شواهد رو به رشدی نشان می‌دهد که پدیده‌های زیراتمی می‌توانند بر فعالیت‌های اساسی سلول‌ها تأثیر بگذارند، از جمله چگونگی مدیریت انرژی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها. این حوزه نوظهور که با عنوان زیست‌شناسی کوانتومی شناخته می‌شود، دیگر صرفاً یک فرضیه حاشیه‌ای در میان محققان نیست.
در تاریخ ۵ مه ۲۰۲۵، دانشمندان دانشگاه عبری اورشلیم از پژوهشی پرده برداشتند که پیوندی میان مکانیک کوانتومی و عملکردهای کلیدی سلولی در سامانه‌های پروتئینی برقرار می‌کند.
همکاری بین‌دانشگاهی برای کشف لایه‌های عمیق‌تر حیات
این تحقیق توسط نعما گورن و یوسی پلتئیل از دپارتمان فیزیک کاربردی و مرکز نانو در دانشگاه عبری هدایت شد. آنان با پژوهشگرانی از مؤسسه علوم ویزمن و دانشگاه بن‌گوریون همکاری داشتند.
حرکت پروتون‌ها در سامانه‌های زنده
پروتون‌ها، قلب تپنده تولید انرژی بیوشیمیایی
انتقال پروتون‌ها در مرکز تولید و مدیریت انرژی بیوشیمیایی سلول‌ها قرار دارد؛ موضوعی که از گذشته در نظریه‌های اسمز شیمیایی مورد توجه بوده است. این ذرات باردار بسیار کوچک، نقشی اساسی در فرایند سنتز ATP دارند، مولکولی که انرژی لازم برای بسیاری از فعالیت‌های حیاتی بدن را فراهم می‌کند.
نقش شیب پروتونی در تنفس سلولی و فتوسنتز
مطالعات مربوط به تنفس سلولی و فتوسنتز نشان می‌دهد که شیب‌های پروتونی، فرایند تبدیل انرژی را در غشاهای ویژه‌ای با کارایی بالا تسهیل می‌کنند. بدون این حرکت دقیق و تنظیم‌شده، کل سازوکار تولید انرژی در حیات دچار اختلال می‌شود.
ارتباط جدید بین چرخش الکترون و حرکت پروتون
پژوهش جدید نشان داده است که چرخش الکترون می‌تواند حرکت پروتون‌ها را در کریستال‌های لیزوزیم تحت تأثیر قرار دهد. این کشف نشان‌دهنده تأثیر مستقیم پدیده‌های کوانتومی بر فرایندهای مربوط به انرژی است و فراتر از توضیحات معمول در مورد برهم‌کنش‌های مولکولی می‌رود.
«یافته‌های ما نشان می‌دهد که حرکت پروتون‌ها در سامانه‌های زیستی تنها به شیمی مربوط نیست بلکه فیزیک کوانتومی نیز در آن نقش دارد. این امر درهای تازه‌ای را برای درک نحوه انتقال انرژی و اطلاعات در موجودات زنده باز می‌کند.» — نعما گورن
قوانین کوانتومی در انتقال انرژی سلولی
چرخش الکترون به عنوان دروازه‌بان انرژی
نتایج این پژوهش حاکی از آن است که سلول‌ها ممکن است برای سازماندهی دقیق‌تر انتقال انرژی، از قوانین کوانتومی بهره ببرند. به‌جای تکیه صرف بر شیب‌های شیمیایی یا تجمع مولکولی، چرخش ذرات زیراتمی می‌تواند همانند یک دروازه‌بان عمل کند و به طور انتخابی حرکت پروتون‌ها را اجازه دهد یا مسدود کند.
ساختار مولکولی هم‌راستا با چرخش ترجیحی
این یافته‌ها احتمال می‌دهند که سلول‌ها توانایی دارند جریان انرژی داخلی خود را از طریق هم‌تراز کردن ساختارهای مولکولی با حالت‌های چرخشی خاص، تنظیم کنند. در صورت اثبات این فرضیه، زندگی دارای لایه‌ای از کنترل خواهد بود که دانشمندان تازه در حال کشف آن هستند؛ لایه‌ای که شاید مفاهیم فعلی درباره مدیریت انرژی در سامانه‌های زنده را از نو تعریف کند.
نقش کایرالیته در ساختارهای زیستی
ساختارهای آینه‌ای در زیست‌مولکول‌ها
بسیاری از مولکول‌های زیستی، مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک و قندها، دارای ویژگی کایرالیته هستند؛ یعنی آن‌ها در دو فرم آینه‌ای وجود دارند که بر هم قابل انطباق نیستند. این ویژگی بر نحوه تا شدن و تعامل این ساختارها تأثیر می‌گذارد.
