Fizycy twierdzą, że splątanie kwantowe spaja DNA

Był czas, nie tak dawno temu, kiedy biolodzy przysięgali czarno na niebiesko, że mechanika kwantowa nie może odgrywać żadnej roli w gorących, wilgotnych układach życia.

Od tego czasu dyscyplina biologii kwantowej stała się jedną z najbardziej ekscytujących nowych dziedzin nauki. Zaczyna wyglądać tak, jakby efekty kwantowe były kluczowe w wielu procesach biologicznych, takich jak fotosynteza i ptasia nawigacja, którym przyjrzeliśmy się tutaj i tutaj .

Teraz grupa fizyków twierdzi, że dziwne prawa mechaniki kwantowej mogą być ważniejsze dla życia, niż biolodzy mogli kiedykolwiek sobie wyobrazić. Ich nowy pomysł polega na tym, że DNA jest utrzymywane razem przez splątanie kwantowe.

Warto to rozeznać bardziej szczegółowo. Splątanie to dziwny proces kwantowy, w którym pojedyncza funkcja falowa opisuje dwa oddzielne obiekty. Kiedy tak się dzieje, obiekty te skutecznie dzielą to samo istnienie, bez względu na to, jak daleko mogą być od siebie.

Pytanie, które zadała sobie Elisabeth Rieper z National University of Singapore i kilku kumpli, brzmi, jaką rolę może odgrywać uwikłanie w DNA. Aby się tego dowiedzieć, skonstruowali uproszczony teoretyczny model DNA, w którym każdy nukleotyd składa się z chmury elektronów wokół centralnego dodatniego jądra. Ta ujemna chmura może poruszać się względem jądra, tworząc dipol. A ruch chmury tam iz powrotem to oscylator harmoniczny.

Kiedy nukleotydy łączą się, tworząc bazę, chmury te muszą oscylować w przeciwnych kierunkach, aby zapewnić stabilność struktury.

Rieper i spółka pytają, co dzieje się z tymi oscylacjami, lub fononami, jak nazywają je fizycy, gdy pary zasad są ułożone w podwójnej helisie.

Fonony to obiekty kwantowe, co oznacza, że ​​mogą istnieć w superpozycji stanów i ulegać splątaniu, tak jak inne obiekty kwantowe.

Na początek Rieper i spółka wyobrażają sobie spiralę bez wpływu ciepła z zewnątrz. Mówią, że łańcuch sprzężonych oscylatorów harmonicznych jest wyraźnie splątany w temperaturze zerowej. Następnie pokazują, że splątanie może również istnieć w temperaturze pokojowej.

Jest to możliwe, ponieważ fonony mają długość fali podobną do helisy DNA, co umożliwia tworzenie się fal stojących, zjawisko znane jako pułapka fononowa. Kiedy tak się dzieje, fonony nie mogą łatwo uciec. Wiadomo, że podobny rodzaj pułapkowania fononów powoduje problemy w strukturach krzemowych o tej samej wielkości.

Nie miałoby to większego znaczenia, gdyby nie miało ogólnego wpływu na spiralę. Ale model opracowany przez Rieper i spółka sugeruje, że efekt jest głęboki.

Chociaż każdy nukleotyd w parze zasad oscyluje w przeciwnych kierunkach, zachodzi to jako superpozycja stanów, tak że całkowity ruch helisy wynosi zero. Jednak w czysto klasycznym modelu nie może się to zdarzyć, w którym to przypadku spirala wibruje i rozpada się.

W tym sensie te efekty kwantowe są odpowiedzialne za utrzymywanie DNA razem.

Oczywiście pytanie brzmi, jak to udowodnić. Mówią, że jednym z dowodów jest to, że czysto klasyczna analiza energii wymaganej do utrzymywania DNA razem nie sumuje się. Jednak ich model kwantowy wypełnia tę lukę. To interesujące, ale będą musieli wymyślić coś eksperymentalnie przekonującego, aby przekonać biologów do tych pomysłów.

Jedną z kuszących sugestii na końcu ich artykułu jest to, że splątanie może mieć wpływ na sposób, w jaki informacje są odczytywane z nici DNA i że możliwe jest eksperymentalne wykorzystanie tego. Tylko jak, nie mówią.

Praca spekulacyjna, ale potencjalnie wybuchowa.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1006.4053 : Znaczenie ciągłego splątania zmiennych w DNA

ukryć