O livro “A vida está à beira. Seu primeiro livro sobre biologia quântica ”
A vida é o fenômeno mais extraordinário no universo observável; mas como surgiu a vida? Mesmo na era da clonagem e da biologia sintética, uma verdade maravilhosa permanece verdadeira: ninguém ainda conseguiu criar coisas vivas a partir de materiais completamente inanimados. A vida surge apenas da vida. Acontece que ainda estamos perdendo alguns de seus componentes fundamentais?Como o livro de Richard Dawkins, The Selfish Gene, que nos permitiu dar uma nova olhada no processo evolutivo, Life on the Edge muda nossas idéias sobre as forças motrizes fundamentais deste mundo. Nele, os autores consideram os dados experimentais mais recentes e as descobertas da vanguarda da ciência e o fazem de um estilo único e inteligível. Jim Al-Khalili e Jonjo McFadden falam sobre o componente que falta na mecânica quântica; o fenômeno subjacente a mais misteriosa das ciências.Efeito de isótopo cinético
Você já tentou andar de bicicleta até o topo de uma colina? Se você tentou, provavelmente ultrapassou os pedestres. Em uma estrada nivelada, você pode facilmente ultrapassar todos os pedestres e até corredores enquanto estiver dirigindo uma bicicleta. Então, por que andar de bicicleta descendo uma colina está se tornando menos produtivo?Agora imagine que você desceu da bicicleta e andou a pé, conduzindo-a por uma estrada plana ou por uma encosta. Agora tudo é óbvio. Caminhando ao longo da encosta, você não só precisa subir, como também empurrar a bicicleta. O peso da bicicleta, que realmente não importava ao andar em uma superfície horizontal, agora funciona contra você quando você tenta subir ao topo da colina: você puxa a bicicleta sozinho, superando a gravidade da Terra por muitos metros. É por isso que os fabricantes de bicicletas de corrida atribuem grande importância à leveza do modelo da bicicleta. Obviamente, o peso do objeto é de grande importância se você precisar movê-lo para uma pessoa, mas nosso exemplo com uma bicicleta sugere que é importante não apenas o peso do objeto que você deve empurrar, mas também o tipo de movimento.E agora imagine que você quer saber que tipo de terreno se situa entre duas cidades, digamos A e B: plana ou montanhosa. Ao mesmo tempo, você não teve a oportunidade de ir a essas cidades e verificá-lo pessoalmente. Se você sabe que existe um serviço de correio entre essas cidades e os carteiros usam bicicletas leves e pesadas, uma das opções para descobrir os recursos do terreno é a seguinte: você precisa enviar conjuntos de encomendas idênticas de uma cidade para outra, enquanto metade das encomendas deve ser entregue com carteiros em bicicletas leves, e o segundo - com carteiros pesados. Se a entrega de todos os seus pacotes demorar aproximadamente o mesmo tempo, você poderá concluir que é mais provável que a área entre as cidades seja plana. Se a entrega de pacotes em bicicletas pesadas demorar muito mais, você entenderáque o terreno entre A e B é bastante montanhoso. Assim, nossos carteiro-ciclistas estão envolvidos em territórios inexplorados.Átomos de qualquer elemento químico são, como bicicletas, de diferentes pesos. Tomemos, por exemplo, o hidrogênio - o elemento mais simples, que, no entanto, é de grande interesse para nós. Cada elemento é determinado pelo número de prótons no núcleo, que coincide com o número de elétrons ao redor do núcleo. Portanto, no núcleo do hidrogênio, há um próton, no núcleo do hélio - dois, lítio - três, etc. No entanto, os núcleos dos átomos contêm não apenas prótons, mas também nêutrons, mencionados no capítulo 1, quando falamos sobre a fusão de núcleos de hidrogênio no interior. Do sol. Se os nêutrons entram no núcleo, eles se tornam mais pesados e suas propriedades físicas mudam. Átomos de um elemento, diferindo no número de nêutrons no núcleo, são chamados isótopos. O isótopo usual de hidrogênio é o mais leve porque consiste em apenas um próton e um elétron.Esta é a forma mais comum de hidrogênio. Existem mais dois isótopos mais raros de hidrogênio: deutério (D), que possui um elétron extra, e trítio (T), que possui dois nêutrons extras.Como as propriedades químicas dos elementos são determinadas principalmente pelo número de elétrons nos átomos, diferentes isótopos do mesmo elemento, diferindo no número de nêutrons nos núcleos atômicos, terão propriedades químicas muito semelhantes, mas não idênticas. O efeito