Будущее квантовой биологии
Адриана Марэ, Бетони Адамс, Эндрю К. Рингсмут, Марко Ферретти, Дж. Майкл Грубер, Рууд Хендрикс, Мария Шульд, Сэмюэл Л. Смит, Илья Синайский, Тьяарт П.Дж. Крюгер, Франческо Петруччоне и Риенк ван Гронделл
Опубликовано: 14 ноября 2018 г.
Аннотация
Биологические системы динамичны, они постоянно обмениваются энергией и веществом с окружающей средой, чтобы поддерживать состояние неравновесия, синоним жизни. Развитие методов наблюдений позволило нам изучать биологическую динамику во все более малых масштабах. Такие исследования выявили доказательства наличия квантово-механических эффектов, которые не могут быть объяснены классической физикой, в ряде биологических процессов. Квантовая биология изучает такие процессы, и здесь мы даем общее представление о текущем состоянии этой области, а также о будущих направлениях.
1. Введение
Квантовая механика - это фундаментальная теория, которая описывает свойства субатомных частиц, атомов, молекул, молекулярных ансамблей и, возможно, не только. Квантовая механика работает в нанометровом и субнанометровом масштабах и лежит в основе фундаментальных жизненных процессов, таких как фотосинтез, дыхание и зрение. В квантовой механике все объекты имеют волновые свойства, и когда они взаимодействуют, квантовая когерентность описывает корреляции между физическими величинами, описывающими такие объекты, из-за этой волновой природы.
В фотосинтезе, дыхании и зрении модели, которые были разработаны в прошлом, в основе своей являются квантово-механическими. Они описывают перенос энергии и электронов в рамках, основанных на прыжках по поверхности. Динамика, описываемая этими моделями, часто бывает «экспоненциальной» и вытекает из применения Золотого правила Ферми [ 1 , 2]. Вследствие усреднения скорости передачи по большому и квазинепрерывному распределению конечных состояний вычисленная динамика больше не отображает когерентность и интерференционные явления. В фотосинтетических реакционных центрах и светособирающих комплексах колебательные явления наблюдались в многочисленных исследованиях, выполненных в 1990-х годах, и обычно приписывались образованию колебательных или смешанных электронно-колебательных волновых пакетов. Сообщенное об обнаружении удивительно долгоживущей (660 фс и более) электронной квантовой когерентности при передаче энергии возбуждения в фотосинтетической системе возродило интерес к роли «нетривиальной» квантовой механики в объяснении фундаментальных жизненных процессов живых организмов [ 3]. Однако идея о том, что квантовые явления, такие как когерентность, могут играть функциональную роль в макроскопических живых системах, не нова. В 1932 году, через 10 лет после того, как квантовый физик Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии за свою работу по атомной структуре, он прочитал лекцию под названием «Свет и жизнь» на Международном конгрессе по светотерапии в Копенгагене [ 4 ]. Это подняло вопрос о том, может ли квантовая теория способствовать научному пониманию живых систем. На нем присутствовал заинтригованный Макс Дельбрюк, молодой физик, который позже помог основать область молекулярной биологии и получил Нобелевскую премию в 1969 году за свои открытия в генетике [ 5 ].
Все живые системы состоят из молекул, и в основном все молекулы описываются квантовой механикой. Однако традиционно огромное разделение шкал между системами, описываемыми квантовой механикой, и системами, изучаемыми в биологии, а также кажущиеся разными свойствами неодушевленной и живой материи поддерживали некоторое разделение между двумя совокупностями знаний. В последнее время события в экспериментальных методов , таких как сверхбыстрой спектроскопии [ 6 ], одной молекулы спектроскопии [ 7 - 11 ], с временным разрешением микроскопии [ 12 - 14 ] и одной визуализации частиц [ 15 - 18] позволили нам изучать биологическую динамику во все более малых масштабах длины и времени, обнаруживая множество процессов, необходимых для функционирования живой системы, которые зависят от тонкого взаимодействия между квантовыми и классическими физическими эффектами.
Квантовая биология - это приложение квантовой теории к тем аспектам биологии, для которых классическая физика не может дать точное описание. Несмотря на это простое определение, до сих пор остаются споры о целях и роли данной области в научном сообществе. Эта статья предлагает взгляд на то, где находится квантовая биология сегодня, и определяет потенциальные возможности для дальнейшего прогресса в этой области.
2. Что такое квантовая биология?
Биология в ее нынешней парадигме добилась большого успеха в применении классических моделей к живым системам. В большинстве случаев тонкие квантовые эффекты на (меж) молекулярных масштабах не играют определяющей роли в общей биологической функции. Здесь «функция» - это широкое понятие. Например: как зрение и фотосинтез работают на молекулярном уровне и в сверхбыстром временном масштабе? Как ДНК со сложенными нуклеотидами, разделенными примерно 0,3 нм, справляется с УФ-фотонами? Как фермент катализирует важную биохимическую реакцию? Как наш мозг с нейронами, организованными в субнанометровом масштабе, справляется с таким удивительным объемом информации? Как работают репликация и экспрессия ДНК? Все эти биологические функции, конечно, следует рассматривать в контексте эволюционной приспособленности. Обычно считается, что в этих случаях различиями между классическим приближением и квантово-механической моделью можно пренебречь, хотя в основе каждого процесса полностью лежат законы квантовой механики. Что происходит на нечеткой границе между квантовым и классическим режимами? Что еще более важно, существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле таковыми не являются? Роль квантовой биологии как раз и состоит в том, чтобы выявить и раскрыть эту связь. существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле не таковыми? Роль квантовой биологии как раз и состоит в том, чтобы выявить и раскрыть эту связь. существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле не таковыми? Роль квантовой биологии как раз и состоит в том, чтобы выявить и раскрыть эту связь.
По сути, вся материя - одушевленная или неодушевленная - является квантово-механической, состоящей из ионов, атомов и / или молекул, равновесные свойства которых точно определяются квантовой теорией. В результате можно утверждать, что вся биология квантово-механическая. Однако это определение не касается динамической природы биологических процессов или того факта, что классическое описание межмолекулярной динамики часто кажется достаточным. Следовательно, квантовая биология должна определяться с точки зрения физической «правильности» используемых моделей и согласованности объяснительных возможностей классических и квантово-механических моделей конкретного биологического процесса.
По мере того, как мы исследуем биологические системы на наномасштабах и более, мы обнаруживаем, что в биологических организмах существуют процессы, подробно описанные в этой статье, для которых в настоящее время считается, что квантово-механическое описание необходимо для полной характеристики поведения соответствующей подсистемы. Хотя квантовые эффекты трудно наблюдать в макроскопических масштабах времени и длины, процессы, необходимые для общего функционирования и, следовательно, выживания организма, похоже, зависят от динамических квантово-механических эффектов на межмолекулярном уровне. Именно взаимодействие между этими масштабами времени и длины исследует квантовая биология с целью построения согласованной физической картины.
Большие надежды на квантовую биологию могут включать вклад в определение и понимание жизни или в понимание мозга и сознания. Однако эти проблемы стары, как сама наука, и лучший подход - спросить, может ли квантовая биология внести вклад в структуру, в которой мы можем поставить эти вопросы таким образом, чтобы получить новые ответы. Изучение биологических процессов, эффективно действующих на границе между областями квантовой и классической физики, уже вносит свой вклад в улучшение физических описаний этого перехода от квантового к классическому.
