Квантовая биология - Quantum biology

Квантовая биология - это исследование приложений квантовой механики и теоретической химии к биологическим объектам и проблемам. Многие биологические процессы включают преобразование энергии в формы, которые можно использовать для химических превращений и которые по своей природе являются квантово-механическими. Такие процессы включают химические реакции , поглощение света , образование возбужденных электронных состояний , передачу энергии возбуждения и перенос электронов и протонов ( ионов водорода ) в химических процессах, таких как фотосинтез , обоняние и клеточное дыхание .

Квантовая биология может использовать вычисления для моделирования биологических взаимодействий в свете квантово-механических эффектов. Квантовая биология изучает влияние нетривиальных квантовых явлений, которые можно объяснить, сведя биологический процесс к фундаментальной физике , хотя эти эффекты трудно изучать и могут быть спекулятивными.

История

Квантовая биология - развивающаяся область; большая часть текущих исследований носит теоретический характер и требует дальнейших экспериментов. Хотя эта область только недавно привлекла к себе пристальное внимание, она концептуализировалась физиками на протяжении всего 20 века. Было высказано предположение, что квантовая биология может сыграть решающую роль в будущем медицинского мира. Ранние пионеры квантовой физики увидели приложения квантовой механики в биологических проблемах. Книга Эрвина Шредингера 1944 года « Что такое жизнь?» обсуждали приложения квантовой механики в биологии. Шредингер представил идею «апериодического кристалла», который содержит генетическую информацию в конфигурации ковалентных химических связей . Он также предположил, что мутации вводятся «квантовыми скачками». Другие пионеры Нильс Бор , Паскуаль Джордан и Макс Дельбрук утверждали, что квантовая идея дополнительности является фундаментальной для наук о жизни. В 1963 году Пер-Олов Левдин опубликовал протонное туннелирование как еще один механизм мутации ДНК . В своей статье он заявил, что существует новая область исследований под названием «квантовая биология».

Приложения

Фотосинтез

Схема комплекса FMO. Свет возбуждает электроны в антенне. Затем возбуждение передается через различные белки в комплексе FMO в реакционный центр для дальнейшего фотосинтеза.

Организмы, которые подвергаются фотосинтезу, поглощают световую энергию в процессе электронного возбуждения в антеннах. Эти антенны различаются у разных организмов. Например, бактерии используют кольцевые антенны, а растения используют пигменты хлорофилла для поглощения фотонов. Фотосинтез создает экситоны Френкеля , которые обеспечивают разделение заряда, который клетки преобразуют в полезную химическую энергию. Энергия, собранная в местах реакции, должна быть быстро передана, прежде чем она будет потеряна из-за флуоресценции или теплового колебательного движения.

Различные структуры, такие как комплекс FMO у зеленых серных бактерий, ответственны за передачу энергии от антенн к месту реакции. Исследования поглощения и переноса электронов с помощью Фурье-спектроскопии показывают эффективность выше 99%, что не может быть объяснено классическими механическими моделями, такими как модель диффузии . Вместо этого еще в 1938 году ученые предположили, что квантовая когерентность является механизмом передачи энергии возбуждения.

Ученые недавно искали экспериментальные доказательства этого предложенного механизма передачи энергии. В исследовании, опубликованном в 2007 году, утверждалось, что электронная квантовая когерентность была идентифицирована при -196 ° C (77 K). Другое теоретическое исследование 2010 года предоставило доказательства того, что квантовая когерентность живет до 300 фемтосекунд при биологически значимых температурах (4 ° C или 277 K). В том же году эксперименты, проведенные на фотосинтетических криптофитных водорослях с использованием двумерной фотонной эхо-спектроскопии, дали дальнейшее подтверждение долгосрочной квантовой когерентности. Эти исследования показывают, что в процессе эволюции природа разработала способ защиты квантовой когерентности для повышения эффективности фотосинтеза. Однако критические последующие исследования ставят под сомнение интерпретацию этих результатов. Спектроскопия одиночных молекул теперь показывает квантовые характеристики фотосинтеза без вмешательства статического беспорядка, и некоторые исследования используют этот метод, чтобы приписать зарегистрированные признаки электронной квантовой когерентности ядерной динамике, происходящей в хромофорах. Появился ряд предложений, пытающихся объяснить неожиданно долгую согласованность. Согласно одному предложению, если каждое место в комплексе ощущает собственный шум окружающей среды, электрон не останется в каком-либо локальном минимуме как из-за квантовой когерентности, так и из-за теплового окружения, а перейдет к месту реакции посредством квантовых блужданий . Другое предположение состоит в том, что скорость квантовой когерентности и туннелирования электронов создают сток энергии, который быстро перемещает электрон к месту реакции. В другой работе было высказано предположение, что геометрические симметрии в комплексе могут способствовать эффективной передаче энергии к реакционному центру, отражая идеальную передачу состояния в квантовых сетях. Более того, эксперименты с искусственными молекулами красителей ставят под сомнение интерпретацию того, что квантовые эффекты длятся дольше ста фемтосекунд.

