W połowie ubiegłego wieku austriacki fizyk Erwin Schrödinger jako pierwszy próbował wyjaśnić zjawisko życia za pomocą mechaniki kwantowej. Teraz zgromadzono wystarczającą ilość danych, aby stworzyć hipotezy o tym, jak efekty kwantowe powstają w ciele i dlaczego w ogóle są tam potrzebne. RIA Novosti opowiada o najnowszych postępach w biologii kwantowej.
Kot Schrödingera jest raczej żywy
W swojej książce Czym jest życie z punktu widzenia fizyki?, Opublikowanej w 1945 roku, Schrödinger opisuje mechanizm dziedziczności, mutacje na poziomie atomów i cząsteczek w mechanice kwantowej. Przyczyniło się to do odkrycia struktury DNA i skłoniło biologów do stworzenia własnej teorii opartej na rygorystycznych zasadach fizycznych i danych eksperymentalnych. Jednak mechanika kwantowa nadal wykracza poza jej zakres.
Niemniej jednak kierunek kwantowy w biologii nadal się rozwija. Jego zwolennicy aktywnie poszukują efektów kwantowych w reakcjach fotosyntezy, fizycznym mechanizmie węchu i zdolności ptaków do wyczuwania pola magnetycznego Ziemi.
Fotosynteza
Rośliny, algi i wiele bakterii czerpią energię bezpośrednio ze światła słonecznego. Aby to zrobić, mają rodzaj anten w błonach komórkowych (kompleksy zbierające światło). Stamtąd kwant światła dociera do centrum reakcji wewnątrz komórki i rozpoczyna kaskadę procesów, które ostatecznie syntetyzują cząsteczkę ATP - uniwersalne paliwo w organizmie.
Film promocyjny:
Naukowcy zwracają uwagę na fakt, że transformacja kwantów światła jest bardzo wydajna: wszystkie fotony spadają z anten do centrum reakcji składającego się z białek. Prowadzi tam wiele ścieżek, ale jak fotony wybierają najlepszą? Może używają wszystkich ścieżek na raz? Oznacza to, że konieczne jest przyznanie się do nałożenia na siebie różnych stanów fotonów - superpozycja kwantowa.
Przeprowadzono eksperymenty z żywymi układami w probówkach, wzbudzonych laserem, w celu zaobserwowania superpozycji kwantowej, a nawet pewnego rodzaju „kwantowego bitu”, ale wyniki są niespójne.
Efekty kwantowe w biologii / Ilustracja: RIA Novosti / Alina Polyanina, Depositphotos.
Kompas dla ptaków
Ptak zwany „małym szalem” leci non-stop z Alaski do Nowej Zelandii przez Ocean Spokojny - 11 tysięcy kilometrów. Najmniejszy błąd w kierunku kosztował ją życie.
Ustalono, że ptaki kierują się polem magnetycznym Ziemi. Niektóre wędrowne gatunki śpiewające wyczuwają kierunek pola magnetycznego z dokładnością do pięciu stopni.
Aby wyjaśnić wyjątkowe zdolności nawigacyjne, naukowcy postawili hipotezę dotyczącą kompasu ptaka wbudowanego w ciało, który składa się z cząstek magnetytu.
Według innego punktu widzenia na siatkówce oka ptaka znajdują się specjalne białka receptorowe, które są włączane przez światło słoneczne. Fotony wybijają elektrony z cząsteczek białek, zamieniając je w wolne rodniki. Nabierają one ładunku i, podobnie jak magnesy, reagują na pole magnetyczne. Jego zmiana jest w stanie zamienić kilka radykałów między dwoma stanami, które istnieją jakby jednocześnie. Ptaki mają wyczuć różnicę w tych „skokach kwantowych” i skorygować swój kurs.
Zapach
Człowiek rozróżnia tysiące zapachów, ale fizyczne mechanizmy zapachu nie są w pełni znane. Znajdując się na błonie śluzowej, cząsteczka substancji zapachowej napotyka cząsteczkę białka, która w jakiś sposób ją rozpoznaje i wysyła sygnał do komórek nerwowych.
Istnieje około 390 typów ludzkich receptorów węchowych, które łączą i dostrzegają wszystkie możliwe zapachy. Uważa się, że pachnąca substancja otwiera blokadę receptora jak klucz. Jednak cząsteczka zapachu nie zmienia się chemicznie. Jak receptor go rozpoznaje? Najwyraźniej wyczuwa w tej cząsteczce coś innego.
Naukowcy zasugerowali, że elektrony tunelują (przechodzą przez bariery energetyczne bez dodatkowej energii) przez cząsteczki zapachu i przenoszą kod informacyjny do receptorów. Próby odpowiednich eksperymentów na muszkach owocówek i pszczołach nie przyniosły jeszcze zrozumiałych wyników.
„Zachowanie każdego złożonego układu, w szczególności żywej komórki, jest determinowane przez procesy mikroskopowe (chemię), a takie procesy można opisać jedynie za pomocą mechaniki kwantowej. Po prostu nie mamy alternatywy. Kolejne pytanie dotyczy tego, jak skuteczny jest dziś ten opis. Mechanika kwantowa systemów złożonych - to się nazywa informatyka kwantowa - jest jeszcze w powijakach”- komentuje RIA Novosti Yuri Ozhigov, pracownik Katedry Superkomputerów i Informatyki Kwantowej Wydziału Matematyki Obliczeniowej i Cybernetyki Uniwersytetu Łomonosowa w Moskwie.
Profesor uważa, że postęp w biologii kwantowej jest utrudniony przez to, że nowoczesne instrumenty fizyczne są ostrzone pod kątem obiektów nieożywionych, problematyczne jest przeprowadzanie z ich pomocą eksperymentów na układach żywych.
„Mam nadzieję, że są to przejściowe trudności” - podsumowuje.
Tatiana Pichugina