do isótopo cinético mostra a sensibilidade da reação química à substituição de átomos na molécula da substância reagente por isótopos mais pesados. É definida como a razão das taxas de reação que procedem com isótopos pesados e leves. Por exemplo, se a água estiver envolvida na reação, os átomos de hidrogênio nas moléculas de H2O poderão ser substituídos por seus equivalentes mais pesados - deutério e trítio, formando, respectivamente, moléculas de D2O ou T2O. Assim como nossos carteiros em bicicletas, uma reação pode responder a uma alteração no peso dos átomos ou pode não responder - tudo depende do caminho,que serão escolhidos pelas substâncias que entram na reação para se tornarem seus produtos.Existem vários mecanismos que fornecem fortes efeitos isotópicos cinéticos. Um desses mecanismos é o tunelamento quântico - um processo que, como o ciclismo, depende da massa da partícula tentando superar a barreira. Quanto maior a massa da partícula, menos suas propriedades de onda são manifestadas e, portanto, menor a probabilidade de a partícula superar a barreira de energia. Portanto, dobrar a massa atômica, por exemplo, no caso de substituir o isótopo usual de hidrogênio por deutério, reduz drasticamente a probabilidade de sua participação no tunelamento quântico.Assim, a presença de um forte efeito isotópico cinético pode indicar que o mecanismo de reação - o caminho dos reagentes aos produtos - envolve tunelamento quântico. Contudo, essa não é a única conclusão possível, pois o efeito pode ser causado por fenômenos químicos clássicos que não estão relacionados às leis da mecânica quântica. Mas se é precisamente o tunelamento quântico que ocorre durante a reação, a reação deve responder de certa maneira à mudança de temperatura: sua taxa cessa de acelerar e se estabiliza a baixa temperatura, como mostra a experiência de DeWolt e Chance no caso de tunelamento de elétrons. Os experimentos de Klinman e sua equipe para a enzima ADH mostraram a mesma coisa e, durante os experimentos, foram obtidas evidências rigorosasesse tunelamento quântico era, neste caso, parte do mecanismo de reação.Uma equipe de cientistas liderada por Klinman conseguiu obter evidências importantes de que o tunelamento de prótons geralmente ocorre durante reações enzimáticas a temperaturas nas quais os processos da vida também ocorrem. Outras equipes de cientistas, incluindo um grupo liderado por Nigel Scratton, da Universidade de Manchester, conduziram experimentos semelhantes com outras enzimas e observaram efeitos isotópicos cinéticos, indicando que a reação é acompanhada por tunelamento quântico. No entanto, a questão de como as enzimas apóiam a coerência quântica e contribuem para o surgimento do efeito de tunelamento permanece controversa. Por algum tempo, acreditava-se que as enzimas não eram estáticas, que durante as reações elas constantemente vibram, se movem. Por exemplo, as “mandíbulas” das colagenases se abrem e batem a cada vez,quando eles quebram a ligação do colágeno. Os cientistas acreditavam que esses movimentos observados durante a reação são aleatórios ou projetados para capturar substratos, alinhar e ordenar todos os átomos que entram na reação. No entanto, em nosso tempo, especialistas no campo da biologia quântica argumentam que essas vibrações - os chamados "motores de acionamento" e sua principal função - aproximam átomos e moléculas o mais perto possível para possibilitar o tunelamento quântico de partículas (elétrons e prótons). Voltaremos a este tópico, um dos mais empolgantes e de mais rápido crescimento na biologia quântica, no último capítulo de nosso livro.reagindo. No entanto, em nosso tempo, especialistas no campo da biologia quântica argumentam que essas vibrações - os chamados "motores de acionamento" e sua principal função - aproximam átomos e moléculas o mais perto possível para possibilitar o tunelamento quântico de partículas (elétrons e prótons). Voltaremos a este tópico, um dos mais empolgantes e de mais rápido crescimento na biologia quântica, no último capítulo de nosso livro.reagindo. No entanto, em nosso tempo, especialistas no campo da biologia quântica argumentam que essas vibrações - os chamados "motores de acionamento" e sua principal função - aproximam átomos e moléculas o mais perto possível para possibilitar o tunelamento quântico de partículas (elétrons e prótons). Voltaremos a este tópico, um dos mais empolgantes e de mais rápido crescimento na biologia quântica, no último capítulo de nosso livro.Voltaremos a este tópico, um dos mais empolgantes e de mais rápido crescimento na biologia quântica, no último capítulo de nosso livro.Voltaremos a este tópico, um dos mais empolgantes e de mais rápido crescimento na biologia quântica, no último capítulo de nosso livro.Então, o que compõe a "parte quântica" da biologia quântica