В 2017 году первый контрольный эксперимент с исходным белком FMO в условиях окружающей среды подтвердил, что электронные квантовые эффекты стираются в течение 60 фемтосекунд, в то время как общий перенос экситона занимает время порядка нескольких пикосекунд. В 2020 году обзор, основанный на большом количестве контрольных экспериментов и теории, пришел к выводу, что предлагаемые квантовые эффекты как долгоживущие электронные когерентности в системе FMO не выполняются. Вместо этого исследования динамики переноса показывают, что взаимодействия между электронными и колебательными модами возбуждения в комплексах FMO требуют полуклассического, полуквантового объяснения передачи энергии экситона. Другими словами, хотя квантовая когерентность доминирует в краткосрочной перспективе, классическое описание наиболее точно описывает долгосрочное поведение экситонов.

Другой процесс фотосинтеза, который имеет почти 100% эффективность, - это перенос заряда , что снова указывает на то, что здесь задействованы квантово-механические явления. В 1966 году исследование фотосинтезирующих бактерий Chromatium показало, что при температурах ниже 100 К окисление цитохрома не зависит от температуры, медленно (порядка миллисекунд) и имеет очень низкую энергию активации. Авторы, Дон ДеВолт и Бриттон Чейз, постулировали, что эти характеристики переноса электронов указывают на квантовое туннелирование , при котором электроны проникают через потенциальный барьер, несмотря на то, что обладают меньшей энергией, чем это обычно необходимо.

Сет Ллойд также известен своим вкладом в эту область исследований.

Мутация ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК , действует как инструкции по производству белков по всему телу. Он состоит из 4 нуклеотидов гуанина, тимина, цитозина и аденина. Порядок этих нуклеотидов дает «рецепт» для различных белков.

Всякий раз, когда клетка воспроизводится, она должна копировать эти нити ДНК. Однако иногда в процессе копирования цепи ДНК может произойти мутация или ошибка в коде ДНК. Теория, лежащая в основе мутации ДНК, объясняется в модели мутации ДНК Лоудина. В этой модели нуклеотид может изменять свою форму в процессе квантового туннелирования . Из-за этого измененный нуклеотид теряет способность образовывать пары с исходной парой оснований и, следовательно, изменяет структуру и порядок цепи ДНК.

Воздействие ультрафиолета и других видов излучения может вызвать мутацию и повреждение ДНК. Излучение также может изменять связи вдоль нити ДНК в пиримидинах и заставлять их связываться сами с собой, создавая димер.

У многих прокариот и растений эти связи восстанавливаются до своей первоначальной формы с помощью фермента репарации ДНК фотолиазы. Как следует из его префикса, фотолиаза зависит от света для восстановления нити. Фотолиаза работает со своим кофактором FADH , флавинадениндинуклеотидом, при восстановлении ДНК. Фотолиаза возбуждается видимым светом и передает электрон кофактору FADH-. FADH- теперь, обладая дополнительным электроном, отдает электрон димеру, чтобы разорвать связь и восстановить ДНК. Этот перенос электрона осуществляется посредством туннелирования электрона от FADH к димеру . Хотя диапазон туннелирования намного больше, чем это возможно в вакууме, туннелирование в этом сценарии называется «туннелирование, опосредованное сверхобменом», и возможно благодаря способности белка увеличивать скорость туннелирования электрона.

