Что такое квантовая биология — Naked Science
11 минут
Редакция
6

Что такое квантовая биология

3.9

Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология.

Квантовая биология
©Wikipedia

«Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял».  © Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики

Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать.

Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии.

Квантовое туннелирование

Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.

Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности.

Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК — это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так (см. картинку).

Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson

Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание.

Квантовая когерентность

Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его.

Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili

При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.

Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация — изменение в структуре фотонного рецептора — происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют.

Квантовая запутанность

Запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии».

Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li

Что же дальше?

Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки. 

В любом случае квантовая биология — молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
3 часа назад
10 минут
Мария Азарова

Исследование американских кардиологов показало, что алкоголь практически неминуемо влияет на сердечный ритм, приводя к фибрилляции предсердий. Всего одна порция вина, пива или другого спиртного более чем в шесть раз повысила риск приступа в течение следующих четырех часов.

Вчера, 22:01
5 минут
Мария Азарова

В среднем интернет-пользователь тратит 32 секунды на выполнение задачи CAPTCHA, подсчитали эксперты. Таким образом, в сумме у человечества ежедневно уходит 500 лет на доказательство того, что мы не роботы.

Позавчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

Позавчера, 12:51
39 минут
Александр Березин

В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему.

Позавчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

14 мая
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

24 апреля
9 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали обратную связь всех конечных точек смертности с содержанием омега-3-полиненасыщенных жирных кислот. Согласно их выводам, более высокие уровни некоторых основных ПНЖК в тканях и крови могут снижать вероятность смерти от всех причин в среднем на 13% и в итоге замедлять процесс старения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

6 Комментариев

-
0
+
Мне думается, квантовая биология станет ближе для понимания, если взглянуть на атом, ядерную частицу, на связь атомов с несколько иной точки зрения. Именно с той, о которой говорил Эрвин Шрёдингер. И сама ядерная частица, и ядро в целом являются компактным волновым образованием в среде физического вакуума. Все колебания и волны здесь кратны постоянной Планка. Шрёдингер так и не принял вероятностную интерпретацию его волновой функции, он считал, что стоячие волны частиц - не фикция, а реальный волновой процесс. Добавлю, что устойчивая связь между такими волновыми частицами устанавливается тоже на основе волновой функции (см. рис.). Основа органики - углерод, атом, способный устанавливать максимальное число связей (четыре). Не будь у углерода такой способности - не было бы органических соединений вообще. И ещё надо обратить внимание на один момент. Органическое вещество и жизнь вообще сформировались в условиях огромного атмосферного давления на нашей планете. К тому же - в водной среде, которая стала бульоном для "варки" органики. Наконец, не только электроны участвуют в биохимических реакциях, но и позитроны. Во всех химических реакциях в живых клетках идёт разделение зарядов, электроны и позитроны рождаются в равных количествах, создавая потенциалы. Накопление этих потенциалов и разряд их обусловливает все биохимические процессы в организме. Даже спираль ДНК не стала бы спиралью, если бы ни волновая природа частиц и характер их движения и связи.
02.12.2018
-
0
+
Я не знаю, в статье намеренно описано детально отношения между квантовыми понятиями и биологическими объектами или просто по-другому не можете описать? Говорите проще и понятнее и в общих понятиях - это будет понятнее. Приблизительно это будет звучать так - Наш мир един, он много уровневый, фрактальный и, самое главное он энергетический. Энергия стоит во главе угла всего сущего. Следует ещё добавить, что свойства пространства, свойства материи и свойства времени зависят от энергетического колебательного процесса плюса и минуса, которые и являются альфой и омегой строения мироздания. А уж биологические объекты стоят в ранге о об уровнях на последнем месте, как производные деятельности энергетических объектов. А наш мир следует называть энергетическим, а не материальным. Вот если всё это понять, то и понимание влияния квантовых процессов на биологические процессы станет простым и очевидным.
".. Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции.." Предлагаю поменять местами части утверждения, чтобы оно выглядело так: многие биохимические функции используют принципы квантовой механики в своих интересах.
".. ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование.." Допустимо, что на микроскопическом уровне молекулы, имея некоторый разум, умеют управлять неорганическими нано-частицами. Органика разумна при любых крошечных размерах, и умеет обходиться с атомами неорганики в своих интересах.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: