جنرال لواء

بيولوجيا الكم: مخيف وغامض وأساسي للحياة نفسها


قبل عقد من الزمان ، كان العلماء على يقين من أن كيمياء الحياة والكيمياء الغريبة للعالم الكمومي أشياء منفصلة تمامًا. عادة ما تُلاحظ التأثيرات الكمية فقط على مقياس نانومتر ، محاطًا بفراغ صلب ، ودرجات حرارة منخفضة للغاية ، وبيئة معملية محكومة بإحكام. ومع ذلك ، فإن علم الأحياء هو عالم مجهري دافئ وفوضوي ولا يمكن التحكم فيه بأي شيء. بدا من الأساسي أن ظاهرة كمومية مثل `` التماسك '' ، حيث تظل أنماط الموجة لكل جزء من النظام في خطوة ، لن تدوم جزءًا من الثانية في عالم الخلية المضطرب. سيكون ببساطة غير وارد.

أو هكذا اعتقدنا ...

شهدت السنوات الأخيرة عثور العلماء على عمليات كمومية متماسكة في جميع أنحاء العالم الطبيعي. وهي ليست فقط في بعض أنواع الهالوبكتريا الغريبة أو الجرابيات الطائرة ، بل اتضح أن بيولوجيا الكم منتشرة في كل مكان. في الواقع ، يبدو أنه جزء مركزي في أهم التفاعلات الكيميائية على الأرض: التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي.

الآن ... لماذا يجب أن تهتم؟

أولاً ، ما هو "الكم" مرة أخرى؟

قال نيلز بور ، أحد مؤسسي هذا المجال ، عن ميكانيكا الكم ، "إذا لم تكن مندهشًا من ذلك ، فأنت لم تفهمه". وكان على حق تماما.

تم تطوير ميكانيكا الكم في عشرينيات القرن الماضي وهي في جوهرها مجموعة من القواعد والأفكار الرياضية التي تشرح عالم الصغار جدًا. وهو عالم مختلف تمامًا عن العالم اليومي الذي نختبره ، والذي يتكون من مجموع تريليونات الذرات. إنه عالم مبني على الاحتمالات والصدفة ، حيث يمكن للجسيمات أن تنتقل عن بعد بشكل غير متوقع أو بدقة متناهية ، ثم تتحول في بعض الأحيان كليًا لتتصرف مثل الموجات المنتشرة.

في عالم الكم ، يمكن للجسيمات أن تعدد المهام ، ويمكن أن تكون في مكانين في وقت واحد. يمكنهم فعل أكثر من شيء في نفس الوقت. لكن هذه الغرابة حساسة للغاية ، وعلى الفيزيائيين العمل بجد للحفاظ عليها في المختبرات. إنهم يبردون أنظمتهم إلى ما يقرب من الصفر المطلق ، ويقومون بتجاربنا في الفراغات ، ويحاولون عزلها عن أي اضطراب خارجي. هذا يختلف تمامًا عن البيئة الدافئة والفوضوية والصاخبة للخلية الحية. ولسنوات عديدة ، عمل العلماء على فكرة أن البيولوجيا كانت مجرد نتاج لتفاعلات كيميائية حتمية ، وعلى هذا النحو ، لا تتأثر بالتأثيرات الكمية.

ولكن إذا نظرنا إلى ميكانيكا الكم أو فيزياء الكم على أنها الأساس الأساسي للواقع نفسه ، فمن المنطقي أن نقول إن فيزياء الكم تدعم الكيمياء العضوية. تعطينا الكيمياء العضوية ، التي تم توسيع نطاقها في التعقيد ، البيولوجيا الجزيئية ، والتي تؤدي بالطبع إلى الحياة نفسها. لذا بطريقة ما ، ليس من المستغرب نوعًا ما أن تكون التفاعلات الكمومية لبنات بناء مهمة في الحياة.

لم يكن ذلك دائمًا بهذه السهولة. قبل وقت طويل من إثبات وجود بيولوجيا الكم ، أدرك رجل شيئًا ما. قال إروين شرودنجر ، من شهرة كات شرودنجر: "على المستوى الجزيئي ، تتمتع الكائنات الحية بترتيب معين ، وهي بنية تختلف تمامًا عن التدافع العشوائي بالديناميكا الحرارية للذرات والجزيئات في مادة غير حية لها نفس التعقيد."

وكان على حق. في الواقع ، تتصرف المادة الحية بهذه الطريقة ، في بنية ، تمامًا مثل المادة غير الحية التي يتم تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق ، حيث تلعب التأثيرات الكمومية دورًا مهمًا للغاية. هناك شيء مميز حول الهيكل - الترتيب - داخل الخلية الحية. وهذا هو بالضبط سبب قدرة ميكانيكا الكم على لعب مثل هذا الدور الكبير في الحياة.

دور الكم في التمثيل الضوئي

يعتبر التمثيل الضوئي من أهم العمليات في علم الأحياء. المسار الذي من خلاله تأخذ النباتات والبكتيريا ضوء الشمس وتحويل تلك الطاقة إلى كتلة حيوية. لسنوات ، لم يتمكن أحد من معرفة كيف يمكن أن يستمر التفاعل بشكل إيجابي دون معدل فشل هائل ، فالرياضيات لم تضيف شيئًا. ولكن بعد ذلك ، قبل بضع سنوات فقط ، أصبحت الإجابة واضحة: التماسك الكمي.

