Квантовая биология

Квантовая биология

1. ВВЕДЕНИЕ

Квантовая механика является фундаментальной теорией, которая описывает свойства субатомных частиц, атомов, молекул, молекулярных сборок и, возможно, за их пределами. 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 обладают волнообразными свойствами, и когда они взаимодействуют, квантовая когерентность описывает корреляции между физическими величинами, описывающими такие объекты из-за этой волнообразной природы.

В фотосинтезе, дыхании и зрении модели, которые были разработаны в прошлом, являются в основном квантово-механическими. Они описывают перенос энергии и перенос электрона в каркасе, основанном на прыжках с поверхности.

Динамика, описываемая этими моделями, часто является «экспоненциальной» и вытекает из применения золотого правила Ферми.

В результате усреднения скорости передачи по большому и квазинепрерывному распределению конечных состояний вычисленная динамика больше не отображает когерентности и интерференционные явления. В фотосинтетических реакционных центрах и светосборных комплексах колебательные явления наблюдались в многочисленных исследованиях, проведенных в 1990-х годах, и обычно приписывались образованию вибрационных или смешанных электронно-колебательных волновых пакетов. Сообщаемое обнаружение удивительно долгоживущей (660 фс и более) электронной квантовой когерентности при передаче энергии возбуждения в фотосинтетической системе возродило интерес к роли «нетривиальной» квантовой механики для объяснения фундаментальных жизненных процессов живых организмов .

Есть и другие механизмы достижения и удержания квантовой когерентности (о чем отдельно) – что тоже не осознанно используется магами.

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 .

Это подняло вопрос о том, может ли квантовая теория способствовать научному пониманию живых систем. На мероприятии присутствовал заинтригованный Макс Дельбрюк, молодой физик, который позже помог основать область молекулярной биологии и получил Нобелевскую премию в 1969 году за свои открытия в области генетики .

Это тоже отдельная история, которую стоит описать.

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, казалось бы, разные свойства неживой и живой материи, поддерживает некоторое разделение между двумя телами знаний.

В последнее время события в экспериментальных методов , таких как сверхбыстрой спектроскопии, одна молекула спектроскопии , с временным разрешением микроскопии и одной визуализации частиц позволили нам изучать биологическую динамику во все более малых масштабах длины и времени, выявляя различные процессы, необходимые для функционирования живой системы, которые зависят от тонкого взаимодействия квантовых и классических физических эффектов.

Квантовая биология - это применение квантовой теории к аспектам биологии, для которых классическая физика не может дать точного описания. Несмотря на это простое определение, остается дискуссия о целях и роли области в научном сообществе. В этой статье предлагается точка зрения на то, где сегодня находится квантовая биология, и определяются потенциальные возможности для дальнейшего прогресса в этой области.

2. ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ?

Биология в своей нынешней парадигме имела большой успех в применении классических моделей к живым системам. В большинстве случаев тонкие квантовые эффекты в (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 масштабе времени?

• Как ДНК со сложенными нуклеотидами, разделенными примерно на 0,3 нм, взаимодействует с УФ-фотонами?

• Как фермент катализирует важную биохимическую реакцию?

• Как наш мозг с нейронами, организованными в масштабе менее нанометра, справляется с таким удивительным количеством информации?

• Как работают репликация и экспрессия ДНК?

Все эти биологические функции должны, конечно, рассматриваться в контексте эволюционной приспособленности. Различия между классическим приближением и квантово-механической моделью обычно считаются незначительными в этих случаях, хотя в основе каждого процесса полностью лежат законы квантовой механики.

Что происходит на плохо определенной границе между квантовым и классическим режимами? Что еще более важно, существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле это не так? Роль квантовой биологии заключается именно в том, чтобы выявить и разгадать эту связь.

Существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле это не так? Роль квантовой биологии заключается именно в том, чтобы выявить и разгадать эту связь. Существуют ли важные биологические функции, которые «кажутся» классическими, но на самом деле это не так? Роль квантовой биологии заключается именно в том, чтобы выявить и разгадать эту связь.

По сути, вся материя - живая или неодушевленная - является квантово-механической, состоящей из ионов, атомов и / или молекул, чьи равновесные свойства точно определены квантовой теорией. В результате можно утверждать, что вся биология является квантово-механической.

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.

При исследовании биологических систем на наноразмерных и более крупных масштабах 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.

В то время как квантовые эффекты трудно наблюдать в макроскопических масштабах времени и длины, процессы, необходимые для общей функции и, следовательно, выживания организма, по-видимому, зависят от динамических квантово-механических эффектов в межмолекулярном масштабе. Именно взаимодействие между этими шкалами времени и длины исследует квантовая биология с целью создания 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 столь же стары, как и сама наука, и лучший подход состоит в том, чтобы спросить, может ли квантовая биология внести вклад в структуру, в которой мы можем ответить на эти вопросы таким образом, чтобы получить новые ответы.

