خبر امروز مصاحبه‌ای با کلاریس دی. آیلو (به انگلیسی: Clarice D. Aiello) محقق آزمایشگاه زیست‌شناسی کوانتومی در دانشگاه UCLA است. در این مصاحبه در مورد اثرات کوانتومی در سلول‌های زیستی و لزوم مطالعه در این مسیر صحبت می‌شود.
تصور کنید از تلفن همراه خود برای کنترل فعالیت سلول‌های خود برای درمان جراحات و بیماری‌ها استفاده کنید. این حرف مثل تصورات یک نویسنده علمی تخیلی خوش‌بین است. اما ممکن است روزی این کار از طریق حوزه نوظهور زیست شناسی کوانتومی امکان‌پذیر شود.
در طول چند دهه گذشته، دانشمندان پیشرفت‌های زیادی در درک و دستکاری سیستم‌های بیولوژیکی در مقیاس‌های کوچک داشته‌اند. با این حال، میزان تأثیر اثرات کوانتومی بر سیستم‌های زنده به خوبی مطالعه نشده‌اند.
اثرات کوانتومی پدیده‌هایی هستند که بین اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهند و توسط فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیستند. بیش از یک قرن است که می‌دانیم قوانین مکانیک کلاسیک، مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی شکسته می‌شوند. در واقع، اجسام ریز بر اساس مجموعه قوانین متفاوتی که مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود، رفتار می‌کنند.
برای انسان‌ها که فقط می‌توانند دنیای ماکروسکوپی یا آنچه را که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است درک کنند، مکانیک کوانتومی می‌تواند خلاف واقع و تا حدودی جادویی به نظر برسد. در دنیای کوانتومی اتفاقاتی روی می‌دهند که ممکن است انتظار نداشته باشید، مثلاً الکترون‌هایی که از میان موانع انرژی کوچک «تونل می‌زنند» و بدون تغییر در طرف دیگر ظاهر می‌شوند، یا قرار گرفتن همزمان در دو مکان مختلف در پدیده‌ای به نام برهم‌نهی.
شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد طبیعت – مهندسی با میلیاردها سال تمرین – یاد گرفته است که چگونه از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهینه استفاده کند. اگر این واقعاً درست باشد، به این معنی است که درک ما از زیست‌شناسی ناقص است. همچنین، ما احتمالاً می‌توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با استفاده از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل کنیم.
اثرات کوانتومی در زیست شناسی احتمالاً واقعی است
محققان می‌توانند پدیده‌های کوانتومی را برای ساخت فناوری‌های بهتر به کار ببرند. در واقع، شما در حال حاضر در دنیایی که از کوانتوم انرژی می‌گیرد، زندگی می‌کنید: از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، تصویربرداری تشدید مغناطیسی و ترانزیستورهای موجود در رایانه شما – همه این فناوری‌ها به اثرات کوانتومی متکی هستند. به طور کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس‌های طولی و جرمی بسیار کوچک یا هنگامی که دما به صفر مطلق نزدیک می‌شود، ظاهر می‌شوند. دلیل این امر این است که اجسام کوانتومی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها زمانی که به طور غیرقابل کنترلی با یکدیگر و محیط خود برهمکنش می‌کنند، «ویژگی کوانتومی» خود را از دست می‌دهند. به عبارت دیگر، مجموعه‌ای ماکروسکوپی از اجسام کوانتومی با قوانین مکانیک کلاسیک بهتر توصیف می‌شود. هر چیزی که در حالت کوانتومی شروع شود، در یک حالت کلاسیک می‌میرد. برای مثال، می‌توان یک الکترون را طوری دستکاری کرد که همزمان در دو مکان باشد، اما پس از مدت کوتاهی تنها در یک مکان قرار می‌گیرد – دقیقاً همان چیزی که در کلاسیک انتظار می‌رود.
در یک سیستم بیولوژیکی پیچیده و نویزدار، چیزی که اروین شرودینگر فیزیکدان آن را «محیط گرم و مرطوب سلول» می‌نامد، انتظار می‌رود که بیشتر اثرات کوانتومی به سرعت ناپدید شوند. برای اکثر فیزیکدانان، این واقعیت که جهان زنده در دماهای بالا و در محیط‌های پیچیده عمل می‌کند، به این معناست که زیست‌شناسی را می‌توان به اندازه کافی و به طور کامل توسط فیزیک کلاسیک توصیف کرد: بدون تونل‌زنی از سد، عدم حضور همزمان در چندین مکان.
با این حال، شیمیدانان، برای مدت طولانی به دنبال نتایج متفاوتی بودند. تحقیقات روی واکنش‌های شیمیایی پایه در دمای اتاق به‌طور واضح نشان می‌دهد که فرآیندهایی که در مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی رخ می‌دهند، نتیجه اثرات کوانتومی هستند. نکته مهم این است که چنین اثرات کوانتومی نانوسکوپی و کوتاه‌مدت با هدایت برخی از فرآیندهای فیزیولوژیکی ماکروسکوپی که زیست شناسان در سلول‌ها و موجودات زنده اندازه‌گیری کرده‌اند، سازگار است. تحقیقات نشان می‌دهد که اثرات کوانتومی بر عملکردهای بیولوژیکی، از جمله تنظیم فعالیت آنزیم، حس‌کردن میدان‌های مغناطیسی، متابولیسم سلولی و انتقال الکترون در بیومولکول‌ها تأثیر می‌گذارد.
نحوه مطالعه زیست‌شناسی کوانتومی
این احتمال وسوسه‌انگیز که اثرات کوانتومی ظریف می‌تواند فرآیندهای بیولوژیکی را تغییر دهد، هم اتفاقی هیجان انگیز و هم چالشی برای دانشمندان است. مطالعه اثرات مکانیکی کوانتومی در زیست‌شناسی به ابزارهایی نیاز دارد که بتوانند مقیاس‌های زمانی کوتاه، مقیاس‌های طول کوچک و تفاوت‌های اندک در حالت‌های کوانتومی را که منجر به تغییرات فیزیولوژیکی می‌شوند اندازه‌گیری کنند – که همه در یک محیط آزمایشگاهی مرطوب یکپارچه شده باشند.
در این کار، ابزارهایی برای مطالعه و کنترل خواص کوانتومی چیزهای کوچک مانند الکترون‌ها ساخته شده است. همان‌طور که الکترون‌ها جرم و بار دارند، دارای خاصیت کوانتومی به نام اسپین نیز هستند. اسپین نحوه برهمکنش الکترون ها با میدان مغناطیسی را مشخص می‌کند، به همان ترتیبی که بار نحوه برهمکنش الکترون‌ها با یک میدان الکتریکی را مشخص می‌کند.
تحقیقات نشان داده است که بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی ضعیف هستند. فرآیندهای زیادی در این مجموعه قرار می‌گیرند از جمله رشد و بلوغ سلول‌های بنیادی، نرخ تکثیر سلولی، ترمیم مواد ژنتیکی و تعداد بی شماری دیگر. این پاسخ‌های فیزیولوژیکی به میدان‌های مغناطیسی با واکنش‌های شیمیایی که به اسپین الکترون‌های خاص درون مولکول‌ها بستگی دارد، سازگار است. بنابراین اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف برای تغییر اسپین الکترون‌ها می‌تواند به طور موثری محصولات نهایی یک واکنش شیمیایی را کنترل کند و به پیامدهای فیزیولوژیکی مهمی منجر شود.
در حال حاضر، عدم درک چگونگی عملکرد چنین فرآیندهایی در سطح نانو، محققان را از تعیین دقیق قدرت و فرکانس میدان‌های مغناطیسی که باعث واکنش‌های شیمیایی خاص در سلول‌ها می‌شود، باز می‌دارد. فناوری‌های پوشیدنی و کوچک‌سازی‌شده و همچنین فن‌آوری‌های کنونی تلفن همراه، برای تولید میدان‌های مغناطیسی ضعیفی که فیزیولوژی را به‌شکل خوب یا بدی تغییر می‌دهند، کافی هستند. از این رو، قطعه گمشده این پازل یک «کتاب رمز قطعی» (به انگلیسی: deterministic codebook) از نحوه نگاشت علل کوانتومی بر خروجی‌های فیزیولوژیکی است.
در آینده، تنظیم دقیق ویژگی‌های کوانتومی طبیعت، محققان را قادر به ساخت دستگاه‌های درمانی غیرتهاجمی، کنترل از راه دور و قابل دسترس با تلفن همراه می‌کند. درمان‌های الکترومغناطیسی می‌توانند به طور بالقوه برای پیشگیری و درمان بیماری‌هایی مانند تومورهای مغزی و همچنین در تولید زیستی مانند افزایش تولید گوشت در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گیرند.
زیست‌شناسی کوانتومی یک علم میان‌رشته‌ای است. وجود زیست‌شناسی کوانتومی به عنوان یک رشته حاکی از آن است که درک رایج از فرآیندهای حیات ناقص است. تحقیقات بیشتر منجر به درک جدیدی در مورد این سوال قدیمی می‌شود که حیات چیست، چگونه می‌توان آن را کنترل کرد و چگونه می‌توان از طبیعت، ساخت فناوری‌های کوانتومی بهتر را یاد گرفت.