Buku “Hidup ada di ambang. Buku pertama Anda tentang biologi kuantum ”

Hidup adalah fenomena paling luar biasa di alam semesta yang dapat diamati; tetapi bagaimana kehidupan terjadi? Bahkan di era kloning dan biologi sintetik, kebenaran yang menakjubkan tetap benar: belum ada yang berhasil menciptakan makhluk hidup dari bahan yang benar-benar mati. Hidup hanya muncul dari kehidupan. Ternyata kita masih kehilangan beberapa komponen fundamentalnya?

Seperti buku Richard Dawkins, The Selfish Gene, yang memungkinkan kami untuk melihat proses evolusi secara segar, Life on the Edge mengubah ide-ide kami tentang kekuatan pendorong mendasar dunia ini. Di dalamnya, penulis mempertimbangkan data eksperimental terbaru dan penemuan dari garis depan sains, dan melakukannya dengan gaya yang unik dan dapat dipahami. Jim Al-Khalili dan Jonjo McFadden berbicara tentang komponen mekanika kuantum yang hilang; fenomena yang mendasari ilmu paling misterius ini.

Efek isotop kinetik

Pernahkah Anda mencoba bersepeda ke puncak bukit? Jika Anda mencoba, maka Anda mungkin menyalip pejalan kaki. Di jalan yang rata, Anda dapat dengan mudah menyalip semua pejalan kaki dan bahkan pelari saat mengendarai sepeda. Jadi mengapa bersepeda menuruni bukit menjadi kurang produktif?

Sekarang bayangkan Anda turun dari sepeda dan berjalan kaki, menuntunnya menyusuri jalan datar atau menyusuri lereng bukit. Sekarang semuanya jelas. Berjalan di sepanjang lereng, Anda tidak hanya harus memanjat diri sendiri, tetapi juga mendorong sepeda ke atas. Berat sepeda, yang tidak terlalu penting ketika mengendarai di permukaan horizontal, sekarang bekerja melawan Anda ketika Anda mencoba untuk mendaki ke puncak bukit: Anda menarik sepeda pada diri Anda sendiri, mengatasi gravitasi bumi selama beberapa meter. Itu sebabnya produsen sepeda balap mementingkan seberapa ringan model sepeda itu. Tentu saja, berat benda sangat penting jika Anda harus memindahkannya ke seseorang, tetapi contoh kita dengan sepeda menunjukkan bahwa penting bukan hanya berat benda yang harus Anda dorong, tetapi juga jenis gerakannya.

Dan sekarang bayangkan Anda ingin tahu medan seperti apa yang terletak di antara dua kota, katakan A dan B: datar atau berbukit. Pada saat yang sama, Anda tidak memiliki kesempatan untuk pergi ke kota-kota ini dan memeriksanya secara pribadi. Jika Anda tahu bahwa ada layanan pos antara kota-kota ini, dan tukang pos menggunakan sepeda ringan dan berat, salah satu opsi untuk mengetahui fitur medan adalah sebagai berikut: Anda perlu mengirim set paket yang identik dari satu kota ke kota lain, sementara setengah dari paket harus dikirim bersama tukang pos dengan sepeda ringan, dan yang kedua - dengan tukang pos yang berat. Jika ternyata pengiriman semua paket Anda memakan waktu yang hampir bersamaan, Anda dapat menyimpulkan bahwa wilayah antara kota-kota tersebut cenderung datar. Jika pengiriman paket dengan sepeda berat membutuhkan waktu lebih lama, Anda akan mengertibahwa medan antara A dan B agak berbukit. Dengan demikian, pengendara sepeda pos kami terlibat dalam menyuarakan wilayah yang belum dijelajahi.

