Pagājušā gadsimta vidū austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers bija pirmais, kurš mēģināja izskaidrot dzīves fenomenu, izmantojot kvantu mehāniku. Tagad ir uzkrāts pietiekami daudz datu, lai izveidotu hipotēzes par to, kā kvantu efekti rodas ķermenī un kāpēc tie tur vispār nepieciešami. RIA Novosti runā par jaunākajiem sasniegumiem kvantu bioloģijā.
Šrēdingera kaķis ir diezgan dzīvs
Savā grāmatā Kas ir dzīve no fizikas viedokļa?, Kas publicēta 1945. gadā, Šrēdingers apraksta iedzimtības mehānismu, mutācijas atomu un molekulu līmenī, izmantojot kvantu mehāniku. Tas veicināja DNS struktūras atklāšanu un mudināja biologus izveidot savu teoriju, kas balstīta uz stingriem fizikāliem principiem un eksperimentāliem datiem. Tomēr kvantu mehānika joprojām atrodas ārpus tās darbības jomas.
Neskatoties uz to, kvantu virziens bioloģijā turpina attīstīties. Viņa sekotāji aktīvi meklē kvantu efektus fotosintēzes reakcijās, ožas fizisko mehānismu un putnu spēju uztvert Zemes magnētisko lauku.
Fotosintēze
Augi, aļģes un daudzas baktērijas savu enerģiju iegūst tieši no saules stariem. Lai to izdarītu, viņiem ir sava veida antenas šūnu membrānās (gaismas novākšanas kompleksi). No turienes gaismas kvants nonāk reakcijas centrā šūnā un sāk procesu kaskādi, kas galu galā sintezē ATP molekulu - universālo degvielu ķermenī.
Reklāmas video:
Zinātnieki pievērš uzmanību tam, ka gaismas kvantu pārveidošana ir ļoti efektīva: visi fotoni no antenām nokrīt reakcijas centrā, kas sastāv no olbaltumvielām. Tur ved daudz ceļu, bet kā fotoni izvēlas labāko? Varbūt viņi izmanto visus ceļus uzreiz? Tas nozīmē, ka ir jāatzīst dažādu fotonu stāvokļu superpozīcija viena otrai - kvantu superpozīcija.
Eksperimenti tika veikti ar dzīvām sistēmām mēģenēs, ko ierosināja ar lāzeru, lai novērotu kvantu superpozīciju un pat sava veida "kvantu bitu", taču rezultāti ir pretrunīgi.
Kvantu efekti bioloģijā / RIA Novosti ilustrācija / Alina Polyanina, Depositphotos.
Putnu kompass
Putns ar nosaukumu “mazais šalle” veic tiešu lidojumu no Aļaskas uz Jaunzēlandi pāri Klusajam okeānam - 11 tūkstošus kilometru. Mazākā kļūda virzienā viņai maksātu dzīvību.
Ir noskaidrots, ka putnus vada Zemes magnētiskais lauks. Dažas migrējošās dziedošās sugas izjūt magnētiskā lauka virzienu piecu grādu robežās.
Lai izskaidrotu unikālās navigācijas spējas, zinātnieki izvirzīja hipotēzi par iebūvētu putna kompasu, kas ir ķermeņa magnīta daļiņa.
Saskaņā ar citu viedokli putna acs tīklenē ir īpaši receptoru proteīni, kurus ieslēdz saules gaisma. Fotoni izsit elektronus no olbaltumvielu molekulām, pārvēršot tos par brīvajiem radikāļiem. Tie iegūst lādiņu un, tāpat kā magnēti, reaģē uz magnētisko lauku. Tās izmaiņas spēj pārslēgt pāris radikāļus starp diviem stāvokļiem, kas pastāv it kā vienlaicīgi. Paredzēts, ka putni izjūt atšķirību šajos "kvantu lēcienos" un koriģē to gaitu.
Smarža
Cilvēks izšķir tūkstošiem smaku, bet fiziskie smakas mehānismi nav pilnībā zināmi. Nokļūstot uz gļotādas, smaržīgas vielas molekula satiekas ar olbaltumvielu molekulu, kas kaut kādā veidā to atpazīst un nosūta signālu nervu šūnām.
Ir aptuveni 390 cilvēku ožas receptoru veidi, kas apvieno un uztver visas iespējamās smakas. Tiek uzskatīts, ka smaržīgā viela kā atslēga atver receptoru slēdzeni. Tomēr smakas molekula ķīmiski nemainās. Kā receptors to atpazīst? Acīmredzot viņš sajūt kaut ko citu šajā molekulā.
Zinātnieki ir ierosinājuši elektronus tunelēt (caur enerģijas barjerām iziet bez papildu enerģijas) caur smaku molekulām un nēsāt zināmu informācijas kodu receptoriem. Atbilstošie eksperimenti ar augļu mušām un bitēm vēl nav devuši saprotamus rezultātus.
“Jebkuras sarežģītas sistēmas, īpaši dzīvās šūnas, izturēšanos nosaka mikroskopiski procesi (ķīmija), un šādus procesus var aprakstīt tikai kvantu mehānika. Mums vienkārši nav citas alternatīvas. Cits jautājums ir, cik efektīvs šodien ir šis apraksts. Sarežģītu sistēmu kvantu mehānika - to sauc par kvantu informātiku - joprojām ir sākumstadijā”, - komentē RIA Novosti Jurijs Ožigovs, Maskavas Valsts universitātes Lomonosova Skaitļošanas matemātikas un kibernētikas fakultātes Superdatoru un kvantu informātikas katedras darbinieks.
Profesors uzskata, ka kvantu bioloģijas progresu kavē tas, ka nedzīvajiem priekšmetiem tiek asināti mūsdienu fiziskie instrumenti, ir problemātiski veikt eksperimentus ar dzīvām sistēmām ar viņu palīdzību.
“Es ceru, ka šīs ir īslaicīgas grūtības,” viņš secina.
Tatjana Pičugina