Biologia kwantowa
Piotr [email protected]
9 grudnia 2015
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Wstęp
Mechanika kwantowa – opisuje prawa ruchu cząstek mikroświata.Rozszerzenie praw ruchu obiektów mechaniki klasycznej, któraokazała się niepoprawna dla mikroskopijnych obiektów( cząsteczki).
Materia jest kwantowa: najmniejsze cząstki z których się składa (np.elektrony) przyjmują tylko określone wartości, w przeciwieńswie domechaniki klasycznej, gdzie wielkości fizyczne mogą zmieniać się odowolną wartość.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Wstęp
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
∆x ·∆px h
∆x – niepewność pomiaru współrzędnej położenia,∆px – niepewność pomiaru odpowiedniej składowej pędu,h – stała Plancka.
Mozna uogólnić do energii procesu fizycznego i czasu, w jakim tenproces zachodzi.
Zasada nieoznaczoności mówi o tym, że istnieją pary wielkości, któ-rych nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością.Dokładność pomiaru jednej z nich wpływa na drugą.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Bóg nie gra w kości?
Mechanika kwantowa nie umożliwia nieskończenie dokładnego po-miaru jednocześnie pędu i położenia dla cząstki −→ pozwala prze-widywać jedynie średnie wynki i oceniać prawdopodobieństwo moż-liwych wyników.
wprowadzenie do nauki przypadkowości i nieprzewidywalności.
Stan kwantowy – pewna kombinacja informacji na tematpołożenia i prędkości.
„Bóg nie gra w kości” – Einstein uważał, że światem nie możerządzić przypadek.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Wstęp
Chemia teoretyczna – zajmuje się zagadnieniami chemicznymi odstrony teoretycznej, tzn. z pominięciem wykonywaniaeksperymentów, wyjaśnianie wyników.
przewidywanie właściwości chem. i fiz. (np. na podstawiestruktury związku),
przewidywanie przebiegu reakcji chem.,
modelowanie cząstek.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Biologia kwantowa
Biologia kwantowa – to zastosowanie mechaniki kwantowej ichemii teoretycznej do obiektów i problemów biologicznych.
Pierwsze wzmianki o potencjalnej roli mechaniki kwantowej w biolo-gii: P. Jordan, Die Physik und das Geheimnis des organischen Lebens[1943].
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Biologia kwantowa
Wiedza z fizyki cząstek nie była potrzebna do zrozumienia zjawiskbiologicznych - pozornie nieznaczna rola efektów kwantowych:1 Systemy biologiczne są w sposób ciągły zasilane w energię,
aby utrzymywać życie w stanie równowagi.2 Wahania środowiskowe w układach biologicznych:dekoherencja kwantowa, czyli nieodwracale oddziaływanie ześrodowiskiem w efekcie eliminacja dynamiki kwantowej.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Biologia kwantowa – poszukiwania
Fundamentalne procesy dla funkcji biologicznych są bardzo szybkie(pikosekudy) i dobrze zlokalizowane (rozmiary białek – kilka nano-metrów) −→ szansa na wykazanie efektów kwantowych zanim zo-staną zaszumione przez środowisko.
Według badań informatyki kwantowej szum termiczny w stacjonar-nych systemach nierównowagi może w rzeczywistości potwierdzaćkoherencję kwantową – zależność między obiektem a środowiskiemmoże nie być tłumiona, lecz wzmocniona.
Jak się okazuje zjawiska kwantowe (np. tunelowanie kwantowe) sąrzeczywiście obserwowane w biologicznych układach.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Zjawiska kwantowe z perspektywy ewolucji
Czy natura nauczyła się wykorzystywać efekty kwantowe?
Wydajność obliczeń kwantowych > wydajność obliczeń klasycznych(informatyka).
poprawa wydajności
więcej dróg rozwoju
a może zmniejszenie (szkodliwego) wpływu zjawiskkwantowych?
