211service.com
Mechanika kwantowa wyjaśnia, w jaki sposób mięśnie wytwarzają siłę
Jeszcze nie tak dawno biolodzy przysięgali na ślepo, że ich dyscyplina nigdy nie zostanie splamiona dziwnymi efektami mechaniki kwantowej. Dzisiaj biologia kwantowa jest rozwijającą się dyscypliną w wielu laboratoriach na całym świecie i tylko odważni (lub głupi) argumentują teraz przeciwko idei, że efekty kwantowe odgrywają ważną rolę w działaniu molekuł biologicznych, całych komórek, a nawet mózgu.
Dziś dodaj mięśnie do tej listy. Tieyan Si z Instytutu Systemów Złożonych Maxa Plancka w Dreźnie w Niemczech stworzył kwantowy model zachowania mięśni. Jego pomysł jest taki, że miozyna, motor molekularny odpowiedzialny za skurcze mięśni, jest zasadniczo obiektem kwantowym, a jej zachowanie najlepiej opisuje mechanika kwantowa.
Biznesowa część włókien mięśniowych składa się z aktyny, którą można uznać za linę, oraz miozyny, która jest motorem molekularnym, który działa jak zespół do przeciągania liny. Stymulacja elektryczna wprawia w ruch zespoły bojowe, gorączkowo ciągnąc za liny i powodując skurcz mięśni. Rzeczywista siła wytwarzana przez mięsień jest wynikiem naciągania i rozluźniania wielu motorów miozyny, choć niekoniecznie razem.
Wyzwaniem dla teoretyków jest ustalenie, w jaki sposób te silniki molekularne generują krzywe siły i relaksacji, które występują w prawdziwym mięśniu. Są one dobrze przebadane w układach tak różnych, jak mięsień sercowy ssaków i skrzydła owadów, a biomechanicy od dawna wiedzą, że różne rodzaje działania mięśni i mięśni wytwarzają różne krzywe siły. Na przykład skurcze, które są szybko uwalniane, mają inną sygnaturę siły, aby powoli zwalniać. Wyjaśnienie tego za pomocą jednej klasycznej teorii nie jest łatwe.
Podejście Si polega po prostu na założeniu, że każdy silnik miozyny jest obiektem kwantowym, który może tworzyć dwa kształty i że przełączanie się między tymi kształtami powoduje skurcz. Innymi słowy, ma dwa stany. (Przygląda się również systemowi, w którym miozyna ma trzy stany.) Miozyna przechodzi w jeden stan, pochłaniając energię i rozluźnia się, emitując ją, a łączny efekt wszystkich przełączeń determinuje zachowanie włókna.
Włókno mięśniowe jest zatem po prostu łańcuchem tych obiektów kwantowych, dla którego można wyprowadzić obiekt matematyczny znany jako hamiltonian, który opisuje zachowanie. Pytanie, do którego odnosi się Si, brzmi, do jakiego rodzaju krzywych siła-relaks prowadzi ten hamiltonian.
Jego odpowiedź brzmi, że ten kwantowy układ hamiltonianu daje nam klasyczną relację siła-prędkość nie tylko dla szybkiego uwalniania, ale także dla powolnego uwalniania i stanów niestabilnych.
Pokazuje, że system dwupoziomowy dokładnie modeluje zachowanie mięśnia sercowego, podczas gdy stan trójpoziomowy wyjaśnia zachowanie mięśnia do lotu owadów.
Czego Si nie robi, to jasno wyjaśnić wady konwencjonalnych modeli zachowania mięśni i dlaczego podejście kwantowe jest lepsze. Si nie czyni też żadnych przewidywań dotyczących zachowania mięśni, których klasyczne modele nie mogą wyjaśnić.
Niemniej jest to imponujący pierwszy krok w kwantowym opisie zachowania mięśni. Jak wskazuje Si, jest jeszcze wiele do zrobienia w zrozumieniu interfejsu między łańcuchem kwantowym a sygnałami, które je wyzwalają, takimi jak sygnały elektryczne wzdłuż nerwów i przepływ jonów przez błony, które to wyzwala.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1004.3120 : Jednowymiarowy łańcuch kwantowych koherentnych silników cząsteczkowych jako model dla włókien mięśniowych