Le livre «La vie est au bord du gouffre. Votre premier livre sur la biologie quantique »
La vie est le phénomène le plus extraordinaire de l'Univers observable; mais comment est née la vie? Même à l'ère du clonage et de la biologie synthétique, une merveilleuse vérité demeure vraie: personne n'a encore réussi à créer des êtres vivants à partir de matériaux complètement inanimés. La vie ne naît que de la vie. Il s'avère que nous manquons encore certains de ses composants fondamentaux?Comme le livre de Richard Dawkins, The Selfish Gene, qui nous a permis de jeter un nouveau regard sur le processus évolutif, Life on the Edge change nos idées sur les forces motrices fondamentales de ce monde. Dans ce document, les auteurs considèrent à la fois les dernières données expérimentales et découvertes à la pointe de la science, et le font dans un style unique et intelligible. Jim Al-Khalili et Jonjo McFadden parlent de la composante manquante de la mécanique quantique; le phénomène qui sous-tend ce plus mystérieux des sciences.Effet isotopique cinétique
Avez-vous déjà essayé de faire du vélo au sommet d'une colline? Si vous avez essayé, vous avez probablement dépassé les piétons. Sur une route plane, vous pourriez facilement dépasser tous les piétons et même les coureurs en conduisant un vélo. Alors pourquoi faire du vélo sur une colline devient moins productif?Imaginez maintenant que vous descendez du vélo et que vous marchez à pied en le menant le long d'une route plate ou le long d'une colline. Maintenant, tout est évident. En marchant le long de la pente, vous devez non seulement grimper vous-même, mais aussi pousser le vélo vers le haut. Le poids du vélo, qui n'avait pas vraiment d'importance lors de la conduite sur une surface horizontale, travaille maintenant contre vous lorsque vous essayez de monter au sommet de la colline: vous tirez le vélo sur vous-même, surmontant la gravité de la terre sur plusieurs mètres. C'est pourquoi les fabricants de vélos de course attachent une grande importance à la légèreté du modèle de vélo. Bien sûr, le poids de l'objet est d'une grande importance si vous devez le déplacer vers une personne, mais notre exemple avec un vélo suggère plutôt qu'il est important non seulement le poids de l'objet que vous devez pousser, mais aussi le type de mouvement.Et imaginez maintenant que vous voulez savoir quel type de terrain se situe entre deux villes, disons A et B: plat ou vallonné. En même temps, vous n'avez pas eu l'occasion d'aller dans ces villes et de le vérifier personnellement. Si vous savez qu'il existe un service de courrier entre ces villes et que les facteurs utilisent des vélos légers et lourds, l'une des options pour connaître les caractéristiques du terrain est la suivante: vous devez envoyer des ensembles de colis identiques d'une ville à l'autre, tandis que la moitié des colis doivent être livrés avec des facteurs sur des vélos légers, et le second - avec des facteurs lourds. S'il s'avère que la livraison de tous vos colis a pris environ le même temps, vous pouvez conclure que la zone entre les villes est plus susceptible d'être plate. Si la livraison des colis sur des vélos lourds a pris beaucoup plus de temps, vous comprendrezque le terrain entre A et B est assez accidenté. Ainsi, nos cyclistes postiers sont engagés dans le sondage de territoires inexplorés.Les atomes de tout élément chimique sont, comme les vélos, de poids différents. Prenons, par exemple, l'hydrogène - l'élément le plus simple, qui nous intéresse néanmoins beaucoup. Chaque élément est déterminé par le nombre de protons dans le noyau, qui coïncide avec le nombre d'électrons entourant le noyau. Donc, dans le noyau d'hydrogène, il y a un proton, dans le noyau d'hélium - deux, de lithium - trois, etc. Cependant, les noyaux des atomes contiennent non seulement des protons, mais aussi des neutrons, dont nous avons parlé au chapitre 1, lorsque nous avons parlé de la fusion des noyaux d'hydrogène à l'intérieur Du soleil. Si les neutrons pénètrent dans le noyau, il devient plus lourd et ses propriétés physiques changent. Les atomes d'un élément, différant par le nombre de neutrons dans le noyau, sont appelés isotopes. L'isotope de l'hydrogène habituel est le plus léger car il se compose d'un seul proton et d'un électron.Il s'agit de la forme d'hydrogène la plus courante. Il existe deux isotopes plus rares de l'hydrogène: le deutérium (D), qui a un électron supplémentaire, et le tritium (T), qui a deux neutrons supplémentaires.