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Hierarchiczna struktura systemów biologicznych
Na pewnym poziomie spodziewamy się zaobserwować zjawiska kwan-towe.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Dynamika układów biologicznych
Mechanika kwantowa dotyczy ruchu małych cząstek.
Układy biologiczne są „zasilane” w energię −→transfer/transport energii w postaci elektronów, protonów,jonów.
Transport większych molekuł m.in. białka, peptydy.
Transport jako przekazywanie sygnałów, impulsów.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Procesy biologiczne
Procesy znane w klasycznej biologii można badać pod kątem biologiikwantowej.
Fotosynteza (faza jasna)
Magnetorecepcja
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fotosynteza
Biochemiczny proces wytwarzaniazwiązków organicznych z materiinieorganicznych, zachodzi w komórkachzawierających chlorofil (bakteriochlorofil)przy udziale światła.
Uproszczony wzór reakcji:
6H2O + 6CO2 + energy → C6H12O6 + 6O2
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fotosynteza
Dlaczego w ogóle warto badać fotosyntezę?
W kontekście przemysłowym: najlepsze ogniwa słoneczne tworzoneprzez człowieka mają sprawność ok. 20%. W procesie fotosyntezywykorzystywane jest blisko 100% fotonów padających na powierzch-nię liścia (lub bakterii). Dzieje się tak dzięki barwnikom. Badania naglonach wykazały, że:
β-karoten przekazuje chlorofilowi 10% energii świetlnej,
luteina – 60%,
fukoksantyna – 100%.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fotosynteza - absorbcja światła
Chlorofil absorbuje kwant światła. Cząsteczka barwnika przechodzido odpowiedniego stanu. Tylko z pierwszego stanu wzbudzonegonastępuje emisja elektronu do centrum reakcji (energia ze wzoru).
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fenna-Mathews-Olson complex
Struktura molekuł bakteriochlorofilu, cząsteczki rozmieszczone naszkielecie białkowym. Służą do transportowania wzbudzeń elektrycz-nych (ekscytonów) w obecności drgań otoczenia (wibracje towarzy-szą transferowi energii).
Siarkowe bakterie zielone (green sulfur bacteria) - beztlenowa foto-synteza.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fenna-Mathews-Olson complex
Zbieranie i przenoszenie energii w FMO wykorzystuje procesy me-chaniczne i kwantowe skutkiem czego efektywność energetyczna wy-nosi niemal 100%.
Czy natura potrafi stworzyć i optymalizować FMO do stworzeniasieci transportowych, które wykorzystują dynamikę kwantową ichelektronicznych stopni swobody i ich interakcję z zorganizowanegowibracyjnej środowiska?
Fotony muszą znaleźć centrum reakcji w matrycy (sieci) białkowej,żeby przekazać dalej energię. Losowe przeszukiwanie kolejnych czą-steczek chlorofilu może zająć zbyt dużo czasu i foton utraci swojąenergię!
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Schemat przekazywania energii do centrum reakcji
1 – foton (kwant światła), 2 – cząsteczka chlorofilu, 3 – centrumreakcji, 4 – wybity elektron, 5 – fotoukład.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fenna-Mathews-Olson complex
Superpozycja stanów – do momentu przeprowadzenia pomiaru,tzn. stwierdzenia, co dzieje się z obiektem, jego stan jest fundamen-talnie nieokreślony.
Foton może podróżować wszystkimi ścieżkami w materiale w tymsamym czasie. Gdy foton znajdzie cel, następuje załamanie funkcjifalowej fotonu i jego energia jest dostępna.
Jednakmechanika kwantowa ma też niekorzystne efekty: cząsteczkanawet w stanie kwantowym może oddziaływać z otoczeniem i od-działywania te mogą działać jak pomiary.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Fenna-Mathews-Olson complex
Lokalizacja Andersona – stan kwantowy działa jak fala, jest po-datny na wpływ zakłóceń, które uniemożliwiają propagowanie stanukwantowego w losowej sieci.
Efekt kwantowy Zenona – zjawisko spowolnienia ewolucji układukwantowego przez częste wykonywanie na nim pomiarów.
