کاترین آفرورد1 ژوئن 2019
از سرعت قابل توجه واکنش های کاتالیز شده آنزیمی به عملکرد مغز انسان ، اکنون پازل های بیولوژیکی متعددی برای اثبات اثرات کوانتومی در حال بررسی هستند.
در یکی از آزمایشگاه های فیزیک دانشگاه شفیلد ، چند صد باکتری فتوسنتزی بین دو آینه واقع در فاصله کمتر از یک میکرومتر قرار گرفتند. دیوید کولز ، فیزیکدان و همکارانش در حال فشردن حفره مملو از میکروب ها با نور سفید بودند ، که به اطراف می رسید تا سلول ها به گونه ای تنظیم شوند که تیم بتواند با تنظیم فاصله بین آینه ها آن را تنظیم کند. بر اساس نتایج منتشر شده در سال 2017 ، این تنظیم پیچیده باعث شد فوتون های نور به طور فیزیکی با ماشین های فتوسنتز در تعداد انگشت شماری از این سلول ها تعامل داشته باشند ، تا روشی که تیم می تواند با تغییر تنظیمات آزمایشی اصلاح شود کار کند.
اینکه محققان می توانند برهم کنش سلول با نور را کنترل کنند ، خود یک دستاورد بود. اما تفسیر شگفت آورتر از یافته ها در سال بعد ارائه شد. هنگامی که کولز و چندین همکارش داده ها را دوباره مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند ، آنها شواهدی یافتند که نشان می دهد ماهیت فعل و انفعال بین باکتری ها و فوتون های نور بسیار عجیب تر از آنالیز اولیه است. ولاتکو ودرال ، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد ، یکی از نویسندگان هر دو مقاله ، می گوید: “به نظر ما این یک نتیجه گریزناپذیر بود که در واقع به طور غیر مستقیم شاهد رفتار کوانتومی بودیم.”
درهم آمیختگی کوانتومی به حالات دو یا چند ذره وابسته به هم وابسته است ، صرف نظر از فاصله ای که آنها را از هم جدا می کند. این یکی از بسیاری از ویژگی های ضد شهودی چشم انداز دنیای زیر اتمی است که در آن ذراتی مانند الکترون و فوتون به طور همزمان هم به صورت ذرات و هم به صورت امواج رفتار می کنند ، موقعیت ها و حالت های مختلف را به طور هم زمان اشغال می کنند و از موانع ظاهرا نفوذ ناپذیر عبور می کنند. فرایندها در این مقیاس در زبان پیچیده ریاضی مکانیک کوانتومی ضبط می شوند و اغلب تأثیراتی ایجاد می کنند که به نظر می رسد عقل سلیم را نادیده می گیرند.
تقریباً مضحک و ضدخود است که تأثیرات کوانتومی در سلول ها ادامه داشته باشد.
محققان بارها درهم آمیختگی در اشیای بی جان را نشان داده اند – در سال 2017 ، دانشمندان گزارش دادند که موفق به حفظ این وابستگی متقابل بین یک جفت فوتون های جدا شده از هم در فاصله 1200 کیلومتری شده اند. اما اگر پیشنهاد ودرال و همکارانش مبنی بر وقوع این پدیده در باکتری ها صحیح باشد ، این مطالعه می تواند اولین باری باشد که این پدیده در درون ارگانیسم زنده مشاهده شده است و به شواهد در حال رشد ی افزوده است که تأثیرات کوانتومی زیست شناسی همانطور که قبلاً اعتقاد آن وجود داشت در این موارد غیر معمول نیست .
اینکه پدیده های کوانتومی ممکن است در دنیای نابسامان سیستم های زنده قابل مشاهده باشند از نظر تاریخی یک ایده حاشیه ای است. در حالی که نظریه های کوانتوم به طور دقیق رفتار ذرات منفرد را تشکیل می دهد که همه مواد را تشکیل می دهند ، دانشمندان مدتهاست تصور می کنند که عمل جرم میلیاردها ذره که در دمای محیط به هم برخورد می کنند ، هرگونه اثر کوانتومی عجیب را در خود غرق می کند و با قوانین آشنا تر کلاسیک مکانیک فرموله شده توسط آیزاک نیوتن و دیگران بهتر توضیح داده می شود. در حقیقت ، محققانی که پدیده های کوانتومی را مطالعه می کنند ، غالباً ذرات را در دمای نزدیک به صفر مطلق – که در آن تقریباً تمام حرکت ذرات متوقف می شوند – مطالعه می کنند تا فقط اثرات صدا را از بین ببرند.
