BBC - Earth - Organismen könnten Quanten Maschinen sein

Wenn es irgendein Thema ist, das perfekt auf die Idee kapselt, dass die Wissenschaft schwer zu verstehen ist, dann ist es die Quantenphysik. Wissenschaftler sagen uns, dass die Miniatur Bewohner des Quantenreich in scheinbar unmögliche Weise verhalten: sie können gleichzeitig an zwei Stellen vorhanden sind, oder verschwinden und woanders sofort wieder.

Die eine rettende Gnade ist, dass diese wirklich bizarre Quantenverhalten scheinen nicht viel Einfluss auf die makroskopischen Welt zu haben, wie wir sie kennen, in dem „klassischen“ Physik des Quartiers regiert.

Oder zumindest, das ist, was Wissenschaftler gedacht, bis vor ein paar Jahren.

Quantenprozesse könnten hinter einigen sehr vertraut Prozesse bei der Arbeit

In der Tat könnten Quanteneffekte etwas sein, das die Natur in seine Batterie von Werkzeugen rekrutiert, um das Leben der Arbeit besser zu machen, und unsere Körper in glattere Maschinen zu machen. Es ist sogar möglich, dass wir mit Hilfe von der seltsamen Quantenwelt mehr tun kann, als wir konnten, ohne sie.

Auf einer Ebene sieht Photosynthese sehr einfach. Pflanzen, Grünalgen und einige Bakterien nehmen in Sonnenlicht und Kohlendioxid, und sie in Energie. Was Zipperlein in den Rücken von Biologen Köpfen, ist jedoch, dass photosynthetischen Organismen der Prozess aussehen nur ein wenig zu einfach machen.

Es ist ein Teil der Photosynthese insbesondere die Wissenschaftler ein Rätsel. Ein Photon - ein Lichtteilchen - nach einer Reise von Milliarden von Kilometer durch den Raum rast, kollidiert mit einem Elektron in einem Blatt vor dem Fenster. Das Elektron, einen schweren Tritt von dieser Energieschub gegeben, beginnt um auf die Beine, ein wenig wie ein Flipper. Es macht seinen Weg durch einen winzigen Teil der Zelle Blatt, und gibt ihre zusätzliche Energie ein Molekül, das als Energie Währung wirken kann, die Anlage zu tanken.

Photosynthetischen Organismen, den Prozess aussehen nur ein wenig zu einfach

Das Problem ist, diese kleine Flipper verdächtig gut funktioniert. Die klassische Physik schlägt das angeregte Elektron eine bestimmte Menge an Zeit, um Karriere nehmen sollte um innerhalb der photosynthetischen Maschinerie in der Zelle, bevor sie auf der anderen Seite entstehen. In Wirklichkeit macht das Elektron die Reise sehr viel schneller.

Was mehr ist, verliert das angeregte Elektron kaum Energie an alle in dem Prozess. Die klassische Physik würde eine Verschwendung von Energie in den lauten Unternehmen vorhersagen von rund um die molekularen Flipper geschlagener werden. Der Prozess ist zu schnell, zu glatt und zu effizient. Es scheint nur zu gut um wahr zu sein.

Dies könnte einen Teil der Antwort, wie die angeregten Elektronen gehen durch den photo Flipper so schnell und effizient sein. Ein Quanteneffekt ist die Möglichkeit, an vielen Orten gleichzeitig zu existieren - eine Eigenschaft als Quantenüberlagerung bekannt. Mit dieser Eigenschaft erforscht das Elektron könnte möglicherweise viele Routen rund um die biologische Flipper auf einmal. Auf diese Weise könnte es fast sofort wählen Sie den kürzesten und effizienteste Weg, die geringste Menge an Prellen über Beteiligung.

Die Quantenphysik hat das Potenzial, zu erklären, warum Photosynthese verdächtig effizient war - eine schockierende Offenbarung für Biologen.

„Ich denke, das war, als die Menschen begannen zu denken, dass etwas wirklich aufregend los war“, sagt Susana Huelga. Quantenphysiker an der Universität Ulm in Deutschland.

