Piotr Walkiewicz piotr.walkiewicz@yahoo - sirius.cs.put...

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.


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.


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.


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.


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].


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.


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.


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?


Hierarchiczna struktura systemów biologicznych

Na pewnym poziomie spodziewamy się zaobserwować zjawiska kwan-towe.


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.


Weryfikacja efektów kwantowych


Procesy biologiczne

Procesy znane w klasycznej biologii można badać pod kątem biologiikwantowej.

Fotosynteza (faza jasna)

Magnetorecepcja


Fotosynteza

Biochemiczny proces wytwarzaniazwiązków organicznych z materiinieorganicznych, zachodzi w komórkachzawierających chlorofil (bakteriochlorofil)przy udziale światła.

Uproszczony wzór reakcji:

6H2O + 6CO2 + energy → C6H12O6 + 6O2


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%.


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).


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.



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!


Schemat przekazywania energii do centrum reakcji

1 – foton (kwant światła), 2 – cząsteczka chlorofilu, 3 – centrumreakcji, 4 – wybity elektron, 5 – fotoukład.



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.



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.


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]).


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.


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.


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.


Chemiczny kompas - ilustracja


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.


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 piotr.walkiewicz@yahoo - sirius.cs.put...

Documents

Transcript of Piotr Walkiewicz piotr.walkiewicz@yahoo - sirius.cs.put...