جیم الخلیلی ، فیزیکدان نظری دانشگاه سوری ، که نویسنده کتابی به نام Life on the Edge است که به یک اصطلاح کوانتومی وزیست شناسی برای مخاطبان غیر روحانی اشاره دارد، می گوید: “هرچه محیط گرمتر باشد ، شلوغتر و پر سر و صدا تر است ، و این اثرات کوانتومی سریعتر از بین می روند.”. “بنابراین تقریباً مضحک ،و ضد دینی است که آنها باید در سلول ها باقی بمانند. و با این حال ، اگر چنین کنند – و شواهد زیادی وجود دارد که نشان می دهد در برخی پدیده ها انجام می شود – پس زندگی باید کار خاصی انجام دهد. “
الخلیلی و ودرال بخشی از یک گروه در حال گسترش دانشمندان هستند که اکنون استدلال می کنند که ممکن است تأثیرات جهان کوانتوم در توضیح برخی از بزرگترین معماهای زیست شناسی – از کارآیی تجزیه آنزیم گرفته تا آگاهی انسان – اساسی باشد و حتی می تواند موضوع انتخاب طبیعی باشد.
کیارا مارلتو ، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد که با کاولز و ودرال همکاری کرده ، می گوید: “تمام حوزه ها در تلاشند تا یک نکته را اثبات کنند.” “این بدان معناست که ، نه تنها نظریه کوانتوم در مورد این [سیستم های بیولوژیکی] اعمال می شود ، بلکه ممکن است آزمایش شود که آیا این [سیستم ها] فیزیک کوانتوم را برای انجام عملکردهای خود مهار می کنند.”
اثرات کوانتومی در واکنش های اساسی زیست شناسی
در اواسط دهه 1980 ، دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی ، جودیت کلینمن ، بیوشیمیست ، متقاعد شد که توضیحات سنتی در مورد تجزیه آنزیم ها ناقص است. نظریه های معاصر معتقدند که آنزیم ها بر اساس شکل و مکانیک کلاسیک با لایه های متقابل ارتباط برقرار می کنند ، به طور فیزیکی بسترها را در مکان های فعال خود گرد هم می آورند و حالت های انتقال ساختار مولکولی را تثبیت می کنند تا سرعت واکنش را تا میزان تریلیون برابر یا بیشتر تسریع کنند. اما کلینمن از آزمایشهای in vitro با آنزیمی که از مخمر استخراج شده است نتیجه عجیب می گرفت.
در کاتالیز اکسیداسیون بنزیل الکل به بنزآلدئید ، آنزیم الکل دهیدروژناز یک اتم هیدروژن را از یک موقعیت به موقعیت دیگر منتقل می کند. به طور غیرمنتظره ای ، وقتی کلینمن و همکارانش اتمهای خاص هیدروژن موجود در بستر را با ایزوتوپهای سنگین تر دوتریوم و تریتیوم جایگزین کردند ، واکنش به شدت کند شد. اگرچه توضیحات کلاسیک در مورد تجزیه آنزیم برای اثرات ایزوتوپ متوسط اجازه می دهد ، اما آنها نمی توانند افت زیادی در میزان مشاهده کلینمن داشته باشند. او می گوید: “آنچه ما دیدیم انحراف از نظریه های موجود بود.”
