量子物理学の法則は生物学にも当てはまりますが、他の科学分野ほどではありません。一般に、量子力学は、原子、亜原子粒子、分子、および分子集合体の挙動と特性を説明する基本的な理論です。ただし、生物系の複雑な性質のため、量子力学は他の科学分野ほど生物学に影響を与えません。
相容れないように見える 2 つの科学分野 (量子物理学と生物学) の間の型破りで奇抜なコラボレーションは、私たちの生きている世界の性質に対する魅力的な新しい洞察を生み出しています。
生物学的システムは本質的に動的であり、常に環境とエネルギーと物質を交換し、生命と同義の非平衡状態を維持しています。一方、量子力学は、原子、亜原子粒子、分子、分子集合体の挙動と特性を説明する基本理論であり、現在の知識の範囲をはるかに超えている可能性があります。
DNA - 生命の構成要素 (写真提供:Sergey Nivens/Shutterstock)
量子物理学がナノスケールの測定を扱い、前者がミクロレベルより小さくない場合、この組み合わせを考えると混乱するかもしれません.さて、あなたの疑問は当然です。読み続けて、量子物理学が私たちの世界の重要な生物学的現象の多くをどのように形成しているかを発見してください。
光合成
このプロセスが何を伴うかについての一般的な考えを持っているかもしれません。植物やある種のバクテリアは、日光と水を吸収して「食物」、つまり炭水化物を合成し、他のすべての生物の生存に不可欠な老廃物として酸素を放出します.
しかし、実際には何がこのプロセスに入るのでしょうか?
発色団 入射太陽光線または他の光源から光子または光粒子を収集する、植物の色を与える細胞です。次に、過剰なエネルギーが吸収された結果である励起子を放出します。このエネルギーは、植物が代謝できる化学エネルギーに変換できます。
このプロセス全体が 10 億分の 1 秒で実行され、効率は 100% に近く、エネルギー損失はごくわずかです。この急速に進化する世界では、効率がすべてです。明らかに、光合成の巧妙なメカニズムは、まさに自然の最大の驚異の 1 つです。 だから… ここで実際に何が起こっているのですか?
(写真提供:Designua / Shutterstock)
励起子は、単一の直線的な経路を移動する代わりに、波のような動きで移動します。励起子の弾幕が一緒に移動すると、それらの波のような動きが重なり合い、量子コヒーレンスが生成されます。 かなり印象的ですね。
この量子コヒーレンスは、励起子に可能なすべての経路をテストするように命令します。 その後、最も効率的なオプションを選択します。
この現象を私たち自身の技術で模倣できれば、エネルギー生産産業にとってどれほど大きなブレークスルーになるか想像してみてください。高効率のソーラー パネルと長持ちするバッテリーは、環境に優しく明るい未来への道を開く可能性があります。
磁気受容
一部の鳥類や海洋動物は、地球の磁場と相互作用する内部化学コンパスを使用して地球を移動することが長い間知られていました。
しかし、実際のところ、地球の磁場は弱すぎて感覚を鈍らせません。では、鳥は実際にどのように移動するのでしょうか?
クリプトクローム 、特別な種類のタンパク質で、ヨーロッパのコマドリや他の動物種の目に見られます.太陽光が目の網膜に当たると、タンパク質は 光誘起ラジカル対 として知られる 2 つの不対電子を放出します。 .
鳥の目に存在するクロマトフォアの化学構造と結合構造
不対電子は、微細な変化に非常に敏感です。それらはスピンを地球の磁場の方向に向け、方向感覚を与えます。これらのプロセスはすべて量子レベルで行われるため、ほとんどの人が考えたことのないもう 1 つの量子生物学的現象となっています!
嗅覚:嗅覚
人間は何千もの異なる匂いを区別する能力を持っています。香りの分子が空気から鼻孔に入ると、光子が視神経と相互作用して視力を与えるのと同様に、鼻の内部の受容体と相互作用します。問題は、嗅神経がどのようにしてある匂いを別の匂いと区別するのかということです.ご想像のとおり、これは間違いなく量子物理学と関係があります!
香りの分子を空気とともに吸い込む過程で、嗅覚神経と接触し、においの感覚を伝えます (写真提供:ウィキメディア コモンズ)
香りの分子が鼻の特定の受容体と相互作用すると、その分子に存在する電子が量子トンネルを介して受容体の反対側に移動します . 量子トンネリングは、古典物理学の理論によれば、電子、陽子、中性子などの素粒子が他の方法では通過できない障壁を通過する現象です .そうすることで、匂い分子の情報を電気信号に変換し、それを脳に送り、匂いを検出して迅速に識別できるようにします。
量子認知
認知 「思考、経験、または感覚を通じて、知識と理解を獲得するための精神的な行動またはプロセス」と定義できます。
(写真提供:agsandrew/Shutterstock)
「量子認知」とは、確率論などの量子力学の背後にある数学的原理を使用して、人間の行動の背後にある心理学をよりよく理解できることを示唆する新しい理論です。結局のところ、思考は脳の認知能力に基づいており、脳は量子レベルで観察される電気インパルスに基づいて機能します。
囚人のジレンマ
人間の脳の認知能力をよりよく理解するために、古典的な「囚人のジレンマ」思考実験について考えてみましょう。 2 人の犯罪者が、相手の犯罪を告発する機会を与えられます。一方が他方を非難しても、他方が反対しない場合、裏切り者は釈放され、他方は 3 年の任期を務めます。両者がお互いを非難した場合、それぞれが 2 年間務めます。どちらも相手を評価しない場合、それぞれに 1 年が与えられます。両方の犯罪者が常に自分の利益のために振る舞うと考えると、相手の発言に気付いていない場合、常に相手を非難します。
古典的確率 をこの思考実験に適用しても、説明に失敗します。最初の犯罪者が、2 番目の犯罪者が協力することを確実に知っていた場合、彼を非難し、彼自身の犯罪を回避することが最も理にかなっています。同じことが 2 番目の犯罪者にも当てはまります。したがって、他の犯罪者が何をしていても、脱走するのが最善であると結論付けることができます。古典的な観点から見ると、これはすべて非常に混乱します。
ただし、量子的な説明はもう少しうまく機能します。シュレーディンガーの猫の実験では、箱を開けて猫の状態を観察しない限り、閉じた箱の中で猫が死んでいる可能性も生きている可能性も同じです。この結果を私たちの実験に当てはめると、それぞれの可能性は思考の波のようなものだと言えます。他の波（光、音、水）が互いに干渉し合うように、他の囚人を怒らせたり、口を閉じたりする背後にある選択肢の波が干渉し、互いに打ち消し合うか、より小さな波を構築するか、またはおそらくはるかに大きいもの。これは、一方の犯罪者が協力しようとすると、もう一方の犯罪者も協力する可能性があることを意味します!
この例を理解するのは少し難しいように思えるかもしれませんが、実際には、確率論は偶然のゲームです。それを量子化することで、すべての側に平等な機会が与えられ、それぞれの決定が互いに影響を与えるようになります.
結論
自然選択は、規模や範囲に関係なく、生物系が量子現象を自然に利用する方法を確かに考え出しました。
この学際的な分野ではあまり発見されていませんが、 そして、技術の進歩のために量子生物学の理解を完全に活用するにはほど遠いですが、バイオに着想を得た量子デバイスが従来の非効率的な類似体よりも優れた性能を発揮する時代はそう遠くありません.
1960 年代の時代とは異なり、「熱く湿った複雑な」生体系は量子力学のミクロの世界と完全に相容れないと考えられていましたが、私たちは理解の新しい段階に到達しました。さて、「Can」の質問 量子現象は生物学に影響を与えますか?」 「If」に置き換えられました 彼らは、何 それが引き起こす効果とどのように それは起こりますか？地球上での進化には、量子力学の異常を利用するためのさまざまな方法を考案するのに 35 億年かかったことを考えると、量子生物学が探求すべき魅力的な空間がたくさんあるようです!