Более того, квантовая биология обещает дать начало принципам проектирования для квантовых нанотехнологий, вдохновленных биологией, с возможностью эффективно работать на фундаментальном уровне в шумной среде при комнатной температуре и даже использовать эту `` шумную среду '' для сохранения или даже улучшения квантовые свойства [ 19 , 20 ]. Благодаря разработке таких систем можно будет проверить и количественно оценить степень, в которой квантовые эффекты могут усиливать процессы и функции, обнаруженные в биологии, и, в конечном итоге, ответить на вопрос, были ли эти квантовые эффекты целенаправленно выбраны при проектировании систем. Однако важно отметить, что квантовые биоинспекционные технологии также могут быть полезны по своей сути независимо от организмов, которые их вдохновили.
3. Квантовая механика: введение для биологов.
В начале двадцатого века успех классической физики в описании всех наблюдаемых явлений в определенных отношениях стал подвергаться сомнению. В 1900 году, чтобы объяснить спектральное распределение энергии излучения абсолютно черного тела, Планк ввел идею о квантовании взаимодействий между веществом и электромагнитным излучением с частотой ν, которое происходит только в целых кратных h ν, где h- фундаментальная постоянная Планка. Пять лет спустя Эйнштейн развил понятие квантования энергии, расширив его, включив в него фотон, квант света. Эта концепция иллюстрируется фотоэлектрическим эффектом, когда свет, падающий на материал, приводит к испусканию электронов. Однако это излучение определяется не интенсивностью света, а его частотой. Даже свет низкой интенсивности с подходящей частотой приведет к испусканию электронов, тогда как свет с высокой интенсивностью ниже этой пороговой частоты не будет иметь никакого эффекта. Эйнштейн объяснил это, предположив, что в данном случае свет ведет себя как частица, а не волна, с дискретными энергиями hν, который может передаваться электронам в материале. Модель атома водорода Бора 1913 года с его дискретными энергетическими состояниями и работа Комптона 1923 года с рентгеновскими лучами внесли свой вклад в начало новой эры в современной физике. Эти способы объяснения излучения черного тела и фотоэлектрического эффекта, а также атомной стабильности и спектроскопии привели к развитию квантовой механики, теории, которая оказалась чрезвычайно успешной в предсказании и описании микрофизических систем [ 21 , 22 ].
В то время как Планк и Эйнштейн начали квантовую революцию, постулировав, что излучение также демонстрирует поведение, подобное частицам, де Бройль в 1923 году сделал дополнительное предположение, что сама материя обладает волнообразными свойствами, причем длина волны связана с ее импульсом через постоянную Планка. Эта гипотеза предполагала, что волны вещества должны подвергаться дифракции, что впоследствии было доказано экспериментами, которые продемонстрировали, что частицы, такие как электроны, демонстрируют интерференционные картины. Шредингер построил на этом наблюдении свою формулировку квантовой механики, которая описывает динамику микроскопических систем с помощью волновой механики. Формулировка квантовой механики позволяет исследовать ряд важных аспектов квантового состояния: его математическое описание в любой момент времени t, как вычислить различные физические величины, связанные с этим состоянием, и как описать эволюцию состояния во времени [ 21 , 22 ].
Квантовая механика - это математическая основа, которая идентифицирует изолированную физическую систему с квантовым состоянием, которое полностью характеризует систему и обозначается как | ψ〉 и гильбертово пространствоВстроенная формулакоторый содержит все состояния, доступные системе. Временная эволюция системы, описываемой вектором состояния | ψ〉 подчиняется уравнению Шредингера,
где Встроенная формула- приведенная постоянная Планка, а H ( t ) - гамильтониан, который представляет уровни энергии системы и взаимодействие между частями системы.
Один из наиболее интересных аспектов квантовой теории - то, что для двух квантовых состояний | ψ 1〉 и | ψ 2〉, описывающая систему, линейную комбинацию этих двух состояний, α 1 | ψ 1〉 + α 2 | ψ 2〉, также описывает систему. Эта комбинация или суперпозиция состояний, составляющих гильбертово пространство, записывается в более общем виде как
где каждое нормализованное ортогональное состояние | ψ i〉 в суперпозиции взвешивается комплексным числом α i , гдеВстроенная формулавероятность нахождения системы в этом состоянии. Именно здесь квантовая механика расстается с классическим миром. Существование суперпозиционных состояний в квантовом режиме приводит к уникальным квантово-механическим свойствам, которые часто противоречат здравому смыслу. Например, квантовая когерентность описывает четко определенные отношения между отдельными состояниями, составляющими суперпозицию, а квантовая запутанность - это особая форма корреляции между квантовыми состояниями. Отличным примером является делокализация электронных состояний в фотосинтезе, которая имеет решающее значение для объяснения скорости и эффективности электронного переноса энергии и разделения заряда в основе фотосинтеза [ 23]. Вероятностный подход квантовой механики также допускает концепцию туннелирования, которая предсказывает возможность прохождения квантовой частицы через потенциальный барьер, который иначе был бы запрещен классической механикой [ 21 , 22 ]. Очень хорошим примером последнего является эффективный перенос электронов между донором и акцептором, как в реакционных центрах фотосинтеза и респираторных комплексах, где электрон должен пройти через высокоэнергетический белковый барьер [ 24 ].
Именно эти специфически квантовые свойства, такие как суперпозиция, когерентность, запутанность и туннелирование, описаны в этом обзоре как неотъемлемая часть нового понимания столь разнообразных биологических явлений, как фотосинтез, магниторецепция, обоняние, ферментный катализ, дыхание и нейротрансмиссия [ 25 - 27 ].
4. Транспортные процессы
На фундаментальном уровне динамика биологических систем связана с передачей энергии и заряда, последний из которых включает электроны, протоны и ионы. Передача энергии возбуждения и перенос заряда в фотосинтезе являются наиболее хорошо изученными областями квантовой биологии, и более поздней областью исследований является изучение ферментативного катализа, который часто основан на взаимодействии электронов и протонов для управления переносом нескольких зарядов. .
4.1. Фотосинтез
Плодовитый класс организмов живет за счет энергии солнечного света более 3 миллиардов лет, используя процесс, называемый фотосинтезом, для преобразования энергии солнечного света в формы, полезные для их выживания. Общая эффективность, с которой фотосинтезирующие организмы преобразуют энергию солнечного света в биомассу в типичных условиях, довольно низка (в лучшем случае несколько процентов [ 28 , 29]), поскольку ни весь поступающий солнечный свет, ни вся поглощенная энергия не преобразуется в биомассу. Однако первичный светособирающий этап фотосинтеза протекает с почти идеальной квантовой эффективностью. Это означает, что в оптимальных условиях (низкая интенсивность света и отсутствие стресса) почти для каждого фотона, поглощаемого и переносимого светособирающими антеннами, электрон переносится в реакционном центре фотосинтеза.
Светособирающие антенны варьируются от квази-неупорядоченных самоорганизующихся агрегатов [ 30 ] до высокосимметричных конфигураций пигментов, связанных с белковыми каркасами [ 31 , 32 ]. Светособирающие комплексы, составляющие всю антенную систему, подключены к реакционному центру, который представляет собой единственную единицу фотосинтетического аппарата, способную осуществлять трансмембранное разделение зарядов [ 33 ].
Эксперименты, проведенные путем выделения светособирающих комплексов и реакционных центров из естественных фотосинтетических систем, имитируя физиологические условия окружающей среды, пролили много света на функционирование фотосинтетической светособирающей системы in vivo . Хорошо известно, что первичные фотосинтетические процессы переноса энергии и заряда проявляют существенные квантово-механические свойства, такие как делокализация, волновые пакеты, когерентность и сверхизлучение, и что классические модели неточно описывают возникающую динамику.
4.1.1. Передача энергии возбуждения
Еще в 1938 г. Франк и Теллер [ 34 ] предложили квантовый когерентный механизм передачи энергии возбуждения при фотосинтезе. Они рассмотрели диффузию экситона Френкеля, который представляет собой когерентную суперпозицию электронных возбуждений отдельных фотосинтетических пигментов ( рисунок 1 ). С появлением фемтосекундной нестационарной абсорбционной спектроскопии в начале 1990-х годов долгоживущие колебательные когерентности, длящиеся порядка пикосекунды, были обнаружены для бактериальных и растительных светособирающих комплексов [ 35 - 40]. В течение последних 14 лет передовые сверхбыстрые методы, известные как двумерная электронная спектроскопия (2D-ES), использовались для мониторинга распада когерентных суперпозиций колебательных состояний и вибронных (смешанных экситонно-колебательных) состояний в светособирающих комплексах. . Двумерные спектры показали наличие перекрестных пиков [ 41 ], которые осциллируют во времени [ 42 ]. Большое количество исследований связывало кросс-пики со связями между экситонными состояниями, а их осцилляции - с электронной квантовой когерентностью, то есть когерентными суперпозициями между экситонными состояниями [ 42]. Первое такое исследование, которое было проведено на комплексе зеленых серных бактерий Фенна-Мэтьюз-Олсон (FMO) и опубликовано в 2007 г. группой Флеминга, показало, что определенные когерентности сохраняются на удивление долго (660 фс) [ 3 ]. В 2009 г. аналогичные колебательные сигналы были выявлены для основного светособирающего комплекса высших растений (LHCII) и интерпретированы как квантово-когерентный перенос энергии [ 43 ]. Эти первоначальные результаты были получены при криогенных температурах. Важным событием стало обнаружение в 2010 г. независимо группами Энгеля [ 44 ] и Шоулза [ 45 ] аналогичных когерентных колебаний при физиологических температурах в FMO и светособирающих комплексах двух видов морских криптофитных водорослей, соответственно.
Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая концепцию передачи энергии возбуждения в фотосинтетических светособирающих комплексах. Овалы изображают кластеры пигмента, в которых происходит сильное экситонное взаимодействие, а стрелки обозначают некогерентную передачу энергии между кластерами. Внутри каждого кластера энергия делокализована по всем пигментам и передается когерентно.
Как правило, квантовая когерентность при физиологических температурах оказывается хрупкой по сравнению с когерентностью при криогенных температурах, поскольку шум окружающей среды увеличивается с повышением температуры, что приводит к сокращению времени декогеренции. Таким образом, эти результаты интересны как с точки зрения обработки квантовой информации, где основной проблемой является поддержание квантовой когерентности в системах, которые неизбежно взаимодействуют с окружающей средой, так и с точки зрения квантовой биологии, которая исследует, насколько фундаментальные аспекты функционирования живые системы можно объяснить только квантово-механически.
Вдохновленные удивительным явлением, интерпретируемым как долгоживущая квантовая когерентность в теплых, шумных, сложных и в то же время замечательно эффективных системах передачи энергии, было предложено множество моделей квантового переноса с помощью окружающей среды. Цель состояла в том, чтобы связать феномен квантовой когерентности по множеству хромофорных участков в фотосинтетических пигмент-белках с чрезвычайной эффективностью процесса передачи энергии возбуждения, как правило, в рамках приближенных спин-бозонных моделей системы. Вопреки интуиции, что шум снижает производительность системы, было обнаружено, что взаимодействие с окружающей средой может привести к повышению эффективности транспорта [ 19 , 20]. Светособирающие комплексы состоят из ряда пигментов с обычно различающимися энергиями участков. Если эта разница в энергии больше, чем связь пигмент-пигмент, переходы будут подавлены. Дефазирующий шум может сдвигать энергии сайтов, тем самым помогая преодолеть эти энергетические промежутки и улучшая транспорт между сайтами без потери возбуждений от системы [ 46 ].
После множества теоретических доказательств как за, так и против долгоживущей (до нескольких пикосекунд) электронной когерентности, недавние исследования 2D-ES комплекса FMO недвусмысленно показали, что эти долгоживущие когерентности возникают в основном из-за колебаний основного состояния, а не из-за экситона. –Экситонные суперпозиции [ 47 , 48 ]. Оказалось, что квантовые биения, связанные с электронной когерентностью, имеют небольшую амплитуду и затухают всего за 60–240 фс. Однако экспериментальное подтверждение вибронной когерентности возбужденного состояния также было найдено [ 48 ], и ее роль в передаче энергии возбуждения в фотосинтезе еще предстоит определить.
Тогда можно спросить, оптимизирована ли роль квантовой когерентности - экситонов, а также вибронных когерентностей - в собирании света, или это просто следствие близости пигментов в пигмент-белковых комплексах. Устойчивость экологически безопасного транспорта по отношению к изменениям в системе или характеристиках окружающей среды также была исследована, и результаты показывают, что эта надежность может быть использована при разработке высокоэффективных квантовых транспортных систем [ 49 , 50]. Конвергенция временных масштабов в фотосинтезе была предложена в качестве примера «квантового эффекта Златовласки»: этот естественный отбор имеет тенденцию приводить квантовые системы к набору параметров, при котором результирующая степень квантовой когерентности «как раз подходит» для достижения максимальной эффективности и оптимальное управление [ 51 ].
В общем, наблюдения осцилляторной динамики недостаточно, чтобы исключить классические описания того же поведения, и квантовое моделирование поддерживаемого окружающей средой переноса в фотосинтезе не обходится без споров. Однако более поздняя работа [ 52 ] недвусмысленно показала, что неклассические свойства колебательных движений окружающей среды могут способствовать передаче энергии возбуждения в фотосинтетических LHC в субпикосекундном масштабе времени и при комнатной температуре. Эти идеи следует проверить экспериментально, изучив, изменяют ли мутационные варианты фотосинтетических LHC степень квантовой когерентности, время жизни когерентности и, следовательно, эффективность передачи энергии.
4.1.2. Перенос заряда
Разделение зарядов в фотосинтезе - одно из самых эффективных явлений в природе с квантовой эффективностью, приближающейся к единице. Включающие процессы происходят в разных временных масштабах, от субпикосекунд до миллисекунд, и включают взаимодействие между беспорядком и когерентностью, опосредованное вибронными состояниями (смесью колебательных и экситонных состояний). Разделение зарядов представляет собой очень хороший кандидат для понимания роли квантовой физики в биологии. Поскольку разделение зарядов происходит в микросекундном масштабе времени, квантовые эффекты обычно не видны напрямую на таком макроскопическом уровне. Однако механизм разделения зарядов может быть представлен цепочкой различных процессов с ранними этапами в сверхбыстрых временных масштабах и с участием всего нескольких молекул, а общая эффективность зависит от каждого из этапов.
