Sinh học lượng tử: Khám phá động lực học lượng tử trong các hệ sinh học

Springer Science and Business Media LLC - Tập 59 - Trang 1-7 - 2016
Jianming Cai1,2
1School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China
2Center of Quantum Optics Science, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China

Tóm tắt

Trong những năm gần đây, con người đã mở rộng các khái niệm phát triển trong khoa học thông tin lượng tử để khám phá động lực học lượng tử trong các hệ sinh học. Sự tồn tại của độ nhất quán lượng tử trong một số quá trình sinh học đã được xác định trong một số thí nghiệm. Vai trò của độ nhất quán lượng tử và rối lượng tử đã được điều tra cẩn thận, cho thấy rằng hiệu ứng lượng tử là quan trọng trong các quá trình này mặc dù theo cách phức tạp hơn. Trong khi đó, những phát hiện này thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp thí nghiệm mới để tiết lộ thêm các kịch bản sinh học trong đó hiệu ứng lượng tử tồn tại và đóng vai trò không tầm thường. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực sinh học lượng tử và thảo luận về các thách thức chính trong sự phát triển tiếp theo của sinh học lượng tử.

Từ khóa

#sinh học lượng tử #động lực học lượng tử #độ nhất quán lượng tử #rối lượng tử #thí nghiệm sinh học