Cada biomolécula individual que existe ou já existiu em qualquer célula viva foi criada e destruída por enzimas. As enzimas são como nenhuma outra substância próxima ao conceito de "forças motrizes da vida". A descoberta de que algumas (e possivelmente todas) enzimas funcionam com base na desmaterialização de partículas em um lugar no espaço e sua materialização instantânea em outro ponto nos permite dar uma nova olhada no enigma da vida. Apesar de muitas questões relacionadas ao funcionamento das enzimas ainda não serem totalmente compreendidas (por exemplo, o papel do movimento das proteínas), não há dúvida de que o tunelamento quântico desempenha um papel importante no mecanismo de seu trabalho.Apesar disso, não podemos deixar de levar em consideração as críticas feitas por muitos cientistas. Eles reconhecem as descobertas de Klinman, Scratton e outros pesquisadores, mas argumentam que os efeitos quânticos desempenham o mesmo papel na biologia que no trabalho das locomotivas a vapor: eles podem ser observados, mas geralmente não contribuem para a compreensão de como o sistema inteiro funciona. Esse argumento geralmente surge em debates sobre se as enzimas aprenderam a capitalizar fenômenos quânticos, como tunelamento durante a evolução ou não. Os críticos argumentam que o surgimento de fenômenos quânticos no curso de processos biológicos é inevitável, devido ao fato de que a maioria das reações bioquímicas simplesmente procede no nível atômico. O tunelamento quântico não é absolutamente mágico; Este fenômeno vem acontecendo em nosso universo desde o seu início. Claro queo que é o resultado da "engenhosidade" da vida não pode ser um truque. No entanto, somos inclinados a acreditar que o surgimento do efeito de tunelamento no contexto da atividade enzimática não é inevitável, dadas as condições do ambiente intracelular - as temperaturas muito altas, a umidade e a quebra caótica de moléculas.Como você se lembra, o espaço de uma célula viva é caracterizado por aglomeração. Uma célula está literalmente cheia de moléculas com uma estrutura complexa que está continuamente em um estado de excitação e turbulência, ou seja, em um estado de movimento caótico. Lembre-se de que as moléculas são semelhantes às bolas de bilhar espalhadas em diferentes direções e repelindo umas às outras (falamos sobre isso na seção anterior devido ao fato de o trem a vapor viajar pela encosta). Como você se lembra, é precisamente esse movimento caótico de partículas que dispersa e destrói a frágil coerência quântica, devido à qual o mundo que nos é familiar nos parece "normal". Os cientistas não esperavam que a coerência quântica pudesse ser mantida durante a turbulência molecular; portanto, a observação de efeitos quânticos, como tunelamento em um mar tempestuoso de células vivas, foi uma descoberta surpreendente.Cerca de dez ou mais anos atrás, a maioria dos cientistas abandonou a idéia de que tunelamento e outros fenômenos quânticos instáveis podem ser observados em processos biológicos. O fato de que esses fenômenos foram descobertos na mídia biológica sugere que a vida toma medidas especiais para maximizar os benefícios do mundo quântico emantenha suas células funcionando . Mas que tipo de medidas a vida toma? Como a vida consegue manter o principal inimigo do comportamento das partículas quânticas - decoerência - à distância? Esse é um dos maiores segredos da biologia quântica, para a qual os cientistas estão avançando gradualmente. Falaremos sobre isso no último capítulo de nosso livro.Mas antes de iniciar um novo tópico de nossa conversa, voltemos ao local em que deixamos nossa nanossubmarina, a saber, o centro ativo da enzima colagenase dentro da cauda que desaparece do girino. Deixamos rapidamente o centro ativo assim que as “mandíbulas” da enzima se abrem, liberando a cadeia de colágeno (e você e eu). Dizemos adeus a uma molécula de enzima do tipo molusco que vai para a próxima ligação peptídica na cadeia para destruí-la. Em seguida, fazemos uma