تیم وی به تحقیق ادامه داد ، و در سال 1989 ، توضیحاتی را در مورد ایده های موجود در بین محققان آنزیم منتشر کرد: این تجزیه و تحلیل شامل یک ترفند کوانتومی به نام تونل زنی است. الخلیلی توضیح می دهد که تونل زنی کوانتومی مانند باپا زدن یک توپ فوتبال از طریق یک تپه است – جایی که توپ فوتبال یک الکترون یا ذره دیگر است و تپه یک مانع انرژی است که از بروز واکنش جلوگیری می کند. او می گوید: “در دنیای کلاسیک باید آن را به سختی لگد بزنید تا از تپه بالا برود و از طرف دیگر پایین بیایید.” “در دنیای کوانتوم ، شما مجبور به اینکار نیستید توپ می تواند تا نیمه بالا برود ، ناپدید شود و در طرف دیگر ظاهر شود. “
تیم کلینمن در این مقاله و مقالات بعدی اظهار داشتند که ، در طی تجزیه اکسیداسیون الکل بنزیل و بسیاری از واکنش های دیگر ، انتقال هیدروژن با کمک تونل زنی انجام می شود. این موضوع به شماکمک می کند تا توضیح دهید که چرا دوتریم و تریتیوم اغلب واکنشها را بالا می برند – ذرات سنگین تر در تونل زنی بدتر هستند و می توانند تونل زنی را برای ذرات دیگر در همان مولکول سخت تر کنند. آل خلیلی می گوید ، اثرات مشاهده شده توسط گروه کلینمن از آن زمان توسط آزمایشگاه های دیگر برای آنزیم های متعدد تکرار شده است و برخی از قوی ترین شواهد را برای اثرات کوانتومی در سیستم های بیولوژیکی ارائه می دهد. (به اینفوگرافیک مراجعه کنید.)
اما در حالی که اکنون به طور کلی پذیرفته شده است که تونل زنی در تجزیه بیولوژیکی اتفاق می افتد ، محققان در مورد اهمیت آن و اینکه ممکن است یک موضوع انتخاب طبیعی باشد ، اختلاف نظر دارند. به عنوان مثال ، شیمیدان Richard Finke در دانشگاه ایالتی کلرادو ، نشان داد که برخی از واکنش ها به دلیل وجود یا عدم وجود آنزیم ، تا حدودی اثرات ایزوتوپ از خود نشان می دهند ، که نشان می دهد بعید است آنزیم ها به ویژه برای افزایش اثرات تونل در واکنش هایی که کاتالیز می کنند ، سازگار شوند . همچنین مشخص نیست که چقدر تونل زنی واکنشها را تسریع می کند. برخی از محققان استدلال می كنند كه این اثر به طور كلی بیش از یك افزایش كمی در فرآیندهای حاكم بر مكانیك كلاسیك نقش ندارد.
کلینمن می گوید او فکر می کند که ایجاد تونل در آنزیم ها بسیار اساسی تر است. وی گفت: “نظر ما این است كه آنزیم ها ساختارهای دقیق و فشرده ی سایت فعال را ایجاد می كنند” كه تونل زنی را تقویت می كنند. به عنوان مثال ، در حین کاتالیز ، آنزیم ها ساختار را به گونه ای تغییر می دهند که می توانند مکان های دهنده و گیرنده هیدروژن را به اندازه کافی نزدیک کنند – در حدود 0.27 نانومتر از یکدیگر – تا تونل زنی را تسهیل کنند.
گروه وی این ایده را با جهش در سایت های فعال آنزیم ها و مشاهده چگونگی تغییر میزان واکنش و اثرات ایزوتوپ در شرایط آزمایشگاهی دنبال کرده است. به عنوان مثال ، در اوایل سال جاری ، تیم نسخه ای از لیپوکسیژناز سویا را ایجاد كرد كه اندكی سوء استفاده از لایه های زیرین خود را به گونه ای انجام می دهد كه باید تونل زنی هیدروژن را نامطلوب سازد. در مقایسه با نوع وحشی آن ، قدرت کاتالیزوری آنزیم جهش یافته چهار مرتبه کمتر است و نسبت به جایگزینی هیدروژن با دوتریم بسیار حساس تر است.
محققان هنوز در حال تعیین کمیت نقش تونل زنی در تجزیه و تحلیل هستند و کلینمن بر اهمیت استفاده از چندین روش ، از جمله جهش زایی و مدل سازی محاسباتی ، برای درک دقیق چگونگی سرعت پروتئین در واکنش ها تأکید می کند. تکامل آزمایشی آنزیم ها ، که در آن محققان به طور مکرر پروتئین ها را برای افزایش قدرت کاتالیزوری خود انتخاب می کنند ، همچنین می تواند از نظر تونل زنی ، بینشی ارائه دهد – اگرچه حداقل یک تلاش اخیر برای انجام این کار بی نتیجه بود. سال گذشته ، تیمی که آنزیمی را تکامل داده و واکنشی را شامل انتقال هیدروژن کرده است ، گزارش داد که تونل زنی کوانتومی در روند تکامل “مشاهده نشده است که به طور قابل توجهی تغییر کند”.
