حساب کاربری
​
زمان تقریبی مطالعه: 15 دقیقه
لینک کوتاه

زیست‌شناسی کوانتومی

زیست‌شناسی کوانتومی مطالعهٔ کاربردهای مکانیک کوانتومی و شیمی نظری برای اهداف و مشکلات زیست‌شناختی است که نمی‌توان آنان را با فیزیک کلاسیک به‌طور دقیق شرح داد. بسیاری از فرایندهای زیست‌شناختی شامل تبدیل انرژی به اشکال قابل استفاده برای تحولات شیمیایی و از نظر ماهیت مکانیکی کوانتومی هستند. چنین فرایندهایی شامل واکنش‌های شیمیایی، جذب نور، تشکیل حالت‌های الکترونیکی برانگیخته، انتقال انرژی برانگیخته و انتقال الکترون‌ها و پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) در فرایندهای شیمیایی مانند فتوسنتز، بویایی و تنفس سلولی هستند. زیست‌شناسی کوانتومی ممکن است از محاسبات برای مدل‌سازی فعل و انفعالات زیست‌شناختی با توجه به اثرات مکانیکی کوانتومی استفاده کند. زیست‌شناسی کوانتومی مربوط به تأثیر پدیده‌های کوانتومی غیربدیهی است که می‌توان با کاهش روند زیست‌شناختی به فیزیک اساسی توضیح داد، اگرچه این تأثیرات مطالعه دشوار است و می‌تواند سوداگرانه باشد.

فهرست

  • ۱ تاریخچه
  • ۲ کاربردها
    • ۲.۱ فتوسنتز
    • ۲.۲ جهش DNA
    • ۲.۳ تئوری لرزش بویایی
    • ۲.۴ بینایی
      • ۲.۴.۱ مفهوم بینایی کوانتومی
    • ۲.۵ فعالیت آنزیمی (بیوشیمی کوانتومی)
      • ۲.۵.۱ میتوکندری
    • ۲.۶ برداشت مغناطیسی
    • ۲.۷ سایر کاربردهای زیست‌شناختی
  • ۳ منابع

تاریخچه

زیست‌شناسی کوانتومی زمینه‌ای نوظهور است. بیشتر پژوهش‌های حاضر نظری بوده و در معرض سؤالاتی است که نیاز به آزمایش بیشتر دارد. گرچه این رشته به‌تازگی توجه خاصی را به خود جلب کرده‌است، اما در طول قرن بیستم توسط فیزیکدانان مفهوم‌سازی شده‌است. پیشگامان اولیه فیزیک کوانتومی کاربردهای مکانیک کوانتومی را در مشکلات زیست‌شناختی مشاهده می‌کردند. در کتاب اروین شرودینگر در سال ۱۹۴۴ زندگی چیست؟ کاربردهای مکانیک کوانتومی در زیست‌شناسی مورد بحث قرار گرفته‌است. شرودینگر ایده «کریستال آپریودی» را که شامل اطلاعات ژنتیکی در مورد پیکربندی پیوندهای شیمیایی کووالانسی بود، معرفی کرد. وی همچنین پیشنهاد کرد که جهش‌ها توسط «جهش کوانتومی» معرفی می‌شوند. پیشکسوتان دیگر نیلز بور، پاسکوال جردن و مکس دلبروک استدلال می‌کردند که ایده کوانتومی مکمل برای علوم زیستی است. در سال ۱۹۶۳، Per-Olov Löwdin تونل‌زنی پروتون را به عنوان سازوکار دیگری برای جهش DNA منتشر کرد. وی در مقاله خود اظهار داشت که زمینه مطالعاتی جدیدی به نام «زیست‌شناسی کوانتومی» وجود دارد.