В 1966 г. ДеВо и Чанс наблюдали температурную зависимость переноса электрона в реакционных центрах пурпурных бактерий, которую не могла объяснить классическая физика [ 53 ]. Они предложили поведение, чтобы показать доказательства квантово-механического туннелирования [ 54 ], и заложили основу концепции электронного и ядерного туннелирования в биологии [ 42 ]. В то время как теория переноса электрона Маркуса не учитывает ядерное туннелирование [ 2], и, следовательно, может недооценивать скорость переноса электрона при низких температурах, полуклассическая теория Маркуса может быть расширена до полностью квантово-механического рассмотрения, основанного на теории безызлучательных переходов, которая включает ядерное туннелирование и дает хорошее предсказание для увеличение скорости разделения заряда с понижением температуры. Если предполагается, что разделение зарядов сильно связано с некоторой гармонической колебательной модой, то скорость определяется скоростью Джортнера. Однако это основано на предположении, что колебательная релаксация происходит в гораздо более коротких временных масштабах, чем перенос электрона, что не относится к событиям очень быстрого переноса. Сверхбыстрые реакции фотоиндуцированного переноса электрона настолько быстры, что во время переноса электрона от донора к акцептору не происходит полной колебательной релаксации.55 ].
Эксперименты 2D-ES на реакционном центре Фотосистемы II высших растений выявили долгоживущие осцилляции специфических кросс-пиков, как и для светособирающих комплексов, и были интерпретированы как электронные когерентности между экситонами, а также между экситонами и переносом заряда. состояния ( рисунок 2 ) [ 56 ]. Обнаружена сильная корреляция между степенью когерентности и эффективным и сверхбыстрым разделением зарядов [ 56 ]. Экспериментальные результаты были количественно воспроизведены с помощью квантовой когерентной модели, показывающей новые пути передачи энергии, которые обычно не появляются между множеством вибронных состояний [ 56 - 58].]. В частности, моделирование показало, что наблюдаемые кросс-пиковые колебания могут поддерживаться определенными колебательными модами, где режимы, способствующие резонансному переносу, в первую очередь присущи пигменту, в то время как экситонные переходы пигмента настраиваются в основном с помощью белкового каркаса, чтобы соответствовать энергии этих режимов. Следовательно, хотя нетривиальные квантовые эффекты могут казаться скрытыми на макроскопическом уровне, они, похоже, вносят фундаментальный вклад в биологический механизм разделения зарядов. Таким образом, перенос заряда представляет собой очень хороший процесс для понимания роли квантовой физики в биологии.
Рис. 2. Схема квантово-когерентного разделения зарядов в реакционном центре Фотосистемы II высших растений вдоль одного из, по крайней мере, двух существующих путей, согласно модели [ 23 ]. Слева показаны четыре волновых пакета с гармоническими потенциалами, каждый из которых соответствует своему состоянию на пути разделения зарядов. Для каждого состояния ключевые пигменты, а также приблизительное местоположение и знак облаков заряда показаны справа. Горизонтальные линии изображают пики поглощения на указанной длине волны соответствующего состояния, показанного справа, в то время как волнистые стрелки изображают резонансное взаимодействие с указанной колебательной модой. Символы δ и * обозначают характер переноса заряда и характер экситона соответственно. Природа четырех состояний такова:Встроенная формула- высокое экситонное состояние, Встроенная формула- экситонное состояние с некоторым характером переноса заряда, Встроенная формула- состояние с переносом заряда, смешанное с экситонным состоянием, и Встроенная формула- конечное состояние с разделением зарядов. Обратите внимание, что промежуточное звено между двумя последними состояниями с участием Chl D1 опущено. Первые три шага включают когерентную релаксацию из-за связи с колебательной модой, а последний шаг включает некогерентный перенос. Условные обозначения: D1 и D2 - две ветви симметричной структуры реакционного центра; Хл, хлорофилл; P - первичный донор электронов / особая пара Chl; Phe, феофитин. По материалам Romero et al . [ 23 ].
Таким образом, экспериментальные и теоретические данные показывают, что одиночные колебательные моды в статически неупорядоченном ландшафте, скорее всего, способствуют переносу как в сборе света, так и в разделении зарядов в фотосинтезирующих организмах, при этом экситонные переходы пигмента, настраиваемые белковым каркасом, чтобы соответствовать энергии колебательной моды, помогающей резонансный перенос [ 52 , 56 ]. Ядерно-электронная (вибронная) связь является важным механизмом в индуцированной светом функции молекулярных систем в целом и в специально разработанной системе. Также было показано, что результат индуцированного светом переноса электронов радикально меняется из-за специфического для моды инфракрасного возбуждения колебаний, которые связаны с путем переноса электронов [ 59 ].
4.1.3. Спектроскопия одиночных молекул
Эксперименты с одной молекулой представляют собой интересный и многообещающий подход к исследованию квантовых характеристик фотосинтетических комплексов. Результаты 2D-ES предполагают тесную роль окружающей среды в форме молекулярных колебаний в квантовой когерентной энергии и процессах переноса электронов. Эта среда меняется от сложной к сложной, а также в относительно медленных временных масштабах (от миллисекунд до минут), о чем свидетельствуют отдельные изменяющиеся во времени пути передачи энергии, описанные в исследованиях отдельных светособирающих комплексов [ 11 , 60 - 62]. Вследствие этой неоднородности, обычно называемой «статическим беспорядком», которая возникает из-за относительно медленных конформационных динамических флуктуаций белков, на затухание колебаний спектральных характеристик сильно влияет усреднение по ансамблю. Избегая усреднения по ансамблю в экспериментах с одиночными молекулами, квантовые когерентности можно масштабировать до микроскопической области, что может пролить больше света на физиологическое значение этого квантового явления.
Статический беспорядок также сильно влияет на судьбу возбуждения в светособирающем комплексе, изменяя вероятность захвата возбуждения стоком энергии [ 63 , 64 ] или кластерами пигмента, которые не соседствуют с другими комплексами в фотосистеме [ 65 ]. Детальное понимание тонкого управления фотодинамикой с помощью внешних воздействий на светособирающий комплекс, например, возникающих при нефотохимическом тушении, важном регулирующем механизме рассеивания избыточной энергии при фотосинтезе, все еще отсутствует. Роль передачи энергии с помощью вибрации и выборки путей передачи энергии можно прояснить с помощью экспериментов по когерентному контролю с одной молекулой.
Недавно на основе серии экспериментальных наблюдений за эффектами магнитного поля в фотосинтетическом реакционном центре была предложена прямая роль квантово-механических свойств спина в квантовом защитном механизме фотосинтеза [ 66 ]. Понимание регуляторных и защитных механизмов фотосинтеза, а также разрешения и контроля этих процессов во временном масштабе вплоть до фемтосекунд имеет сильное применение при исследовании неурожаев в условиях стресса засухи или в условиях сильного солнечного излучения, а также при разработке солнечных батарей нового поколения.
Дополнительный способ доступа к информации о чисто квантово-механических характеристиках отдельных молекул - это поиск отдельных квантово-механических отпечатков пальцев, таких как неклассическая субпуассоновская статистика в корреляционных функциях более высокого порядка или статистика некоторых наблюдаемых, нарушающих принципы Белла или Коши. –Неравенство Шварца. Было показано, что неклассичность исходно термализованных колебаний вызывается когерентными экситонно-колебательными взаимодействиями и недвусмысленно указывается на отрицательность в фазовом пространстве квазивероятностного распределения эффективной коллективной моды, связанной с электронной динамикой, даже при некогерентном входе возбуждение. Эти результаты позволяют предположить, что исследование неклассических свойств колебательных движений, способствующих возбуждению и переносу заряда,52 , 67 ]. Однако выполнение таких исследований на уровне отдельных молекул является очень сложной задачей из-за требований как сверхбыстрого (от фемтосекунд до наносекунд) временного разрешения, так и высокой скорости счета фотонов.