این بحث آینه یک گفتگوی مداوم در مورد اهمیت عملکردی پدیده های کوانتومی در یکی دیگر از فرآیندهای مهم بیولوژیکی زمین ، فتوسنتز است. در حالی که ودرال و همکارانش در حال بررسی این هستند که آیا در ماشین های فتوسنتز باکتری ها با فوتون ها درگیر می شوند یا خیر ، گروه های دیگر در حال بررسی چگونگی کمک یک اثر کوانتومی دیگر به حداکثر بهره وری از انتقال انرژی فتوسنتز هستند.
در طی واکنش جذب نور در گیاهان و برخی میکروب ها ، فوتون ها با تحریک الکترون های موجود در مولکول های کلروفیل موجوداتی به نام اکسیتون ایجاد می کنند. سپس این اکسیتون ها به مولکول کلروفیل منتقل می شوند تا زمانی که به مرکز واکنش برسند – مجموعه ای از پروتئین ها که می توان انرژی آنها را گرفت و ذخیره کرد.
اکسیتون ها هنگام انتقال می توانند انرژی خود را از دست بدهند ، به این معنی که هرچه مسیرهای گردشی آنها در بین مولکول های کلروفیل بیشتر باشد ، انرژی کمتری به مرکز واکنش می رسد. فیزیكدانان دهه ها پیش اظهار داشتند كه اگر روند انتقال به طور منسجم باشد ، می توان از این هدر رفت جلوگیری كرد. یعنی اگر اکسیتون ها می توانند مانند امواج به جای ذرات حرکت کنند ، می توانند همزمان همه مسیرهای رسیدن به مرکز واکنش را امتحان کنند و فقط کارآمدترین مسیر را طی کنند. (نگاه کنید به تصویر.)
در سال 2007 ، تیمی به سرپرستی شیمی دانان گراهام فلمینگ از دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی و رابرت بلانکنشی از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس ادعا کردند که انسجام کوانتومی را در مجتمع های مولکول کلروفیل استخراج شده از باکتری های گوگرد سبز مشاهده می کنند ، میکروب های فتوسنتز که اغلب در اقیانوس عمیق که در دسترس بودن نور کم است وجود دارند . محققان از تکنیکی استفاده کردند که انرژی جذب شده و ساطع شده توسط یک نمونه را تجزیه و تحلیل می کند و سیگنالی به نام کنش کوانتومی – نوساناتی را که به عنوان شواهد انسجام تفسیر می کردند – در مجموعه های سرد شده به میزان77 کلوین کشف کردند. طی چند سال آینده ، آنها و سایر گروه ها نتایج را در دمای محیط ، تکرار کردند و یافته ها را به مجموعه های کلروفیل از جلبک های دریایی و اسفناج گسترش دادند.
اینکه آیا این نتایج توضیح کوانتومی معنی داری را در انتقال انرژی در فتوسنتز منعکس می کنند ، جای بحث دارد. به عنوان مثال ، در سال 2017 ، محققان در آلمان نگاهی دیگر به باکتری های گوگرد سبز انداختند و گزارش دادند که اثر انسجام کمتر از 60 فمتوثانیه (0.00006 نانو ثانیه) طول کشید – زمانی خیلی کوتاه برای کمک به انتقال انرژی به مرکز واکنش . اما سال گذشته ، گروه دیگری استدلال کرد که انواع مختلف انسجام در مجتمع های کلروفیل وجود دارد ، و بعضی از آنها به نظر می رسد به اندازه کافی دوام داشته باشند تا در فتوسنتز مفید باشند. دانشمندان دیگر اشاره می کنند که برخی از باکتری ها می توانند اثرات انسجام را با تولید اشکال مختلف نور را با کلیدی روشن یا خاموش کنند.