Étant donné que les propriétés chimiques des éléments sont principalement déterminées par le nombre d'électrons dans les atomes, différents isotopes du même élément, différant par le nombre de neutrons dans les noyaux atomiques, auront des propriétés chimiques très similaires, mais pas identiques. L'effet isotopique cinétique montre à quel point la réaction chimique est sensible au remplacement des atomes dans la molécule de la substance réagissante par des isotopes plus lourds. Il est défini comme le rapport des vitesses de réaction procédant avec des isotopes lourds et légers. Par exemple, si l'eau est impliquée dans la réaction, alors les atomes d'hydrogène dans les molécules H2O peuvent être remplacés par leurs homologues plus lourds - le deutérium et le tritium, formant respectivement des molécules D2O ou T2O. Tout comme nos facteurs à bicyclette, une réaction peut répondre à une modification du poids des atomes, ou elle peut ne pas répondre - tout dépend du chemin,qui sera choisi par les substances qui entrent dans la réaction pour devenir éventuellement ses produits.Il existe plusieurs mécanismes qui fournissent de forts effets isotopiques cinétiques. L'un de ces mécanismes est la tunnelisation quantique - un processus qui, comme le cyclisme, dépend de la masse de la particule essayant de surmonter la barrière. Plus la masse de la particule est grande, moins ses propriétés ondulatoires se manifestent et, par conséquent, plus la probabilité que la particule surmonte la barrière énergétique est faible. Par conséquent, le doublement de la masse atomique, par exemple, dans le cas du remplacement de l'isotope d'hydrogène habituel par du deutérium, réduit fortement la probabilité de sa participation à la tunnelisation quantique.Ainsi, la présence d'un fort effet isotopique cinétique peut indiquer que le mécanisme de réaction - le chemin des réactifs aux produits - implique un tunnel quantique. Cependant, ce n'est pas la seule conclusion possible, car l'effet peut être causé par des phénomènes chimiques classiques qui ne sont pas liés aux lois de la mécanique quantique. Mais si c'est précisément la tunnelisation quantique qui a lieu pendant la réaction, la réaction doit répondre d'une certaine manière au changement de température: sa vitesse cesse d'accélérer et s'unifie à basse température, comme le montre l'expérience de DeWolt et Chance dans le cas de la tunnelisation électronique. Les expériences de Klinman et de son équipe pour l'enzyme ADH ont montré la même chose, et au cours des expériences, des preuves rigoureuses ont été obtenuesque la tunnelisation quantique faisait dans ce cas partie du mécanisme de réaction.Une équipe de scientifiques dirigée par Klinman a réussi à obtenir des preuves importantes que la tunnellisation des protons se produit souvent lors de réactions enzymatiques à des températures auxquelles se produisent également des processus biologiques. D'autres équipes de scientifiques, dont un groupe dirigé par Nigel Scratton de l'Université de Manchester, ont mené des expériences similaires avec d'autres enzymes et observé des effets isotopiques cinétiques indiquant que la réaction s'accompagne d'un effet tunnel quantique. Néanmoins, la question de savoir comment les enzymes soutiennent la cohérence quantique et contribuent à l'émergence de l'effet tunnel reste controversée. Pendant un certain temps, on a cru que les enzymes n'étaient pas statiques, que pendant les réactions elles vibraient constamment, se déplaçaient. Par exemple, les «mâchoires» des collagénases s'ouvrent et claquent à chaque fois,quand ils rompent la liaison collagène. Les scientifiques pensaient que ces mouvements observés pendant la réaction sont aléatoires ou conçus pour capturer des substrats et aligner et ordonner tous les atomes qui entrent dans la réaction. Cependant, à notre époque, les experts dans le domaine de la biologie quantique soutiennent que de telles vibrations - les soi-disant "moteurs d'entraînement" et leur fonction principale - rapprochent le plus possible les atomes et les molécules pour rendre possible la tunnelisation quantique des particules (électrons et protons). Nous reviendrons sur ce sujet, l'un des plus passionnants et à la croissance la plus rapide en biologie quantique, dans le dernier chapitre de notre livre.réagir. Cependant, à notre époque, les experts dans le domaine de la biologie quantique soutiennent que de telles vibrations - les soi-disant "moteurs d'entraînement" et leur fonction principale - rapprochent le plus possible les atomes et les molécules pour rendre possible la tunnelisation quantique des particules (électrons et protons). Nous reviendrons sur ce sujet, l'un des plus passionnants et à la croissance la plus rapide en biologie quantique, dans le dernier chapitre de notre livre.réagir. Cependant, à notre époque, les experts dans le domaine de la biologie quantique soutiennent que de telles vibrations - les soi-disant "moteurs d'entraînement" et leur fonction principale - rapprochent le plus possible les atomes et les molécules pour rendre possible la tunnelisation quantique des particules (électrons et protons). Nous reviendrons sur ce sujet, l'un des plus passionnants et à la croissance la plus rapide en biologie quantique, dans le dernier chapitre de notre livre.Nous reviendrons sur ce sujet, l'un des plus passionnants et à la croissance la plus rapide en biologie quantique, dans le dernier chapitre de notre livre.Nous reviendrons sur ce sujet, l'un des plus passionnants et à la croissance la plus rapide en biologie quantique, dans le dernier chapitre de notre livre.Alors, qu'est-ce qui constitue la «partie quantique» de la biologie quantique