4.1.4. Искусственный фотосинтез
Заявление из области квантовой биологии состояло в том, что развитие детального понимания фотосинтеза в микроскопическом масштабе, особенно его первичных стадий, позволит нам разработать биологически вдохновленные искусственные фотосинтетические системы, эффективно использующие энергию солнечного света с использованием обильных на Земле элементов, таких как углерод , кислород, азот и т. д. Уже произошли значительные разработки, связанные с проектированием таких систем (например, [ 68 - 73]). Молекулярный подход к искусственному фотосинтезу - один из многих претендентов на преобразование солнечной энергии в биотопливо. Здесь естественный фотосинтез исследуется, чтобы извлечь принципы дизайна, а затем попытаться разработать лучшие фотосистемы, основанные на этих принципах. Основным ограничением существующих систем является накопление, а также нестабильность их катализаторов, вызванная чрезмерным накоплением заряда. Уравновешивание разделения зарядов очень важно, например, за счет связанного движения протонов [ 74 ].
Важным принципом квантово-биологического дизайна является присутствие экситонов: они отвечают за более эффективное поглощение света, более быстрое направление энергии (то есть более быстрый распад по градиенту энергии), более быструю передачу энергии и более эффективное (необратимое) улавливание возбуждений реакционный центр [ 75 ]. Более того, их квантовое поведение проявляется в виде волнообразной интерференции различных путей и того, как колебательные моды белковой среды взаимодействуют с пигментами (добавляя к делокализации и извлекая или поглощая колебательную энергию), чтобы облегчить передачу энергии в сложный.
Исследования переноса первичного заряда в прототипе искусственного реакционного центра выявили коррелированное волновое движение электронов и ядер во временном масштабе в несколько десятков фемтосекунд как движущий механизм цикла генерации фотоиндуцированного тока [ 76 ]. При оценке таких систем важно учитывать оборот, а не только эффективность. Для хорошей оборачиваемости необходимы эластичные, стабильные системы, чего, возможно, можно добиться с помощью какого-то защитного полимерного покрытия вокруг пигментов [ 77 ]. Например, были исследованы стратегии создания искусственных встроенных в мембрану белков с участием трансмембранных макетов белков, связывающих BChl [ 78 ].
Проблемы при изучении транспорта экситонов в фотосинтезе, включая неупорядоченную природу пигментных сетей, колебания уровней энергии экситонов в аналогичных временных масштабах и связанные с динамикой экситонов, также возникают в других, небиологических условиях. Конкретный пример, когда идеи и идеи, изначально возникшие в квантовой биологии, оказались полезными, - это недавние исследования в области органической фотовольтаики (ФЭ). Это солнечные элементы, состоящие из комбинации двух различных искусственных молекулярных полупроводников. Электронодонорный полупроводник обычно представляет собой полимер, а акцептор - обычно метиловый эфир [6,6] -фенил-C61-масляной кислоты производного фуллерена. Внутри устройства генерируются прочно связанные экситоны Френкеля, которые затем диффундируют, пока не достигнут границы раздела между донорной и акцепторной областями. Донор и акцептор имеют разные химические потенциалы, и это обеспечивает движущую силу для диссоциации экситонов на границе раздела на свободные заряды, которые затем могут диффундировать к противоположным электродам. Однако, поскольку кулоновское взаимодействие является дальнодействующим, а органические материалы имеют низкую диэлектрическую постоянную, электрон и дырка испытывают энергию связи в 10 раз большую, чемk B T при комнатной температуре, даже после того, как они диссоциировали на разные молекулы по обе стороны от границы раздела. Подавляющее большинство устройств, следовательно, извлекает с электродов гораздо меньше зарядов, чем генерируется падающим светом, что приводит к низкой эффективности преобразования энергии.
Однако в последние годы появилось небольшое количество высокоэффективных устройств, и сообщалось о почти 100% эффективности извлечения заряда [ 79 , 80]. Была проделана большая работа для определения источника эффективного разделения зарядов на большие расстояния в этом подмножестве. Экспериментальные работы показали, что органические фотоэлектрические элементы и фотосинтез имеют поразительные совпадения. Первоначально предполагалось, что разделение зарядов на границах донор-акцептор будет происходить от пикосекундных до наносекундных временных масштабов, которые могут быть описаны классическими скачками заряда, вызванными тепловыми флуктуациями. В ряде экспериментов было обнаружено, что значительная часть свободных зарядов генерируется всего за 100 фемтосекунд после того, как экситон достигает границы раздела, точно так же, как фемтосекундные когерентность и динамика наблюдались во время фотосинтетического транспорта экситонов.81 , 82 ].
Понимание этих наблюдений требует детального моделирования переноса заряда вблизи донорно-акцепторной границы. Важно отметить, что заряды, движущиеся в органических полупроводниках, проявляют все три ключевых свойства пигмент-белковых комплексов, перечисленных выше: высокий беспорядок, молекулярные флуктуации и реорганизация. Поэтому, возможно, неудивительно, что возникают подобные явления. Теории транспорта экситонов в фотосинтезе обычно включают взаимодействие частично делокализованных состояний и транспорта с помощью шума, описывая, как транспорт через сеть может быть улучшен, если экситон или заряд умеренно сильно связаны с модами колебаний молекул. Все чаще становится общепризнанным, что частично делокализованные состояния также возникают в эффективных органических фотоэлектрических системах. и также утверждалось, что процесс разделения зарядов обеспечивается шумом внутри агрегированных областей акцепторного полупроводника. Ряд теоретических групп, работающих над органической фотовольтаикой, сейчас применяют подход открытых квантовых систем, используя методы, на которые сильно повлияли ранние исследования фотосинтетических светособирающих комплексов [83 - 86 ].
Возможность квантовой биологии внести свой вклад в развитие устойчивых энергетических технологий часто рассматривается как мотивация для этой области, и в частности для понимания квантово-когерентного переноса энергии возбуждения в фотосинтетических системах. Однако переход от этого общего требования к практическим энергетическим системам требует более конкретных предложений по инженерной квантовой передаче энергии в экологически устойчивые и экономически масштабируемые системы. Точно так же, как фундаментальный вопрос в самой квантовой биологии задает вопрос о том, как наноразмерные явления могут существенно влиять на макроскопическое поведение в организме, возможность использования квантово-биологических явлений в сконструированных макроскопических энергетических системах зависит от того, могут ли такие явления существенно влиять на работу системы в масштабах окружающей среды и окружающей среды. экономические ограничения. Развитие существующих технологий возобновляемых источников энергии, таких как кремниевые фотоэлектрические панели, показало, что чисто физические критерии эффективности, такие как эффективность преобразования энергии, часто менее важны, чем технико-экономические показатели эффективности, такие как анализ жизненного цикла. Существующие чрезвычайно эффективные фотоэлектрические элементы слишком дороги для большинства практических приложений и в некоторых случаях требуют элементов с таким низким содержанием, что их нельзя будет масштабировать глобально, даже если они будут доступны по цене. Устранение этих ограничений было центральной задачей в недавних исследованиях фотоэлектрических систем, например, путем разработки органических фотоэлектрических материалов.