pequena viagem pelo corpo do girino e observamos o trabalho usual de outras enzimas, tão importantes para o corpo quanto a colagenase. Após as células deixarem a cauda do girino desaparecer nos olhos e seguirem para os membros posteriores em desenvolvimento, observamos o aparecimento de novas fibras de colágeno,que são dispostas como novos trilhos de trem para acelerar a formação do corpo de um sapo adulto. Muitas vezes, surgem das próprias células da cauda ameaçada. Novas fibras são formadas devido a enzimas que capturam blocos de aminoácidos liberados pela colagenase e os tecem em novas fibras de colágeno. Não temos tempo para mergulhar nessas enzimas, mas vale a pena dizer que em seus centros ativos observaríamos a mesma dança cuidadosamente definida da colagenase, apenas com a sequência inversa de movimentos. As biomoléculas das quais a vida depende - sejam gorduras, DNA, aminoácidos, proteínas, açúcares - são formadas e destruídas por várias enzimas. Além disso, qualquer ação que um jovem sapo realiza é devido à atividade de enzimas. Por exemplo, quando um animal percebe uma mosca,impulsos elétricos são transmitidos dos olhos para o cérebro através de enzimas neurotransmissoras especiais contidas nas células nervosas. Quando um sapo joga fora sua língua comprida, suas contrações musculares, devido às quais o sapo pega uma mosca e puxa presas na boca, são controladas por outra enzima, a miosina, contida nas células musculares. Quando uma mosca entra no estômago do sapo, um grupo inteiro de enzimas entra em ação que acelera a digestão e absorção de nutrientes. Outras enzimas são responsáveis por transformar esses nutrientes em tecidos corporais. As enzimas da cadeia respiratória contidas nas mitocôndrias ajudam a transformar os nutrientes em energia necessária ao organismo.Quando um sapo joga fora sua língua comprida, suas contrações musculares, devido às quais o sapo pega uma mosca e puxa presas na boca, são controladas por outra enzima, a miosina, contida nas células musculares. Quando uma mosca entra no estômago do sapo, um grupo inteiro de enzimas entra em ação que acelera a digestão e absorção de nutrientes. Outras enzimas são responsáveis por transformar esses nutrientes em tecidos corporais. As enzimas da cadeia respiratória contidas nas mitocôndrias ajudam a transformar os nutrientes em energia necessária ao organismo.Quando um sapo joga fora sua língua comprida, suas contrações musculares, devido às quais o sapo pega uma mosca e puxa presas na boca, são controladas por outra enzima, a miosina, contida nas células musculares. Quando uma mosca entra no estômago do sapo, um grupo inteiro de enzimas entra em ação que acelera a digestão e absorção de nutrientes. Outras enzimas são responsáveis por transformar esses nutrientes em tecidos corporais. As enzimas da cadeia respiratória contidas nas mitocôndrias ajudam a transformar os nutrientes em energia necessária ao organismo.acelerando a digestão e absorção de nutrientes. Outras enzimas são responsáveis por transformar esses nutrientes em tecidos corporais. As enzimas da cadeia respiratória contidas nas mitocôndrias ajudam a transformar os nutrientes em energia necessária ao organismo.acelerando a digestão e absorção de nutrientes. Outras enzimas são responsáveis por transformar esses nutrientes em tecidos corporais. As enzimas da cadeia respiratória contidas nas mitocôndrias ajudam a transformar os nutrientes em energia necessária ao organismo.Qualquer estágio da vida dos sapos e de todos os outros organismos vivos, qualquer processo que os suporte e a nossa vida com você, é apoiado e acelerado por enzimas - os verdadeiros motores da vida. Suas propriedades catalíticas são devidas à capacidade de algumas partículas elementares de cumprir números coreográficos aprimorados e, portanto, entram em contato com o mundo quântico e usam suas estranhas leis para a vida.No entanto, o tunelamento de partículas está longe de ser o único fenômeno do mundo quântico do qual a vida se beneficia. No próximo capítulo, falaremos sobre o fato de que outro fenômeno misterioso do mundo quântico está envolvido na reação química mais importante da biosfera.Informações mais detalhadas sobre o livro podem ser encontrados no site da editoraConteúdoTrechoPara os leitores deste blog, um desconto de 15% no cupom - LifeSource: https://habr.com/ru/post/pt397761/
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