بلانکنشی می گوید ، اثرات انسجام در فتوسنتز اکنون یک پدیده کاملاً پذیرفته شده است. همانطور که در مورد تونل زنی در آنزیم ها وجود دارد ، “مهمترین بحث در این مرحله این است که آیا آنها واقعاً تاثیری بر [کارایی] سیستم دارند یا جنبه دیگری از آن که اثرات بیولوژیکی واقعی دارد. من فکر می کنم هیئت منصفه هنوز بیرون است. “
توضیحات کوانتومی برای معماها در زیست شناسی حیوانات
هر زمستان ، پرنده های اروپایی از قسمت شمالی قاره صدها کیلومتر به مدیترانه در جنوب مهاجرت می کنند. مسیر یابی آنها یک اثر ناوبری است که با استفاده از مغناطیس امکان پذیر است – به ویژه توانایی پرندگان در تشخیص جهت میدان مغناطیسی زمین. اما تلاش های اولیه برای توضیح این حس ششم ، از جمله پیشنهادی كه پرندگان به بلورهای مگنتیت داخلی تكیه می كنند ، موفق به توضیح تجربی نشدند.
در اواخر دهه 1990 ، این مسئله مورد توجه تورستن ریتز قرار گرفت ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی که در حال کار بر روی اثرات کوانتومی در فتوسنتز بود و تحت نظارت کلاوس شولتن ، فیزیکدان بیولوژیکی فقید ، در دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاین کار می کرد. ریتز ، که از آن زمان به دانشگاه کالیفرنیا ، ایروین نقل مکان کرده است ، می گوید ، وی به خصوص به کریپتوکروم ، پروتئین حساس به نور در شبکیه چشم پرندگان علاقه مند شده است ، که اکنون “شواهد خوبی” در مورد نقش در مغزبرای آن وجود دارد. بنابراین ، در سال 2000 ، با تمرکز بر روی این پروتئین و ساختن کارهای نظری قبلی شولتن ، ریتز و یکی دیگر از همکاران ایلینوی آنچه را که به عنوان یک مدل جفت رادیکال شناخته می شود ، منتشر کرد تا توضیح دهد که چگونه این عملکرد مغناطیسی کار می کند.
محققان پیشنهاد کردند که واکنش های موجود در پروتئین کریپتوکروم ، یک جفت رادیکال ایجاد می کند – مولکول هایی که هرکدام دارای یک الکترون تنها هستند. رفتار آن الکترون ها ، که می توانند به طور کمی با یکدیگر درگیر شوند ، به تراز شدن میدان های مغناطیسی ضعیف مانند زمین حساس است. تغییرات در ترازبندی این جفت نسبت به میدان مغناطیسی می تواند از لحاظ نظری واکنشهای شیمیایی پایین دست را تحریک کند و اجازه دهد اطلاعات به نوعی به مغز منتقل شوند. (نگاه کنید به تصویر.)
این فرضیه مشتی از پیش بینی ها را به وجود آورد که ریتز با همکاری زیست شناسانی که برای اولین بار برداشت مغناطیسی در رابین ، روزویتا و ولفگانگ ویلتشکو را توصیف کردند ، آزمایش کرد. به عنوان مثال ، در مطالعه ای که در سال 2004 منتشر شد ، تیم تحقیقاتی رابین ها را در معرض میدان های مغناطیسی قرار می دهد که در فرکانس ها و زوایایی در حال نوسان هستند ، این مدل پیش بینی می کند حساسیت این جفت رادیکال را به میدان مغناطیسی زمین مختل می کند – و به طور موثر توانایی پرندگان را از بین می برد.
این ایده از آن زمان به بعد ، با افزایش حمایت نظری ، شروع به کار کرد. و دو مطالعه 2018 در مورد خواص مولکولی و الگوهای بیان یک نسخه از کریپتوکروم ، Cry4 ، به پروتئین به عنوان یک گیرنده مغناطیسی نامزد احتمالی در فنچ های گورخر و رابین های اروپایی اشاره دارد.
برای تعیین اینکه آیا واقعاً برداشت مغناطیسی از این طریق کار می کند یا نه ، کار بیشتری لازم است و مشخص می شود که درهم آمیختگی بین الکترونهای جفت رادیکال مهم است. ریتز می گوید ، دانشمندان همچنین به طور کامل درک نمی کنند که چگونه کریپتوکروم می تواند اطلاعات میدان مغناطیسی را به مغز منتقل کند. در همین حال ، گروه وی بر روی آزمایشات جهش زایی متمرکز شده است ، که می تواند به حساسیت مغناطیسی کریپتوکروم کمک کند. پاییز گذشته ، پیتر هور ، شیمی دان دانشگاه آکسفورد و هنریک موریتسن ، زیست شناس از دانشگاه اولدنبورگ آلمان ، بودجه اروپا را برای QuantumBirds ، پروژه ای با اهداف مشابه ، به دست آوردند.
اکنون اگر بگویید مکانیک کوانتوم را در زیست شناسی می خوانید ، کاملاً دیوانه به حساب نمی آیید. این فقط کمی حواس پرتی است !
– جانجو مک فادن ، دانشگاه ساری
برداشت مغناطیسی تنها پازلی در زیست شناسی حسی حیوانات نیست که باعث ایجاد علاقه در بین فیزیکدانان کوانتوم می شود. حس مرموز علمی دیگری که محققان امیدوارند بتواند به ترک آن کمک کند بویایی است. این تئوری سنتی – که مولکولهای معطر در گیرنده های پروتئینی موجود در سلولهای عصبی بویایی برای ایجاد بو بوجود می آیند – با این چالش روبروست که برخی از مولکولها با اشکال تقریباً یکسان بوی کاملاً متفاوتی دارند ، در حالی که بعضی دیگر با استریوشیمی متفاوت بوی مشابه دارند.
در اواسط دهه 1990 ، بیوفیزیکدان دانشگاه کالج لندن (UCL) ، لوکا تورین ، که اکنون منتقد معتبر عطر است ، پیشنهاد کرد که گیرنده های بویایی ممکن است فقط به شکل بو دادن ، بلکه به فرکانس پیوندهای لرزاننده در مولکول های بو نیز حساس نباشند. یک بو به گیرنده متصل می شود ، اگر پیوندهای آن با فرکانس مشخصی ارتعاش داشته باشند ، می توانند تونل زنی کوانتومی الکترون ها را در آن گیرنده تسهیل کنند. این انتقال الکترون ، طبق مدل وی ، باعث ایجاد یک آبشار سیگنالینگ در نورون بویایی می شود که در نهایت انگیزه ای به مغز می فرستد.
جنی بروکس ، فیزیکدان UCL که این مسئله را به صورت ریاضی تنظیم کرده است تا نشان دهد از نظر تئوریک عملی است ، می گوید شواهد تجربی این ایده هنوز دور از دسترسی است. “اما تا حدی به همین دلیل بسیار هیجان انگیز است.” در سالهای اخیر ، محققان به دنبال اثرات ایزوتوپی مشابه آنچه در عملکرد آنزیم مشاهده می شود ، بوده اند. اگر تونل زنی نقش اساسی داشته باشد ، به دلیل فرکانسهای لرزش پایین پیوندهایشان ، مولکولهای معطر حاوی ایزوتوپهای هیدروژن سنگین تر باید بوی متفاوت از نسخه های معمولی داشته باشند.
یافته ها متفاوت است. در سال 2013 ، گروه تورین گزارش داد که انسانها می توانند بین بوهایی که حاوی ایزوتوپهای مختلف هستند تفاوت قائل شوند. دو سال بعد ، محققان دیگر نتوانستند نتایج را تولید کنند و تئوری را “غیرقابل تصور” خواندند. اما این ایده از مد خارج نشد. در سال 2016 ، تیم دیگری گزارش داد که زنبورهای عسل می توانند بوها را با ایزوتوپهای مختلف متفاوت کنند ، در حالی که یک مطالعه نظری اخیر مجموعه ای از پیش بینی های جدید را برای کمک به آزمایش اعتبار مدل ارائه می دهد.
کارهای نظری همچنین علاقه به توضیحات بیولوژیکی کوانتومی را با پشتیبانی تجربی بسیار کمتر افزایش می دهد. به عنوان مثال ، برخی از محققان حدس زده اند که اثرات انسجام ناشی از نقش در فتوسنتز نیز می تواند به پدیده های بیولوژیکی گسترده ای مانند بینایی و تنفس سلولی کمک کند. برخی دیگر اظهار داشتند که تونل زنی پروتون می تواند جهش های خود به خودی DNA را ایجاد کند ، اگرچه کارهای نظری الخلیلی و همکارانش نشان می دهد که این امر حداقل برای جفت بازهای آدنین-تیمین که آنها مدل سازی کرده اند خیلی زیاد محتمل نیست.