Atom dari setiap unsur kimia, seperti sepeda, memiliki bobot berbeda. Ambil contoh, hidrogen - elemen paling sederhana, yang sangat menarik bagi kita. Setiap elemen ditentukan oleh jumlah proton dalam nukleus, yang bertepatan dengan jumlah elektron yang mengelilingi nukleus. Jadi, dalam inti hidrogen ada satu proton, di dalam inti helium - dua, litium - tiga, dll. Namun, inti atom tidak hanya mengandung proton, tetapi juga neutron, yang kami sebutkan di Bab 1, ketika kita berbicara tentang fusi inti hidrogen di dalam Matahari Jika neutron memasuki nukleus, ia menjadi lebih berat dan sifat fisiknya berubah. Atom-atom dari satu unsur, berbeda dalam jumlah neutron dalam nukleus, disebut isotop. Isotop hidrogen yang biasa adalah yang paling ringan karena hanya terdiri dari satu proton dan satu elektron.Ini adalah bentuk hidrogen yang paling umum. Ada dua isotop hidrogen yang lebih langka: deuterium (D), yang memiliki satu elektron ekstra, dan tritium (T), yang memiliki dua neutron ekstra.

Karena sifat kimia unsur terutama ditentukan oleh jumlah elektron dalam atom, isotop berbeda dari unsur yang sama, berbeda dalam jumlah neutron dalam inti atom, akan memiliki sifat kimia yang sangat mirip, tetapi tidak identik. Efek isotop kinetik menunjukkan seberapa sensitif reaksi kimia terhadap penggantian atom dalam molekul zat yang bereaksi dengan isotop yang lebih berat. Ini didefinisikan sebagai rasio laju reaksi yang dilanjutkan dengan isotop berat dan ringan. Misalnya, jika air terlibat dalam reaksi, maka atom hidrogen dalam molekul H2O dapat digantikan oleh rekan-rekan mereka yang lebih berat - deuterium dan tritium, masing-masing membentuk molekul D2O atau T2O. Sama seperti tukang pos kami di atas sepeda, reaksi mungkin menanggapi perubahan berat atom, atau mungkin tidak merespons - semuanya tergantung pada jalan,yang akan dipilih oleh zat yang masuk reaksi agar akhirnya menjadi produknya.

Ada beberapa mekanisme yang memberikan efek isotop kinetik yang kuat. Salah satu mekanisme ini adalah tunneling kuantum - suatu proses yang, seperti bersepeda, bergantung pada massa partikel yang berusaha mengatasi penghalang. Semakin besar massa partikel, semakin sedikit sifat-sifat gelombangnya terwujud, dan oleh karena itu, semakin rendah probabilitas bahwa partikel akan mengatasi penghalang energi. Oleh karena itu, menggandakan massa atom, misalnya, dalam hal mengganti isotop hidrogen biasa dengan deuterium, secara tajam mengurangi kemungkinan partisipasinya dalam terowongan kuantum.

Dengan demikian, adanya efek isotop kinetik yang kuat dapat menunjukkan bahwa mekanisme reaksi - jalur dari reaktan ke produk - melibatkan tunneling kuantum. Namun, ini bukan satu-satunya kesimpulan yang mungkin, karena efeknya dapat disebabkan oleh fenomena kimia klasik yang tidak terkait dengan hukum mekanika kuantum. Tetapi jika justru kuantum tunneling yang terjadi selama reaksi, reaksi harus merespon dengan cara tertentu terhadap perubahan suhu: laju berhenti untuk mempercepat dan meratakan pada suhu rendah, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman DeWolt dan Kesempatan dalam kasus tunneling elektron. Eksperimen Klinman dan timnya untuk enzim ADH menunjukkan hal yang sama, dan selama percobaan, bukti kuat diperolehbahwa kuantum tunneling dalam hal ini adalah bagian dari mekanisme reaksi.

Sebuah tim ilmuwan yang dipimpin oleh Klinman berhasil mendapatkan bukti penting bahwa tunneling proton sering terjadi selama reaksi enzimatik pada suhu di mana proses kehidupan juga terjadi. Tim ilmuwan lain, termasuk kelompok yang dipimpin oleh Nigel Scratton dari University of Manchester, melakukan percobaan serupa dengan enzim lain dan mengamati efek isotop kinetik yang menunjukkan bahwa reaksi tersebut disertai dengan tunneling kuantum. Namun demikian, pertanyaan tentang bagaimana enzim mendukung koherensi kuantum dan berkontribusi pada munculnya efek tunneling masih kontroversial. Untuk beberapa waktu, diyakini bahwa enzim tidak statis, bahwa selama reaksi mereka bergetar, bergerak. Misalnya, "rahang" kolagenase terbuka dan terbanting setiap kali,ketika mereka memutuskan ikatan kolagen. Para ilmuwan percaya bahwa gerakan yang diamati selama reaksi itu acak atau dirancang untuk menangkap substrat dan meluruskan dan memerintahkan semua atom yang masuk ke dalam reaksi. Namun, di zaman kita, para ahli di bidang biologi kuantum berpendapat bahwa getaran semacam itu - yang disebut "motor penggerak" dan fungsi utamanya - membawa atom dan molekul sedekat mungkin untuk membuat tunneling partikel (elektron dan proton) sedekat mungkin. Kami akan kembali ke topik ini, salah satu yang paling menarik dan paling cepat berkembang dalam biologi kuantum, di bab terakhir buku kami.bereaksi. Namun, di zaman kita, para ahli di bidang biologi kuantum berpendapat bahwa getaran semacam itu - yang disebut "motor penggerak" dan fungsi utamanya - membawa atom dan molekul sedekat mungkin untuk membuat tunneling partikel (elektron dan proton) sedekat mungkin. Kami akan kembali ke topik ini, salah satu yang paling menarik dan paling cepat berkembang dalam biologi kuantum, di bab terakhir buku kami.bereaksi. Namun, di zaman kita, para ahli di bidang biologi kuantum berpendapat bahwa getaran semacam itu - yang disebut "motor penggerak" dan fungsi utamanya - membawa atom dan molekul sedekat mungkin untuk membuat tunneling partikel (elektron dan proton) sedekat mungkin. Kami akan kembali ke topik ini, salah satu yang paling menarik dan paling cepat berkembang dalam biologi kuantum, di bab terakhir buku kami.Kami akan kembali ke topik ini, salah satu yang paling menarik dan paling cepat berkembang dalam biologi kuantum, di bab terakhir buku kami.Kami akan kembali ke topik ini, salah satu yang paling menarik dan paling cepat berkembang dalam biologi kuantum, di bab terakhir buku kami.

Jadi apa yang membentuk "bagian kuantum" biologi kuantum

Setiap biomolekul individu yang ada atau pernah ada dalam sel hidup apa pun telah dibuat dan dihancurkan oleh enzim. Enzim tidak seperti substansi lain yang dekat dengan konsep "kekuatan pendorong kehidupan". Penemuan bahwa beberapa (dan mungkin semua) enzim berfungsi berdasarkan dematerialisasi partikel di satu tempat di ruang angkasa dan materialisasi sesaat di titik lain memungkinkan kita untuk melihat dengan segar teka-teki kehidupan. Terlepas dari kenyataan bahwa banyak masalah terkait dengan fungsi enzim belum sepenuhnya dipahami (misalnya, peran pergerakan protein), tidak ada keraguan bahwa tunneling kuantum memainkan peran besar dalam mekanisme kerja mereka.

Meskipun demikian, kita tidak bisa tidak memperhitungkan kritik yang dibuat oleh banyak ilmuwan. Mereka mengakui penemuan Klinman, Scratton, dan peneliti lain, tetapi berpendapat bahwa efek kuantum memainkan peran yang sama dalam biologi seperti dalam pekerjaan lokomotif uap: mereka dapat diamati, tetapi mereka umumnya tidak berkontribusi pada pemahaman tentang bagaimana fungsi keseluruhan sistem. Argumen ini sering muncul dalam perdebatan tentang apakah enzim telah belajar memanfaatkan fenomena kuantum seperti tunneling selama evolusi atau tidak. Para kritikus berpendapat bahwa munculnya fenomena kuantum dalam proses proses biologis tidak dapat dihindari karena fakta bahwa sebagian besar reaksi biokimia hanya berlangsung pada tingkat atom. Penerowongan kuantum bukanlah sihir sama sekali; Fenomena ini telah terjadi di alam semesta kita sejak awal. Tentu sajaapa hasil dari "kecerdikan" kehidupan tidak bisa menjadi tipuan. Namun demikian, kami cenderung percaya bahwa munculnya efek tunneling dengan latar belakang aktivitas enzim tidak dapat dihindari, mengingat kondisi lingkungan intraseluler - suhu yang sangat tinggi, kelembaban, dan kekacauan molekul yang menghancurkan.

