Seltsame Welt der Quantenphysik kann Leben Regeln.

NEW YORK-Die bizarre Regeln der Quantenphysik werden oft gedacht, auf die Mikrowelt zu beschränken, aber Wissenschaftler vermuten heute, dass sie in die Biologie des Lebens eine wichtige Rolle spielen können.

Beweise nimmt für die Beteiligung der Quantenmechanik in einer Vielzahl von biologischen Prozessen, einschließlich der Photosynthese, Vogelzug, der Geruchssinn und möglicherweise sogar den Ursprung des Lebens zu.

Diese und andere Geheimnisse waren das Thema einer Panel-Vorlesung, die hier am Kaye Playhouse am Hunter College, einem Teil des fünften jährlichen World Science Festivals Juni 1 statt.

Quantenmechanik bezieht sich auf den seltsamen Satz von Regeln, der das Verhalten der subatomaren Teilchen, regelt die Reisen durch Wände, Verhalten sich wie Wellen und über große Entfernungen in Verbindung bleiben können. [Atemberaubende Fotos von sehr kleinen]

"Die Quantenmechanik ist komisch, das ist die definierende Eigenschaft. "Es ist funky und seltsam," sagte MIT Maschinenbau-Ingenieur Seth Lloyd.

Diese Merkwürdigkeiten betreffen nicht generell makroskopischen Alltagsgegenstände, die gedacht werden, um zu heiß und nass für zarte Quantenzustände standhalten werden. Aber es scheint, dass Natur gefunden haben Möglichkeiten, Quantenmechanik, um einige der komplexesten und lebenswichtigen Systeme mit Strom zu nutzen.

"Leben besteht aus Atomen und Atome Verhalten sich Quantum mechanisch," sagte Kosmologe Paul Davies der Arizona State University. "Leben ist seit langem – 3,5 Milliarden Jahren auf diesem Planeten zumindest – und es gibt genügend Zeit, um einige Quanten-Tricks lernen, wenn es einen Vorteil verschafft."

Vogel-Gehirne

Ein Bereich, wo Hinweise Quantenmechanik verwickelt sind, ist der internen Zirkel der Vögel und anderen wandernden Tierarten. Viele Vogelarten ziehen Tausende von Meilen jedes Jahr um nicht nur in der gleichen Region, sondern auf die exakte gleiche Zucht vor Ort zurückgeben.

Jahrhundertelang haben Wissenschaftler verwirrt wie Vögel erreichen könnte solch ein Meisterstück der Navigation, vorausgesetzt, sie besitzen einige Fähigkeit, Sinn Richtung basierend auf das Erdmagnetfeld.

"Wir sehen deutlich, dass sie das Magnetfeld erkennen können", sagte University of California, Irvine, Biophysiker Thorsten Ritz. "Was wir nicht können ist sagen,"Das ist die magnetische Orgel.""

Montage Beweise jetzt schlägt Vögel können sich auf Quantenverschränkung verlassen – die seltsame Fähigkeit der Partikel Eigenschaften selbst wenn getrennt, zu teilen, so dass wenn eine Aktion auf einer durchgeführt wird, andererseits fühlt sich seine Folgen.

Wissenschaftler glauben, dass der Prozess durch ein Protein im Inneren der Vögel Auge Zellen, die sogenannten Cryptochrome möglich ist.

Wenn grünes Licht in der Vogelperspektive übergeht, trifft es Cryptochrome, die eines der Elektronen eines verschränkten Pairs, trennt sie von ihrem Partner einen Energieschub verleiht. In seiner neuen Position das Elektron erlebt eine etwas andere Größenordnung des Erdmagnetfeldes, und dadurch ändert sich die Elektronen-Spin. Vögel können diese Informationen verwenden, um eine interne Karte des Erdmagnetfeldes um herauszufinden, ihre Position und Richtung zu bauen.

"Es ist sicherlich sehr plausibel," sagte Lloyd. "Es klang irgendwie verrückt, als ich zum ersten Mal hörte." Wir haben keine direkten experimentellen Beweis, aber es macht Sinn."

Die Theorie gewann die Unterstützung von einem kürzlich durchgeführten Experiment mit Fruchtfliegen, die auch Cryptochrome enthalten. Wenn dieses Licht-Erkennung-Protein aus Drosophila melanogaster extrahiert wurde, sie verlor ihre magnetische Empfindlichkeit und wurde verwirrt.

Sniffing Düfte

Ein weiterer Fall, wo die Quantenmechanik zu Hilfe kommen kann, ist der Geruchssinn. Biologen dachte zuerst, sie verstanden Duft durch ein einfaches Modell: Geruchsmoleküle in die Nase wehen und Rezeptormoleküle es diese Moleküle binden und identifizieren sie anhand ihrer besonderen Form.

Aber Wissenschaftler stellten fest, dass einige Geruchsmoleküle, die identische Formen haben völlig verschiedene Gerüche, aufgrund einer Minute chemische Änderung, z. B. ein einzelnes Wasserstoffatom im Molekül durch eine schwerere Version des Wasserstoffs genannt Deuterium ersetzt. Während dies wirkt sich auf das Gewicht des Moleküls, ändert es seine Form nicht so es noch in die Rezeptor-Molekül in genau der gleichen Weise passt.

Wie können dann, olfaktorische Systeme den Unterschied spüren? Die Antwort liegt in Quanten-Teilchen Handlungsfähigkeit wie Wellen.

"Die Theorie ist, dass selbst wenn die Form des Moleküls dasselbe, weil es diesen kleinen Unterschied hat, es in einer anderen Weise schwingt", sagte Lloyd. "Und diese Art von wellenförmigen Natur, die eine rein Quantum Art Effekt ist, irgendwie diesen Rezeptor ist dieser Schwingungs Unterschied spüren können."

Fehlende Teile

Physiker sondieren mehr ungelösten Rätsel der Biologie, in der Hoffnung, dass die Quantenmechanik das fehlende Stück des Puzzles zur Verfügung stellen kann. Sie haben sogar die Hoffnung, dass es eine der schwierigsten Fragen in allen Biologie beleuchten könnte: wie ist Leben entstanden? [7 Theorien über den Ursprung des Lebens]

"Wir wollen wissen,"Wie nicht-Leben ins Leben gedreht hat?"" Davies, sagte. "Das Leben ist eindeutig eine unverwechselbare Zustand der Materie. Was wir wissen möchten, ist, wenn die Unterscheidungskraft grundsätzlich quantenmechanisch ist."

Aber in ihrer Aufregung, den Quanten-Schlüssel in die Schleusen der Biologie zu versuchen, einige Wissenschaftler sind vorsichtig bei der Übervorteilung.

"Quantum Mechanics fremd und geheimnisvoll," sagte Lloyd. "Die Ursprünge des Lebens sind fremd und geheimnisvoll. Das bedeutet nicht, dass sie alle das gleiche sind. "Ich denke, man sollte vorsichtig sagen, dass alle seltsame und geheimnisvolle Dinge denselben Ursprung haben."

Sie können LiveScience Redakteur Clara Moskowitz auf Twitter folgen @ ClaraMoskowitz . Folgen Sie für weitere Wissenschaftsnachrichten, LiveScience auf Twitter @Livescience.