[Buchnotizen] Leben am Rande

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Kapitel 1 Einleitung:

  • Robin benutzt den Magnetempfang, um während des Winterschlafes um die Welt zu navigieren. Ihr „interner Kompass“ kann das Magnetfeld von Erdlinien erfassen. Sie können jedoch nur zwischen den Polen und dem Äquator unterscheiden (da sie die Neigung der Magnetfeldlinien zur Erdoberfläche bestimmen können; die Linien sind vertikal an den Polen und nahezu parallel zur Erdoberfläche am Äquator). Diese Art von Kompass wird Neigungskompass genannt
    • Quantentunnel erklären, warum die Sonne scheint. In der Sonne müssen 2 Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen. Es gibt jedoch eine intensive Abstoßung zwischen den 2 Protonen, die die Kerne der Wasserstoffatome bilden. Nur durch Quantentunneln können einige der Protonen fusionieren
    • Quantenüberlagerung: Bei der Bildung von Deuterium drehen sich die im Kern vorhandenen Protonen und Neutronen. Dieser Spin ist eine Kombination oder Überlagerung von 2 verschiedenen Spinzuständen und diese Überlagerung ist der Grund für seine Stabilität. Deuterium ist einer der Bausteine ​​höherer Atome, und wenn diese Überlagerung nicht bestanden hätte, wären schwerere Atome wie Kohlenstoff und Eisen nicht entstanden
    • Kapitel 3:

    • Enzyme sind dafür verantwortlich, dass Kaulquappen ihren Schwanz lockern. Die Muskeln im Schwanz der Kaulquappe werden durch Kollagenfasern in dieser Form gehalten. Das Enzym Kollagenase wirkt auf die Kollagenfaser und bricht sie, so dass die Zellen und das Biomaterial im Schwanz wandern und hintere Gliedmaßen des Frosches bilden können
      • Es gibt 20 Aminosäuren. Jedes Aminosäuremolekül besteht aus etwa 10–50 Atomen. Hunderte dieser Aminosäuren bilden zusammen Proteine. Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen miteinander verbunden, bei denen es sich um chemische Bindungen zwischen Stickstoff und Kohlenstoffatomen von 2 benachbarten Aminosäuren handelt. Diese Peptidbindungen sind sehr stark und dies erklärt die Stabilität vieler Proteine
      • Katalysatoren arbeiten nach der Übergangszustandstheorie. Wenn sich die Reaktanten bei einer chemischen Reaktion auf Produkte zubewegen, bilden sie in der Mitte Übergangsverbindungen. Diese Verbindungen befinden sich an der Spitze des Energiehügels / der Barriere zwischen Reaktanten und Produkten und sind daher instabil. Ein Katalysator kann die Reaktion beschleunigen, da er diese Übergangszustandsverbindungen stabilisieren kann
      • Das Enzym Kollagenase hilft beim Abbau der Kollagenfaser. Es gibt aktive Stellen im Enzymmolekül, die den Übergangszustand bei der Hydrolyse der Peptidbindungsreaktion stabilisieren können (d. H. Abbau der Peptidbindung).
      • Biologen dachten früher, dass nur zufällige molekulare Bewegungen für diese Reaktion verantwortlich sind und dass Quanteneffekte nicht beteiligt sind. Dies bedeutete, dass die Reaktionsgeschwindigkeit mit sinkender Temperatur abnehmen sollte. Sie beobachteten jedoch, dass die Reaktionsgeschwindigkeit in keiner Weise beeinflusst wird, wenn die Temperatur unter einen bestimmten Punkt gesenkt wird
      • Dies liegt daran, dass es einen schlüssigen Beweis dafür gibt, dass das Quantentunneln von Protonen am durch Kollagenase katalysierten Abbau der Peptidbindung beteiligt ist. Dadurch kann sich das Proton von einem Punkt zu einem anderen bewegen (zumindest in der Quantenwelt durch eine große Distanz getrennt). Dies wurde durch den kinetischen Isotopeneffekt nachgewiesen. Für z.B. Wenn das Proton (d. h. der Wasserstoffkern) durch einen Deuterium- oder Tritiumkern ersetzt wurde, ging die Reaktionsgeschwindigkeit stark zurück.
      • Quantentunneleffekte sind auch in der Atmung vorhanden. Die Atmung in Zellen erfolgt innerhalb der Mitochondrien. Es beinhaltet die Bewegung von Elektronen von Kohlenstoffatomen auf Glucose zu Sauerstoffatomen. Die Elektronen werden von einem Enzym zum anderen weitergeleitet. Während das Elektron weitergegeben wird, fällt die Energie des Elektrons diskret ab. Diese Energie (aus dem Elektron) wird zum Pumpen von Protonen verwendet. Das Pumpen von Protonen erzeugt dann eine Potentialdifferenz. Aus diesem Grund kehren die herausgepumpten Protonen in die Mitochondrien zurück. Dabei rotieren sie bestimmte Biomoleküle, die bestimmte Aufgaben ausführen können, wodurch Energie in Form von ATP gespeichert wird. Die Weitergabe von Elektronen geschieht in gewissem Umfang auch aufgrund der Quantentunneleffekte.
      • Kapitel 4:

      • Quantenmechanik in der Photosynthese:
        • Thylakoide sind Säcke in Chloroplasten, die mit Chlorophyllmolekülen gefüllt sind
        • Das Chlorophyllmolekül absorbiert ein Lichtphoton, wodurch ein bestimmtes Elektron im Magnesiumatom des Chlorophylls angeregt wird. Dieses Paar des angeregten Elektrons und des positiven Lochs, das es hinterlässt, wird Exziton genannt
        • Nun wird das angeregte Elektron von den Chlorophyllmolekülen, aus denen das Thylakoid besteht, zum Reaktionszentrum hin aufgenommen.
        • Früher wurde angenommen, dass dieser Prozess durch die Thermodynamik angetrieben wird, d. H. Das Elektron versucht, einen zufälligen Spaziergang vom Chlorophyllmolekül, in dem es erzeugt wurde, zum Reaktionszentrum zu machen. Experimente haben jedoch gezeigt, dass der eigentliche Prozess dieses Energietransfers von der Absorption des Photons im Chlorophyll zum Reaktionszentrum hocheffizient ist und mit einem Wirkungsgrad von 100% abläuft.
        • Daher haben Wissenschaftler Beweise dafür, dass das Elektron tatsächlich allen Pfaden gleichzeitig folgt (genau wie eine Welle) und sich im quantenkohärenten Zustand befindet. Für z.B. Wenn ein Elektronenstrahl in Richtung eines Schlitzes gesendet wird, ist die Elektronenwahrscheinlichkeitswelle überall und durchläuft beide Schlitze (d. h. nimmt mehrere Wege ein), während sich das Elektron in einem quantenkohärenten Zustand befindet. Daher folgt auch das Elektron in der Photosynthese dem gleichen Prozess
        • Diese Quantenkohärenz kann innerhalb eines Blattes existieren, weil die Entfernungen, über die wir sprechen, ziemlich klein sind
        • Kapitel 5:

        • Geruchssinn oder Geruchssinn:
          • Neuronen für Geruch oder Geruch befinden sich in der Epithelzelle oder der Auskleidung der Nasenaktivität
          • Diese Neuronen haben Geruchsrezeptoren, die die verschiedenen Geruchsmoleküle identifizieren können
          • Es gibt verschiedene Theorien darüber, wie diese Identifizierung geschieht:
          • Formtheorie: Nach dieser Theorie sind die Geruchsrezeptoren so konstruiert, dass die Geruchsmoleküle genau in sie passen [genau wie die aktiven Zentren von Enzymen entworfen wurden]. Das Problem mit dieser Theorie ist jedoch, dass verschiedene Moleküle, die die gleiche Form haben, unterschiedliche Gerüche haben
          • Vibrationstheorie molekularer Bindungen: Nach dieser Theorie können Geruchsrezeptoren den Geruch mithilfe der Raman-Spektroskopie irgendwie verstehen. Laut Raman-Spektroskopie: Licht wird auf eine Probe gestrahlt. Dieses Licht wird nicht elastisch reflektiert, sondern unelastisch reflektiert. Dies bedeutet, dass die Frequenz des reflektierten Lichts geringer wäre als die Frequenz des einfallenden Lichts. Der Unterschied ist die Schwingungsfrequenz der Molekülbindungen im Geruchsmolekül. Obwohl diese Theorie das experimentelle Ergebnis erklärt, besteht das Problem darin, dass es nicht in der Lage ist, den unterschiedlichen Geruch von chiralen Molekülen zu erklären (chirale Moleküle haben genau die gleichen chemischen Bindungen und daher die gleiche Schwingungsfrequenz. Sie können jedoch unterschiedlich riechen).
          • Quantentunnelung der Elektronenerklärung: Diese Theorie ist von einer Technik inspiriert, die als inelastische Elektronentunnelungsspektroskopie bezeichnet wird. Darin befinden sich 2 Platten, die eine Potentialdifferenz aufweisen. Elektronen von der Donorplatte (negativ geladene Platte) bewegen sich normalerweise nicht auf die Akzeptorplatte. Beim elastischen Elektronentunneln können Elektronen aufgrund des Quantentunnelns immer noch wandern. Beim Tunneln inelastischer Elektronen können Elektronen nur dann tunneln, wenn sie auf ihrem Weg zwischen Donor- und Akzeptorplatte etwas Energie verlieren. Befindet sich also ein richtiges Molekül zwischen den Platten, das chemische Bindungen aufweist, die mit der Frequenz der Energie schwingen, die das Elektron abgeben kann, dann wäre ein unelastisches Quantentunneln von Elektronen möglich. Dies ist die Theorie, die derzeit zur Erklärung des Geruchssinns populär ist
          • Kapitel 6:

          • Einige Vögel und Tiere nutzen das Magnetfeld von Linien für ihre Navigationszwecke
            • Es gibt zwei Gedankengänge darüber, wie dies erreicht wird: (1) Die erste Theorie besagt, dass sich irgendwo im Körper des Tieres ein tatsächlicher Kompass befindet. Für z.B. Ein Magnetitkristall könnte sich irgendwo befinden, der auf das Magnetfeld der Erde ansprechen kann. (2) Die zweite Theorie besagt, dass die Tiere möglicherweise eine Reaktion in ihrem Körper haben, die sehr empfindlich auf das Magnetfeld reagiert, und die Tiere bestimmen die Richtung, in die sie sich bewegen, auf der Grundlage der Produkte dieser Reaktion
            • Konzentrieren wir uns vorerst auf die 2. Theorie:
            • Wir müssen zuerst die Natur dieses Kompasses betrachten. Einige Vögel und Tiere haben einen Neigungskompass im Körper. Dadurch können sie nur feststellen, ob sie sich auf die Pole zu oder von ihnen wegbewegen (aber nicht, ob sie sich auf den Nordpol oder den Südpol zubewegen).
            • Paulis Ausschlussprinzip: Wenn zwei Elektronen in einem Atom oder Molekül (Bindung) gepaart sind, müssen sie entgegengesetzte Spins haben. Wir können uns darauf beziehen, dass dieses Paar im Spin-Singulett-Zustand ist. In ähnlicher Weise gibt es einen Spin-Triplett-Zustand, in dem die Elektronen die gleichen Spins haben [da diese Elektronen nicht gepaart sind oder Teil verschiedener Atome sind].
            • Wissenschaftler fanden heraus, dass es im Körper des Vogels bestimmte Reaktionen gibt, die diese freien Radikale bilden. Jedes freie Radikal hat ein zusätzliches Elektron. Aufgrund der Quantenverschränkung sagten die Wissenschaftler, diese Elektronen seien verschränkt und gleichzeitig im Spin-Singulett-Zustand und im Spin-Triplett-Zustand (d. H. Die Spins waren entweder in der entgegengesetzten Richtung oder in der einzelnen Richtung). Das schwache Magnetfeld der Erde (Neigungsbit) kann dann diesen Zustand stören, und diese Störung (die von der Neigung abhängt) bestimmt das Verhältnis der Radikalelektronen, die sich im Singulettzustand gegenüber dem Triplettzustand befinden würden. Dieses Verhältnis würde wiederum die gebildeten Produkte bestimmen. Aus diesem Grund hatten die Biologen das Gefühl, dass diese Reaktion im Körper des Vogels auftritt, der sehr empfindlich auf das Magnetfeld reagiert und auf der Grundlage der sich bildenden Produkte die Neigung des Feldes bestimmen kann
            • Die Biologen stellten dann auch fest, dass Licht benötigt wird, damit sich die freien Radikale überhaupt bilden können. Nach weiteren Untersuchungen stellten sie fest, dass sich das Zentrum dieser Reaktion bei Vögeln und vielen Tieren in den Augen befand
            • Kapitel 7:

            • Die Doppelhelixstruktur des DNA-Moleküls ist der Grund, warum die Replikation so gut durchgeführt werden kann
              • Auf einem Strang wären die Basen wie ATCG. Diese Basen können sich nur mit ihrer entsprechenden Base auf dem anderen Strang paaren. Dies liegt daran, dass diese Paare durch Wasserstoffbindungen verbunden sind (d. H. Ein Wasserstoffatom teilen). Die Struktur der Basenpaare impliziert, dass nur das erlaubte Matching stattfinden kann
              • Die Wasserstoffbrücke ist im Grunde ein gemeinsames Proton. Daher wird es irgendwo in der Mitte der 2 Basen sein, die es teilen. In den meisten Fällen ist es eher für eine Basis als für die andere geschlossen. Dies ist die normale Position oder der genetische Code und unser Körper wird dies größtenteils replizieren
              • In bestimmten Fällen bewegt sich der Wasserstoffkern jedoch zur anderen Base, obwohl dies aus energetischer Sicht aufgrund von Quantentunneleffekten nicht bevorzugt ist. Diese Formen der Basenpaare werden Tautomere genannt. Dies kommt sehr selten vor und führt zu Mutationen im genetischen Code (es gibt auch andere Faktoren, die zu Mutationen führen können).
              • Kapitel 8:

              • Bewusstsein ist eines der größten ungeklärten Rätsel der Wissenschaft
                • Dabei ist eines der größten Probleme das Bindungsproblem - hier geht es darum, wie unser Gehirn gleichzeitig in der Lage ist, verschiedene Gedanken zu speichern, die für bestimmte Aktionen erforderlich sind, wenn sich jeder dieser Gedanken in einem anderen Neuron oder in einem anderen Bereich von befindet das Gehirn
                • Das Nervensignal durchläuft ein Neuron aufgrund der Öffnung von Ionenkanälen im Axon. In den Neuronen befinden sich mehr Natriumionen außerhalb als innerhalb des Neurons. Wenn das Neuron entscheidet, dass ein Nervensignal entlang seiner Länge weitergeleitet werden muss (was passieren wird, wenn der Neurotransmitter des vorherigen Neurons in die Synapse zwischen ihnen feuert), öffnen sich einige der Ionentore, wodurch die Natriumionen in das Neuron eintreten . Aufgrund dieser Bewegung sinkt der Potentialgradient über der Membran, der vorher existierte (d. H. Die Spannung sinkt). Es gibt andere Ionenkanäle, die spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind. Wenn die Spannung ausreichend abfällt, öffnen sich diese Kanäle, wodurch noch mehr Ionen in die Membran eindringen und die Spannung noch weiter abfällt. Dadurch öffnet sich das stromabwärtige Ionentor und es kommen noch mehr Natriumionen herein. Auf diese Weise wird das Nervensignal (Aktionspotential genannt) über die gesamte Länge des Neurons abgefeuert
                • Roger Penrose in seinem Buch "Der neue Geist des Kaisers" behauptete, unser Gehirn sei wie ein Quantencomputer
                • Quantencomputer: Ein digitaler Computer hat Bits. Ein Quantencomputer berechnet mit Qubits (nichts mit der Zahl 4 zu tun). Qubits sind im Grunde genommen Atomteilchen (Elektronen, Protonen usw.), die miteinander verwickelt sind. Diese Qubits können sich in der Überlagerung zwischen 0 und 1 befinden - daher können sie mehr Informationen als nur ein Bit "codieren" - was nur in 2 Zuständen sein kann. Auch die Qubits sind verwickelt. Das heißt, wenn ein Qubit einen Zustand ändert, ändert auch das andere Qubit seinen Zustand automatisch. Dies bedeutet, dass das Qubit Informationen parallel verarbeiten kann. Während die Geschwindigkeit eines digitalen Computers mit der Addition von Bits linear zunimmt, können Sie die Geschwindigkeit eines Quantencomputers mit der Addition von Qubits exponentiell erhöhen. Es ist schwierig, die Quantenverschränkung der Teilchen / Qubits oder ihre Kohärenz aufrechtzuerhalten. Daher müssen Forscher den Computer in einem Vakuum unterbringen und den Aufbau auf sehr niedrige Temperaturen abkühlen. Daher müssen Ingenieure nicht nur die Quantenberechnung für eine tragfähige Lösung durchführen, sondern auch eine Lösung finden, die bei Raumtemperatur funktioniert
                • Penrose wies darauf hin, dass es im Neuron bestimmte Proteine ​​gibt, die Mikrotubuli genannt werden. Diese Proteine ​​können in 2 verschiedenen Formen vorliegen. Er vermutete, dass diese Mikrotubuli jederzeit in Überlagerung beider Formen existieren könnten. Darüber hinaus könnten diese mit den Mikrotubuli im selben Neuron wie auch mit den anderen Neuronen verwickelt sein. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Theorie zutrifft, ist jedoch sehr gering, da Mikrotubuli als Proteine ​​riesige Strukturen mit vielen tausend Atomen darstellen und sich solche Strukturen nicht als Quantenteilchen verhalten (oder es sehr schwierig ist, sich in Quanten zu verwickeln).
                • Eine weitere Region im Gehirn, in der die Quantenmechanik eine Rolle spielen kann, sind die Ionentore, die den Ionenfluss in das Neuron regulieren. Diese Ionen bewegen sich in einer einzigen Datei in das Neuron und „sehr schnell“ durch das Tor, obwohl das Tor so eng ist. Auch diese Gates sind sehr spezifisch für das sich einziehende Ion. Die Tore für Kalium lassen kein Natrium ein (wenn das Natriumion kleiner als das Kaliumion ist). Einige Forscher vermuten, dass dies geschieht, weil die Natrium- oder Kaliumionen eher wie eine delokalisierte Welle als wie ein Teilchen wirken. Somit können sie sich „schneller“ durch das Ionentor bewegen. Außerdem schwingt das Ion mit einer hohen Frequenz und interagiert mit bestimmten Proteinen im Ionengate (und schwingt mit). Diese Resonanz erzeugt einen Kühleffekt, der weiter zur Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz beiträgt. Dies erklärt auch die Selektivität, da die Frequenz, mit der ein Kaliumion vibriert (und somit den Kühleffekt erzeugen kann), sehr unterschiedlich von der eines Natriumions ist (das möglicherweise nicht in der Lage ist, mit dem Protein und zu schwingen) daher nicht den Kühleffekt erzeugen)
                • Andere Wissenschaftler weisen darauf hin, dass das Gehirnfeld in der Lage ist, die Quantenkohärenz im Gehirn aufrechtzuerhalten. Das EM-Feld im Gehirn wird durch Nervenschüsse erzeugt. Es beeinflusst aber auch die Nervenzündung, die wiederum das Feld erzeugt - daher ist dies eine Art Schleife. Da das EM-Feld in unserem Gehirn vorhanden ist, könnte es das Bindungsproblem erklären. Die unterschiedlichen Gedanken in den verschiedenen Hirnregionen oder -zellen könnten durch das EM-Feld „koordiniert“ werden [was sicherstellen kann, dass die Neuronen in diesen Hirnregionen zusammen feuern, um die erforderliche Antwort zu generieren].
                • Kapitel 9:

                • RNA-Welthypothese:
                  • Dies ist eine Theorie darüber, wie das Leben auf der Erde entstanden wäre
                  • Biologen entdeckten bestimmte RNAs, die sowohl als Molekül für die Codierung genetischer Informationen als auch für die Ausführung der Aktionen eines Enzyms fungieren können. Daher könnten diese RNA-Moleküle als Replikationseinheit fungieren, und diese Replikationen hätten durch natürliche Selektion zu den ersten Zellen geführt
                  • Diese Theorie birgt jedoch auch gewisse Herausforderungen. Für z.B. RNA-Basen können aus einfachen chemischen Substanzen gebildet werden (die in der Ursuppe vorhanden gewesen wären), aber es wird ungefähr 140 Schritte dauern, bis diese Chemikalien zu RNA-Basen vervollständigt sind. Im Durchschnitt hätte jeder dieser Schritte in 6 verschiedene Richtungen verlaufen und zu etwas anderem führen können. Daher wäre die Wahrscheinlichkeit, dass sich zufällig RNA-Basen bilden, 6¹⁴⁰ gewesen, was äußerst gering ist
                  • Darüber hinaus bestehen RNAs aus mindestens 100 Basen langen Strings. Jede Basis hat 4 Optionen. Daher gibt es 4¹⁰⁰ mögliche Konfigurationen von RNAs. Diese hätten eine Gesamtmasse von 10⁵⁰ kg, was mehr als die Gesamtmasse der Milchstraße ist. Daher wären die Basen, die sich zu RNAs verbinden, die die Eigenschaft gehabt hätten, sowohl die Daten als auch die enzymatische Wirkung auf der Basis des Zufalls zu codieren, auf der Erde sehr viel geringer gewesen
                  • Das Problem, all diese Variationen zu durchlaufen, wird jedoch mit der Quantenmechanik durchaus vertretbar und möglich. Für z.B. Stellen Sie sich ein Enzym mit 64 Protonen und Elektronen in seiner Struktur vor. Diese Protonen und Elektronen würden einer Quantenüberlagerung unterliegen. Das bestimmte Enzym könnte in 2⁶⁴-Formen angeordnet werden, was in der klassischen Welt sehr schwierig gewesen wäre und viel Zeit benötigt hätte. In der Quantenwelt der Überlagerung hätten diese verschiedenen Variationen jedoch in viel kürzerer Zeit erfasst werden können
                  • Das alles ist Spekulation