آخرین اخبار
زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت اول)

زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت اول)

مکانیک کوانتومی از همان بدو تولدش، در دنیای‌ اتم‌های بی‌جان غوغایی به پا کرد، اما اندکی بعد، این سوال مهم مطرح شد که مکانیک کوانتومی در دنیای موجودات زنده که خود آن‌ها نیز از اتم‌ها ساخته‌ شده‌اند، چه نقشی بازی می‌کند؟

در واقع بدیهی بود که مکانیک کوانتومی، حاکم بی‌چون وچرای دنیای اتم‌هایی است که موجودات زنده را می‌سازند، اما دغدغه‌ی اصلی و در واقع سوال جذاب‌تر این بود که اثرات غیربدیهی مکانیک کوانتومی، کجای داستان حیات قرار می‌گیرند. این دغدغه‌، حوزه‌ی پژوهشی جدیدی به نام زیست شناسی کوانتومی خلق کرد که تاکنون پیشرفت‌های چشمگیر و جذابی به دست آورده است. در این مقاله‌ی چهار قسمتی، نگاهی مفصل به زیست شناسی کوانتومی خواهیم انداخت. چهار قسمت این مقاله، به ترتیب موارد زیر را پوشش خواهند داد: 

  • مقدمه و تاریخچه
  • نقش مکانیک کوانتومی در منشا حیات
  • اثرات کوانتومی در زیست شناسی
  • سوالات و چشم‌اندازهای پیش‌ رو

ویژگی‌های کلیدی مکانیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت، دوگانگی موج-ذره، کوانتش انرژی‌ها و تصحیح قوانین احتمال کلاسیکی هستند. زیست شناسی نیز به چگونگی عملکرد سیستم های طبیعی می‌پردازد، از درک چگونگی کدشدن اطلاعات به طور ژنتیکی و تکثیر آن‌ها، تا دستیابی به یک مدل مکانیکی برای واکنش‌های چندمرحله‌ای پیچیده. اخیرا دانشمندان این سوال را می‌پرسند که آیا مکانیک کوانتومی برای درک برخی از فرایندهای زیستی لازم است یا نه؟ این حقیقت که اثرات کوانتومی باعث خلق فواصل انرژی بین حالات مختلف یک سیستم شیمیایی می‌شوند نیز، مهم است. این فواصل انرژی، بین ترازهای انرژی الکترونی، موجودات زنده را قادر می‌سازد تا فوتون‌های انرژی خورشید را به دام انداخته و ذخیره کنند و جهان اطرافشان را از طریق واکنش‌های شیمیایی به صورت نوری القایی تجسم نمایند. نگرش دیویدوف در کتاب زیست شناسی و مکانیک کوانتومی این بود که مکانیک کوانتومی، بیش از همه به درد سیستم‌های منزوی در حالات خالص می‌خورد و بنابراین برای سیستم‌های زیستی که در حالات آماری و تعادل گرمایی هستند، اهمیت کمی دارد.

شواهد رو به افزایشی وجود دارد که مکانیسم‌های خاصی درون سلول‌های زنده، از ویژگی‌های غیربدیهی مکانیک کوانتومی مانند همدوسی کوانتومی بلندمدت، برهم نهی کوانتومی، تونل زنی کوانتومی و حتی درهم تنیدگی کوانتومی استفاده می‌کنند؛ پدیده‌هایی که قبلا تصور می‌شد بیشتر در سطح سیستم‌های منزوی زیراتمی، اتمی و ملکولی یا در دماهای نزدیک به صفر مطلق عمل می‌کنند و در نتیجه به مکانیسم‌های درگیر در حیات، مربوط نمی‌شوند. توجه کنید که واژه‌ی «کوانتومی» در زیست شناسی کوانتومی به سادگی به معنای کوانتش (گسسته‌سازی انرژی‌های الکترونی برای درنظر گرفتن پایداری شیمیایی، واکنش‌پذیری، پیوند و ساختار درون سلول‌های زنده) نیست. در واقع واضح است که کوانتش به تمام مواد در سطح میکروسکوپی اعمال می‌شود و مدت طولانی است با زیست شناسی ملکولی و بیوشیمی استاندارد ادغام شده است. امروزه زیست شناسی کوانتومی، به دسته‌ی کوچک اما در حال رشد پدیده‌هایی خاص‌ و شناخته‌ شده در فیزیک و شیمی اشاره می‌کند؛ پدیده‌هایی که تا همین اواخر تصور بر آن بود که نقش مهمی درون محیط پیچیده‌ی سلول‌های زنده بازی نمی‌کنند.


اگر ما این واقعیت را که مکانیک کوانتومی، برای توضیح ویژگی‌ ملکول‌ها و واکنش‌ها (به طور مشخص در فرایندهای بیوشیمی از عملکرد آنزیم‌ها تا بیان ژنتیک فنوتیپ‌ها و ساختمان یک موجود زنده) لازم است، بپذیریم، پس زیست شناسی کوانتومی بیانگر آن دسته از پدیده‌های زیستی است که برای دستیابی به یک ویژگی کارکردی یا انجام یک فرایند، صریحا از مکانیک کوانتومی استفاده می‌کنند. البته بدیهی است که استفاده از مکانیک کوانتومی برای مطالعه‌ی مسائل زیستی، مهم است، اما استفاده‌ی بدیهی را جزو تعریف خود از زیست شناسی کوانتومی قرار نمی‌دهیم. با این حال، این سوال باقی ماند که خط بین ظهور بدیهی مکانیک کوانتومی و آن پدیده‌های غیربدیهی که مد نظر زیست شناسی کوانتومی است را کجا باید بکشیم. مثلا نیروهای بین ملکولی (که شامل پیوند هیدروژنی و نیروهای وان دروالس هستند و در تعریف ساختارهای پروتئین و شکل مارپیچی DNA شایع‌اند) باید برای توضیح وابستگی آنزیم-بستر، سنتز پروتئین و ساخت غشا استفاده شوند. اگرچه این برهمکنش‌های غیرپیوندی توسط مدل‌های مکانیک کوانتومی توصیف می‌شوند، اما به نظر می‌رسد که کارکرد یا ویژگی‌های خاصی ناشی از مکانیک کوانتومی را نشان نمی‌دهند. بنابراین ما آن‌ها را جزو مثال‌های زیست شناسی کوانتومی نمی‌دانیم. در عوض، این زمینه بیشتر درباره‌ی حالات برانگیخته‌ی الکترونی و دینامیک آن‌ها، تونل زنی دوربرد موانع، اثرات تداخلی و سایر توانایی‌های اعطا شده توسط مکانیک کوانتومی است.

یکی از مشهورترین مثال‌ها در زمینه‌ی نقش غیربدیهی مکانیک کوانتومی در زیست‌شناسی، همدوسی کوانتومی بلندمدت مشاهده شده در انتقال انرژی اکسیتون در فتوسنتز است. در حالی که این موضوع، هنوز بحث‌برانگیز باقی می‌ماند، یک نقش مهم‌تر برای مکانیک کوانتومی در تونل زنی الکترون‌ها و پروتون‌ها در کاتالیز آنزیم‌ها‌ پیدا می‌شود. علاوه بر این مثال‌ها، ثابت شده درهم تنیدگی کوانتومی در مسیریابی پرندگان نقش دارد. این در حالی‌ است که پیشنهاد شده تونل زنی کوانتومی در بویایی و جهش دخالت دارد. حتی گمانه‌زنی‌هایی درباره‌ی ارتباطی بین همدوسی کوانتومی و آگاهی وجود دارد که البته این تصور، با استقبال اندکی از سوی جامعه عصب‌شناسان مواجه شده است.

اگرچه علاقه‌ی فعلی به زیست شناسی کوانتومی و مطالعه‌ی پدیده‌ها و مکانیسم‌های ذکر شده در بالا، تنها در دو دهه‌ی گذشته ظهور کرده، اما ریشه‌های این موضوع به گذشته‌ای بسیار دورتر بازمی‌گردد؛ به پیشگامان مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم. برخی از نگرش‌های فیزیکدانان آن دوره، به درک ما از زیست شناسی کوانتومی امروزی کمک شایانی کرده است.



ریشه‌های زیست شناسی کوانتومی، به سال 1944 و انتشار کتاب مشهور اروین شرودینگر به نام «حیات چیست؟» برمی‌گردد. اما حتی قبل از شرودینگر، چند فیزیکدان کوانتومی دیگر، به حوزه‌ی زیست شناسی وارد شدند. مثلا فیزیکدان آلمانی، پاسکوال جردن، یک سال قبل از شرودینگر، کتابی تحت عنوان «فیزیک و راز حیات آلی» منتشر کرد و در آن، این سوال را مطرح نمود: «آیا قوانین اتمی و فیزیک کوانتومی برای حیات، اهمیت ضروری دارند؟» در حقیقت، جوردن یک دهه در مورد این سوال فکر کرده و از اواخر دهه‌ی 1930 از عبارت Quantenbiologie یا همان زیست شناسی کوانتومی استفاده کرده بود. گرایش‌ سیاسی جردن به آلمان نازی، از جمله دلایلی است که علاقه‌ی وی را به زیست شناسی کوانتومی تقویت کرد و در این راه به او انگیزه بخشید. به همین دلیل است که زیست شناسی کوانتومی پس از اتمام جنگ جهانی، رشد نکرد.

