Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность

Рис. 1. FMO-комплекс

Рис. 1. FMO-комплекс, с помощью которого зеленые серобактерии улавливают свет и эффективно перебрасывают энергию поглощенного фотона в реакционный центр. Электронное возбуждение должно пройти непростой путь от точки поглощения фотона (1) до точки сброса энергии в реакционный центр (3), и, как показывают эксперименты, без квантовых эффектов здесь не обойтись. Изображение из статьи N. Lambert et al., 2012. Quantum biology

Несколько лет назад было доказано, что на начальных этапах фотосинтеза в бактериях и растениях работают квантовые эффекты. Энергия поглощенного фотона порождает электронное возбуждение, которое удивительно быстро и эффективно передается в реакционный центр фотосистемы. Этот процесс работает столь слаженно именно за счет квантовой когерентности промежуточных возбуждений. Однако в понимании этого квантового процесса оставались загадки, которые удалось разрешить только сейчас. В двух работах, опубликованных в Nature Physics и Nature Chemistry, было показано, что когерентность эта — не чисто электронная, а вибронная, то есть связывающая в единое целое электронное возбуждение и атомное колебание внутри молекулы. Этот результат не только проясняет фундаментальный механизм фотосинтеза, но и позволяет рассчитывать на то, что опыт природы будет использован для создания еще более эффективных светочувствительных элементов.

Квантовые эффекты в биологии

С микроскопической точки зрения жизнь — это длинная череда огромного количества параллельно протекающих атомных и электронных процессов. Но атомы и электроны подчиняются законам квантовой механики. Отсюда возникает совершенно естественный вопрос: не использует ли жизнь, хоть в каком-то своем проявлении, квантовые эффекты?

На тему квантовых эффектов в биологии надо говорить очень аккуратно. Во-первых, надо избегать переливания из пустого в порожнее. Квантовая механика ответственна за существование и свойства атомов и молекул, а значит, определяет и свойства вещества, как живого, так и неживого. Это — тривиальное приложение квантовой механики, и непосредственно к биологии оно не относится. Во-вторых, не следует впадать и в ничем не обоснованные фантазии. Существует достаточно много попыток разной степени маргинальности привязать квантовомеханические эффекты к наследственности, к биологической эволюции и даже к природе сознания. Эти предположения, повторюсь, спекулятивны, и они сталкиваются со стеной критики, преодолеть которую не могут.

Однако между этими двумя крайностями есть и настоящие научные вопросы. Существуют ли биологически важные молекулы или их крупные комплексы, которые реально используют нетривиальные, «негарантированные» квантовые эффекты для выполнения своих функций? «Негарантированные» они в том смысле, что они не определяются свойствами отдельных атомов, а возникают только в сложных молекулах специального вида; что их биологический эффект невозможно объяснить во всех деталях без привлечения квантовой механики.

Несколько десятилетий назад это были спорные вопросы. Сейчас мы уже знаем ответ: да, существуют, и такие молекулы реально работают в живых организмах. Этих примеров пока не так много, но тот факт, что они есть, во-первых, впечатляет сам по себе, а во-вторых, может оказаться очень полезным для разработки новых, еще более эффективных технологий. Краткий обзор квантовых эффектов в биологии см. в популярной заметке Зарождение квантовой биологии, а более серьезное обсуждение — в недавнем обзоре в журнале Nature Physics, а также в только что опубликованной книге Quantum Effects in Biology.

Квантовая когерентность при фотосинтезе

Один из самых ярких и изученных эффектов касается механизма фотосинтеза, а точнее, самых первых его этапов. Сложный молекулярный комплекс, используемый бактериями и растениями для улавливания света, поглощает фотон и возбуждает электронную структуру молекулы. Это электронное возбуждение обычно находится вдали от реакционного центра — той части комплекса, которая способна использовать это возбуждение для создания долгоживущего мембранного электрического потенциала или для каких-то иных целей. В результате перед фотосистемой встает задача — передать электронное возбуждение от точки поглощения фотона к точке передачи энергии в реакционный центр (рис. 1).

В принципе, такая передача может происходить и обычным способом. За счет взаимодействия между молекулами электронное возбуждение просто перескакивает с одного островка на другой, пока не достигает нужной точки. Здесь каких-то специальных квантовомеханических эффектов вроде как и не требуется. Проблемы, однако, начинаются тогда, когда пытаешься сопоставить числа. Известно, что эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия практически каждого поглощенного фотона достигает реакционного центра, а не теряется по пути. Заметьте, это всё происходит не в стерильных лабораторных условиях, а при комнатной температуре в реальных молекулах, погруженных в биологический раствор и постоянно подвергающихся хаотическим тепловым столкновениям с окружающими молекулами. Кроме того, было отмечено, что этот процесс протекает поразительно быстро; настолько быстро, что время переброса граничит с минимально разрешенным по законам квантовой механики!

Теоретическое моделирование показало, что при заданном пространственном расположении только специально подобранная квантовая связь между островками способна так быстро передавать возбужденное состояние. «Квантовость» здесь проявляется в том, что первоначальное возбуждение не прыгает с одного конкретного островка на другой. Оно делокализуется, одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение на нужном островке — это и есть квантовая когерентность. А в 2007 году, с помощью недавно разработанной методики двумерной электронной спектроскопии 2DES (см. ниже), были проведены эксперименты со светочувствительным FMO-комплексом зеленых серобактерий, которые убедительно доказали, что перемещение электронного возбуждения действительно идет в соответствии с квантовыми законами и использует квантовую когерентность.

Вибронный механизм передачи энергии

Доказательство причастности квантовой когерентности к биологическим светоиндуцированным процессам не только стало ключевым открытием в этой области биофизики, но и породило новые загадки. Главная из них — непонятная живучесть квантовой когерентности. Вообще говоря, электронные процессы в молекулах развиваются на фемтосекундных временных масштабах. На временах порядка пикосекунды (1 пс = 1000 фс) уже активно шевелятся сами атомы за счет теплового движения. По идее, это хаотичное тепловое движение должно разрушать квантовую когерентность электронных возбуждений. Однако эксперименты упорно показывают, что эта когерентность живет пикосекунду и больше (рис. 2).

Рис. 2. По данным измерений квантовая когерентность длится дольше пикосекунды

Рис. 2. Измерения, проведенные по технологии двумерной электронной спектроскопии, показывают, что квантовая когерентность, на которую указывает колебание сигнала, длится свыше пикосекунды. Для чисто электронных колебаний, которые живут на фемтосекундных масштабах, это неожиданно долго. Эта когерентность есть как при низких температурах (слева), так и при комнатных (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

Эта загадка породила множество споров и шквал новых исследований. Особый интерес вызвала предложенная два года назад идея о том, что в основе этого явления лежит не экситонный (то есть чисто электронный), а вибронный (колебательный) механизм передачи энергии света. Говоря простыми словами, в этой модели получалось, что колебания атомов не разрушают, а скорее, наоборот, поддерживают квантовую когерентность возбуждения, предохраняют ее от хаотического воздействия окружающих молекул.

Здесь стоит дать небольшое пояснение к терминам «экситонный» и «вибронный».

В сплошном веществе, например в кристалле, из-за тесного расположения и сильной связи отдельных ионов и электронов меняется само понятие того, кто путешествует по кристаллу и что он переносит. По кристаллу перемещаются не частицы в их «первозданном виде», в котором они существуют в вакууме, а коллективные возмущения, квазичастицы. Так, электрон проводимости в кристалле ведет себя совсем не так, чем электрон в вакууме. Колебания кристаллической решетки переносятся в виде коллективных атомных движений, фононов. В молекулярных кристаллах, в которых в каждом узле сидит сложная молекула, существуют экситоны — локализированные внутри молекулы электронные возбуждения, передающиеся от молекулы к молекуле и таким способом перемещающиеся по кристаллу.

Вдобавок к этому, все эти типы квазичастиц могут влиять друг на друга. Они могут даже связываться друг с другом и путешествовать вместе. Вибронное возбуждение (или просто виброн) — это совместное, сцепленное колебание электронов и отдельных атомов внутри сложных молекул; это, фактически, связанное состояние экситонов и фононов. Вибронные колебания не требуют для своего существования кристаллов, они могут проявляться и внутри одной достаточно сложной молекулы.

Предположение о ключевой роли вибронных колебаний в механизме фотосинтеза было тут же подвергнуто всестороннему анализу. Были предложены методы, с помощью которых удалось бы различить экситонный и вибронный механизмы, было развито и теоретическое описание явления.

В 2014 году уже пошли экспериментальные результаты. Так, в январе, на примере относительно простых молекул в растворах, было продемонстрировано, что квантовая когерентность в молекуле действительно держится на пикосекундном масштабе за счет вибронных возбуждений. Это, однако, было лишь доказательством того, что такое явление работает в принципе, и теперь требовалось проверить, присутствует ли оно в реальных фотосинтетических системах, которые используются живыми организмами. И только две недели назад в журналах Nature Physics и Nature Chemistry были одновременно опубликованы две статьи, окончательно доказывающие наличие и важную роль вибронного механизма передачи возбуждения в реальных фотосистемах.

Рис. 3. Два примера локализованных электронных возбуждений в фотосистеме II

Рис. 3. Два примера локализованных электронных возбуждений в фотосистеме II. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

В обеих работах изучался не FMO-комплекс бактерий, а хлорофилл-содержащая фотосистема II, используемая растениями для фотосинтеза. Она тоже представляет собой комплекс связанных молекул, в разных местах которого могут существовать электронные возбуждения с частичным разделением заряда (рис. 3). Их энергии возбуждения слегка отличаются друг от друга. Это, с одной стороны, позволяет комплексу поглощать свет в довольно широком диапазоне частот, а с другой стороны, намекает на то, что для переброски энергии между разными типами экситонного возбуждения требуется некоторое дополнительное колебание, которое и обеспечивается вибронами.

И наконец, еще одно немаловажное наблюдение. В реальных условиях пространственная структура этого комплекса не строго фиксирована, а допускает разные конформации входящих в него белков. Тем не менее эффективность улавливания света и передачи его в реакционный комплекс от этого не страдает. Это означает, что этот механизм должен быть достаточно гибким, он должен функционировать и при умеренных искажениях структуры, что тоже намекает на участие в этом процессе движения атомов.

Рис. 4. Методика двумерной электронной спектроскопии напоминает усовершенствованный вариант метода накачки-зондирования

Рис. 4. Методика двумерной электронной спектроскопии напоминает усовершенствованный вариант метода накачки-зондирования

Главным экспериментальным методом обеих статей, — да и вообще всех работ по проверке квантовой когерентности в молекулах — стал метод двумерной электронной спектроскопии (2DES). Основная его идея в упрощенном виде проиллюстрирована на рис. 4. Этот метод в чем-то напоминает усовершенствованный вариант старой доброй методики «накачки-зондирования» — рабочей лошадки всей физики быстропротекающих процессов (см., например, интерактивный плакат Мгновение).

В методе накачки-зондирования мы с помощью очень короткого лазерного импульса наносим по образцу «удар», который запускает в нем некоторое колебание, а затем с помощью второго импульса запечатлеваем состояние системы спустя настраиваемое время T. В методе 2DES мы поступаем хитрее: сначала с помощью пары импульсов мы запускаем колебание с частотой ω1, а затем спустя время T мы пытаемся запечатлеть колебание с другой частотой ω2. Для каждой пары частот ω1 и ω2 мы получаем некоторую интенсивность сигнала; именно эти пары чисел показаны разными цветами на рис. 2. Перебирая разные частоты, мы строим интенсивность на двумерном графике, на плоскости частот (ω1, ω2), отсюда и слово «двумерная». Если на этой плоскости появляется заметный пик при несовпадающих частотах ω1 ≠ ω2, это означает, что в промежутке длительности T продолжалось (и не исчезло!) какое-то дополнительное колебание, которое и свидетельствует о наличии когерентности.

Измеряя положения пиков, можно выяснить, что это было за дополнительное колебание и какова была его частота. Именно так в двух новых работах и было установлено, что эти дополнительные частоты отвечают вибронным колебаниям, спектроскопия которых была уже известна. Дополнительным подтверждением послужило сравнение с результатами моделирования: чисто экситонное возбуждение теряло когерентность на масштабе в сотни фемтосекунд, и только при учете вибронных колебаний когерентность жила свыше пикосекунды.

Дальше перед исследователями открываются новые вопросы и новые возможности. Детальное понимание квантовых эффектов в фотосинтезе, возможно, поможет создать новые светочувствительные элементы с эффективностью близкой к 100% — то, что современным технологиям пока не под силу. Ну а биологи могут попробовать разобраться, каким же образом в ходе эволюции возникла и реализовалась эта «догадка природы» — использовать квантовые эффекты для наилучшего улавливания света и использования его энергии.

Источники:
1) E. Romero et al. Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion // Nature Physics. 2014. Advanced online publication. DOI:10.1038/nphys3017.
2) F. D. Fuller et al. Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis // Nature Chemistry. 2014. Advanced online publication. DOI:10.1038/nchem.2005.

Игорь Иванов


91
Показать комментарии (91)
Свернуть комментарии (91)

  • niki  | 28.07.2014 | 11:25 Ответить
    По моему слово "квантовый" здесь используется как синоним "здесь есть кое что интересное".
    Ответить
    • Игорь Иванов > niki | 28.07.2014 | 12:13 Ответить
      Вы хотите сказать, что вам кажется, что «квантовый» здесь используется только для красного словца? Нет, тут реальная квантовая динамика есть. Простейший вариант — это описание FMO-комплекса как систему из нескольких связанных потенциальных ям. При определенной настройке взаимодействия эволюция электрона из начальной ямы в конечную идет быстрее, чем просто последовательные перескоки из одной ямы в другую, и описать это можно лишь при квантовомеханическом моделировании.
      Ответить
      • niki > Игорь Иванов | 28.07.2014 | 15:52 Ответить
        А что "последовательные перескоки" можно описать динамикой Ньютона?
        Ответить
        • Игорь Иванов > niki | 28.07.2014 | 20:50 Ответить
          Последовательные перескоки вы можете запараметризовать квазиклассически, не стараюсь вывести это откуда-то. Это означает, что вы соглашаетесь, что там «унутре» на уровне атомов как-то работает квантовая механика, которая обеспечивает свойства электронов в молекуле и его перескок, но за пределами каждой конкретной пары молекул-островков квантовые эффекты теряются. Пользуясь моей терминологией в заметке — вы принимаете, что существуют тривиальные квантовые эффекты, но никаких квантовых явлений, охватывающих несколько молекул, вы не принимаете в рассмотрение. Скажем, школьная молекулярная физика так же делает, по сути: мы согласны с тем, что есть неубиваемые молекулы или атомы, но когда описываем их столкновения, считаем, что это локализованные частицы, без каких-либо квантовых заморочек.

          Наблюдение тут состоит в том, что этот подход данные по фотосинтезу не воспроизводит.
          Ответить
          • niki > Игорь Иванов | 01.08.2014 | 13:08 Ответить
            "Пользуясь моей терминологией в заметке — вы принимаете, что существуют тривиальные квантовые эффекты, но никаких квантовых явлений, охватывающих несколько молекул, вы не принимаете в рассмотрение."

            Извините, не принимаю такую терминологию. Наколько я знаю, такой классификации квантовых явлений нет.
            Ответить
            • Игорь Иванов > niki | 02.08.2014 | 16:57 Ответить
              Понимаете, ваш исходный вопрос означает, что вам не всё было понятно в описании явления, иначе бы вы всё прочитали в оригинальных статьях. Поэтому ответ на ваш вопрос дан в научно-популярных выражениях. Если они вам не нравятся по той причине, что не используются в научной литературе, возвращаемся к началу: вы можете прекрасно посмотреть, как это всё описывается в научной литературе. Я, честно говоря, не очень понимаю смысла игры в слова.
              Ответить
              • niki > Игорь Иванов | 03.08.2014 | 09:58 Ответить
                Какой вопрос?
                Ответить
              • niki > Игорь Иванов | 03.08.2014 | 09:58 Ответить
                Какой вопрос?
                Ответить
  • Teodor  | 28.07.2014 | 14:32 Ответить
    "При поглощении кванта света работают квантовые эффекты" - это масло масляное. То, что молекулы вдали абсолютного нуля находятся в колебательных состояниях - секрет Полишинеля. То, что система одинаковых молекул резонансно переизлучает - тоже. О чём статья? В процессе фотосинтеза участвуют известные процессы, а не воля божья?
    Ответить
    • Игорь Иванов > Teodor | 28.07.2014 | 20:52 Ответить
      "При поглощении кванта света работают квантовые эффекты" — не в этом суть, а в том, как дальше энергия передается, я ж описал подробно.

      > То, что система одинаковых молекул резонансно переизлучает - тоже.

      При чем тут излучение? И при чем тут одинаковые молекулы?
      Ответить
      • Teodor > Игорь Иванов | 29.07.2014 | 14:57 Ответить
        Передача возбуждения от одной молекулы к другой в фотосистеме - это и есть переизлучение. А то, что в квантовой системе волновая функция нелокальна, так это мы знаем из школьного курса физики. Когерентность при переизлучении возможна только в системе из одинаковых уровней (из одинаковых молекул в данном случае).
        Ответить
        • niki > Teodor | 01.08.2014 | 13:13 Ответить
          Вот и я так представляю себе это дело. А то какие-то смутные образы о тривильных и нетривиальных явлениях.
          Ответить
        • Игорь Иванов > Teodor | 02.08.2014 | 17:01 Ответить
          > Передача возбуждения от одной молекулы к другой в фотосистеме - это и есть переизлучение.

          Это неверно. Причин тут множество, но вы хотя бы сравните размеры. Длина волны видимого света — полмикрона, что в тысячи раз больше расстояний между молекулами. Переизлучение, каким бы оно ни было, не будет передаваться к ближайшим молекулам.

          Ну а вообще это коммент из серии — я не хочу вдумываться, какими там заумными формулами вы все описываете, я нутром чувствую вот так, и всё тут. Это неконструктивное обсуждение.
          Ответить
          • niki > Игорь Иванов | 03.08.2014 | 11:21 Ответить
            >> Передача возбуждения от одной молекулы к другой в фотосистеме - это и есть переизлучение.

            > Это неверно.

            Это всего лишь лабораторный жаргон. Широкораспространенный.
            И поскольку он использован лишь в комментариях, то придираться не стоит. Тут я поддерживаю ваше предложение «не играть в слова».

            А вот к столь неформальному использованию слова «квантовый», да не в комментариях, а в самой статье, придираться надо.

            Вы пишете «что их биологический эффект невозможно объяснить во всех деталях без привлечения квантовой механики». И тут же «В принципе, такая передача [возбуждения] может происходить и обычным способом. За счет взаимодействия между молекулами электронное возбуждение просто перескакивает с одного островка на другой, пока не достигает нужной точки. Здесь каких-то специальных квантовомеханических эффектов вроде как и не требуется.»

            Формально подходя, здесь написано что передача возбуждения НЕ является квантовым эффектом и ее можно объяснить ВО ВСЕХ ДЕТАЛЯХ без привлечения квантовой механики.
            Попробуйте внимательно прочесть текст статьи. В нем написано именно это.

            Неформально подходя, совершенно понятно что не это конечно имелось в виду (но написано это). Просто слово «квантовый» используется совершенно размыто, как вы сами сформулировали в комментариях «для красного словца», для «игры слов».

            Вы обвиняете человека, делающего дельные замечания - "это коммент из серии — я не хочу вдумываться". Если же сами внимательно прочтете собственную статью и вдумайтесь как она написана, ответ будет — туманно, небрежно.
            Ответить
            • Игорь Иванов > niki | 03.08.2014 | 14:21 Ответить
              Вы, безусловно, вправе иметь свое мнение. Мне не хочется тратить время на этот спор, поскольку спорите вы, фактически, не со мной, а со всем этим направлением биофизики (я ж не свои какие-то соображения расписываю, я стараюсь описать некоторое направление исследования). Если вам что-то кажется некорректным в самой области, вы можете почитать и подискутировать с авторами.
              Ответить
              • niki > Игорь Иванов | 03.08.2014 | 15:14 Ответить
                Автор статьи вы.

                А об области я не написал ни слова.
                Ответить
    • niki > Teodor | 01.08.2014 | 13:06 Ответить
      .
      Ответить
  • int  | 28.07.2014 | 14:41 Ответить
    "и даже к природе сознания. Эти предположения, повторюсь, спекулятивны, и они сталкиваются со стеной критики, преодолеть которую не могут."

    А как же обнаруженные в нейронах нанотрубки, которые переключаются со скоростью миллиардов раз в секунду. К тому же, от нейрона к нейрону идёт не аналоговый а цифровой сигнал, всё намного сложнее.
    Ответить
    • Rattus > int | 28.07.2014 | 14:45 Ответить
      >К тому же, от нейрона к нейрону идёт не аналоговый а цифровой сигнал

      Что, простите?
      Ответить
      • int > Rattus | 30.07.2014 | 18:05 Ответить
        Что вы привязались к этой фразе, затмив про трубки, про которые никто и не сказал, значит в клетках по крайней мере в нейронах есть квантовые вычислители, и каждый нейрон как целый компьютер.
        Насчёт цифрового сигнала это я к тому что, всё сложнее чем мы себе представляем.
        Устройства простых молекул для разгибания мышц очень сложны и продуманы, а всё в комплексе в клетках взаимосвязано так что мы никогда не разгадаем всей сложности и переплетения функционала в живых организмах.
        Ответить
        • MAks > int | 30.07.2014 | 19:29 Ответить
          существование квантовых эффектов в живых организмах не равно квантовым вычислениям.
          "значит в клетках по крайней мере в нейронах есть квантовые вычислители" ну вот до пенроузианства дошли, "значит в клетках по крайней мере в нейронах есть магические гномы ".
          Ответить
        • Rattus > int | 31.07.2014 | 09:07 Ответить
          Захотел и привязался. В приличных местах следует аргументировать каждый бредставляемый тезис. По трубочкам и квантам я не специалист (хотя по ссылке в статье есть опровержение версии "нетривиальной квантовости" микротрубочек в концепции Р.Пенроуза - но может Вы имели ввиду что-то другое?) - пусть к ним прицепляются другие.

          >Насчёт цифрового сигнала это я к тому что

          Не надо ни "к чему". В кибернетике понятия "цифровой"/"аналоговый" вполне строго определены - употребляете - будьте добры показать конкретную применимость. Ваши растекания "мысью по древу" же намекают на то, аргументировать употребление термина Вам нечем, так?

          >это я к тому что, всё сложнее чем мы себе представляем.

          Даже в учебниках по физиологии и фармакологии для врачей отмечается, что простая модель однонаправленной нервной передачи в синапсе гораздо приитивнее того, что там есть на самом деле - на самом деле там несколько контуров обратной связи. Но при этом тот факт, что передача в синапсе (а не в нейроне!) остается _чисто_аналоговой_ на основе недискретного изменения концентраций медиаторов и плотности размещения рецепторов никак не опровергается.
          А вот в нейроне передача-то как раз в пределе вполне _цифровая_ - импульс (потенципал действия) - если возникает, то распространяется по всей клетке. Хотя информация кодируется их частотой уже опять таки практически аналогово.
          Ответить
          • nan > Rattus | 03.08.2014 | 08:00 Ответить
            Во-первых, импульс - это еще не значит "цифровая" передача, нейрон проявляет активность релаксационного компаратора, что к цифре никак не относится.
            Во-вторых, "информация" никак не кодируется частотой в нейросетях, хотя раньше существовали такие невежественные предположения (от непонимания модели работы нейросети). Значение распознаваемого профиля зависит от места прихода сигналов. Частотой нейрон отвечает только на интенсивность сигнала.
            Ответить
            • Rattus > nan | 03.08.2014 | 08:27 Ответить
              Благодарю за уточнение. Мой ответ был на уровне самой общей физиологии 2 курса для медиков. Тот факт, что "информация" кодируется не просто частотой, а какими-то хитрыми модуляциями мне известен, но я просто не хотел так сразу и сильно усложнять картину.
              Хотя это ещё более уводит от попыток нахождения какой бы то ни было "дигитальности" в нейросетях.
              Ответить
              • nan > Rattus | 03.08.2014 | 11:49 Ответить
                "информацуия" в нейросети никак не колируется параметрами импульсации нейрона, повторяю, определяющим является только то, откуда пришли возбуждения, составляющие входной профиль распознавания данного нейрона.
                Ответить
  • int  | 28.07.2014 | 14:59 Ответить
    «Подвижное окружение способствует дальнейшей передаче экситонов, не давая им застрять в чаще фотосинтетических антенн», — поясняет результаты расчетов Ллойд.

    Может быть, даже эти колебания используются для выработки энергии, по крайней мере для переноса, типа пьезоэлектрических элементов.
    Ответить
  • xolod  | 28.07.2014 | 16:20 Ответить
    потрясающе! спасибо за статью
    Ответить
  • OSAO  | 28.07.2014 | 20:13 Ответить
    Известно, что эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия почти не теряется по пути.
    @
    Действительно, если бы "квантовой связи" не было, а световая энергия перемещалась бы внутри бактерии обычным способом, то сколько её терялось бы? И что значит - терялось? Эти потери уходили бы на нагрев. Вопрос - если бы "квантовости" не было, то насколько сильно нагревались бы листья в процессе фотосинтеза?
    Ответить
    • Игорь Иванов > OSAO | 28.07.2014 | 21:07 Ответить
      Да, уходила бы на нагрев. Если на нужном временном масштабе экситонное возбуждение еще гуляет где-то по молекулярному комплексу, либо если экситонное возбуждение так и не приводит к эффективном разделению заряда, эта энергия уйдет на банальное тепловое движение молекул раствора.

      На последний вопрос я не отвечу — он слишком зависит от того, как именно было бы, если бы не было квантовости.
      Ответить
      • OSAO > Игорь Иванов | 28.07.2014 | 22:03 Ответить
        Если поставить вопрос шире - а могла ли существовать жизнь в случае, если бы не нашла способ получать энергию для своего питания без потерь? Иначе было бы - чем больше получил, тем больше нагрелся. ))
        Тогда и хемосинтез АТФ тоже должен использовать квантовые пути?
        Ответить
        • MAks > OSAO | 29.07.2014 | 11:56 Ответить
          "квантовая" шизофрения, везде видятся квантовые эффекты.
          Ответить
          • OSAO > MAks | 29.07.2014 | 13:39 Ответить
            Эта шизофрения началась в 1900 году, когда Планк(его имя,кстати - Макс), открыл квантовость как исходный принцип организации материи. Сам Эйнштейн пинал эту шизу... Квантовые эффекты существуют ВЕЗДЕ, вопрос только в глубине погружения. О том, что кора дерева нагревается на солнце, а листья - нет, знал ещё питекантроп, но объяснение пришло только сейчас.
            Ответить
            • Teodor > OSAO | 29.07.2014 | 14:11 Ответить
              "О том, что кора дерева нагревается на солнце, а листья - нет".
              Да ну?
              Квантовые эффекты зависят не от "глубины погружения", а от рассматриваемого масштаба. Когда момент импульса рассматриваемой системы сравним (всего несколько порядков) с постоянной Планка - эффекты квантовые по определению.
              Ответить
              • OSAO > Teodor | 29.07.2014 | 14:24 Ответить
                Хэх! Дык "масштаб"-то как раз и уменьшается по мере погружения вглубь материи...По существу статьи что-то есть?
                Ответить
                • Teodor > OSAO | 29.07.2014 | 14:58 Ответить
                  По существу - биологи открывают удивительный мир начального курса квантовой механики.
                  Ответить
                  • OSAO > Teodor | 29.07.2014 | 15:04 Ответить
                    Вот именно. И теперь у них начнёт бурно расти подотрасль с каким-нибудь вумным названием, типа - квантовая цитология. Хотя они ещё брыкаются, шизиками обзываются, не хотят, короче. Остаётся дождаться, когда в ней появится свой Гейзенберг...
                    Ответить
                    • Пащенко Дмитрий > OSAO | 29.07.2014 | 21:47 Ответить
                      Мы в своё время шутили, что занимаемся квантовой зоологией.
                      Например, определение индивидуального участка данной особи звучит как "область пространства, внутри которой данная особь может быть обнаружена с 95-процентной вероятностью". Это не шутка :))))
                      Ответить
                      • int > Пащенко Дмитрий | 30.07.2014 | 18:10 Ответить
                        Вас не существует, вы всего лишь взаимодействие триллиона квантовых эффектов.
                        Ответить
                        • Teodor > int | 31.07.2014 | 09:47 Ответить
                          Триллион? Как это мелко! Вспомните, хотя бы, число Авагадро.
                          Ответить
            • MAks > OSAO | 29.07.2014 | 18:08 Ответить
              "дерева нагревается на солнце, а листья - нет" во-первых, листья могут охлаждаться банально из-за испарения влаги , а во-вторых листья нагреваются , другое дело ваши ощущения , когда прикасаетесь к кроне дерева , а потом сравниваете с температурой листа.

              "Квантовые эффекты существуют ВЕЗДЕ" тогда какой смысл обсуждать квантовые эффекты в биологии , если они везде. Вы банально преувеличиваете.
              Ответить
              • OSAO > MAks | 29.07.2014 | 22:05 Ответить
                тогда какой смысл обсуждать квантовые эффекты в биологии , если они везде
                @
                Везде-то везде, это свойство материи на её, скажем так, первичном уровне. Другое дело, что макро-науки, такие как биология, ещё далеко не везде в своём развитии проникли на этот "первичный" уровень. Им пока хватало и законов нашего континуума, без всякой квантовой механики. Но вот на станцию Квант прибыл первый био-эшелон...
                Ответить
                • Teodor > OSAO | 30.07.2014 | 10:34 Ответить
                  У меня в этой связи появилось опасение вот какого свойства. В 10-м классе школьники специализируются на физико-математиков и биохимиков с соответствующей специализацией и выбором предметов для изучения и сдачи ЕГЭ. Представляете последствия такого чудовищного решения в образовании в связи с современным проникновением физики в биологию?
                  Ответить
                • MAks > OSAO | 30.07.2014 | 10:38 Ответить
                  "Но вот на станцию Квант прибыл первый био-эшелон"
                  квантовые эффекты в биологии известны уже более 30 лет.
                  Ответить
        • Игорь Иванов > OSAO | 02.08.2014 | 17:05 Ответить
          > Если поставить вопрос шире - а могла ли существовать жизнь в случае, если бы не нашла способ получать энергию для своего питания без потерь?

          Не надо экстремизма :) Во-первых, тут никто не говорит про «без потерь», а во-вторых, для жизни не требуется экстремальная эффективность. Для жизни требуется, чтобы среди огромного количества молекулярных взаимодействий и химических реакций существовало хоть какое-то неравноправие, а дальше, в подходящих условиях, оно само собой покатится.
          Ответить
          • OSAO > Игорь Иванов | 02.08.2014 | 17:46 Ответить
            для жизни не требуется экстремальная эффективность.
            @
            А что такое экстремальность в применении к живому? Об этом полвека назад говорил "Э.Шредингер в своей лекции "Что такое жизнь. Физический аспект живой клетки". Правда, именно этого слова он не произносил. Он говорил о "квантовости" органической молекулы. Начав с отсутствия промежуточных ступеней между соседними энергетическими уровнями в атоме, он указывал на отсутствие постепенности в образовании изомерных молекул. Между двумя соседними (устойчивыми) изомерами существует энергетический разрыв, иначе говоря, квантовый переход, скачок. Природа изобрела молекулу и защитила её устойчивость квантовым барьером, через который не может перескочить обычное тепловое возмущение. Энергетическое воздействие на молекулу должно стать весьма существенным, чтобы рывком лишить её устойчивости. Получается, жизнь, как некая упорядоченность (молекула), смогла осуществиться лишь благодаря способности природы воздвигать вокруг неё квантовые барьеры. Это экстремально... )))
            Ответить
    • dims > OSAO | 29.07.2014 | 19:35 Ответить
      Я так понимаю, КПД конкретного данного улавливания -- 100%, но КПД фотосинтеза в целом -- не более 10%. Так что львиная часть энергии всё равно идёт на нагрев. Напоминаю так же, что, в конечном итоге, любая энергия всё равно переходит в тепло, так что даже та энергия, которую поглотил фотосинтез, впоследствии тоже переходит в тепло, когда растение что-то "делает".
      Ответить
      • OSAO > dims | 29.07.2014 | 21:58 Ответить
        Вот именно, здесь наблюдаются как бы два разных КПД двух разных процессов. Я не стал писать об этом развёрнуто с самого начала.
        Понятно, что КПД никакого термодинамического процесса не может быть равна 100%. Фотосинтез есть процесс расходования энергии на синтез, и он не особенно энергоэффективен. Но само прохождение фотонов внутрь клетки - ещё до начала синтеза, - носит квантовый характер и поэтому идёт без потерь. А ведь если бы ещё и этот процесс имел КПД под 10%, то какой прирост биомассы, какую жизнь мы имели бы на выходе?
        Поэтому я и спрашивал про квантованность при хемосинтезе.
        Ответить
      • Teodor > dims | 30.07.2014 | 10:41 Ответить
        КПД данного улавливания так же не 100%. Это эйфория автора от резонансности процесса. КПД процесса всего лишь необычайно высок по сравнению с современными солнечными батареями.
        Тепло - это статистическое понятие для ансамбля частиц числом порядка числа Авагадро. К квантовым процессам отношения не имеет. Это разные парадигмы.
        Ответить
        • OSAO > Teodor | 30.07.2014 | 11:57 Ответить
          Однако Планк выдвинул понятие кванта, пытаясь объяснить именно тепло. Точнее, связь между температурой нагретого металла и его свечением. Всем было понятно, что при нагреве свечение увеличивается, но рассчитать не могли. Представляете, 1900 год - кругом развитая электротехника, поезда, автомобили и самолёты, а физик, глядя на светящийся кончик кочерги в камине, не может подобрать формулу. Да, тепло - это статистика, но статистика вероятности, а вероятность и есть основная черта квантовости.
          Ответить
          • Teodor > OSAO | 30.07.2014 | 15:48 Ответить
            Формула уже была получена эмпирически, да и Больцман своё распределение давно опубликовал. Оставалось "лишь" :) предположить, что свет, как и идеальный газ, состоит из дискретных частиц.
            По поводу тепла. Выражение "энергия фотона может перейти в тепло" навевает воспоминание о бородатом анекдоте про устройства атома: "В центре ядро, вокруг электроны, а между ними воздух".
            Ответить
            • OSAO > Teodor | 30.07.2014 | 16:12 Ответить
              Нужно было предположить не то, что "свет состоит из дискретных частиц", т.к. корпускулярную теорию поддерживал ещё Ньютон. Планк выдвинул безумную идею, что энергия излучающего атома (осциллятора) излучается порциями, а сам он может находиться только в определённых, дискретных энергетических состояних. Все ахнули и не особо согласились, пока через 5 лет молодой Эйнштейн не доказал на этой основе фотоэлектрический эффект. Дискретность света ещё можно себе представить, подразумевая некие промежутки между световыми шариками. А вот как представить себе разрывы внутри энергии, внутри старого доброго тепла от печки? ) Надо было тотально переводить физику на платформу статистической вероятности, что казалось невероятным. Потому и крутили носом...В том числе и сам Эйнштейн, никак не желавший поверить, что бог таки может играть в кости.))
              Ответить
              • Teodor > OSAO | 31.07.2014 | 10:06 Ответить
                Да-да! И частицы света были до Планка. А вот сам атом может находится в дискретных состояниях - это уже позже Бор. Или у Планка это тоже было?
                Кстати, Планк плотно занимался музыкой. И идея дискретного набора возможных осцилляторов вполне себе могла быть навеяна гештальтом набора клавиш (струн) рояля.
                Ответить
      • int > dims | 30.07.2014 | 18:12 Ответить
        Как раз 90% это то что растение что то делает а 10% это то что она накапливает в себе, это перейдёт в тепло но позже, когда это растение съедят.
        Ответить
      • Игорь Иванов > dims | 02.08.2014 | 17:08 Ответить
        > Я так понимаю, КПД конкретного данного улавливания -- 100%, но КПД фотосинтеза в целом -- не более 10%.

