Квантова біологія може революціонізувати наше розуміння того, як влаштовано життя
За останні кілька десятиліть вчені досягли неймовірного прогресу в розумінні біологічних систем
Уявіть собі, що за допомогою мобільного телефону ви можете керувати активністю власних клітин для лікування травм та хвороб. Це звучить як щось із уяви надто оптимістичного письменника-фантаста. Але одного разу це може стати можливим завдяки області квантової біології, що розвивається.
За останні кілька десятиліть вчені досягли неймовірного прогресу в розумінні біологічних систем та маніпулюванні ними на дедалі менших масштабах, починаючи від згортання білків і закінчуючи генною інженерією. І все-таки ступінь впливу квантових ефектів на живі системи залишається маловивченим.
Квантові ефекти – це явища, що відбуваються між атомами та молекулами, які неможливо пояснити за допомогою класичної фізики. Вже понад сто років відомо, що правила класичної механіки, такі як закони руху Ньютона, руйнуються на атомних масштабах. Натомість крихітні об'єкти поводяться відповідно до іншого набору законів, відомого як квантова механіка.
Для людей, які можуть сприймати тільки макроскопічний світ, або те, що видно неозброєним оком, квантова механіка може здатися нелогічною і магічною. У квантовому світі відбуваються речі, на які ви не очікуєте, наприклад, електрони “тунелюють” через крихітні енергетичні бар'єри і виявляються на іншому боці неушкодженими, або знаходяться у двох різних місцях одночасно у явищі, званому суперпозицією.
Я здобула освіту квантового інженера. Дослідження в галузі квантової механіки зазвичай спрямовані на розвиток технологій. Однак, що дивно, з'являється все більше доказів того, що природа – інженер з мільярдами років практики – навчилася використовувати квантову механіку для оптимального функціонування. Якщо це справді так, це означає, що наше розуміння біології радикально неповно. Це також означає, що ми можемо контролювати фізіологічні процеси за допомогою квантових властивостей біологічної матерії.
Квантовість у біології, мабуть, реальна
Дослідники можуть маніпулювати квантовими явищами для створення досконаліших технологій. Фактично, ви вже живете у світі із квантовим харчуванням: від лазерних указок до GPS, магнітно-резонансної томографії та транзисторів у вашому комп'ютері – всі ці технології базуються на квантових ефектах.
Загалом квантові ефекти виявляються лише за дуже малих масштабах довжини і маси, або коли температура наближається до абсолютного нуля. Це відбувається тому, що квантові об'єкти, такі як атоми та молекули, втрачають свою “квантовість”, коли вони неконтрольовано взаємодіють один з одним та навколишнім середовищем. Інакше кажучи, макроскопічна сукупність квантових об'єктів краще описується законами класичної механіки. Все, що починається квантовим, вмирає класичним. Наприклад, електроном можна маніпулювати, щоб він одночасно знаходився у двох місцях, але через деякий час він опиниться тільки в одному місці – саме те, що й слід було очікувати згідно з класичними законами.
Таким чином, очікується, що в складній, галасливій біологічній системі більшість квантових ефектів швидко зникнуть, змиті тим, що фізик Ервін Шредінгер називав "теплим, вологим середовищем клітини". Для більшості фізиків той факт, що живий світ функціонує за підвищених температур і в складних умовах, має на увазі, що біологія може бути адекватно і повністю описана класичною фізикою: ніяких дивних переходів через бар'єри, жодного перебування в кількох місцях одночасно.
Хіміки, однак, тривалий час не погоджувалися із цим. Дослідження основних хімічних реакцій за кімнатної температури однозначно показують, що процеси, що відбуваються всередині біомолекул, таких як білки та генетичний матеріал, є результатом квантових ефектів. Важливо, що такі наноскопічні, короткоживучі квантові ефекти є рушійною силою деяких макроскопічних фізіологічних процесів, які вимірювали біологи в живих клітинах і організмах. Дослідження показують, що квантові ефекти впливають на біологічні функції, включаючи регулювання активності ферментів, сприйняття магнітних полів, клітинний метаболізм та перенесення електронів у біомолекулах.
Як вивчати квантову біологію
Спокуслива можливість того, що тонкі квантові ефекти можуть впливати на біологічні процеси, є одночасно захоплюючим кордоном і викликом для вчених. Вивчення квантово-механічних ефектів у біології потребує інструментів, які можуть вимірювати короткі часові масштаби, малі масштаби довжини та тонкі відмінності у квантових станах, що призводять до фізіологічних змін – і все це в рамках традиційного вологого лабораторного середовища.
У своїй роботі я створюю прилади для вивчення та контролю квантових властивостей таких маленьких об'єктів, як електрони. Подібно до того, як електрони мають масу і заряд, вони також мають квантову властивість, яку називають спином. Спин визначає, як електрони взаємодіють з магнітним полем, так само як заряд визначає, як електрони взаємодіють з електричним полем. Квантові експерименти, які я будую з часів аспірантури, а тепер і в моїй власній лабораторії, спрямовані на застосування спеціально підібраних магнітних полів для зміни конкретних спинів електронів.
Дослідження показали, що на багато фізіологічних процесів впливають слабкі магнітні поля. Ці процеси включають розвиток і дозрівання стовбурових клітин, швидкість проліферації клітин, відновлення генетичного матеріалу та багато інших. Ці фізіологічні реакції на магнітні поля відповідають хімічним реакціям, які залежать від спини певних електронів усередині молекул. Таким чином, застосування слабкого магнітного поля для зміни спинів електронів може ефективно контролювати кінцеві продукти хімічної реакції, що має важливі фізіологічні наслідки.
Нині недостатнє розуміння того, як такі процеси протікають на нанорозмірному рівні, не дозволяє дослідникам точно визначити, яка сила та частота магнітного поля викликає певні хімічні реакції у клітинах. Сучасні технології виробництва стільникових телефонів, пристроїв, що носяться, і мініатюризації вже достатні для створення індивідуальних слабких магнітних полів, які змінюють фізіологію як в хорошу, так і в погану сторону. Відсутньою частиною головоломки є, отже, “детерміністичний кодекс” того, як зіставити квантові причини із фізіологічними результатами.
У майбутньому тонке налаштування квантових властивостей природи може дозволити дослідникам розробити терапевтичні пристрої, які будуть неінвазивними, дистанційно керованими та доступними за допомогою мобільного телефону. Електромагнітне лікування потенційно може бути використане для профілактики та лікування захворювань, таких як пухлини мозку, а також у біовиробництві, наприклад, для збільшення виробництва м'яса, вирощеного в лабораторії.
Абсолютно новий спосіб займатися наукою
Квантова біологія – одна з самих міждисциплінарних областей, що коли-небудь виникали.
Дослідження з потенційно перетворюючими наслідками для біології, медицини та фізичних наук вимагатимуть роботи в рамках такої самої перетворюючої моделі співробітництва. Робота в одній об'єднаній лабораторії дозволить вченим з дисциплін, які використовують різні підходи до досліджень, проводити експерименти, що відповідають широті квантової біології від квантового рівня до молекулярного, клітинного та організмового.
Існування квантової біології як дисципліни передбачає, що розуміння життєвих процесів є неповним. Подальші дослідження призведуть до нового розуміння споконвічного питання у тому, що таке життя, як нею можна керувати як і вчитися в природи до створення кращих квантових технологій.
Автор: Кларис Д. Айелло – квантовий інженер.