Изучение биологических процессов, эффективно действующих на границе между областями квантовой и классической физики, уже способствует улучшению физических описаний этого перехода от квантовой к классической.

Более того, квантовая биология обещает создать принципы проектирования квантово-нанотехнологий, основанных на биологическом опыте, 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 . Посредством разработки таких систем может быть возможно проверить и количественно оценить степень, в которой квантовые эффекты могут улучшить процессы и функции, обнаруживаемые в биологии, и в конечном итоге ответить, были ли эти квантовые эффекты целенаправленно выбраны при разработке систем. Важно, однако, что квантовые биоинспирированные технологии также могут быть полезны независимо от вдохновляющих их организмов.

....

4.2. Ферментативный катализ

Ферменты имеют важное значение для клеточной функции через их катализ биохимических реакций, которые в противном случае могут иметь очень низкие скорости реакции. Понимание физического механизма ускорения скорости - сложная тема исследования. Теория переходного состояния использовалась в качестве основы для объяснения ферментативного катализа, но недавние теоретические и экспериментальные разработки выдвинули на первый план потенциальную роль квантово-механического туннелирования в катализируемом ферментами множественном переносе водорода, и особое внимание уделялось изображению переноса водорода в рамках квантово-механического формализма. Было показано, что стандартные модели для описания квантового туннелирования объясняют экспериментальные данные по ферментам, если учесть тот факт, что ферменты имеют много возможных различных структур. Интересные и актуальные вопросы включают в себя, могут ли локальные колебательные движения белка обеспечить фермент каталитическим преимуществом, связываясь с координатой реакции, и могут ли быть выбраны конкретные динамические движения белка, чтобы помочь в катализе.

Это в том числе о писходеликах.

Ферменты часто полагаются на взаимодействие электронов и протонов для контроля переноса заряда и катализа. В накоплении биологической энергии важность перемещения протонов, обусловленная переносом электронов, впервые была отмечена в 1961 г. , и с тех пор механизмы протон-связанного переноса электронов, как было показано, лежат в основе образования и транспорта аминокислотных радикалов. наряду с активацией большинства субстратных связей в ферментативно активных центрах.

5. ОЩУЩЕНИЕ

Живые системы постоянно обновляют внутренние процессы, основываясь на информации, полученной из их восприятия окружающей среды. Небольшие изменения в окружающей среде могут потребовать макроскопических изменений в функционировании организма. Существуют предположения, что несколько биологических чувствительных механизмов настолько чувствительны, что позволяют обнаруживать изменения в окружающей среде на квантовом уровне. Эти предложения изложены в подразделах ниже.

5.1. магниторецепции

Квантовая теория миграции птиц не нова. В четвертое десятилетие, с тех пор как Шультен впервые предложил его механизм радикальных пар хорошо известен как в экспериментальных, так и в теоретических исследованиях магниторецепции птиц и является одним из основных альтернативных (фотосинтезу) примеров, используемых в качестве доказательства для области квантовой биологии , Механизм можно описать в три этапа . После начального шага, когда фотовозбуждение вызывает перенос электрона и образование пары, радикальная пара колеблется между синглетным и триплетным спиновыми состояниями перед заключительным этапом рекомбинации и нейронной интерпретации. Именно синглет-триплетное смешивание испытывает влияние магнитного поля Земли и предлагает некоторый способ объяснения поведенческих наблюдений, таких как зависимость от света аспект наклона и резонансные эффекты птичьего компаса.

5.2. Обоняние

Обоняние - это система, с помощью которой живые организмы «пахнут» тысячами разных молекул. Как всего несколько сотен различных типов рецепторов, которые связываются с запахами у людей, и несколько десятков у плодовых мушек, приводят к такой удивительно чувствительной системе молекулярного распознавания, остается загадкой. Интересная теория, впервые предложенная в 1928 году, заключается в том, что наше обоняние основывается на квантово-механической моде колебаний молекулы запаха.

В 1996 году теория была возрождена благодаря предложению о том, что белково-связанные рецепторы измеряют молекулярные колебания, используя неупругое туннелирование электронов, а не реагируют на молекулярные ключи, соответствующие молекулярным замкам, работая только по форме. Согласно этой теории, электрон будет туннелировать от донора к акцепторному сайту только тогда, когда разность энергий между этими сайтами совпадает с колебательной энергией отдушки. Эта вибрационная теория обоняния напоминает фононный транспорт экситонов в фотосинтезе, иллюстрируя фундаментальную роль квантованных колебаний в квантовой биологии.

