«Bakterien Schrödinger»: das Wunder der Quanten-Biologie?

14

Quanten-Welt ist sehr seltsam. In der Theorie und in der Praxis bis zu einem gewissen Grad, die Grundsätze der Quanten-Welt benötigen, um ein Teilchen zur Verfügung gestellt werden konnte an zwei Orten gleichzeitig ist ein paradoxes Phänomen bekannt als Superposition — und damit zwei Teilchen könnten «verwechseln», den Austausch von Informationen über beliebig große Entfernungen. Wie genau, das weiß niemand genau. Das berühmteste Beispiel der Fremdheit der Welt der Quanten nennen kann Schrödingers Katze, ein Gedankenexperiment, die Erwin Шредингером im Jahr 1935.

Der österreichische Physiker gedanklich legte die Katze in der Kiste mit potenziell tödlichen Strahlenkrankheit. Die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik erlauben die Katze existieren in Superposition von zwei Zuständen gleichzeitig lebendigen und Toten — zumindest, solange die Box nicht geöffnet wird und Ihr Inhalt — entdeckt.

Die Eigenheiten der Welt der Quanten

Bei aller Fremdheit, dieses Konzept wurde experimentell bestätigt unzählige Male in der Quanten-Skalen. Aber beim skalieren bis zu unserem, so zu sprechen, eine möglichst einfache und verständliche makroskopischen Welt, alles ändert sich. Noch niemand sah einen Stern, den Planeten oder die Katze in der Superposition oder in einem Zustand der Quanten-Verschränkung. Aber seitdem die Quantentheorie erstmals formuliert wurde Anfang des 20 Jahrhunderts, die Wissenschaftler gefragt, wo genau überschneiden sich mikroskopische und makroskopische Welten? Wie groß kann die Quanten-Realität und ob es jemals groß genug, um Ihr die seltsame Aspekte möglich war eng verknüpft mit Lebewesen? In den letzten zwei Jahrzehnten erschien das Gebiet der Quanten-Biologie suchte Antworten auf diese Fragen bietet und ausgiebige Experimente an lebenden Organismen, die helfen könnten, tappen die Grenzen der Quantentheorie.

Diese Experimente brachten bereits interessante, aber unklare Ergebnisse. Zu Beginn dieses Jahres, zum Beispiel, haben die Wissenschaftler gezeigt, dass der Prozess der Photosynthese — wenn Organismen Lebensmittel produzieren, unter Verwendung von Licht kann umfassen einige Quanteneffekte. Navigation der Vögel oder unser Geruchssinn auch sagen, dass die Quanteneffekte manifestieren können bei Lebewesen in der ungewöhnlichsten Weise. Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs der Welt der Quanten. Bisher hat niemand geschafft, zu zwingen, den ganzen lebendigen Organismus, der nicht einmal одноклеточную Bakterie — zeigen, Quanten-Effekte wie Verwirrung oder Superposition.

Und siehe da, das neue Werk von Wissenschaftlern der Universität Oxford macht einige verwundert die Augenbrauen heben: Sie schreiben darin, dass es Ihnen gelang, erfolgreich zu verwirren Bakterien mit Photonen — Teilchen des Lichts. Eine Studie der Quanten-Physiker Кьярой Марлетто und veröffentlicht im Oktober im Journal of Physics Communications, ist eine Analyse eines Experiments im Jahr 2016 David Коулсом von der University of Sheffield und seine Kollegen. In dem Experiment Коулс und Unternehmen haben mehrere hundert grünen photosynthetischen Schwefelquelle Bakterien zwischen zwei spiegeln, schrittweise Verringerung der Abstand zwischen den spiegeln bis zu mehreren hundert Nanometern — das ist kleiner als die Breite eines menschlichen Haares. Flüssiges weißes Licht durch Spiegel, die Wissenschaftler hofften, dass photosynthetic Moleküle in Bakterien bilden Paare oder interagieren — mit der leere, das heißt die Bakterien werden kontinuierlich absorbieren, emittieren und wieder absorbieren springenden Photonen. Das Experiment war erfolgreich. Etwa sechs Bakterien bildeten auf dieser Basis werden Paare.

Марлетто und Ihre Kollegen behaupten, dass die Bakterien bildeten nicht nur ein paar mit dem Hohlraum. In seiner Analyse zeigten Sie, dass die energetischen Signaturen, die im Laufe des Experiments, können kompatibel sein mit Systemen durch Bakterien, verwirrten mit dem Licht im Hohlraum. In der Tat, es scheint, dass einige Photonen gleichzeitig schlugen und ließen photosynthetic Moleküle im inneren der Bakterien — das war das Unterscheidungsmerkmal Verschleierung.

«Unsere Modelle zeigen, dass dieses Phänomen kann als einer Verschränkung zwischen dem Licht und den vorgegebenen Freiheitsgraden innerhalb der Bakterien», sagt Sie.