Другие соображения глобального масштаба важны при оценке потенциала квантовой биологии в устойчивом развитии энергетики. В мировом масштабе менее 20% энергии потребляется в виде электричества; почти все оставшиеся 80% расходуются в качестве топлива при конечном потреблении. Хотя доля потребляемой энергии в виде электричества неуклонно растет, топливо, вероятно, останется доминирующим в периоды переломных моментов в антропогенном изменении климата и истощении запасов ископаемого топлива. Следовательно, существует острая потребность в технологиях использования возобновляемых источников топлива, таких как инженерные и / или искусственные фотосинтетические системы, а не просто в более эффективных фотоэлементах для выработки электроэнергии. Развитие фотосинтетических энергетических систем требует комплексного системного подхода, при этом светособирающие компоненты являются лишь частью сложной (био) физико-химической системы, которая в идеале должна быть оптимизирована для работы в масштабе системы. Важность квантово-динамических эффектов для сбора света в такой системе может быть справедливо оценена только путем уравновешивания редукционистского анализа подсистем и целостного анализа всей системы. Такие соображения могут помочь сосредоточить усилия исследователей квантовой биологии, основной мотивацией которых является устойчивое развитие энергетики. Ключевой урок состоит в том, что интегрированный системный подход необходим для того, чтобы связать глобальные цели системного масштаба с техническими параметрами во всем спектре масштабов в энергетической системе, в том числе на наномасштабе, где квантово-динамические явления играют важную роль. Важность квантово-динамических эффектов для сбора света в такой системе может быть справедливо оценена только путем уравновешивания редукционистского анализа подсистем и целостного анализа всей системы. Такие соображения могут помочь сосредоточить усилия исследователей квантовой биологии, основной мотивацией которых является устойчивое развитие энергетики. Ключевой урок состоит в том, что интегрированный системный подход необходим для того, чтобы связать глобальные цели системного масштаба с техническими параметрами во всем спектре масштабов в энергетической системе, в том числе на наномасштабе, где квантово-динамические явления играют важную роль. Важность квантово-динамических эффектов для сбора света в такой системе может быть справедливо оценена только путем уравновешивания редукционистского анализа подсистем и целостного анализа всей системы. Такие соображения могут помочь сосредоточить усилия исследователей квантовой биологии, основной мотивацией которых является устойчивое развитие энергетики. Ключевой урок состоит в том, что интегрированный системный подход необходим для того, чтобы связать глобальные цели системного масштаба с техническими параметрами во всем спектре масштабов в энергетической системе, в том числе на наномасштабе, где квантово-динамические явления играют важную роль. Такие соображения могут помочь сосредоточить усилия исследователей квантовой биологии, основной мотивацией которых является устойчивое развитие энергетики. Ключевой урок состоит в том, что интегрированный системный подход необходим для того, чтобы связать глобальные цели системного масштаба с техническими параметрами во всем спектре масштабов в энергетической системе, в том числе на наномасштабе, где квантово-динамические явления играют важную роль. Такие соображения могут помочь сосредоточить усилия исследователей квантовой биологии, основной мотивацией которых является устойчивое развитие энергетики. Ключевой урок состоит в том, что интегрированный системный подход необходим для того, чтобы связать глобальные цели системного масштаба с техническими параметрами во всем спектре масштабов в энергетической системе, в том числе на наномасштабе, где квантово-динамические явления играют важную роль.
4.2. Ферментный катализ
Ферменты необходимы для клеточной функции, поскольку они катализируют биохимические реакции, которые в противном случае могут иметь очень низкую скорость реакции. Понимание физического механизма ускорения скорости - сложная тема для исследования. Теория переходного состояния использовалась в качестве основы для объяснения ферментного катализа, но недавние теоретические и экспериментальные разработки выявили потенциальную роль квантово-механического туннелирования в ферментативно-катализируемом переносе множественного водорода, и основное внимание уделялось описанию переноса водорода. в рамках квантово-механического формализма [ 87 ]. Было показано, что стандартные модели для описания квантового туннелирования объясняют экспериментальные данные по ферментам, если учитывать тот факт, что ферменты имеют множество возможных различных структур [ 88]. Интересные и актуальные вопросы включают в себя вопрос о том, могут ли локальные колебательные движения белка обеспечить ферменту каталитическое преимущество за счет связывания с координатой реакции и можно ли было выбрать определенные динамические движения белка для помощи в катализе.
Ферменты часто полагаются на взаимодействие электронов и протонов для управления переносом заряда и катализом [ 87 ]. В области хранения биологической энергии важность переноса протонов за счет переноса электрона была впервые отмечена в 1961 году [ 89 ], и с тех пор было показано, что механизмы переноса электронов, связанные с протонами [ 90 ], лежат в основе образования и транспорта аминокислотных радикалов [ 91 ] наряду с активацией большинства субстратных связей в ферментно-активных центрах [ 92 ].
5. Чувство
Живые системы постоянно обновляют внутренние процессы на основе информации, полученной при их восприятии окружающей среды. Небольшие изменения в окружающей среде могут вызвать макроскопические изменения в функционировании организма. Есть предположения, что некоторые биологические сенсорные механизмы настолько чувствительны, что могут обнаруживать изменения в окружающей среде на квантовом уровне. Эти предложения изложены в подразделах ниже.
5.1. Магниторецепция
Квантовая теория миграции птиц не нова. На четвертом десятилетии с тех пор, как Шультен впервые предложил его [ 93 ], механизм радикальной пары хорошо известен как в экспериментальных, так и в теоретических исследованиях магниторецепции птиц и является одним из основных альтернативных (фотосинтезу) примеров, используемых в качестве доказательства в области квантовой биологии. . Механизм можно описать в три этапа ( рис.). После начального этапа, на котором фотовозбуждение вызывает перенос электрона и образование пар, радикальная пара колеблется между синглетным и триплетным состояниями спина перед заключительным этапом рекомбинации и нейронной интерпретации. Именно синглет-триплетное смешение испытывает влияние магнитного поля Земли и предлагает некоторый способ объяснения поведенческих наблюдений, таких как зависимость от света [ 94 ], аспект наклона [ 95 ] и резонансные эффекты птичьего компаса [ 96]. , 97 ].
Рисунок 3. Три этапа механизма радикальной пары. На первом этапе фотон, падающий на молекулу-донор, вызывает передачу одного из электронов пары акцептору для создания пространственно разделенной, но спин-коррелированной пары радикалов. На втором этапе радикальная пара колеблется между синглетным и триплетным состояниями под действием эффектов Зеемана и сверхтонких эффектов. Третий шаг состоит из спин-зависимой рекомбинации в химический продукт.
Теория радикальных пар породила многочисленные статьи о когерентности и запутанности компаса и предлагает убедительные аргументы в пользу поведения компаса (см. [ 98 ] и ссылки в ней для обзора предмета). Однако остаются некоторые сомнения относительно того, действительно ли механизм компаса является квантовым явлением или его можно описать с использованием полуклассических рамок. В ответ на это было высказано предположение, что невероятная точность компаса является результатом избежания пересечений уровней спиновой энергии радикалов, образующихся в криптохромах, процесса, который является подлинно квантово-механическим [ 99 ].