Вибрационная теория обоняния

Обоняние, обоняние, можно разделить на две части; прием и обнаружение химического вещества, а также то, как это обнаружение отправляется и обрабатывается мозгом. Этот процесс обнаружения запаха все еще находится под вопросом. Одна теория, названная « теорией обоняния », предполагает, что определенные обонятельные рецепторы запускаются определенными формами химических веществ, и эти рецепторы посылают в мозг определенное сообщение. Другая теория (основанная на квантовых явлениях) предполагает, что обонятельные рецепторы улавливают вибрацию молекул, которые достигают их, а «запах» обусловлен разными частотами колебаний; эту теорию удачно называют «теорией обоняния».

Теория колебаний обоняния , созданная в 1938 году Malcolm Dyson , но активизировали Лука Турин в 1996 году, предполагает , что механизм обоняния связано с G-белковых рецепторов , которые обнаруживают молекулярные колебания за счет неупругого туннелирования электронов, туннелирование , где электрон теряет энергию через молекулы. В этом процессе молекула заполняет сайт связывания рецептором G-белка . После связывания химического вещества с рецептором оно будет действовать как мост, позволяющий электрону переноситься через белок. Когда электрон проходит через то, что в противном случае было бы барьером, он теряет энергию из-за колебания вновь связанной молекулы с рецептором. Это приводит к способности чувствовать запах молекулы.

Хотя теория вибрации имеет некоторые экспериментальные доказательства концепции, в экспериментах было получено множество спорных результатов. В некоторых экспериментах животные способны различать запахи между молекулами с разной частотой и одинаковой структурой, в то время как другие эксперименты показывают, что люди не осознают различие запахов из-за различных молекулярных частот. Однако это не было опровергнуто, и даже было показано, что он влияет на обоняние других животных, кроме людей, таких как мухи, пчелы и рыбы.

Зрение

Зрение полагается на квантованную энергию для преобразования световых сигналов в потенциал действия в процессе, называемом фототрансдукцией . При фототрансдукции фотон взаимодействует с хромофором светового рецептора. Хромофор поглощает фотон и подвергается фотоизомеризации . Это изменение в структуре вызывает изменение структуры фоторецептора, и результирующие пути передачи сигнала приводят к визуальному сигналу. Однако реакция фотоизомеризации протекает с высокой скоростью, менее 200 фемтосекунд , с высоким выходом. Модели предлагают использование квантовых эффектов при формировании потенциалов основного и возбужденного состояний для достижения этой эффективности.

Последствия квантового видения

Эксперименты показали, что сенсоры на сетчатке глаза человека достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать одиночный фотон. Обнаружение одного фотона может привести к появлению множества различных технологий. Одно из направлений развития - квантовая связь и криптография . Идея состоит в том, чтобы использовать биометрическую систему для измерения глаза, используя только небольшое количество точек на сетчатке со случайными вспышками фотонов, которые «считывают» сетчатку и идентифицируют человека. Эта биометрическая система позволит декодировать сообщение только определенному человеку с определенной картой сетчатки. Это сообщение не может быть декодировано кем-либо еще, если перехватчик не угадал правильную карту или не смог прочитать сетчатку предполагаемого получателя сообщения.

Ферментативная активность (квантовая биохимия)