        Да, примерно так. Здесь идет речь про КПД передачи возбуждения от точки его возникновения при поглощении света к месту разделения заряда, оно близко к 100%. Однако если КПД (а точнее, квантовых выход) фотосинтеза вычислять, например, как количество молекул O2 к количеству поглощенных фотонов в нужном спектральном окне, то там получается порядка 10-20% (современных чисел я не знаю, это числа по старым публикациям).
        Ответить
  • ghost_in_machine  | 28.07.2014 | 23:08 Ответить
    Интересная заметка, спасибо.
    Вот возник вопрос. Если попытаться описать состоние молекулярных комплексов при передаче энергии, то надо записывать конфигурационный интеграл не только по координатам атомов, но и теперь по какому-то хитрому распределению их импульсов от момента поглощения фотона, правильно? Ну или как вообще записывать состояние таких систем предполагая их все же «почти классическими»?
    Ответить
    • OSAO > ghost_in_machine | 29.07.2014 | 14:20 Ответить
      извините, нажал не ту кнопку...
      Ответить
    • Игорь Иванов > ghost_in_machine | 02.08.2014 | 17:25 Ответить
      То, что вы описываете, это попытка вывести эти колебания их первых принципов. Так не делают, это нереально. Здесь используется намного более простой (и вообще-то типичный) подход.

      Мы понимаем, что в сложной и сильно связанной системе (многочисленные ионы и электроны) есть нормальные колебания (колебания в широком смысле, с учетом электронных возбуждений). Мы _надеемся_, что эти естественные степени свободы слабо связаны друг с другом, что позволяет хотя бы в качестве нулевого приближения записать гамильтониан в их терминах, а в качестве первого возбуждения — записать их нелинейное взаимодействие.

      Строится гамильтониан этого взаимодействия, например, в терминах операторов рождения и уничтожения этих нормальных колебаний, а константы связи и прочие параметры задаются _феноменологически_, не выводятся из первых принципов. В гамольтониан также добавляется связь с термостатом, который приводит к потери когерентности; опять же его свойства и связь с системой тоже параметризуются. Затем изучается эволюция начального состояния в этой системе. Пример статьи с таким подходом у меня приведен: http://arxiv.org/abs/1311.3068 и ссылки оттуда.

      Квантовость или квазиклассичность проявляется в том, как термостат влияет на эволюцию системы и насколько быстро происходит потеря фазовой когерентности.
      Ответить
  • dasem  | 29.07.2014 | 03:14 Ответить
    Почему-то в заметке говорится о вибронных эффектах и не упомянуто о наиболее привычном для химиков эффекте Яна-Теллера. Упоминание об этом эффекте сразу заставляет вспомнить о симметрии ядерной конфигурации, а это наглядно. Симметрия в приведенной иллюстрации бросается в глаза, может быть это как-то стоит увязать с возможностью квантовых эффектов?
    Тогда может оказаться, что биологи (или химики)должны будут объяснить как так получилось, что фотоприемник в фотосинтезе такой симметричный.
    Мне хотелось бы также узнать мнение И. Иванова о том насколько результаты рассматриваемой работы могут пересекаться с результатами последних работ Steven Chu. Дело в том, что как раз в изучавшихся им колебаниях тРНК я углядел симметрию и считаю, что это ключевой момент в понимании точности биосинтеза белка arxiv.1312.0948
    Ответить
    • Игорь Иванов > dasem | 02.08.2014 | 17:31 Ответить
      > Почему-то в заметке говорится о вибронных эффектах и не упомянуто о наиболее привычном для химиков эффекте Яна-Теллера. Упоминание об этом эффекте сразу заставляет вспомнить о симметрии ядерной конфигурации,...

      Это научно-популярная статья для тех, кто с темой совсем не знаком, а только слышал некоторые слова и обладает некоторым интересом к современно науке, чтобы погрузиться в заметку хотя бы минут на 15 и не устать. :) Это не обзор актуальных проблем для специалистов :)

      Я не специалист в этой теме, но у меня не сложилось впечатление, что пространственные симметрии тут играют какую-либо роль. Особенно с учетом того, что белки, образующие фотосистему, погружены и термостат с комнатной температурой и, к тому же, могут находиться в слегка различающихся конформационных состояниях.
      Ответить
  • MAks  | 29.07.2014 | 11:44 Ответить
    Здравствуйте, у меня вопрос , он может показаться глупым. Присутствуют ли в этих экспериментах элементы искусственности(то что в природе не встретится), например использование воздействия лазера и могут ли они существенно повлиять на сам эксперимент.
    Ответить
    • Игорь Иванов > MAks | 02.08.2014 | 18:14 Ответить
      Лазерные импульсы здесь не узкочастотные, а специально берутся в очень широком диапазоне частот, от 640 до 720 нм, это перекрывает окно поглощения фотосистемы. Единственный вид искусственности, который я могут тут представить, это что эксперименты ведутся не in vivo (что затруднительно), именно с молекулярными комплексами, выделенными из растений.
      Ответить
  • dims  | 29.07.2014 | 19:29 Ответить
    1) Можно ли как-то формально "разрешить" квантовой механике работать в этом случае? Обычно критерием её работы служит малость по сравнению с постоянной Планка. В данном случае, какой именно параметр или параметры оказываются малы по сравнению с постоянной Планка?

    2) "Зачем" эволюция применила здесь квантовую механику? Для повышения КПД передачи или для чего-то другого? Случайно? Если случайно, то почему все остальные случаи работы КМ в биологии названы спекулятивными, ведь тогда, получается, КМ может "применяться" эволюцией в совершенно разных местах, без разбору.

    3) Когда светочувствительный рецептор в глазу регистрирует фотон, не происходит ли там того же самого и, таким образом, не работает ли КМ в обычном зрении?

    4) Когда возбуждение передаётся с нейрона на нейрон? :)
    Ответить
    • MAks > dims | 29.07.2014 | 19:54 Ответить
      " Когда возбуждение передаётся с нейрона на нейрон? " чем вас классическая передача(даже с учетом квантового туннелирования) возбуждения не устраивает?
      Ответить
      • dims > MAks | 29.07.2014 | 19:57 Ответить
        Меня всё устраивает :) Просто получится странно, если эволюция для улавливания фотонов фотосинтезом использовала КМ, а в остальных случаях -- нет.
        Ответить
        • MAks > dims | 29.07.2014 | 20:14 Ответить
          " Просто получится странно, если эволюция" ничего странного если обнаружат в других фоторецепторах какие либо квантовые эффекты(хотя это же спорно, например Малиновки в городах видят электросмог, т.е навигация не работает , можете ли вы представить , что находясь рядом с источником сильного электромагнитного излучения вы слепните ) . Но причем тут нейроны?
          Ответить
          • dims > MAks | 29.07.2014 | 20:34 Ответить
            Ну фоторецепторы в глазу -- это нейроны.
            Ответить
            • MAks > dims | 29.07.2014 | 20:45 Ответить
              Извиняюсь я подумал про мозг, а насчет Малиновки что нибудь ответите.
              Ответить
              • dims > MAks | 29.07.2014 | 21:14 Ответить
                Ну и про мозг тоже: если нейрон, улавливающий сигнал извне (фоторецептор) использует квантовую механику, то почему бы нейрону, улавливающему сигнал от другого нейрона -- тоже её не использовать.

                Про малиновку не понял аргумент. Если какое-то животное воспринимает сигнал в каком-то диапазоне, то это вовсе не значит, что все остальные животные тоже должны.
                Ответить
                • MAks > dims | 29.07.2014 | 21:28 Ответить
                  "улавливающему сигнал от другого нейрона -- тоже её не использовать" это как раз к вопросу о внешней среде.
                  Квантовые эффекты крайне чувствительны к внешним воздействиям и к самой среде. Как себя ведет фотосинтез не в лаборатории , а в реальной среде. Например глаза Малиновки кране чувствительны к магнитным полям создаваемыми бытовыми приборами и их магниторецепция просто в городах и рядом с ними глохнет.
                  Зачем природе полагаться на крайне чувствительные механизмы(ненадежные), когда от этих механизмов зависит её жизнь?
                  Ответить
                  • нoвый учaстник > MAks | 30.07.2014 | 02:19 Ответить
                    >>Зачем природе полагаться на крайне чувствительные механизмы(ненадежные), когда от этих механизмов зависит её жизнь?

                    электросмогу менее 100 лет. Малиновку к этому просто не готовили.
                    Ответить
                    • MAks > нoвый учaстник | 30.07.2014 | 10:34 Ответить
                      Это только один из ответов. Геомагнитные бури тоже должны влиять на навигацию Малиновки.
                      Ответить
                      • нoвый учaстник > MAks | 30.07.2014 | 23:23 Ответить
                        Геомагнитная буря это изменение на пару процентов от фона - все в пределах адаптивных возможностей, а смог превышает фоновый уровень на порядки.
                        Ответить
                        • MAks > нoвый учaстник | 30.07.2014 | 23:37 Ответить
                          Вы правы, я просто преувеличил. Но изначально я говорил про нервную систему, как бы хотел указать , что на человеке этот эффект не проявляется.
                          Ответить
    • OSAO > dims | 30.07.2014 | 11:44 Ответить
      "Зачем" эволюция применила здесь квантовую механику? Для повышения КПД передачи или для чего-то другого? Случайно?
      @
      Нас невольно вводит в заблуждение употребление слов типа "применила", "выбрала". Нам просто удобно так строить предложение, однако у эволюции нет ни цели, ни воли. Исходно комбинируются факторы случайности и детерминированности,мать-природа отбирает наиболее приспособленное, а мы задним числом говорим о "руке" эволюции. В данном случае возникновение квантовой когерентности в локальном процессе привело к резкому увеличению КПД всей системы, а фотосинтезирующие водоросли смогли на порядок быстрее увеличивать свою биомассу, заполонив собою весь океан. А потом и на сушу полезли и, пройдя сквозь цикл мутаций, приобрели и цель, и волю, и стали заметки в журналы писать.
      Ответить
    • Игорь Иванов > dims | 02.08.2014 | 18:07 Ответить
      1) главная проблема — это потеря когерентности между состояниями с разной энергией, которая (потеря) вызывается взаимодействием с внешней средой с комнатной температурой.

      2) неизвестно :) Вообще я поддерживаю предыдущий коммент: ничего не применялось специально. Всё эволюционировало само в разных направлениях. В каких-то случаях эволюция прошла через занятные физические эффекты, и тогда они включились в отбор. У меня была популярная статья про стохастический резонанс http://elementy.ru/lib/164581 , там нечто аналогичное, но только неквантовое.

      3) в принципе, словосочетания типа quantum effects in human vision встречаются в литературе, но я не видел обоснованных утверждений, что нетривиальные квантовые эффекты реально повышают КПД глаза.

      4) оно передается через синаптическую щель химическими медиаторами http://elementy.ru/news/431992 . Никакой когерентности или других квантовых эффектов там нет.
      Ответить
  • distantTransformer  | 30.07.2014 | 09:42 Ответить
    Коллеги, ну свинство же не сослаться. Тем более, что статья на 5 лет раньше. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19496329
    Ответить
    • Игорь Иванов > distantTransformer | 02.08.2014 | 17:52 Ответить
      Упустили! :)

