Science

Apa biologi kuantum yang sedikit dieksplorasi (dan bagaimana hal itu dapat memberikan petunjuk tentang mengapa kita hidup) | Internasional | Berita

Jika kita meluangkan waktu beberapa menit untuk memikirkan apa itu fisika kuantum, apa yang akan Anda katakan?

Banyak orang mungkin menjawab bahwa ini adalah rumus rumit yang menjelaskan proses yang sangat kompleks terkait dengan partikel subatom, gravitasi, energi, pergerakan galaksi, lubang hitam dan segala sesuatu yang berhubungan dengan ruang-waktu dan ukuran alam semesta.

Mirip seperti Albert Einstein. Dan itu tidak akan menjadi jawaban yang sangat jauh dari kenyataan.

Bagaimanapun, bapak Teori Relativitas meletakkan dasar untuk fisika statistik dan mekanika kuantumbagian dari fisika modern dan itu sangat berbeda dengan yang dikemukakan oleh Isaac Newton berabad-abad yang lalu.

Tetapi ada cabang yang kurang dieksplorasi yang tidak mengharuskan kita pergi terlalu jauh untuk memahami tentang apa itu.

Faktanya, itu ada di sini, di planet kita, di antara kita.

Fisikawan teoretis Irak-Inggris Jim Al Khalili mengangkat ini pada tahun 2015 dengan sebuah pertanyaan selama ceramah: bagaimana jika dunia kuantum memainkan peran penting dalam fungsi sel hidup?

Bisakah sesuatu yang begitu kecil membantu kita memahami mengapa kita hidup?

Selama bertahun-tahun, komunitas ilmiah terus terang: biologi adalah ilmu yang sangat kompleks sehingga tidak ada hubungannya dengan dunia kuantum.

Sebuah gagasan yang hari ini dianggap salah. Sebenarnya, mekanika kuantum memainkan peran penting dalam proses biologis yang sangat penting untuk fotosintesis tanaman atau respirasi sel.

Cabang ilmu ini dikenal sebagai biologi kuantum.

Dapatkah fisika kuantum menjelaskan cara kerja sel? Foto: Getty Images

Dan memahaminya akan membuka pintu ke jawaban dan pengetahuan yang tak terhitung banyaknya yang masih belum sepenuhnya kita kelola, dari pemahaman cara kerja mutasi sampai terciptanya obat baru atau perbaikan dalam komputasi kuantum.

“Pada bagian tertentu kami memecahkan misteri penting,” Vladimiro Mujica, seorang ahli kimia di Central University of Venezuela dan seorang dokter di Quantum Chemistry dari University of Uppsala, Swedia, mengatakan kepada BBC Mundo.

Vladimiro Mujica, ilmuwan Venezuela yang mempelajari hubungan antara fisika kuantum dan proses biologis. Foto: Universitas Negeri Arizona

Baru-baru ini, Arizona State University, tempat Mujica bekerja, menerima hibah US$1 juta dari Keck Foundation bekerja sama dengan University of California di Los Angeles dan Northwestern University di Chicago untuk mempelajari biologi kuantum selama tiga tahun ke depan. .

Idenya adalah untuk memahami sebanyak mungkin ruang lingkup cabang ini, yang merevolusi cara kita memahami hubungan antara proses kuantum dan kehidupan itu sendiri.

Tapi apa itu biologi kuantum?

Mari kita mulai dari awal. Mekanika kuantum:

Fisika modern menarik terutama dari dua cabang yang mempelajari relativitas dan dunia kuantum. Bidang studi pertama seperti pergerakan galaksi dan planet; dan yang kedua sistem atom dan subatom Mereka sangat kecil sehingga kita tidak bisa melihatnya dengan mata telanjang.

Dunia raksasa dan dunia kecil.

Mekanika kuantum mempelajari dunia atom dan subatom. Foto: Getty Images

Sisi yang jelas adalah itu kimia, biologi dan biokimia adalah bagian dari mata pelajaran. Dan materi ini terdiri dari atom dan molekul.

Jadi, jika fisika kuantum mempelajari dunia atom ini, itu juga akan menjelaskan biologi.

