به نقل از «ایران اکونومیست»

زیست‌شناسی کوانتومی می‌تواند درک ما را در مورد زندگی تغییر دهد

تاریخ انتشار: ۳۱ اردیبهشت ۱۴۰۲ | کد خبر: ۳۷۷۹۸۷۵۰

کوانتوم با ارائه یک روش جدید برای مطالعه زیست‌شناسی می‌تواند تحولی را در نحوه درک زندگی ایجاد کند.

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از فست کمپانی، تصور کنید از تلفن همراه خود برای کنترل فعالیت سلول‌های بدن به منظور درمان آسیب‌ها و بیماری‌ها استفاده می‌کنید. به نظر می‌رسد که این ایده از تخیل یک نویسنده بیش از اندازه خوش‌بین داستان‌های علمی-تخیلی آمده باشد اما چنین کاری ممکن است روزی از طریق حوزه نوظهور زیست‌شناسی کوانتومی امکان‌پذیر شود.

بیشتر بخوانید: اخباری که در وبسایت منتشر نمی‌شوند!

دانشمندان در طول چند دهه گذشته، پیشرفت‌های باورنکردنی در درک و دستکاری سیستم‌های بیولوژیکی در مقیاس‌های کوچکتر، از تا کردن پروتئین گرفته تا مهندسی ژنتیک داشته‌اند اما با وجود این پیشرفت‌ها، میزان تأثیر اثرات کوانتومی بر سیستم‌های زنده به سختی قابل درک است.

اثرات کوانتومی، پدیده‌هایی هستند که بین اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهند و با فیزیک کلاسیک قابل توضیح دادن نیستند. بیش از یک قرن است که مشخص شده قوانین مکانیک کلاسیک مانند قوانین حرکت نیوتن، در مقیاس اتمی شکسته می‌شوند. در عوض، اجسام ریز براساس مجموعه قوانین متفاوتی که مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود، رفتار می‌کنند.

برای انسان‌هایی که فقط می‌توانند دنیای ماکروسکوپی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح را درک کنند، مکانیک کوانتومی می‌تواند خلاف واقع و تا حدودی جادویی به نظر برسد. چیزهایی که شاید انتظار وقوع آنها را نداشته باشید، ممکن است در دنیای کوانتومی اتفاق بیفتند؛ مانند الکترون‌هایی که در موانع کوچک انرژی تونل می‌زنند و بدون آسیب دیدن در طرف دیگر موانع ظاهر می‌شوند یا قرار گرفتن هم‌زمان در دو مکان متفاوت که طی پدیده‌ای به نام برهم‌نهی کوانتومی رخ می‌دهد.

پژوهش‌های حوزه مکانیک کوانتومی معمولا به سوی فناوری جهت می‌گیرند. با وجود این، شواهد فزاینده‌ای وجود دارند که نشان می‌دهند طبیعت آموخته است چگونه از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهینه استفاده کند. اگر این واقعا درست باشد، بدین معناست که درک ما در مورد زیست‌شناسی کاملا ناقص است. همچنین، این موضوع بدین معناست که ما احتمالا می‌توانیم فرآیندهای فیزیولوژیکی را با استفاده از خواص کوانتومی ماده بیولوژیکی کنترل کنیم.

کوانتومی بودن در زیست‌شناسی احتمالا واقعی است

پژوهشگران می‌توانند برای ساخت فناوری بهتر، در پدیده‌های کوانتومی دست ببرند. در واقع، شما در حال حاضر در دنیایی با انرژی کوانتومی زندگی می‌کنید. همه فناوری‌های کنونی از نشانگرهای لیزری گرفته تا GPS، ام‌آرآی و ترانزیستورهای موجود در رایانه شما، به اثرات کوانتومی متکی هستند.