      Если серьезно, то вы ведь понимаете, что это не обстоятельный и глубокий обзор темы, а небольшая научно-популярная новость для тех, кто про эту тему вообще не знал. Если вы чувствуете, что было бы корректнее рассказать об истории развития этой темы иначе, напишите соответствующий материал. Заинтересованные читатели будут рады узнать еще больше по этой теме из рассказа специалиста.
      Ответить
  • rrr2  | 30.07.2014 | 17:53 Ответить
    И все-таки, каким образом достигается пикосенундная когерентность при комнатной температуре? Эксперименты подобные были, не с фотозинтезом?
    Ответить
    • dasem > rrr2 | 30.07.2014 | 18:49 Ответить
      Я попробовал поднять тему об экспериментах Steven Chu (между прочим Нобелевского лауреата 1997). Например:http://www.pnas.org/content/101/35/12893.full.pdf
      На тему этих работ Chu высказывался о том, что на этом пути видит возможность объяснить точность сборки ДНК и белков, что поважнее, чем квантовый выход в фотосинтезе.
      То, что там наблюдается можно назвать "очень согласованным движением атомов". Это отличается по общему описанию от написанного тут варианта, когда возбуждение "делокализуется, одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение на нужном островке".
      Фраз про квантовую когерентность там не проговаривалось, но кто мешает?
      Ответить
      • rrr2 > dasem | 30.07.2014 | 20:22 Ответить
        Но это тоже таинственная когерентность, и снова в биологии-биохимии. А в полностью "искусственном" эксперименте приходится оклаждать до околонулевых температур, иначе никакой когерентности. Можно ли, к примеру, создать высокотемпературные кубиты на биомолекулах?
        Ответить
      • rrr2 > dasem | 30.07.2014 | 20:22 Ответить
        Но это тоже таинственная когерентность, и снова в биологии-биохимии. А в полностью "искусственном" эксперименте приходится оклаждать до околонулевых температур, иначе никакой когерентности. Можно ли, к примеру, создать высокотемпературные кубиты на биомолекулах?
        Ответить
        • dasem > rrr2 | 31.07.2014 | 11:39 Ответить
          Ну я думаю, что Chu где-то так и пришел к своим экспериментам в биологии-биохимии, начав с лазерного охлаждения в "полностью искуственных системах". Проблемку о том, что в биологии все как-то слишком надежно работает на молекулярном уровне поставил еще Шредингер, а в контексте транспорта энергии какой-то вариант решения предложил А.С. Давыдов. Сколько знаю, сейчас в этом направлении есть такие теоретики M.Peyrard & A. Bishop. Хотя там все больше транспорт энергии вдоль ДНК, но никто не мешает сделать искуственный полимер или взять какую-нибудь нанотрубку.
          Ответить
          • Игорь Иванов > dasem | 02.08.2014 | 17:41 Ответить
            Обратите внимание, что в статьях Чу и др. совершенно не те временные масштабы, чтобы фазовая когерентность играла какую-то роль. В описанной статье речь идет про сотни фс и единицы пс, и уже тут представляется проблематичным удержать эволюцию делокализованной системы от потери фазовой когерентности на масштабе в сотни фс. Динамика отдельных крупных молекул, а тем более, такие исключительно сложные процессы как транскрипция, на порядки дольше. Никакая квантовая когерентность в обычных условиях тут не выживет.
            Ответить
    • distantTransformer > rrr2 | 01.08.2014 | 18:31 Ответить
      А что ей помешает? На пальцах там два состояния с примерно равной энергией с гигантским интегралом перекрытия (пальцы кстати, дают очень хорошее приближение эксперимента, см. графики из моей первой ссылки). В первом состоянии энергия состоит из энергии высокоэнергетического состояния электрона, во втором из энергии низкоэнергетического состоянии электрона (перепрыгнул) + возбуждение ионной группы, которое уже распадается в бассейн (но, количество состояний тоже дискретно, на эффективность влияет). Повторить такое конечно можно, но придется создавать две узких потенциальных ямы для электрона, делать конфигурацию ионной группы запрещающей распад первого состояния и.т.д. -- дорого и бесмысленно. Вообще этой теме больше 10 лет, Шувалов из наших получил первые кинетики еще 2004 году (Yakovlev A.G., Vasil'eva L.G., Shkuropatov A.Y., Bolgarina T.I., Shkuropatova V.A., Dolgova T.A., Shuvalov V.A. (2004) Mechanism of separation of charges and their stabilization in bacterial reaction centers. Biofizika, 49 (2): 199-211. ), тогда же дал экситонное объяснение эффекта, вибронное дали в 2009 году несколько групп, например, из ссылки выше), теоретически эффект был предсказан Чернавским больше 30 лет назад (Чернавская, Н. М. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе / Н. М. Чернавская, Д. С. Чернавский. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1977.). Сейчас всколошились только потому, что нашли эксперимент позволяющий отличить два механизма вибронный и экситонный.
      Ответить
    • Игорь Иванов > rrr2 | 02.08.2014 | 17:46 Ответить
      Не пытаясь соперничать с комментарием специалиста, приведенным выше, а только скажу кратко про временные масштабы. Электронная динамика намного более быстрая, чем движение ядер. Беспокойство было из-за того, что для чисто экситонных (т.е. электронных) возбуждений типичное время потери фазовой когерентности порядка сотни фм, а эксперимент показывается пикосекунду. Наличие колебательных ядерных движений в молекуле, для которых сотни фс, единицы пс — типичные времена, позволяет поддерживать эту когерентность даже в условиях термостата с комнатной температурой.
      Ответить
  • xolod  | 31.07.2014 | 11:17 Ответить
    подскажите, соотносится ли описанное явление с высокотемпературной сверхпроводимостью?
    Ответить
    • Игорь Иванов > xolod | 02.08.2014 | 17:55 Ответить
      Нет.
      Ответить
  • Teodor  | 31.07.2014 | 19:26 Ответить
    В статье "The chlorosome antenna ... is composed of roughly 200,000 BChl-c molecules" Передача возбуждения от первично возбужденной молекулы до молекулы, связанной с реакционным центром вполне себе включает 1000 элементарных актов. Вот вам и переход от фемтосекунд к пикосекундам.
    Да, колебательная структура на графиках как бы указывает на соответствие расчёту дипольного взаимодействия, но смущает отсутствие положенных "усов" допуска на полученных точках. Они бы позволили отличить колебания как шум от действительно синусообразной функции.
    Было бы интересно отключить реакционный центр и проследить изменение времени затухания. В зависимости от чистоты отключения можно бы было достичь и наносекунд - так как возбуждение не гасилось бы реакционным центром оно бы так и гуляло, пока бы не было погашено каким-либо другим процессом.
    Ответить
    • Игорь Иванов > Teodor | 02.08.2014 | 18:10 Ответить
      Отдельные комплексы внутри большой антенны передают возбуждение в реакционный центр независимо, а не по цепочке.

      Насчет масштабов, электронные возбуждения живут на масштабах десятки фс, до сотни фс, а требуется добраться до пикосекунды.

      > В зависимости от чистоты отключения можно бы было достичь и наносекунд - так как возбуждение не гасилось бы реакционным центром оно бы так и гуляло, пока бы не было погашено каким-либо другим процессом.

      Не центр глушит колебания, а окружающая среда, раствор, молекулы которого постоянно бомбардируют фотосистему.
      Ответить
      • Teodor > Игорь Иванов | 03.08.2014 | 20:35 Ответить
        Если комплексы передают колебания реакционному центру независимо, то действительно возникает парадокс с фc и пс. Правда, непонятен механизм такой чудесной передачи.
        Если окружающая среда гасит колебания, то откуда кпд, близкий к 100%?
        Ответить
        • Игорь Иванов > Teodor | 04.08.2014 | 03:04 Ответить
          Про то вся и речь. Возбуждение, оказывается, не чисто электронное, оно вовлекает движение атомов внутри молекулы (вибронное колебание), которое противоборствует фазовой декогеренции окружающей среды и позволяет поддержать когерентность на пс масштабе. Этого времени достаточно, чтобы перебросить возбуждение к реакционному центру. А уж как получилось так, что биологическая молекула «подстроена» так, чтобы это возбуждение перебрасывалось достаточно быстро, на масштабе в пс, — это уже другой вопрос, связанный, видимо, с эволюцией. Главное тут, что без вибронного механизма возбуждение просто не успело бы добраться до центра без потери когерентности, а значит кпд был бы намного ниже.
          Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»