Tài liệu tham khảo

Schrödinger E. What is Life? Cambridge: Cambridge University Press, 1992 Davies P C W. Quantum Aspects of Life. London: Imperial College Press, 2008 Mohseni M, Omar Y, Engel G S, et al. Quantum Effects in Biology. Cambridge: Cambridge University Press, 2014 Huelga S F, Plenio M B. Vibrations, quanta and biology. Contemp Phys, 2013, 54: 181–207 Lambert N, Chen Y-N, Cheng Y-C, et al. Quantum biology. Nat Phys, 2013, 9: 10–18 Zurek W H. Decoherence and the transition from quantum to classical. Phys Today, 1991, 44: 36 Scholes G D, Fleming G R, laya-Castro A O, et al. Lessons from nature about solar light harvesting. Nat Chem, 2011, 3: 763–774 Adolphs J, Renger T. How proteins trigger excitation energy transfer in the FMO complex of green sulphur bacteria. Biophys J, 2006, 91: 2778–2797 Engel G S, Calhoun T R, Read E L, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature, 2007, 446: 782–786 Collini E, Wong C Y, Wilk K E, et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature, 2010, 463: 644–647 Panitchayangkoon G, Hayesa D, Fransted K A, et al. Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature. Proc Nat Acad Sci USA, 2010, 107: 12766–12770 Panitchayangkoon G, Voronine D V, Abramavicius D, et al. Direct evidence of quantum transport in photosynthetic light-harvesting complexes. Proc Nat Acad Sci USA, 2011, 108: 20908–20912 Plenio M B, Huelga S F. Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules. New J Phys, 2008, 10: 113019 Mohseni M, Robentrost P, Lloyd S, et al. Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer. J Chem Phys, 2008, 129: 176106 Lee H, Cheng Y-C, Fleming G R. Quantum coherence accelerating photosynthetic energy transfer. In: Proceedings of the 16th International Conference on Ultrafast Phenomena, Palazzo dei Congressi Stresa, 2008. 607–609 Rebentrost P, Mohseni M, Kassal I, et al. Environment-assisted quantum transport. New J Phys, 2009, 11: 033003 Ishizaki A, Fleming G R. Theoretical examination of quantum coherence in a photosynthetic system at physiological temperature. Proc Nat Acad Sci USA, 2009, 106: 17255–17260 Renger T. Theory of excitation energy transfer: from structure to function. Photosynth Res, 2009, 102: 471–485 Wu J L, Liu F, Shen Y, et al. Efficient energy transfer in light-harvesting systems, I: optimal temperature, reorganization energy, and spatial-temporal correlations. New J Phys, 2010, 12: 105012 Hoyer S, Sarovar M, Whaley K B. Limits of quantum speedup in photosynthetic light harvesting. New J Phys, 2010, 12: 065041 Yang S, Xu D Z, Song Z, et al. Dimerization-assisted energy transport in light-harvesting complexes. J Chem Phys, 2010, 132: 234501 Yen T-C, Cheng Y-C. Electronic coherence effects in photosynthetic light harvesting. Proc Chem, 2011, 3: 211–221 Ghosh P K, Smirnov A Y, Nori F. Quantum effects in energy and charge transfer in an artificial photosynthetic complex. J Chem Phys, 2011, 134: 244103 Cui B, Zhang X Y, Yi X X. Quantum dynamics in light-harvesting complexes: beyond the single-exciton limit. arXiv:1106.4429 Li C-M, Lambert N, Chen Y-N, et al. Witnessing quantum coherence: from solid-state to biological systems. Sci Rep, 2012, 2: 885 Ringsmuth A K, Milburn G J, Stace T M. Multiscale photosynthetic and biomimetic excitation energy transfer. Nat Phys, 2012, 8: 562–567 Chin A W, Prior J, Rosenbach R, et al. Vibrational structures and long-lasting electronic coherence. Nat Phys, 2013, 9: 113–118 Qin M, Shen H Z, Yi X X. A multi-pathway model for photosynthetic reaction center. arXiv:1507.00001 Lim J, Palecek D, Caycedo-Soler F, et al. Vibronic origin of long-lived coherence in an artificial molecular light harvester. Nat Commun, 2015, 6: 7755 Wiltschko W, Traudt J, Gunturkun O, et al. Lateralization of magnetic compass orientation in a migratory bird. Nature, 2002, 419: 467–470 Ritz T, Thalau P, Phillips J B, et al. Resonance effects indicate a radical pair mechanism for avian magnetic compass. Nature, 2004, 429: 177–180 Wiltschko R, Stapput K, Thalau P, et al. Directional orientation of birds by the magnetic field under different light conditions. J Roy Soc Interf, 2010, 7: 163–177 Ritz T, Adem S, Schulten K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys J, 2000, 78: 707–718 Ritz T, Wiltschko R, Hore P J, et al. Magnetic compass of birds is based on a molecule with optimal directional sensitivity. Biophys J, 2009, 96: 3451–3457 Ritz T. Quantum effects in biology: bird navigation. Proc Chem, 2011, 3: 262–275 Maeda K, Robinson A J, Henbest K B, et al. Magnetically sensitive light-induced reactions in cryptochrome are consistent with its proposed role as a magnetoreceptor. Proc Nat Acad Sci USA, 2012, 109: 4774–4779 Rodgers C T, Hore P J. Chemical magnetoreception in birds: the radical pair mechanism. Proc Nat Acad Sci USA, 2009, 106: 353–360 Ritz T, Ahmad M, Mouritsen H, et al. Photoreceptor-based magnetoreception: Optimal design of receptor molecules, cells, and neuronal processing. J Roy Soc Interf, 2010, 7: S135–S146 Schulten K, Swenberg C E, Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion. Z Phys Chem, 1978, 111: 1–5 Steiner U, Ulrich T. Magnetic field effects in chemical kinetics and related phenomena. Chem Rev, 1989, 89: 51–147 Maeda K, Henbest K B, Cintolesi F, et al. Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature, 2008, 453: 387–390 Gauger E M, Rieper E, Morton J J L, et al. Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass. Phys Rev Lett, 2011, 106: 040503 Bandyopadhyay J N, Paterek T, Kaszlikowski D. Quantum coherence and sensitivity of avian magnetoreception. Phys Rev Lett, 2012, 109: 110502 Cai J M, Guerreschi G G, Briegel H J. Quantum control and entanglement in a chemical compass. Phys Rev Lett, 2010, 104: 220502 Yang L P, Ai Q, Sun C P. Generalized Holstein model for spin-dependent electron transfer reaction. Phys Rev A, 2012, 85: 032707 Cai J M, Plenio M B. Chemical compass model for avian magnetoreception as a quantum coherent device. Phys Rev Lett, 2013, 111: 230503 Turin L. A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception. Chem Sens, 1996, 21: 773–791 Brookes J C, Hartoutsiou F, Horsfield A P, et al. Could humans recognize odor by phonon-assisted tunneling? Phys Rev Lett, 2007, 98: 038101