Sintesi delle prove relative agli effetti quantistici in biologia
Vi è stato un grande dibattito sulle prove degli effetti quantistici in biologia a causa delle difficoltà di riprodurre prove nelle scienze biologiche. La biologia è molto varia e muta costantemente. Alcuni hanno trovato prove di coerenza quantistica, mentre altri hanno sostenuto che non è così. (Ball, 2018).
Lo studio di ricerca più recente (in Nature Chemistry, maggio 2018 ) ha trovato prove di un segnale oscillante specifico che indica il sovrapposizione. Gli scienziati hanno scoperto effetti quantistici che sono durati esattamente come previsto in base alla teoria e hanno dimostrato che questi appartengono all'energia sovrapposta a due molecole contemporaneamente. Ciò ha portato alla conclusione che i sistemi biologici mostrano gli stessi effetti quantistici dei sistemi non biologici.
Tali effetti sono stati osservati nel centro di reazione dei batteri Fenna-Matthews-Olsen - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017).
La ricerca evidenzia le dimensioni e le scale temporali dei processi di trasferimento di energia fotosintetica li avvicina al confine quantistico / classico. Ci sono varie spiegazioni per questo, ma sembrano indicare che il limite quantico / classico energicamente rumoroso è l'ideale per il controllo del trasferimento di energia di eccitazione. Keren 2018.
Biologia quantistica descritta come semiconduttori biologici
Tali dinamiche in biologia si basano sulla chimica degli spin (coppie radicali) ed è stato riconosciuto che "Alcuni semiconduttori organici (OLED) presentano magnetoelettroluminescenza o magnetoconduttanza, il cui meccanismo condivide una fisica sostanzialmente identica con le coppie radicali in biologia" PJ Hore (2016 ).
I termini 'spin singlets' e 'triplet' sono usati in spintronica (nello studio dei semiconduttori) e il termine coppie radicali (compresi singoletti di spin o triplette) viene usato per discutere la chimica dello spin in biologia. Ma tutti i termini descrivono gli stessi fenomeni (solo in diversi regni disciplinari). Recentemente ci sono state richieste interdisciplinari per l'integrazione della chimica degli spin e della spintronica in riconoscimento di questo J Matysik (2017).
I semiconduttori biologici che hanno già identificato gli scienziati includono melanina e peptidi e i peptidi vengono ora esplorati come scaffold per il calcolo quantistico.
UltriaFast Electron Transfer e memorizzazione delle informazioni di spin elettronico in una centrifuga nucleare
Durante la fotosintesi, le piante usano la coerenza elettronica per l'energia ultraveloce e il trasferimento di elettroni e hanno selezionato vibrazioni specifiche per sostenere tali coerenze. In questo modo il trasferimento di energia fotosintetica e la separazione delle cariche hanno raggiunto la loro straordinaria efficienza. Allo stesso tempo, queste stesse interazioni vengono utilizzate per fotoproteggere il sistema da sottoprodotti indesiderati della raccolta della luce e della carica di separazione ad alta intensità luminosa. Rienk van Grondelle.
Nella separazione responsabile nei centri di reazione fotosintetici, gli stati di tripletto possono reagire con ossigeno molecolare generando ossigeno distruttivo singoletto. La resa della tripletta nei batteri e nelle piante viene ridotta da deboli campi magnetici. È stato suggerito che questo effetto è dovuto alla polarizzazione nucleare dinamica fotochimica indotta dallo stato solido (foto-CIDNP), che è un metodo efficace per creare una polarizzazione di non equilibrio degli spin nucleari usando reazioni chimiche, che hanno coppie radicali come intermedi ( Adriana Marais 2015). All'interno della biologia quale meccanismo potrebbe aumentare la resistenza allo stress ossidativo.
È stato notato che sembra esserci un legame tra le condizioni di occorrenza del foto-CIDNP nei centri di reazione e le condizioni del trasferimento di elettroni indotto dalla luce efficiente insuperabile nei centri di reazione. J Matysik 2009, IF Cespedes-Camacho e J Matysik 2014.
Un effetto CIDNP è stato osservato nel centro di reazione di Fenna-Matthews-Olsen (Roy et al 2006).
Un effetto CIDNP è stato osservato anche nella flavin adenina dinucleotide (FAD) ( Stob 1989) .
