زیست شناسی کوانتومی می تواند درک ما را در مورد زندگی تغییر دهد
به گزارش آتی جو، کوانتوم با عرضه یک روش جدید برای مطالعه زیست شناسی می تواند تحولی را در نحوه درک زندگی ایجاد نماید.
به گزارش آتی جو به نقل از ایسنا و به نقل از فست کمپانی، تصور کنید از تلفن همراه خود برای کنترل فعالیت سلول های بدن به منظور درمان صدمه ها و بیماری ها استفاده می کنید. به نظر می آید که این ایده از تخیل یک نویسنده بیش از حد خوش بین داستان های علمی-تخیلی آمده باشد اما چنین کاری امکان دارد روزی از راه حوزه نوظهور زیست شناسی کوانتومی امکان پذیر شود.
دانشمندان در طول چند دهه گذشته، پیشرفت های باورنکردنی در درک و دستکاری سیستم های بیولوژیکی در مقیاس های کوچکتر، از تا کردن پروتئین گرفته تا مهندسی ژنتیک داشته اند اما علیرغم این پیشرفت ها، میزان تاثیر اثرات کوانتومی بر سیستم های زنده به سختی قابل درک است.
اثرات کوانتومی، پدیده هایی هستند که مابین اتم ها و مولکول ها رخ می دهند و با فیزیک کلاسیک قابل توضیح دادن نیستند. بیشتر از یک قرن است که مشخص شده قوانین مکانیک کلاسیک مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی شکسته می شوند. در عوض، اجسام ریز برپایه مجموعه قوانین متفاوتی که مکانیک کوانتومی نامیده می شود، رفتار می کنند.
برای انسان هایی که فقط می توانند دنیای ماکروسکوپی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح را درک کنند، مکانیک کوانتومی می تواند خلاف واقع و تا حدودی جادویی به نظر برسد. چیزهایی که شاید انتظار وقوع آنها را نداشته باشید، امکان دارد در دنیای کوانتومی اتفاق بیفتند؛ مانند الکترون هایی که در موانع کوچک انرژی تونل می زنند و بدون صدمه دیدن در طرف دیگر موانع ظاهر می شوند یا قرار گرفتن هم زمان در دو مکان متفاوت که طی پدیده ای به نام برهم نهی کوانتومی رخ می دهد.
پژوهش های حوزه مکانیک کوانتومی معمولاً به سمت فناوری جهت می گیرند. با این حال، شواهد فزاینده ای وجود دارند که نشان می دهند طبیعت آموخته است چگونه از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهینه استفاده نماید. اگر این واقعا درست باشد، بدین معناست که درک ما در مورد زیست شناسی کاملا ناقص است. همچنین، این مورد بدین معناست که ما احیانا می توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با استفاده از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل نماییم.
کوانتومی بودن در زیست شناسی احیانا واقعی است
پژوهشگران می توانند برای ساخت فناوری بهتر، در پدیده های کوانتومی دست ببرند. در واقع، شما هم اکنون در دنیایی با انرژی کوانتومی زندگی می کنید. همه فناوری های کنونی از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، ام آرآی و ترانزیستورهای موجود در کامپیوتر شما، به اثرات کوانتومی متکی هستند.
به صورت کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس های طولی و جرمی بسیار کوچک یا زمانی که دما به صفر مطلق نزدیک می شود، خویش را نشان می دهند. دلیل اینست که مولفه های کوانتومی مانند اتم ها و مولکول ها زمانی که به صورت غیر قابل کنترل در تعامل با یکدیگر و محیط خود قرار می گیرند، قابلیت کوانتومی بودن خویش را از دست می دهند. به عبارت دیگر، یک مجموعه ماکروسکوپی از اجسام کوانتومی، با قوانین مکانیک کلاسیک بهتر توصیف می شود. هر چیزی که کوانتومی بودن را آغاز می کند، از نظر کلاسیک می میرد. برای مثال، میتوان یک الکترون را طوری دستکاری کرد که هم زمان در دو مکان باشد اما بعد از مدت کوتاهی تنها در یک مکان قرار می گیرد و این دقیقاً همان چیزی است که در قوانین کلاسیک انتظار می رود.
بنابراین، در یک سیستم بیولوژیکی پیچیده و پر سر و صدا انتظار می رود که بیشتر اثرات کوانتومی در محیطی که «اروین شرودینگر»(Erwin Schrödinger) فیزیکدان اتریشی، آنرا «محیط گرم و مرطوب سلول» می نامد، به سرعت ناپدید شوند. این حقیقت که جهان زنده در دماهای بالا و در محیط های پیچیده عمل می کند، برای بیشتر فیزیک دانان به این معناست که زیست شناسی را میتوان به اندازه کافی و به صورت کامل با فیزیک کلاسیک توصیف کرد.
با این حال، شیمی دانان برای مدت طولانی اصرار به تفاوت داشتند. پژوهش های صورت گرفته روی واکنش های شیمیایی پایه در دمای اتاق، به صورت واضح نشان می دهند فرآیندهایی که در مولکول های زیستی مانند پروتئین ها و مواد ژنتیکی رخ می دهند، نتیجه اثرات کوانتومی هستند. نکته مهم اینست که چنین اثرات کوانتومی نانوسکوپی و کوتاه مدت با هدایت بعضی از فرآیندهای فیزیولوژیکی ماکروسکوپی که زیست شناسان در سلول ها و موجودات زنده اندازه گیری کرده اند، سازگار هستند. پژوهشها نشان می دهند که اثرات کوانتومی بر عملکردهای بیولوژیکی همچون تنظیم فعالیت آنزیم، حس کردن میدان های مغناطیسی، متابولیسم سلولی و انتقال الکترون در مولکول های زیستی تاثیر می گذارند.
