211service.com
Kvantu mehānika izskaidro, kā muskuļi rada spēku
Bija ne tik sen, ka biologi zvērēja akli, ka viņu disciplīnu nekad nesabojātu dīvainās kvantu mehānikas sekas. Mūsdienās kvantu bioloģija ir jauna disciplīna daudzās laboratorijās visā pasaulē, un tikai drosmīgie (vai stulbie) tagad iebilst pret ideju, ka kvantu efektiem ir svarīga loma bioloģisko molekulu, veselu šūnu un pat smadzeņu darbībā.
Šodien pievienojiet šim sarakstam muskuļus. Tieyan Si Max Planck komplekso sistēmu institūtā Drēzdenē, Vācijā, ir izveidojis muskuļu uzvedības kvantu modeli. Viņa ideja ir tāda, ka miozīns, molekulārais motors, kas ir atbildīgs par muskuļu kontrakciju, būtībā ir kvantu objekts un ka tā uzvedību vislabāk raksturo kvantu mehānika.
Muskuļu šķiedras biznesa daļa sastāv no aktīna, ko var uzskatīt par virvi, un miozīnu, kas ir molekulārais motors, kas darbojas kā virves vilkšanas komanda. Elektriskā stimulācija iedarbina virves vilkšanas komandas, izmisīgi velkot virves un liekot muskuļiem sarauties. Faktiskais spēks, ko rada muskuļi, ir rezultāts daudziem miozīna motoriem, kas velk un atslābina, lai gan ne vienmēr ir saskaņoti.
Teorētiķu uzdevums ir noskaidrot, kā šie molekulārie motori rada spēka un relaksācijas līknes, kas rodas reālos muskuļos. Tie ir labi pētīti sistēmās, kas ir tik dažādas kā zīdītāju sirds muskuļi un kukaiņu spārni, un biomehāniķi jau sen ir zinājuši, ka dažāda veida muskuļu un muskuļu darbība rada dažādas spēka līknes. Piemēram, kontrakcijām, kas tiek ātri atbrīvotas, ir atšķirīgs spēka signāls, lai lēnām atbrīvotos. Izskaidrot to ar vienu klasisko teoriju nav viegli.
Si pieeja ir vienkārši pieņemt, ka katrs miozīna motors ir kvantu objekts, kas var veidot divas formas un ka pārslēgšanās starp šīm formām izraisa kontrakciju. Citiem vārdiem sakot, tai ir divi stāvokļi. (Viņš arī aplūko sistēmu, kurā miozīnam ir trīs stāvokļi.) Miozīns pārslēdzas uz vienu stāvokli, absorbējot enerģiju, un atslābinās, to izstarojot, un visu pārslēgšanos kopējā ietekme nosaka šķiedras uzvedību.
Muskuļu šķiedras ir vienkārši šo kvantu objektu ķēde, kurai ir iespējams iegūt matemātisko objektu, kas pazīstams kā Hamiltona un kas apraksta uzvedību. Jautājums, uz kuru Si attiecas, ir tāds, pie kādām spēka-relaksācijas līknēm noved šis Hamiltons.
Viņa atbilde ir tāda, ka šī kvantu Hamiltona sistēma sniedz mums klasisko spēka un ātruma attiecību ne tikai ātrai atbrīvošanai, bet arī lēnai atbrīvošanai un nestabiliem stāvokļiem.
Viņš parāda, ka divu līmeņu sistēma precīzi modelē sirds muskuļa uzvedību, savukārt trīs līmeņu stāvoklis izskaidro kukaiņu lidojuma muskuļu uzvedību.
Tas, ko Si nedara, ir skaidri izskaidro parasto muskuļu uzvedības modeļu nepilnības un to, kāpēc kvantu pieeja ir labāka. Arī Si nesniedz nekādas prognozes par muskuļu uzvedību, ko nevar ņemt vērā klasiskie modeļi.
Tomēr tas ir iespaidīgs pirmais solis muskuļu uzvedības kvantu aprakstā. Un, kā norāda Si, ir vēl daudz darāmā, lai izprastu saskarni starp kvantu ķēdi un signāliem, kas tos izraisa, piemēram, elektriskos signālus gar nerviem un jonu plūsmu pāri membrānām, ko tas izraisa.
Atsauce: arxiv.org/abs/1004.3120 : Viendimensijas kvantu koherentu molekulu motoru ķēde kā muskuļu šķiedras modelis