Stellen Sie sich vor, Sie nutzen Ihr Mobiltelefon, um die Aktivität Ihrer eigenen Zellen zu steuern und so Verletzungen und Krankheiten zu behandeln. Es klingt wie etwas aus der Fantasie eines allzu optimistischen Science-Fiction-Autors. Aber dies könnte eines Tages durch das aufstrebende Gebiet der Quantenbiologie eine Möglichkeit sein.
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler unglaubliche Fortschritte beim Verständnis und der Manipulation biologischer Systeme in immer kleineren Maßstäben gemacht, von der Proteinfaltung bis hin zu Gentechnik. Und doch ist das Ausmaß, in dem Quanteneffekte lebende Systeme beeinflussen, noch kaum verstanden.
Quanteneffekte sind Phänomene, die zwischen Atomen und Molekülen auftreten und mit der klassischen Physik nicht erklärt werden können. Seit mehr als einem Jahrhundert ist bekannt, dass die Regeln der klassischen Mechanik, wie die Newtonschen Bewegungsgesetze, zerfallen auf atomarer Ebene. Stattdessen verhalten sich winzige Objekte nach anderen Gesetzen, den sogenannten Quantenmechanik.
Für Menschen, die nur die makroskopische Welt oder das, was mit bloßem Auge sichtbar ist, wahrnehmen können, kann die Quantenmechanik kontraintuitiv und irgendwie magisch wirken. Dinge, die man in der Quantenwelt vielleicht nicht erwarten würde, etwa, dass Elektronen durch winzige Energiebarrieren „tunneln“ und unversehrt auf der anderen Seite erscheinen oder sich gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten in einem befinden Phänomen namens Superposition.
Die Quantenmechanik beschreibt die Eigenschaften von Atomen und Molekülen.
Ich bin ausgebildet als Quanteningenieur. Forschung in der Quantenmechanik ist in der Regel technologieorientiert. Es gibt jedoch, und das ist etwas überraschend, immer mehr Belege dafür, dass die Natur – ein Ingenieur mit Milliarden von Jahren Erfahrung – es gelernt hat Nutzen Sie die Quantenmechanik, um optimal zu funktionieren. Wenn dies tatsächlich zutrifft, bedeutet dies, dass unser Verständnis der Biologie völlig unvollständig ist. Es bedeutet auch, dass wir möglicherweise physiologische Prozesse steuern könnten, indem wir die Quanteneigenschaften biologischer Materie nutzen.
Quantität ist in der Biologie wahrscheinlich real
Forscher können Quantenphänomene manipulieren, um bessere Technologien zu entwickeln. Tatsächlich leben Sie bereits in einem Quantengetriebene Welt: Von Laserpointern über GPS, Magnetresonanztomographie bis hin zu den Transistoren in Ihrem Computer – alle diese Technologien basieren auf Quanteneffekten.
Im Allgemeinen manifestieren sich Quanteneffekte nur auf sehr kleinen Längen- und Massenskalen oder wenn die Temperaturen sich dem absoluten Nullpunkt nähern. Dies liegt an Quantenobjekten wie Atomen und Molekülen verlieren ihre „Quantität“ wenn sie unkontrolliert miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren. Mit anderen Worten: Eine makroskopische Sammlung von Quantenobjekten lässt sich besser durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschreiben. Alles, was mit Quanten beginnt, stirbt klassisch. Beispielsweise kann ein Elektron so manipuliert werden, dass es sich gleichzeitig an zwei Orten befindet, landet aber nach kurzer Zeit nur noch an einem Ort – genau das, was man klassischerweise erwarten würde.
Elektronen können sich gleichzeitig an zwei Orten befinden, landen aber letztendlich an einem Ort.
In einem komplizierten, verrauschten biologischen System ist daher zu erwarten, dass die meisten Quanteneffekte schnell verschwinden und in dem ausgewaschen werden, was der Physiker Erwin Schrödinger als „warme, feuchte Umgebung der Zelle.“ Für die meisten Physiker impliziert die Tatsache, dass die lebende Welt bei erhöhten Temperaturen und in komplexen Umgebungen operiert, dass die Biologie durch die klassische Physik angemessen und vollständig beschrieben werden kann: keine seltsame Barrierenüberschreitung, kein Aufenthalt an mehreren Orten gleichzeitig.
Chemiker sind jedoch seit langem anderer Meinung. Untersuchungen zu grundlegenden chemischen Reaktionen bei Raumtemperatur zeigen dies eindeutig Prozesse, die innerhalb von Biomolekülen ablaufen wie Proteine und genetisches Material sind das Ergebnis von Quanteneffekten. Wichtig ist, dass solche nanoskopischen, kurzlebigen Quanteneffekte im Einklang mit der Ansteuerung einiger makroskopischer physiologischer Prozesse stehen, die Biologen in lebenden Zellen und Organismen gemessen haben. Untersuchungen legen nahe, dass Quanteneffekte biologische Funktionen beeinflussen, einschließlich Regulierung der Enzymaktivität, Erfassen von Magnetfeldern, Zellstoffwechsel Und Elektronentransport in Biomolekülen.