“Proses biologis sebenarnya adalah sistem kuantum karena fisika (kuantum) menggambarkan perilaku materi pada tingkat mikroskopis,” jelas Mujica.

Ini adalah kesimpulan yang dibaca dengan cara yang sangat sederhana. Tapi itu tidak selalu begitu jelas.

Hukum Newton tidak berlaku dalam fisika kuantum. Foto: Getty Images

Dan ada alasan kuat: proses biologis sebenarnya sangat kompleks. Dan sistem kuantum, di sisi lain, membutuhkan “stabilitas”, sesuatu yang dikenal oleh para ilmuwan sebagai koherensi gelombang.

Kesimpulan dari komunitas ilmiah adalah bahwa proses biologis begitu “berisik” sehingga mereka tidak memiliki stabilitas ini. Pada dasarnya, mereka menghancurkan koherensi.

Dan itulah mengapa sepanjang abad ke-20, para ilmuwan memisahkan mekanika kuantum dari biologi. Mereka tidak memberinya banyak minat.

Tetapi mungkin ada sesuatu yang hilang yang tidak dipahami oleh para ilmuwan atau yang tidak sesuai. Mungkin ada metode di mana semua ini diterapkan dalam proses biologis.

Tidak sepele?

Telah diketahui bahwa materi tersusun dari partikel. Beberapa adalah proton dan neutrondan yang lainnya dikenal sebagai partikel elementer, seperti elektron dan foton.

Partikel-partikel ini bekerja pada tingkat biologis. Misalnya, fotosintesis pada tumbuhan didorong oleh transfer elektron dalam molekul.

Fotosintesis adalah salah satu contoh terbaik fisika kuantum dalam proses biologis. Foto: Getty Images

Tapi ada masalah di sini: bagaimana elektron ini bergerak? Jika kita memiliki bola lampu, elektron akan melewati kawat tembaga yang menjadi sangat panas dan menyebabkan lampu “menyala”.

Tetapi tanaman tidak memiliki kawat tembaga ini. Faktanya, biologi memiliki konduktor energi yang “buruk”dalam kata-kata Mujica, dan meningkatkan suhu secara tiba-tiba akan membuat sel mati begitu saja.

Jadi elektron akan membutuhkan itu sesuatu yang gagal dipahami oleh para ilmuwan. Sebuah proses yang sederhana dan tidak membutuhkan banyak energi untuk memungkinkan partikel bergerak tanpa membunuh sel.

Proses itu benar-benar ada, dan itu disebut efek terowongan.

Contoh: jika kita memiliki bola tenis di satu sisi lapangan dan kita harus mengopernya ke sisi lain, itu sudah cukup untuk melemparnya dari satu ujung ke ujung lainnya.

Tetapi jika lapangan memiliki tembok yang sangat tinggi di tengah, maka bola harus dilempar sangat tinggi dan melewati tembok atau bola akan memantul. Beginilah cara kerja fisika klasik.

Foto: Getty Images

Tapi berbeda dalam fisika kuantum. Jika bola tenis benar-benar sebuah elektron, ada cara bagi elektron untuk melewati dinding dan bukan melewatinya. Dan ini terjadi karena partikel bergerak dalam bentuk gelombang.

Efek terowongan seperti “jika Anda membuka lubang di penghalang dan Anda menyelinap melewatinya”. Dan keuntungannya adalah sangat sederhana dan murah sehingga digunakan oleh sistem biologis untuk menggunakan energi sesedikit mungkin.

Para ilmuwan menyebut jenis peristiwa ini“tidak sepele”. Ini pada dasarnya bagaimana mekanika kuantum mengubah proses biologis.

Ini bukan sesuatu yang baru. Fisikawan seperti Erwin Schrödinger dari Austria telah menangani ini dan topik lain dalam fisika kuantum pada paruh pertama abad ke-20, meletakkan dasar bagi orang lain untuk membuat penemuan baru.

Karya Erwin Schrödinger sangat penting untuk studi fisika kuantum. Foto: Getty Images

proses yang berbeda

Tetapi efek terowongan bukan satu-satunya mekanisme kuantum yang bekerja dalam proses biologis.

