Biologia cuantică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Biologia cuantică se referă la aplicarea principiilor mecanicii cuantice și a chimiei teoretice la problemele legate de biologie . Multe procese biologice implică conversia energiei pentru a fi utilizată în transformările chimice și, prin urmare, sunt, în esență, cuantice în natură. Aceste procese privesc reacțiile chimice , absorbția luminii , formarea stărilor electronice excitate , transferul energiei de excitație , transferul de protoni și electroni ( ioni de hidrogen ) în multe procese chimice , precum fotosinteza , fenomenele olfactive și respirația celulară. [1] . Biologia cuantică folosește modele computerizate pentru a analiza și dezvălui natura proceselor biologice care sunt fundamentale pentru organismele vii [2] . Această știință se ocupă de influența fenomenelor cuantice nontriviale [3] , care poate fi explicată prin reducerea procesului biologic la fizica fundamentală, deși aceste efecte sunt dificil de studiat și pot fi de natură speculativă. [4] În prezent nu există dovezi ale biologiei cuantice care să implice efecte cuantice observabile în organismele macroscopice (în afară de experimentele mentale precum pisica lui Schrodinger ) sau care s-au dovedit cruciale pentru existența vieții.

Istorie

De-a lungul secolului al XX-lea , diverși oameni de știință au argumentat teoretic cu privire la aplicațiile teoriei cuantice la problemele biologice. Printre pionierii acestei discipline, Erwin Schrödinger și cartea sa din 1944, Ce este viața? , în care autorul introduce noțiunea de "cristal aperiodic", o structură care conține informații genetice în legături covalente , iar conceptul cuantic de " salt cuantic " este aplicat biologiei , pentru a explica originea mutațiilor . Alte contribuții importante la teoriile biologiei cuantice provin de la Niels Bohr , Pascual Jordan și Max Delbruck [5] ; Per-Olov Löwdin a propus ideea efectului tunel al mecanicii cuantice ca mecanism explicativ al mutațiilor din ADN , referindu-se la termenul „biologie cuantică”, ca un nou domeniu de studiu [6] .

Aplicații

Fotosinteză

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: fotosinteza .
Schema complexului FMO. Lumina excită electronii sistemului de captare; diferite proteine ​​transferă apoi excitația în complexul FMO și apoi în centrul de reacție pentru a continua fotosinteza.

Fotosinteza este un proces biochimic antic, care folosește lumina soarelui ca sursă de energie pentru sinteza moleculelor organice necesare supraviețuirii a numeroase grupuri de organisme. Acest mecanism eficient folosește diferite clase de molecule biologice, pigmenții , conținuți în structuri celulare speciale și înconjurați de complexe proteice .
Mai multe studii au concentrat atenția asupra diferitelor fotosisteme și, în special, asupra complexului Fenna-Matthews-Olson (FMO), studiat pe bacteriile fototrofe din familia Chlorobiacee . De exemplu, o lucrare din 2007 a găsit dovezi directe ale coerenței cuantice în fotosistemul FMO, care joacă un rol important în transferul de electroni. [7]
Hayes și colab., În 2010, au găsit dovezi ale coerenței cuantice, probabil responsabile de eficiența ridicată a reacțiilor de transfer de electroni, în mai mulți pigmenți implicați în faza ușoară a fotosintezei . [8]
Un studiu recent efectuat la Universitatea din Groningen arată că unul dintre aspectele cele mai specifice mecanicii cuantice, principiul suprapunerii , este o parte integrantă a procesului fotosintetic. Potrivit autorilor, în complexul FMO o cuantă de lumină ( foton ) poate excita simultan două molecule ale fotosistemului, ca rezultat al combinației de stări cuantice ale diferiților electroni, conform principiului suprapunerii; acest fenomen poate fi explicat doar prin adăugarea celor două probabilități de excitație a celor doi electroni diferiți. [9]

Trimerul proteic FMO. [10] Moleculele bacterioclorofilei (BChl) a sunt în verde, atomul central de Mg în roșu și proteina în gri. Fiecare monomer conține BChl.

„Aceasta este o observație importantă pentru oricine este interesat de lumea mecanicii cuantice”, a concluzionat Jansen. „În special, descoperirile pot juca un rol important în dezvoltarea de noi dispozitive tehnologice pentru stocarea energiei solare sau pentru dezvoltarea computerelor cuantice”, explică Thomas la Cour Jansen, unul dintre autori. [11]
Revizuirea critică a lucrărilor pune sub semnul întrebării dacă efectele detectate de studiile de biologie cuantică nu pot fi atribuite manifestărilor dinamicii nucleare din pigmenți, decât manifestărilor datorate efectului coerenței cuantice de lungă durată. [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] Pentru a explica originea presupusei coerențe cuantice de lungă durată, comunitatea științifică a elaborat mai multe propuneri. De exemplu, un studiu din 2008 a evidențiat efectul sinergic al temperaturii și al coerenței cuantice, în determinarea unei creșteri a eficienței între 70% și 99% a transferului de energie în reacțiile fotosintetice. [19] [20]
O altă propunere se bazează pe interacțiunea dintre efectul tunelului și coerența cuantică, pentru a crea o chiuvetă de energie care să miște rapid electronul către centrul de reacție. [21]

O altă lucrare a sugerat că simetriile prezente în aranjamentul geometric al complexului pot favoriza un transfer eficient de energie către centrul de reacție, într-un mod similar transferului perfect de stare în rețelele cuantice . [22] Conform unor experimente de control atent, interpretarea că efectele cuantice durează mai mult de o sută de femtosecunde este în discuție. [23]

Mutații în ADN

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Mutații genetice .

