211service.com
Kvantová mechanika vysvětluje, jak svaly vytvářejí sílu
Není to tak dávno, co biologové slepě přísahali, že jejich disciplína nikdy nebude poskvrněna podivnými účinky kvantové mechaniky. Dnes je kvantová biologie nově vznikající disciplínou v mnoha laboratořích po celém světě a jen ti odvážní (nebo hloupí) nyní argumentují proti myšlence, že kvantové efekty hrají důležitou roli ve fungování biologických molekul, celých buněk a dokonce i mozku.
Dnes do tohoto seznamu přidejte svaly. Tieyan Si z Institutu Maxe Plancka pro komplexní systémy v Drážďanech v Německu vytvořil kvantový model svalového chování. Jeho myšlenkou je, že myosin, molekulární motor zodpovědný za svalovou kontrakci, je v podstatě kvantový objekt a že jeho chování nejlépe popisuje kvantová mechanika.
Obchodní část svalového vlákna se skládá z aktinu, který si lze představit jako lano, a myosinu, což je molekulární motor, který funguje spíše jako přetahovací tým. Elektrická stimulace uvádí do akce tažné týmy, zběsile tahají za lana a způsobují kontrakci svalu. Skutečná síla, kterou sval produkuje, je výsledkem tahu a relaxace mnoha myosinových motorů, i když ne nutně ve shodě.
Výzvou pro teoretiky je zjistit, jak tyto molekulární motory generují silové a relaxační křivky, které se vyskytují ve skutečném svalu. Ty jsou dobře studovány v tak různorodých systémech, jako je srdeční sval savců a hmyzí křídla, a biomechanici již dlouho vědí, že různé typy svalů a svalů vytvářejí různé silokřivky. Například kontrakce, které se rychle uvolňují, mají jinou signaturu síly než kontrakce pomalu uvolňující. Vysvětlit to jedinou klasickou teorií není snadné.
Siův přístup je jednoduše předpokládat, že každý myosinový motor je kvantový objekt, který může tvořit dva tvary a že přepínání mezi těmito tvary způsobuje kontrakci. Jinými slovy, má dva stavy. (Také se dívá na systém, ve kterém má myosin tři stavy.) Myosin přechází do jednoho stavu absorbováním energie a uvolňuje se jejím vyzařováním a kombinovaný účinek všech přepnutí určuje chování vlákna.
Svalové vlákno je tedy jednoduše řetězec těchto kvantových objektů, pro které je možné odvodit matematický objekt známý jako hamiltonián, který popisuje chování. Otázka, kterou Si řeší, je, k jakému druhu křivek síla-relaxace tento Hamiltonián vede.
Jeho odpověď je, že tento kvantový hamiltonovský systém nám dává klasický vztah síla-rychlost nejen pro rychlé uvolnění, ale také pro pomalé uvolnění a nestabilní stavy.
Ukazuje, že dvouúrovňový systém přesně modeluje chování srdečního svalu, zatímco stav tří úrovní vysvětluje chování letového svalu hmyzu.
Co Si nedokáže, je jasně vysvětlit nedostatky konvenčních modelů chování svalů a proč je kvantový přístup lepší. Ani Si nečiní žádné předpovědi o chování svalů, které klasické modely nemohou zohlednit.
Nicméně je to působivý první krok v kvantovém popisu svalového chování. A jak zdůrazňuje Si, je třeba udělat mnohem více práce s pochopením rozhraní mezi kvantovým řetězcem a signály, které je spouštějí, jako jsou elektrické signály podél nervů a tok iontů přes membrány, které to spouští.
Ref: arxiv.org/abs/1004.3120 : Jednorozměrný řetězec motorů s kvantovou koherentní molekulou jako model pro svalové vlákno