Ada yang lain, seperti arah rotasi partikel, sesuatu yang dikenal sebagai putaran. Dan semua efek ini bekerja dengan cara yang berbeda pada berbagai tahap proses biologis.

Misalnya, fotosintesis terdiri dari tiga langkah. Yang pertama adalah penangkapan foton (partikel pembawa radiasi elektromagnetik, seperti sinar matahari) oleh tanaman.

Yang kedua adalah ketika elektron menyerap energi foton dan pindah ke keadaan energi yang lebih tinggi, perjalanan melalui molekul dan berdasarkan efek terowongan.

Akhirnya, elektron digunakan untuk reaksi kimia yang menghasilkan pelepasan oksigen. Dan itulah yang memungkinkan makhluk seperti manusia bernafas.

Dalam semua langkah ini, mekanika kuantum hadir.

Tapi sekarang bayangkan elektron itu berputar pada porosnya sendiri (spin), dan gerakan ini bisa ke kanan atau ke kiri. Tergantung pada arah putaran, elektron akan melewati terowongan atau tidak.

Untuk membuatnya lebih sederhana, anggap saja sebagai sekrup, yang ketika dimasukkan ke dalam slot hanya dapat disekrup ke arah yang benar. Tetapi jika Anda mencobanya dengan cara lain, itu tidak terjadi atau Anda merusaknya.

Inilah yang dikenal sebagai kiralitasdari bahasa Yunani kheir, yang artinya tangan. Ketika suatu objek kiral, ia memiliki yang lain yaitu refleksi, seperti tangan kanan dengan tangan kiri.

Ini berarti bahwa putaran berjalan seiring dengan kiral.

“Jadi Anda sekarang memiliki mekanisme istimewa yang melindungi transportasi elektronik dari kebisingan eksternal. Karena itu, efek yang seharusnya tidak penting, karena sekarang menjadi penting”, rangkuman Mujica.

Dan pemahaman ini sangat penting bagi ilmu pengetahuan. Tunneling, spin, dan kiralitas sekarang diketahui tidak hanya terkait dengan fotosintesis, tetapi juga dengan fotosintesis. sintesis protein, cara organisme bernafas atau hubungan antar neuron.

Bahkan dalam mutasi, transformasi materi genetik yang terjadi oleh perubahan acak dari sebuah molekul dalam tubuh kita.

aplikasi yang berbeda

Tapi kemudian, untuk apa semua ini?

Para ilmuwan hanya mencoba memahami dimensi sebenarnya dari biologi kuantum. Lagi pula, itu dianggap tidak penting untuk waktu yang lama dan baru sekitar satu dekade yang lalu bidang ilmu ini mulai muncul lagi.

Salah satu cabang yang bisa mendapatkan keuntungan adalah dari farmakologidi mana kiralitas memainkan peran penting.

Lain adalah komputasi kuantum. “Pada titik ini kami, di mana kami mencoba menemukan sistem yang baik untuk melakukan pemrosesan kuantum,” kata Mujica. “Sudah ada komputer kuantum, tetapi jumlahnya sangat terbatas. Mereka adalah mainan yang sangat canggih dan sangat mahal,” tambahnya.

Salah satu bidang yang dapat mengambil manfaat dari biologi kuantum adalah komputasi. Foto: Getty Images

Tetapi banyak dari aplikasi ini tidak akan terjadi dalam tiga tahun yang akan dihabiskan Mujica dan rekan-rekannya yang lain untuk mempelajari biologi kuantum. Mereka melihatnya lebih sebagai ilmu yang akan memiliki efek yang lebih penting jangka panjang.

Apa yang sekarang terbukti adalah peran penting yang dimiliki fisika kuantum dalam membantu kita memahami betapa pentingnya proses biologis yang memungkinkan kehidupan bekerja.

Jadi ini bukan tentang mencari planet lain, tetapi juga tentang melihat lebih dalam pada apa yang kita miliki sendiri. (SAYA)

Leave A Reply

Your email address will not be published.