Kvantemekanik forklarer, hvordan muskler producerer kraft

Det er ikke så længe siden, at biologer sværgede blinde på, at deres disciplin aldrig ville blive plettet af kvantemekanikkens mærkelige virkninger. I dag er kvantebiologi en spirende disciplin i mange laboratorier rundt om i verden, og kun de modige (eller dumme) argumenterer nu imod ideen om, at kvanteeffekter spiller en vigtig rolle i virkemåden af ​​biologiske molekyler, hele celler og endda hjernen.

Føj muskler til denne liste i dag. Tieyan Si ved Max Planck Institute for Complex Systems i Dresden, Tyskland, har skabt en kvantemodel for muskeladfærd. Hans idé er, at myosin, den molekylære motor, der er ansvarlig for muskelsammentrækning, i det væsentlige er et kvanteobjekt, og at dets adfærd bedst beskrives af kvantemekanikken.

Forretningsdelen af ​​muskelfibre består af aktin, der kan opfattes som et reb, og myosin, som er en molekylær motor, der fungerer nærmest som et tovtrækningshold. Elektrisk stimulation sætter tovtrækningsholdene i gang, trækker febrilsk i deres reb og får musklen til at trække sig sammen. Den faktiske kraft, en muskel producerer, er resultatet af mange myosinmotorer, der trækker og slapper af, selvom det ikke nødvendigvis er sammen.

Udfordringen for teoretikere er at finde ud af, hvordan disse molekylære motorer genererer de kraft- og afspændingskurver, der opstår i rigtige muskler. Disse er godt undersøgt i systemer så forskellige som pattedyrs hjertemuskel og insektvinger, og biomekanikere har længe vidst, at forskellige typer muskel- og muskelvirkning producerer forskellige kraftkurver. For eksempel har sammentrækninger, der udløses hurtigt, en anden kraftsignatur end dem, der langsomt udløses. At forklare dette med en enkelt klassisk teori er ikke let.

Sis tilgang er simpelthen at antage, at hver myosinmotor er et kvanteobjekt, der kan danne to former, og at skiftet mellem disse former forårsager en sammentrækning. Med andre ord har den to tilstande. (Han ser også på et system, hvor myosin har tre tilstande.) Myosin skifter til én tilstand ved at absorbere energi og slapper af ved at udsende det, og den kombinerede effekt af alle omskiftningerne bestemmer fiberens adfærd.

En muskelfiber er altså simpelthen en kæde af disse kvanteobjekter, for hvilke det er muligt at udlede et matematisk objekt kendt som en Hamiltonian, der beskriver adfærden. Spørgsmålet, som Si adresserer, er, at hvilken slags kraft-afspændingskurver fører denne Hamiltonianer til.

Hans svar er, at dette kvante-hamilton-system giver os det klassiske kraft-hastighedsforhold, ikke kun for en hurtig frigivelse, men også for en langsom frigivelse og ustabile tilstande.

Han viser, at to-niveau-systemet nøjagtigt modellerer hjertemuskulaturens adfærd, mens tre-niveau-tilstanden forklarer adfærden af ​​insektflyvemuskler.

Hvad Si ikke gør, er klart at forklare fejlene ved de konventionelle modeller for muskeladfærd, og hvorfor kvantetilgangen er bedre. Heller ikke Si kommer med nogen forudsigelser om muskelopførsel, som klassiske modeller ikke kan redegøre for.

Ikke desto mindre er dette et imponerende første skridt i kvantebeskrivelsen af ​​muskeladfærd. Og som Si påpeger, er der meget mere arbejde at gøre for at forstå grænsefladen mellem kvantekæden og de signaler, der udløser dem, såsom de elektriske signaler langs nerver og strømmen af ​​ioner over membraner, som dette udløser.

Ref: arxiv.org/abs/1004.3120 : Endimensionel kæde af kvantekohærente molekylemotorer som model for muskelfibre

skjule