ترجیح چرخش خاص در ساختارهای کایرال
دانشمندان مدت‌هاست مشکوک بودند که برخی آرایش‌های کایرال، ممکن است چرخش خاصی از الکترون را نسبت به دیگری ترجیح دهند. این موضوع در اثر «انتخاب چرخش القایی کایرال» (CISS) مورد بررسی است که حوزه‌ای فعال در تحقیقات زیست‌مولکولی به شمار می‌رود.
اهمیت این کشف در چیست؟
کاربردهای بالقوه در فناوری و سلامت
با استفاده از ویژگی‌های کوانتومی مانند چرخش، سلول‌ها ممکن است قادر به تنظیم دقیق‌تر جریان پروتون باشند. این دیدگاه می‌تواند درک ما را از عملکرد آنزیم‌ها، انتقال عصبی، و حتی طراحی فناوری‌های جدید دگرگون سازد.
«این پیوند میان چرخش الکترون و حرکت پروتون می‌تواند به فناوری‌هایی منجر شود که فرآیندهای زیستی را شبیه‌سازی کرده، یا راه‌های جدیدی برای کنترل انتقال اطلاعات درون سلول‌ها فراهم آورد.» — یوسی پلتئیل
زمینه‌سازی برای نوآوری در علوم مختلف
پژوهشگران حوزه‌های نانوفناوری، بیوشیمی و علوم مواد، ممکن است به زودی از این ایده‌ها برای طراحی دستگاه‌های نوآورانه الهام بگیرند.
آثار کوانتومی در عملکرد سلول‌ها
پیامدهای احتمالی در عملکرد مغز
پیوند تازه کشف‌شده بین جریان پروتون و چرخش الکترون، پیامدهایی برای درک عملکرد مغز نیز دارد. نورون‌ها برای ارسال سیگنال به تبادل سریع یون‌ها از جمله پروتون‌ها متکی هستند. اگر مکانیسم‌های وابسته به چرخش در این انتقال نقش داشته باشند، آثار کوانتومی ممکن است بر چگونگی پردازش اطلاعات در مدارهای عصبی تأثیر بگذارند.
ارتباط با بیماری‌های عصبی و اختلالات انرژی
برخی دانشمندان در حال بررسی این موضوع هستند که آیا اختلالات در چرخش الکترون یا محیط‌های کایرال، می‌تواند در بروز بیماری‌هایی چون پارکینسون یا آلزایمر که به متابولیسم انرژی مرتبط‌اند، نقش داشته باشد یا خیر. درک این پیوندهای کوانتومی می‌تواند به طراحی درمان‌هایی منجر شود که جریان انرژی سلولی را با دقتی بی‌سابقه اصلاح می‌کنند.
آینده زیست‌شناسی کوانتومی
مسیرهای تازه برای علم و فناوری
در سال‌های اخیر، زیست‌شناسی کوانتومی توجه بیشتری به خود جلب کرده است، چرا که شواهدی از پدیده‌هایی مانند هم‌دوسی کوانتومی در فتوسنتز، فعالیت آنزیمی و حتی جهت‌یابی پرندگان کشف شده است.
در حالی که منتقدان باور داشتند که چنین حالات ظریفی نمی‌توانند در سلول‌های گرم و مرطوب پایدار بمانند، اما شواهد روز به روز بیشتر می‌شود.
امید به دستاوردهای بزرگ در پزشکی و انرژی پاک
ادامه کاوش در این زمینه می‌تواند ساختارهای زیستی بیشتری را که از مکانیک کوانتومی برای عملکرد بهتر بهره می‌گیرند، آشکار سازد. دانشمندان دستیابی به پیشرفت‌هایی در پزشکی دقیق، راه‌حل‌های انرژی پاک و پردازش داده‌ها را متصورند که با الگوبرداری از ترفندهای کوانتومی طبیعت محقق می‌شود.
نتیجه‌گیری
هرچند زیست‌شناسی و فیزیک دو حوزه مجزا به نظر می‌رسند، اما مطالعه چرخش الکترون و انتقال پروتون نشان می‌دهد که این دو عمیقاً با هم درآمیخته‌اند. با بررسی این تعاملات ظریف، می‌توانیم درک بهتری از موتورهای زیستی که زندگی را ممکن می‌سازند به دست آوریم. کارهای پژوهشی در این زمینه ممکن است موارد بیشتری از تأثیر قوانین کوانتومی بر فیزیولوژی روزمره ما در مقیاس مولکولی را آشکار کند.
این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
