دانشمندان در طول چند دهه گذشته، پیشرفت‌های باورنکردنی در درک و دستکاری سیستم‌های بیولوژیکی در مقیاس‌های کوچکتر، از تا کردن پروتئین گرفته تا مهندسی ژنتیک داشته‌اند اما با وجود این پیشرفت‌ها، میزان تأثیر اثرات کوانتومی بر سیستم‌های زنده به سختی قابل درک است.

اثرات کوانتومی، پدیده‌هایی هستند که بین اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهند و با فیزیک کلاسیک قابل توضیح دادن نیستند. بیش از یک قرن است که مشخص شده قوانین مکانیک کلاسیک مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی شکسته می‌شوند. در عوض، اجسام ریز براساس مجموعه قوانین متفاوتی که مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود، رفتار می‌کنند.

برای انسان‌هایی که فقط می‌توانند دنیای ماکروسکوپی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح را درک کنند، مکانیک کوانتومی می‌تواند خلاف واقع و تا حدودی جادویی به نظر برسد. چیزهایی که شاید انتظار وقوع آنها را نداشته باشید، ممکن است در دنیای کوانتومی اتفاق بیفتند؛ مانند الکترون‌هایی که در موانع کوچک انرژی تونل می‌زنند و بدون آسیب دیدن در طرف دیگر موانع ظاهر می‌شوند یا قرار گرفتن هم‌زمان در دو مکان متفاوت که طی پدیده‌ای به نام برهم‌نهی کوانتومی رخ می‌دهد.

پژوهش‌های حوزه مکانیک کوانتومی معمولا به سوی فناوری جهت می‌گیرند. با وجود این، شواهد فزاینده‌ای وجود دارند که نشان می‌دهند طبیعت آموخته است چگونه از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهینه استفاده کند. اگر این واقعا درست باشد، بدین معناست که درک ما در مورد زیست‌شناسی کاملا ناقص است. همچنین، این موضوع بدین معناست که ما احتمالا می‌توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با استفاده از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل کنیم.

کوانتومی بودن در زیست‌شناسی احتمالا واقعی است

پژوهشگران می‌توانند برای ساخت فناوری بهتر، در پدیده‌های کوانتومی دست ببرند. در واقع، شما در حال حاضر در دنیایی با انرژی کوانتومی زندگی می‌کنید. همه فناوری‌های کنونی از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، ام‌آرآی و ترانزیستورهای موجود در رایانه شما، به اثرات کوانتومی متکی هستند.

به طور کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس‌های طولی و جرمی بسیار کوچک یا زمانی که دما به صفر مطلق نزدیک می‌شود، خود را نشان می‌دهند. دلیل این است که مولفه‌های کوانتومی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها زمانی که به‌ طور غیر قابل کنترل در تعامل با یکدیگر و محیط خود قرار می‌گیرند، قابلیت کوانتومی بودن خود را از دست می‌دهند. به عبارت دیگر، یک مجموعه ماکروسکوپی از اجسام کوانتومی، با قوانین مکانیک کلاسیک بهتر توصیف می‌شود. هر چیزی که کوانتومی بودن را آغاز می‌کند، از نظر 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 و این دقیقا همان چیزی است که در قوانین کلاسیک انتظار می‌رود.

بنابراین، در یک سیستم بیولوژیکی پیچیده و پر سر و صدا انتظار می‌رود که بیشتر اثرات کوانتومی در محیطی که «اروین شرودینگر»(Erwin Schrödinger) فیزیکدان اتریشی، آن را «محیط گرم و مرطوب سلول» می‌نامد، به سرعت ناپدید شوند. این واقعیت که جهان زنده در دماهای بالا و در محیط‌های پیچیده عمل می‌کند، برای بیشتر فیزیک‌دانان به این معناست که زیست‌شناسی را می‌توان به اندازه کافی و به طور کامل با فیزیک کلاسیک توصیف کرد.

با وجود این، شیمی‌دانان برای مدت طولانی اصرار به تفاوت داشتند. پژوهش‌های صورت‌گرفته روی واکنش‌های شیمیایی پایه در دمای اتاق، به ‌طور واضح نشان می‌دهند 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 زیست‌شناسان در سلول‌ها و موجودات زنده اندازه‌گیری کرده‌اند، سازگار هستند. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که اثرات کوانتومی بر عملکردهای بیولوژیکی از جمله تنظیم فعالیت آنزیم، حس کردن میدان‌های مغناطیسی، متابولیسم سلولی و انتقال الکترون در مولکول‌های زیستی تأثیر می‌گذارند.

چگونه زیست‌شناسی کوانتومی را مطالعه کنیم؟

این احتمال وسوسه‌انگیز که اثرات کوانتومی ظریف می‌توانند فرآیندهای بیولوژیکی را تغییر دهند، هم یک مرز هیجان‌انگیز و هم یک چالش را برای دانشمندان ایجاد می‌کند. مطالعه اثرات مکانیک کوانتومی در زیست‌شناسی، به روش‌هایی نیاز دارد که بتوانند مقیاس‌های زمانی کوتاه، مقیاس‌های طولی کوچک و تفاوت‌های ظریف در حالت‌های کوانتومی را که به تغییرات فیزیولوژیکی منجر می‌شوند، اندازه‌گیری کنند و همه در یک محیط آزمایشگاهی مرطوب سنتی یکپارچه‌سازی شوند.

