In het midden van de vorige eeuw was de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger de eerste die het fenomeen leven probeerde te verklaren met behulp van kwantummechanica. Nu zijn er genoeg gegevens verzameld om hypothesen op te stellen over hoe kwantumeffecten in het lichaam ontstaan en waarom ze daar überhaupt nodig zijn. RIA Novosti vertelt over de nieuwste ontwikkelingen in de kwantumbiologie.
De kat van Schrödinger is redelijk levend
In zijn boek What is Life from the Point of View of Physics?, Gepubliceerd in 1945, beschrijft Schrödinger het mechanisme van erfelijkheid, mutaties op het niveau van atomen en moleculen door middel van kwantummechanica. Dit droeg bij aan de ontdekking van de structuur van DNA en zette biologen ertoe aan om hun eigen theorie te creëren op basis van strikte fysische principes en experimentele gegevens. De kwantummechanica valt echter nog buiten het bereik ervan.
Niettemin blijft de kwantumrichting in de biologie zich ontwikkelen. Zijn volgelingen zijn actief op zoek naar kwantumeffecten in de reacties van fotosynthese, het fysieke mechanisme van geur en het vermogen van vogels om het magnetisch veld van de aarde waar te nemen.
Fotosynthese
Planten, algen en veel bacteriën halen hun energie direct uit zonlicht. Hiervoor hebben ze een soort antennes in celmembranen (licht-oogstcomplexen). Van daaruit komt een kwantum licht het reactiecentrum in de cel binnen en begint een cascade van processen die uiteindelijk het ATP-molecuul - de universele brandstof in het lichaam - synthetiseren.
Promotie video:
Wetenschappers letten erop dat de transformatie van lichtquanta zeer efficiënt is: alle fotonen vallen van de antennes naar het reactiecentrum dat uit eiwitten bestaat. Er zijn veel paden die daar naartoe leiden, maar hoe kiezen fotonen de beste? Misschien gebruiken ze alle paden tegelijk? Dit betekent dat het nodig is om de superpositie van verschillende toestanden van fotonen op elkaar toe te laten - kwantumsuperpositie.
Er zijn experimenten uitgevoerd met levende systemen in reageerbuizen, aangeslagen door een laser, om kwantumsuperpositie en zelfs een soort "kwantumbit" te observeren, maar de resultaten zijn niet consistent.
Kwantumeffecten in de biologie / Illustratie door RIA Novosti / Alina Polyanina, Depositphotos.
Vogel kompas
Een vogel genaamd "kleine sjaal" maakt een non-stop vlucht van Alaska naar Nieuw-Zeeland over de Stille Oceaan - 11 duizend kilometer. De kleinste fout in de richting zou haar het leven kosten.
Het is vastgesteld dat vogels worden geleid door het magnetische veld van de aarde. Sommige trekkende zingende soorten voelen de richting van het magnetische veld binnen vijf graden.
Om de unieke navigatievaardigheden te verklaren, hebben wetenschappers een hypothese opgesteld over een ingebouwd vogelkompas, dat is samengesteld uit magnetietdeeltjes in het lichaam.
Volgens een ander gezichtspunt bevinden zich op het netvlies van het vogeloog speciale receptoreiwitten die worden ingeschakeld door zonlicht. Fotonen slaan elektronen uit eiwitmoleculen en veranderen ze in vrije radicalen. Die krijgen een lading en reageren, net als magneten, op een magnetisch veld. De verandering ervan is in staat om een aantal radicalen tussen twee staten te schakelen die als gelijktijdig bestaan. De vogels worden verondersteld het verschil in deze "grote sprongen" te voelen en hun koers te corrigeren.
Geur
Een persoon onderscheidt duizenden geuren, maar de fysieke mechanismen van reuk zijn niet volledig bekend. Eenmaal op het slijmvlies ontmoet een molecuul van een geurige stof een eiwitmolecuul dat het op de een of andere manier herkent en een signaal naar zenuwcellen stuurt.
Er zijn ongeveer 390 soorten menselijke olfactorische receptoren die alle mogelijke geuren combineren en waarnemen. Aangenomen wordt dat de geurige substantie het receptorslot opent als een sleutel. Het geurmolecuul verandert echter niet chemisch. Hoe herkent de receptor het? Blijkbaar voelt hij iets anders in dit molecuul.
Wetenschappers hebben gesuggereerd dat elektronen tunnelen (energiebarrières passeren zonder extra energie) door geurmoleculen en wat informatiecode naar receptoren dragen. Pogingen van de overeenkomstige experimenten met fruitvliegen en bijen hebben nog geen begrijpelijke resultaten opgeleverd.
“Het gedrag van elk complex systeem, in het bijzonder een levende cel, wordt bepaald door microscopisch kleine processen (chemie), en dergelijke processen kunnen alleen worden beschreven door de kwantummechanica. We hebben gewoon geen alternatief. Een andere vraag is hoe effectief deze beschrijving tegenwoordig is. Kwantummechanica van complexe systemen - dit wordt kwantuminformatica genoemd - staat nog in de kinderschoenen”, zegt RIA Novosti Yuri Ozhigov, een medewerker van de afdeling Supercomputers en Kwantuminformatica van de Faculteit Computationele Wiskunde en Cybernetica, Lomonosov Moscow State University.
De hoogleraar is van mening dat vooruitgang in de kwantumbiologie wordt belemmerd door het feit dat moderne fysieke instrumenten worden geslepen voor levenloze objecten, het is problematisch om met hun hulp experimenten uit te voeren op levende systemen.
"Ik hoop dat dit tijdelijke moeilijkheden zijn", besluit hij.
Tatiana Pichugina
