Viime vuosisadan puolivälissä itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger yritti ensimmäisenä selittää elämän ilmiötä kvanttimekaniikan avulla. Nyt on kertynyt tarpeeksi tietoa hypoteesien rakentamiseksi siitä, kuinka kvanttivaikutukset syntyvät kehossa ja miksi niitä tarvitaan siellä ollenkaan. RIA Novosti puhuu kvanttibiologian viimeisimmästä edistyksestä.
Schrödingerin kissa on melko elossa
Vuonna 1945 julkaistussa kirjassa Mikä on elämä fysiikan näkökulmasta? Kuvaa Schrödinger kvanttimekaniikan avulla perinnöllisyyden mekanismeja, mutaatioita atomien ja molekyylien tasolla. Tämä auttoi DNA: n rakenteen löytämisessä ja sai biologit luomaan oman teoriansa, joka perustuu tiukkoihin fyysisiin periaatteisiin ja kokeelliseen tietoon. Kvanttimekaniikka on kuitenkin edelleen sen soveltamisalan ulkopuolella.
Siitä huolimatta biologian kvantisuunta kehittyy edelleen. Hänen seuraajansa etsivät aktiivisesti kvantitehosteita fotosynteesin reaktioissa, hajun fyysistä mekanismia ja lintujen kykyä tunnistaa maan magneettikenttä.
Fotosynteesi
Kasvit, levät ja monet bakteerit saavat energiansa suoraan auringonvalosta. Tätä varten heillä on eräänlainen antenni solukalvoissa (valonkorjuukompleksit). Sieltä kvantti valoa pääsee solun sisällä olevaan reaktiokeskukseen ja käynnistää prosessien kaskadin, joka viime kädessä syntetisoi ATP-molekyylin - kehon yleisen polttoaineen.
Mainosvideo:
Tutkijat kiinnittävät huomiota siihen, että valokvanttien muuntaminen on erittäin tehokasta: kaikki fotonit putoavat antenneista proteiinien koostuvaan reaktiokeskukseen. Sielle johtaa monia polkuja, mutta miten fotonit valitsevat parhaan? Ehkä he käyttävät kaikkia polkuja kerralla? Tämä tarkoittaa, että on välttämätöntä myöntää fotonien eri tilojen superpositio toisiinsa - kvanttinen superpositio.
Kokeita on suoritettu elävissä järjestelmissä koeputkissa, laserin herättämällä, kvantti-superpositsion ja jopa eräänlaisen "kvanttibitin" tarkkailemiseksi, mutta tulokset ovat epäjohdonmukaisia.
Kvanttiefektit biologiassa / Kuva RIA Novosti / Alina Polyanina, Depositphotos
Lintukompassi
Pikkuhuivina kutsuttu lintu suorittaa suoran lennon Alaskasta Uuteen-Seelantiin Tyynenmeren yli - 11 tuhat kilometriä. Pienin suunnan virhe maksaa hänelle henkensä.
On todettu, että lintuja ohjaa maan magneettikenttä. Jotkut vaeltavat laululajit aistivat magneettikentän suunnan viiteen asteeseen.
Ainutlaatuisten navigointikykyjen selittämiseksi tutkijat esittivät hypoteesin sisäänrakennetusta linnun kompassista, joka koostuu kehon magnetiittihiukkasista.
Toisen näkökulman mukaan linnun silmän verkkokalvossa on erityisiä reseptoriproteiineja, jotka auringonvalo syttyy. Fotonit koputtavat elektroneja proteiinimolekyyleistä muuttaen ne vapaiiksi radikaaleiksi. Ne hankkivat varauksen ja reagoivat magneettien tavoin magneettikentään. Sen muutos pystyy vaihtamaan parin radikaalin kahden samanaikaisesti olemassa olevan tilan välillä. Lintujen on tarkoitus tuntea ero näissä "kvanttihyppyissä" ja korjata niiden kulku.
Haju
Henkilö erottaa tuhannet hajut, mutta hajujen fysikaalisia mekanismeja ei tunneta täysin. Kun se on limakalvolla, hajuisen aineen molekyyli kohtaa proteiinimolekyylin, joka tunnistaa sen jotenkin ja lähettää signaalin hermosoluille.
Ihmisen hajureseptoreita on noin 390 tyyppiä, jotka yhdistävät ja havaitsevat kaikki mahdolliset hajut. Uskotaan, että tuoksuva aine avaa reseptorilukon avaimen tavoin. Hajun molekyyli ei kuitenkaan muutu kemiallisesti. Kuinka reseptori tunnistaa sen? Ilmeisesti hän havaitsee jotain muuta tässä molekyylissä.
Tutkijat ovat ehdottaneet, että elektronit tunneloivat (kulkevat energiaesteet ilman lisäenergiaa) hajumolekyylien läpi ja kuljettavat jonkin verran koodia reseptoreihin. Vastaavat hedelmäkärpäsiä ja mehiläisiä koskevat kokeet eivät ole vielä tuottaneet ymmärrettäviä tuloksia.
”Minkä tahansa monimutkaisen järjestelmän, erityisesti elävän solun, käyttäytyminen määritetään mikroskooppisilla prosesseilla (kemia), ja sellaisia prosesseja voidaan kuvata vain kvanttimekaniikan avulla. Meillä ei yksinkertaisesti ole vaihtoehtoa. Toinen kysymys on, kuinka tehokas tämä kuvaus on tänään. Monimutkaisten järjestelmien kvanttimekaniikka - tätä kutsutaan kvantti-informatiikkaksi - on vielä alkuvaiheessaan , - kommentoi RIA Novosti Juri Ozhigov, Lomonosovin Moskovan valtion yliopiston laskennallisen matematiikan ja kybernetiikan tiedekunnan supertietokoneiden ja kvantti-informatiikan laitoksen työntekijä.
Professori uskoo, että kvanttibiologian etenemistä haittaa se, että nykyaikaiset fyysiset instrumentit teroitetaan elottomille kohteille, ja on ongelmallista tehdä kokeita elävissä järjestelmissä niiden avulla.
"Toivon, että nämä ovat väliaikaisia vaikeuksia", hän toteaa lopuksi.
Tatjana Pichugina