Также был достигнут прогресс в разрешении структуры механизма. Криптохром, биологическая молекула, предложенная в качестве участка магниторецепции, жизнеспособна по разным причинам. Есть данные, что у растений слабые магнитные поля усиливают ответы криптохрома [ 100 ]. То, что криптохромы могут опосредовать магнитные реакции у животных, также было задокументировано в случае плодовых мух [ 101 , 102 ]. Это кажется логичным следующим шагом к более сложным живым существам, тем более что четыре различных типа криптохрома были подтверждены в глазах перелетных птиц [ 103 ], а криптохромы из мигрирующей камышевки образуют радикалы с миллисекундным временем жизни под влиянием синего спектра. диапазон [ 104]. Совсем недавно два исследования предоставили убедительные доказательства того, что один из этих четырех криптохромов, Cry4, играет роль в птичьем компасе. Cry4 выражается на постоянном уровне, а не циклически; это постоянство необходимо для эффективной навигации [ 105 ]. Локализация Cry4 в двойной конусе, а также тот факт, что он активируется во время периодов миграции перелетных птиц, но не у кур, является дополнительным подтверждением того, что молекула жизнеспособна как магниторецептор [ 106 ].
Будущее миграции птиц как темы квантовой биологии будет зависеть от более детального понимания спиновой динамики криптохрома в магнитном поле земной силы и того, как это может объяснить некоторые поставленные поведенческие вопросы, один из которых заключается в том, как согласовать различные наблюдения дезориентирующих эффектов приложенных осциллирующих радиочастотных полей. Криптохром, помимо прочего, отвечает за регулирование циркадных ритмов и очень похож на фермент репарации ДНК фотолиазу [ 107 , 108 ]. Лучшее понимание взаимодействия криптохрома с магнитным полем Земли может привести к более глубокому пониманию других биологических процессов в более сложных организмах, которые могут проявлять квантовые эффекты.
5.2. Обоняние
Обоняние - это система, с помощью которой живые организмы «нюхают» тысячи различных молекул. Как только несколько сотен различных типов рецепторов, которые связываются с ароматизаторами у людей и несколько десятков у плодовых мушек, приводят к такой удивительно чувствительной системе молекулярного распознавания, остается загадкой. Интригующая теория, впервые предложенная в 1928 году [ 109 ], заключается в том, что наше обоняние основывается на квантово-механической колебательной моде молекулы одуранта. В 1996 году теория была возрождена благодаря предложению о том, что рецепторы, связанные с белками, измеряют молекулярные колебания с помощью неупругого электронного туннелирования, а не реагируют на молекулярные ключи, соответствующие молекулярным замкам, работая только по форме [ 110]. Согласно этой теории, электрон будет туннелировать от донора к акцепторному центру только тогда, когда разность энергий между этими участками соответствует колебательной энергии одоранта. Эта колебательная теория обоняния напоминает перенос экситонов при фотосинтезе с помощью фононов, иллюстрируя фундаментальную роль квантованных колебаний в квантовой биологии.
В поддержку теории эксперименты с плодовыми мухами показали, что форма и размер пахучих веществ недостаточны для обнаружения. Например, замена водорода дейтерием приводит к изменению запаха, несмотря на то, что две молекулы имеют одинаковую форму ( рис. 4 ) [ 111 ]. Более того, молекулы с подобными частотами колебаний, как было обнаружено, вызывают подобные реакции у плодовых мушек, несмотря на то, что они не связаны химически [ 111 ]. Физическая жизнеспособность и эффективность предложенного механизма с использованием простой, но общей теоретической модели была показана в 2007 г. [ 112 ]. Следующим шагом будет разработка биологически активных молекулярных сенсорных устройств при комнатной температуре.
Рисунок 4. Схема, иллюстрирующая возможную роль квантовых эффектов в обонянии. Ранее предполагалось, что обоняние зависит от формы и размера отдушек, подходящих к определенному рецептору, эксперименты с плодовыми мушками показали, что замещение водорода дейтерием приводит к изменению запаха, несмотря на то, что они имеют одинаковую форму. Это говорит о том, что частота колебаний может играть роль в обнаружении запахов [ 111 ].
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладкеСкачать PowerPoint
5.3. Познание
Вопрос о том, может ли квантовая физика сыграть роль в решении пока нерешенной проблемы тела и разума о том, как физиогномика мозга объясняет сознательное мышление, отнюдь не нова. « Разум, тело и квант» Майкла Локвуда из 1989 года [ 113 ] или « Осознанная вселенная» Генри Стэппа 2009 года [ 114] являются примерами ряда монографий с философской или научно-популярной точкой зрения на проблему. Большое внимание, а также критика вызвали идеи Роджера Пенроуза и Стюарта Хамероффа, которые предположили, что части цитоскелета в нервных клетках, а именно микротрубочки, выполняют квантовые вычисления на основе того, что они называют `` организованной объективной редукцией ''. », механизм, взятый из теории« квантовой гравитации »Пенроуза [ 115]. Другая отрасль науки касается вопроса о «квантовом мозге» с более прагматической точки зрения: исследования квантовых нейронных сетей пытаются использовать квантовые вычисления для улучшения моделей искусственных нейронных сетей, широко используемых в машинном обучении. Эти модели искусственных нейронных сетей исторически выводятся из динамики биологических нейронных сетей [ 116 , 117 ] и, таким образом, близки к вопросу совместимости квантовой динамики и нейронных вычислений. Однако важный момент был сделан Максом Тегмарком [ 118], который оценивает временные масштабы декогеренции для ионов, участвующих в распространении потенциалов действия, на 10-20 порядков меньше соответствующих временных масштабов нейронной динамики. Другими словами, квантовая когерентность ионов, участвующих в нейронной динамике, будет нарушена задолго до того, как на макроскопическую динамику можно будет влиять. Таким образом, потенциальная теория квантовых эффектов в биологических нейронных сетях должна показать, как макроскопическая динамика биологических нейронных сетей может возникать из когерентной динамики в гораздо меньших масштабах. Многообещающие исследования в этом направлении были проведены Мэтью Фишером, который предположил, что фосфор может действовать как нейронный кубит, позволяющий квантовую обработку происходить в мозгу, и что эта квантовость защищена так называемыми молекулами Познера, которые связывают ионы фосфата с кальцием. ионы.119 ].
Изучение анестетиков ведет к экспериментальным путям изучения сознания. Пока что все, что мы можем сказать о сознании, это то, что оно «растворимо в хлороформе» [ 120 ], а также в множестве молекул, очень отличающихся друг от друга. В недавней статье об изучении сознания [ 121 ] Турин и его коллеги обнаружили, что ряд общих анестетиков обратимо увеличивают содержание электронного спина у дрозофилы., эффект отсутствует у устойчивых к анестетикам мутантных мух. Они предполагают, что общие анестетики изменяют структуру самой верхней занятой молекулярной орбитали определенных молекул, облегчая перенос электронов между донором и акцептором, что переводит мозг в бессознательное состояние. Если это подтвердится, изменения в структуре молекулы, рассчитанные с помощью теории функционала плотности, инструмента из квантовой теории, окажут влияние на макроскопический масштаб. Кроме того, для наблюдения эффектов решающее значение имеют измерения спина электронов. Особенно в более широком определении квантовой биологии такие открытия очень обнадеживают и показывают потенциальный вклад, который может внести эта дисциплина.
6. Истоки жизни
Выявление квантовых эффектов у примитивных организмов, таких как бактерии, привело к успешному применению моделей открытых квантовых систем к процессам переноса энергии и заряда в фотосинтетических системах, а также к предположению, что квантовые эффекты могли сыграть важную роль в возникновении самые первые живые системы из неодушевленной материи, из которой они состоят.