به طور کلی، اثرات کوانتومی فقط در مقیاس‌های طولی و جرمی بسیار کوچک یا زمانی که دما به صفر مطلق نزدیک می‌شود، خود را نشان می‌دهند. دلیل این است که مولفه‌های کوانتومی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها زمانی که به‌ طور غیر قابل کنترل در تعامل با یکدیگر و محیط خود قرار می‌گیرند، قابلیت کوانتومی بودن خود را از دست می‌دهند. به عبارت دیگر، یک مجموعه ماکروسکوپی از اجسام کوانتومی، با قوانین مکانیک کلاسیک بهتر توصیف می‌شود. هر چیزی که کوانتومی بودن را آغاز می‌کند، از نظر کلاسیک می‌میرد. برای مثال، می‌توان یک الکترون را طوری دستکاری کرد که هم‌زمان در دو مکان باشد اما پس از مدت کوتاهی تنها در یک مکان قرار می‌گیرد و این دقیقا همان چیزی است که در قوانین کلاسیک انتظار می‌رود.

بنابراین، در یک سیستم بیولوژیکی پیچیده و پر سر و صدا انتظار می‌رود که بیشتر اثرات کوانتومی در محیطی که «اروین شرودینگر»(Erwin Schrödinger) فیزیکدان اتریشی، آن را «محیط گرم و مرطوب سلول» می‌نامد، به سرعت ناپدید شوند. این واقعیت که جهان زنده در دماهای بالا و در محیط‌های پیچیده عمل می‌کند، برای بیشتر فیزیک‌دانان به این معناست که زیست‌شناسی را می‌توان به اندازه کافی و به طور کامل با فیزیک کلاسیک توصیف کرد.

با وجود این، شیمی‌دانان برای مدت طولانی اصرار به تفاوت داشتند. پژوهش‌های صورت‌گرفته روی واکنش‌های شیمیایی پایه در دمای اتاق، به ‌طور واضح نشان می‌دهند فرآیندهایی که در مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی رخ می‌دهند، نتیجه اثرات کوانتومی هستند. نکته مهم این است که چنین اثرات کوانتومی نانوسکوپی و کوتاه‌مدت با هدایت برخی از فرآیندهای فیزیولوژیکی ماکروسکوپی که زیست‌شناسان در سلول‌ها و موجودات زنده اندازه‌گیری کرده‌اند، سازگار هستند. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که اثرات کوانتومی بر عملکردهای بیولوژیکی از جمله تنظیم فعالیت آنزیم، حس کردن میدان‌های مغناطیسی، متابولیسم سلولی و انتقال الکترون در مولکول‌های زیستی تأثیر می‌گذارند.

چگونه زیست‌شناسی کوانتومی را مطالعه کنیم؟

این احتمال وسوسه‌انگیز که اثرات کوانتومی ظریف می‌توانند فرآیندهای بیولوژیکی را تغییر دهند، هم یک مرز هیجان‌انگیز و هم یک چالش را برای دانشمندان ایجاد می‌کند. مطالعه اثرات مکانیک کوانتومی در زیست‌شناسی، به روش‌هایی نیاز دارد که بتوانند مقیاس‌های زمانی کوتاه، مقیاس‌های طولی کوچک و تفاوت‌های ظریف در حالت‌های کوانتومی را که به تغییرات فیزیولوژیکی منجر می‌شوند، اندازه‌گیری کنند و همه در یک محیط آزمایشگاهی مرطوب سنتی یکپارچه‌سازی شوند.

همانطور که الکترون‌ها جرم و بار دارند، دارای خاصیت کوانتومی به نام «اسپین»(Spin) نیز هستند. اسپین، نحوه تعامل الکترون‌ها با میدان مغناطیسی را به همان ترتیبی مشخص می‌کند که بار الکتریکی، نحوه تعامل الکترون‌ها با یک میدان الکتریکی را نشان می‌دهد. آزمایش‌های کوانتومی، با هدف اعمال میدان‌های مغناطیسی مناسب برای تغییر دادن اسپین‌ الکترون‌های ویژه صورت می‌گیرند.

پژوهش‌ها نشان داده‌اند که بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی، تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی ضعیف هستند. این فرآیندها، رشد و بلوغ سلول‌های بنیادی، میزان تکثیر سلولی، ترمیم مواد ژنتیکی و موارد بی‌شمار دیگر را شامل می‌شوند. واکنش‌های فیزیولوژیکی به میدان‌های مغناطیسی، با واکنش‌های شیمیایی سازگار هستند که به اسپین الکترون‌های ویژه درون مولکول‌ها بستگی دارند. بنابراین، اعمال یک میدان مغناطیسی ضعیف برای تغییر دادن اسپین‌های الکترون می‌تواند محصولات نهایی یک واکنش شیمیایی را به طور موثر با پیامدهای فیزیولوژیکی مهم کنترل کند.