La FAD è implicata negli effetti quantistici teorizzati nel criptocromo e in altre reazioni biologiche redox. La teoria ampiamente accettata è che durante la risposta ai campi magnetici, la foto-eccitazione del cofattore della flavin adenina dinucleotide (FAD) non legato covalentemente in Cryptochrome porta alla formazione di coppie radicali attraverso trasferimenti sequenziali di elettroni lungo la "tryptophan-triad", una catena di tre residui di triptofano conservati all'interno della proteina. Questo processo riduce lo stato singoletto fotoelettrico del FAD al radicale anionico. Allo stesso modo in cui il foto-CIDNP MAS NMR ha fornito approfondimenti dettagliati sul trasporto di elettroni fotosintetici nei centri di reazione, è previsto in una varietà di applicazioni negli studi meccanicistici di altre proteine fotoattive.
'fino ad ora, nessun fenomeno CIDNP è stato osservato nella spintronica, sebbene sia stata menzionata la possibilità di ottenere tali effetti "Se si riscontra che la risonanza di spin nucleare ha un impatto sul trasporto di elettroni dipendente dallo spin a causa dell'interazione iperfina, in definitiva il contrario il processo può diventare possibile: memorizzazione delle informazioni di spin elettronico nella spin nucleare. " J Matysik (2017).
Limiti della biologia quantistica come approccio a semiconduttore biologico
La biologia quantistica non può semplicemente risolvere le preoccupazioni pratiche dell'informatica quantistica così com'è - poiché la biologia non è semplicemente una forma di semiconduttore o computer quantistico.
Noto che importanti studiosi come PJ Hore (citato sopra) che lavorano sul meccanismo delle coppie radicali in biologia sono stati fortemente collegati alla ricerca NMR sin dall'inizio. Questi studiosi potrebbero essere consapevoli sia dei vantaggi che delle insidie del lavoro interdisciplinare. Uno dei maggiori rischi all'interno dello studio accademico è che nel tracciare parallelismi tra le discipline, possiamo ignorare le differenze. È improbabile che i complessi sistemi adattativi della biologia si adatteranno semplicemente alle concettualizzazioni esistenti nell'ambito dell'informatica o della fisica. Richiede agli studiosi di esaminare i fenomeni come qualcosa di sconosciuto e di possedere molte possibilità, alcune delle quali possono sfidare qualsiasi preconcetto che già hanno.
Ad esempio, concentrarsi solo sul meccanismo delle coppie radicali nella ricerca sull'efficienza quantistica (all'interno dei processi biologici) sarà di utilità limitata senza comprenderne il contesto più ampio.
Comprensione del contesto
Esistono ricerche che evidenziano l'interazione del criptocromo con meccanismi redox e di temporizzazione biologica nei modelli di topi (Harino et a, 2017 ). E più ampiamente c'è una crescente letteratura sull'interazione di ritmi redox e circadiani (anche attraverso il gating circadiano) attraverso molte piante ( Guadagno et al, 2018) e specie animali.
Recenti lavori hanno studiato i ritmi circadiani della generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e degli enzimi di eliminazione dei ROS, nonché i ritmi circadiani della fotosintesi generatrice di ROS. È stato suggerito questo
"dato che i cambiamenti nel tasso di fotosintesi portano ad alterazioni nella produzione di ossigeno singoletto, la regolazione circadiana della fotosintesi potrebbe dare origine a ritmi di produzione di ossigeno singoletto". ( Simon et al, 2019 ).
Se vuoi capire di più sui ritmi circadiani, allora suggerirei di dare un'occhiata al lavoro di Alfred Goldbeters.
La biologia non separa tutto in singoli componenti
Il funzionamento di tali meccanismi di temporizzazione ha implicazioni per l'efficienza quantistica [ Garzia- Plazaola et al, 2017 ; Schubert et al, 2004 ) all'interno della biologia. Sorek e Levy (2012) hanno anche studiato le relazioni con la compensazione della temperatura.
Tutti gli orologi circadiani noti hanno un periodo endogeno notevolmente insensibile alla temperatura ( Kidd et al, 2015 )
Dalla ricerca di cui sopra, sembrerebbe anche che la biologia possa trattare i segnali di luce e temperatura come integrati anziché separati ( Franklin et al, 2014) .
E questo non riguarda solo la risposta ai campi magnetici o alla luce. Il gene del grido altera la fototrasduzione della luce blu (<420 nm) che influenza gli orologi biologici, l'orientamento spaziale e i taxi relativi a gravità, campi magnetici, radiazioni solari, lunari e celesti in diverse specie ( Clayton, 2016)
Possibile ruolo per cicatrici quantistiche
Associazioni tra orbite periodiche e quantistiche sono state fatte in cicatrici quantistiche - dove si impedisce ai sistemi di raggiungere la termizzazione. Potrebbe spiegare perché le equazioni che possono essere usate per modellare strutture dissipative che sono state usate per modellare oscillazioni biologiche ( Alfred Goldbeter ) possono anche essere applicate ad altri campi. Ad esempio, l'equazione FKPP può essere utilizzata per modellare strutture dissipative derivanti dalla reazione-diffusione (propagazione di fronti d'onda non lineari instabili / dinamica della popolazione), ma anche cromodinamica quantistica ( Mueller e Munier, 2014 ) e la velocità con cui i fronti magnetici propagarsi in un fluido turbolento a conduzione elettrica. L'approssimazione di ff usione per il trasporto ammette un'infinita velocità di propagazione(Fedotov et al).
Codice generativo?
Potresti prendere in considerazione il modo in cui i sistemi biologici quantistici potrebbero essere associati al codice. Il fotone è una risorsa proposta nel calcolo e nella comunicazione quantistica .
I fotoni rappresentano i portatori di qubit volanti naturali per la comunicazione quantistica e la presenza di fibre ottiche per telecomunicazioni rende le lunghezze d'onda di 1.310 nm e 1.550 nm particolarmente adatte alla distribuzione su lunghe distanze. Tuttavia, i qubit codificati in atomi alcalini che assorbono ed emettono a lunghezze d'onda di circa 800 nm sono stati considerati per la memorizzazione e l'elaborazione delle informazioni quantistiche ( Tanzili et al, 2005 )
All'interno della biologia esiste un meccanismo noto come chemiluminescenza spontanea (e con un numero di altri nomi tra cui emissioni di fotoni ultraveloci e biofotoni).
È generalmente riconosciuto che (questi) i fotoni vengono emessi (1) in prossimità di intervalli spettrali UVA, visibili e vicini IR da 350 a 1300 nm e (2) all'intensità dell'emissione di fotoni nell'intervallo da diverse unità a diverse centinaia ( processo metabolico ossidativo) e da alcune centinaia a diverse migliaia di fotoni (processo di stress ossidativo) s − 1 cm − 2. ( Cifra e Pospíšil, 2014 )
Questo meccanismo è ampiamente diffuso in tutta la biologia (sia nelle piante che negli animali) e si svolge dove si formano specie eccitate elettronicamente durante i processi di stress ossidativo ( Cifra et al, 2014 ), che sono associati alla produzione di ROS ( Pospíšil et al, 2014 ) . Possono essere generati e influenzati da vari stimoli tra cui campi magnetici ( Li, 2012 )
Il pensiero è quello
vari processi molecolari possono emettere fotoni e che questi vengono trasportati sulla superficie cellulare da eccitoni che trasportano energia. Un processo simile trasporta l'energia dai fotoni attraverso matrici di proteine giganti durante la fotosintesi ( MIT technology review, 2012 ).
Questo meccanismo è stato collegato a cambiamenti sistematici nel metabolismo energetico inerenti ad un ciclo circadiano sia negli animali che nelle piante ( Footitt et al, 2016 e Kobayashi et al, 2009 ). È stato anche notato che un chiaro vantaggio di questo meccanismo è che fornisce informazioni spazio-temporali ( Burgos et al, 2017 )
È stato proposto che i fosfeni (che possono essere generati nella nostra corteccia visiva in risposta a vari stimoli tra cui campi luminosi e magnetici) sono il risultato delle emissioni di fotoni ultra deboli Császár et al, 2015 . Gli esatti meccanismi alla base di questo sono ancora allo studio, ma abbiamo varie proteine tra cui il criptocromo nelle nostre retine ( Foley et al, 2011) . I fosfeni generano una vasta gamma di forme e colori geometrici . Questi potrebbero potenzialmente fungere da codice / memoria .
Quale potrebbe essere il risultato del sovrapposizione collassante
Se è possibile generare la sovrapposizione di 1 e 0, è necessario porre la domanda quale sia il risultato del collasso.
Una metafora per questo potrebbe essere il collasso di illusioni visive multi-stabili - come il cubo Necker . Questi presentano la possibilità di più immagini e sono stati esplorati come a effetto quantico .
Possiamo far crollare tali illusioni decidendo di prestare la nostra attenzione a una particolare possibilità / immagine. La scelta dell'immagine a cui assistiamo varia da persona a persona e tali scelte sono preferenze. La scelta di un'immagine non convalida quell'immagine sopra tutte le altre. È solo una scelta.
Ciò con cui finiamo è solo una scelta / interpretazione da molteplici possibilità. In quanto tale, l'applicazione della memoria e della predizione generano interpretazioni o costruzioni (con la predizione che attinge pesantemente alla memoria) piuttosto che una risposta corretta.
Il collasso delle super posizioni potrebbe quindi essere prevenuto evitando tale scelta o il riposizionamento potrebbe essere ristabilito attraverso nuove possibilità, ad esempio generate dal cambiamento ambientale.
