Hvordan kvantefysik er ved at revolutionere biokemi

En af de mærkelige konsekvenser af kvantemekanikken er fænomenet ikke-skelnelighed - at to kvantepartikler kan være umulige at skelne fra hinanden, selv i princippet. Dette sker til dels, fordi det er umuligt at bestemme den præcise position af kvantepartikler. Så når to partikler interagerer på samme sted, er der ingen måde at vide, hvilken der er hvilken.

Det giver anledning til en vis eksotisk adfærd, især ved lave temperaturer, hvor et stort antal partikler kan opføre sig på samme måde. Fotonernes umulige skelnelighed gør lasere mulige, udskilleligheden af ​​helium-4 kerner ved lav temperatur fører til superfluiditet og udskilleligheden af ​​andre kerner som rubidium fører til Bose-Einstein kondensater. Ukendelighed er rig på mystiske fænomener.

Men nogle kvantepartikler kan ikke skelnes på denne måde. Elektroner, for eksempel, er forbudt at dele den samme tilstand af en lov kendt som Pauli-udelukkelsesprincippet. Og det fører til en anden form for fysik. Interaktionerne mellem elektroner, styret af dette Pauli-udelukkelsesprincip, kaldes kemi, og det er lige så rigt på eksotisk adfærd.

Kemiens og fysikkens verdener, der ikke kan skelnes, har længe været tænkt som fuldstændig adskilte. Ukendelighed forekommer generelt ved lave temperaturer, mens kemi kræver relativt høje temperaturer, hvor objekter har tendens til at miste deres kvanteegenskaber. Som et resultat har kemikere længe følt sig sikre på at ignorere virkningerne af kvante-uforskellighed.

I dag siger Matthew Fisher og Leo Radzihovsky ved University of California, Santa Barbara, at denne tillid er malplaceret. De viser for første gang, at kvante-uforskellighed skal spille en væsentlig rolle i nogle kemiske processer selv ved almindelige temperaturer. Og de siger, at denne påvirkning fører til et helt nyt kemisk fænomen, såsom isotopadskillelse og kan også forklare et tidligere mystisk fænomen, såsom den øgede kemiske aktivitet af reaktive oxygenarter.

Relateret historie

Relateret historie Forskere i Kina har teleporteret en foton fra jorden til en satellit, der kredser mere end 500 kilometer over.

Kort sagt vender Fisher og Radzihovsky kemien på hovedet.

Nøglespørgsmålet bag denne nye tænkning er, om kvanteegenskaber virkelig kan ignoreres i de fleste kemiske reaktioner. Fisher og Radzihovsky siger, at selv om det generelt kan være sandt, at kvanteegenskaber går tabt ved høje temperaturer, består visse kvantefænomener.

De peger især på atomkernernes kvantesammenhæng. Fysikere har længe vidst, at kernernes spins kan forblive sammenhængende over tidsskalaer på minutter eller timer. Faktisk udnytter de dette fænomen i en bred vifte af kvanteberegningseksperimenter, der er afhængige af nukleare spins til at lagre kvanteinformation.

Det er let at tro, at nukleare spins ikke har nogen signifikant effekt på den måde, elektroner interagerer med hinanden i kemiske reaktioner.

Men det er ikke tilfældet, siger Fisher og Radzihovsky. Nukleare spins kan let blive koblet til andre fysiske tilstande, såsom den måde et molekyle vibrerer på. Når dette sker, siver de egenskaber, der ikke kan skelnes, som normalt er begrænset til kerner, og påvirker molekylet som helhed.

Fisher og Radzihovsky siger, at dette har en særlig stærk effekt på små symmetriske molekyler, såsom vand eller brint. Årsagen er, at når spins af to kerner interagerer, dikterer symmetri, at de kan antage visse konfigurationer, men ikke andre.

Når den symmetri lækker ind i den kemiske verden, betyder det, at molekylet kun kan interagere i situationer med lignende spinsymmetri.

For eksempel indeholder et brint- eller vandmolekyle to brintkerner, som enten kan spinde i samme retning, i hvilket tilfælde molekylet er kendt som ortho-vand, eller i de modsatte retninger, i hvilket tilfælde molekylet er kendt som para-vand. Disse forskellige arrangementer af det samme molekyle er kendt som spin-isomerer.

Det har betydning for den måde, molekyler interagerer med hinanden på. I mange kemiske reaktioner er den måde, molekyler låser sammen på, vigtig. Hvis molekylerne ikke kan passe sammen som en nøgle i en lås, kan reaktionen ikke ske.

Relateret historie

Relateret historie Søgegiganten planlægger at nå en milepæl i computerhistorien, inden året er omme.

Fisher og Radzihovsky viser, at kvante-uforskellighed påvirker den måde, molekyler passer sammen, fordi det forhindrer interaktioner, der ikke matcher symmetrien af ​​kernerne.

Forskerne fortsætter med at vise, at denne effekt får para-molekyler til at være væsentligt mere reaktive end ortho-molekyler, fordi deres symmetri matcher en bredere vifte af andre molekyler.

Et område, hvor dette kan spille en vigtig rolle, er i enzymatisk katalyse. Mange enzymer er afhængige af brint for at udføre deres arbejde. Nu viser Fisher og Radzihovsky, at kvante-uforskellighed skal have en væsentlig indflydelse på denne proces.

Det vil være vanskeligt at teste denne forudsigelse. Den oplagte måde er at måle resultatet af den samme reaktion udført med orto- og para-versioner af molekylerne. Men det er lettere sagt end gjort. Ortho- og para-versioner af det samme molekyle er svære at adskille. Kemikere opnåede det for vand for første gang først i 2014.

Den kemiske adfærd af vand og brint er kun begyndelsen. Fisher og Radzihovsky giver adskillige eksempler på andre kemiske processer, der også burde være påvirket af kvante-uforskellighed. Disse omfatter isotopfraktionering, for hvilken kvanteukendelighed giver en ny mekanisme, fænomenet forklarer også den øgede kemiske aktivitet af reaktive oxygenarter og giver en måde for kernernes spins at påvirke biokemiske molekyler generelt.

Der er en rig skare af eksotisk adfærd at studere her. Det vil være svært at teste disse ideer, men belønningen – en bedre forståelse af nogle af kemiens mest subtile og vigtige biologiske fænomener – vil give væsentlig motivation. Forvent at høre mere.

Ref: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kvanteukendelighed i kemiske reaktioner

skjule