همانطور که الکترون‌ها جرم و بار دارند، دارای خاصیت کوانتومی به نام «اسپین»(Spin) نیز هستند. اسپین، نحوه تعامل الکترون‌ها با میدان مغناطیسی را به همان ترتیبی مشخص می‌کند که بار الکتریکی، نحوه تعامل الکترون‌ها با یک میدان الکتریکی را نشان می‌دهد. آزمایش‌های کوانتومی، با هدف اعمال میدان‌های مغناطیسی مناسب برای تغییر دادن اسپین‌ الکترون‌های ویژه صورت می‌گیرند.

پژوهش‌ها نشان داده‌اند که بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی، تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی ضعیف هستند. این فرآیندها، رشد و بلوغ سلول‌های بنیادی، میزان تکثیر سلولی، ترمیم مواد ژنتیکی و موارد بی‌شمار دیگر را شامل می‌شوند. واکنش‌های فیزیولوژیکی به میدان‌های مغناطیسی، با واکنش‌های شیمیایی سازگار هستند که به اسپین الکترون‌های ویژه درون مولکول‌ها بستگی دارند. بنابراین، اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف برای تغییر دادن اسپین‌های الکترون می‌تواند محصولات نهایی یک واکنش شیمیایی را به طور موثر با پیامدهای فیزیولوژیکی مهم کنترل کند.

عدم درک چگونگی عملکرد چنین فرآیندهایی در سطح نانو، در حال حاضر پژوهشگران را از تعیین دقیق قدرت و فرکانس میدان‌های مغناطیسی که به واکنش‌های شیمیایی خاص در سلول‌ها منجر می‌شوند، باز می‌دارد. فناوری‌های کنونی تلفن همراه، پوشیدنی و کوچک‌سازی، برای تولید میدان‌های مغناطیسی مناسب و ضعیفی که فیزیولوژی را تغییر می‌دهند، کافی هستند. از این رو قطعه گمشده این پازل، یک کتاب رمز قطعی در مورد نحوه ترسیم علل کوانتومی برای نتایج فیزیولوژیکی است.

در آینده، تنظیم دقیق ویژگی‌های کوانتومی طبیعت می‌تواند پژوهشگران را قادر سازد تا به ساخت دستگاه‌های درمانی غیرتهاجمی، کنترل از راه دور و قابل دسترسی با تلفن همراه بپردازند. شاید درمان‌های الکترومغناطیسی را بتوان برای پیشگیری و درمان بیماری‌هایی مانند تومورهای مغزی و همچنین در تولید زیستی مانند افزایش تولید گوشت آزمایشگاهی مورد استفاده قرار داد.

یک روش کاملا جدید برای کسب علم

زیست‌شناسی کوانتومی، یکی از میان‌رشته‌ای‌ترین حوزه‌هایی است که تاکنون پدید آمده‌اند. چگونه می‌توان جامعه را ساخت و دانشمندانی را برای کار کردن در این زمینه تربیت کرد؟

از زمان همه‌گیری کووید-۱۹، آزمایشگاه «دکتر کلاریس آیلو»(Clarice Aiello) در «دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس»(UCLA) و «مرکز آموزش دکتری زیست‌شناسی کوانتومی»(QB-DTC) در «دانشگاه ساری»(University of Surrey)، جلسات بیولوژی کوانتومی بزرگی را ترتیب داده‌اند تا یک انجمن هفتگی غیررسمی را برای پژوهشگران فراهم کنند. هدف این است که پژوهشگران بتوانند در زمینه‌هایی مانند جریان اصلی فیزیک کوانتومی با یکدیگر ملاقات کنند و تخصص خود را در حوزه‌هایی مانند بیوفیزیک، پزشکی، شیمی و زیست‌شناسی به اشتراک بگذارند.

پژوهش‌هایی که می‌توانند پیامدهای دگرگون‌کننده‌ای را برای زیست‌شناسی، پزشکی و علوم فیزیکی به همراه بیاورند، به مشارکت در یک گروه همکاری نیاز دارند که به همان اندازه متحول‌کننده باشد. کار کردن در یک آزمایشگاه یکپارچه‌سازی‌شده، به دانشمندان رشته‌هایی که رویکردهای بسیار متفاوتی برای پژوهش دارند، کمک می‌کند تا آزمایش‌هایی را انجام دهند که گستره زیست‌شناسی را از کوانتومی گرفته تا مولکولی، سلولی و ارگانیسمی برآورده می‌سازد.

وجود زیست‌شناسی کوانتومی به عنوان یک رشته نشان می‌دهد که درک سنتی در مورد فرآیندهای زندگی ناقص است. پژوهش‌های بیشتر به ارائه اطلاعات جدیدی در مورد این پرسش قدیمی کمک می‌کنند که زندگی چیست، چگونه می‌توان آن را کنترل کرد و چگونه می‌توان برای ساخت فناوری‌های کوانتومی بهتر، از طبیعت یاد گرفت.