5.3. познание

Вопрос о том, может ли квантовая физика играть роль в решении еще не решенной проблемы тела и разума о том, как физиогномика мозга учитывает сознательное мышление, отнюдь не нова. « Разум, тело и квант» Майкла Локвуда 1989 года или вселенная Генри Стаппа 2009 года « Mindful» являются примерами ряда монографий с философским или научно-популярным углом зрения на проблему.

Большое внимание, а также критика были также направлены на идеи Роджера Пенроуза и Стюарта Хамероффа, которые предложили, чтобы части цитоскелета в нервных клетках, а именно микротрубочки, выполняли квантовые вычисления на основе того, что они называют «организованным сокращением цели механизм, взятый из теории «квантовой гравитации» Пенроуза.

Другая отрасль науки затрагивает вопрос 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 получены из динамики биологических нейронных сетей и, таким образом, близки к вопросу о совместимости квантовой динамики и нейронных вычислений. Тем не менее, Макс Тегмарк сделал решающий момент, который оценивает шкалы времени декогеренции для ионов, участвующих в распространении потенциалов действия, на 10-20 порядков меньше, чем соответствующие шкалы времени нейронной динамики.

Другими словами, квантовая когерентность ионов, участвующих в нейронной динамике, будет разрушена 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 возникнуть 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 квантовой обработке происходить в мозге, и что эта квантовость защищена так называемыми молекулами Познера, которые связывают ионы фосфата с кальцием ионов.

Изучение анестетиков ведет к экспериментальным путям к изучению сознания. Пока что все, что мы можем сказать о сознании, это то, что оно «растворимо в хлороформе», а также в множестве молекул, очень отличающихся друг от друга. В недавней статье об исследовании сознания Турин и его сотрудники обнаружили, что ряд общих анестетиков обратимо увеличивает содержание спина электрона у дрозофилы.

Эффект отсутствует у анестезирующих мутантных мух. Они предполагают, что общие анестетики изменяют структуру наивысшей занимаемой молекулярной орбитали определенных молекул, облегчая транспорт электронов между донором и акцептором, который переводит мозг в бессознательное состояние. Если это подтвердится, то изменения в структуре молекулы, рассчитанные по теории функционала плотности, инструмента из квантовой теории, окажут влияние на макроскопический масштаб. Измерения спина электронов, кроме того, имели решающее значение для наблюдения за эффектами. Особенно в более широком определении квантовой биологии такие выводы очень обнадеживают и показывают потенциальный вклад, который дисциплина может внести.

6. ИСТОКИ ЖИЗНИ

Идентификация квантовых эффектов в примитивных организмах, таких как бактерии, привела к успешному применению моделей открытых квантовых систем для процессов переноса энергии и заряда в фотосинтетических системах, а также позволяет предположить, что квантовые эффекты, возможно, сыграли важную роль в возникновении самые первые живые системы из неживой материи, из которой они состоят.

Обнаружение молекулярных предшественников жизни в межзвездных льдах позволяет предположить, 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, возникающей в межзвездной среде. Например, олигомеры цианистого водорода (HCN), возможно, сыграли значительную роль в синтезе широкого спектра пребиотических молекул , и недавно димерные формы HCN (цианометанимин) были обнаружены в межзвездном теле. Средняя. Однако было обнаружено, что межзвездные газофазные производственные пути не способны производить значительные количества HCN , несмотря на его обнаружение.

Теоретическое исследование самопроизвольной генерации пребиотических молекул в межзвездной среде проводится наиболее фундаментально в рамках открытых квантовых систем. Низкотемпературная межзвездная ледяная среда, сильно связанная с простой молекулярной системой, такой как HCN, и возбужденная падающим ультрафиолетовым излучением, может быть исследована с использованием соответствующих хорошо известных приближений из области квантовой биологии.

Гораздо более сложный вопрос - как первые живые системы могли возникнуть из этих пребиотических молекул, если вообще появились.

Несмотря на замечательную работу по созданию жизнеспособной ДНК , мы еще не смогли синтезировать даже небольшой функциональный пептид из основных компонентов, и до сих пор еще далеко до понимания того, что именно отличает набор молекул от набора молекул, живую систему, и какую роль могли сыграть квантовые эффекты в происхождении жизни.

7. КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ И СЛОЖНОСТЬ

Сложность может быть определена как несжимаемость описания системы. Если нет базового набора, который упрощает проблему, система является сложной. Квантовые особенности, видимые в макроскопических биосистемах, должны пережить переход к высоким спектральным плотностям. Хаотические колебания в спектре содержат информацию об универсальных особенностях динамики системы. Новая область квантовой биологии связана с взаимодействиями между динамическими явлениями в хорошо разделенных масштабах длины и времени, от фемтосекундных процессов переноса энергии в молекулярных сборках на наноуровне до выживания и размножения в экосистемах в масштабах всех организмов.