Wie man Quantenbiologie studiert
Die verlockende Möglichkeit, dass subtile Quanteneffekte biologische Prozesse optimieren können, stellt für Wissenschaftler sowohl eine spannende Herausforderung als auch eine Herausforderung dar. Die Untersuchung quantenmechanischer Effekte in der Biologie erfordert Werkzeuge, die kurze Zeitskalen, kleine Längenskalen und subtile Unterschiede in Quantenzuständen messen können, die zu physiologischen Veränderungen führen – alles integriert in eine traditionelle Nasslaborumgebung.
Vögel nutzen Quanteneffekte zur Navigation.
In meiner ArbeitIch baue Instrumente, um die Quanteneigenschaften kleiner Dinge wie Elektronen zu untersuchen und zu kontrollieren. So wie Elektronen Masse und Ladung haben, haben sie auch eine Quanteneigenschaft namens Spin. Der Spin definiert, wie die Elektronen mit einem Magnetfeld interagieren, genauso wie die Ladung definiert, wie Elektronen mit einem elektrischen Feld interagieren. Die Quantenexperimente, die ich gebaut habe seit dem Graduiertenstudiumund jetzt in meinem eigenen Labor, versuche ich, maßgeschneiderte Magnetfelder anzuwenden, um die Spins bestimmter Elektronen zu ändern.
Untersuchungen haben gezeigt, dass viele physiologische Prozesse durch schwache Magnetfelder beeinflusst werden. Zu diesen Prozessen gehören Stammzellentwicklung Und Reifung, Zellproliferationsraten, Reparatur von genetischem Material Und unzählige andere. Diese physiologischen Reaktionen auf Magnetfelder stehen im Einklang mit chemischen Reaktionen, die vom Spin bestimmter Elektronen innerhalb von Molekülen abhängen. Das Anlegen eines schwachen Magnetfelds zur Änderung der Elektronenspins kann somit die Endprodukte einer chemischen Reaktion wirksam steuern, was wichtige physiologische Konsequenzen hat.
Derzeit ist es Forschern aufgrund mangelnder Kenntnisse darüber, wie solche Prozesse im Nanomaßstab ablaufen, nicht möglich, genau zu bestimmen, welche Stärke und Frequenz magnetischer Felder bestimmte chemische Reaktionen in Zellen auslösen. Aktuelle Mobiltelefon-, Wearable- und Miniaturisierungstechnologien reichen bereits für die Produktion aus maßgeschneiderte, schwache Magnetfelder, die die Physiologie verändern, sowohl im Guten als auch im Schlechten. Das fehlende Puzzleteil ist daher ein „deterministisches Codebuch“, wie Quantenursachen auf physiologische Ergebnisse abgebildet werden können.
Die Feinabstimmung der Quanteneigenschaften der Natur könnte es Forschern in Zukunft ermöglichen, therapeutische Geräte zu entwickeln, die nichtinvasiv, ferngesteuert und über ein Mobiltelefon zugänglich sind. Elektromagnetische Behandlungen könnten möglicherweise zur Vorbeugung und Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, z Gehirntumoresowie in der Bioproduktion, wie z Steigerung der Fleischproduktion aus Laboranbau.
Eine völlig neue Art, Wissenschaft zu betreiben
Die Quantenbiologie ist eines der interdisziplinärsten Gebiete, die je entstanden sind. Wie baut man eine Gemeinschaft auf und bildet Wissenschaftler für die Arbeit in diesem Bereich aus?
Seit der Pandemie haben sich mein Labor an der University of California, Los Angeles und das Quantum Biology Doctoral Training Center der University of Surrey organisiert Große Quantenbiologie-Treffen Bereitstellung eines informellen wöchentlichen Forums für Forscher, um sich zu treffen und ihr Fachwissen in Bereichen wie Mainstream-Quantenphysik, Biophysik, Medizin, Chemie und Biologie auszutauschen.
Forschung mit möglicherweise transformativen Auswirkungen auf die Biologie, Medizin und die Naturwissenschaften erfordert die Arbeit innerhalb eines ebenso transformativen Modells der Zusammenarbeit. Die Arbeit in einem einheitlichen Labor würde es Wissenschaftlern aus Disziplinen, die sehr unterschiedliche Forschungsansätze verfolgen, ermöglichen, Experimente durchzuführen, die die gesamte Bandbreite der Quantenbiologie abdecken, von der Quanten- über die Molekül-, die Zell- bis zur Organismenbiologie.
Die Existenz der Quantenbiologie als Disziplin impliziert, dass das traditionelle Verständnis von Lebensprozessen unvollständig ist. Weitere Forschungen werden zu neuen Erkenntnissen über die uralte Frage führen, was Leben ist, wie es kontrolliert werden kann und wie man mit der Natur lernen kann, bessere Quantentechnologien zu entwickeln.
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