حوزه‌های تخصصی فناوری‌های کوانتومی

زیست شناسی کوانتومی

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.

با توجه به نزدیکی ابعاد و مقیاس‌های دو علم زیست‌شناسی و فیزیک کوانتومی، به نظر می‌رسد که مکانیک کوانتومی در توصیف رفتار سامانه‌های زیستی باید نقش داشته باشد.  ساختار شیمیایی سامانه‌های زیستی از مولکول‌های پیچیده در ابعاد نانو و زیرنانومتری شکل گرفته است.

از دیدگاه تاریخی، می‌توان تولد زیست‌شناسی کوانتومی را به مقاله شرودینگر در سال ۱۹۴۳ نسبت داد. شرودینگر در کتاب مشهورش با عنوان «حيات چيست؟» وجود یک پایه‌ی مولکولی را برای وراثت ساختارهای زیستی پیشگویی کرد که زیست‌شناس‌ها سال‌ها بعد آن را تحت عنوان مولکول DNA شناسایی کردند. در سال 2000 گروه اتریشی به رهبری آنتوان زایلینگر آزمایش‌های جالبی را انجام دادند. آن‌ها آزمایش موج-ذره را برای دنیای ماکروسکوپیک انجام دادند و نشان دادند که ترکیب بزرگ و پیچیده‌ای مثل ترکیب C60 را زمانیکه از دوشکافی یانگ عبور می‌دهیم، طرح تداخلی را شاهد هستیم. به این ترتیب دور از انتظار نیست که رفتارهای کوانتومی را برای ساختارهای بزرگی همچون مولکول های آلی و زیستی شاهد باشیم.

در ابتدا پدیده‌هایی مثل تونل‌زنی یا درهم‌تنیدگی کوانتومی در محیط‌های زنده نادیده گرفته می‌شدند به این دلیل که این پدیده‌ها در محیط‌های گرم و مرطوب به سختی رخ می‌دهند. اما به مرور زمان موارد جدیدی در پدیده‌های زیستی مشاهده گردید که فقط با استفاده از نظریه‌های مکانیک کوانتومی قابل توجیه هستند. در سال‌های اخیر، برخی تحقیقات، دست‌آوردها و شواهد قوی و جدیدی در این حوزه وجود دارند که نشان می‌دهد قوانین مکانیک کوانتومی نقش مهمی در توصیف و توجیه برخی پدیده‌های زیستی بازی می‌کنند‎‎. این موضوع امیدهایی را برای موفقیت این رهیافت ایجاد کرده است که در ادامه به اختصار به برخی از این پدیده‌ها اشاره می‌شود.

  1. انتقال انرژی با بازدهی بالا در فرآیند فوتوسنتز: همدوسی و درهمتنیدگی کوانتومی

             قوی‌ترین و مهم‌ترین مدارک نظری و تجربی برای حضور همدوسی و همبستگی کوانتومی در پدیده‌های زیست‌شناسی در مورد فرآیند فوتوسنتز است که حضور مستقیم این پدیده‌های کوانتومی را نشان می‌دهند. فوتوسنتز فرآیند کلیدی برای حیات روی زمین محسوب می‌شود‎‎. این فرآیند در گیاهان سبز‎‎، جلبک‌ها یا باکتری‌ها به شکل‌های مختلف انجام می‌گیرد. اما در همه‌ی آن‌ها انرژی نوری به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. از دیدگاه دقیق‌تر، فوتوسنتز را می‌توان مجموعه‌ای از فرآیندهای پیچیده همچون انتقال انرژی برانگیختگی، اکسایش-کاهش و انتقال پروتون دانست. تبدیل انرژی با جذب فوتون فرودی توسط مولکول‌های رنگدانه هم‌چون کلروفیل که در ساختاری از پروتئین‌ها محصور شده‌اند شروع می‌شود. هر مولکول رنگدانه با دریافت انرژی نوری برانگیخته شده و در اثر برهم‌کنش الکترونی با مولکول‌های دیگر، انرژی برانگیختگی خود را به مولکول مجاور منتقل می‌کند‎‎.

بسیاری از مطالعات تجربی نشان می‌دهند که انتقال انرژی در سامانه‌های فوتوسنتزی با بهره‌ی بسیار بالا (بیش از ۹۵‎‎ درصد) به مرکز واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد‎‎. مرکز واکنش ساختار رنگدانه-پروتئینی است و محل تبدیل انرژی نوری به انرژی شیمیایی است. از یک سو؛ هرگونه تعلل و تأخیر در انتقال انرژی شانس فرآیند اتلاف انرژی برانگیختگی به صورت انرژی حرارتی را افزایش می‌دهد و از سوی دیگر بسیاری از بخش‌های سامانه‌ی فوتوسنتزی، مواد شیمیایی مرطوبی هستند که در آن‌ها انتظار مشاهده‌ی اثرهای کوانتومی را نداریم. نتایج بررسی‌ها نشان می‌داد که انرژی، به جای اینکه طبق پیش‌بینی فیزیک کلاسیک، به طور اتفاقی از یک مولکول به مولکول بعدی جهش کند، به طور همزمان در چند جهت و با احتمالات کوانتومی به حرکت می‌پردازد.

در برخی آزمایش‌های اخیر، نشانه‌هایی برای انتقال انرژی برانگیختگی به صورت همدوس در طول زنجیره‌های پلیمری ساختارهای فوتوسنتزی در حضور محیط پروتئینی و در دمای آزمایشگاه، ۷۷ کلوین‎‎ و حتی در دمای اتاق، ۳۰۰ کلوین، وجود دارد‎‎. زمان این همدوسی در دمای آزمایشگاه حدود ۶۸۰ فمتوثانیه و در دمای اتاق حدود ۲۰۰ فمتوثانیه گزارش شده است‎‎. پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی بیناب‌نمایی الکترونی تبدیل فوریه‌ی دوبعدی کمک زیادی برای توجیه و اثبات پدیده‌های کوانتومی در فرآیند فوتوسنتز داشته است‎‎.
 

  1. اثرات کوانتومی در مغز

یکی دیگر از شاخه‌های مهم و مطرح در حوزه زیست‌شناسی کوانتومی توصیف دینامیک مغز و فرآیندهای مرتبط با بروز خودآگاهی است. هنوز راه بسیار طولانی در جهت تبیین این رابطه و بروز کیفیت خودآگاهی باقیمانده است اما چگونگی کارکرد مغز به عنوان پیچیده‌ترین ساختار مورد مطالعه در علم، در پاسخ دادن به بسیاری از پرسش‌های عمیق فلسفی و علمی موثر است. در رابطه اهمیت پرداختن به مطالعه در این حوزه می‌توان چنین در نظر گرفت که اگر بخواهیم کامپیوتری بسازیم که عملکرد مغز را شبیه‌سازی کند، باید وسعتی به اندازه شهر نیویورک داشته باشد، اما مغز با یک منبع انرژی محدود این عملکرد موثر را انجام می‌دهد. در سال‌های اخیر شبیه‌سازی فرآیندهای کارکردی مغز در علومی مانند هوش مصنوعی ، علوم اعصاب و علوم شناختی کاربرد وسیعی پیدا کرده است.

از دیدگاه تاریخی پرداختن به این موضوع بسیار جدید است. 50 سال بعد از مرگ اینشتین مجله نیچر از 10 فیزیکدان برتر دعوت کرد تا بررسی کنند که چقدر تا کنون به رویای همیشگی اینشتین یعنی "نظریه همه چیز" نزدیک شدهایم. نظریهای که از دل آن بتوان همه نیروهای فیزیک را توصیف کرد. نظریه‌ای که با آن بتوان تمام حوزه‌های فیزیک اعم از مباحث کوانتومی و مباحث گرانشی و... را درک کرد. نظریهای که خود او نتوانست در دوران حیاتش به آن دست پیدا کند. افراد بزرگی در این جمع بودند، همچون ساسکین، ویتن، توفس، اسمولین، استاکل، راولی، الیس، پنروز، وینبرگ و رندال، که هر کدام نظر خود را دادند. اما در بین همه نظرات، نظر پنروز با بقیه فرق داشت. به نظر او در این "نظریه همه چیز" باید جایی برای توصیف مغز و خودآگاهی انسان در نظر گرفت. چون خودآگاهی کاملا ماهیت فیزیکی دارد و بخشی از دنیای مارا شکل می‌دهد. اگر "نظریه همه چیز" بتواند این موضوع را نیز توصیف کند می‌توان گفت ما به رویای اینشتین نزدیک شده‌ایم در غیراینصورت همچنان زمان نیاز است تا به آن دست پیدا کنیم.

در مغز فرآیندهایی رخ می‌دهد که با توجه به قواعد مکانیک کلاسیک به طور دقیق توجیه پذیر نیستند. یکی از چالش‌های مهم در علوم اعصاب و مغز مسئله همبستگی است بدین معنا که، بخش‌های مختلف مغز که ظاهراً هیچ ارتباط موضعی با هم ندارند، برای ارائه یک پاسخ واحد با هم همزمان می‌شوند. این همزمانی نیاز به نوعی برهمکنش غیرموضعی میان بخشهای مختلف مغز دارد که با قوانین فیزیک کلاسیک قابل تبیین نیست. فیزیکدانان و پژوهشگران علوم اعصاب، مکانیک کوانتومی را نظریه ای مناسب برای بررسی کارکرد مغز و بروز ویژگی های خودآگاه قلمداد می‌کنند و وجود اثرات کوانتومی را در این امور غیرقابل چشمپوشی میدانند. رویکردهای کوانتومی؛ دینامیک مغز و فرآیندهای بررسی خودآگاهی این مسئله را هدف خود تعریف کرده اند.

مهمترین مدل در این توصیفات مدل پنروز-همروف است. این مدل یکی از شناخته شده‌ترین نظریه‌های موجود درباره نقش مکانیک کوانتومی در توصیف خودآگاهی است. در نظریه پنروز-همروف، سیتواسکلتون ها به عنوان ساختارهایی که کاندیدای مناسب برای بروز خودآگاهی و حفظ اثرات حافظه هستند، درنظرگرفته می‌شوند. سیتواسکلتون‌ها خود متشکل از میکروتوبول‌ها  هستند که الکترون‌های نامستقر موجود در ساختار آنها ممان دوقطبی کلی را در سراسر ساختار به وجود می‌آورند که نوع جهت گیری ممان های دوقطبی را با یک ترکیب خطی کوانتومی از کلیه حالت های ممکن برای قطبش الکترونی که کمیتی کوانتومی است ، می توان توصیف کرد. همروف این حالت های کوانتومی را متناظر با حالت های پیش آگاه می داند که تبدیل آن ها به حالت های خودآگاه باید با تقلیل تابع موج معرفی شده همراه شود. برای تقلیل این تابع موج از اثرات گرانش کوانتومی استفاده می شود که از نظریه پنروز برای توصیف فروکاهش تابع موج قابل استنباط است. نظریه پنروز نشان می دهد که توزیع جرم های متفاوتی که به دو امکان موجود در یک ترکیب خطی کوانتومی قابل انتساب است می‌تواند منشاء فیزیکی برای ناپایدارشدن یکی از امکان ها نسبت به دیگری شده و در نهایت به تقلیل تابع موج منجرشود.

  1. مسیریابی اسپینی و مغناطیسی پرندگان مهاجر و مکانیک کوانتومی

بسیاری از حیوانات مانند مارها، پرندگان و همچنین باکتری‌ها حسگرهای مغناطیسی دارند که به آن‌ها اجازه‌ی جهت‌گیری نسبت به میدان مغناطیسی زمین را می‌دهد. در مورد برخی از پرندگان هم‌چون کبوتر خانگی مشخص شده است، قطعه‌ی کوچکی از مگنتیت در منقارشان دارند که به صورت قطب‌نما و مسیریاب عمل کرده و به آن‌ها امکان تشخیص شمال-جنوب را می‌دهد. اما پرندگان دیگر همچون سینه سرخ اروپایی روش دیگری برای ﻣﺴﯿﺮﯾﺎﺑﯽ ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﻣﯿﺪﺍﻥ ﻣﻐﻨﺎﻃﯿﺴﯽ ﺯﻣﯿﻦ ﺩﺍﺭﻧﺪ که از همبستگی کوانتومی اسپین الکترون و انتقال همدوس اسپین برای توضیح این پدیده استفاده شده است. در مورد سینه سرخ اروپایی فرضیات زیادی در مورد ساختار مولکولی چشم پرنده در نظر گرفته شده است. مجموعه‌ای از الگوها با پیچیدگی لازم که با آن‌ها این موضوع توصیف می‌شود پیشنهاد شده‌اند که مهم‌ترین آن‌ها الگوی جفت رادیکالی است. مطابق این الگو‏ی موفق و سازوکار کوانتومی‏، از طریق نوسانات اسپینی و مغناطیسی در شبکیه چشم پرنده طرحی ایجاد می‌شود که تغییرات زاویه با میدان مغناطیسی زمین را کدبندی کرده است.

  1. چشم انسان میتواند تک فوتونها را حس کند                                                                

آزمایش انجام شده توسط محققان (ربکا هلمز و همکارش پائول کوایت) در زمینه اپتیک کوانتومی در دانشگاه ایلینویز، نشان می‌دهد (منتشر شده در 19 جولای 2016 در ژورنال نیچر) چشم ما اساساً هیچ محدودیتی در زمینه تشخیص نور ندارد و می‌تواند ذرات منفرد تشعشعات نوری که به نام "فوتون" شناخته می‌شوند را به خوبی تشخیص دهد. هرچند این منبع‌های ضعیف نور به اندازه کافی قوی نیستند که یک تصویر واقعی برای ما فراهم کنند در نتیجه بیش از آن که دیده شوند احساس می‌شوند. دستاوردی که به نظر میرسد به بحثی هفتاد ساله در مورد محدودیت بینایی انسان خاتمه دهد. این محققان معتقدند تکنیک‌های استفاده شده در این مطالعه راههایی را برای آزمایش چگونگی تاثیرگذاری اثرات کوانتومی بر بیولوژی باز میکند. اثراتی مثل توانایی فوتونها برای حضور همزمان در دو مکان مختلف قدیمی به این سوال پاسخ میدهد که: آیا انسانها میتوانند تک فوتونها را ببینند؟ بله میتوانند".

علیپاشا وزیری، فیزیکدان دانشگاه راکفلر در نیویورک، که کار تحقیقاتی در این زمینه را نیز هدایت کرده و تست طراحی شده برای دیدن تک فوتونها را خودش تجربه کرده است، میگوید: "عجیبترین مساله آن است که این تجربه مثل دیدن نور نیست؛ تقریبا مثل حس کردن چیزی است آن گونه که در آستانهی تخیل کردن هستی".

شبکیه از دو نوع سلول گیرنده تشکیل شده که به نام سلول‌های مخروطی و استوانه‌ای شناخته می‌شوند. سلول های استوانه‌ای برای دیدن در نور کم مناسب‌اند، چرا که به محرک‌های خیلی ضعیف حساس‌اند. این سلول‌ها تنها قادر به تشخیص نور سفید هستند و در نتیجه برای برخورداری از یک دید رنگی انسان‌ها به سلول‌های مخروطی متکی هستند.

مطالعات قبلی نشان داده‌ است که این سلول‌های مخروطی به اندازه کافی قدرتمند هستند که سیگنال نوری که حاوی تنها پنج فوتون باشد را شناسایی کنند، اما محققان نمی‌دانستند که آیا امکان تشخیص تعداد فوتون کمتر از این را هم دارند یا نه. اثبات این امر از چند نظر بسیار دشوار بود، اولاً ساخت وسیله‌ای که بتواند یک فوتون منفرد را به سمت چشم انسان بفرستد کار ساده‌ای نبود و دوماً پیام‌های عصبی که در اثر این تحریک‌ها تولید می‌شوند عمدتاً آن قدر ضعیف هستند که به سختی می‌توان آن‌ها را اندازه‌گیری کرد.