کاربردها

فتوسنتز

جاندارانی که تحت فتوسنتز قرار می‌گیرند نخست انرژی نور را از طریق فرایند تحریک الکترون در موج گیر جذب می‌کنند. این موج گیر میان جاندارها متفاوت است. باکتری‌ها می‌توانند از ساختارهای حلقه مانند به عنوان آنتن استفاده کنند، در حالی که گیاهان و جاندارهای دیگر از رنگدانه‌های کلروفیل برای جذب فوتون استفاده می‌کنند. این تحریک الکترون جدایی بار را در یک مکان واکنش ایجاد می‌کند که بعداً برای استفاده از سلول به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. با این حال، این تحریک الکترونی باید قبل از اینکه انرژی در فلورسانس یا در حرکات ارتعاش حرارتی از میان برود، به صورت کارآمد و به موقع منتقل شود. سازه‌های مختلف وظیفه انتقال انرژی از آنتن‌ها به محل واکنش را دارند. یکی از بهترین مورد مطالعه کمپلکس FMO در باکتری‌های گوگرد سبز است. مطالعات طیف‌سنجی الکترونی FT بازده بالای ۹۹٪ میان جذب الکترون‌ها و انتقال به محل واکنش با واسطه‌های کوتاه عمر را نشان می‌دهد. این راندمان بالا را نمی‌توان با مکانیک کلاسیک مانند یک مدل انتشار توضیح داد. یک مطالعه منتشر شده در سال ۲۰۰۷ ادعا کرد که انسجام کوانتومی الکترونیکی در دمای ۱۹۶- درجه سانتیگراد (77K) است. یک مطالعه بعدی بیشتر ادعا کرد انسجام کوانتومی به طرز خارق‌العاده و طولانی مدت در ۴ درجه سانتیگراد است که بیشتر فرض شده‌است که مسئول راندمان بالای انتقال تحریک میان رنگدانه‌های مختلف در مرحله برداشت نور از فتوسنتز است. بنابراین، این پیشنهاد شد که طبیعت از طریق تکامل راهی برای محافظت از انسجام کوانتومی برای افزایش کارایی فتوسنتز ایجاد کرده‌است. با این حال، مطالعات پیگیری بحرانی، تفسیر این نتایج را زیر سؤال می‌برد و آثارگزارش شده از انسجام کوانتومی الکترونیکی را به پویایی هسته‌ای در کروموفورها اختصاص می‌دهد. ادعاهای مربوط به زمان‌های همبستگی طولانی غیرمنتظره بسیاری از پژوهش‌ها را در جامعه فیزیک کوانتوم به وجود آوردند تا منشأ را توضیح دهند. تعدادی از پیشنهادها برای توضیح انسجام ادعا شده طولانی مدت ارائه شده‌است. طبق یک پیشنهاد، اگر هر سایت در داخل کمپلکس نویز محیطی خود را احساس کند، الکترون به دلیل انسجام کوانتومی و محیط حرارتی در حداقل سطح محلی باقی نمی‌ماند، بلکه از طریق پیاده‌سازی‌های کوانتومی به محل واکنش ادامه می‌یابد. پیشنهاد دیگر این است که میزان انسجام کوانتومی همراه با تونل‌زنی الکترون، سینک انرژی ایجاد می‌کند که الکترون را به سرعت به محل واکنش منتقل می‌کند. کار دیگر نشان می‌دهد که تقارن موجود در چیدمان هندسی مجموعه ممکن است انتقال انرژی کارآمد به مرکز واکنش را پشتیبانی کند، به گونه‌ای که شبیه انتقال حالت کامل در شبکه‌های کوانتومی باشد. با این حال، آزمایش‌های کنترل دقیق، در مورد این تفسیر که اثرات کوانتومی بیش از صد ماده فانتزی ثانویه ماندگار است، شک و تردید دارند. در سال ۲۰۲۰، یک بررسی مبتنی بر مجموعه گسترده‌ای از آزمایش‌های کنترل و نظریه نتیجه گرفت که ادعای اصلی اثرات کوانتومی به عنوان انسجام‌های الکترونیکی طولانی مدت در سامانه FMO وجود ندارد.

جهش DNA

دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید، دی‌ان‌ای، به‌عنوان دستورالعمل ساخت پروتئین در بدن است. از ۴ نوکلئوتید گوانین، تیمین، سیتوزین و آدنین تشکیل شده‌است. ترتیب این نوکلئوتیدها «دستور العمل» پروتئین‌های مختلف را می‌دهد. هر زمان که سلول تولیدمثل می‌کند، باید این رشته‌های DNA را کپی کند. با این وجود، گاهی اوقات در طی مراحل کپی کردن رشته DNA یک جهش یا خطایی در کد DNA ایجاد می‌شود. یک تئوری برای استدلال جهش DNA در مدل جهش DNA Lowdin توضیح داده شده‌است. در این مدل، نوکلئوتید ممکن است شکل خود را از طریق فرایند تونل‌زنی کوانتومی تغییر دهد. به همین دلیل، نوکلئوتید تغییریافته توانایی جفت شدن با جفت پایه اصلی خود و در نتیجه تغییر ساختار و ترتیب رشته DNA را از دست می‌دهد. قرار گرفتن در معرض چراغ‌های ماوراء بنفش و انواع دیگر اشعه می‌تواند باعث جهش و آسیب DNA شود. تشعشعات همچنین می‌توانند پیوندها را در امتداد رشته DNA در پیریمیدینها تغییر داده و باعث ایجاد پیوند آن‌ها با خود و ایجاد یک دیمر شوند. در بسیاری از پروکاریوت‌ها و گیاهان، این پیوندها توسط یک آنزیم ترمیم DNA به آنزیم اصلی ترمیم می‌شوند. همان‌طور که پیشوند آن نشان می‌دهد، برای ترمیم رشته، فتولیاز به نور متکی است. فتولیاز ضمن ترمیم DNA با کوفاکتور FADH، فلاوین آدنین دینوکلئوتید کار می‌کند. فتولیاز با نور مرئی هیجان زده می‌شود و یک الکترون را به کوفاکتور FADH- منتقل می‌کند. FADH- اکنون در اختیار داشتن یک الکترون اضافی، الکترون را به دیمر می‌دهد تا پیوند را بشکند و DNA را ترمیم کند. این انتقال الکترون از طریق تونل کردن الکترون از FADH به دیمر انجام می‌شود. اگرچه دامنه تونلینگ بسیار بزرگتر از حد ممکن در خلأ است، گفته می‌شود که تونلینگ در این سناریو «تونل‌زنی با واسطه فوق‌العاده» است، و به دلیل توانایی پروتئین در افزایش نرخ تونل‌زنی الکترون امکان‌پذیر است.