Wzajemne połączenie tych procesów pozwala na dostarczenie energiiw sposób optymalny:
interakcja z otoczeniem zapobiega lokalizacji Andersona(zmienia charakter stanu kwantowego przypominający falę),
efekt kwantowy Zenona wydłuża czas życia stanu kwantowegoumożliwiając znalezienie centrum reakcji.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Odniesienie do informatyki
Problem znalezienia centrum reakcji w matrycy białkowej jest for-malnie równoważny wielu problemom informatycznym. Jeśli zmapu-jemy znane informatyczne problemy na wyszukiwanie centrum re-akcji, możemy zauważyć, że zbieranie światła działa jak urządzenieobliczeniowe.
Stany kwantowe są bardzo delikatne i fizycy potrafią je utrzymywaćtylko w ściśle kontrolowanych warunkach i w niskiej temperaturze.Komputery oparte na sztucznych kompleksach zbierania światła mo-głyby działać w wyższych temperaturach co zwiększyło by wydajność(100-1000 razy wg Vattaya i Kaufmanna [Kau13]).
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Magnetorecepcja
Magnetorecepcja - wiele zwierząt (ale równieżbakterie) posiada zdolność do wykrywania liniiziemskiego pola magnetycznego. Uznaje się, żereceptorem jest odkryty w wielu organizmachmateriał magnetyczny.
Istnieje rodzina bakterii (bakterie magnetotaktyczne - MTB), któreposiadają organellum o nazwie magnetosom, które zawiera kryształkimagnetytu.
W przypadku ptasiej magnetorecepcji mówi się o wykorzystaniu me-chanizmu chemicznego kompasu.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Chemiczny kompas
Pojęcia:
Para rodników – para związanych cząsteczek, z których każda maniesparowany elektron.Donor – cząsteczka, która dostarcza elektron/proton/grupę funk-cyjną innym cząsteczkom.Akceptor – cząsteczka, która przyjmuje elektron/proton/grupę funk-cyjną od innych.Spin - moment pędu cząstki związany z obrotem w abstrakcyjnejprzestrzeni spinowej.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Chemiczny kompas
Światło pada na siatkówkę oka ptaka w którym znajdują się krypto-chromy (fotoreceptory światła). Początkowo donor i akceptor są wstanie podstawowym.
Absorbcja fotonu wywołuje przeniesienie pojedynczego elektronu zdonora do akceptora, przez co tworzy się para rodników (która trwakilkanaście milisekund, zanim rozpadnie się w produkty reakcji).Para niesparowanych elektronów. Na tym etapie nie ma jeszcze wraż-liwości na zewnętrzne pole magnetyczne.
Stan spinów elektronów zmienia się pod wpływem oddziaływań ją-drowych z jąder przyjmujących. Produkty reakcji zależą od tego wjakim stanie są elektrony. Produkty reakcji są biologicznie wykry-walne, a dokładnie wyczuwane przez kryptochromy w oku ptaka.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Magnetorecepcja - podsumowanie
Magnetorecepcja to przykład kooperacji kwantowego spinu cząstek(elektronów) i ich interakcji z jądrowym spinem środowiska - bezśrodowiska nie byłoby mowy o wrażliwości na pole magnetyczne.
Rudzik (rudzik zwyczajny) (Erithacus rube-cula) – gatunek małego ptaka wędrownego za-mieszkującego całą Europę. Zimuje w południo-wej i zachodniej Europie. Wykorzystuje mecha-nizm kompasu chemicznego.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Źródła
Gabor Vattay & Stuart Kauffman, Evolutionary Design inBiological Quantum Computing, 2013.
Neill Lambert, Yueh-Nan Chen, Yuan-Chung Cheng, Che-MingLi, Guang-Yin Chen and Franco Nori, Quantum biology, 2012.
S.F. Huelga & M.B. Plenio, Vibrations, quanta and biology,2013.
Piotr Walkiewicz [email protected] Biologia kwantowa
Top Related