با این حال محققان توانستند این آزمایش را به خوبی به انجام برسانند. در این آزمایش سه فرد داوطلب در یک اتاقک تاریک قرار داده شده و به طور دوره‌ای متن‌های صوتی را می‌شنیدند. برخی از این متن‌ها با ارسال یک فوتون منفرد همراه بود که از یک منبع نور کوانتوم مستقیماً به داخل چشم افراد فرستاده می‌شد.

بعد از هر صدا، شرکت‌کننده‌ها نشان می‌دادند که آیا فوتون را دیده‌اند یا نه. با توجه به این که فوتون‌ها بسیار کوچک هستند شانس از دست رفتن این فوتون‌ها یا احتمال انحراف آن‌ها قبل از این که بتوانند به سلول‌های مخروطی برسند و برای تولید یک ایمپالس نوری آن‌ها را تحریک کنند بسیار بالاست به طوری که محققان محاسبه کردند تنها 6 درصد از تمام فوتون‌ها منجر به تولید پیامی می‌شدند که به مغز می‌رسید. در نتیجه انتظار می‌رفت که شرکت‌کنندگان بیشتر فوتون‌ها را از دست بدهند. برای حل این مشکل محققان تعداد دفعات تکرار آزمایش را افزایش داده و به همین منظور 30 هزار و 767 آزمایش انجام دادند.

محققان دریافتند که وقتی افراد یک فوتون را می‌بینند توانایی آن‌ها برای تشخیص فوتون بعدی ظرف پنج دقیقه آینده بسیار بیشتر می‌شود. با توجه به این یافته محققان می‌گویند وقتی سلول‌های مخروطی یک فوتون را تشخیص می‌دهند، حساسیت نوری سیستم بینایی به طور دوره‌ای ارتقا پیدا می‌کند. به گفته محققان مدارات مغزی که این توانایی را محقق می‌کنند هنوز ناشناخته باقی مانده‌اند.
 


 

  1. هک کردن زیست‌شناسی انسان

زمانی‌که دانشمندان می‌خواهند فرآیندهای زیستی را در سطح سلولی بررسی نمایند با محدودیت‌هایی موسوم بهquantum shot noise ‌ مواجه اند. این پدیده نتیجه این واقعیت است که ذرات نور یا فوتون‌ها بطور تصادفی به دستگاه تشخیصی مانند میکروسکوپ ضربه می‌زنند. در نظر بگیرید فوتون‌ها قطرات بارانی هستند که روی یک زمین مربعی قرار دارند و شما در پی آن هستید که تعداد قطرات برخوردی بر زمین را در یک فاصله زمانی شمارش کنید. بدیهی است در یک زمان مشخص تعداد رندومی از قطرات روی سطح زمین قرار می‌گیرند؛ این همان shot noise است. دانشمندان به منظور مطالعه سامانه‌های زیستی مانند سلول، باید سطوح بسیار کوچک نور پراکنده شده از یک جسم در نمونه زیستی بررسی کنند. از آنجا که سطح پراکندگی از این اشیاء کوچک بسیار کوچک است، به راحتی می تواند توسط shot noise پوشیده شود. یکی از راه ‌حل‌های رفع این مشکل افزایش قدرت لیزر است، با افزایش قدرت لیزر و بالطبع افزایش فوتون‌های بیشتر در هر اندازه‌گیری خطا کم می‌شود، اما برای سامانه‌های کوچک زیستی نمی‌توان به سادگی قدرت نوری را افزایش داد زیرا باعث نابودی سلول می‌گردد، بنابراین باید به دنبال راه حل دیگری بود. در این راستا دانشمندان با فوتون‌های همبسته کوانتومی که همان در‌هم‌تنیدگی است این مشکل را برطرف می‌کنند.به غیر از بهبود غربالگری بیماری و درمان‌های بسیار هدفمند و بدون سوزن، مکانیک کوانتوم توانایی ارائه اطلاعات بیشتر در مورد زیست شناسی انسان را دارد. اخیراً دانشمندان استرالیایی راهی برای بررسی فرآیندهای درونی یک سلول زنده با استفاده از نوع جدیدی از میکروسکوپ لیزری که بر اساس اصول مکانیک کوانتومی ساخته شده است، کشف کردند و همچنین با استفاده از رایانه‌های کوانتومی، ما می‌توانیم به سرعت DNA را دنبال کنیم و دیگر مشکلات داده‌های بزرگ (Big data) را در مراقبت‌های پزشکی حل کنیم. این امکان دریچه جدیدی از درمان‌های پزشکی را بر اساس اطلاعات ژنتیکی منحصر به فرد هر شخص را فراهم می‌کند. این روش جدید می‌تواند در فرآیندهای زیستی حرکت ذرات میکروسکوپی را دنبال کرده و حتی اجازه می‌دهد مکانیک کوانتومی در مقیاس قابل مشاهده برای چشم غیرمسلح مورد مطالعه قرار گیرد.