Важно отметить, что природа не может выбирать между квантово-механической природой химии. Например, невозможно спроектировать завод со светосборным комплексом, который состоит из соединений, которые не поддаются описанию квантовой механики.

Биология описывает системы, которые эволюционно отобраны для масштабов целых организмов. Результаты отбора опосредуются через генетические процессы, которые могут воздействовать на биологические подсистемы только до определенного масштаба, а физические детали того, что происходит ниже этого масштаба, не подвержены биологическому отбору.

Тогда квантовая биология касается того, могут ли квантово-динамические процессы, которые могут быть выбраны, например, в масштабах белков, влиять на макроскопическую динамику организма. То есть, если квантовое поведение на наноуровне должно передать избирательное преимущество, это должно быть выбираемым, и этот выбор происходит в масштабе всего организма. Поэтому 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 о том, что вся биология является квантовой биологией, потому что она зависит от химии, а вся химия является квантовой в атомном и молекулярном масштабе; таким образом, эволюция не может выбрать здесь ничего, кроме квантовых подсистем. Какой именно диапазон длин и временных масштабов может быть заселен подсистемами, представляющими интерес для квантовой биологии (поскольку они могут существовать в квантовом и классическом вариантах), остается открытым вопросом. Проблема масштабирования окажется важной для дальнейшего прогресса квантовой биологии

8. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первая книга по квантовой биологии под названием « Физика загадки органических молекул » Паскуаля Джордана . Однако с момента его публикации в 1932 году остается много загадок о природе жизни. Ясно, что грубозернистые классические модели не могут дать точную картину ряда процессов, происходящих в живых системах. Таким образом, вопрос продолжающихся дебатов заключается в том, в какой степени квантовые эффекты играют нетривиальную роль в таких биологических процессах.

Полезный путь к ответу на этот вопрос лежит через разработку биологически вдохновленных квантовых технологий, которые могут превзойти классические устройства, разработанные для той же цели, например, для использования энергии или ощущения окружающей среды.

Если квантовые эффекты в макроскопическом масштабе играют роль в улучшении работы в определенных процессах, усовершенствованных в течение миллиардов лет при физиологических температурах и в чрезвычайно сложных системах, то в биологическом мире существует огромное количество информации, из которой можно черпать вдохновение для наши собственные технологии.

В этом направлении прототип квантового теплового двигателя, который четко иллюстрирует принцип квантового проектирования, согласно которому когерентный обмен единичными энергетическими квантами между электронными и колебательными степенями свободы может повысить мощность системы сбора света сверх того, что возможно только с помощью тепловых механизмов, было предложено. Его квантовое преимущество с использованием термодинамических показателей эффективности было количественно оценено, и продемонстрирована применимость принципа для реалистичных биологических структур .

Квантовая биология исследует биологическую функцию и регуляцию этой функции, которая связана со статическим расстройством. Спектроскопия с одной молекулой дает нам уникальную, мощную линзу о роли статического беспорядка, которая связывает биологическую функцию (то есть проецируется на макроскопический / организменный масштаб) с квантово-механическими явлениями. Квантовая биология также связана с взаимодействиями между динамическими явлениями в хорошо разделенных масштабах длины и времени, от процессов передачи фемтосекундной энергии в молекулярных сборках на наноуровне до выживания и размножения в экосистемах в масштабах всех организмов.

В то время как квантовая биология в ближайшие несколько десятилетий должна продемонстрировать, в какой степени квантовые устройства с биологическим вдохновением могут превзойти классические аналоги, более глубокий вопрос заключается в том, как квантово-динамические явления на наноуровне могут обеспечить избирательное преимущество для всего организма.

Решение этого вопроса требует строгого учета того, как макромасштабные физические наблюдаемые, значимые для пригодности организма, могут предсказуемо зависеть от наноразмерных квантовых динамических переменных. В ответ мы также должны учитывать, как квантовые подсистемы на наноуровне могут зависеть от макромасштабной динамики организмов в процессе эволюции. Прогрессу в этом вопросе может помочь теоретическая основа, позволяющая параметризовать модели в масштабе организма с помощью наноразмерных моделей.

Это может быть обеспечено инструментами многомасштабного анализа в области теории сложных систем. Мы могли бы также представить эксперименты, в которых организмы дикого типа, которые, как известно, демонстрируют долгоживущие квантово-когерентные процессы на наноуровне, конкурируют с генетически модифицированными организмами, в которых такие процессы, как известно, отсутствуют. Такой эксперимент - подобный тому, который регулярно проводят биологи, - может дать четкое представление о том, могут ли квантово-биологические явления предоставить избирательное преимущество организмам, а также повысить доверие к квантовой биологии как области биологии.

Текст предоставлен С. Ивановым.