التماسك الكمي هو فكرة تعدد المهام للكيانات الكمية. هذا ما يحدث عندما يتصرف جسيم مادي مثل الموجة ، بحيث لا يتحرك في اتجاه واحد أو آخر فحسب ، بل يمكنه أن يتبع مسارات متعددة في نفس الوقت. الفكرة في عملية التمثيل الضوئي هي أن الفوتون ، "كم" الضوء الذي يلتقطه جزيء الكلوروفيل ، يتم تسليمه بعد ذلك إلى ما يسمى بمركز التفاعل ، حيث يمكن تحويله إلى طاقة كيميائية.

لكن الأمر المذهل هو أنه للوصول إلى هناك ، لا يتبع ذلك طريقًا واحدًا فقط ؛ يتبع مسارات متعددة في وقت واحد لتحسين الطريقة الأكثر فعالية للوصول إلى مركز التفاعل دون تبديد الحرارة المهدرة. إنه شيء يتحدى كل العقل والفهم ، ومع ذلك ، فإن المزيد والمزيد من الأدلة تتراكم على أنه صحيح. الآثار المخيفة للعالم الكمومي تعيش بيننا.

الإبحار بميكانيكا الكم

أحد أجمل استخدامات التأثيرات الكمومية في الطبيعة هو بوصلة الهجرة لروبن الأوروبي. يهاجر هذا الطائر من الدول الاسكندنافية إلى البحر الأبيض المتوسط ​​كل خريف ، ومثل الكثير من الحيوانات البحرية الأخرى وحتى الحشرات ، يتنقلون من خلال استشعار المجال المغناطيسي للأرض. لكن المجال المغناطيسي للأرض ضعيف للغاية ؛ انها أضعف 100 مرة من مغناطيس الثلاجة. ومع ذلك فهي تؤثر بطريقة ما على الكيمياء داخل الكائن الحي. بوصلة مدمجة!

لكن كيف تدير هذا؟ حسنًا ، في حالة روبن على الأقل ، مع التشابك الكمي. هذا هو المصطلح عندما يكون جسيمان بعيدًا عن بعضهما البعض ، ومع ذلك يظلان متصلين بطريقة ما (وليس لدينا تفسير جيد للسبب - حتى أن أينشتاين أطلق عليه "الفعل المخيف عن بعد"). بطريقة ما ، يوجد داخل شبكية العين بروتين يسمى كريبتكروم ، وهو حساس للضوء. وداخل الكريبتوكروم يوجد زوج من الإلكترونات متشابك الكم.

هذه الإلكترونات متباعدة بدرجة كافية بحيث يمكن اكتشاف الفرق بين تفاعلات المجال المغناطيسي الضعيفة في كل واحدة ، مما يسمح للطائر باستشعار ما إذا كان يطير باتجاه خط الاستواء أو بعيدًا عنه. الآن ، للإشارة فقط ، إذا كان التماسك عملية "دقيقة" ، فقد يكون التشابك أيضًا جراحة أعصاب بالمنشار. من الصعب جدًا تحقيق ذلك - فنحن ننفق المليارات سنويًا في محاولة صنع أجهزة كمبيوتر كمومية يمكنها القيام بذلك بشكل موثوق مثل هذا. ومع ذلك ، يقف روبن البسيط هذا على طليعة الحياة وعملياتها الأساسية التي لا توصف.

العلم جامح!

الأفق الكمي للبيولوجيا

الأمثلة التي تم النظر إليها هنا ليست بأي حال نهاية الأشياء. كما ذكرنا ، يعتمد التنفس على مستوى معين من التماسك تمامًا مثل التمثيل الضوئي ، ونحن نتعلم أيضًا أن التأثيرات الكمومية أساسية لعملية الشم بأكملها أيضًا. في النهاية ، لا تزال بيولوجيا الكم في مهدها. لا يزال الأمر مجرد تخمين. ومع ذلك ، هناك المزيد من الأبحاث التي تتراكم والتي تدعم فقط فكرة أن ميكانيكا الكم تتغلغل في كل الطبيعة ، وبدلاً من أن لا تنزعج من الحياة العالمية الكمومية ، فقد طورت الحيل التي تستخدم خصائصها الواسعة.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون الدراسة في هذا المجال هي الشيء الذي يقودنا إلى المرحلة التالية من التطور التكنولوجي البشري. يمكن أن تكون أشياء مثل بوصلة روبن لطيور درجة الحرارة المحيطة دليلاً محتملاً لتصميم أنظمة المواد للحوسبة الكمومية المحمية بفك الترابط. التعلم من الطبيعة فكرة قديمة قدم الميثولوجيا - لكن من كان يتخيل أن البيولوجيا الطبيعية لديها أي شيء يعلمنا إياه عن عالم الكم؟

… بخلاف شرودنغر ، أفترض.


شاهد الفيديو: قصص حقيقية تثبت أن تناسخ الأرواح موجود بالفعل في عالمنا (شهر نوفمبر 2021).