Nach den Worten des Mitverfassers der Studie Tristan Фарроу, die auch von Oxford, dieses Phänomen wurde erstmals im lebenden Organismus beobachtet. «Es ist definitiv der Schlüssel zum Beweis der Tatsache, dass wir irgendwie bewegen uns in Richtung der Ideen «Bakterien Schrödinger», sozusagen», sagt er. Und es ist eine Anspielung auf eine andere mögliche Spezialfall der Quanten-Biologie in der natürlichen Umwelt: grüne серобактерии Leben in der Tiefsee, wo das Defizit des Leben spendenden Licht kann stimulieren Quanten-mechanische evolutionäre Anpassung für die Beschleunigung und Aufrechterhaltung der Photosynthese.

Bei solchen strittigen Aussagen gibt es jedoch viele Fallstricke. Vor allem, Nachweis der Verstrickung in diesem Experiment wird eine indirekte, unabhängig davon, wie der Beobachter entscheidet interpretieren Licht fließt und durch die sich aus der begrenzten Hohlraum Bakterien. Марлетто und Ihre Kollegen erkennen, dass das klassische Modell, frei von Quanten-Effekten, könnte auch erklären, die Ergebnisse dieses Experiments. Aber, natürlich, Photonen sind nicht die klassischen überhaupt — Sie Quanten. Und dennoch realistischer «полуклассическая» Modell, das Newtons Gesetze für Bakterien und Quanten-Gesetze für Photonen, die nicht wiedergegeben werden können, werden die Ergebnisse Коулсом und seine Kollegen im Labor. Dies zeigt an, dass Quanten-Effekte treten sowohl für Licht als auch für Bakterien.

Ein anderer Fallstrick: Bakterien und Energie des Photons gemessen zusammen und nicht einzeln. Es ist, laut Simon Греблахера von der technischen Universität Delft in den Niederlanden, der nicht an der Studie beteiligt, ist eine gewisse Einschränkung. «Kann es scheinen, dass etwas auf der quantenebene», sagt er. «Aber… in der Regel, wenn wir zeigen, Verwirrung, wir Messen zwei Systeme unabhängig», um zu bestätigen, dass alle Quanten-Korrelationen zwischen Ihnen werden authentisch.

Trotz dieser Unsicherheit, für viele Experten der Quanten-biologisches übergang von der theoretischen Vision zur Realität, das kann man fühlen, es ist keine Frage der Möglichkeiten — ist eine Frage der Zeit. Einzeln und gemeinsam die Moleküle außerhalb von biologischen Systemen zeigten bereits Quanten-Effekte in Labor-Experimenten, die für Dutzende von Jahren, so dass die Suche nach diesen Effekten unter der Moleküle innerhalb der Bakterien oder gar unseren Körper scheint es nicht unvernünftig. In den Organismen von Menschen und anderen vielzelligen Wesen, allerdings sind solche molekulare Quanten-Effekte schwer zu erkennen war, aber bei den winzigen Bakterien — warum nicht? «Es ist eine angenehme Entdeckung, wenn auch die erwartete», sagt Греблахер. «Aber es wird auf jeden Fall eine überraschung, wenn Sie es zeigen am Beispiel der realen biologischen System».

Einige Forschungsgruppen, die von einschließlich Греблахером und Фарроу, hoffen, diese Ideen zu entwickeln noch mehr. Греблахер entwickelte ein Experiment, das konnte legen die kleinen Tierchen — тихоходку — in den Zustand der Superposition. Es wird viel schwieriger, als Verschränkung von Bakterien mit Licht wegen der relativ großen Größe тихоходок. Фарроу prüft Möglichkeiten zur Verbesserung der ein Experiment mit Bakterien; im nächsten Jahr werden er und seine Kollegen hoffen verwirren zwei Bakterien zusammen, ohne Licht.

«Es geht um das Verständnis der Natur der Realität und darüber, ob Quanteneffekte eine Rolle in den biologischen Funktionen. Tief in die Wurzel der Dinge ist, und die Quanten».

Könnte so sein, beispielsweise, dass die «Natürliche auslese erfunden Möglichkeiten für Live-Systeme auf Natürliche Weise verwenden quantenphänomene», sagte Марлетто, unter Berufung auf das Beispiel der oben erwähnte Photosynthese серобактерий in der Tiefsee. Aber Sie müssen klein anfangen. In einer aktuellen Experiment war erfolgreich verwirrend Million Atome. Natürlich, es ist sogar winzig im Vergleich zu den Bakterien. Aber wenn der Ansatz von unten nach oben funktioniert, eines Tages erwartet uns auf makroskopischer Ebene komplizierte Wesen, Gegenstände und auch Menschen.

Was denken Sie, ist das möglich? Erzählen Sie uns in unserem Chat in Телеграме.