Обнаружение молекулярных предшественников жизни в межзвездных льдах предполагает, что строительные блоки жизни могли появиться в космосе и быть доставлены на Землю такими объектами, как кометы или метеориты. Однако стандартная вычислительная квантовая химия не может объяснить разнообразие и богатство химии, происходящей в межзвездной среде. Так , например, цианистый водород (HCN) олигомеры могут сыграть существенную роль в синтезе широкого спектра пребиотических молекул [ 122 - 126 ], а в последнее время димерных форм HCN (cyanomethanimine) [ 127 ] были обнаружены в межзвездном средний. Однако было обнаружено, что маршруты добычи межзвездной газовой фазы не способны производить значительные количества HCN [ 128, 129 ], несмотря на его обнаружение.
Теоретическое исследование спонтанной генерации пребиотических молекул в межзвездной среде наиболее фундаментально проводится в рамках открытых квантовых систем. Низкотемпературная межзвездная ледяная среда, прочно связанная с простой молекулярной системой, такой как HCN, и возбуждаемая падающим УФ-излучением, может быть исследована с использованием соответствующих хорошо известных приближений из области квантовой биологии.
Гораздо более сложный вопрос заключается в том, как первые живые системы могли возникнуть из этих пребиотических молекул, если вообще появились. Несмотря на замечательную работу в области дизайна жизнеспособной ДНК [ 130 ], мы еще не смогли синтезировать даже небольшой функциональный пептид из основных компонентов и все еще далеки от точного понимания того, что отличает набор молекул от набора молекул, которые образуют живую систему и какую роль квантовые эффекты могли сыграть в возникновении жизни.
7. Квантовая биология и сложность
Сложность можно определить как несжимаемость описания системы. Если нет базиса, упрощающего задачу, система сложна. Квантовые особенности, видимые в макроскопических биосистемах, должны пережить переход к высокой спектральной плотности. Хаотические колебания в спектре содержат информацию об универсальных особенностях динамики системы. Возникающая область квантовой биологии занимается взаимодействием между динамическими явлениями в четко разделенных масштабах длины и времени, от процессов фемтосекундной передачи энергии в молекулярных сборках на наномасштабе до выживания и воспроизводства в экосистемах в масштабах организмов в целом.
Важно отметить, что природа не может противопоставить квантово-механической природе химии. Например, невозможно сконструировать растение со светособирающим комплексом, состоящим из соединений, не поддающихся квантово-механическому описанию. Биология описывает системы, которые эволюционно отбираются в масштабах целых организмов. Результаты отбора опосредованы генетическими процессами, которые могут влиять на биологические подсистемы только в определенном масштабе, а физические детали того, что происходит ниже этого масштаба, невосприимчивы к биологическому отбору. Затем квантовая биология интересуется, могут ли квантово-динамические процессы, которые могут быть выбраны - например, в масштабе белков - влиять на макроскопическую динамику организма. То есть, если квантовое поведение на наномасштабе должно передавать селективное преимущество, он должен иметь возможность выбора, и этот отбор происходит в масштабе всего организма. Таким образом, мы можем утверждать, что интерес представляют только подсистемы, которые могут существовать в квантовом и классическом вариантах, поскольку одна или другая могут быть выбраны эволюцией. Это упрощает утверждение, что вся биология является квантовой биологией, потому что она зависит от химии, а вся химия является квантовой на атомном и молекулярном уровнях; таким образом, эволюция не может выбрать здесь что-либо, кроме квантовых подсистем. В каком именно диапазоне длин и временных масштабов могут находиться подсистемы, представляющие интерес для квантовой биологии (поскольку они предположительно могут существовать в квантовом и классическом вариантах), является открытым вопросом. Проблема масштабирования окажется важной для дальнейшего прогресса квантовой биологии [131 ].
8. Обсуждение и заключение.
Первая книга по квантовой биологии называется Паскуаль Джордан « Физика загадки органических молекул » [ 132 ]. Однако с момента его публикации в 1932 году остается много загадок о природе жизни. Понятно, что грубые классические модели не могут дать точной картины ряда процессов, происходящих в живых системах. Таким образом, продолжаются дискуссии о том, насколько квантовые эффекты играют нетривиальную роль в таких биологических процессах.
Полезный путь к ответу на этот вопрос - разработка квантовых технологий, вдохновленных биологией, которые могут превзойти классические устройства, разработанные для той же цели, например, для использования энергии или измерения окружающей среды. Если квантовые эффекты в макроскопическом масштабе играют роль в улучшении работы в определенных процессах, которые совершенствовались за миллиарды лет при физиологических температурах и в чрезвычайно сложных системах, то в биологическом мире существует огромное количество информации, из которой можно черпать вдохновение. наши собственные технологии.
В этом направлении прототип квантового теплового двигателя, который четко иллюстрирует принцип квантового дизайна, согласно которому когерентный обмен отдельными квантами энергии между электронными и колебательными степенями свободы может повысить мощность светособирающей системы по сравнению с тем, что возможно только с помощью тепловых механизмов, имеет было предложено. Его квантовое преимущество с использованием термодинамических мер эффективности было количественно определено, и его применимость к реалистичным биологическим структурам продемонстрирована [ 133 ].
Квантовая биология исследует биологическую функцию и регуляцию этой функции, которая связана со статическим беспорядком. Спектроскопия одиночных молекул дает нам уникальную, мощную точку зрения на роль статического беспорядка, которая связывает биологическую функцию (то есть проецируемую в макроскопическом / организменном масштабе) с квантово-механическими явлениями. Квантовая биология также занимается взаимодействием между динамическими явлениями в четко разделенных масштабах длины и времени, от фемтосекундных процессов передачи энергии в молекулярных ансамблях в наномасштабе до выживания и воспроизводства в экосистемах в масштабах организмов в целом.
В то время как квантовая биология намерена продемонстрировать в следующие несколько десятилетий, насколько квантовые устройства, созданные с помощью биоинспекций, могут превосходить классические аналоги, более глубокий вопрос заключается в том, как квантово-динамические явления в наномасштабе могут обеспечить избирательное преимущество всему организму. Строгое решение этого вопроса требует объяснения того, как макроуровневые физические наблюдаемые, важные для приспособленности организма, могут предсказуемо зависеть от наноразмерных квантовых динамических переменных. В свою очередь, мы должны также учитывать, как квантовые подсистемы в наномасштабе могут зависеть от динамики организмов на макроуровне в процессе эволюции. Прогрессу в этом вопросе может способствовать теоретическая основа, которая позволяет параметризовать модели в масштабе организма с помощью моделей в нанометровом масштабе. Это может быть обеспечено средствами многомасштабного анализа в области теории сложных систем. Мы могли бы также представить себе эксперименты, в которых организмы дикого типа, о которых известно, что они проявляют долгоживущие квантово-когерентные процессы в наномасштабе, конкурируют с генетически модифицированными организмами, в которых такие процессы, как известно, отсутствуют. Такой эксперимент - подобный тем, которые регулярно проводят биологи - может дать ясное представление о том, могут ли квантово-биологические явления обеспечить селективное преимущество организмам, а также повысить доверие к квантовой биологии как области биологии.
- Подпись автора
Информационный перенос частот веществ, важные ссылки - ПУТЕВОДИТЕЛЬ
Калькуляторы пересчета в частоту высылаю по запросу в личку (после первых результатов)
что работает..-человеку помогло из почки маленький камушек оксалатный убрать..
Ведь тут тоже всё антинаучно, за рамками учебников, но работает. Что делать, хз.