Notă

  1. ^ Biologie cuantică . Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign, Grupul de biofizică teoretică și computațională.
  2. ^ Biologia cuantică: Modele puternice de computer dezvăluie mecanismul biologic cheie Știință zilnică. Adus 14 octombrie 2007
  3. ^ JC Brookes, Efectele cuantice în biologie: regula de aur în enzime, olfacție, fotosinteză și magnetodetecție , în Proceedings of the Royal Society A , vol. 473, nr. 2201, 2017, p. 20160822, Bibcode : 2017RSPSA.47360822B , DOI : 10.1098 / rspa.2016.0822 , PMC 5454345 , PMID 28588400 .
  4. ^ (EN) Jim Al-Khalili, Cum ar putea biologia cuantică să explice cele mai mari întrebări ale vieții . Adus pe 7 decembrie 2018 .
  5. ^ Leyla Joaquim, Olival Freira și Charbel El-Hani, Quantum Explorers: Bohr, Jordan și Delbruck Venturing into Biology , în Physics in Perspective , vol. 17, n. 3, septembrie 2015, pp. 236-250, Bibcode : 2015 PhP .... 17..236J , DOI : 10.1007 / s00016-015-0167-7 .
  6. ^ Lowdin, PO (1965) Genetica cuantică și solidul aperiodic. Câteva aspecte privind problemele biologice ale eredității, mutațiilor, îmbătrânirii și tumorilor, având în vedere teoria cuantică a moleculei de ADN. Progrese în chimia cuantică. Volumul 2. pp. 213-360. Academic Press
  7. ^ Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mancal T, Cheng YC, etal, Dovezi pentru transferul de energie în formă de undă prin coerență cuantică în sistemele fotosintetice. , În Nature, voi. 446, nr. 7137, 2007, pp. 782-6, Bibcode : 2007 Nat . 446..782E , DOI : 10.1038 / nature05678 , PMID 17429397 .
  8. ^ G. Panitchayangkoon, Hayes, D., Fransted, KA, Caram, JR, Harel, E., Wen, JZ, Blankenship, RE și Engel, GS,Coerența cuantică de lungă durată în complexele fotosintetice la temperatura fiziologică , în Proc. Natl. Acad. Sci., Voi. 107, nr. 29, 2010, pp. 12766-12770, Bibcode : 2010PNAS..10712766P , DOI : 10.1073 / pnas.1005484107 , PMC 2919932 , PMID 20615985 , arXiv : 1001.5108 .
  9. ^ Erling ThyrHaug, Roel Tempelaar, Marcelo JP Alcocer, Karel Žídek, David Bína, Jasper Knoester, Thomas LC Jansen și Donatas Zigmantas, Identificarea și caracterizarea diverselor coerențe în complexul Fenna - Matthews - Olson , în Nature Chemistry , 10, 780- 786, 2018.
  10. ^ DE Tronrud, MF Schmid și BW Matthews, Structura și secvența de aminoacizi cu raze X a unei bacterioclorofile o proteină din Prosthecochloris aestuarii rafinată la rezoluția 1,9 A , în Journal of Molecular Biology , vol. 188, nr. 3, aprilie 1986, pp. 443-54, DOI : 10.1016 / 0022-2836 (86) 90167-1 , PMID 3735428 .
  11. ^ http://www.lescienze.it/news/2018/05/23/news/fisica_quantistica_fotosintesi-3993289/
  12. ^ R. Tempelaar, TLC Jansen și J. Knoester, Vibrational Beatings ascund dovezi ale coerenței electronice în complexul FMO Light-Harvesting , în J. Phys. Chem. B , vol. 118, nr. 45, 2014, pp. 12865-12872, DOI : 10.1021 / jp510074q , PMID 25321492 .
  13. ^ N. Christenson, HF Kauffmann, T. Pullerits și T. Mancal,Origin of Long-Lived Coherences in Light-Harvesting Complexs , în J. Phys. Chem. B , vol. 116, nr. 25, 2012, pp. 7449-7454, DOI : 10.1021 / jp304649c , PMC 3789255 , PMID 22642682 .
  14. ^ A. Kolli, EJ O'Reilly, GD Scholes și A. Olaya-Castro, Rolul fundamental al vibrațiilor cuantificate în recoltarea coerentă a luminii de către algele criptofite , în J. Chem. Fizic. , vol. 137, nr. 17, 2012, p. 174109, DOI : 10.1063 / 1.4764100 .
  15. ^ V. Butkus, D. Zigmantas, L. Valkunas și D. Abramavicius, Vibrational vs. coerențe electronice în spectrul 2D al sistemelor moleculare , în Chem. Fizic. Lit. , vol. 545, nr. 30, 2012, pp. 40-43, DOI : 10.1016 / j.cplett.2012.07.014 .
  16. ^ V. Tiwari, WK Peters și DM Jonas, Rezonanța electronică cu vibrații pigmentare anticorelate determină transferul de energie fotosintetică în afara cadrului adiabatic , în Proc. Natl. Acad. Sci. SUA , vol. 110, nr. 4, 2013, pp. 1203-1208, DOI : 10.1073 / pnas.1211157110 .
  17. ^ E. Thyrhaug, K. Zidek, J. Dostal, D. Bina și D. Zigmantas, Structura excitonului și transferul de energie în complexul Fenna - Matthews− Olson , în J. Phys. Chem. Lit. , vol. 7, nr. 9, 2016, pp. 1653-1660, DOI : 10.1021 / acs.jpclett.6b00534 , PMID 27082631 .
  18. ^ Y. Fujihashi, GR Fleming și A. Ishizaki, Impactul fluctuațiilor induse de mediu asupra stărilor pigmentare electronice și vibraționale cuantice mixte mecanic în transferul de energie fotosintetică și spectrele electronice 2D , în J. Chem. Fizic. , vol. 142, nr. 21, 2015, p. 212403, DOI : 10.1063 / 1.4914302 .
  19. ^ Masoud Mohseni, Patrick Rebentrost, Seth Lloyd și Alán Aspuru-Guzik, Plimbări cuantice asistate de mediu în transferul de energie fotosintetică , în The Journal of Chemical Physics , vol. 129, nr. 17, 7 noiembrie 2008, p. 174106, Bibcode : 2008JChPh.129q4106M , DOI : 10.1063 / 1.3002335 , ISSN 0021-9606 ( WC ACNP ) , PMID 19045332 , arXiv : 0805.2741 .
  20. ^ MB Plenio și SF Huelga, Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules - IOPscience , în New Journal of Physics , vol. 10, nr. 11, 1 noiembrie 2008, p. 113019, Bibcode : 2008NJPh ... 10k3019P , DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 10/11/113019 , arXiv : 0807.4902 .
  21. ^ Hohjai Lee, Coerența cuantică accelerând transferul de energie fotosintetică , în Fizică chimică , seria Springer în fizică chimică, vol. 92, 2009, pp. 607-609, Bibcode : 2009up16.book..607L , DOI : 10.1007 / 978-3-540-95946-5_197 , ISBN 978-3-540-95945-8 . Adus la 3 februarie 2021 (Arhivat din original la 12 iulie 2016) .
  22. ^ Mattia Walschaers, Jorge Fernandez-de-Cossio Diaz, Roberto Mulet și Andreas Buchleitner, Transport cuantic optim conceput peste rețele dezordonate , în Physical Review Letters , vol. 111, nr. 18, 29 octombrie 2013, p. 180601, Bibcode : 2013PhRvL.111r0601W , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.180601 , PMID 24237498 , arXiv : 1207.4072 .
  23. ^ A. Halpin, PJM Johnson, R. Tempelaar, RS Murphy, J. Knoester, TLC Jansen și RJD Miller, Spectroscopia bidimensională a unui dimer molecular dezvăluie efectele cuplării vibronice asupra coerențelor excitonului , în Nature Chemistry , vol. 6, nr. 3, 2014, pp. 196-201, Bibcode : 2014NatCh ... 6..196H , DOI : 10.1038 / nchem.1834 , PMID 24557133 .
Controlul autorității GND (DE) 4176596-5 · NDL (EN, JA) 00.576.779
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Qualistic_Biology&oldid=121933490 ”