Ферменты могут использовать квантовое туннелирование для переноса электронов на большие расстояния. Возможно, что четвертичная архитектура белка могла развиться, чтобы обеспечить устойчивую квантовую запутанность и когерентность. В частности, они могут увеличивать процент реакции, протекающей через водородный туннель. Туннелирование относится к способности частицы небольшой массы преодолевать энергетические барьеры. Эта способность обусловлена ​​принципом дополнительности , согласно которому определенные объекты обладают парами свойств, которые нельзя измерить отдельно без изменения результата измерения. Электроны обладают свойствами как частиц , так и волн , поэтому они могут проходить через физические барьеры как волна, не нарушая законов физики. Исследования показывают, что перенос электронов на большие расстояния между окислительно-восстановительными центрами посредством квантового туннелирования играет важную роль в ферментативной активности фотосинтеза и клеточного дыхания . Например, исследования показывают, что туннелирование электронов на большие расстояния порядка 15–30 Å играет роль в окислительно-восстановительных реакциях в ферментах клеточного дыхания. Без квантового туннелирования организмы не смогли бы преобразовывать энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать рост. Несмотря на то, что между окислительно-восстановительными центрами внутри ферментов существует такое большое разделение, электроны успешно переносятся, как правило, независимо от температуры (за исключением экстремальных условий) и в зависимости от расстояния. Это говорит о способности электронов туннелировать в физиологических условиях. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, является ли это конкретное туннелирование последовательным .

Магниторецепция

Магниторецепция относится к способности животных ориентироваться, используя наклон магнитного поля земли. Возможное объяснение магниторецепции - механизм запутанных радикальных пар . Механизм радикальных пар хорошо известен в спиновой химии , и в 1978 году Шультен и др. Предположили, что его можно применить к магниторецепции. Соотношение между синглетными и триплетными парами изменяется из-за взаимодействия запутанных электронных пар с магнитным полем Земля. В 2000 году криптохром был предложен как «магнитная молекула», которая может содержать магниточувствительные радикальные пары. Криптохром, флавопротеин, обнаруженный в глазах европейских малиновок и других видов животных, является единственным белком, который, как известно, образует фотоиндуцированные радикальные пары у животных. Когда он взаимодействует с легкими частицами, криптохром проходит окислительно-восстановительную реакцию, которая дает радикальные пары как во время фото-восстановления, так и при окислении. Функция криптохрома различна у разных видов, однако фотоиндукция радикальных пар происходит под воздействием синего света, который возбуждает электрон в хромофоре . Магниторецепция также возможна в темноте, поэтому механизм должен больше полагаться на пары радикалов, образующиеся во время светонезависимого окисления.

Эксперименты в лаборатории подтверждают основную теорию о том, что на электроны радикальной пары могут оказывать значительное влияние очень слабые магнитные поля, то есть просто направление слабых магнитных полей может влиять на реакционную способность радикальной пары и, следовательно, может «катализировать» образование химических продуктов. Применимо ли этот механизм к магниторецепции и / или квантовой биологии, то есть, «катализирует» ли магнитное поле Земли образование биохимических продуктов с помощью радикальных пар, не определено по двум причинам. Во-первых , для участия в этих процессах радикальные пары могут не быть запутанными, что является ключевой квантовой особенностью механизма радикальных пар. Есть запутанные и незапутанные радикальные пары. Однако исследователи нашли доказательства механизма магниторецепции, основанного на парах радикалов, когда европейские малиновки, тараканы и певчие птицы больше не могли ориентироваться при воздействии радиочастоты , препятствующей магнитным полям и химии пар радикалов. Чтобы эмпирически предположить участие запутанности, необходимо разработать эксперимент, который мог бы нарушить запутанные пары радикалов, не нарушая другие пары радикалов, или наоборот, что сначала необходимо продемонстрировать в лабораторных условиях, прежде чем применять к in vivo. радикальные пары.


Другие биологические приложения

Другие примеры квантовых явлений в биологических системах включают преобразование химической энергии в движение и броуновские двигатели во многих клеточных процессах.

Биологическое самонаведение.

Биологическое самонаведение - это теория, согласно которой между комплементарными парами биологических молекул существует дальнодействующая квантово-механическая сила (60 Meggs WJ. Biological homing: Hypothesis for a ququant effect that makes the life.  Medical Hypotheses 1998; 51: 503.506.

). Примерами дополнительных пар биологических молекул являются ферменты и субстраты, гормоны и рецепторы, а также антитела и поверхностные белки микроорганизмов. Была продемонстрирована ситуация, когда комплементарные молекулы имеют идентичное распределение зарядов, но при обратном положительном и отрицательном зарядах двух молекул вероятность квантового взаимодействия пропорциональна квадрату количества зарядов.

использованная литература

внешние ссылки