چگونه زیست شناسی کوانتومی را مطالعه کنیم؟
این احتمال وسوسه انگیز که اثرات کوانتومی ظریف می توانند فرآیندهای بیولوژیکی را تغییر دهند، هم یک مرز هیجان انگیز و هم یک چالش را برای دانشمندان بوجود می آورد. مطالعه اثرات مکانیک کوانتومی در زیست شناسی، به روش هایی نیاز دارد که بتوانند مقیاس های زمانی کوتاه، مقیاس های طولی کوچک و تفاوت های ظریف در حالت های کوانتومی را که به تغییرات فیزیولوژیکی منجر می شوند، اندازه گیری کنند و همه در یک محیط آزمایشگاهی مرطوب سنتی یکپارچه سازی شوند.
همانطور که الکترون ها جرم و بار دارند، دارای خاصیت کوانتومی به نام «اسپین»(Spin) هم هستند. اسپین، نحوه تعامل الکترون ها با میدان مغناطیسی را به همان ترتیبی مشخص می کند که بار الکتریکی، نحوه تعامل الکترون ها با یک میدان الکتریکی را نشان داده است. آزمایش های کوانتومی، با هدف اعمال میدان های مغناطیسی مناسب برای تغییر دادن اسپین الکترون های ویژه صورت می گیرند.
پژوهشها نشان داده اند که خیلی از فرآیندهای فیزیولوژیکی، تحت تاثیر میدان های مغناطیسی ضعیف هستند. این فرآیندها، رشد و بلوغ سلول های بنیادی، میزان تکثیر سلولی، ترمیم مواد ژنتیکی و موارد بی شمار دیگر را شامل می شوند. واکنش های فیزیولوژیکی به میدان های مغناطیسی، با واکنش های شیمیایی سازگار هستند که به اسپین الکترون های ویژه درون مولکول ها بستگی دارند. بنابراین، اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف برای تغییر دادن اسپین های الکترون می تواند محصولات نهایی یک واکنش شیمیایی را به صورت موثر با نتایج فیزیولوژیکی مهم کنترل کند.
عدم درک چگونگی عملکرد چنین فرآیندهایی در سطح نانو، هم اکنون پژوهشگران را از تعیین دقیق قدرت و فرکانس میدان های مغناطیسی که به واکنش های شیمیایی خاص در سلول ها منجر می شوند، باز می دارد. فناوری های کنونی تلفن همراه، پوشیدنی و کوچک سازی، برای تولید میدان های مغناطیسی مناسب و ضعیفی که فیزیولوژی را تغییر می دهند، کافی هستند. ازاین رو قطعه گمشده این پازل، یک کتاب رمز قطعی در مورد نحوه ترسیم دلایل کوانتومی برای نتایج فیزیولوژیکی است.
در آینده، تنظیم دقیق خصوصیت های کوانتومی طبیعت می تواند پژوهشگران را قادر سازد تا به ساخت دستگاههای درمانی غیرتهاجمی، کنترل از راه دور و قابل دسترسی با تلفن همراه بپردازند. شاید درمان های الکترومغناطیسی را بتوان برای پیشگیری و درمان بیماری هایی مانند تومورهای مغزی و همینطور در تولید زیستی مانند افزایش تولید گوشت آزمایشگاهی مورد استفاده قرار داد.
یک روش کاملا جدید برای کسب علم
زیست شناسی کوانتومی، یکی از میان رشته ای ترین حوزه هایی است که تابحال پدید آمده اند. چطور می توان جامعه را ساخت و دانشمندانی را برای کار کردن در این حوزه تربیت کرد؟
از زمان همه گیری کووید-۱۹، لابراتوار «دکتر کلاریس آیلو»(Clarice Aiello) در «دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس»(UCLA) و «مرکز آموزش دکتری زیست شناسی کوانتومی»(QB-DTC) در «دانشگاه ساری»(University of Surrey)، جلسات بیولوژی کوانتومی بزرگی را ترتیب داده اند تا یک انجمن هفتگی غیررسمی را برای پژوهشگران فراهم نمایند. هدف اینست که پژوهشگران بتوانند در زمینه هایی مانند جریان اصلی فیزیک کوانتومی با یکدیگر ملاقات کنند و تخصص خویش را در حوزه هایی مانند بیوفیزیک، پزشکی، شیمی و زیست شناسی به اشتراک گذارند.
پژوهش هایی که می توانند نتایج دگرگون کننده ای را برای زیست شناسی، پزشکی و علوم فیزیکی به همراه بیاورند، به مشارکت در یک گروه همکاری نیاز دارند که به همان اندازه متحول کننده باشد. کار کردن در یک لابراتوار یکپارچه سازی شده، به دانشمندان رشته هایی که نگاههای بسیار متفاوتی برای پژوهش دارند، کمک می نماید تا آزمایش هایی را انجام دهند که گستره زیست شناسی را از کوانتومی گرفته تا مولکولی، سلولی و ارگانیسمی برآورده می سازد.
وجود زیست شناسی کوانتومی بعنوان یک رشته نشان داده است که درک سنتی در مورد فرآیندهای زندگی ناقص است. پژوهش های بیشتر به عرضه اطلاعات جدیدی در مورد این پرسش قدیمی کمک می کنند که زندگی چیست، چطور می توان آنرا کنترل کرد و چطور می توان برای ساخت فناوری های کوانتومی بهتر، از طبیعت یاد گرفت.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب