“Schrödinger’s bakterie” kunne være en kvantumbiologisk milepæl

Et nyligt forsøg kan have lagt levende organismer i en tilstand af kvantindvinding

Af Jonathan O'Callaghan

Kvanteverdenen er en underlig en. I teorien og i en vis grad i praksis kræver dens principper, at en partikel kan synes at være to steder på én gang – et paradoksalt fænomen, der er kendt som overlejring – og at to partikler kan blive “forankret” og dele information på tværs af vilkårlige store afstande gennem nogle stadig -unknown mekanisme.

Måske er det mest berømte eksempel på kvanteværdighed Schrödinger’s kat, et tankeeksperiment, der blev udtænkt af Erwin Schrödinger i 1935. Den østrigske fysiker forestillede sig, hvordan en kat i en kasse med et potentielt dødeligt radioaktivt stof kunne eksistere ved kvantemekanikernes ulige love i en superposition for at være både død og levende – i hvert fald indtil boksen åbnes og dets indhold observeres.

Så langt som det ser ud, har konceptet været eksperimentelt valideret utallige gange på kvanteskalaer. Opskaleret til vores tilsyneladende enklere og sikkert mere intuitive makroskopiske verden, ændrer tingene sig dog. Ingen har nogensinde været vidne til en stjerne, en planet eller en kat i overlejring eller en tilstand af kvanteangreb. Men lige siden kvanteteoriets oprindelige formulering i begyndelsen af ​​det 20. århundrede har forskerne spekuleret på, hvor præcis de mikroskopiske og makroskopiske verdener krydser. Hvor stor kan kvanteområdet være, og kunne det nogensinde være stort nok til dets underlige aspekter til intimt, klart påvirke levende ting? I løbet af de sidste to årtier har det voksende felt af kvantebiologi søgt svar på sådanne spørgsmål, som foreslår og udfører forsøg med levende organismer, der kunne sonde grænserne for kvantteori.

Disse eksperimenter har allerede givet tantalizing men ufuldstændige resultater. Tidligere i år viste forskere eksempelvis fotosynteseprocessen, hvorved organismer gør mad ved hjælp af lys – kan involvere nogle kvantevirkninger . Hvordan fugle navigerer eller hvordan vi lugter også foreslår kvanteffekter kan finde sted på usædvanlige måder inden for levende ting. Men disse dræber kun en tå i kvanteverdenen. Hidtil har ingen nogensinde formået at samle en hel levende organisme – ikke engang en enkeltcellet bakterie – til at vise kvantevirkninger som forstyrrelse eller overlejring.

Så et nyt papir fra en gruppe ved Oxford University hæver nu nogle øjenbryn for sine påstande om den vellykkede sammenblanding af bakterier med fotoner-partikler af lys. Ledet af kvantfysikeren Chiara Marletto og offentliggjort i oktober i Journal of Physics Communications , er undersøgelsen en analyse af et eksperimentudført i 2016 af David Coles fra University of Sheffield og hans kolleger. I dette forsøg opslemte Coles og firmaet flere hundrede fotosyntetiske grønne svovlbakterier mellem to spejle og krympede mellemrummet mellem spejlet gradvist ned til et par hundrede nanometer mindre end bredden af ​​et menneskehår. Ved at hoppe hvidt lys mellem spejlet håbede forskerne at få de fotosyntetiske molekyler inden for bakterierne til at parre eller interagere med hulrummet, hvilket i det væsentlige betyder, at bakterierne kontinuerligt absorberer, udsender og reabsorberer de studsende fotoner. Forsøget var vellykket; op til seks bakterier syntes at parre på denne måde.

Marletto og hendes kolleger argumenterer for, at bakterierne gjorde mere end bare parret med hulrummet. I deres analyse demonstrerer de, at energidesignaturen, der produceres i eksperimentet, kunne være i overensstemmelse med bakteriens fotosyntiske systemer, der bliver viklet sammen med lyset inde i hulrummet. I virkeligheden ser det ud til, at visse fotoner samtidig ramte og mangler fotosyntetiske molekyler inden for bakterierne – et kendetegn for entanglement. “Vores modeller viser, at dette fænomen, der registreres, er en underskrift af sammenblanding mellem lys og visse frihedsgrader inden for bakterierne,” siger hun.

Ifølge undersøgelsen medforfatter Tristan Farrow, også i Oxford, er det første gang, at en sådan effekt er blevet glimtet i en levende organisme. “Det er bestemt nøglen til at demonstrere, at vi er en eller anden måde hen imod ideen om en ‘Schrödinger’s bakterie’, hvis du vil, ‘siger han. Og det tyder på et andet potentielt eksempel på naturligt fremvoksende kvantebiologi: Grønne svovlbakterier ligger i det dybe hav, hvor manglende livgivende lys endda kan anspore kvantemekaniske evolutionære tilpasninger til at forstærke fotosyntese.

Der er dog mange forbehold for sådanne kontroversielle påstande. Først og fremmest er beviser for entanglement i dette eksperiment omstændeligt, afhængigt af hvordan man vælger at fortolke lyset, der lider gennem og ud af de hulrumsbegrænsede bakterier. Marletto og hendes kolleger anerkender en klassisk model, der er fri for kvantevirkninger, kan også tage højde for eksperimentets resultater. Men selvfølgelig er fotoner slet ikke klassiske – de er kvante. Og alligevel er en mere realistisk “semiklassisk” model, der anvender Newtons love for bakterierne og kvantemængderne for fotoner, ikke reproduceret det faktiske resultat Coles og hans kollegaer observeret i deres laboratorium. Dette tyder på, at kvantevirkninger var i spil i både lyset og bakterierne. “Det er lidt indirekte,

Den anden advarsel: bakteriernes og fotonens energier blev målt kollektivt, ikke uafhængigt. Dette ifølge Simon Gröblacher fra Delft University of Technology i Holland, der ikke var en del af denne forskning, er noget af en begrænsning. “Der synes at være noget kvantum på gang,” siger han. “Men … som regel hvis vi demonstrerer entanglement, skal du måle de to systemer uafhængigt” for at bekræfte, at kvantekorrelationen mellem dem er ægte.

På trods af disse usikkerheder er kvantebiologisk overgang fra teoretisk drøm til konkret virkelighed for mange eksperter et spørgsmål om hvornår, ikke hvis. Isoleret og kollektivt har molekyler uden for biologiske systemer allerede vist kvantumeffekter i årtier med laboratorieforsøg, så det ville være fornuftigt nok at finde ud af disse virkninger for lignende molekyler inde i en bakterie eller endda vores egne kroppe. Hos mennesker og andre store multicellulære organismer skal sådanne molekylære kvantevirkninger dog gennemsnites ud til ubetydelighed – men deres meningsfulde manifestation inden for langt mindre bakterier ville ikke være for chokerende. “Jeg er lidt revet over, hvor overraskende [dette fund er],” siger Gröblacher. “Men det er naturligvis spændende, hvis du kan vise dette i et ægte biologisk system.”

Flere forskningsgrupper, herunder dem, der ledes af Gröblacher og Farrow, håber at tage disse ideer endnu mere. Gröblacher har designet et eksperiment, der kunne placere et lille vanddyr kaldet en tardigrade i superposition-Proposition er meget vanskeligere end indvinding af bakterier med lys på grund af en tardigrades hundrede gange større størrelse. Farrow ser på måder at forbedre på bakterieeksperimentet; i det næste år håber han og hans kolleger at forankre to bakterier sammen, i stedet for uafhængigt af lys. “De langsigtede mål er grundlæggende og grundlæggende,” siger Farrow. “Dette handler om at forstå virkeligheden og om kvanteeffekter har en nytte i biologiske funktioner. Ved kerne af ting er alt kvantum, “tilføjer han, hvor det store spørgsmål er, om kvantevirkninger spiller en rolle i, hvordan levende ting virker.

 

Den anden advarsel: bakteriernes og fotonens energier blev målt kollektivt, ikke uafhængigt. Dette ifølge Simon Gröblacher fra Delft University of Technology i Holland, der ikke var en del af denne forskning, er noget af en begrænsning. “Der synes at være noget kvantum på gang,” siger han. “Men … som regel hvis vi demonstrerer entanglement, skal du måle de to systemer uafhængigt” for at bekræfte, at kvantekorrelationen mellem dem er ægte.

På trods af disse usikkerheder er kvantebiologisk overgang fra teoretisk drøm til konkret virkelighed for mange eksperter et spørgsmål om hvornår, ikke hvis. Isoleret og kollektivt har molekyler uden for biologiske systemer allerede vist kvantumeffekter i årtier med laboratorieforsøg, så det ville være fornuftigt nok at finde ud af disse virkninger for lignende molekyler inde i en bakterie eller endda vores egne kroppe. Hos mennesker og andre store multicellulære organismer skal sådanne molekylære kvantevirkninger dog gennemsnites ud til ubetydelighed – men deres meningsfulde manifestation inden for langt mindre bakterier ville ikke være for chokerende. “Jeg er lidt revet over, hvor overraskende [dette fund er],” siger Gröblacher. “Men det er naturligvis spændende, hvis du kan vise dette i et ægte biologisk system.”

Flere forskningsgrupper, herunder dem, der ledes af Gröblacher og Farrow, håber at tage disse ideer endnu mere. Gröblacher har designet et eksperiment, der kunne placere et lille vanddyr kaldet en tardigrade i superposition-Proposition er meget vanskeligere end indvinding af bakterier med lys på grund af en tardigrades hundrede gange større størrelse. Farrow ser på måder at forbedre på bakterieeksperimentet; i det næste år håber han og hans kolleger at forankre to bakterier sammen, i stedet for uafhængigt af lys. “De langsigtede mål er grundlæggende og grundlæggende,” siger Farrow. “Dette handler om at forstå virkeligheden og om kvanteeffekter har en nytte i biologiske funktioner. Ved kerne af ting er alt kvantum, “tilføjer han, hvor det store spørgsmål er, om kvantevirkninger spiller en rolle i, hvordan levende ting virker.

 

Det kan f.eks. Være, at “naturligt udvalg har skabt måder at leve systemer til naturligt at udnytte kvantefænomener”, som Marletto noter, som det førnævnte eksempel på bakterier, der fotosyntiserer i det lyshårede dybhav. Men at komme til bunden af ​​dette kræver små start. Forskningen har stadigt været klatring mod makrolvel eksperimenter, med et nyligt eksperiment med succes indblanding af millioner af atomer . At bevise, at de molekyler, der udgør levende ting, udviser meningsfulde kvanteffekter – selvom de er trivielle formål – ville være et nøgle næste trin. Ved at udforske denne kvantum-klassiske grænse kan forskere komme tættere på at forstå, hvad det ville betyde at være makroskopisk kvantum, hvis en sådan ide er sand.

Share: