Quantum Biocomputing นำหน้าเราหรือไม่?


14

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าเครื่องมือชีวภาพ / โมเลกุลที่อนุญาตให้สิ่งมีชีวิตจัดการกับการคำนวณควอนตัมเช่นโปรตีนแฟนซีที่ให้นกจัดการกับการเชื่อมโยงกันของควอนตัม (เช่นเข็มควอนตัมของเข็มทิศแม่เหล็กนกหรือLocal-Cone Localization บทบาทของ Magnetoreception สำหรับ European Robin Cryptochrome 4 ) ฉันสงสัยว่า:

  • เครื่องมือเหล่านี้แก้ปัญหาที่คุณ (นักวิจัยด้านการคำนวณควอนตัม) แล้วหรือยัง?
  • มีปัญหาเฉพาะของเครื่องมือเหล่านี้ 'ต้อง' แก้ปัญหาอย่างใดที่คุณกำลังดิ้นรนที่ห้องปฏิบัติการของคุณ?
  • เราสามารถใช้พวกมันได้ (แม้ว่านี่จะหมายถึงการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ไปสู่เทคโนโลยีชีวภาพ)?

5
ถ้าฉันอาจแนะนำโปรดเพิ่มการเชื่อมโยงเหล่านี้เพื่อคำถามของคุณ: ควอนตัมเข็มของเข็มทิศแม่เหล็กนกและดับเบิลกรวยรองรับหลายภาษาและรูปแบบการแสดงออกตามฤดูกาลแนะนำบทบาทในการ Magnetoreception ยุโรปโรบิน Cryptochrome 4 ฉันคิดว่าส่วนใหญ่ต้องการตรวจสอบการศึกษาดั้งเดิมที่อ้างถึงในเอกสารที่ Sciencealert
Kiro

คำตอบ:


7

"Quantum Biocomputing นำหน้าเราหรือไม่"

มีการทำงานบางอย่างทำบนbiocomputing , คอมพิวเตอร์ควอนตัม , สปินเคมีและmagnetochemicalปฏิกิริยา

Correlated radical pairs - คู่ของอนุมูลชั่วคราวที่สร้างขึ้นพร้อมกันเช่นสปินอิเล็กตรอน 2 ตัวซึ่งแต่ละตัวในสสารแต่ละตัวมีความสัมพันธ์กัน - ในโปรตีนที่มีปฏิกิริยาต่อแสงแบบโฟโตเรซิทีฟเช่นCryptochromesไม่ได้เป็นการคำนวณควอนตัม

ดู: "การเหนี่ยวนำด้วยคลื่นแสงในนก: การวิเคราะห์พฤติกรรมภายใต้แสงสีแดงหลังจากได้รับแสงสีแดงล่วงหน้า " โดย W. Wiltschko, Gesson, Noll และ R. Wiltschko ในวารสารชีววิทยาทดลอง 2004

ดูบทความ " การรับรู้ของสัตว์ที่มีวิสัยทัศน์ตามวิสัยทัศน์ " ได้ที่เว็บไซต์ QuantBioLab กลุ่มควอนตัมชีววิทยาและการคำนวณฟิสิกส์มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นเดนมาร์ก (SDU):

ปฏิกิริยาข้างหน้า MFeffect

รูปที่ 6 แสดงที่นี่เป็นคำอธิบายกึ่งคลาสสิกของผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อคู่ที่รุนแรงระหว่าง FADH และทริปโตเฟนใน cryptochrome อิเล็กตรอนหมุนไม่ได้จับคู่ (Sและ S ) precess เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กท้องถิ่นที่ผลิตโดยการเพิ่มของสนามแม่เหล็กภายนอกมีส่วนร่วม Iและ I2 B 1 2 B12B12จากการหมุนของนิวเคลียร์ในสองอนุมูล Precession การหมุนอย่างต่อเนื่องจะเปลี่ยนทิศทางการหมุนของสัมพัทธ์ทำให้เกิดการสลับระหว่างกันของ singlet (anti-parallel) ถึง triplet (ขนาน) ซึ่งรองรับผลของสนามแม่เหล็ก การถ่ายโอนอิเล็กตรอนกลับจากทริปโตเฟนไปยัง FADH ช่วยลดสถานะการทำงานของ cryptochrome อย่างไรก็ตามการถ่ายโอนกลับนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออิเล็กตรอนหมุนอยู่ในสถานะเสื้อกล้ามและการพึ่งพาการหมุนรอบตัวนี้ทำให้สนามแม่เหล็กภายนอกสามารถส่งผลต่อการเปิดใช้งาน cryptochromeB

ส่วนประกอบ Retina

รูปที่ 7 ภาพประกอบแผนผังดวงตาของนกและส่วนประกอบที่สำคัญ เรติน่า (a) แปลงภาพจากระบบสายตาของตาเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งไปตามเซลล์ปมประสาทซึ่งก่อให้เกิดเส้นประสาทตาไปยังสมอง (b) ส่วนจอตาที่ขยายใหญ่โตจะแสดงแผนผัง (c) เรตินาประกอบด้วยเซลล์หลายชั้น สัญญาณหลักที่เกิดขึ้นในส่วนนอกของแกนและกรวยนั้นจะถูกส่งผ่านไปยังแนวนอน, ขั้วสองขั้ว, อะมารินและเซลล์ปมประสาท (d) สัญญาณ phototransduction หลักถูกสร้างขึ้นในตัวรับโปรตีน rhodopsin แสดงแผนผังที่ความหนาแน่นลดลงมาก Rhodopsin ที่มีเยื่อหุ้มเป็นแผ่นดิสก์ที่มีความหนาประมาณ 20 นาโนเมตรและห่างจากกันประมาณ 15 - 20 นาโนเมตร

ในแง่คณิตศาสตร์เข็มทิศตามวิสัยทัศน์ในนกนั้นมีฟังก์ชั่นตัวกรองซึ่งจำลองการมอดูเลตสัญญาณสนามแม่เหล็กที่มีการบันทึกบนเรตินาของนก (ดูรูปที่ 8)

ฟังก์ชั่น Filer

รูปที่ 8 มุมมองแบบพาโนรามาที่ Frankfurt am Main ประเทศเยอรมนี ภาพแสดงมุมมองแนวนอนที่บันทึกจากระดับความสูงของเที่ยวบินนกที่ระดับ 200 เมตรเหนือพื้นดินโดยระบุทิศทางที่สำคัญ เขตข้อมูลภาพถูกปรับเปลี่ยนผ่านฟังก์ชั่นตัวกรองแม่เหล็ก รูปแบบจะแสดงสำหรับนกที่มองไปที่แปดทิศทางสำคัญ (N, NE, E, SE, S, SW, W, และ NW) มุมเอียงของสนามแม่เหล็กโลกคือ 66 °ซึ่งเป็นค่าคุณลักษณะสำหรับภูมิภาค


มีการสร้างคอมพิวเตอร์เชิงกลชีวภาพ Bio4Compโครงการวิจัยที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสหภาพยุโรปได้สร้างเครื่องจักรชีวโมเลกุลขนาดไม่กี่ล้านล้านเมตร (นาโนเมตร) ระบบการเคลื่อนที่แบบแอคติน - ไมโอซินและไมโคร - คิวซีนนั้นสามารถแก้ปัญหาได้โดยการเคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายแบบนาโนของช่องทางที่ออกแบบมาเพื่อเป็นตัวแทนของอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ วิธีการที่เราเรียกว่า "biocomputation บนเครือข่าย" เมื่อใดก็ตามที่โมเลกุลของสารชีวโมเลกุลมาถึงจุดเชื่อมต่อในเครือข่ายพวกมันก็จะเพิ่มจำนวนลงในผลรวมที่พวกเขากำลังคำนวณหรือปล่อยออกมา ด้วยวิธีนี้ชีวโมเลกุลแต่ละอันทำหน้าที่เหมือนคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่มีโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ ในขณะที่สารชีวโมเลกุลแต่ละตัวช้ากว่าคอมพิวเตอร์ปัจจุบันมากพวกมันกำลังประกอบตัวเองเพื่อให้สามารถใช้ในจำนวนมากได้อย่างรวดเร็วทำให้เพิ่มพลังในการคำนวณ ตัวอย่างของวิธีการทำงานแสดงในวิดีโอบนเว็บไซต์ของพวกเขา

แชนเนล WP4 SEM (แก้ไขพร้อมสเกลบาร์)

  • เครื่องมือเหล่านี้แก้ปัญหาที่คุณ (นักวิจัยด้านการคำนวณควอนตัม) แล้วหรือยัง?

  • มีปัญหาเฉพาะของเครื่องมือเหล่านี้ 'ต้อง' แก้ปัญหาอย่างใดที่คุณกำลังดิ้นรนที่ห้องปฏิบัติการของคุณ?

  • เราสามารถใช้พวกมันได้ (แม้ว่านี่จะหมายถึงการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ไปสู่เทคโนโลยีชีวภาพ)?

"ขั้นตอนแรกในการแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ด้วย biocomputation บนเครือข่ายคือการเข้ารหัสปัญหาในรูปแบบเครือข่ายเพื่อให้มอเตอร์โมเลกุลที่สำรวจเครือข่ายสามารถแก้ปัญหาได้เราพบการเข้ารหัสเครือข่ายสำหรับปัญหาที่สมบูรณ์หลายประการซึ่งเป็นเรื่องยากโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อแก้ปัญหากับคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์. ตัวอย่างเช่นเราได้เข้ารหัสรวมเซตปกแน่นอน satisfiability บูลและพนักงานขายที่เดินทาง

ภายในโครงการ Bio4Comp เราจะมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพการเข้ารหัสเหล่านี้เพื่อให้พวกเขาสามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยสารชีวภาพและปรับขนาดได้ง่ายขึ้น คล้ายกับขั้นตอนวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพคอมพิวเตอร์ของเครือข่ายที่ดีที่สุดสามารถลดอำนาจการใช้คอมพิวเตอร์ (และจำนวนของโปรตีนมอเตอร์) ที่จำเป็นในการหาวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้อง "- ที่มา:. วิจัย Bio4Comp


กระดาษอื่นที่น่าสนใจซึ่งสนับสนุนคำตอบของฉันที่คู่ที่รุนแรงไม่ได้เป็นการคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่เป็นเพียงควอนตัมทางชีวเคมีที่แสดงให้เห็นถึงการเกิดปฏิกิริยาเคมีปินคือ " การสอบสวนควอนตัมและการออกแบบสำหรับเข็มทิศทางเคมีที่มีโครงสร้างนาโนแม่เหล็ก " โดย Jianming Cai (2018)

บทนำ. - เมื่อเร็ว ๆ นี้มีความสนใจที่เพิ่มขึ้นในชีววิทยาควอนตัมคือการตรวจสอบผลกระทบควอนตัมในระบบเคมีและชีววิทยาเช่นระบบเก็บเกี่ยวแสงเข็มทิศนกและการดมกลิ่น แรงจูงใจหลักคือการทำความเข้าใจว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม (ความยุ่งเหยิง) อาจถูกนำมาใช้เพื่อความสำเร็จของการทำงานทางชีวภาพ ในฐานะที่เป็นขั้นตอนสำคัญสู่เป้าหมายนี้เป็นที่พึงปรารถนาในการค้นหาเครื่องมือที่สามารถตรวจจับผลกระทบควอนตัมภายใต้สภาพแวดล้อม เป้าหมายสูงสุดของความสนใจในการศึกษาชีววิทยาควอนตัมคือการเรียนรู้จากธรรมชาติและออกแบบอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งสามารถเลียนแบบระบบชีวภาพเพื่อทำงานที่สำคัญเช่นงานรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์และตรวจจับสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอ

เป็นตัวอย่างของควอนตัมชีววิทยากลไกคู่ที่รุนแรงเป็นสมมติฐานที่น่าสนใจที่จะอธิบายความสามารถของบางชนิดในการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอเช่นนกแมลงวันผลไม้และพืช เข็มทิศแม่เหล็กสามารถค้นหาแอปพลิเคชั่นในสนามแม่เหล็กระยะไกลในการทำแผนที่แม่เหล็กของวัสดุที่ซับซ้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์หรือ topographically และในการถ่ายภาพผ่านสื่อกระจาย มันแสดงให้เห็นว่าเข็มทิศผู้บริจาค - สะพาน - ยอมรับสังเคราะห์ประกอบด้วย carotenoid ที่เชื่อมโยง (C), porphyrin (P), และ fullerene (F) สามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำ (193 K) เป็นที่น่าแปลกใจว่าโมเลกุลสามกลุ่มดังกล่าวเป็นเพียงตัวอย่างเดียวเท่านั้นที่ทราบว่าได้รับการทดลองแสดงให้เห็นว่ามีความไวต่อสนามแม่เหล็กโลก (แต่ยังไม่ถึงอุณหภูมิห้อง)

...

สรุป. - เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสนามไล่ระดับสีสามารถนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของเข็มทิศเคมีอย่างมีนัยสำคัญ ข้อมูลการไล่ระดับสีนอกจากนี้ยังช่วยให้เรามีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของควอนตัมของการเกิดปฏิกิริยาที่รุนแรงในคู่ปั่นเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถแยกแยะได้ว่าสถานะของคู่อนุมูลอิสระเริ่มต้นอยู่ในสถานะเสื้อกล้ามพันกันหรือในรัฐที่มีความสัมพันธ์แบบคลาสสิกแม้ในสถานการณ์ที่ไม่สามารถบรรลุเป้าหมายดังกล่าวมาก่อน. ปรากฏการณ์เหล่านี้ยังคงมีอยู่เมื่อเพิ่มค่าเฉลี่ยการปรับทิศทางแบบตะวันออกบางส่วนและการเพิ่มสัญญาณรบกวนแม่เหล็กที่เหมือนจริง ผลกระทบที่คาดการณ์ไว้อาจตรวจพบได้ในเข็มทิศระบบไฮบริดที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนแม่เหล็กและคู่ที่รุนแรงในโฮสต์ผลึกเหลวเชิง งานของเรานำเสนอวิธีการง่ายๆในการออกแบบ / จำลองเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กที่อ่อนแอที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพโดยอาศัยกลไกการจับคู่ที่รุนแรงที่มีความไวสูงซึ่งอาจทำงานที่อุณหภูมิห้อง


3

มากได้รับการเขียนเกี่ยวกับควอนตัมชีววิทยา สิ่งที่ค่อนข้างเก่าและมั่นคงคือ Phillip Ball รุ่งอรุณแห่งควอนตัมชีววิทยา (Nature 2011, 474, 271-274) สำหรับตอนนี้เราจะไม่ทบทวนและให้ความสำคัญกับคำถามของคุณแทน


ในคำถามแรก: ( เป็นการแก้ปัญหาของเราหรือไม่ )

ระบบ (หรือกระบวนการ) ที่อธิบายโดยควอนตัมชีววิทยาไม่ใช่กลไกควอนตัมที่ไม่น่าสนใจและน่าสนใจ แต่จากความรู้ของฉันที่ดีที่สุดมันก็ไม่ใช่มัลติควิบิตดังนั้นจึงไม่ใช่สิ่งที่เกี่ยวกับการคำนวณควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง: กระบวนการทางชีวเคมีควอนตัมที่รู้จักกันในปัจจุบันไม่ได้แสดงความสามารถในการปรับขยายได้และไม่ได้แสดงประตูตรรกะเชิงควอนตัม ดังนั้นเป็นคำตอบนั่นคือไม่มี: เครื่องมือเหล่านี้ไม่ได้แก้ปัญหาของเรา


ในคำถามที่สอง: ( เป็นการแก้ปัญหาเฉพาะที่เรากำลังดิ้นรนใช่หรือไม่ )

ควอนตัมที่เชื่อถือได้เชื่อมโยงกันในสถานะของแข็งในระบบโครงสร้างที่ซับซ้อนและที่อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งที่เราทุกคนต้องการที่จะเห็นการแก้ไขและอย่างน้อยก็ในบางจุดนี่คือสิ่งที่ควอนตัมชีววิทยาเป็นเรื่องเกี่ยวกับ ดังนั้นเท่าที่ความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับเรื่องนี้เป็นปัญหาเฉพาะที่ผู้คนในห้องปฏิบัติการกำลังทำงานและดูเหมือนว่าจะแก้ไขได้ในชีววิทยา (เนื่องจากโมเลกุลเป็นโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อน) เมื่อใดก็ตามที่เราสามารถทำงานในห้องแล็บของเราเพื่อให้เกิดการเชื่อมโยงกันของควอนตัมในสถานะของแข็งในระบบโครงสร้างที่ซับซ้อนและที่อุณหภูมิสูงเราจะกระโดดเข้าใกล้ประโยชน์และราคาถูกมาก ดังนั้นเป็นคำตอบนั่นคือใช่


ในคำถามที่สาม: ( เราสามารถใช้ชีวโมเลกุลเป็นฮาร์ดแวร์ควอนตัมได้หรือไม่ )

พวกเขาไม่ได้อยู่ในลีกหลักเลยแม้แต่น้อย แม้เป็นการคาดการณ์ในแง่ดีฉันก็บอกได้ว่าพวกเขาจะไม่แข่งขันกับผู้เล่นรายใหญ่ในไม่ช้า แต่ฉันเชื่อว่าในขณะที่การวิจัยก้าวหน้าDNA Origami ที่ผ่านมา(และกลยุทธ์ที่เกี่ยวข้อง) ในชีววิทยาโมเลกุลและชีววิทยาสังเคราะห์ จุดไบโอโมเลกุลจะมีบทบาทในเซตย่อยของสปินโมเลกุล. โดยเฉพาะอย่างยิ่งกุญแจสู่ความเกี่ยวข้องคือการรวมการเชื่อมโยง (ที่พิสูจน์แล้ว) เข้าด้วยกันในสภาวะที่ผิดปกติ (อบอุ่นเปียก) ด้วยความสามารถที่ไม่มีใครเทียบได้ของสารชีวโมเลกุลสำหรับองค์กรที่ซับซ้อนมากในโครงสร้างการทำงาน เนื่องจาก qubits หมุนโมเลกุล (เชื่อมโยงกันเป็นระเบียบ) เป็นสาขาการวิจัยของฉันให้ฉันเชื่อมโยงกับเอกสารที่เกี่ยวข้องสอง First, ปฏิกิริยาแรกบนโมเลกุลแม่เหล็กแรกที่มีการแข่งขันในแง่ของการเชื่อมโยงกับผู้สมัครของรัฐที่มั่นคงปกติและทำให้วิธี โมเลกุลแม่เหล็กจะกลับมาในการแข่งขันไปยังคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ และยังมีข้อเสนอนี้ (การเปิดเผยข้อมูล: ผมผู้เขียน) ใน arXiv เกี่ยวกับเหตุผลและวิธีการหนึ่งที่สามารถใช้เปปไทด์เป็นอเนกประสงค์โครงสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม


3

มีการถกเถียงทางวิทยาศาสตร์อย่างมากเกี่ยวกับหลักฐานของผลกระทบควอนตัมในชีววิทยาเนื่องจากความยากลำบากในการทำซ้ำหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ บางคนพบหลักฐานว่ามีการเชื่อมโยงกันของควอนตัมในขณะที่บางคนแย้งว่านี่ไม่ใช่กรณี (บอล, 2018)

การศึกษาวิจัยล่าสุด (ในเคมีธรรมชาติ, พฤษภาคม 2018 ) พบหลักฐานของสัญญาณสั่นเฉพาะที่บ่งบอกถึงการทับซ้อน นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบผลกระทบของควอนตัมที่คงอยู่อย่างแม่นยำตามทฤษฎีและพิสูจน์ว่าสิ่งเหล่านี้เป็นของพลังงานซ้อนทับสองโมเลกุลพร้อมกัน สิ่งนี้ส่งผลให้ข้อสรุปว่าระบบชีวภาพมีผลกระทบเชิงปริมาณเช่นเดียวกับระบบที่ไม่ใช่ชีวภาพ

ผลเหล่านี้พบได้ในศูนย์ปฏิกิริยาของ Fenna-Matthews-Olsen ของแบคทีเรีย - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017)

งานวิจัยเป็นหลักฐานขนาดและระยะเวลาของกระบวนการถ่ายโอนพลังงานสังเคราะห์ด้วยแสงทำให้พวกเขาอยู่ใกล้กับชายแดนควอนตัม / คลาสสิก มีคำอธิบายต่าง ๆ สำหรับเรื่องนี้ แต่พวกเขาดูเหมือนจะระบุควอนตัม / เสียงคลาสสิกคึกคักที่มีพลังเหมาะสำหรับการควบคุมการถ่ายเทพลังงานกระตุ้น Keren 2018

ควอนตัมชีววิทยาเป็นสารกึ่งตัวนำทางชีวภาพ

การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวในทางชีววิทยาขึ้นอยู่กับการหมุนของสารเคมี (คู่ที่รุนแรง) และได้รับการยอมรับว่า“ สารกึ่งตัวนำอินทรีย์บางอย่าง (OLEDs) แสดง magnetoelectroluminescence หรือ magnetoconductance

 PJ Hore (2016)

คำว่า 'spin singlets' และ 'triplets' ถูกใช้ใน spintronics (ในการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์) และคำที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่คำศัพท์ทั้งหมดนั้นอธิบายปรากฏการณ์เดียวกัน (ในอาณาจักรที่ต่างกัน) เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการเรียกสหวิทยาการเพื่อบูรณาการของเคมีหมุนและ spintronics ในการรับรู้ของ J Matysik (2017)

เซมิคอนดักเตอร์ทางชีวภาพที่นักวิทยาศาสตร์ระบุแล้วรวมถึงเมลานินและเปปไทด์และตอนนี้กำลังมีการสำรวจเปปไทด์เป็นฐานสำหรับการคำนวณควอนตัม

การถ่ายโอนอิเล็กตรอน UltriaFast และการจัดเก็บข้อมูลการหมุนอิเล็กทรอนิกส์ในการหมุนนิวเคลียร์

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงพืชใช้การเชื่อมโยงทางอิเล็กทรอนิกส์เพื่อการถ่ายโอนพลังงานที่เร็วมากและอิเล็กตรอนและเลือกการสั่นสะเทือนที่เฉพาะเจาะจง ด้วยวิธีนี้การถ่ายโอนพลังงานสังเคราะห์และการแยกประจุได้ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่ง ในเวลาเดียวกันการโต้ตอบที่เหมือนกันเหล่านี้ถูกใช้เพื่อ photoprotect ระบบกับผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์ของการเก็บเกี่ยวแสงและการแยกประจุที่ความเข้มแสงสูง

Rienk van Grondelle

ในการแยกประจุในศูนย์ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงสถานะ Triplet สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนโมเลกุลที่ทำให้เกิดออกซิเจนเดี่ยวที่ทำลายล้าง ผลผลิตของแฝดในแบคทีเรียและพืชลดลงโดยสนามแม่เหล็กอ่อน มีการเสนอว่าผลกระทบนี้เกิดจากปฏิกิริยาโพลาไรเซชันของนิวเคลียสของแสงที่เป็นของแข็ง (photo-CIDNP) ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการสร้างโพลาไรเซชันแบบไม่สมดุลของสปินนิวเคลียร์โดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมี Adriana Marais 2015) ภายในชีววิทยาเช่นกลไกสามารถเพิ่มความต้านทานต่อความเครียดออกซิเดชัน

ดูเหมือนว่าจะมีการเชื่อมโยงระหว่างเงื่อนไขของการเกิด photo-CIDNP ในศูนย์ปฏิกิริยาและเงื่อนไขของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเหนี่ยวนำแสงที่ไม่มีประสิทธิภาพในศูนย์ปฏิกิริยา J Matysik 2009,  IF Cespedes-Camacho และ J Matysik 2014 

ผล CIDNP ถูกพบในศูนย์ปฏิกิริยา Fenna-Matthews-Olsen (Roy et al 2006)

ผล CIDNP ยังได้รับการปฏิบัติใน Flavin adenine dinucleotide (FAD) ( Stob 1989)

FAD นั้นมีส่วนเกี่ยวข้องกับผลกระทบเชิงควอนตัมที่ถูกทำให้เป็นทฤษฎีใน cryptochrome และปฏิกิริยารีดอกซ์ทางชีวภาพอื่น ๆ ทฤษฎีที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางคือในระหว่างการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กการกระตุ้นของฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (FAD) ในรูปแบบของการกระตุ้นที่นำไปสู่การก่อตัวของคู่ที่รุนแรงผ่านการถ่ายโอนอิเล็กตรอนตามลำดับ สายโซ่ของทริปโตเฟนสามตัวที่ตกค้างอยู่ภายในโปรตีน กระบวนการนี้จะช่วยลดสถานะเสื้อกล้ามที่น่าตื่นเต้นของ FAD ให้เป็นประจุลบในลักษณะเดียวกับที่ CIDNP MAS NMR ในภาพถ่ายได้ให้รายละเอียดเชิงลึกเกี่ยวกับการขนส่งด้วยแสงสังเคราะห์ของอิเล็กตรอนในศูนย์ปฏิกิริยา ของโปรตีนแสงอื่น ๆ

'จนถึงปัจจุบันยังไม่พบปรากฏการณ์ CIDNP ในสปินทรอนิกส์แม้ว่าจะมีการกล่าวถึงความเป็นไปได้ที่จะได้รับผลกระทบดังกล่าว“ หากพบว่าสปินนิวเคลียร์สปินพบว่ามีผลกระทบต่อการขนส่งอิเล็กตรอนที่ขึ้นอยู่กับสปิน กระบวนการอาจเป็นไปได้: จัดเก็บข้อมูลการหมุนอิเล็กทรอนิกส์ในการหมุนนิวเคลียร์

 J Matysik (2017)


การเชื่อมโยงกันของควอนตัมไม่สำคัญสำหรับฟังก์ชั่นของ FMO: pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ct501066k
user1271772

2

ส่วนขยายของ Anin โพสต์ด้านบน (ฉันไม่สามารถเข้าสู่ระบบกลับไปยังบัญชีนั้นดังนั้นตั้งค่าใหม่)

ข้อ จำกัด ของควอนตัมชีววิทยาเป็นแนวทางเซมิคอนดักเตอร์ทางชีวภาพ

ควอนตัมชีววิทยาไม่สามารถแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติของควอนตัมคอมพิวติ้งได้เนื่องจากมันไม่ได้เป็นเพียงรูปแบบของเซมิคอนดักเตอร์หรือควอนตัมคอมพิวเตอร์

