«I batteri di Schrödinger»: il miracolo della biologia quantistica?

Il mondo Quantistico è molto strano. In teoria, e in pratica, in una certa misura, i principi del mondo quantistico richiede, per la particella potrebbe trovarsi in due posti contemporaneamente è paradossale fenomeno è noto come sovrapposizione — e per due particelle potrebbero «riferire», lo scambio di informazioni attraverso arbitrariamente grandi distanze. Esattamente come — nessuno lo sa esattamente. L'esempio più famoso stranezze del mondo quantistico può essere chiamato il gatto di Schrödinger, esperimento, condotto da Erwin schrödinger con nel 1935.

Il fisico Austriaco mentalmente messo il gatto in una scatola con potenzialmente letale sostanza radioattiva. Strane leggi della meccanica quantistica ha permesso di gatto esistere in una sovrapposizione di due stati — contemporaneamente vivo e morto, almeno finché la scatola non è stata aperta e il suo contenuto viene rilevato.

Stranezze del mondo quantistico

Con tutta la stranezza, questo concetto è stato confermato sperimentalmente innumerevoli volte nel quantum scala. Ma quando si scala prima del nostro, per così dire, più semplice e intuitiva del mondo macroscopico, tutto cambia. Nessuno fino a quando non ho visto una stella, un pianeta o un gatto in sovrapposizione o in uno stato di entanglement quantistico. Ma da allora, come la teoria quantistica è stata formulata per la prima volta all'inizio del 20 ° secolo, gli scienziati si sono chiesti esattamente dove si intersecano microscopica e macroscopica mondi? Quanto grande può essere quantistica la realtà e se sarà mai abbastanza grande per lei gli aspetti più bizzarri è stato possibile collegare strettamente con gli esseri viventi? Nel corso degli ultimi due decenni è apparso area quantistica, biologia cercando le risposte a queste domande, proponendo e facendo esperimenti su esseri viventi, che potrebbe aiutare a trovare i limiti della teoria quantistica.

Questi esperimenti hanno portato interessanti, ma i risultati inconcludenti. All'inizio di quest'anno, ad esempio, gli scienziati hanno dimostrato che il processo di fotosintesi — quando gli organismi producono cibo, utilizzando la luce — può comportare alcuni effetti quantistici. Navigazione uccelli o il nostro senso dell'olfatto dicono anche che effetti quantistici possono interessare gli esseri viventi in un modo inusuale. Ma questa è solo la punta di un iceberg del mondo quantistico. Finora nessuno è riuscito a forzare un organismo vivente — anche non одноклеточную batterio — manifestare effetti quantistici, come confusione o sovrapposizione.

Ed ecco, il nuovo lavoro di scienziati dell'università di Oxford costringe alcuni a sorpresa sollevare le sopracciglia: ci scrivono, che sono riusciti con successo a confondere i batteri con i fotoni — particelle di luce. Lo studio, condotto quantistico fisico Chiara Марлетто e pubblicato nel mese di ottobre, in Journal of Physics Communications, è un'analisi di un esperimento condotto nel 2016 David Коулсом delle Università di Sheffield e i suoi colleghi. In quell'esperimento Коулс e la società ha messo un paio di centinaia di fotosintesi verdi di zolfo di batteri tra due specchi, riducendo progressivamente il divario tra specchi fino a diverse centinaia di nanometri — è inferiore alla larghezza di un capello umano. Saltare la luce bianca attraverso specchi, gli scienziati speravano che fotosintetici molecole in batteri formano coppie — o potranno interagire — con il vuoto, cioè i batteri vengono continuamente di assorbire, di emissione e di ri-assorbire i fotoni che rimbalzano. L'esperimento è stato un successo. Circa sei batteri formano coppie su questa base.

Марлетто e i suoi colleghi sostengono che i batteri non solo di formare una coppia con la cavità. Nella sua analisi hanno dimostrato che l'energia firme, ottenuti nel corso di un esperimento, possono essere compatibili con фотосинтезирующими sistemi di batteri, confuse con la luce nella cavità. Infatti, sembra che alcuni fotoni anche la direzione e il mancato fotosintetici molecole all'interno di batteri è stato il segno distintivo di offuscamento.

«i Nostri modelli mostrano che questo fenomeno può essere considerato firma di confusione tra la luce e le gradi di libertà all'interno dei batteri», ha detto.

Secondo il co-autore della ricerca Tristan Farrow, che è anche di Oxford, per la prima volta questo fenomeno è stato osservato in vivo. «Questa è sicuramente la chiave per la prova di ciò che abbiamo in qualche modo si stanno muovendo in direzione idee «batteri di Schrödinger», per così dire,» dice. E allude a un altro potenziale caso di manifestazione di biologia quantistica in un ambiente naturale: verde серобактерии abitano nelle profondità dell'oceano, dove la carenza di luce vivificante può stimolare la meccanica quantistica evolutivo di adattamento per accelerare e mantenere la fotosintesi.

In questi controverse dichiarazioni ci sono, tuttavia, molte insidie. Prima di tutto, la prova di offuscamento in questo esperimento sarà indirettamente, dipende da come osservatore decide di interpretare la luce, che scorre attraverso e il conseguente limitate cavità dei batteri. Марлетто e i suoi colleghi riconoscere che il modello classico, libera da effetti quantistici, potrebbe anche spiegare i risultati di questo esperimento. Ma, naturalmente, i fotoni non sono classici non — sono quantistica. E ancora più realistica «полуклассическая» un modello che utilizza le leggi di Newton per i batteri e le leggi quantistiche per i fotoni, non può riprodurre i risultati ottenuti Коулсом e i suoi colleghi del laboratorio. Ciò indica che effetti quantistici si manifestano come per la luce e per i batteri.

Un Altroinsidia: l'energia dei batteri e del fotone misurato insieme e non singolarmente. Questo, secondo Simon Греблахера di Delft university of Technology nei paesi bassi, che non era coinvolto nello studio, è qualche vincolo. «Può sembrare che sta succedendo qualcosa a livello quantistico», dice. «Ma… di solito, quando dimostriamo la partecipazione, misuriamo due sistemi a prescindere», per confermare che eventuali correlazioni quantistiche tra di loro sono genuini.

Nonostante queste incertezze, per molti esperti quantistica-biologico passaggio dal teorica sogno alla realtà, che si può sentire, non è una questione di opportunità — è una questione di tempo. Singolarmente e collettivamente le molecole al di fuori dei sistemi biologici già dimostrato effetti quantistici in esperimenti di laboratorio condotti per decine di anni, quindi la ricerca di questi effetti tra le molecole all'interno di batteri o, in generale, i nostri corpi non sembra privo di senso. Negli organismi delle persone e di altri esseri pluricellulari, tuttavia, tali molecolari quantistici effetti sarebbe difficile da notare, ma non minuscoli batteri — e perché no? «È una piacevole scoperta, anche se il previsto», dice Греблахер. «Ma certamente sarà una sorpresa, se di dimostrare con un esempio reale di un sistema biologico».

Diversi gruppi di ricerca guidati tra cui Греблахером e Farrow, sperano di sviluppare queste idee ancora di più. Греблахер ha sviluppato un esperimento che potrebbe mettere il piccolo animale — тихоходку — in uno stato di sovrapposizione. Questo sarà molto più difficile di intrappolamento dei batteri con la luce a causa di relativamente grandi dimensioni tardigradi. Farrow. esamina i modi per migliorare l'esperimento con i batteri; il prossimo anno lui e i suoi colleghi sperano di confondere due batteri insieme, senza toccare la luce.

«Si tratta di comprendere la natura della realtà e di ciò hanno effetti quantistici ruolo nelle funzioni biologiche. Profondamente alla radice delle cose tutto è quantistici».

Può essere, ad esempio, che «la selezione naturale ha inventato modi per sistemi viventi naturalmente usare fenomeni quantistici», osserva Марлетто, citando l'esempio di cui sopra la fotosintesi серобактерий nel mare profondo. Ma per questo è necessario iniziare con qualcosa di piccolo. Nel corso di un recente esperimento è stato un successo confuso milione di atomi. Naturalmente, questo è minuscolo, anche a confronto con i batteri. Ma se l'approccio bottom-up funziona, un giorno ci aspetta aggrovigliati sul livello macroscopico creature, oggetti e anche le persone.

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