نیوزتل: کوانتوم با ارائه یک روش جدید برای مطالعه زیست شناسی می تواند تحولی را در نحوه درک زندگی بوجود آورد.
به گزارش نیوزتل به نقل از ایسنا و به نقل از فست کمپانی، تصور کنید از تلفن همراه خود برای کنترل فعالیت سلول های بدن بمنظور درمان لطمه ها و بیماریها استفاده می کنید. بنظر می رسد که این ایده از تخیل یک نویسنده بیش از حد خوش بین داستان های علمی-تخیلی آمده باشد اما چنین کاری ممکنست روزی بوسیله 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 با توجه به این پیشرفت ها، میزان تأثیر اثرات کوانتومی بر سیستم های زنده به سختی قابل درک است.
اثرات کوانتومی، پدیده هایی هستند که میان اتم ها و مولکول ها رخ می دهند و با فیزیک کلاسیک قابل توضیح دادن نیستند. بیش از یک قرن است که مشخص شده قوانین مکانیک کلاسیک مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی شکسته می شوند. در عوض، اجسام ریز بر طبق 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، ممکنست در دنیای کوانتومی اتفاق بیفتند؛ مانند الکترون هایی که در موانع کوچک انرژی تونل می زنند و بدون لطمه 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 بطور معمول به سمت فناوری جهت می گیرند. با این وجود، 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 مساله بدین معناست که ما احتمالاً می توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با بهره گیری از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل نماییم.

کوانتومی بودن در زیست شناسی احتمالاً واقعی است
پژوهشگران می توانند برای ساخت فناوری بهتر، در پدیده های کوانتومی دست ببرند. در حقیقت، شما هم اکنون در دنیایی با انرژی کوانتومی زندگی می کنید. همه فناوری های فعلی از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، ام آرآی و ترانزیستورهای موجود در کامپیوتر شما، به اثرات کوانتومی متکی هستند.
بطور کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس های طولی و جرمی بسیار کوچک یا زمانی که دما به صفر مطلق نزدیک می شود، خودرا نشان می دهند. دلیل این است که مولفه های کوانتومی مانند اتم ها و مولکول ها زمانی که بطور غیر قابل کنترل در تعامل با یکدیگر و محیط خود قرار می گیرند، قابلیت کوانتومی بودن خودرا 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 شروع می کند، از نظر کلاسیک می میرد. برای مثال، می توان 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 دقیقا 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 واقعیت 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 می توان به اندازه کافی و بطور کامل با فیزیک کلاسیک توصیف کرد.
با این وجود، شیمی دانان برای مدت طولانی اصرار به تفاوت داشتند. پژوهش های انجام شده روی واکنش های شیمیایی پایه در دمای اتاق، بطور 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 این است که چنین اثرات کوانتومی نانوسکوپی و کوتاه مدت با هدایت تعدادی از فرآیندهای فیزیولوژیکی ماکروسکوپی که زیست شناسان در سلول ها و موجودات زنده اندازه گیری کرده اند، سازگار هستند. تحقیقات 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 تأثیر 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 به وجود 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) نیز 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 میدهد. آزمایش های کوانتومی، با هدف اعمال میدان های مغناطیسی مناسب برای تغییر دادن اسپین الکترون های ویژه صورت می گیرند.
تحقیقات نشان داده اند که خیلی از فرآیندهای فیزیولوژیکی، تحت تأثیر 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 بطور 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 فعلی تلفن همراه، پوشیدنی و کوچک سازی، برای تولید میدان های مغناطیسی مناسب و ضعیفی که فیزیولوژی را تغییر می دهند، کافی هستند. بدین جهت قطعه گمشده این پازل، یک کتاب رمز قطعی در مورد نحوه ترسیم علل کوانتومی برای نتایج فیزیولوژیکی است.
در آینده، تنظیم دقیق خاصیت های کوانتومی طبیعت می تواند پژوهشگران را قادر سازد تا به ساخت دستگاه های درمانی غیرتهاجمی، کنترل ازراه دور و قابل دسترسی با تلفن همراه بپردازند. شاید درمان های الکترومغناطیسی را بتوان برای پیشگیری و درمان بیماری هایی مانند تومورهای مغزی و همین طور 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 تا حالا پدید آمده اند. چطور میتوان جامعه را ساخت و دانشمندانی را برای کار کردن دراین زمینه 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 آورند. هدف این است که پژوهشگران بتوانند در حوزه هایی مانند جریان اصلی فیزیک کوانتومی با یکدیگر ملاقات کنند و تخصص خودرا در عرصه 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 رویکرد های 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 به عنوان یک رشته نشان میدهد که درک سنتی در مورد فرآیندهای زندگی ناقص است. پژوهش های بیشتر به ارائه اطلاعات جدیدی در مورد این پرسش قدیمی کمک می کنند که زندگی چیست، چطور میتوان آنرا کنترل کرد و چطور میتوان برای ساخت فناوری های کوانتومی بهتر، از طبیعت یاد گرفت.

منبع: newstel.ir