Das Buch „Das Leben steht am Rande. Dein erstes Buch über Quantenbiologie “

Das Leben ist das außergewöhnlichste Phänomen im beobachtbaren Universum; aber wie kam es zum leben? Selbst im Zeitalter des Klonens und der synthetischen Biologie bleibt eine wunderbare Wahrheit wahr: Niemand hat es bisher geschafft, Lebewesen aus völlig leblosen Materialien zu erschaffen. Das Leben entsteht nur aus dem Leben. Es stellt sich heraus, dass uns noch einige seiner grundlegenden Komponenten fehlen?

Wie Richard Dawkins 'Buch The Selfish Gene, das es uns ermöglichte, einen neuen Blick auf den Evolutionsprozess zu werfen, ändert Life on the Edge unsere Vorstellungen von den grundlegenden Triebkräften dieser Welt. Darin berücksichtigen die Autoren sowohl die neuesten experimentellen Daten als auch Entdeckungen aus der Wissenschaft und tun dies in einem einzigartigen und verständlichen Stil. Jim Al-Khalili und Jonjo McFadden sprechen über die fehlende Komponente der Quantenmechanik; das Phänomen, das dieser mysteriösesten Wissenschaft zugrunde liegt.

Kinetischer Isotopeneffekt

Haben Sie jemals versucht, auf einen Hügel zu radeln? Wenn Sie es versucht haben, haben Sie wahrscheinlich Fußgänger überholt. Auf einer ebenen Straße können Sie beim Fahrradfahren problemlos alle Fußgänger und sogar Läufer überholen. Warum wird das Radfahren auf einem Hügel weniger produktiv?

Stellen Sie sich nun vor, Sie steigen vom Fahrrad und gehen zu Fuß auf einer ebenen Straße oder einem Hügel entlang. Jetzt ist alles offensichtlich. Wenn Sie den Hang entlang gehen, müssen Sie nicht nur selbst klettern, sondern auch das Fahrrad nach oben schieben. Das Gewicht des Fahrrads, das beim Fahren auf einer horizontalen Fläche nicht wirklich wichtig war, wirkt sich jetzt gegen Sie aus, wenn Sie versuchen, auf die Spitze des Hügels zu klettern: Sie ziehen das Fahrrad an sich selbst und überwinden die Schwerkraft der Erde für viele Meter. Deshalb legen die Hersteller von Rennrädern großen Wert darauf, wie leicht das Fahrradmodell sein wird. Natürlich ist das Gewicht des Objekts von großer Bedeutung, wenn Sie es zu einer Person bewegen müssen, aber unser Beispiel mit einem Fahrrad legt eher nahe, dass es nicht nur auf das Gewicht des Objekts ankommt, das Sie schieben müssen, sondern auch auf die Art der Bewegung.

Und jetzt stellen Sie sich vor, Sie möchten wissen, welches Gelände zwischen zwei Städten liegt, sagen wir A und B: flach oder hügelig. Gleichzeitig hatten Sie nicht die Möglichkeit, in diese Städte zu gehen und sie persönlich zu überprüfen. Wenn Sie wissen, dass zwischen diesen Städten ein Postdienst besteht und die Postboten leichte und schwere Fahrräder verwenden, können Sie die Geländemerkmale wie folgt ermitteln: Sie müssen Sätze identischer Pakete von einer Stadt in eine andere senden, während die Hälfte der Pakete mit Postboten auf leichten Fahrrädern zugestellt werden sollte. und der zweite - mit schweren Postboten. Wenn sich herausstellt, dass die Lieferung aller Ihrer Pakete ungefähr zur gleichen Zeit gedauert hat, können Sie daraus schließen, dass das Gebiet zwischen den Städten mit größerer Wahrscheinlichkeit flach ist. Wenn die Lieferung von Paketen auf schweren Fahrrädern viel länger gedauert hat, werden Sie verstehendass das Gelände zwischen A und B eher hügelig ist. So sind unsere Postboten-Radfahrer damit beschäftigt, unerforschte Gebiete zu erkunden.

