زیست شناسی کوانتومی چیست ؟ + فتوسنتز + بویایی + بینایی + درک مغناطیسی + جهش ژنتیکی + بیوشیمی کوانتوم

زیست شناسی کوانتومی علم مطالعه کاربردهای مکانیک کوانتومی و شیمی نظری برای موجودات زیستی و مشکلات بیولوژیکی است. زیست شناسی کوانتومی از رشته های نوظهور در حوزه مطالعات مکانیک کوانتومی است که طی دهه گذشته مطالعات وسیعی را به خود اختصاص داده است. همان‌طور که می‌دانیم فیزیک کوانتوم بیشتر با پدیده‌های میکروسکوپی همچون الکترون، فوتون و اتم‌ها سر و کار دارد. بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی شامل تبدیل اقسام مختلف انرژی به اشکال قابل استفاده برای تحولات شیمیایی یا همان انرژی شیمیایی بوده که از نظر ماهیت مکانیکی کوانتومی هستند. چنین فرایندهایی شامل واکنشهای شیمیایی ، جذب نور ، تشکیل حالتهای برانگیخته الکترونی ، انتقال انرژی ، تحریک و انتقال الکترونها و پروتونها (یون های هیدروژن) در فرآیندهای شیمیایی مانند فتوسنتز ، بویایی و تنفس سلولی است. 

زیست شناسی کوانتومی ممکن است از محاسبات اثرات مکانیکی کوانتومی برای مدل سازی فعل و انفعالات بیولوژیکی استفاده کند. زیست شناسی کوانتومی به تأثیر پدیده های کوانتومی غیر بدیهی مربوط می شود که می تواند با تعریف فرآیند بیولوژیکی در فیزیک پایه توضیح داده شود هرچند این مطالعه این تأثیرات دشوار است و می تواند سوداگرانه بوده و مورد سواستفاده قرار گیرد. از آنجا که قضایای علم مکانیک کوانتومی و میزان واکنش و انتقال انرژی به خوبی اثبات شده و به درجه بالایی رسیده و تا حد زیادی تکامل یافته است هیچ اصول فیزیکی جدیدی که برای زمینه مطالعه زیست شناسی کوانتومی لازم به کشف باشد وجود ندارد. لازم به ذکر است که تا به امروز ، هیچ نظریه ای در مورد زیست شناسی کوانتومی وجود ندارد که دلالت بر وجود اثرات کوانتومی در موجودات ماکروسکوپی داشته باشد.

تاریخچه

زیست شناسی کوانتومی رشته ای جدید است. بیشتر تحقیقات حاضر نظری بوده و در معرض سؤالاتی است که نیاز به آزمایش بیشتر دارد. گرچه این رشته اخیراً توجه افرادی زیادی را به خود جلب کرده است ، اما در طول قرن بیستم توسط فیزیکدانان مفهوم سازی شده است. پیشگامان اولیه فیزیک کوانتومی کاربردهای مکانیک کوانتومی را در مشکلات بیولوژیکی مشاهده کردند. در کتاب “زندگی چیست؟” تالیف سال ۱۹۴۴ اروین شرودینگر کاربردهای مکانیک کوانتومی در زیست شناسی مورد بحث قرار گرفته است. شرودینگر ایده “کریستال دوره ای” را که شامل اطلاعات ژنتیکی پیوندهای شیمیایی کووالانسی بود معرفی کرد. وی همچنین پیشنهاد کرد که این واکنشهای ژنتیکی “جهش کوانتومی” نامگذاری شوند. پیشگامان دیگر این رشته آقایان نیلز بور ، پاسکال جردن و ماکس دلبراک استدلال می کردند که نظریه کوانتومی مکمل برای درک بهتر علوم دیگر اساسی و لازم است. در سال ۱۹۶۳ ، پرولو لودین نظریه تونل سازی پروتون را به عنوان مکانیسم دیگری برای جهش دی ان ای منتشر کرد. وی در مقاله خود اظهار داشت كه یك زمینه مطالعاتی جدید با نام “زیست شناسی كوانتومی” وجود دارد.

کاربردها : 

فتوسنتز

اندام های موجودات زنده که تحت فتوسنتز قرار می گیرند در ابتدا انرژی نور را از طریق فرایند تحریک الکترون در بخشی که مثل یک آنتن عمل میکند جذب می کنند. این آنتن یا گیرنده نور در بین موجودات زنده و ارگانیسم ها متفاوت است. باکتریها می توانند از ساختارهای حلقه مانند به عنوان آنتن استفاده کنند در حالی که گیاهان و ارگانیسم های دیگر از رنگدانه های کلروفیل برای جذب فوتون استفاده می کنند. این فرایند با تحریک الکترون، جدایی بار را در مکان واکنش انجام میدهد که بعداً برای استفاده در سلول موجود زنده به انرژی شیمیایی تبدیل می شود که باید قبل از بین رفتن به صورت کارآمد و به موقع منتقل شود.

جهش DNA یا جهش ژنتیکی

دی اکسیریبونوکلئیک اسید یا دی ان ای ، به عنوان دستورالعمل ساخت پروتئین در سراسر بدن عمل می کند که از ۴ نوکلئوتید گوانین ، تیمین ، سیتوزین و آدنین تشکیل شده است. ترتیب این نوکلئوتیدها “دستور العمل” ساخت پروتئین های مختلف را می دهد.

هر زمان که سلول تولید مثل می کند ، باید این رشته های DNA را کپی کند. با این وجود ، گاهی اوقات در طی مراحل کپی کردن رشته DNA یک جهش یا خطایی در کد DNA ایجاد می شود. نظریه ای برای استدلال جهش DNA توسط آقای لودین بیان شده است. در این تئوری ، نوکلئوتید ممکن است شکل خود را از طریق فرآیند تونل سازی کوانتومی تغییر دهد. به همین دلیل ، نوکلئوتید تغییر یافته توانایی جفت شدن با جفت پایه اصلی خود و در نتیجه تغییر ساختار و ترتیب رشته DNA را از دست می دهد.

قرار گرفتن در معرض چراغهای ماوراء بنفش و انواع دیگر اشعه می تواند باعث جهش و آسیب DNA شود. تشعشعات همچنین می توانند پیوندهای کوانتومی را در امتداد رشته DNA در پیریمیدینها تغییر دهند و باعث شوند تا با ایجاد یک دیمر ، خود را به هم پیوند دهند.

در بسیاری از پروکاریوت ها و گیاهان ، این پیوندها توسط یک آنزیم ترمیم DNA بنام فتولیاز به آنزیم اصلی ترمیم می شوند. همانطور که پیشوند آن نشان می دهد ، برای ترمیم رشته دی ان ای، فتولیاز به نور نیاز دارد. فتولیاز ضمن ترمیم DNA با کوفاکتور FADH ، فلاوین آدنین دینوکلئوتید کار می کند. فتولیاز با نور مرئی تحریم می شود و یک الکترون را به همعامل FADH منتقل می کند. FADH سپس با در اختیار داشتن یک الکترون اضافی ، الکترون را به دیمر می دهد تا پیوند را بشکند و DNA را ترمیم کند. این انتقال الکترون از طریق تونل سازی الکترون از FADH به دیمر انجام می شود که به دلیل توانایی پروتئین در افزایش نرخ تونل زنی الکترون امکان پذیر است.

نظریه ارتعاش حس بویایی

حس بویایی را می توان به دو بخش تقسیم کرد : ۱- دریافت و تشخیص یک ماده شیمیایی و ۲- نحوه ارسال و پردازش آن توسط مغز. فرایند تشخیص بویایی هنوز هم مبهم است. نظریه ای به نام “نظریه شکل بویایی” نشان می دهد که گیرنده های بویای خاصی توسط اشکال خاصی از مواد شیمیایی ایجاد می شوند و آن گیرنده ها پیام خاصی به مغز می فرستند. نظریه دیگر (بر اساس پدیده های کوانتومی) نشان می دهد که گیرنده های بویایی لرزش مولکول هایی را که به آنها می رسد تشخیص می دهند و “بو” ناشی از فرکانس های مختلف ارتعاش است ، این تئوری “لرزش یا ارتعاش بویایی” نامیده می شود.

این نظریه اولین بار در سال ۱۹۳۸ توسط مالکوم دیسون مطرح اما توسط لوکا تورین در سال ۱۹۹۶ شرح و بسط داده شده است .این تئوری بیان میکند که مکانیسم تشخیص حس بویایی به دلیل وجود گیرنده های پروتئین G است که لرزش های مولکولی را به دلیل تونل زنی الکترون غیرثابت در جایی که الکترون در بین مولکول ها انرژی خود را از دست می دهد تشخیص می دهد. در این فرایند ،. پس از برخورد ماده شیمیایی به گیرنده، یک مولکول محل اتصال را با یک گیرنده پروتئین G پر می کند، مواد شیمیایی بعنوان پلی عمل می كنند كه باعث می شود الکترون از طریق پروتئین منتقل شود. از آنجا که انتقال الکترون از طریق گیرنده ناممکن و آن معمولاً مانعی برای الکترونها است و نیز به دلیل لرزش مولکولی که در اثر اتصال به گیرنده ایجاد شده الکترون انرژی خود را از دست می دهد و در نتیجه توانایی بو کردن مولکول بوجود می آید.

