يتم تمثيل جمال الفيزياء بشكل أساسي من خلال قدرتها الرائعة على فهم أي ظواهر طبيعية رائعة، من أصل قوس قزح إلى تكوين النجوم، من اللون الأزرق للبحر إلى الفصول المتغيرة، وحتى الأداء الأساسي للإنسان كصنع أشياء وتقنيات مثل الليزر، والباركود والهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر ونظام تحديد المواقع العالمي ومصابيح LED وأنظمة النقل وما إلى ذلك، والتي تستخدم بكثافة في الحياة اليومية، ولهذا السبب يمكن اعتبار الفيزياء أساسًا للعديد من تخصصات العلوم.
علم الأحياء الكمي
علم الأحياء الكمي، يستخدم الأساليب والتقنيات الكمية لتحليل النظم البيولوجية ودمجها وبناء ونمذجة أنظمة الحياة المهندسة واكتساب فهم أعمق لعلوم الحياة، ويهدف إلى توفير منصة ليس فقط للتحليل ولكن أيضًا لتكامل وبناء النظم البيولوجية.
يعرف علم الأحياء الكمي على نطاق واسع في دوره في الكشف عن كيفية عمل الجينومات وكيف تتطور، وما الذي يجعلها تسوء في المرض، ويقوم أعضاء SCQB أيضًا بتطوير أدوات حسابية وتقنيات جينومية مفيدة للمجتمع على نطاق واسع، حيث يتم دعم SCQB من خلال هبة سخية من مؤسسة Simons.
أهمية علم الأحياء الكمي
إن علم الأحياء الكمي هو اندماج العلوم البيولوجية والفيزيائية، بهدف التنبؤ وفهم الأنظمة الحية من الناحية الكمية، بما في ذلك سلوكياتها وتفاعلاتها ووراثتها، ويجمع بين قوة التفكير المجرد والكمي مع الأجهزة المتقدمة من الفيزياء والهندسة لاكتشاف المبادئ التنظيمية الأساسية للأنظمة الحية.
وبالتالي، يحتاج الجيل القادم من علماء الأحياء الكمية إلى إتقان ثلاث مهارات:
- تحديد الظواهر البيولوجية الرئيسية التي لم يتم حلها
- إجراء القياسات الكمية ذات الصلة
- تطوير نظرية لفهم النظم البيولوجية
تطبيقات في علم الأحياء الكمي
الدوران والتوجه المغناطيسي للطيور المهاجرة:
من الثابت أن الحيوانات المختلفة قادرة على اشتقاق معلومات الاتجاه من المجال المغنطيسي الأرضي، حيث تنظر بعض الثدييات إلى مجال الأرض على أنه بوصلة قطبية، يميز بين “الشمال” و “الجنوب”، بينما تعتمد الطيور والزواحف على بوصلة ميل التي تميز بين “القطبين” و “خطوط الاستواء” والتي تستغل كلاً من كثافة وتدرج مجال.
ومن المثير للاهتمام، أن الاتجاه في المجال المغناطيسي يتطلب وجود ضوء مرئي يتجاوز طاقة فوتون معينة وأن مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا (0.1-10 ميجاهرتز) يمكن أن يزعج حواس الطائر، لذلك فقد قيل أن الاستشعار المغنطيسي القائم على الرؤية قد يكون متجذرًا في التكوين الناجم عن الضوء لزوج جذري، وهي آلية تم استدعاؤها في الأصل لشرح الاستقطاب الديناميكي المستحث ضوئيًا في النوى.
عندما يسقط الضوء على جزيء مانح في عين الطائر، فإنه قد يثيره إلى حالة مفردة، فقد ينقل الجزيء بعد ذلك إلكترونًا إلى جزيء مستقبِل مجاور، وعادةً ما يبدأ الزوج المتشكل حديثًا من الجزيئات الجذرية في حالة المفرد، ولكن في وجود وصلات فائقة الدقة مع النوى الجزيئية، سيخضع لتحول بين القميص والحالة الثلاثية، ونظرًا لأن السبين محمي بشكل جيد من التأثيرات البيئية على نطاق زمني قصير، فمن المفترض أن يظل زوج الدوران مترابطًا كميًا، أي متشابكًا في هذه العملية.
ملاحة الطيور
يقترح العلماء أن العديد من الحيوانات بما في ذلك الطيور مثل روبينز الأوروبي، التي تستغل خاصية كمومية هشة للغاية، تسمى التشابك، للتنقل لمسافات طويلة بناءً على الاتجاه النسبي فيما يتعلق باتجاه المجال المغناطيسي للأرض، والأكثر إثارة للدهشة، أنهم قادرون على إبقاء هذا التشابك في أعينهم، في درجة حرارة الغرفة، لمقياس زمني عشرات الميكروثانية، يستمر لفترة أطول حتى من أكثر المعامل تقدمًا (غالبًا حتى شديدة البرودة).