Chaque biomolécule individuelle qui existe ou a déjà existé dans une cellule vivante a été créée et détruite par des enzymes. Les enzymes ne ressemblent à aucune autre substance proche du concept de «forces motrices de la vie». La découverte que certaines (et peut-être toutes) les enzymes fonctionnent sur la base de la dématérialisation des particules à un endroit de l'espace et de leur matérialisation instantanée à un autre point nous permet de jeter un regard neuf sur l'énigme de la vie. Malgré le fait que de nombreux problèmes liés au fonctionnement des enzymes ne sont pas encore complètement compris (par exemple, le rôle du mouvement des protéines), il ne fait aucun doute que la tunnelisation quantique joue un rôle important dans le mécanisme de leur travail.Malgré cela, nous ne pouvons que prendre en compte les critiques formulées par de nombreux scientifiques. Ils reconnaissent les découvertes de Klinman, Scratton et d'autres chercheurs, mais affirment que les effets quantiques jouent le même rôle en biologie que dans le travail des locomotives à vapeur: ils peuvent être observés, mais ils ne contribuent généralement pas à une compréhension du fonctionnement de l'ensemble du système. Cet argument revient souvent dans les débats sur la question de savoir si les enzymes ont appris à capitaliser sur les phénomènes quantiques comme le tunneling au cours de l'évolution ou non. Les critiques soutiennent que l'émergence de phénomènes quantiques au cours des processus biologiques est inévitable du fait que la plupart des réactions biochimiques se déroulent simplement au niveau atomique. La tunnelisation quantique n'est pas du tout magique; Ce phénomène se produit dans notre univers depuis sa création. Bien sûr,ce qui est le résultat de «l'ingéniosité» de la vie ne peut pas être un truc. Néanmoins, nous sommes enclins à croire que l'émergence de l'effet tunnel dans le contexte de l'activité enzymatique n'est pas inévitable, compte tenu des conditions de l'environnement intracellulaire - les mêmes températures élevées, humidité et écrasement chaotique des molécules.Comme vous vous en souvenez, l'espace d'une cellule vivante est caractérisé par l'encombrement. Une cellule est littéralement remplie de molécules avec une structure complexe qui sont continuellement dans un état d'excitation et de turbulence, à savoir dans un état de mouvement chaotique. Rappelons que les molécules sont similaires à des boules de billard se dispersant dans des directions différentes et se repoussant les unes des autres (nous en avons parlé dans la section précédente en raison du fait que le train à vapeur se déplace à flanc de colline). Comme vous vous en souvenez, c'est ce mouvement chaotique de particules qui disperse et détruit la fragile cohérence quantique, de sorte que le monde auquel nous sommes habitués nous semble «normal». Les scientifiques ne s'attendaient pas à ce que la cohérence quantique puisse être maintenue pendant la turbulence moléculaire, de sorte que l'observation d'effets quantiques tels que le percement d'un tunnel dans une mer orageuse de cellules vivantes a été une découverte étonnante.Il y a une dizaine d'années ou plus, la plupart des scientifiques ont abandonné l'idée que la tunnelisation et d'autres phénomènes quantiques instables pouvaient être observés dans les processus biologiques. Le fait que ces phénomènes ont été découverts dans les milieux biologiques suggère que la vie prend des mesures spéciales pour maximiser les avantages du monde quantique etgarder vos cellules en fonctionnement . Mais quel genre de mesures la vie prend-elle? Comment la vie parvient-elle à maintenir à distance l'ennemi principal du comportement des particules quantiques - la décohérence? C'est l'un des plus grands secrets de la biologie quantique, à la solution duquel les scientifiques avancent progressivement. Nous en parlerons dans le dernier chapitre de notre livre.Mais avant de commencer un nouveau sujet de notre conversation, revenons à l'endroit où nous avons laissé notre nanosous-marin, à savoir le centre actif de l'enzyme collagénase à l'intérieur de la queue disparue du têtard. Nous quittons rapidement le centre actif dès que les «mâchoires» de l'enzyme s'ouvrent, libérant la chaîne du collagène (et vous et moi). Nous disons au revoir à une molécule enzymatique de type mollusque qui va à la prochaine liaison peptidique de la chaîne pour la détruire. Ensuite, nous faisons un court voyage à travers le corps du têtard et observons