As leis da física quântica também se aplicam à biologia?

Uma colaboração pouco ortodoxa e excêntrica entre dois campos científicos aparentemente incompatíveis – Física Quântica e Biologia – está produzindo novos e fascinantes insights sobre a natureza do nosso mundo vivo.Os sistemas biológicos são dinâmicos por natureza, trocando constantemente energia e matéria com o meio ambiente, mantendo o estado de não-equilíbrio sinônimo de vida. Por outro lado, a mecânica quântica é a teoria fundamental que descreve o comportamento e as propriedades de átomos, partículas subatômicas, moléculas e conjuntos moleculares – e, possivelmente, muito mais além do nosso atual campo de conhecimento.

DNA

DNA – O bloco de construção da vida (Créditos das fotos: Sergey Nivens / Shutterstock)

Isso pode confundi-lo a considerar essa combinação, a biologia sendo ligada à física quântica, quando a última lida em medidas em nanoescala, enquanto a primeira não é menor que o nível micro. Bem, suas dúvidas são bem merecidas. Continue lendo para descobrir como a física quântica molda muitos dos fenômenos biológicos cruciais do nosso mundo.

Fotossíntese

Você pode ter uma ideia geral do que esse processo envolve. Plantas e alguns tipos de bactérias absorvem a luz do sol e a água para sintetizar “alimentos”, ou seja, carboidratos, e liberam oxigênio como um resíduo, que é essencial para a sobrevivência de todos os outros seres vivos.

No entanto, o que realmente entra nesse processo?

Os cromóforos são as células que transmitem cores em uma planta que reúne fótons ou partículas de luz dos raios solares que chegam ou de outras fontes de luz. Eles então liberam excitons, que são um resultado do excesso de energia sendo absorvido. Essa energia pode então ser transformada em energia química, que a planta pode metabolizar.

Todo esse processo ocorre em um bilionésimo de segundo, com eficiência próxima a 100%, garantindo uma perda de energia insignificante! Neste mundo em rápida evolução, a eficiência é tudo o que importa. Claramente, o mecanismo engenhoso da fotossíntese é verdadeiramente uma das maiores maravilhas da natureza.  Então… o  que está realmente acontecendo aqui?

Fotossíntese

(Crédito da foto: Designua / Shutterstock)

Os excitons, em vez de percorrer um caminho singular e linear, movem-se num movimento ondulatório. Quando uma barragem de excitons viajam juntos, seus movimentos semelhantes a ondas se sobrepõem para produzir coerência quântica.  Soa bem impressionante, certo?

Essa coerência quântica comanda os excitons a testar  todas as vias possíveis e , em seguida, escolhe a opção mais eficiente.

Agora, imagine o quão grande seria um avanço para as indústrias produtoras de energia se pudéssemos imitar esse fenômeno em nossa própria tecnologia. Painéis solares altamente eficientes e baterias de longa duração podem abrir o caminho para um futuro verde e brilhante.

Magnetorecepção

passarinhos

Há muito se sabe que alguns pássaros e animais marinhos navegam pelo globo usando uma bússola química interna que interage com o campo magnético da Terra.

No entanto, a verdade é que o campo magnético da Terra é muito fraco para formigar seus sentidos, então como as aves realmente navegam?

Criptocromo , um tipo especial de proteína, é encontrado nos olhos de robins europeus e outras espécies animais. Quando a luz solar atinge a retina de seus olhos, a proteína libera dois elétrons desemparelhados, conhecidos como pares radicais induzidos por foto .

Magnetorecepção

A estruturação química e de ligação de Cromatóforos, presente nos olhos das aves

Elétrons não pareados são altamente suscetíveis a pequenas mudanças. Eles orientam seu giro na direção do campo magnético da Terra, dando a eles um senso de direção. Todos esses processos ocorrem em um nível quântico, tornando-se mais um fenômeno biológico quântico em que a maioria das pessoas nunca pensa!