Atome eines chemischen Elements haben wie Fahrräder ein unterschiedliches Gewicht. Nehmen wir zum Beispiel Wasserstoff - das einfachste Element, das uns dennoch sehr interessiert. Jedes Element wird durch die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt, die mit der Anzahl der den Kern umgebenden Elektronen übereinstimmt. Im Wasserstoffkern gibt es also ein Proton, im Kern von Helium - zwei, Lithium - drei usw. Die Atomkerne enthalten jedoch nicht nur Protonen, sondern auch Neutronen, die wir in Kapitel 1 erwähnt haben, als wir über die Fusion von Wasserstoffkernen im Inneren sprachen Von der Sonne. Wenn Neutronen in den Kern gelangen, wird er schwerer und seine physikalischen Eigenschaften ändern sich. Atome eines Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden, werden Isotope genannt. Das übliche Wasserstoffisotop ist das leichteste, da es nur aus einem Proton und einem Elektron besteht.Dies ist die häufigste Form von Wasserstoff. Es gibt zwei seltenere Isotope von Wasserstoff: Deuterium (D) mit einem zusätzlichen Elektron und Tritium (T) mit zwei zusätzlichen Neutronen.

Da die chemischen Eigenschaften der Elemente hauptsächlich durch die Anzahl der Elektronen in den Atomen bestimmt werden, haben verschiedene Isotope desselben Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen in den Atomkernen unterscheiden, sehr ähnliche, aber nicht identische chemische Eigenschaften. Der kinetische Isotopeneffekt zeigt, wie empfindlich die chemische Reaktion auf den Ersatz von Atomen im Molekül der reagierenden Substanz durch schwerere Isotope ist. Es ist definiert als das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten, die mit schweren und leichten Isotopen ablaufen. Wenn beispielsweise Wasser an der Reaktion beteiligt ist, können die Wasserstoffatome in den H2O-Molekülen durch ihre schwereren Gegenstücke - Deuterium und Tritium - ersetzt werden, die jeweils D2O- oder T2O-Moleküle bilden. Genau wie unsere Postboten auf Fahrrädern kann eine Reaktion auf eine Änderung des Gewichts von Atomen reagieren oder sie kann nicht reagieren - alles hängt vom Weg ab,die von den Substanzen ausgewählt werden, die in die Reaktion eintreten, um schließlich zu ihren Produkten zu werden.

Es gibt mehrere Mechanismen, die starke kinetische Isotopeneffekte liefern. Einer dieser Mechanismen ist das Quantentunneln - ein Prozess, der wie das Radfahren von der Masse des Partikels abhängt, das versucht, die Barriere zu überwinden. Je größer die Masse des Partikels ist, desto weniger manifestieren sich seine Welleneigenschaften und desto geringer ist daher die Wahrscheinlichkeit, dass das Partikel die Energiebarriere überwindet. Eine Verdoppelung der Atommasse, beispielsweise im Fall des Ersetzens des üblichen Wasserstoffisotops durch Deuterium, verringert daher die Wahrscheinlichkeit seiner Teilnahme am Quantentunneln stark.

Das Vorhandensein eines starken kinetischen Isotopeneffekts kann daher darauf hinweisen, dass der Reaktionsmechanismus - der Weg von den Reaktanten zu den Produkten - ein Quantentunneln beinhaltet. Dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Schlussfolgerung, da der Effekt durch klassische chemische Phänomene verursacht werden kann, die nicht mit den Gesetzen der Quantenmechanik zusammenhängen. Wenn es jedoch genau das Quantentunneln ist, das während der Reaktion stattfindet, muss die Reaktion auf eine bestimmte Weise auf die Temperaturänderung reagieren: Ihre Geschwindigkeit hört auf zu beschleunigen und gleicht sich bei niedriger Temperatur aus, wie die Erfahrung von DeWolt und Chance im Fall des Elektronentunnelns zeigt. Die Experimente von Klinman und ihrem Team für das ADH-Enzym zeigten dasselbe, und während der Experimente wurden strenge Beweise erhaltenDieses Quantentunneln war in diesem Fall Teil des Reaktionsmechanismus.