le travail habituel de certaines autres enzymes, qui est tout aussi important pour le corps que la collagénase. Suite aux cellules laissant la queue du têtard disparaître dans les yeux et se dirigeant vers les membres postérieurs en développement, on observe l'apparition de nouvelles fibres de collagène,qui sont posées comme de nouvelles voies ferrées pour accélérer la formation du corps d'une grenouille adulte. Souvent, ils proviennent des cellules mêmes de la queue en voie de disparition. De nouvelles fibres se forment grâce à des enzymes qui capturent les blocs d'acides aminés libérés par la collagénase et les tissent dans de nouvelles fibres de collagène. Nous n'avons pas le temps de nous plonger dans ces enzymes, mais il vaut la peine de dire que dans leurs centres actifs, nous observerions la même danse soigneusement réglée que dans la collagénase, uniquement avec la séquence inverse des mouvements. Les biomolécules dont dépend la vie - qu'il s'agisse de graisses, d'ADN, d'acides aminés, de protéines, de sucres - sont formées et détruites par diverses enzymes. De plus, toute action effectuée par une jeune grenouille est due à l'activité des enzymes. Par exemple, lorsqu'un animal remarque une mouche,les impulsions électriques sont transmises des yeux au cerveau par des enzymes spéciales de neurotransmetteurs contenues dans les cellules nerveuses. Lorsqu'une grenouille jette sa longue langue, ses contractions musculaires, grâce auxquelles la grenouille attrape une mouche et tire des proies dans sa bouche, sont contrôlées par une autre enzyme, la myosine, contenue dans les cellules musculaires. Lorsqu'une mouche pénètre dans l'estomac de la grenouille, tout un groupe d'enzymes entrent en jeu qui accélèrent la digestion et l'absorption des nutriments. D'autres enzymes sont responsables de la transformation de ces nutriments en tissus corporels. Les enzymes de la chaîne respiratoire contenues dans les mitochondries aident à transformer les nutriments en énergie nécessaire à l'organisme.Lorsqu'une grenouille jette sa longue langue, ses contractions musculaires, grâce auxquelles la grenouille attrape une mouche et tire des proies dans sa bouche, sont contrôlées par une autre enzyme, la myosine, contenue dans les cellules musculaires. Lorsqu'une mouche pénètre dans l'estomac de la grenouille, tout un groupe d'enzymes entrent en jeu qui accélèrent la digestion et l'absorption des nutriments. D'autres enzymes sont responsables de la transformation de ces nutriments en tissus corporels. Les enzymes de la chaîne respiratoire contenues dans les mitochondries aident à transformer les nutriments en énergie nécessaire à l'organisme.Lorsqu'une grenouille jette sa longue langue, ses contractions musculaires, grâce auxquelles la grenouille attrape une mouche et tire des proies dans sa bouche, sont contrôlées par une autre enzyme, la myosine, contenue dans les cellules musculaires. Lorsqu'une mouche pénètre dans l'estomac de la grenouille, tout un groupe d'enzymes entrent en jeu qui accélèrent la digestion et l'absorption des nutriments. D'autres enzymes sont responsables de la transformation de ces nutriments en tissus corporels. Les enzymes de la chaîne respiratoire contenues dans les mitochondries aident à transformer les nutriments en énergie nécessaire à l'organisme.accélérer la digestion et l'absorption des nutriments. D'autres enzymes sont responsables de la transformation de ces nutriments en tissus corporels. Les enzymes de la chaîne respiratoire contenues dans les mitochondries aident à transformer les nutriments en énergie nécessaire à l'organisme.accélérer la digestion et l'absorption des nutriments. D'autres enzymes sont responsables de la transformation de ces nutriments en tissus corporels. Les enzymes de la chaîne respiratoire contenues dans les mitochondries aident à transformer les nutriments en énergie nécessaire à l'organisme.Chaque étape de la vie des grenouilles et de tous les autres organismes vivants, tout processus qui les soutient et notre vie avec vous, est soutenu et accéléré par des enzymes - les véritables moteurs de la vie. Leurs propriétés catalytiques sont dues à la capacité de certaines particules élémentaires à remplir des nombres chorégraphiques affinés, et donc à entrer en contact avec le monde quantique et à utiliser ses lois étranges pour la vie.Cependant, la tunnelisation des particules est loin d'être le seul phénomène du monde quantique dont profite la vie. Dans le chapitre suivant, nous parlerons du fait qu'un autre phénomène mystérieux du monde quantique est impliqué dans la réaction chimique la plus importante de la biosphère. Desinformations plus détaillées sur le livre se trouve sur le site de l'éditeurContenuExtraitPour les lecteurs de ce blog, une remise de 15% sur le coupon - LifeSource: https://habr.com/ru/post/fr397761/
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