BBC - Terre - organismes pourrait être des machines quantiques

S'il y a un sujet qui résume parfaitement l'idée que la science est difficile à comprendre, c'est la physique quantique. Les scientifiques nous disent que les habitants miniatures du royaume quantique se comportent de façon apparemment impossible: ils peuvent exister dans deux endroits à la fois, ou disparaissent et réapparaissent ailleurs instantanément.

L'une grâce salvatrice est que ces comportements ne semblent pas quantique vraiment bizarre d'avoir beaucoup d'impact sur le monde macroscopique comme nous le savons, où la physique « classique » fait la loi.

Ou, au moins, c'est ce que les scientifiques pensaient jusqu'à il y a quelques années.

processus quantiques pourraient être à l'œuvre derrière certains processus très familiers

En fait, les effets quantiques pourraient être quelque chose que la nature a recruté dans sa batterie d'outils pour faire le travail de la vie meilleure, et de rendre nos corps dans des machines plus lisses. Il est même possible que nous pouvons faire plus avec l'aide de l'étrange monde quantique que nous ne pourrions sans elle.

À un certain niveau, la photosynthèse est très simple. Les plantes, les algues vertes et certaines bactéries prennent en plein soleil et du dioxyde de carbone, et de les transformer en énergie. Que tatillonne dans le dos des esprits des biologistes, cependant, est que les organismes photosynthétiques rendre le processus look un peu trop facile.

Il est une partie de la photosynthèse en particulier que les puzzles scientifiques. Un photon - une particule de lumière - après un voyage de milliards de kilomètres dévaler à travers l'espace, entre en collision avec un électron dans une feuille en dehors de votre fenêtre. L'électron, étant donné un coup sérieux par ce regain d'énergie, commence à rebondir, un peu comme un flipper. Il fait son chemin à travers une petite partie de la cellule de la feuille, et transmet son énergie supplémentaire à une molécule qui peut agir comme une monnaie d'énergie pour alimenter la centrale.

Les organismes photosynthétiques rendent le processus look un peu trop facile

Le problème est, ce petit flipper fonctionne bien soupçonneux. La physique classique suggère l'électron excité devrait prendre un certain temps à la carrière à l'intérieur de l'appareil photosynthétique dans la cellule avant d'émerger de l'autre côté. En réalité, l'électron fait le voyage beaucoup plus rapidement.

De plus, l'électron excité perd à peine une énergie du tout dans le processus. La physique classique prédisait une certaine perte d'énergie dans l'entreprise bruyante d'être manié la batte autour de la machine de flipper moléculaire. Le processus est trop rapide, trop lisse et trop efficace. Il semble trop beau pour être vrai.

Cela pourrait faire partie de la réponse à la façon dont les électrons excités passent par la machine de flipper photosynthétique si rapidement et efficacement. Un effet quantique est la capacité d'exister dans de nombreux endroits en même temps - une propriété connue sous le nom superposition quantique. En utilisant cette propriété, l'électron pourrait explorer de nombreuses voies autour de la machine de flipper biologique à la fois. De cette façon, il pourrait presque instantanément choisir le plus court, itinéraire le plus efficace, impliquant le moins de rebondir au sujet.

La physique quantique avait le potentiel d'expliquer pourquoi la photosynthèse était soupçonneux efficace - une révélation choquante pour les biologistes.

« Je pense que ce fut quand les gens ont commencé à penser que quelque chose de réellement excitant », dit Susana Huelga. un physicien quantique à l'université d'Ulm en Allemagne.

La physique quantique avait le potentiel d'expliquer pourquoi la photosynthèse était soupçonneux efficace - une révélation choquante pour les biologistes

L'environnement animé humide, chaud, des cellules vivantes est le dernier endroit où vous pouvez vous attendre à voir les événements quantiques. « [Mais] même ici, les caractéristiques quantiques sont encore en vie », dit-Huelga.

« La prochaine étape sera d'avoir des résultats quantitatifs disant que l'efficacité de cette machine biologique est-ce dû à des phénomènes quantiques. »

Les effets quantiques en biologie pourraient expliquer comment les oiseaux migrateurs savoir quelle façon de voler

Dans des milliers de kilomètres de long voyage, un oiseau migrateur comme le rouge-gorge européen se rendra souvent en Europe du Sud ou en Afrique du Nord pour échapper à des hivers particulièrement froids. Ce voyage sur un paysage inconnu serait dangereux, voire impossible, sans boussole. Commencez le voyage dans la mauvaise direction et un rouge-gorge de partir de la Pologne pourrait finir par en Sibérie plutôt que le Maroc.

Une boussole biologique est pas une chose facile à l'image. S'il y avait une certaine forme de structure en forme d'aiguille minuscule fer magnétique tournant profondément à l'intérieur du cerveau ou les yeux d'un rouge-gorge, les biologistes connaîtraient certainement à ce sujet maintenant. Mais pas de chance: une structure biologique qui pourrait faire le travail n'a jamais été trouvé.

Une autre théorie, d'abord proposée dans les années 1970, a suggéré un oiseaux façon alternative pourrait savoir quelle façon de voler: peut-être qu'ils portent une boussole chimique qui repose sur des phénomènes quantiques de dire où est le nord.

Peter Hore. un chimiste à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, dit qu'une telle boussole chimique travaillerait avec l'aide de molécules avec des électrons solitaires excitables, appelées radicaux, et une propriété quantique connue sous le nom de spin.

Un « solitaire » filature électronique lui-même est libre d'interagir avec son environnement - y compris les champs magnétiques

Il se trouve que, Hore dit Robins peuvent devenir temporairement désorienté lorsqu'il est exposé à des ondes radio - un type d'onde électromagnétique - d'une gamme de fréquences particulière. Si une onde radio a une fréquence de seulement la même vitesse qu'un électron tourne, il pourrait provoquer l'électron à résonner. C'est le même genre de résonance que vous pouvez rencontrer quand vous chantez sous la douche - certaines notes beaucoup plus fort et plus complet que d'autres. Frapper la fréquence des ondes radio à droite fera l'électron vibrent plus vigoureusement de la même manière.

Mais qu'est-ce que cela a à voir avec l'idée que les oiseaux utilisent une boussole chimique? La théorie est que d'ordinaire, les radicaux à l'arrière de l'oeil de l'oiseau réagissent au champ magnétique de la Terre. Le champ magnétique provoque l'électron à quitter sa place dans la boussole chimique et commencer une chaîne de réactions pour produire une substance chimique donnée. Tant que l'oiseau continue pointant dans la même direction, plus le produit chimique va construire.

Ainsi, la quantité de ce produit chimique présent est une source d'information, générer des signaux dans les cellules nerveuses de l'oiseau. Dans le cadre de différents signaux environnementaux, cette information informera l'oiseau de savoir si elle pointe vers la Sibérie ou le Maroc.

L'observation des ondes radio est importante parce que nous nous attendons à tout ce qui interfère avec le spin des électrons pour être en mesure, au moins en principe, de perturber la boussole chimique. Il peut être aussi utile d'étudier pourquoi quelque chose ne fonctionne pas toujours comme il est d'étudier pourquoi elle le fait généralement le travail.

Cependant, la boussole quantique reste une idée. Il n'a pas encore été trouvé dans la nature. Hore a mis l'accent sur la recherche de savoir comment la boussole quantique peut fonctionner en principe, en utilisant des molécules qui devraient théoriquement être en mesure de faire le travail.

La boussole quantique reste une idée - il n'a pas encore été trouvé dans la nature

« Nous avons fait des expériences sur des composés modèles pour établir le principe selon lequel on peut faire une boussole chimique », dit Hore. Ceux-ci ont contribué à cerner certaines molécules qui ne semblent être en forme dans le but de détecter des champs magnétiques, dit-il. « Ce que nous ne savons pas est de savoir s'ils se comportent exactement de la même manière dans une cellule dans le corps de l'oiseau. »

Il y a un domaine qui semble terriblement proche de démontrer la réalité de la biologie quantique, bien que: la science de l'odorat.

Exactement comment notre nez sont capables de distinguer et d'identifier une myriade de molécules de formes différentes est un grand défi pour les théories conventionnelles de l'olfaction. Lorsqu'une molécule malodorante embaume dans l'un de nos narines, personne n'est encore tout à fait sûr de ce qui se passe ensuite. D'une certaine façon la molécule interagit avec un capteur - un récepteur moléculaire - noyé dans la peau intérieure délicate de notre nez.

Exactement comment sont nos nez capables de distinguer et d'identifier une myriade de molécules de forme différente?

Un nez humain bien formé peut distinguer entre des milliers d'odeurs différentes. Mais comment cette information est réalisée sous la forme de la molécule malodorante est un casse-tête. De nombreuses molécules qui sont presque identiques dans la forme, mais pour échanger autour d'un atome ou deux, ont des odeurs très différentes. Vanilline sent la vanille, mais eugénol, qui est très semblable dans la forme, les odeurs de clous de girofle. Certaines molécules qui sont une image miroir de l'autre - tout comme votre main droite et gauche - ont aussi des odeurs différentes. Mais aussi, certaines molécules en forme de manière très différente peuvent sentir presque exactement la même chose.

Luca Turin. un chimiste à l'Institut BSRC Alexander Fleming en Grèce, a travaillé à casser la façon dont les propriétés d'une molécule encodent son parfum. « Il y a quelque chose de très particulier au cœur de l'olfaction, qui est que notre capacité à est incompatible avec ce que nous analysons en quelque sorte des molécules et des atomes pense que nous savons à propos de la reconnaissance moléculaire », explique Turin.

Il fait valoir que la forme de la molécule seule ne suffit pas pour déterminer son odeur. Il dit que ce sont les propriétés quantiques des liaisons chimiques dans la molécule qui fournit les informations cruciales.

Selon la théorie quantique de Turin de l'olfaction, lorsqu'une molécule malodorante pénètre dans le nez et se lie à un récepteur, il permet un processus appelé effet tunnel quantique pour se produire dans le récepteur.

Quand une molécule malodorante pénètre dans le nez et se lie à un récepteur, il permet à effet tunnel se produise

En effet tunnel, un électron peut passer à travers un matériau de sauter d'un point A à un point B d'une manière qui semble contourner l'espace intermédiaire. Comme avec boussole quantique, le facteur crucial est la résonance de l'oiseau. Un lien particulier dans la molécule malodorante, dit Turin, peut entrer en résonance avec la bonne énergie pour aider un électron d'un côté du saut de molécule de récepteur de l'autre côté. L'électron ne peut faire ce saut dans le tunnel que l'on appelle quantique si la liaison est vibrait avec juste la bonne énergie.

« Olfaction a besoin d'un mécanisme qui implique en quelque sorte la composition chimique réelle de la molécule », dit-il. « Ce fut ce facteur qui a trouvé une explication très naturelle dans effet tunnel quantique. »

La meilleure preuve de la théorie est la découverte de Turin que deux molécules avec des formes extrêmement différentes peuvent sentir la même si elles contiennent des liaisons avec des énergies similaires.

Turin prédit que boranes - les composés relativement rares qui sont difficiles à trouver - sentait très comme le soufre, ou des œufs pourris. Il ne l'avait jamais sentait un borane avant, de sorte que la prédiction était tout à fait un pari.

Il avait raison. Turin dit que, pour lui, ce fut l'argument décisif. « Chimie borane est très différent - en fait, il y a relation zéro - à la chimie du soufre. Donc, la seule chose que ces deux ont en commun est une fréquence de vibration. Ils sont les deux seules choses là-bas dans la nature que odeur de soufre « .

Bien que cette prévision a été un grand succès pour la théorie, ce n'est pas la preuve ultime. Idéalement Turin veut attraper ces récepteurs dans l'acte de l'exploitation des phénomènes quantiques. Il dit qu'ils obtiennent « assez proche » pour clouer ces expériences. « Je ne veux pas porter la poisse, mais nous travaillons là-dessus », dit-il. « Nous pensons que nous avons une façon de le faire, alors nous allons certainement avoir un aller dans les prochains mois. Je pense que rien de qui se déplacera vraiment les choses. »

Turin veut attraper ces récepteurs dans l'acte de l'exploitation des phénomènes quantiques

Si oui ou non la nature a évolué pour utiliser des phénomènes quantiques pour aider les organismes font carburant à partir de la lumière, dire au nord du sud, ou distinguent la vanille de clou de girofle, les propriétés étranges du monde atomique peuvent encore nous dire beaucoup de choses sur le fonctionnement plus fines de la vie cellules

« Il y a une deuxième façon de voir comment la mécanique quantique interagit avec la biologie, et qui est par la détection et le sondage, » dit Huelga. « Sondes quantiques seraient en mesure de faire la lumière sur beaucoup de choses intéressantes dans la dynamique des systèmes biologiques. »

Et si oui ou non la nature y est arrivé d'abord, il n'y a aucune excuse pour nous de ne pas mélanger la biologie avec des phénomènes quantiques pour développer de nouvelles technologies, dit-elle. En utilisant des effets quantiques dans les cellules photovoltaïques d'inspiration biologique, par exemple, pourrait donner des panneaux solaires un énorme coup de pouce de l'efficacité. « A ce moment-là il y a beaucoup d'activité dans l'énergie photovoltaïque organique, pour voir si des structures naturelles ou artificielles, on peut avoir une efficacité améliorée qui exploitent des effets quantiques. »

Donc, même si alternatif, encore entièrement des mécanismes inconnus émergent pour ces énigmes biologiques tenaces, les biologistes et les physiciens quantiques ne sera certainement pas vu le dernier de l'autre. « Ce sera certainement une histoire avec une fin heureuse », dit-elle.