211service.com
Kvantmekanik förklarar hur muskler producerar kraft
Det var inte så länge sedan som biologer svurde blinda att deras disciplin aldrig skulle bli befläckad av kvantmekanikens konstiga effekter. Idag är kvantbiologi en framväxande disciplin i många laboratorier runt om i världen och bara de modiga (eller dumma) argumenterar nu mot idén att kvanteffekter spelar en viktig roll i hur biologiska molekyler, hela celler och till och med hjärnan fungerar.
Idag, lägg till muskler till den här listan. Tieyan Si vid Max Planck Institute for Complex Systems i Dresden, Tyskland, har skapat en kvantmodell av muskelbeteende. Hans idé är att myosin, den molekylära motorn som ansvarar för muskelkontraktion, i huvudsak är ett kvantobjekt och att dess beteende bäst beskrivs av kvantmekaniken.
Affärsdelen av muskelfibrer består av aktin, som kan ses som ett rep, och myosin, som är en molekylär motor som fungerar ungefär som ett dragkampslag. Elektrisk stimulering sätter dragkampsteamen i aktion, drar frenetiskt i sina rep och får muskeln att dra ihop sig. Den faktiska kraften en muskel producerar är resultatet av att många myosinmotorer drar och slappnar av, men inte nödvändigtvis i samverkan.
Utmaningen för teoretiker är att räkna ut hur dessa molekylära motorer genererar kraft- och avslappningskurvorna som uppstår i verkliga muskler. Dessa är väl studerade i system så olika som hjärtmuskeln hos däggdjur och insektsvingar och biomekaniker har länge känt till att olika typer av muskel- och muskelverkan ger olika kraftkurvor. Till exempel har sammandragningar som släpps snabbt en annan kraftsignatur än de som långsamt släpper. Att förklara detta med en enda klassisk teori är inte lätt.
Sis tillvägagångssätt är helt enkelt att anta att varje myosinmotor är ett kvantobjekt som kan bilda två former och att växlingen mellan dessa former orsakar en sammandragning. Den har med andra ord två tillstånd. (Han tittar också på ett system där myosin har tre tillstånd.) Myosin växlar till ett tillstånd genom att absorbera energi och slappnar av genom att avge den och den kombinerade effekten av alla växlingar avgör fiberns beteende.
En muskelfiber är alltså helt enkelt en kedja av dessa kvantobjekt, för vilka det är möjligt att härleda ett matematiskt objekt känt som en Hamiltonian som beskriver beteendet. Frågan som Si tar upp är att vilken typ av kraft-relaxationskurvor leder denna Hamiltonian till.
Hans svar är att detta kvanthamiltonska system ger oss den klassiska kraft-hastighetsrelationen inte bara för en snabb frisättning utan också för en långsam frisättning och instabila tillstånd.
Han visar att tvånivåsystemet exakt modellerar hjärtmuskelns beteende medan trenivåtillståndet förklarar beteendet hos insektsflygmuskler.
Vad Si inte gör är att tydligt förklara bristerna i de konventionella modellerna för muskelbeteende och varför kvantmetoden är bättre. Inte heller Si gör några förutsägelser om beteendet hos muskler som klassiska modeller inte kan redogöra för.
Ändå är detta ett imponerande första steg i kvantbeskrivningen av muskelbeteende. Och som Si påpekar finns det mycket mer arbete att göra för att förstå gränssnittet mellan kvantkedjan och signalerna som utlöser dem, såsom de elektriska signalerna längs nerver och jonflödet över membran som detta utlöser.
Ref: arxiv.org/abs/1004.3120 : Endimensionell kedja av kvantkoherenta molekylmotorer som modell för muskelfiber