عدم درک چگونگی عملکرد چنین فرآیندهایی در سطح نانو، در حال حاضر پژوهشگران را از تعیین دقیق قدرت و فرکانس میدان‌های مغناطیسی که به واکنش‌های شیمیایی خاص در سلول‌ها منجر می‌شوند، باز می‌دارد. فناوری‌های کنونی تلفن همراه، پوشیدنی و کوچک‌سازی، برای تولید میدان‌های مغناطیسی مناسب و ضعیفی که فیزیولوژی را تغییر می‌دهند، کافی هستند. از این رو قطعه گمشده این پازل، یک کتاب رمز قطعی در مورد نحوه ترسیم علل کوانتومی برای نتایج فیزیولوژیکی است.

در آینده، تنظیم دقیق ویژگی‌های کوانتومی طبیعت می‌تواند پژوهشگران را قادر سازد تا به ساخت دستگاه‌های درمانی غیرتهاجمی، کنترل از راه دور و قابل دسترسی با تلفن همراه بپردازند. شاید درمان‌های الکترومغناطیسی را بتوان برای پیشگیری و درمان بیماری‌هایی مانند تومورهای مغزی و همچنین در تولید زیستی مانند افزایش تولید گوشت آزمایشگاهی مورد استفاده قرار داد.

یک روش کاملا جدید برای کسب علم

زیست‌شناسی کوانتومی، یکی از میان‌رشته‌ای‌ترین حوزه‌هایی است که تاکنون پدید آمده‌اند. چگونه می‌توان جامعه را ساخت و دانشمندانی را برای کار کردن در این زمینه تربیت کرد؟

از زمان همه‌گیری کووید-۱۹، آزمایشگاه «دکتر کلاریس آیلو»(Clarice Aiello) در «دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس»(UCLA) و «مرکز آموزش دکتری زیست‌شناسی کوانتومی»(QB-DTC) در «دانشگاه ساری»(University of Surrey)، جلسات بیولوژی کوانتومی بزرگی را ترتیب داده‌اند تا یک انجمن هفتگی غیررسمی را برای پژوهشگران فراهم کنند. هدف این است که پژوهشگران بتوانند در زمینه‌هایی مانند جریان اصلی فیزیک کوانتومی با یکدیگر ملاقات کنند و تخصص خود را در حوزه‌هایی مانند بیوفیزیک، پزشکی، شیمی و زیست‌شناسی به اشتراک بگذارند.

پژوهش‌هایی که می‌توانند پیامدهای دگرگون‌کننده‌ای را برای زیست‌شناسی، پزشکی و علوم فیزیکی به همراه بیاورند، به مشارکت در یک گروه همکاری نیاز دارند که به همان اندازه متحول‌کننده باشد. کار کردن در یک آزمایشگاه یکپارچه‌سازی‌شده، به دانشمندان رشته‌هایی که رویکردهای بسیار متفاوتی برای پژوهش دارند، کمک می‌کند تا آزمایش‌هایی را انجام دهند که گستره زیست‌شناسی را از کوانتومی گرفته تا مولکولی، سلولی و ارگانیسمی برآورده می‌سازد.

وجود زیست‌شناسی کوانتومی به عنوان یک رشته نشان می‌دهد که درک سنتی در مورد فرآیندهای زندگی ناقص است. پژوهش‌های بیشتر به ارائه اطلاعات جدیدی در مورد این پرسش قدیمی کمک می‌کنند که زندگی چیست، چگونه می‌توان آن را کنترل کرد و چگونه می‌توان برای ساخت فناوری‌های کوانتومی بهتر، از طبیعت یاد گرفت.

 

منبع: خبرگزاری ایسنا برچسب ها: کوانتوم ، فیزیک کوانتوم ، زیست‌شناسی کوانتومی ، عصر کوانتوم

منبع: ایران اکونومیست

کلیدواژه: کوانتوم فیزیک کوانتوم میدان های مغناطیسی مکانیک کوانتومی نشان می دهند الکترون ها مولکول ها پژوهش ها سلول ها

درخواست حذف خبر:

«خبربان» یک خبرخوان هوشمند و خودکار است و این خبر را به‌طور اتوماتیک از وبسایت iraneconomist.com دریافت کرده‌است، لذا منبع این خبر، وبسایت «ایران اکونومیست» بوده و سایت «خبربان» مسئولیتی در قبال محتوای آن ندارد. چنانچه درخواست حذف این خبر را دارید، کد ۳۷۷۹۸۷۵۰ را به همراه موضوع به شماره ۱۰۰۰۱۵۷۰ پیامک فرمایید. لطفاً در صورتی‌که در مورد این خبر، نظر یا سئوالی دارید، با منبع خبر (اینجا) ارتباط برقرار نمایید.

با استناد به ماده ۷۴ قانون تجارت الکترونیک مصوب ۱۳۸۲/۱۰/۱۷ مجلس شورای اسلامی و با عنایت به اینکه سایت «خبربان» مصداق بستر مبادلات الکترونیکی متنی، صوتی و تصویر است، مسئولیت نقض حقوق تصریح شده مولفان در قانون فوق از قبیل تکثیر، اجرا و توزیع و یا هر گونه محتوی خلاف قوانین کشور ایران بر عهده منبع خبر و کاربران است.

خبر بعدی:

اینترنت کوانتومی و دسترسی رادیویی در دستور کار معاونت علمی

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش بنیان ریاست جمهوری، سید محمد کرباسی در خصوص مأموریت‌های ستاد توسعه فناوری‌های اتصال‌پذیری اظهار داشت: رصد فناوری و شناسایی زیست‌بوم، فرهنگ‌سازی و ترویج سواد فناوری، حمایت از نخبگان پژوهشگر و سرآمدان فناور، توسعه فناوری‌های اولویت‌دار و نوظهور و تجاری‌سازی و بازاریابی از جمله ماموریت هایی است که این ستاد در دستور کار خود دارد.

وی همچنین، توسعه منابع انسانی، توسعه فرهنگ بومی‌سازی شبکه ملی اطلاعات، توسعه اتصال‌پذیری با اولویت هوشمندسازی صنایع و تقویت زیرساخت امنیت سایبری شبکه و صنعتی را از اهداف راهبردی این ستاد برشمرد.

به گفته او، دانشگاهیان و پژوهشگران، هسته‌های فناور و شرکت‌های نوپا، صنایع، سازمان‌ها و نهادهای دولتی، عموم افراد جامعه از مخاطبان این ستاد محسوب می شوند.

کرباسی در ادامه در تبیین فعالیت‌های ستاد گفت: ستاد توسعه فناوری های اتصال پذیری و ارتباطات در سال گذشته اقدام به انتشار هفت فراخوان کرد که از آن جمله می توان به فراخوان حمایت از پایان‌نامه‌های دانشجویی (یکی با پژوهشگاه ارتباطات و یکی هم با همراه اول)، فراخوان پروژه‌های تحقیقاتی- طرح‌های پژوهشی و پسادکتری (بنیاد علم)، فراخوان حمایت از طرح‌های فناورانه (نوآفرین)، فراخوان حمایت از طرح‌های فناورانه در حوزه تجهیزات رادیویی (ترنج)، فراخوان مشترک با شرکت ایرانسل، فراخوان‌ حمایت از طرح‌های فناورانه و ... کرده است.

دبیر ستاد توسعه فناوری های اتصال پذیری و ارتباطات همچنین به پروژه‌های پرچم‌دار این ستاد در سال گذشته هم اشاره کرد و گفت: این پروژه های پرچم دار بر محصولات مورد نیاز گلوگاهی کشور تمرکز دارند و هدف از طرح این پروژه ها را حل مشکلات کشور در بحث فناوری دانست.

وی در این راستا، پروژه اینترنت کوانتومی، فناوری دسترسی رادیویی باز(Open RAN) و Fablab IOT و FSO را از جمله این پروژه های پرچم دار برشمرد.

کرباسی در خصوص حمایت های ستاد هم گفت: ستاد در بحث تبصره ۱۸، ۷۲ طرح دریافت و ۱۱ طرح را به مبلغ ۲۷/۵ میلیارد تومان مورد حمایت قرار داده و خارج از تبصره ۱۸، ۱۸ طرح دریافت و ۱۴ طرح به مبلغ ۱۰ میلیارد تومان مورد حمایت قرار گرفته اند.

به گفته او، در حوزه تجاری‌سازی و بازاریابی هم ستاد برنامه هایی را در دستور کار خود داشته است.

وی شرکت در گردهمایی شرکت‌های فناوری اطلاعات و نرم افزارهای رایانه‌ای در مشهد، شرکت در رویداد ملی نکست و امضا ۱۳ تفاهم نامه و توافق نامه را از جمله اقدامات صورت گرفته در این راستا عنوان کرد. همچنین، همکاری در تجهیز دو آزمایشگاه تخصصی در حوزه ۵G و IOT با همراه اول و شرکت ایرانسل از دیگر اقدامات این ستاد در سال ۱۴۰۲ است.

کرباسی خاطرنشان کرد: حدود ۳۳ میلیارد تومان از محل بودجه ستاد به تفکیک ۱۱ درصد به فرهنگ سازی و ترویج سواد فناوری، ۲۱ درصد حمایت از نخبگان و ۶۸ درصد توسعه فناوری و همچنین ۴۹ میلیارد تومان هم از نهادهای دیگر در قالب اعتبار مالیاتی و تفاهم‌نامه‌ها جذب شد که به تفکیک۱ درصد به فرهنگ سازی و ترویج سواد فناوری، ۳۷ درصد به حمایت از نخبگان و ۶۲ درصد به توسعه فناوری اختصاص پیدا کرده است.

وی در ادامه از تشکیل کارگروه‌هایی همچون اینترنت اشیا و هوشمندسازی، ارتباطات نسل جدید، ماهواره و سنجش از راه دور و امنیت سایبری به عنوان یکی از اقدامات این ستاد در سالی که گذشت یاد کرد.

بازدید از شرکت‌های دانش‌بنیان و آزمایشگاه‌های تخصصی در راستای رصد، شناسایی و ترویج امید در حوزه فناوری‌های اتصال‌پذیری و ارتباطات از دیگر برنامه‌هایی است که دبیر ستاد توسعه فناوری‌های اتصال‌پذیری و ارتباطات به این آنها اشاره کرد و در این راستا، بازدید از آزمایشگاه تحقیقاتی و مرکز نوآوری و شرکت‌های دانش‎‌بنیان مستقر در دانشگاه علم و صنعت، مجموعه‌های شتاب‌دهنده و شرکت‌های دانش‌بنیان شهر اصفهان، هلدینگ گرین‌وب و کارخانه نوآوری خراسان رضوی و بررسی مسائل فناورانه بخش رادیویی نسل پنجم ارتباطی در نشستی با شرکت‌های دانش‌بنیان از دیگر اقدامات این ستاد برشمرد.

به گفته کرباسی، حضور ستاد در چهارمین رویداد هفته ایران دیجیتال، کنفرانس ظرفیت شبکه ملی اطلاعات ویژه توسعه هوشمندسازی، چهاردهمین نمایشگاه فناوری‌ نانو ۱۴۰۲ و بیست و چهارمین نمایشگاه بین‌المللی تلکام ۱۴۰۲ از دیگر فعالیت های نمایشگاهی ستاد توسعه فناوری‌های اتصال پذیری و ارتباطات است.

وی ادامه داد: برگزاری سه دوره رویداد کاشتن برای آینده با عناوین «دنیای شگفت‌انگیز ارتباطات از ژرفای کوانتوم تا ماورای ماهواره‌ها»، «اتصال‌پذیری، ارتباطات و هوش مصنوعی» و «ایران هوشمند و متصل» و حمایت‌های مالی از نهادها و دانشجویان با موضوعاتی همچون نخستین هکاتون همراه اول ۵G ، دومین هکاتون همراه اول IOT، دوم هکاتون ۵G ، برگزاری اولین دوره ASMMasters و مسابقه طراحی و ساخت ماهواره‌های مکعبی Qsat (کیوست) و برگزاری دو دوره‌ آموزشی «امنیت سایبری» و «آشنایی‌ با فناوری‌های نوظهور و مشاغل آینده با عنوان اتصال‌پذیری و ارتباطات نسل جدید» از دیگر رویدادها و مسابقات و دوره های آموزشی است که این ستاد در سال گذشته به انجام رسانده است.

کد خبر 6093094 مهتاب چابوک