در حقیقت زیست شناسی کوانتومی، مدت کوتاهی پس از توسعه‌ی خود مکانیک کوانتومی متولد شد. در سال 1927 چارچوب ریاضی مکانیک کوانتومی جدید با تلاش‌های بور، هایزنبرگ، پائولی، شرودینگر، دیراک، بورن، جردن، فرمی وسایرین شکل گرفته بود. میکروبیولوژی، ژنتیک و نظریه‌ی کروموزمی وراثت، هنوز قلمروهای ناشناخته‌ای بودند و بیوفیزیکدانان و بیوشیمیدانانی که تعداد آنان در حال افزایش بود، به این حوزه‌ها علاقمند شدند. بنابراین سوالی که طبیعتا برای بسیاری از این افراد پیش می‌آمد این بود: آیا فیزیک اتمی جدید می‌تواند در مورد اجزای سازنده‌ی حیات هم، حرفی برای گفتن داشته باشد؟

از طرفی پیشرفت‌های‌ فیزیک تجربی در همین زمان، سوالات جدیدی را پیش کشید. درست مانند میکروسکوپ رابرت هوک که دریچه‌ای را رو به دنیای جدید بسیار ریز در واسط قرن هفدهم باز کرد، در سال‌های بین دو جنگ جهانی نیز، تکنیک‌های جدید و آزمایش‌های کلیدی به بنیان‌گذاری زیست شناسی ملکولی کمک کرد که از جمله‌ی آ‌ن‌ها می‌توان به کشف جهش‌زایی پرتوی ایکس توسط مولر در سال 1927، اندازه‌گیری اوزان اتمی پروتئین‌ها توسط تئودور سویدبرگ در اواسط دهه‌ی 1920 و پس از آن بلورسازی یک ویروس توسط استنلی در سال 1935 اشاره کرد. این پیشرفت‌های بزرگ، این احساس خوش‌بینانه را افزایش داد که با ابزارهای مکانیک کوانتومی،‌ می‌توان رازهای حیات را فاش نمود.

با این حال، همه مطمئن نبودند که اصول فیزیک و شیمی برای توضیح زیست شناسی کافی باشد، از جمله خود نیلز بور. این نگاه بدبینانه‌ی بور درباره‌ی کمک مکانیک کوانتومی در بازگشایی رازهای حیات، به گونه‌ای متناقض بر کسانی که زیست‌ شناسی کوانتومی را پایه‌ریزی کردند، تاثیر گذاشته و الهام‌بخش آن‌ها شد.

در همان زمان که انقلاب کوانتومی در فیزیک در حال رخ دادن بود، گام‌های بزرگی از طریق سنتز نو-داروینی در زیست شناسی برداشته شد که اصول بازکشف شده‌ی وراثت مندلی را در کنار جهش‌ها قرار می‌داد. با این حال، رازهای زیادی، به ویژه در مورد ماهیت ماده‌ی وراثتی باقی ماند. مطالعات میکروسکوپی در پایان قرن نوزدهم، رشته‌های کروموزومی که اکنون ژن نامیده می‌شوند را به عوامل وراثتی مندل ارتباط داده بودند. مطالعات بیوشیمیایی نشان داده بودند کروموزوم‌ها از پروتئین‌ها و نوکلئیک اسیدها ساخته شده‌اند، اما اینکه اطلاعات ژنتیکی چگونه درون مواد شیمیایی عادی نوشته شده و سپس به ارث می‌رسیدند، یک راز سر به مهر باقی ماند. به علاوه، اگرچه ایده‌ی «حیات‌ گرایی» که ادعا می‌کرد یک «نیروی حیات» ضروری وجود دارد که حیات را با کیفیت خاصی که در ماده‌ی بی‌جان وجود ندارد، به موجودات زنده اعطا می‌کند، تحت تاثیر پیشرفت‌های قرن نوزدهم عقب‌نشینی کرده بود. بسیاری از دانشمندان و فلاسفه‌ معتقد بودند برخی جنبه‌های حیات به اصولی خارج از علم کلاسیکی نیاز دارد. مثلا در سال 1907، فیلسوف فرانسوی هنری برگسون، ابتدا کتاب «تکامل خلاقانه» را منتشر نمود و استدلال کرد که وراثت و تکامل، توسط یک «انگیزه‌ی ضروری» به سمت حیات هدایت می‌شود. به طور مشابهی، بسیاری از دانشمندان متقاعد نشدند که دینامیک‌های خارق‌العاده‌ی حیات و وراثت با علوم کلاسیکی مانند ترمودینامیک، فیزیک و شیمی آلی قابل توضیح باشد.

بنیان ملکولی زیست شناسی، مانند توصیف‌های‌ مقیاس‌اتمی فرایندهای پیچیده، زیست شناسی را در طول دهه‌های گذشته تغییر داده است. انگیزه‌ی ظهور زیست شناسی کوانتومی، معرفی نگرش‌های جدید به کارکرد زیستی است که ممکن است از یک چشم‌انداز کوانتومی ظهور کند. بنابراین کشف و ارزیابی عینی مثال‌های زیست شناسی کوانتومی، مهم است. معیارهای کلیدی تشخیص فرایندهای زیستی-کوانتومی، تبعیت آن‌ها از آزمایش‌های تجربی و پیش‌بینی‌ها یا مدل‌سازی نظری با استفاده از چارچوب‌های دقیق و درست است. 



ادامه دارد...

كلمات كليدي :
زیست شناسی کوانتومی , اثرات کوانتومی در حیات
 
امتیاز دهی