211service.com
Quantum Entanglement håller ihop DNA, säger fysiker
Det fanns en tid, för inte så länge sedan, när biologer svor svart och blått att kvantmekaniken inte kunde spela någon roll i livets varma, våta system.
Sedan dess har disciplinen kvantbiologi dykt upp som ett av de mest spännande nya områdena inom vetenskapen. Det börjar se ut som om kvanteffekter är avgörande i ett antal biologiska processer, såsom fotosyntes och fågelnavigering som vi har tittat på här och här .
Nu säger en grupp fysiker att kvantmekanikens konstiga lagar kan vara viktigare för livet än biologer någonsin kunde ha föreställt sig. Deras nya idé är att DNA hålls samman av kvantintrassling.
Det är värt att plocka isär mer detaljerat. Entanglement är den konstiga kvantprocessen där en enda vågfunktion beskriver två separata objekt. När detta händer delar dessa objekt i praktiken samma existens, oavsett hur långt ifrån varandra de kan vara.
Frågan som Elisabeth Rieper vid National University of Singapore och ett par kompisar har ställt är vilken roll förveckling kan spela i DNA. För att ta reda på det har de konstruerat en förenklad teoretisk modell av DNA där varje nukleotid består av ett moln av elektroner runt en central positiv kärna. Detta negativa moln kan röra sig i förhållande till kärnan och skapa en dipol. Och molnets rörelse fram och tillbaka är en harmonisk oscillator.
När nukleotiderna binder till en bas måste dessa moln svänga i motsatta riktningar för att säkerställa strukturens stabilitet.
Rieper och co frågar vad som händer med dessa svängningar, eller fononer som fysiker kallar dem, när basparen staplas i en dubbel helix.
Fononer är kvantobjekt, vilket betyder att de kan existera i en överlagring av tillstånd och bli intrasslade, precis som andra kvantobjekt.
Till att börja med föreställer Rieper och co sig helixen utan påverkan från värmen utanför. Helt klart är kedjan av kopplade harmoniska oscillatorer intrasslad vid noll temperatur, säger de. De fortsätter sedan med att visa att intrasslingen även kan existera vid rumstemperatur.
Det är möjligt eftersom fononer har en våglängd som i storlek liknar en DNA-spiral och detta gör att stående vågor kan bildas, ett fenomen som kallas fononfångning. När detta händer kan fononerna inte lätt fly. En liknande typ av fononinfångning är känd för att orsaka problem i kiselstrukturer av samma storlek.
Det skulle ha liten betydelse om det inte hade någon total effekt på helixen. Men modellen som utvecklats av Rieper och co antyder att effekten är djupgående.
Även om varje nukleotid i ett baspar oscillerar i motsatta riktningar, sker detta som en överlagring av tillstånd, så att den totala rörelsen av helixen är noll. I en rent klassisk modell kan detta dock inte ske, då skulle helixen vibrera och skaka isär sig själv.
Så i denna mening är dessa kvanteffekter ansvariga för att hålla ihop DNA.
Frågan är förstås hur man bevisar detta. De säger att ett bevis är att en rent klassisk analys av energin som krävs för att hålla ihop DNA inte stämmer. Men deras kvantmodell täpper till gapet. Det är intressant men de måste komma på något experimentellt övertygande för att övertyga biologer om dessa idéer.
Ett lockande förslag i slutet av deras artikel är att förvecklingen kan ha en inverkan på hur information läses av en DNA-sträng och att det kan vara möjligt att exploatera detta experimentellt. Hur, säger de inte.
Spekulativt men potentiellt explosivt arbete.
Ref: arxiv.org/abs/1006.4053 : Relevansen av kontinuerlig variabel intrassling i DNA