Einem von Klinman geleiteten Wissenschaftlerteam gelang es, wichtige Beweise dafür zu erhalten, dass Protonentunneln häufig bei enzymatischen Reaktionen bei Temperaturen auftreten, bei denen auch Lebensprozesse auftreten. Andere Wissenschaftlerteams, darunter eine Gruppe unter der Leitung von Nigel Scratton von der Universität Manchester, führten ähnliche Experimente mit anderen Enzymen durch und beobachteten kinetische Isotopeneffekte, was darauf hinweist, dass die Reaktion von Quantentunneln begleitet wird. Die Frage, wie Enzyme die Quantenkohärenz unterstützen und zur Entstehung des Tunneleffekts beitragen, bleibt jedoch umstritten. Für einige Zeit wurde angenommen, dass Enzyme nicht statisch sind, dass sie sich während der Reaktionen ständig vibrieren und bewegen. Zum Beispiel öffnen sich die "Kiefer" von Kollagenasen jedes Mal und schlagen zu,wenn sie die Kollagenbindung aufbrechen. Wissenschaftler glaubten, dass solche Bewegungen, die während der Reaktion beobachtet werden, zufällig sind oder dazu dienen, Substrate einzufangen und alle Atome, die in die Reaktion eintreten, auszurichten und zu ordnen. In unserer Zeit argumentieren Experten auf dem Gebiet der Quantenbiologie jedoch, dass solche Schwingungen - die sogenannten "Antriebsmotoren" und ihre Hauptfunktion - Atome und Moleküle so nahe wie möglich bringen, um das Quantentunneln von Teilchen (Elektronen und Protonen) zu ermöglichen. Wir werden im letzten Kapitel unseres Buches auf dieses Thema zurückkommen, eines der aufregendsten und am schnellsten wachsenden in der Quantenbiologie.reagieren. In unserer Zeit argumentieren Experten auf dem Gebiet der Quantenbiologie jedoch, dass solche Schwingungen - die sogenannten "Antriebsmotoren" und ihre Hauptfunktion - Atome und Moleküle so nahe wie möglich bringen, um das Quantentunneln von Teilchen (Elektronen und Protonen) zu ermöglichen. Wir werden im letzten Kapitel unseres Buches auf dieses Thema zurückkommen, eines der aufregendsten und am schnellsten wachsenden in der Quantenbiologie.reagieren. In unserer Zeit argumentieren Experten auf dem Gebiet der Quantenbiologie jedoch, dass solche Schwingungen - die sogenannten "Antriebsmotoren" und ihre Hauptfunktion - Atome und Moleküle so nahe wie möglich bringen, um das Quantentunneln von Teilchen (Elektronen und Protonen) zu ermöglichen. Wir werden im letzten Kapitel unseres Buches auf dieses Thema zurückkommen, eines der aufregendsten und am schnellsten wachsenden in der Quantenbiologie.Wir werden im letzten Kapitel unseres Buches auf dieses Thema zurückkommen, eines der aufregendsten und am schnellsten wachsenden in der Quantenbiologie.Wir werden im letzten Kapitel unseres Buches auf dieses Thema zurückkommen, eines der aufregendsten und am schnellsten wachsenden in der Quantenbiologie.

Was macht also den „Quantenteil“ der Quantenbiologie aus?

Jedes einzelne Biomolekül, das in einer lebenden Zelle existiert oder jemals existiert hat, wurde durch Enzyme erzeugt und zerstört. Enzyme sind wie keine andere Substanz dem Konzept der „treibenden Kräfte des Lebens“ nahe. Die Entdeckung, dass einige (und möglicherweise alle) Enzyme aufgrund der Entmaterialisierung von Partikeln an einem Ort im Raum und ihrer sofortigen Materialisierung an einem anderen Punkt funktionieren, ermöglicht es uns, das Rätsel des Lebens neu zu betrachten. Trotz der Tatsache, dass viele Probleme im Zusammenhang mit der Funktion von Enzymen noch nicht vollständig verstanden sind (zum Beispiel die Rolle der Proteinbewegung), besteht kein Zweifel daran, dass das Quantentunneln eine große Rolle im Mechanismus ihrer Arbeit spielt.

