زیست شناسی کوانتومی

زیست شناسی کوانتومی مطالعهٔ کاربردهای مکانیک کوانتومی و شیمی نظری برای اهداف و مشکلات زیست شناختی است که نمی توان آنان را با فیزیک کلاسیک به طور دقیق شرح داد. [ ۱] بسیاری از فرایندهای زیست شناختی شامل تبدیل انرژی به اشکال قابل استفاده برای تحولات شیمیایی و از نظر ماهیت مکانیکی کوانتومی هستند. چنین فرایندهایی شامل واکنش های شیمیایی، جذب نور، تشکیل حالت های الکترونیکی برانگیخته، انتقال انرژی برانگیخته و انتقال الکترون ها و پروتون ها ( یون های هیدروژن ) در فرایندهای شیمیایی مانند فتوسنتز، بویایی و تنفس سلولی هستند. [ ۲] زیست شناسی کوانتومی ممکن است از محاسبات برای مدل سازی فعل و انفعالات زیست شناختی با توجه به اثرات مکانیکی کوانتومی استفاده کند. [ ۳] زیست شناسی کوانتومی مربوط به تأثیر پدیده های کوانتومی غیربدیهی است[ ۴] که می توان با کاهش روند زیست شناختی به فیزیک اساسی توضیح داد، اگرچه این تأثیرات مطالعه دشوار است و می تواند سوداگرانه باشد. [ ۵]
زیست شناسی کوانتومی زمینه ای نوظهور است. بیشتر پژوهش های حاضر نظری بوده و در معرض سؤالاتی است که نیاز به آزمایش بیشتر دارد. گرچه این رشته به تازگی توجه خاصی را به خود جلب کرده است، اما در طول قرن بیستم توسط فیزیکدانان مفهوم سازی شده است. پیشگامان اولیه فیزیک کوانتومی کاربردهای مکانیک کوانتومی را در مشکلات زیست شناختی مشاهده می کردند. در کتاب اروین شرودینگر در سال ۱۹۴۴ زندگی چیست؟ کاربردهای مکانیک کوانتومی در زیست شناسی مورد بحث قرار گرفته است. [ ۶] شرودینگر ایده «کریستال آپریودی» را که شامل اطلاعات ژنتیکی در مورد پیکربندی پیوندهای شیمیایی کووالانسی بود، معرفی کرد. وی همچنین پیشنهاد کرد که جهش ها توسط «جهش کوانتومی» معرفی می شوند. پیشکسوتان دیگر نیلز بور، پاسکوال جردن و مکس دلبروک استدلال می کردند که ایده کوانتومی مکمل برای علوم زیستی است. [ ۷] در سال ۱۹۶۳، Per - Olov Löwdin تونل زنی پروتون را به عنوان سازوکار دیگری برای جهش DNA منتشر کرد. وی در مقاله خود اظهار داشت که زمینه مطالعاتی جدیدی به نام «زیست شناسی کوانتومی» وجود دارد. [ ۸]
جاندارانی که تحت فتوسنتز قرار می گیرند نخست انرژی نور را از طریق فرایند تحریک الکترون در موج گیر جذب می کنند. این موج گیر میان جاندارها متفاوت است. باکتری ها می توانند از ساختارهای حلقه مانند به عنوان آنتن استفاده کنند، در حالی که گیاهان و جاندارهای دیگر از رنگدانه های کلروفیل برای جذب فوتون استفاده می کنند. این تحریک الکترون جدایی بار را در یک مکان واکنش ایجاد می کند که بعداً برای استفاده از سلول به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. 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. سازه های مختلف وظیفه انتقال انرژی از آنتن ها به محل واکنش را دارند. یکی از بهترین مورد مطالعه کمپلکس FMO در باکتری های گوگرد سبز است. مطالعات طیف سنجی الکترونی FT بازده بالای ۹۹٪ میان جذب الکترون ها و انتقال به محل واکنش با واسطه های کوتاه عمر را نشان می دهد. [ ۹] این راندمان بالا را نمی توان با مکانیک کلاسیک مانند یک مدل انتشار توضیح داد. یک مطالعه منتشر شده در سال ۲۰۰۷ ادعا کرد که انسجام کوانتومی الکترونیکی[ ۱۰] در دمای ۱۹۶ - درجه سانتیگراد ( 77K ) است. یک مطالعه بعدی بیشتر ادعا کرد انسجام کوانتومی به طرز خارق العاده و طولانی مدت در ۴ درجه سانتیگراد است که بیشتر فرض شده است که مسئول راندمان بالای انتقال تحریک میان رنگدانه های مختلف در مرحله برداشت نور از فتوسنتز است. [ ۱۱] بنابراین، این پیشنهاد شد که طبیعت از طریق تکامل راهی برای محافظت از انسجام کوانتومی برای افزایش کارایی فتوسنتز ایجاد کرده است. با این حال، مطالعات پیگیری بحرانی، تفسیر این نتایج را زیر سؤال می برد و آثارگزارش شده از انسجام کوانتومی الکترونیکی را به پویایی هسته ای در کروموفورها اختصاص می دهد. [ ۱۲] [ ۱۳] [ ۱۴] [ ۱۵] [ ۱۶] [ ۱۷] [ ۱۸] ادعاهای مربوط به زمان های همبستگی طولانی غیرمنتظره بسیاری از پژوهش ها را در جامعه فیزیک کوانتوم به وجود آوردند تا منشأ را توضیح دهند. تعدادی از پیشنهادها برای توضیح انسجام ادعا شده طولانی مدت ارائه شده است. 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 نمی ماند، بلکه از طریق پیاده سازی های کوانتومی به محل واکنش ادامه می یابد. [ ۱۹] [ ۲۰] [ ۲۱] پیشنهاد دیگر این است که میزان انسجام کوانتومی همراه با تونل زنی الکترون، سینک انرژی ایجاد می کند که الکترون را به سرعت به محل واکنش منتقل می کند. [ ۲۲] کار دیگر نشان می دهد که تقارن موجود در چیدمان هندسی مجموعه ممکن است انتقال انرژی کارآمد به مرکز واکنش را پشتیبانی کند، به گونه ای که شبیه انتقال حالت کامل در شبکه های کوانتومی باشد. [ ۲۳] با این حال، آزمایش های کنترل دقیق، در مورد این تفسیر که اثرات کوانتومی بیش از صد ماده فانتزی ثانویه ماندگار است، شک و تردید دارند. [ ۲۴] در سال ۲۰۲۰، یک بررسی مبتنی بر مجموعه گسترده ای از آزمایش های کنترل و نظریه نتیجه گرفت که ادعای اصلی اثرات کوانتومی به عنوان انسجام های الکترونیکی طولانی مدت در سامانه FMO وجود ندارد. [ ۲۵]