Представьте себе, что с помощью мобильного телефона вы можете управлять активностью собственных клеток для лечения травм и болезней. Это звучит как что-то из воображения слишком оптимистичного писателя-фантаста. Но однажды это может стать возможным благодаря развивающейся области квантовой биологии.
За последние несколько десятилетий ученые добились невероятного прогресса в понимании биологических систем и манипулировании ими на все более малых масштабах, начиная от сворачивания белков и заканчивая генной инженерией. И все же степень влияния квантовых эффектов на живые системы остается малоизученной.
Квантовые эффекты – это явления, происходящие между атомами и молекулами, которые невозможно объяснить с помощью классической физики. Уже более века известно, что правила классической механики, такие как законы движения Ньютона, разрушаются на атомных масштабах. Вместо этого крошечные объекты ведут себя в соответствии с другим набором законов, известным как квантовая механика.
Для людей, которые могут воспринимать только макроскопический мир, или то, что видно невооруженным глазом, квантовая механика может показаться нелогичной и даже магической. В квантовом мире происходят вещи, которых вы не ожидаете, например, электроны “туннелируют” через крошечные энергетические барьеры и оказываются на другой стороне невредимыми, или находятся в двух разных местах одновременно в явлении, называемом суперпозицией.
Содержание
Я получила образование квантового инженера. Исследования в области квантовой механики обычно направлены на развитие технологий. Однако, что несколько удивительно, появляется все больше доказательств того, что природа – инженер с миллиардами лет практики – научилась использовать квантовую механику для оптимального функционирования. Если это действительно так, то это означает, что наше понимание биологии радикально неполно. Это также означает, что мы можем контролировать физиологические процессы, используя квантовые свойства биологической материи.
Квантовость в биологии, вероятно, реальна
Исследователи могут манипулировать квантовыми явлениями для создания более совершенных технологий. Фактически, вы уже живете в мире с квантовым питанием: от лазерных указок до GPS, магнитно-резонансной томографии и транзисторов в вашем компьютере – все эти технологии основаны на квантовых эффектах.
В целом, квантовые эффекты проявляются только при очень малых масштабах длины и массы, или когда температура приближается к абсолютному нулю. Это происходит потому, что квантовые объекты, такие как атомы и молекулы, теряют свою “квантовость”, когда они неконтролируемо взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Другими словами, макроскопическая совокупность квантовых объектов лучше описывается законами классической механики. Все, что начинается квантовым, умирает классическим. Например, электроном можно манипулировать, чтобы он одновременно находился в двух местах, но через некоторое время он окажется только в одном месте – именно то, что и следовало ожидать согласно классическим законам.
Таким образом, ожидается, что в сложной, шумной биологической системе большинство квантовых эффектов быстро исчезнут, смытые тем, что физик Эрвин Шрёдингер называл “теплой, влажной средой клетки”. Для большинства физиков тот факт, что живой мир функционирует при повышенных температурах и в сложных условиях, подразумевает, что биология может быть адекватно и полностью описана классической физикой: никаких странных переходов через барьеры, никакого нахождения в нескольких местах одновременно.
Химики, однако, долгое время не соглашались с этим. Исследования основных химических реакций при комнатной температуре однозначно показывают, что процессы, происходящие внутри биомолекул, таких как белки и генетический материал, являются результатом квантовых эффектов. Важно отметить, что такие наноскопические, короткоживущие квантовые эффекты являются движущей силой некоторых макроскопических физиологических процессов, которые биологи измеряли в живых клетках и организмах. Исследования показывают, что квантовые эффекты влияют на биологические функции, включая регулирование активности ферментов, восприятие магнитных полей, клеточный метаболизм и перенос электронов в биомолекулах.
Как изучать квантовую биологию
Соблазнительная возможность того, что тонкие квантовые эффекты могут влиять на биологические процессы, представляет собой одновременно захватывающий рубеж и вызов для ученых. Изучение квантово-механических эффектов в биологии требует инструментов, которые могут измерять короткие временные масштабы, малые масштабы длины и тонкие различия в квантовых состояниях, которые приводят к физиологическим изменениям – и все это в рамках традиционной влажной лабораторной среды.
В своей работе я создаю приборы для изучения и контроля квантовых свойств таких маленьких объектов, как электроны. Подобно тому, как электроны имеют массу и заряд, они также обладают квантовым свойством, называемым спином. Спин определяет, как электроны взаимодействуют с магнитным полем, точно так же, как заряд определяет, как электроны взаимодействуют с электрическим полем. Квантовые эксперименты, которые я строю со времен аспирантуры, а теперь и в моей собственной лаборатории, направлены на применение специально подобранных магнитных полей для изменения спинов конкретных электронов.
Исследования показали, что на многие физиологические процессы влияют слабые магнитные поля. Эти процессы включают развитие и созревание стволовых клеток, скорость пролиферации клеток, восстановление генетического материала и многие другие. Эти физиологические реакции на магнитные поля соответствуют химическим реакциям, которые зависят от спина определенных электронов внутри молекул. Таким образом, применение слабого магнитного поля для изменения спинов электронов может эффективно контролировать конечные продукты химической реакции, что имеет важные физиологические последствия.
В настоящее время недостаточное понимание того, как такие процессы протекают на наноразмерном уровне, не позволяет исследователям точно определить, какая сила и частота магнитного поля вызывает определенные химические реакции в клетках. Современные технологии производства сотовых телефонов, носимых устройств и миниатюризации уже достаточны для создания индивидуальных слабых магнитных полей, которые изменяют физиологию как в хорошую, так и в плохую сторону. Недостающей частью головоломки является, следовательно, “детерминистический кодекс” того, как сопоставить квантовые причины с физиологическими результатами.
В будущем тонкая настройка квантовых свойств природы может позволить исследователям разработать терапевтические устройства, которые будут неинвазивными, дистанционно управляемыми и доступными с помощью мобильного телефона. Электромагнитное лечение потенциально может быть использовано для профилактики и лечения заболеваний, таких как опухоли мозга, а также в биопроизводстве, например, для увеличения производства мяса, выращенного в лаборатории.
Совершенно новый способ заниматься наукой
Квантовая биология – одна из самых междисциплинарных областей, которые когда-либо возникали.
Исследования с потенциально преобразующими последствиями для биологии, медицины и физических наук потребуют работы в рамках столь же преобразующей модели сотрудничества. Работа в одной объединенной лаборатории позволит ученым из дисциплин, которые используют совершенно разные подходы к исследованиям, проводить эксперименты, которые отвечают широте квантовой биологии от квантового уровня до молекулярного, клеточного и организменного.
Существование квантовой биологии как дисциплины подразумевает, что традиционное понимание жизненных процессов является неполным. Дальнейшие исследования приведут к новому пониманию извечного вопроса о том, что такое жизнь, как ею можно управлять и как учиться у природы для создания лучших квантовых технологий.
Кларис Д. Айелло – квантовый инженер, интересующийся тем, как квантовая физика влияет на биологию в наномасштабе.
Читайте также: Нерешенная проблема курицы и яйца в биологии: откуда взялась жизнь?