Die Quantenphysik hat das Potenzial, zu erklären, warum Photosynthese verdächtig effizient war - eine schockierende Offenbarung für Biologen

Die feuchte, warme, lebendige Umgebung von lebenden Zellen ist der letzte Ort, den Sie Quantenereignisse sehen erwarten könnten. „[Aber] auch hier Quanten Features noch am Leben sind“, sagt Huelga.

„Der nächste Schritt wird einige quantitative Ergebnisse werden mit sagen, dass die Effizienz dieser biologischen Maschine Quantenphänomene dies zurückzuführen ist.“

Quanteneffekte in der Biologie könnte erklären, wie Zugvögel wissen, welche Art und Weise zu fliegen

In einer Reise über Tausende von Kilometern lang, ein Zugvogel wie das Rotkehlchen wird oft nach Südeuropa oder Nordafrika fliegt besonders kalte Winter zu entfliehen. Diese Reise über eine unbekannte Landschaft wäre gefährlich, wenn nicht unmöglich, ohne Kompass. Starten Sie die Reise in der falschen Richtung und ein Rotkehlchen Einstellung von Polen ab enden könnte in Sibirien statt Marokko.

Ein biologischer Kompass ist keine einfache Sache Bild. Wenn es irgendeine Form von winzigen magnetischen Eisennadelartige Struktur war innerhalb eines Rotkehlchens Gehirn oder den Augen Spinnen tief, würde Biologen fast sicher wissen darüber jetzt. Aber kein Glück: eine biologische Struktur, die die Arbeit tun konnte, wurde nie gefunden.

Eine andere Theorie, erst in den späten 1970er Jahren vorgeschlagen, schlug eine alternative Möglichkeit Vögel wissen könnte, welche Art und Weise zu fliegen: vielleicht haben sie einen chemischen Kompass tragen, die auf Quantenphänomenen beruht zu sagen, welche Art und Weise Norden.

Peter Hore. Chemiker an der University of Oxford in Großbritannien, sagt, dass eine solche chemischen Kompass mit Hilfe von Molekülen mit erregbaren einsamen Elektronen funktionieren würde, als Radikale bekannt sind, und eine Quanten Eigenschaft als Spin bekannt.

A „lone“ Elektronen Spinne auf seinem eigenen sind frei mit seiner Umgebung zu interagieren - einschließlich Magnetfelder

Wie sich herausstellt, sagt Hore, kann Rotkehlchen vorübergehend desorientiert werden, wenn sie Radiowellen ausgesetzt - eine Art von elektromagnetischen Wellen - von einem bestimmten Frequenzbereich. Wenn eine Radiowelle mit einer Frequenz von genau die gleichen Rate hat, dass ein Elektron dreht, könnte es das Elektron verursachen mitzuschwingen. Dies ist die gleiche Art von Resonanz Sie auftreten können, wenn Sie in der Dusche singen - bestimmte Noten viel lauter und voller als andere klingen. die richtige Radiowellenfrequenz Schlagen wird das Elektron stärker auf die gleiche Weise vibrieren.

Aber was hat das mit der Idee zu tun, die Vögel einen chemischen Kompass benutzen? Die Theorie ist, dass gewöhnlich, Radikale an der Rückseite des Auges des Vogels auf das Magnetfeld der Erde reagieren. Das Magnetfeld bewirkt, dass das Elektron seinen Platz in der chemischen Kompass verlassen und eine Kette von Reaktionen beginnen, eine bestimmte Chemikalie zu produzieren. Solange der Vogel in der gleichen Richtung hält, mehr der Chemikalie aufzubauen.

So ist die Menge dieser Chemikalie vorhanden ist, eine Informationsquelle, die Erzeugung von Signalen in den Nervenzellen des Vogels. Im Rahmen vieler verschiedenen Umweltreize, werden diese Informationen den Vogel informieren, ob es in Richtung Sibirien oder Marokko zeigt.