شاید شدیدترین گسترش فیزیک کوانتوم به پادشاهی حیوانات این ایده باشد که اثرات عجیب و غریب کوانتومی ممکن است در مغز انسان نقش داشته باشد. متیو فیشر ، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا ، سانتا باربارا ، استدلال کرده است که نورون ها دارای ماشین آلات مولکولی هستند که می توانند مانند یک کامپیوتر کوانتومی رفتار کنند ، که به جای استفاده از بیت های 0 یا 1 ثانیه با کیوبیت ها کار می کند ، واحدهای اطلاعاتی که می توانند حالت های 0 و 1 به طور همزمان داشته باشند..
فیشور پیشنهاد کرد ، کیوبیت های مغز در حالت یون های فسفات درون مولکول های Posner ، خوشه های فسفات و کلسیم موجود در استخوان و احتمالاً درون میتوکندری سلول های خاص رمزگذاری می شوند. کارهای نظری اخیر تیم وی استدلال می کند که حالت های یون فسفات در مولکول های مختلف پوزنر می تواند ساعتها یا حتی روزها با یکدیگر گره خورده باشد ، بنابراین ممکن است بتواند محاسبات سریع و پیچیده ای را انجام دهد. فیشر اخیراً بودجه ای برای راه اندازی همکاری بین المللی ، QuBrain ، برای جستجوی تجربی این اثرات براه انداخته است. بسیاری از دانشمندان علوم مغز و اعصاب ابراز تردید کرده اند که این پروژه نتایج مثبتی خواهد داشت.
استفاده از زیست شناسی کوانتومی
بیشتر ایده ها در زیست شناسی کوانتومی هنوز بیشتر از طریق پشتیبانی آزمایشی توسط نظریه هدایت می شوند ، اما تعدادی از محققان اکنون در تلاشند این شکاف را برطرف کنند. تیم ودرال قصد دارد در اواخر سال جاری اطلاعات بیشتری در مورد درهم آمیختگی باکتریها جمع آوری کند ، و سایمون گروبلاچر فیزیکدان از دانشگاه صنعتی دلفت در هلند انجام آزمایشهای درهم تنیدگی با tardigrades را پیشنهاد داده است. در سال 2017 ، الخلیلی و همکارش ، جانجو مك فادن ، زیست شناس دانشگاه ساری ، به تشویق یك مركز آموزش دكتری برای زیست شناسی كوانتوم برای تشویق به تقارب بین رشته ای و پیشبرد تلاش های تحقیقاتی كمك كردند. مک فادن می گوید ، در میان جامعه گسترده دانشمندان و بنیانگذاران تحقیق ، “اگر شما بگویید مکانیک کوانتوم را در زیست شناسی می خوانید ، کاملاً دیوانه نیستید”. “فقط کمی حواس پرت محسوب می شود.”
محققانی که با The Scientist صحبت کرده اند نیز تأکید می کنند ، فارغ از اینکه مکانیسم های تئوریزه شده پشتیبانی آزمایشی را به دست می آورند یا نه ، حدس و گمان در زیست شناسی کوانتوم به خودی خود ارزشمند است. آدریانا مارایس ، فیزیکدان نظری و محقق محاسبات کوانتومی ، رئیس نوآوری در شرکت فناوری SAP آفریقا ، می گوید: “همانطور که فناوری خود را کوچک می کنیم ، ما اطلاعات زیادی در دنیای بیولوژیکی داریم که می توان از آنها الهام گرفت.” “این یک فرصت خارق العاده برای بررسی زندگی است ، اما همچنین برای یادگیری درسهایی در مورد چگونگی مهندسی فرآیندها در این مقیاس کوچک به روشی بهینه.”
برنامه های کاربردی در دنیای واقعی شامل فناوری هایی از سلول های خورشیدی کارآمدتر تا کلاس های جدید حسگرهای زیستی است. سال گذشته ، یک گروه طرحی را برای “بینی بیومتیمیک” ارائه داد که تا حدودی بر اساس تئوری کوانتومی بویایی ، برای شناسایی غلظت های کمی از بوها بود. دستگاه هایی برای احساس میدان های مغناطیسی ضعیف.
ریتز می گوید: “ما می توانیم از اطلاعاتی كه به دست می آوریم برای طراحی سیستم های این اصول استفاده كنیم” ، حتی اگر معلوم شود كه پرندگان این كار را نمی كنند. “