على وجه الخصوص، تعمل هذه الميزة على تشغيل منتجات كيميائية مختلفة داخل بروتين يسمى كريبتكروم، اعتمادًا على المجال المغناطيسي الخارجي، وبالتالي توفير بوصلة كيميائية، بعد ذلك سيسمح هذا للطائر بإنشاء خريطة للمجال المغناطيسي للأرض.
رائحة الكم
تم شرح الشم تقليديًا من حيث نظرية الشكل أو نموذج “القفل والمفتاح”، أي أنه يتم شم رائحة معينة عندما يتناسب شكل جزيء الرائحة والمستقبل المقابل (داخل الأنف) تمامًا مع بعضهما البعض، وبعد ذلك تعتمد حاسة الشم فقط على أشكال الجزيئات التي نشمها في الهواء.
ومع ذلك ، تم تطوير نظرية مثيرة للجدل، طورها دايسون لأول مرة في عام 1927، من قبل تورين في عام 1990 (نموذج بطاقة التمرير) بعد الملاحظة عبر التجارب السلوكية لذبابة الفاكهة أن الجزيئات ذات الأشكال نفسها (مع استبدال ذرات الهيدروجين بالديوتيريوم) تتوافق تمامًا مع روائح مختلفة (من العطور إلى البيض الفاسد).
ومع ذلك، فإن هذه الجزيئات تظهر اهتزازات مختلفة تمامًا، ففي الواقع، تهتز الجزيئات كمجموعات من الذرات على الينابيع تتأرجح بتردد معين (كمية)، وبعد ذلك في وجود جزيء “كريه الرائحة” معين، يمكن للإلكترون الموجود داخل مستقبل الرائحة في الأنف أن “يقفز” (نفق عبر حاجز) عبره، مما يجلب كمية من الطاقة إلى إحدى روابط الرائحة، وبالتالي “تنشيط” “زنبرك” رنان (مثل نوع من موالفة راديو FM)؛ في الفيزياء، تسمى هذه الظاهرة الكمية المحددة نفق الإلكترون غير المرن، أي أن الأنف يتصرف كمجهر مسح نفقي.
ظاهرة الفوتون في علم الأحياء الكمي
كانت الكميات المفردة من الضوء ذات صلة بتوضيح مبادئ الكم الأساسية ولكنها موجودة أيضًا في كل مكان في علوم الحياة، كتقنيات الكشف الأكثر كفاءة للجزيئات الحيوية الفلورية حساسة على مستوى الفوتون الفردي، وتعتبر جزيئات الضوء الفردية أيضًا ذات صلة مباشرة بالعمليات البيولوجية؛ لأنها قد تؤثر على بنية الجزيئات الفردية، والتي بدورها يمكن أن تنقل الإشارات في الكائنات الحية.
ويمكن لجزيء الشبكية أن يغير شكله بعد امتصاص عدد قليل جدًا من الفوتونات، وبالتالي يحول العين البشرية إلى واحدة من أكثر الأجهزة الموجودة للكشف عن الضوء، وعادة ما يكون ما بين اثنين وسبعة فوتونات كافياً ليدركها مراقب بشري متكيف مع الظلام، حيث أشارت دراسات مختلفة إلى أن الأشخاص المختبرين يمكنهم حتى حساب عدد الفوتونات بموثوقية كانت محدودة فقط بضوضاء اللقطة الكمومية، والاستشهادات الواردة فيه.
تعتبر كاشفات الفوتون المنفرد ذات أهمية كبيرة للتواصل الكمي، وقد اقترح مؤخرًا أن الأخطبوط رودوبسين، الذي اختاره التطور لأنه يتكيف جيدًا مع ظلام المحيطات العميقة، قد يكون مكونًا مفيدًا في مثل هذه التطبيقات، ولكن أيضًا مصادر الفوتون المفرد تكتسب أهمية متزايدة في الاتصالات الكمومية أو بروتوكولات الحساب، وتعتبر الجزيئات المفردة بواعث ذات صلة.
المعلومات الكمية وعلم الأحياء الكمي
ترتبط معظم ألغاز فيزياء الكم بطريقة تشفير المعلومات ومعالجتها، لذلك فإن بعض الباحثين يطالبون بضرورة تعريف “بيولوجيا الكم” من خلال استخدامها للمعلومات الكمية، ويلخص القسم الحالي تكهنين حديثين، يهدفان إلى مقاييس أكبر بكثير من تلك الخاصة ببضعة جزيئات، واعتبارًا من اليوم، هذه الفرضيات بدون أي مبرر تجريبي وحتى متنازع عليها على أسس نظرية، لكن بما أن البعض منهم قد اكتسب شعبية كبيرة في المناقشات، فإنهم يستحقون الإشارة والتعليقات الموجزة.
تجذب فيزياء الكم وعلوم الحياة اهتمامًا متزايدًا، كما أن البحث في التفاعل بين المجالين ينمو بسرعة، واعتبارًا من اليوم، لا تزال العروض التجريبية للتماسك الكمي في علم الأحياء محدودة على مستوى عدد قليل من الجزيئات، وهذا يشمل على سبيل المثال جميع كيمياء الكم وعمليات النفق ونقل الإثارة المتماسك، وتأثيرات الدوران المحلية.