  1. اثرات کوانتومی در DNA

آیا اثرات کوانتومی می‌تواند بر پردازش اطلاعات در DNA‌ موثر باشد؟ برای پاسخ به این سوال یک مدل ساده برای توصیف درجات آزادی کوانتومی در طول زنجیره DNA توسعه داده شده است. این مدل نشان می‌دهد که حتی در دمای اتاق درجه آزادی الکترونی نامستقر بوده و یعنی همدوسی حفظ می‌شود. ابرهای الکترونی اسید‌های نوکلئیک به عنوان یک زنجیره از نوسانگرهای هماهنگ کوپل شده کوانتومی با برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی بین نزدیک‌ترین همسایه‌ها بر اساس پیوند وان‌دروالس مدل شده‌اند. سپس نشان داده شد که برای پارامترهای واقعی درنظر گرفته شده در این مدل حتی در دمای اتاق در‌هم‌تنیدگی کوانتومی رشته‌های DNA‌ را کنار هم نگه می‌دارد. درهم‌تنیدگی بین سیستم و مدل یک شرط لازم برای تغییر حالت سیستم است. در این مدل تاثیر پیوند شیمیایی ضعیف وان دروالس روی ترازهای انرژی ساختار DNA‌ مطالعه شد و ارتباط بین آن با پدیده درهم‌تنیدگی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. عملاً تاثیر درهم‌تنیدگی روی انرژی سیستم بررسی شده است.

همچنین مبنای اولیه بحث در مورد جهش‌های نقطه‌ای در ماده وراثتی و اثر آن روی بسیاری از بیماری‌ها ابتدا توسط شرودینگر در کتاب معروفش -حیات چیست؟- آورده شد و سپس جزئیات آن توسط سایرین مورد مطالعه قرار گرفت. واقعیت آن است که جهش‌های نقطه‌ای که مسئول بسیاری از بیماری‌ها هستند در بنیان بر اثر سازوکاری کوانتومی اتفاق‌می‌ا‌فتند. شکل جهش‌نیافته یک باز در مولکول DNA‌ با تونل‌زنی کوانتومی که با انتقال پروتون همراه است به شکل جهش‌یافته که صورت توتومری نامیده‌می‌شود، تبدیل می‌شود؛ چون جهش‌ها می‌توانند مفید یا نامطلوب باشند و هر دو نیز در سطح زیستی رخ می‌دهند، لذا به نظر می‌رسد هر دو شکل جهش‌یافته و سالم بازهای پایه در مولکول وراثتی می‌توانند به اندازه کافی پایدار باشند. جلوگیری از یک جهش نامطلوب و یا تقویت یک جهش مطلوب از منظر کوانتومی پرسشی است که تاکنون مورد آزمون و بررسی قرار نگرفته است. بنابراین با بررسی‌های نظری و تجربی بیشتر می‌توان به درمان در سطح کوانتومی امید داشت.

بنابراین به طور خلاصه می‌توان گفت این زمینه تحقیقاتی جز موضوعات نوظهور و بدیع تقسیم بندی می شود و در نهادهای علمی جز زمینه هایی است که تحت عنوان تحقیقات آینده پژوهی پیرامون آن تلاش های علمی در حال شکل گرفتن است. زیست‌شناسی کوانتومی از منظر نظری یک موضوع مطرح است و در شکل زیر میزان رشد قابل توجه مقالات در این زمینه به خوبی نشان داده شده است.



مقالات مرتبط

فايل هاي مربوطه :