挑战长期持有的假设:核自旋影响生物过程

研究人员发现了核自旋对生物过程的重大影响，特别是手性环境中的氧动力学。这一突破将彻底改变生物技术、量子生物学、同位素分离和核磁共振技术。由耶路撒冷希伯来大学的Yossi Paltiel教授领导的研究小组与来自HUJI, Weizmann和IST奥地利的小组最近进行了一项研究，揭示了核自旋对生物活动的重大影响。这一发现挑战了长期以来的假设，并为生物技术和量子生物学的进步开辟了令人兴奋的可能性。

长期以来，科学家们一直认为核自旋对生物过程没有影响。然而，最近的研究表明，某些同位素由于其核自旋而表现不同。研究小组专注于稳定的氧同位素(16O, 17O, 18O)，发现核自旋在手性环境中显著影响氧动力学，特别是在氧的传输中。

该研究结果发表在著名的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，对控制同位素分离具有潜在意义，并可能彻底改变核磁共振(NMR)技术。

首席研究员Yossi Paltiel教授对这些发现的重要性表示兴奋:“我们的研究表明，核自旋在生物过程中起着至关重要的作用，这表明对它的操纵可能会导致生物技术和量子生物学的突破性应用。这可能会彻底改变同位素分馏过程，并在核磁共振等领域开辟新的可能性。”

研究人员一直在研究生物体内微小粒子的“奇怪”行为，为量子效应改变生物过程的一些地方提供资金。例如，研究鸟类导航量子效应可以帮助一些鸟类在长途旅行中找到路。在植物中，有效地利用太阳光作为能量受到量子效应的影响。

微小的粒子世界和生物之间的这种联系可能可以追溯到数十亿年前，当时生命开始出现，具有特殊形状的分子被称为手性。手性很重要，因为只有形状正确的分子才能在生物体内发挥作用。

手性量子力学之间的联系是在“自旋”中发现的，它就像一种微小的磁性。手性分子可以根据它们的自旋与粒子发生不同的相互作用，产生一种叫做手性诱导自旋选择性(CISS)的东西。

科学家们发现，在涉及手性分子的生命过程中，自旋会影响电子等微小粒子。他们想看看自旋是否也会影响较大的粒子，比如离子和分子，它们是生物运输的基础。因此，他们用具有不同自旋的水粒子做了实验。结果表明，自旋影响了水在细胞中的行为，当涉及手性分子时，水会以不同的速度进入细胞，并以独特的方式发生反应。这项研究强调了旋转在生命过程中的重要性。理解和控制自旋可能会对生物的工作方式产生重大影响。它还可能有助于改善医学成像，创造治疗疾病的新方法。

参考文献：Nuclear spin effects in biological processes” by Ofek Vardi, Naama Maroudas-Sklare, Yuval Kolodny, Artem Volosniev, Amijai Saragovi, Nir Galili, Stav Ferrera, Areg Ghazaryan, Nir Yuran, Hagit P. Affek, Boaz Luz, Yonaton Goldsmith, Nir Keren, Shira Yochelis, Itay Halevy, Mikhail Lemeshko and Yossi Paltiel, 31 July 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.