تئوری لرزش بویایی

بویایی، حس بویایی را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد. دریافت و تشخیص یک ماده شیمیایی و نحوه ارسال و پردازش آن توسط مغز. این روند از میان بردن بویایی هنوز زیر سؤال است. یک نظریه به نام «نظریه شکل بویایی» بیانگر این است که گیرنده‌های بویای خاصی توسط اشکال خاصی از مواد شیمیایی ایجاد می‌شوند و آن گیرنده‌ها پیام خاصی به مغز می‌فرستند. نظریه دیگر (بر اساس پدیده‌های کوانتومی) نشان می‌دهد که گیرنده‌های بویایی لرزش مولکول‌هایی را که به آنها می‌رسد تشخیص می‌دهند و «بو» به دلیل فرکانس‌های مختلف ارتعاشات است، این تئوری به‌طور مناسب «تئوری لرزش بویایی» نامیده می‌شود. نظریه ارتعاشات بویایی، در سال ۱۹۳۸ توسط مالکوم دیسون ایجادشده اما توسط لوکا تورین در سال ۱۹۹۶ دوباره تقویت شده‌است ۳۰، پیشنهاد می‌کند که سازوکار حس بو بواسطه گیرنده‌های پروتئین G است که ارتعاشات مولکولی را به دلیل تونل‌زنی الکترونی غیرالکتریکی تشخیص می‌دهد و در آنجا الکترون را تونل می‌کند. انرژی را از میان مولکولها از دست می‌دهد۳۰. در این فرایند، یک مولکول یک محل اتصال را با یک گیرنده پروتئین G پر می‌کند. پس از اتصال ماده شیمیایی به گیرنده، مواد شیمیایی بعنوان پلی عمل می‌کنند که باعث می‌شود الکترون از طریق پروتئین منتقل شود. از آنجا که انتقال الکترون از طریق این ماده معمولاً مانعی برای الکترون‌ها خواهد بود و به دلیل لرزش مولکولی که به‌تازگی به گیرنده وصل شده‌است، انرژی خود را از دست خواهد داد و در نتیجه توانایی بو کردن مولکول را خواهد داشت. در حالی که نظریه ارتعاش یک اثبات تجربی از مفهوم دارد، نتایج بحث‌برانگیز متعدد در آزمایش‌ها وجود داشته‌است. در برخی آزمایش‌ها، جانوران قادر به تشخیص بوهای میان مولکول‌های مختلف و ساختار یک‌سان هستند آزمایش‌های دیگری نشان می‌دهد که مردم از تمیز دادن بوهایی ناشی از فرکانس‌های مولکولی متمایز آگاهی ندارند. با این حال، این مورد رد نشده‌است، و حتی نشان داده شده‌است که در بویایی جانوران غیر از انسان مانند مگس، زنبور و ماهی نیز تأثیر دارد.

بینایی

بینایی به منظور تبدیل سیگنال‌های نوری به پتانسیل فعال در فرایندی به نام انتقال نور از انرژی کوانتیده استفاده می‌کند. در انتقال نور، یک فوتون با یک کرومفور در یک گیرنده نور تعامل دارد. کروموفور فوتون را جذب می‌کند و تحت تابش فوتوزومریزاسیون قرار می‌گیرد. این تغییر ساختار باعث تغییر در ساختار گیرنده عکس می‌شود و در نتیجه مسیرهای انتقال سیگنال منجر به سیگنال بصری می‌شوند. با این حال، واکنش فوتوزومریزاسیون با سرعت سریع، در کمتر از ۲۰۰ واکنش فمتوسکاوند، با عملکرد بالا رخ می‌دهد. مدل‌ها استفاده از اثرات کوانتومی را در شکل‌دادن به حالت زمین و پتانسیل‌های برانگیخته به تریتب برای دستیابی به این کارایی نشان می‌دهند.

مفهوم بینایی کوانتومی

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که حسگرهای شبکیه چشم انسان به اندازه کافی حساس هستند که یک فوتون منفرد را تشخیص دهند. تشخیص تک فوتون می‌تواند منجر به چندین فناوری مختلف شود. یک حوزه از توسعه در ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری است. ایده این است که از یک سامانه بیومتریک برای اندازه‌گیری چشم استفاده کنید، تنها با استفاده از تعداد کمی از نقاط در شبکیه با فلاش تصادفی فوتون‌ها که شبکیه را «می‌خوانند» و فرد را مشخص می‌کنند. این سامانه بیومتریک تنها به شخصی خاص با نقشه شبکیه خاص اجازه می‌دهد پیام را رمزگشایی کند. این پیام را نمی‌توان توسط هر کس دیگری رمزگشایی کرد مگر این که استراق‌سمع کننده برای حدس زدن نقشه مناسب باشد یا بتواند شبکیه مورد نظر پیام را بخواند.

فعالیت آنزیمی (بیوشیمی کوانتومی)

آنزیم‌ها ممکن است از تونل کوانتومی برای انتقال الکترون‌ها در مسافت‌های طولانی استفاده کنند. این امکان وجود دارد که معماری کواترنر پروتیین‌ها به گونه‌ای تکامل‌یافته باشد تا انسجام و پیوستگی کوانتومی پایدار را فعال کند. به‌طور خاص‌تر، آن‌ها می‌توانند درصد واکنشی را که از طریق تونل‌زنی هیدروژن ایجاد می‌شود، افزایش دهند. تونل‌زنی به توانایی یک ذره انبوه کوچک برای عبور از موانع انرژی اشاره دارد. این توانایی به دلیل اصل تکمیل است، که معتقد است اشیاء خاص دارای جفت خواص هستند که بدون تغییر نتیجه اندازه‌گیری نمی‌توانند به‌طور جداگانه اندازه‌گیری شوند. الکترون‌ها دارای دو خاصیت موج و ذره هستند، بنابراین آن‌ها می‌توانند از موانع فیزیکی به عنوان یک موج بدون نقض قوانین فیزیک عبور کنند. مطالعات نشان می‌دهد که انتقال طولانی الکترون میان مراکز ردوکس از طریق تونل کوانتومی نقش مهمی در فعالیت آنزیمی فتوسنتز و تنفس سلولی ایفا می‌کند. به عنوان مثال، مطالعات نشان می‌دهد که تونل‌زنی الکترونی با برد طولانی به ترتیب ۱۵–۳۰ آنگستروم در واکنش ردوکس در آنزیم‌های تنفس سلولی نقش دارد. بدون تونل کوانتومی، موجودات زنده قادر به تبدیل انرژی به اندازه کافی سریع برای حفظ رشد نیستند. حتی اگر چنین اختلافات بزرگی میان جایگاه‌های ردوکس در آنزیم‌ها وجود داشته باشد، الکترون‌ها با موفقیت در یک درجه حرارت کلی مستقل (جدا از شرایط شدید) و به روش وابسته به فاصله منتقل می‌شوند. این نشان دهنده توانایی الکترون‌ها در تونل‌زنی در شرایط فیزیولوژیکی است. پژوهش‌های بیشتری لازم است تا مشخص شود آیا این تونل‌زنی خاص نیز منسجم است یا خیر.

میتوکندری

تصور می‌شود اندامک‌هایی مانند میتوکندری از تونل‌زنی کوانتومی برای انتقال انرژی درون‌سلولی استفاده می‌کنند. به‌طور سنتی، میتوکندری‌ها برای تولید بیشتر انرژی سلول را به شکل ATP شیمیایی شناخته می‌شوند. تبدیل میتوکندریایی زیست‌توده به ATP شیمیایی ۶۰ تا ۷۰ درصد کارآمد است که از نظام سنتی موتورهای ساخت‌بشر کارآمدتر است. برای دستیابی به ATP شیمیایی، پژوهشگران دریافته‌اند که یک مرحله مقدماتی پیش از تبدیل شیمیایی ضروری است؛ این مرحله، از طریق تونل‌زنی کوانتومی الکترون‌ها و یون‌های هیدروژن (H)، نیازمند نگاهی عمیق‌تر به فیزیک کوانتومی است که در اندامک رخ می‌دهد.

از آنجا که تونل‌زنی یک سازوکار کوانتومی است، مهم است که بدانیم چگونه این فرایند ممکن است برای انتقال ذرات در یک سامانه زیستی رخ دهد. تونل‌زنی تا حد بسیاری به شکل و اندازه یک مانع بالقوه، نسبت به انرژی ورودی یک ذره بستگی دارد. از آن‌جایی که ذره ورودی را می‌توان با یک معادله موجی تعریف کرد، احتمال تونل‌زنی آن به شکل نمایی به شکل مانع بالقوه بستگی دارد، به این معنی که اگر مانع شبیه یک شکاف بسیار گسترده باشد، احتمال تونل‌زنی ذره ورودی کاهش می‌یابد. مانع بالقوه، به گونه‌ای، می‌تواند به شکل یک مانع زیست‌ماده‌ای واقعی باشد. میتوکندری توسط یک ساختار غشایی که شبیه به غشای سلولی است، با در حدود ۷۵ آنگستروم (حدود ۷٫۵ نانومتر) ضخامت احاطه شده‌است. به غشای درونی میتوکندری باید غلبه شود تا سیگنال‌ها (به شکل الکترون، پروتون، H) از محل انتشار (درونی به میتوکندری) و محل پذیرش (یعنی پروتئین‌های زنجیره انتقال الکترون) منتقل شوند. برای انتقال ذرات، غشای میتوکندری باید چگالی درست فسفولیپیدها را داشته باشد تا هدایت بار مربوطه را انجام داده که ذره موردنظر را جذب کند. به عنوان مثال، برای چگالی بیشتر فسفولیپیدها، غشاء به هدایت بیشتر برای پروتون‌ها کمک می‌کند.

از نظر فنی، شکل میتوکندری ماتریکس است، با غشاهای میتوکندری درونی (IMM) و فضاهای غشای درونی (IMS)، که همگی مکان‌های پروتئینی هستند. میتوکندری‌ها با اکسیداسیون یون‌های هیدروژن کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها ATP تولید می‌کنند. این فرایند از الکترون‌ها در زنجیره انتقال الکترون (ETP) استفاده می‌کند. سلسله انتقال الکترون به شرح زیر است: الکترون‌های NADH به NADH دهیدروژناز (پروتئین کمپلکس I) که در IMM قرار دارد منتقل می‌شوند. الکترون‌های کمپلکس I به کوآنزیم Q منتقل می‌شوند تا CoQH۲ را بسازند؛ در مرحله بعد، الکترون‌ها به سمت پروتئین IMM دارای سیتوکروم (کمپلکس III) جریان می‌یابند، که بیشتر الکترون‌ها را به سیتوکروم c هدایت می‌کند، جایی که الکترون‌ها به سمت کمپلکس IV جریان می‌یابند؛ کمپلکس IV واپسین کمپلکس پروتئینی IMM از زنجیره تنفسی ETC است. این پروتئین نهایی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا اکسیژن را از یک مولکول O۲ به یک O منفرد کاهش دهند، به طوری که می‌تواند به یون‌های هیدروژن متصل شود تا H۲O تولید کند. انرژی تولیدشده از حرکت الکترون‌ها از طریق ETC باعث حرکت پروتون (معروف به پمپاژ H) از ماتریس میتوکندری به درون IMS می‌شود. از آن‌جایی که هر حرکت باری یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، IMS اکنون یک ظرفیت خازنی در سراسر ماتریس دارد. ظرفیت خازنی شبیه انرژی پتانسیل یا چیزی است که به‌عنوان مانع پتانسیل شناخته می‌شود. این انرژی پتانسیل سنتز ATP را از طریق V پیچیده (ATP synthase) هدایت می‌کند، که ADP را با P دیگر ترکیب می‌کند تا با عقب‌راندن پروتون‌ها (H) به درون ماتریکس، ATP ایجاد کند (این فرایند به‌عنوان فسفرگیری اکسایشی شناخته می‌شود). در پایان، غشای میتوکندری خارجی (OMM) یک کانال آنیونی وابسته به ولتاژ به نام VDAC را در خود جای‌داده‌است. این مکان برای تبدیل سیگنال‌های انرژی به خروجی‌های الکتروشیمیایی برای انتقال ATP مهم است.

برداشت مغناطیسی

برداشت مغناطیسی به توانایی جانوران در جهت‌یابی با استفاده از تمایل میدان مغناطیسی زمین اشاره دارد. یک توضیح احتمالی برای درک مغناطیسی سازوکار جفت رادیکال درهم تنیده‌است. سازوکار جفت رادیکال به خوبی در شیمی اسپین ایجاد شده‌است، و در سال ۱۹۷۸ توسط شولتون و دیگران مورد استفاده قرار گرفت. نسبت میان جفت‌های تکی و سه‌گانه بوسیله برهم کنش جفت الکترون درگیر با میدان مغناطیسی زمین تغییر کرده‌است. در سال ۲۰۰۰، کریپتوکروم به عنوان «مولکول مغناطیسی» مطرح شد که می‌تواند از جفت‌های رادیکال حساس به مغناطیسی برخوردار باشد. کریپتوکروم، فلاوپروتئین موجود در چشم رابین‌های اروپایی و سایر گونه‌های جانوران، تنها پروتئین شناخته شده برای ایجاد جفت‌های رادیکال ناشی از عکس در جانوران است. در هنگام تعامل با ذرات سبک، کریپتوکروم از طریق واکنش ردوکس عبور می‌کند، که جفت‌های رادیکال را هم در هنگام کاهش عکس و هم در اکسیداسیون به دست می‌آورد. عملکرد کریپتوکروم در میان گونه‌ها متنوع است، با این حال، عکس گرفتن از جفت‌های رادیکال در اثر قرار گرفتن در معرض نور آبی رخ می‌دهد، که یک الکترون را در یک کروموفور تحریک می‌کند. تصور مغناطیسی در تاریکی نیز ممکن است، بنابراین سازوکار باید بیشتر به جفت‌های رادیکال ایجاد شده در طول اکسیداسیون مستقل از نور تکیه کند. آزمایش‌ها از این تئوری اساسی پشتیبانی می‌کند که الکترون‌های جفت رادیکال می‌توانند به‌طور قابل توجهی تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف قرار گیرند، یعنی صرفاً جهت میدان‌های مغناطیسی ضعیف می‌توانند بر واکنش جفت رادیکال تأثیر بگذارند و بنابراین می‌توانند شکل‌گیری محصولات شیمیایی را «کاتالیز کنند». این که آیا این سازوکار در مورد برداشت مغناطیسی یا زیست‌شناسی کوانتومی کاربرد دارد، یا این که آیا میدان مغناطیسی زمین با کمک جفت‌های رادیکال شکل‌گیری محصولات بیوشیمیایی را «کاتالیز» می‌کند، مشخص نشده‌است. نکته اول این است که جفت‌های رادیکال ممکن است لازم نباشند، ویژگی اصلی کوانتومی سازوکار جفت رادیکال باشد، تا بتوانند در این فرایندها نقش داشته باشند. جفت‌های رادیکال درهم و برهم خورده وجود دارد. با این حال، محققان شواهدی برای سازوکار جفت رادیکال در زمانی پیدا کردند که رابین‌ها، سوسک‌ها، و چکاوک باغ‌های اروپایی، زمانی که در معرض یک فرکانس رادیویی باشند که مانع میدان‌های مغناطیسی و شیمی جفت رادیکال می‌شوند، دیگر نمی‌توانند جهت‌یابی کنند. برای نشان دادن تجربی مشارکت، باید آزمایشی طراحی شود که بتواند جفت رادیکال‌ها را بدون دخالت سایر جفت رادیکال‌ها به هم بزند یا برعکس، که ابتدا نیاز به نمایش در یک آزمایشگاه قبل از استفاده در جفت‌های رادیکال داخل بدن باشد.

سایر کاربردهای زیست‌شناختی

نمونه‌های دیگر پدیده‌های کوانتومی در سامانه‌های زیست‌شناختی شامل تبدیل انرژی شیمیایی به موتورهای حرکتی و براونیان موتور در بسیاری از فرایندهای سلولی است.