Trotzdem können wir die Kritik vieler Wissenschaftler nur berücksichtigen. Sie erkennen die Entdeckungen von Klinman, Scratton und anderen Forschern an, argumentieren jedoch, dass Quanteneffekte in der Biologie dieselbe Rolle spielen wie in der Arbeit von Dampflokomotiven: Sie können beobachtet werden, tragen aber im Allgemeinen nicht zum Verständnis der Funktionsweise des gesamten Systems bei. Dieses Argument taucht häufig in Debatten darüber auf, ob Enzyme gelernt haben, Quantenphänomene wie das Tunneln während der Evolution zu nutzen oder nicht. Kritiker argumentieren, dass die Entstehung von Quantenphänomenen im Verlauf biologischer Prozesse unvermeidlich ist, da die meisten biochemischen Reaktionen einfach auf atomarer Ebene ablaufen. Quantentunneln ist überhaupt keine Magie; Dieses Phänomen ist in unserem Universum seit seiner Entstehung aufgetreten. NatürlichWas das Ergebnis des „Einfallsreichtums“ des Lebens ist, kann nicht im Mittelpunkt stehen. Trotzdem neigen wir dazu zu glauben, dass das Auftreten des Tunneleffekts vor dem Hintergrund der Enzymaktivität angesichts der Bedingungen der intrazellulären Umgebung - der gleichen hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und chaotischen Quetschung von Molekülen - nicht unvermeidlich ist.

Wie Sie sich erinnern, ist der Raum einer lebenden Zelle von Gedränge geprägt. Eine Zelle ist buchstäblich mit Molekülen mit einer komplexen Struktur gefüllt, die sich ständig in einem Zustand der Erregung und Turbulenz befinden, nämlich in einem Zustand chaotischer Bewegung. Denken Sie daran, dass die Moleküle Billardkugeln ähneln, die in verschiedene Richtungen streuen und sich gegenseitig abstoßen (wir haben im vorherigen Abschnitt darüber gesprochen, weil der Dampfzug den Hang hinauffährt). Wie Sie sich erinnern, ist es diese chaotische Bewegung von Teilchen, die die fragile Quantenkohärenz streut und zerstört, so dass die Welt, an die wir gewöhnt sind, uns „normal“ erscheint. Wissenschaftler hatten nicht erwartet, dass die Quantenkohärenz während molekularer Turbulenzen aufrechterhalten werden kann. Daher war die Beobachtung von Quanteneffekten wie dem Tunneln in einem stürmischen Meer lebender Zellen eine erstaunliche Entdeckung.Vor etwa zehn oder mehr Jahren gaben die meisten Wissenschaftler die Idee auf, dass Tunnelbau und andere instabile Quantenphänomene in biologischen Prozessen beobachtet werden können. Die Tatsache, dass diese Phänomene in biologischen Medien entdeckt wurden, legt nahe, dass das Leben besondere Maßnahmen ergreift, um den Nutzen der Quantenwelt zu maximierenHalten Sie Ihre Zellen funktionsfähig . Aber welche Maßnahmen ergreift das Leben? Wie schafft es das Leben, den Hauptfeind des Quantenteilchenverhaltens - die Dekohärenz - auf Distanz zu halten? Dies ist eines der größten Geheimnisse der Quantenbiologie, zu deren Lösung Wissenschaftler schrittweise vorankommen. Wir werden darüber im letzten Kapitel unseres Buches sprechen.