Olfato: o sentido do olfato

Os seres humanos são dotados com a capacidade de diferenciar entre milhares de diferentes odores. Quando as moléculas de aroma chegam às nossas narinas pelo ar, elas interagem com um receptor dentro do nariz, semelhante a como os fótons interagem com o nervo óptico para nos conceder o poder da visão. A questão é: como o nervo olfativo distingue um cheiro do outro? Como você pode imaginar, definitivamente tem algo a ver com a física quântica!

sistema olfativo

O processo de inalação de moléculas de aroma junto com o ar, onde elas fazem contato com os nervos olfativos e transmitem a sensação do olfato (Foto: Wikimedia Commons)

Quando uma molécula de aroma interage com um receptor específico no nariz, um elétron presente nessa molécula passa para o outro lado do receptor via tunelamento quântico .  O tunelamento quântico é um fenômeno no qual partículas subatômicas como elétrons, prótons e nêutrons se movem através de uma barreira que é impossível de ser atravessada, de acordo com as teorias da física clássica . Ao fazer isso, ele converte as informações em moléculas odoríferas em sinais elétricos, que são então direcionados para o cérebro, permitindo-nos detectar e identificar rapidamente o cheiro. 

tunelamento quântico

Cognição Quântica

A cognição pode ser definida como “a ação mental ou processos envolvidos na aquisição de conhecimento e compreensão, seja através de pensamentos, experiências ou sentidos”.

Cérebro de computador

(Créditos das fotos: agsandrew / Shutterstock)

Digite “cognição quântica”, uma nova teoria que sugere que os princípios matemáticos por trás da mecânica quântica, como a teoria da probabilidade, poderiam ser usados ​​para entender melhor a psicologia por trás do comportamento humano. Afinal, o pensamento é baseado na capacidade cognitiva de nosso cérebro, e o cérebro funciona em impulsos elétricos, que são observados no nível quântico.

Vamos considerar o clássico experimento mental do “Dilema do Prisioneiro” para entender melhor as habilidades cognitivas do cérebro humano. Dois criminosos são oferecidos a chance de denunciar os crimes do outro. Se um rola o outro, mas o outro não o delata, o traidor fica livre, enquanto o outro cumpre um mandato de três anos. Se os dois se dividirem, cada um serve dois anos. Se nenhum deles acusar o outro, cada um recebe um ano. Se considerarmos que os dois criminosos sempre se comportam de acordo com seus próprios interesses, eles sempre descartarão o outro, se não estiverem cientes da afirmação do outro.

Quando  a probabilidade clássica é aplicada a esse experimento mental, ela não consegue explicá-lo. Se o primeiro criminoso soubesse, com certeza, que o segundo cooperaria, faria mais sentido delatá-lo e escapar com seus próprios crimes; a mesma coisa também seria verdade para o segundo criminoso. Assim, você pode concluir que não importa o que o outro criminoso esteja fazendo, seria melhor desertá-lo. Isso tudo se torna bastante confuso quando visto de uma perspectiva clássica.

No entanto, uma explicação quântica funciona um pouco melhor. No experimento de gato de Schrödinger, em que o gato tem a mesma probabilidade de estar morto e vivo na caixa fechada, a menos que a caixa seja aberta e o estado do gato seja observado. Aplicando este resultado ao nosso experimento, pode-se dizer que cada uma dessas possibilidades é como uma onda de pensamento. Assim como outras ondas (luz, som, água) podem interferir umas nas outras, as ondas de escolhas que estão por trás de colocar o outro prisioneiro fora ou manter a boca calada podem interferir, seja para anular um ao outro, construir uma onda menor ou talvez muito maior. Isso significa que se um criminoso vai cooperar, o outro pode acabar cooperando também!

Este exemplo pode parecer um pouco difícil de entender, mas, na realidade, a teoria da probabilidade é um jogo de azar; quantizando-o, uma oportunidade igual é dada a todos os lados, assegurando que cada decisão afete uma à outra.

Conclusão

A seleção natural certamente criou formas de os sistemas vivos, independentemente de escala e escopo, explorarem naturalmente os fenômenos quânticos.

Embora não tenha sido descoberto muito neste campo interdisciplinar,  e embora estejamos longe de explorar plenamente nossa compreensão da biologia quântica para avanços tecnológicos, a era não está longe quando os dispositivos quânticos bio-inspirados superarão os análogos clássicos e ineficientes.

Ao contrário da era dos anos 1960, quando sistemas biológicos “quentes, úmidos e complexos” eram considerados completamente incompatíveis com o micro-mundo da dinâmica quântica, chegamos a um novo estágio de compreensão. Agora, a questão da “C uma fenômenos quânticos afetar a biologia?” Foi substituída por “I fque eles fazem, o que efeito não causa e como isso acontece?” Dado que a evolução na Terra teve 3,5 bilhões de anos para conceber formas diferentes Para aproveitar as anomalias da mecânica quântica, parece haver muito espaço fascinante para explorar a biologia quântica!

Referências:

  1. Royal Society Publishing
  2. Phys.Org (Link 1)
  3. Institutos Nacionais de Saúde (NIH)
  4. Scitation
  5. Phys.Org (Link 2)

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