منابع

  1. ↑ "The future of quantum biology | Royal Society". royalsociety.org. Retrieved 2022-07-11.
  2. ↑ Quantum Biology. University of Illinois at Urbana-Champaign, Theoretical and Computational Biophysics Group.
  3. ↑ Quantum Biology: Powerful Computer Models Reveal Key Biological Mechanism Science Daily Retrieved Oct 14, 2007
  4. ↑ Brookes JC (May 2017). "Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 473 (2201): 20160822. Bibcode:2017RSPSA.47360822B. doi:10.1098/rspa.2016.0822. PMC 5454345. PMID 28588400.
  5. ↑ Al-Khalili J, How quantum biology might explain life's biggest questions (به انگلیسی), retrieved 2018-12-07
  6. ↑ Margulis L, Sagan D (1995). What Is Life?. Berkeley: University of California Press. p. 1.
  7. ↑ Joaquim L, Freira O, El-Hani C (September 2015). "Quantum Explorers: Bohr, Jordan, and Delbruck Venturing into Biology". Physics in Perspective. 17 (3): 236–250. Bibcode:2015PhP....17..236J. doi:10.1007/s00016-015-0167-7. S2CID 117722573.
  8. ↑ Lowdin, P.O. (1965) Quantum genetics and the aperiodic solid. Some aspects on the Biological problems of heredity, mutations, aging and tumours in view of the quantum theory of the DNA molecule. Advances in Quantum Chemistry. Volume 2. pp. 213–360. Academic Press
  9. ↑ Dostál J, Mančal T, Augulis R, Vácha F, Pšenčík J, Zigmantas D (July 2012). "Two-dimensional electronic spectroscopy reveals ultrafast energy diffusion in chlorosomes". Journal of the American Chemical Society. 134 (28): 11611–11617. doi:10.1021/ja3025627. PMID 22690836.
  10. ↑ Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mancal T, Cheng YC, et al. (April 2007). "Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems" (PDF). Nature. 446 (7137): 782–786. Bibcode:2007Natur.446..782E. doi:10.1038/nature05678. PMID 17429397. S2CID 13865546.
  11. ↑ Panitchayangkoon, G. ; Hayes, D. ; Fransted, K. A. ; Caram, J. R. ; Harel, E. ; Wen,J. Z. ; Blankenship, R. E. ; Engel, G. S. (2010). "Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature". Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (29): 12766–12770. arXiv:1001.5108. Bibcode:2010PNAS..10712766P. doi:10.1073/pnas.1005484107. PMC 2919932. PMID 20615985.
  12. ↑ Tempelaar R, Jansen TL, Knoester J (November 2014). "Vibrational beatings conceal evidence of electronic coherence in the FMO light-harvesting complex". The Journal of Physical Chemistry B. 118 (45): 12865–12872. doi:10.1021/jp510074q. PMID 25321492.
  13. ↑ Christensson N, Kauffmann HF, Pullerits T, Mančal T (June 2012). "Origin of long-lived coherences in light-harvesting complexes". The Journal of Physical Chemistry B. 116 (25): 7449–7454. arXiv:1201.6325. Bibcode:2012arXiv1201.6325C. doi:10.1021/jp304649c. PMC 3789255. PMID 22642682.
  14. ↑ Butkus V, Zigmantas D, Valkunas L, Abramavicius D (2012). "Vibrational vs. electronic coherences in 2D spectrum of molecular systems". Chem. Phys. Lett. 545 (30): 40–43. arXiv:1201.2753. Bibcode:2012CPL...545...40B. doi:10.1016/j.cplett.2012.07.014. S2CID 96663719.
  15. ↑ Tiwari V, Peters WK, Jonas DM (January 2013). "Electronic resonance with anticorrelated pigment vibrations drives photosynthetic energy transfer outside the adiabatic framework". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (4): 1203–1208. doi:10.1073/pnas.1211157110. PMC 3557059. PMID 23267114.
  16. ↑ Thyrhaug E, Žídek K, Dostál J, Bína D, Zigmantas D (May 2016). "Exciton Structure and Energy Transfer in the Fenna-Matthews-Olson Complex". The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (9): 1653–1660. doi:10.1021/acs.jpclett.6b00534. PMID 27082631.
  17. ↑ Fujihashi Y, Fleming GR, Ishizaki A (June 2015). "Impact of environmentally induced fluctuations on quantum mechanically mixed electronic and vibrational pigment states in photosynthetic energy transfer and 2D electronic spectra". The Journal of Chemical Physics. 142 (21): 212403. arXiv:1505.05281. Bibcode:2015JChPh.142u2403F. doi:10.1063/1.4914302. PMID 26049423. S2CID 1082742.
  18. ↑ Marais A, Adams B, Ringsmuth AK, Ferretti M, Gruber JM, Hendrikx R, et al. (November 2018). "The future of quantum biology". Journal of the Royal Society, Interface. 15 (148): 20180640. doi:10.1098/rsif.2018.0640. PMC 6283985. PMID 30429265.
  19. ↑ Mohseni M, Rebentrost P, Lloyd S, Aspuru-Guzik A (November 2008). "Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer". The Journal of Chemical Physics. 129 (17): 174106. arXiv:0805.2741. Bibcode:2008JChPh.129q4106M. doi:10.1063/1.3002335. PMID 19045332. S2CID 938902.