Bevor wir jedoch ein neues Thema unseres Gesprächs beginnen, kehren wir zu dem Ort zurück, an dem wir unser Nanosubmarin verlassen haben, nämlich dem aktiven Zentrum des Kollagenaseenzyms im verschwindenden Schwanz der Kaulquappe. Wir verlassen schnell das aktive Zentrum, sobald sich die „Kiefer“ des Enzyms öffnen und die Kollagenkette (und Sie und ich) freisetzen. Wir verabschieden uns von einem Mollusken-ähnlichen Enzymmolekül, das zur nächsten Peptidbindung in der Kette geht, um sie zu zerstören. Dann machen wir eine kurze Reise durch den Körper der Kaulquappe und beobachten die übliche Arbeit einiger anderer Enzyme, die für den Körper genauso wichtig ist wie die Kollagenase. Nachdem die Zellen den Kaulquappenschwanz in den Augen verschwinden lassen und zu den sich entwickelnden Hinterbeinen gehen, beobachten wir das Auftreten neuer Kollagenfasern.die wie neue Eisenbahnschienen verlegt sind, um die Bildung eines erwachsenen Froschkörpers zu beschleunigen. Oft entstehen sie aus den Zellen des gefährdeten Schwanzes. Neue Fasern entstehen durch Enzyme, die durch Kollagenase freigesetzte Aminosäureblöcke einfangen und zu neuen Kollagenfasern verweben. Wir haben keine Zeit, uns in diese Enzyme zu vertiefen, aber es ist erwähnenswert, dass wir in ihren aktiven Zentren den gleichen sorgfältig festgelegten Tanz wie in der Kollagenase beobachten würden, nur mit der umgekehrten Abfolge von Bewegungen. Die Biomoleküle, von denen das Leben abhängt - ob Fette, DNA, Aminosäuren, Proteine, Zucker - werden von verschiedenen Enzymen gebildet und zerstört. Darüber hinaus ist jede Aktion, die ein junger Frosch ausführt, auf die Aktivität von Enzymen zurückzuführen. Wenn zum Beispiel ein Tier eine Fliege bemerkt,Elektrische Impulse werden von den Augen über spezielle Neurotransmitterenzyme, die in Nervenzellen enthalten sind, vom Gehirn auf das Gehirn übertragen. Wenn ein Frosch seine lange Zunge herauswirft, werden seine Muskelkontraktionen, aufgrund derer der Frosch eine Fliege fängt und Beute in den Mund zieht, von einem anderen Enzym kontrolliert, Myosin, das in Muskelzellen enthalten ist. Wenn eine Fliege in den Magen des Frosches eindringt, kommt eine ganze Gruppe von Enzymen ins Spiel, die die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen beschleunigen. Andere Enzyme sind für die Umwandlung dieser Nährstoffe in Körpergewebe verantwortlich. In Mitochondrien enthaltene Enzyme der Atmungskette helfen dabei, Nährstoffe in Energie umzuwandeln, die der Körper benötigt.Wenn ein Frosch seine lange Zunge herauswirft, werden seine Muskelkontraktionen, aufgrund derer der Frosch eine Fliege fängt und Beute in den Mund zieht, von einem anderen Enzym kontrolliert, Myosin, das in Muskelzellen enthalten ist. Wenn eine Fliege in den Magen des Frosches eindringt, kommt eine ganze Gruppe von Enzymen ins Spiel, die die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen beschleunigen. Andere Enzyme sind für die Umwandlung dieser Nährstoffe in Körpergewebe verantwortlich. In Mitochondrien enthaltene Enzyme der Atmungskette helfen dabei, Nährstoffe in Energie umzuwandeln, die der Körper benötigt.Wenn ein Frosch seine lange Zunge herauswirft, werden seine Muskelkontraktionen, aufgrund derer der Frosch eine Fliege fängt und Beute in den Mund zieht, von einem anderen Enzym kontrolliert, Myosin, das in Muskelzellen enthalten ist. Wenn eine Fliege in den Magen des Frosches eindringt, kommt eine ganze Gruppe von Enzymen ins Spiel, die die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen beschleunigen. Andere Enzyme sind für die Umwandlung dieser Nährstoffe in Körpergewebe verantwortlich. In Mitochondrien enthaltene Enzyme der Atmungskette helfen dabei, Nährstoffe in Energie umzuwandeln, die der Körper benötigt.Beschleunigung der Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen. Andere Enzyme sind für die Umwandlung dieser Nährstoffe in Körpergewebe verantwortlich. In Mitochondrien enthaltene Enzyme der Atmungskette helfen dabei, Nährstoffe in Energie umzuwandeln, die der Körper benötigt.Beschleunigung der Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen. Andere Enzyme sind für die Umwandlung dieser Nährstoffe in Körpergewebe verantwortlich. In Mitochondrien enthaltene Enzyme der Atmungskette helfen dabei, Nährstoffe in Energie umzuwandeln, die der Körper benötigt.

Jeder Lebensabschnitt von Fröschen und allen anderen lebenden Organismen, jeder Prozess, der sie und unser Leben mit Ihnen unterstützt, wird durch Enzyme unterstützt und beschleunigt - die wirklichen Motoren des Lebens. Ihre katalytischen Eigenschaften beruhen auf der Fähigkeit einiger Elementarteilchen, geschliffene choreografische Zahlen zu erfüllen, und kommen daher mit der Quantenwelt in Kontakt und nutzen ihre seltsamen Gesetze für das Leben.

Partikeltunneln ist jedoch bei weitem nicht das einzige Phänomen der Quantenwelt, von dem das Leben profitiert. Im nächsten Kapitel werden wir darüber sprechen, dass ein weiteres mysteriöses Phänomen der Quantenwelt an der wichtigsten chemischen Reaktion der Biosphäre beteiligt ist.

Nähere Informationen zum Buch finden Sie unter der Webseite des Herausgebers
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Source: https://habr.com/ru/post/de397761/