Die Funkwellen-Beobachtung ist wichtig, weil wir etwas erwarten würden, die mit Elektronenspin stört zumindest im Prinzip in der Lage sein, die chemische Kompass zu stören. Es kann als nützlich sein, zu untersuchen, warum etwas manchmal nicht funktioniert, wie es zu studieren ist, warum es Arbeit in der Regel der Fall ist.

Trotzdem bleibt die Quanten Kompass eine Idee. Es ist noch nicht in der Natur gefunden. Hore wurde auf herauszufinden, konzentriert, wie die Quanten Kompass im Prinzip arbeiten können, Moleküle verwenden, die theoretisch sollte den Job in der Lage sein zu tun.

Die Quanten Kompass bleibt eine Idee - es ist noch nicht in der Natur gefunden worden

„Wir haben getan Experimente an Modellverbindungen, das Prinzip zu schaffen, dass man einen chemischen Kompass machen kann“, sagt Hore. Diese haben dazu beigetragen, einige Moleküle zu, die für den Zweck der Erfassung von Magnetfeld fit zu sein scheinen, sagt er. „Was wir nicht wissen, ist, ob sie auf genau die gleiche Art und Weise in einer Zelle in dem Vogelkörper verhalten.“

Es ist ein Feld, das zu demonstrieren, die Realität der Quantenbiologie verlockend nah scheint, aber: die Wissenschaft des Geruchs.

Genau wie unsere Nasen sind in der Lage zu unterscheiden und eine Vielzahl von unterschiedlich geformter Identifizierung von Molekülen, ist eine große Herausforderung für konventionelle Theorien des Geruchssinns. Wenn ein stinkendes Molekül in ein unserer Nase weht, ist noch niemand ganz sicher, was als nächstes passiert. Irgendwie wirkt das Molekül mit einem Sensor - ein molekularer Rezeptor - eingebettet in der empfindlichen Innenhaut unserer Nase.

Wie genau sind die Nasen der Lage zu unterscheiden, und eine Vielzahl von unterschiedlich geformten Moleküle zu identifizieren?

Eine gut ausgebildete menschliche Nase kann zwischen Tausenden von verschiedenen Gerüchen unterscheiden. Aber wie wird diese Information in der Form des stinkenden Moleküls durch ist ein Rätsel. Viele Moleküle, die fast identisch in der Form sind, sondern um ein Atom oder zwei für den Austausch, haben sehr unterschiedliche Gerüche. Vanillin riecht nach Vanille, aber Eugenol, die in ihrer Form sehr ähnlich ist, riecht nach Nelken. Einige Moleküle, die ein Spiegelbild voneinander sind - genau wie die rechte Seite und die linke Hand - auch verschiedene Gerüche haben. Aber ebenso, einige sehr unterschiedlich geformte Moleküle können fast genau riechen gleich.

Luca Turin. die Art und Weise zu knacken hat gearbeitet, Chemiker am Institut BSRC Alexander Fleming in Griechenland, dass die Eigenschaften eines Moleküls seinen Duft kodieren. „Es ist etwas sehr, sehr eigentümlich im Kern des Geruchssinns, die, dass unsere Fähigkeit, Moleküle und Atome zu analysieren, um irgendwie ist inkonsistent mit dem, was wir denken, dass wir über die molekulare Erkennung wissen“, sagt Turin.

Er argumentiert, dass die Form allein des Moleküls nicht genug ist, seinen Geruch zu bestimmen. Er sagt, dass es die Quanteneigenschaften der chemischen Bindungen im Molekül ist, das die entscheidenden Informationen zur Verfügung stellt.

Nach der Quantentheorie des Geruchssinns von Turin, wenn ein stinkendes Molekül der Nase eintritt und an einen Rezeptor bindet, ermöglicht es ein Prozess Quantentunneln passiert in dem Rezeptor genannt.

Wenn ein stinkendes Molekül die Nase eintritt und an einen Rezeptor bindet, ermöglicht es Quantentunnelns passieren

In dem Quantentunnel, kann ein Elektron durch ein Material gelingt von Punkt A zu Punkt B auf eine Weise zu springen, die den Zwischenraum zu überbrücken scheint. Wie bei dem Quanten Kompass des Vogels, ist der entscheidende Faktor Resonanz. Eine besondere Bindung im Molekül stinkende, Turin, so kann mit der richtigen Energie in Resonanz ein Elektron auf der einen Seite des Rezeptormoleküls Sprung auf die andere Seite zu helfen. Das Elektron kann nur machen diesen Sprung durch den sogenannten Quantentunnel, wenn die Bindung mit der richtigen Energie vibriert.

„Der Geruchssinn einen Mechanismus erfordert, dass irgendwie die tatsächliche chemische Zusammensetzung des Moleküls beinhaltet“, sagt er. „Es war dieser Faktor, der eine sehr natürliche Erklärung in Quantentunnelns gefunden.“

Der stärkste Beweis für die Theorie ist Turin Entdeckung, dass zwei Moleküle mit extrem unterschiedlichen Formen können die gleichen Geruch, wenn sie Anleihen mit ähnlichen Energien enthalten.

Turin sagte voraus, dass Borane - relativ seltene Verbindungen, die kommen von schwer - roch sehr wie Schwefel oder faulen Eiern. Er hat nie einen Boran vor Stint, so die Vorhersage war recht ein Glücksspiel.

Er hatte recht. Turin sagt, dass für ihn, dass das entscheidende Argument ist. „Boran Chemie ist ganz anders - in der Tat gibt es Null Beziehung - zu Schwefelchemie. Das einzige, was die beiden gemeinsam haben, ist eine Schwingungsfrequenz. Sie sind die einzigen zwei Dinge da draußen in der Natur, von Schwefel riechen.“

Während diese Vorhersage ein großer Erfolg für die Theorie war, ist es nicht ultimative Beweis. Im Idealfall Phänomen der Ausbeutung Quanten Turin will diese Rezeptoren in der Tat ertappen. Er sagt, sie „ziemlich nahe“ Nageln diese Experimente bekommen. „Ich will nicht, es verhexen, aber wir arbeiten daran“, sagt er. „Wir denken, wir haben einen Weg, es zu tun, so dass wir auf jeden Fall einen gehen in den nächsten Monaten gehen zu müssen. Ich denke, dass nichts weniger als das wird wirklich vorwärts Dinge bewegen.“

Turin will auszubeuten Quantenphänomene diese Rezeptoren in der Tat ertappen

Unabhängig davon, ob die Natur Verwendung von Quantenphänomenen entwickelt hat, um Organismen zu helfen, Kraftstoff aus Licht, sagen Norden von Süden machen, oder unterscheiden Vanille aus Nelke, die seltsamen Eigenschaften der atomaren Welt können uns noch viel über die feineren Arbeiten des Lebens erzählen Zellen

„Es gibt eine zweite Möglichkeit, zu sehen, wie die Quantenmechanik mit der Biologie in Wechselwirkung tritt, und das ist durch Erfassen und Sondieren“, sagt Huelga. „Quantum-Sonden der Lage wäre, Licht auf viele interessante Dinge in der Dynamik biologischer Systeme zu vergießen.“

Und ob nicht die Natur war zuerst da, es ist keine Entschuldigung für uns nicht Biologie mit Quantenphänomenen zu mischen, um neue Technologien zu entwickeln, sagt sie. Die Nutzung von Quanteneffekten in biologisch inspirierten Photovoltaik-Zellen, zum Beispiel könnte geben Solarzellen einen enormen Schub in Effizienz. „In diesem Moment gibt es eine ganze Reihe von Aktivitäten in der organischen Photovoltaik, um zu sehen, ob mit natürlichen oder künstlichen Strukturen kann man eine höhere Effizienz hat, die Quanteneffekte zu nutzen.“

Also selbst wenn alternative, bisher völlig unbekannte Mechanismen entstehen für diese hartnäckigen biologische Rätsel, Biologen und Quantenphysiker wird sicherlich nicht die letzte voneinander gesehen haben. „Das wird auf jeden Fall eine Geschichte mit einem glücklichen Ende sein“, sagt sie.