد السبين كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال المغناطيسي ، تمامًا كما تحدد الشحنة كيفية تفاعل الإلكترونات مع المجال الكهربائي. التجارب الكمية التي قمت بها منذ التخرج من المدرسةوالآن في مختبري الخاص ، أهدف إلى استخدام المجالات المغناطيسية المصممة لتغيير دوران إلكترونات معينة.

أثبتت الأبحاث أن العديد من العمليات الفسيولوجية تتأثر بالمجالات المغناطيسية الضعيفة. وتشمل هذه العمليات تطوير الخلايا الجذعية و نضجو معدلات تكاثر الخلاياو إصلاح المادة الوراثية و عدد لا يحصى من الآخرين. تتوافق هذه الاستجابات الفسيولوجية للحقول المغناطيسية مع التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على دوران إلكترونات معينة داخل الجزيئات. يمكن أن يؤدي استخدام مجال مغناطيسي ضعيف لتغيير دوران الإلكترون إلى التحكم بفعالية في المنتجات النهائية للتفاعل الكيميائي ، مع عواقب فسيولوجية مهمة.

https://www.youtube.com/watch؟v=0SPD2r0xV8k
تستخدم الطيور تأثيرات الكم في الملاحة.

حاليًا ، هناك نقص في فهم كيفية عمل هذه العمليات[{” 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.