  20. ↑ Plenio MB, Huelga SF (2008-11-01). "Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules – IOPscience". New Journal of Physics. 10 (11): 113019. arXiv:0807.4902. Bibcode:2008NJPh...10k3019P. doi:10.1088/1367-2630/10/11/113019. S2CID 12172391.
  21. ↑ Lloyd S (2014-03-10). Optimal Energy Transport in Photosynthesis (Speech). From Atomic to Mesoscale: The Role of Quantum Coherence in Systems of Various Complexities. Institute for Theoretical, Atomic and Molecular and Optical Physics, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts. Retrieved 2019-09-30.
  22. ↑ Lee H (2009). "Quantum coherence accelerating photosynthetic energy transfer". Ultrafast Phenomena XVI. Chemical Physics. Springer Series in Chemical Physics. Vol. 92. pp. 607–609. Bibcode:2009up16.book..607L. doi:10.1007/978-3-540-95946-5_197. ISBN 978-3-540-95945-8. Archived from the original on February 3, 2021.
  23. ↑ Walschaers M, Diaz JF, Mulet R, Buchleitner A (November 2013). "Optimally designed quantum transport across disordered networks". Physical Review Letters. 111 (18): 180601. arXiv:1207.4072. Bibcode:2013PhRvL.111r0601W. doi:10.1103/PhysRevLett.111.180601. PMID 24237498. S2CID 40710862.
  24. ↑ Halpin A, Johnson PJ, Tempelaar R, Murphy RS, Knoester J, Jansen TL, Miller RJ (March 2014). "Two-dimensional spectroscopy of a molecular dimer unveils the effects of vibronic coupling on exciton coherences". Nature Chemistry. 6 (3): 196–201. Bibcode:2014NatCh...6..196H. doi:10.1038/nchem.1834. PMID 24557133.
  25. ↑ Cao J, Cogdell RJ, Coker DF, Duan HG, Hauer J, Kleinekathöfer U, et al. (April 2020). "Quantum biology revisited". Science Advances. 6 (14): eaaz4888. Bibcode:2020SciA....6.4888C. doi:10.1126/sciadv.aaz4888. PMC 7124948. PMID 32284982.
  26. ↑ "DNA and Mutations". evolution.berkeley.edu. Retrieved 2018-11-05.
  27. ↑ Trixler F (August 2013). "Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life". Current Organic Chemistry. 17 (16): 1758–1770. doi:10.2174/13852728113179990083. PMC 3768233. PMID 24039543.
  28. ↑ Slocombe L, Al-Khalili JS, Sacchi M (February 2021). "Quantum and classical effects in DNA point mutations: Watson-Crick tautomerism in AT and GC base pairs". Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (7): 4141–4150. Bibcode:2021PCCP...23.4141S. doi:10.1039/D0CP05781A. PMID 33533770.
  29. ↑ Slocombe, Louie; Sacchi, Marco; Al-Khalili, Jim (2022-05-05). "An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA". Communications Physics (به انگلیسی). 5 (1): 1–9. doi:10.1038/s42005-022-00881-8. ISSN 2399-3650.
  30. ↑ Yu SL, Lee SK (March 2017). "Ultraviolet radiation: DNA damage, repair, and human disorders". Molecular & Cellular Toxicology (به انگلیسی). 13 (1): 21–28. doi:10.1007/s13273-017-0002-0. ISSN 1738-642X. S2CID 27532980.
  31. ↑ Klopping HL (May 1971). "Olfactory theories and the odors of small molecules". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 19 (5): 999–1004. doi:10.1021/jf60177a002. PMID 5134656.
  32. ↑ "The scientific basis of odour". wizdom.ai (به انگلیسی). doi:10.1002/jctb.5000572802/title/the_scientific_basis_of_odour. Retrieved 2022-10-12.
  33. ↑ Turin L (December 1996). "A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception". Chemical Senses. 21 (6): 773–791. doi:10.1093/chemse/21.6.773. PMID 8985605.
  34. ↑ Brookes JC (May 2017). "Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 473 (2201): 20160822. Bibcode:2017RSPSA.47360822B. doi:10.1098/rspa.2016.0822. PMC 5454345. PMID 28588400.
  35. ↑ "Odorant shape and vibration likely lead to olfaction satisfaction". Retrieved 2018-11-08.
  36. ↑ "A Novel Multigene Family May Encode Odorant Receptors: A Molecular Basis for Odor Recognition" (PDF). April 5, 1991. Retrieved November 7, 2018.
  37. ↑ Block E, Batista VS, Matsunami H, Zhuang H, Ahmed L (May 2017). "The role of metals in mammalian olfaction of low molecular weight organosulfur compounds". Natural Product Reports. 34 (5): 529–557. doi:10.1039/c7np00016b. PMC 5542778. PMID 28471462.
  38. ↑ Keller, Andreas; Vosshall, Leslie B. (2004). "A psychophysical test of the vibration theory of olfaction". Nature Neuroscience (به انگلیسی). 7 (4): 337–338. doi:10.1038/nn1215. ISSN 1546-1726.
  39. ↑ Johnson PJ, Farag MH, Halpin A, Morizumi T, Prokhorenko VI, Knoester J, et al. (April 2017). "The Primary Photochemistry of Vision Occurs at the Molecular Speed Limit" (PDF). The Journal of Physical Chemistry B. 121 (16): 4040–4047. doi:10.1021/acs.jpcb.7b02329. PMID 28358485.
  40. ↑ Schoenlein, R. W.; Peteanu, L. A.; Mathies, R. A.; Shank, C. V. (1991-10-18). "The First Step in Vision: Femtosecond Isomerization of Rhodopsin". Science (به انگلیسی). 254 (5030): 412–415. doi:10.1126/science.1925597. ISSN 0036-8075.