بینایی انسان

بینایی انسان به منظور تبدیل سیگنال های نوری به پتانسیل عمل در فرآیندی به نام انتقال نور از انرژی کوانتومی استفاده می کند. در انتقال نور ، یک فوتون با یک کرومفور در یک گیرنده نور تعامل دارد. کروموفور فوتون را جذب می کند و تحت تابش فتوزومریزاسیون قرار می گیرد. این تغییر ساختار باعث تغییر در ساختار گیرنده عکس می شود و در نتیجه مسیرهای انتقال سیگنال منجر به ارسال سیگنال بصری می شوند. با این حال ، واکنش فوتوزومریزاسیون با سرعت بالا در کمتر از ۲۰۰ چهارم‌ثانیه رخ می دهد.

فعالیت آنزیمی (بیوشیمی کوانتومی)

آنزیم ها ممکن است از تونل کوانتومی برای انتقال الکترون ها در مسافت های طولانی استفاده کنند. این امکان وجود دارد که چیدمان کوانتومی پروتئین تکامل یابد تا درهم آمیختگی و انسجام کوانتومی پایدار بوجود بیاید. به طور خاص ، آنها می توانند درصد واکنشی را که از طریق تونل سازی هیدروژن ایجاد می شود را افزایش دهند. تونلینگ به توانایی یک ذره کوانتومی کوچک برای عبور از موانع انرژی اشاره دارد. الکترون ها هم خاصیت موجی و هم ذره ای دارند ، بنابراین می توانند از موانع فیزیکی به عنوان موج عبور کنند بدون اینکه قوانین فیزیک را نقض کنند. مطالعات نشان می دهد که انتقال الکترون از راه دور بین مراکز ردوکس از طریق تونل سازی کوانتومی نقش مهمی در فعالیت آنزیمی فتوسنتز و تنفس سلولی ایفا می کند. بدون تونل کوانتومی ، موجودات زنده قادر به تبدیل سریع انرژی به اندازه کافی  برای حفظ رشد سلولهایشان نیستند.

برداشت مغناطیسی

برداشت مغناطیسی یا درک مغناطیسی به توانایی حیوانات در جهت یابی با استفاده از میدان مغناطیسی زمین اشاره دارد. یک نظریه احتمالی برای توجیه درک مغناطیسی، مکانیسم جفت رادیکال درهم تنیده است. مکانیسم جفت رادیکال در شیمی چرخش به خوبی اثبات شده است و گمان میشود که در سال ۱۹۷۸ توسط شالتن و همکارانش برای توجیه نحوه درک مغناطیسی حیوانات ارائه شده باشد. فلاوپروتئین موجود در چشم رابین های اروپایی و سایر گونه های حیوانات ، تنها پروتئین شناخته شده برای ایجاد جفت های رادیکال ناشی از تصاویر در حیوانات است. عملکرد کریپتوکروم در گونه های مختلف متنوع است ، همچنین درک مغناطیسی در تاریکی نیز امکان پذیر است . آزمایشات از این تئوری اساسی پشتیبانی می کند که الکترون های جفت رادیکال می توانند به طور قابل توجهی تحت تأثیر میدان های مغناطیسی بسیار ضعیف قرار گیرند ، یعنی صرفاً در جهت میدان های مغناطیسی ضعیف می توانند بر واکنش جفت رادیکال تأثیر بگذارند و بنابراین می توانند شکل گیری محصولات شیمیایی را “کاتالیز کنند. محققان دیدند که وقتی رابین های اروپایی ، سوسک ها و حشرات باغی دیگر  در معرض فرکانس رادیویی قرار میگیرند که آن فرکانس زمینه های مغناطیسی و شیمی جفت رادیکال را هم داشته باشد آنگاه دیگر نمی توانند حرکت کنند ، بنابراین شواهدی را برای مکانیسم جفت رادیکال درک مغناطیسی پیدا کردند. برای اطلاعات بیشتر درباره این بخش ، مقاله مغناطیس درمانی را بخوانید

امیدواریم که از خواندن این مقاله نهایت لذت و استفاده را برده باشید.