Rækker økologien helt ned til den subatomære skala?

Forestil dig, at du kunne holde op med at være menneskelig for et stykke tid og skrumpe ned til størrelsen af ​​en bakterie, omkring en milliondel af din nuværende statur. I denne skala, du ville holde op med at være bundet af tyngdekraften og i stedet opdage, at viskositet er den dominerende faktor, få luften til at føles mere som at svømme gennem en dyster sump.

Horder af dine medbakterier summer forbi, drevet af reversible roterende motorer, der driver dem med op til 20 gange deres kropslængde i sekundet. Det er den slags hastighed, relativt set, du ville have brug for en motor for at opnå i den menneskelige verden.

Mad er let at finde; næringsstoffer lander simpelthen på din overflade via molekylær diffusion. Andre aspekter af bakterielivet er måske mere velkendte:bakterier, ligesom større skabninger, jages af rovdyr og plaget af patogener.

Disse Tom Thumb-universer giver ikke ret meget mening for os mennesker, som er mere vant til at håndtere ting, vi kan se og røre ved. Ja, vi var uvidende om den mikrobielle verden, indtil Robert Hooke opfandt mikroskopet i 1665 – en bedrift, der blev muliggjort af fremkomsten af ​​højkvalitetsglas og den nye videnskab om optik.

Livet er fyldt med overraskelser

Fra denne opvågning udsprang en forståelse af livets rene kompleksitet. Det er noget, vi stadig kæmper med i dag, som vist ved, at en gennemsnitlig teskefuld vand, jord eller is vrimler med millioner af mikrober, som aldrig er blevet talt eller navngivet.

Denne svimlende mangfoldighed har travlt med at tjene til livets ophold i alle tænkelige afkroge på Jorden. I din mund er der op til 100, 000 bakterier på hver tand alene. Der er en veritabel bakteriel zoologisk have, der nyder vores daglige indskud på tog- og busrækværk, sæder og andet tilbehør – for ikke at tale om kødædende bakterier.

Det er svært nok til at få hovedet rundt, men bliv hos os, når vi går ned i en meget mindre, mere kompleks og helt mærkelig arena.

Endnu mindre

Nede på skalaen, der frekventeres af subatomære partikler, viskositet kommer ikke ind – ting er orkestreret efter kvanteprincipper, hvor kausalitet, lokalitet og realisme er ude af vinduet.

Her, på blot femtometer, eller en milliontedel af en milliardtedel af en meter, partikler som elektroner er ikke partikler i traditionel forstand. De kan effektivt være flere steder (og bevæge sig i flere retninger) på én gang og opføre sig som bølger – en egenskab, der banede vejen for elektronmikroskoper.

Dette lyder måske ikke mere håndgribeligt eller relevant end krusedullerne på en fysikers tavle, men beviset på dens virkelighed er der at se, både i form af eksperimentelle demonstrationer af partikelbølgeeffekter og i rækken af ​​moderne teknologi, der anvender kvanteeffekter såsom atomure eller andet praktisk, hvis uhyggelig, bruger.

Måske en dag snart vil vi endda have kvantecomputere (spørg bare Justin Trudeau, selvom han i sandhed også kæmper med detaljerne).

Levende processer på subatomær skala

Men hvad har kvantefysik med levende ting at gøre?

Mens konventionelle mikroskoper bragte mikrometerskalaen i fokus (efterfulgt af elektronversionen, som udvidede opløsningen med flere størrelsesordener), her i det 21. århundrede kan vi se ned på atomskalaen af ​​nanometer, eller milliardtedele af en meter, takket være røntgenlasere.

Denne teknologi har allerede registreret nogle spektakulære glimt af de molekylære processer, der understøtter nogle af livets mest basale funktioner, som fotosyntese og lyssansning.

Film lavet fra snapshot røntgenbilleder (som kan tage svimlende 100 billioner billeder i sekundet) viser den molekylære maskines indre funktion under fotosyntesen – en proces, hvor magnesiumatomer, omgivet af protein, spalte vand og fordøje kuldioxid som føde i alle grønne planter. Naturen bruger den samme mekanisme, i kombination med elektronoverførselsreaktioner, at generere praktisk talt al den ilt, der indåndes på Jorden.

Lignende film viser, hvad der sker, når lys rammer din nethinde og interagerer med et fotofølsomt protein.

