Квантова біологія: розкриття таємниць того, як працює життя

Квантова біологія досліджує, як квантові ефекти впливають на біологічні процеси, що потенційно може призвести до прориву в медицині та біотехнології. Незважаючи на припущення, що квантові ефекти швидко зникають у біологічних системах, дослідження показують, що ці ефекти відіграють ключову роль у фізіологічних процесах. Це відкриває можливість маніпулювання цими процесами для створення неінвазивних терапевтичних пристроїв з дистанційним керуванням. Однак досягнення цього вимагає нового, міждисциплінарного підходу до наукових досліджень.

Уявіть, що ви використовуєте свій мобільний телефон для контролю активності власних клітин для лікування травм і хвороб. Звучить як щось з уяви надто оптимістичного письменника-фантаста. Але одного разу це може стати можливим завдяки новій галузі квантової біології.

За останні кілька десятиліть вчені досягли неймовірного прогресу в розумінні та маніпулюванні біологічними системами у дедалі менших масштабах, від згортання білка до генної інженерії. І все ж ступінь впливу квантових ефектів на живі системи залишається малозрозумілою.

Квантові ефекти — це явища, що виникають між атомами та молекулами, які неможливо пояснити класичною фізикою. Вже понад століття відомо, що правила класичної механіки, як і закони руху Ньютона, порушуються в атомних масштабах. Натомість крихітні об’єкти поводяться відповідно до іншого набору законів, відомих як квантова механіка.

Для людей, які можуть сприймати лише макроскопічний світ або те, що видно неозброєним оком, квантова механіка може здаватися нерозумною та дещо магічною. У квантовому світі трапляються речі, яких ви, можливо, не очікуєте, наприклад електрони «тунелюють» через крихітні енергетичні бар’єри й з’являються з іншого боку неушкодженими, або перебувають у двох різних місцях одночасно у феномені, що називається суперпозицією.

Я маю освіту квантового інженера. Дослідження квантової механіки зазвичай спрямовані на технологію. Проте, як це дещо 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 неповне. Це також означає, що ми могли б контролювати фізіологічні процеси, використовуючи квантові властивості біологічної матерії.

Квантовість у біології, мабуть, реальна

Дослідники можуть маніпулювати квантовими явищами, щоб створити кращу технологію. Фактично, ви вже живете у світі квантової енергії: від лазерних указок до GPS, магнітно-резонансної томографії та транзисторів у вашому комп’ютері – усі ці технології покладаються на квантові ефекти.

Загалом, квантові ефекти проявляються лише на дуже малих масштабах довжини та маси або коли температура наближається до абсолютного нуля. Це відбувається тому, що квантові об’єкти, такі як атоми та молекули, втрачають свою «квантованість», коли вони неконтрольовано взаємодіють один з одним та своїм середовищем. Іншими словами, макроскопічна сукупність квантових об’єктів краще описується законами класичної механіки. Все, що починається квантово, вмирає класично. Наприклад, електроном можна керувати таким чином, щоб він перебував у двох місцях одночасно, але через деякий час він опиниться лише в одному місці – саме те, що очікувалося б класично.

У складній шумній біологічній системі очікується, що більшість квантових ефектів швидко зникне, змиваючись у тому, що фізик Ервін Шредінгер назвав «теплим вологим середовищем клітини». Для більшості фізиків той факт, що живий світ функціонує при підвищених температурах і в складних середовищах, означає, що біологія може бути адекватно й повно описана класичною фізикою: немає дивного перетину бар’єрів, немає перебування в кількох місцях одночасно.

Однак хіміки протягом тривалого часу не погоджувалися. Дослідження основних хімічних реакцій при кімнатній температурі однозначно показує, що процеси, що відбуваються всередині біомолекул, таких як білки та генетичний матеріал, є результатом квантових ефектів. Важливо, що такі наноскопічні, короткочасні квантові ефекти узгоджуються з приводом деяких макроскопічних фізіологічних процесів, які біологи виміряли в живих клітинах і організмах. Дослідження показують, що квантові ефекти впливають на біологічні функції, включаючи регуляцію активності ферментів, сприйняття магнітних полів, клітинний метаболізм і транспорт електронів у біомолекулах.

Як вивчати квантову біологію

Приголомшлива можливість того, що тонкі квантові ефекти можуть змінювати біологічні процеси, є одночасно захоплюючим кордоном і викликом для вчених. Вивчення квантово-механічних ефектів у біології потребує інструментів, які можуть вимірювати короткі масштаби часу, малі масштаби довжини та тонкі відмінності у квантових станах, які викликають фізіологічні зміни – і все це інтегровано в традиційне середовище мокрої лабораторії.

Зараз відсутність розуміння того, як такі процеси працюють на нанорозмірному рівні, заважає дослідникам точно визначити, яка сила і частота магнітних полів викликають специфічні хімічні реакції в клітинах. Поточних технологій мобільних телефонів, пристроїв для носіння та мініатюризації вже достатньо для створення індивідуальних слабких магнітних полів, які змінюють фізіологію як на добре, так і на погано. Відсутня частина головоломки — це, отже, «детермінована кодова книга» того, як зіставити квантові причини з фізіологічними результатами.