  41. ↑ "The Human Eye and Single Photons". math.ucr.edu. Retrieved 2018-11-05.
  42. ↑ Loulakis, M.; Blatsios, G.; Vrettou, C. S.; Kominis, I. K. (2017-10-24). "Quantum Biometrics with Retinal Photon Counting". Physical Review Applied. 8 (4): 044012. doi:10.1103/PhysRevApplied.8.044012.
  43. ↑ Emerging Technology from the arXiv. "The unique way your eyes detect photons could be used to guarantee your identity, say physicists". MIT Technology Review (به انگلیسی). Retrieved 2018-11-08.
  44. ↑ Apte SP, Quantum biology: Harnessing nano-technology’s last frontier with modified excipients and food ingredients, J. Excipients and Food Chemicals, 5(4), 177–183, 2014
  45. ↑ Nagel ZD, Klinman JP (August 2006). "Tunneling and dynamics in enzymatic hydride transfer". Chemical Reviews. 106 (8): 3095–3118. doi:10.1002/chin.200643274. PMID 16895320.
  46. ↑ Gray HB, Winkler JR (August 2003). "Electron tunneling through proteins". Quarterly Reviews of Biophysics. 36 (3): 341–372. doi:10.1017/S0033583503003913. PMID 15029828. S2CID 28174890.
  47. ↑ Lambert N, Chen YN, Cheng YC, Li CM, Chen GY, Nori F (2013-01-01). "Quantum biology". Nature Physics. 9 (1): 10–18. Bibcode:2013NatPh...9...10L. doi:10.1038/nphys2474. ISSN 1745-2473.
  48. ↑ Nunn AV, Guy GW, Bell JD (August 2016). "The quantum mitochondrion and optimal health". Biochemical Society Transactions. 44 (4): 1101–1110. doi:10.1042/BST20160096. PMC 5264502. PMID 27528758.
  49. ↑ Morowitz H (1968). Energy Flow in Biology. New York and London: Academic Press. pp. 55–56, 103–105, 116.
  50. ↑ Physical biology: from atoms to medicine. Ahmed H. Zewail. London, UK: Imperial College Press. 2008. ISBN 978-1-84816-201-3. OCLC 294759396.
  51. ↑ Arndt M, Juffmann T, Vedral V (December 2009). "Quantum physics meets biology". HFSP Journal. 3 (6): 386–400. arXiv:0911.0155. doi:10.2976/1.3244985. PMC 2839811. PMID 20234806.
  52. ↑ Davies PC (January 2008). "A quantum origin of life?". Quantum aspects of life. Imperial College Press. pp. 3–18. doi:10.1142/9781848162556_0001. ISBN 978-1-84816-253-2.
  53. ↑ Friedman JR, Nunnari J (January 2014). "Mitochondrial form and function". Nature. 505 (7483): 335–343. Bibcode:2014Natur.505..335F. doi:10.1038/nature12985. PMC 4075653. PMID 24429632.
  54. ↑ Midzak A, Papadopoulos V (2016-07-29). "Adrenal Mitochondria and Steroidogenesis: From Individual Proteins to Functional Protein Assemblies". Frontiers in Endocrinology. 7: 106. doi:10.3389/fendo.2016.00106. PMC 4965458. PMID 27524977.
  55. ↑ Hore PJ, Mouritsen H (July 2016). "The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception". Annual Review of Biophysics. 45 (1): 299–344. doi:10.1146/annurev-biophys-032116-094545. PMID 27216936.
  56. ↑ Kominis, Iannis K. (2015-12-01). "The radical-pair mechanism as a paradigm for the emerging science of quantum biology". Modern Physics Letters B. 29 (Supplement 1): 1530013. doi:10.1142/S0217984915300136. ISSN 0217-9849.
  57. ↑ Schulten, Klaus; Swenberg, Charles E.; Weller, Albert (1978-01-01). "A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion". Zeitschrift für Physikalische Chemie (به انگلیسی). 111 (1): 1–5. doi:10.1524/zpch.1978.111.1.001. ISSN 2196-7156.
  58. ↑ Rodgers CT (2009-01-01). "Magnetic field effects in chemical systems". Pure and Applied Chemistry. 81 (1): 19–43. doi:10.1351/PAC-CON-08-10-18. ISSN 1365-3075.
  59. ↑ Steiner UE, Ulrich T (1989-01-01). "Magnetic field effects in chemical kinetics and related phenomena". Chemical Reviews. 89 (1): 51–147. doi:10.1021/cr00091a003. ISSN 0009-2665.
  60. ↑ Woodward, J. R. (2002). "Radical Pairs in Solution". Progress in Reaction Kinetics and Mechanism (به انگلیسی). 27 (3): 165–207. doi:10.3184/007967402103165388. ISSN 1468-6783.
  61. ↑ Wiltschko R, Ahmad M, Nießner C, Gehring D, Wiltschko W (May 2016). "Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark". Journal of the Royal Society, Interface. 13 (118): 20151010. doi:10.1098/rsif.2015.1010. PMC 4892254. PMID 27146685.
  62. ↑ Hore PJ, Mouritsen H (July 2016). "The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception". Annual Review of Biophysics. 45 (1): 299–344. doi:10.1146/annurev-biophys-032116-094545. PMID 27216936.
  63. ↑ Levine RD (2005). Molecular Reaction Dynamics. Cambridge University Press. pp. 16–18. ISBN 978-0-521-84276-1.
  64. ↑ Brune H, Ernst H, Grunwald A, Grünwald W, Hofmann H, Krug H, Janich P, Mayor M, Rathgeber W, Schmid G, Simon U (2006). Nanotechnology: Assessment and Perspectives. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. pp. 197–240. ISBN 978-3-540-32819-3.
آخرین نظرات
کلیه حقوق این تارنما متعلق به فرا دانشنامه ویکی بین است.