Dette svarer til mere end tom nysgerrighed - billeddannelse på denne måde kan give indsigt i en lang række biologisk og farmaceutisk vigtige molekyler, som igen potentielt kan hjælpe i udviklingen af ​​mere effektive lægemidler. Og det er ikke for at nævne implikationerne for økologi i at nå frem til en finkornet forståelse af fotosyntese, planterigets maskinrum og de utallige skabninger, der er afhængige af det.

Disse teknologier blotlægger de indviklede forbindelser mellem subatomære og økologiske processer.

En helt ny industri bygget på småt

Det hastigt voksende område for nanovidenskab og teknologi - en yderligere spinoff fra kvanteprincipper - har ikke givet anledning til mangel på potentielle anvendelser. Dette inkluderer løftet om nanobioteknologi om at udvikle nye, mere effektive lægemidler til tilstande som forhøjet blodtryk, assisteret af visningen af ​​disse molekyler, der gives af røntgenlasere.

Så er der den mere proaktive bionanovidenskab, som sigter, blandt andet, at simulere biologiske mekanismer så præcist, at du nu kan tage en virtuel spadseretur gennem en kræftcelle, mens den tackles af lægemiddelbærende nanopartikler.

Vi går dermed ind i en æra med "molekylær fremstilling". Og i horisonten er "nanobots" - arbejdsheste i molekylær skala, der er små nok til at manipulere molekylære processer i celler. Måske vil disse en dag være sofistikerede nok til at levere lægemidler til specifikke molekylære steder eller endda udføre kirurgi.

Den usynlige kraft

Dette er ikke design, som mennesker kan interagere direkte med, ikke mindst fordi de fungerer i et miljø, vi næsten ikke kan forestille os, givet vores meterskala, sund fornuft virkelighed. Det betyder også, at hvis disse processer har en skadelig bagside, vi har ikke meget styr på, hvordan vi skal håndtere dem.

Sikkerhedskopier størrelsesskalaen, vi har procedurer som miljøkonsekvensvurderinger, produktstyring og toksikologisk testning. Hvordan passer sådanne begreber, hvis overhovedet, med fremkomsten af ​​nano-konstruerede molekylære strukturer? Det er fuldt ud muligt, at vores e-affaldsspande på genbrugscentre (eller endda lossepladser) en dag kan finde sig selv fulde af kompliceret konstruerede nanostrukturer med ukendte miljømæssige konsekvenser.

Det er muligvis fantasifuldt, men der er ikke desto mindre potentielle problemer med mineralbaserede nanopartikler, der allerede findes i kosmetik, maling, tøj og andre produkter. Nogle har veldefinerede veje ind i omverdenen, på vej fra vores brusere og håndvaske for at snige sig gennem kloakeringsanlæg. Hvad de kunne gøre efter at have "gået vildt" i vandveje og jord er nogens gæt, selvom nogle indikationer kan komme fra deres storebrødre, såsom fin silt eller mikroplast, hvis overflader kan blive bærere af både uorganiske og organiske forurenende stoffer.

Disse spørgsmål er i øjeblikket ikke store for vandindustrien. Selv meget anerkendte klasse A spildevandsrensningsanlæg beskæftiger sig kun med patogener, at være lidt interesseret i næringsstoffer, kemikalier, mikroplast eller nanopartikler.

Men nanopartiklernes størrelse, form, overfladeareal, sammenklumpning og adfærd i det bredere miljø gør det vanskeligt at forestille sig, hvordan man bedst regulerer dem. I øvrigt, der har været få regulatoriske undersøgelser af nanopartikler, hvor fare og eksponering er blevet betragtet sammen, så det er svært at give en omfattende risikovurdering.

Og det er relativt "inerte" varianter. Manglen på viden kan blive mere presserende, hvis nanobots bliver vilde.

Intet går bare væk

Vi bør være avancerede nok som samfund til at indse, at alt, hvad vi fremstiller, skal tages i betragtning. Intet "går bare væk" – selv ting, der er alt for små til at se.

I modsætning til smog eller affald, dette er måden, langt nede i den usynlige verden, gør det svært at danne en politisk valgkreds omkring spørgsmålet.

Ikke desto mindre, fremskridt i vores forståelse af de dybe sammenhænge mellem processer i atomskala og biologiske molekyler i den lille, lille verden tjener til at uddybe, hvis ikke transformere, måden vi betragter økologiske processer på – og, underforstået, "levende ting", lige meget hvor usynligt.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).