Seperti yang Anda ingat, ruang sel hidup ditandai dengan crowding. Sebuah sel secara harfiah dikemas dengan molekul-molekul dengan struktur kompleks yang secara terus-menerus berada dalam kondisi kegembiraan dan turbulensi, yaitu dalam keadaan gerakan kacau. Ingatlah bahwa molekul-molekulnya mirip dengan bola bilyar yang berhamburan ke arah yang berbeda dan saling tolak satu sama lain (kami membicarakan hal ini di bagian sebelumnya karena fakta bahwa kereta uap bergerak ke atas bukit). Seperti yang Anda ingat, gerakan kacau partikel inilah yang mencerai-beraikan dan menghancurkan koherensi kuantum yang rapuh, sehingga dunia yang dulu kita anggap kita “normal”. Para ilmuwan tidak berharap bahwa koherensi kuantum dapat dipertahankan selama turbulensi molekuler, sehingga pengamatan efek kuantum seperti penerowongan di lautan badai sel hidup adalah penemuan yang menakjubkan.Sekitar sepuluh atau lebih tahun yang lalu, sebagian besar ilmuwan meninggalkan ide bahwa tunneling dan fenomena kuantum tidak stabil lainnya dapat diamati dalam proses biologis. Fakta bahwa fenomena ini ditemukan di media biologis menunjukkan bahwa kehidupan mengambil tindakan khusus untuk memaksimalkan manfaat dari dunia kuantum danmenjaga sel-sel Anda berfungsi . Tapi tindakan seperti apa yang diambil hidup? Bagaimana kehidupan mengatur untuk menjaga musuh utama perilaku partikel kuantum - dekoherensi - di kejauhan? Ini adalah salah satu rahasia terbesar biologi kuantum, untuk solusi yang para ilmuwan secara bertahap maju. Kita akan membicarakan ini di bab terakhir buku kita.

Tetapi sebelum memulai topik baru dari percakapan kita, mari kita kembali ke tempat di mana kita meninggalkan nanosubmarine kita, yaitu, pusat aktif dari enzim kolagenase di dalam ekor lenyapnya berudu yang hilang. Kami dengan cepat meninggalkan pusat aktif segera setelah "rahang" enzim terbuka, melepaskan rantai kolagen (dan Anda dan saya). Kami mengucapkan selamat tinggal pada molekul enzim seperti moluska yang pergi ke ikatan peptida berikutnya dalam rantai untuk menghancurkannya. Kemudian kami melakukan perjalanan singkat melalui tubuh berudu dan mengamati pekerjaan biasa dari beberapa enzim lain, yang sama pentingnya bagi tubuh seperti halnya kolagenase. Setelah sel-sel meninggalkan ekor kecebong menghilang di mata dan menuju ke bagian belakang yang berkembang, kami mengamati munculnya serat kolagen baru,yang diletakkan seperti rel kereta api baru untuk mempercepat pembentukan tubuh katak dewasa. Seringkali mereka muncul dari sel-sel ekor yang terancam punah. Serat baru terbentuk karena enzim yang menangkap blok asam amino yang dilepaskan oleh kolagenase dan menenunnya menjadi serat kolagen baru. Kami tidak punya waktu untuk membenamkan diri dalam enzim ini, tetapi perlu dikatakan bahwa di pusat aktif mereka, kami akan mengamati tarian yang diatur dengan hati-hati seperti pada collagenase, hanya dengan urutan gerakan yang terbalik. Biolekul di mana kehidupan bergantung - apakah itu lemak, DNA, asam amino, protein, gula - dibentuk dan dihancurkan oleh berbagai enzim. Selain itu, tindakan apa pun yang dilakukan katak muda adalah karena aktivitas enzim. Misalnya, ketika seekor binatang melihat seekor lalat,impuls listrik ditransmisikan dari mata ke otak melalui enzim neurotransmitter khusus yang terkandung dalam sel-sel saraf. Ketika seekor katak mengeluarkan lidahnya yang panjang, kontraksi ototnya, yang menyebabkan katak menangkap lalat dan menarik mangsa ke dalam mulutnya, dikendalikan oleh enzim lain, myosin, yang terkandung dalam sel-sel otot. Ketika seekor lalat memasuki perut katak, seluruh kelompok enzim berperan yang mempercepat pencernaan dan penyerapan nutrisi. Enzim lain bertanggung jawab untuk mengubah nutrisi ini menjadi jaringan tubuh. Enzim rantai pernapasan yang terkandung dalam mitokondria membantu mengubah nutrisi menjadi energi yang dibutuhkan oleh tubuh.Ketika seekor katak mengeluarkan lidahnya yang panjang, kontraksi ototnya, yang menyebabkan katak menangkap lalat dan menarik mangsa ke dalam mulutnya, dikendalikan oleh enzim lain, myosin, yang terkandung dalam sel-sel otot. Ketika seekor lalat memasuki perut katak, seluruh kelompok enzim berperan yang mempercepat pencernaan dan penyerapan nutrisi. Enzim lain bertanggung jawab untuk mengubah nutrisi ini menjadi jaringan tubuh. Enzim rantai pernapasan yang terkandung dalam mitokondria membantu mengubah nutrisi menjadi energi yang dibutuhkan oleh tubuh.Ketika seekor katak mengeluarkan lidahnya yang panjang, kontraksi ototnya, yang menyebabkan katak menangkap lalat dan menarik mangsa ke dalam mulutnya, dikendalikan oleh enzim lain, myosin, yang terkandung dalam sel-sel otot. Ketika seekor lalat memasuki perut katak, seluruh kelompok enzim berperan yang mempercepat pencernaan dan penyerapan nutrisi. Enzim lain bertanggung jawab untuk mengubah nutrisi ini menjadi jaringan tubuh. Enzim rantai pernapasan yang terkandung dalam mitokondria membantu mengubah nutrisi menjadi energi yang dibutuhkan oleh tubuh.mempercepat pencernaan dan penyerapan nutrisi. Enzim lain bertanggung jawab untuk mengubah nutrisi ini menjadi jaringan tubuh. Enzim rantai pernapasan yang terkandung dalam mitokondria membantu mengubah nutrisi menjadi energi yang dibutuhkan oleh tubuh.mempercepat pencernaan dan penyerapan nutrisi. Enzim lain bertanggung jawab untuk mengubah nutrisi ini menjadi jaringan tubuh. Enzim rantai pernapasan yang terkandung dalam mitokondria membantu mengubah nutrisi menjadi energi yang dibutuhkan oleh tubuh.

Setiap tahap kehidupan katak dan semua organisme hidup lainnya, setiap proses yang mendukung mereka dan kehidupan kita bersama Anda, didukung dan dipercepat oleh enzim - mesin kehidupan nyata. Sifat katalitiknya adalah karena kemampuan beberapa partikel elementer untuk memenuhi angka koreografi yang terasah, dan karenanya, bersentuhan dengan dunia kuantum dan menggunakan hukum anehnya untuk kehidupan.

Namun, tunneling partikel jauh dari satu-satunya fenomena dunia kuantum yang darinya manfaat kehidupan. Dalam bab selanjutnya, kita akan berbicara tentang fakta bahwa fenomena misterius lain dari dunia kuantum terlibat dalam reaksi kimia paling penting dari biosfer.

informasi lebih rinci tentang buku dapat ditemukan di situs web penerbit
Isi
Kutipan

Untuk pembaca blog ini, diskon 15% untuk kupon - Life

Source: https://habr.com/ru/post/id397761/