ฉันทราบว่านักวิชาการชั้นนำเช่น PJ Hore (ที่ยกมาด้านบน) ที่ทำงานเกี่ยวกับกลไกการจับคู่ที่รุนแรงในชีววิทยาได้เชื่อมโยงอย่างมากกับการวิจัยของ NMR ตั้งแต่เริ่มต้น นักวิชาการเหล่านี้อาจตระหนักถึงประโยชน์และข้อผิดพลาดของการทำงานแบบสหวิทยาการ หนึ่งในความเสี่ยงที่สำคัญในการศึกษาเชิงวิชาการคือในการวาดแนวเปรียบเทียบข้ามสาขาวิชาเราสามารถละเว้นความแตกต่าง มันไม่น่าเป็นไปได้ที่ระบบการปรับตัวที่ซับซ้อนของชีววิทยาจะเหมาะกับแนวคิดที่มีอยู่ภายในการคำนวณหรือฟิสิกส์ มันต้องการให้นักวิชาการตรวจสอบปรากฏการณ์เป็นสิ่งที่ไม่รู้จักและมีความเป็นไปได้มากมาย - บางแห่งอาจท้าทายแนวคิดที่พวกเขามีอยู่แล้ว

ตัวอย่างเช่นการมุ่งเน้นไปที่กลไกการจับคู่ที่รุนแรงเพียงอย่างเดียวในการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพควอนตัม (ภายในกระบวนการทางชีวภาพ) จะถูก จำกัด การใช้โดยไม่เข้าใจบริบทที่กว้างขึ้น

ทำความเข้าใจบริบท

มีงานวิจัยที่แสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ของ cryptochrome กับกลไกการกำหนดเวลารีดอกซ์และชีวภาพในแบบจำลองหนู(Harino et a, 2017 ) และอย่างกว้างขวางมากขึ้นมีวรรณกรรมที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของรีดอกซ์และจังหวะ circadian (รวมถึงผ่าน gating circadian) ในพืชจำนวนมาก ( Guadagno et al, 2018)และสัตว์สายพันธุ์

งานล่าสุดมีการตรวจสอบจังหวะ circadian ของรุ่นออกซิเจนปฏิกิริยา (ROS)และเอนไซม์ ROS- ขับไล่และจังหวะจังหวะของการสังเคราะห์แสง ROS สร้าง มันได้รับการแนะนำว่า

'เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอัตราการสังเคราะห์แสงนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการผลิตออกซิเจนเสื้อกล้ามกฎระเบียบของการสังเคราะห์ด้วยแสงอาจก่อให้เกิดจังหวะการผลิตออกซิเจนของเสื้อกล้าม' ( Simon et al, 2019 )

หากคุณต้องการทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับจังหวะการเต้นในวงเวียนฉันขอแนะนำให้ตรวจสอบการทำงานของอัลเฟรดโกลด์บีเตอร์

ชีววิทยาไม่ได้แยกทุกอย่างออกเป็นส่วนบุคคล

การดำเนินการของกลไกเวลาดังกล่าวมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพควอนตัม [ Garzia- Plazaola et al, 2017 ; ชูเบิร์ตและคณะ 2004 ) ในวิชาชีววิทยา Sorek and Levy (2012)ได้ทำการวิจัยความสัมพันธ์กับการชดเชยอุณหภูมิ

นาฬิกา circadian ที่รู้จักกันดีมีช่วงเวลาภายนอกที่ไม่น่าเชื่อถึงอุณหภูมิอย่างน่าทึ่ง ( Kidd et al, 2015 )

จากการวิจัยดังกล่าวข้างต้นก็ยังจะดูเหมือนชีววิทยาที่สามารถรักษาแสงและอุณหภูมิการส่งสัญญาณเป็นแบบบูรณาการมากกว่าที่แยกออกจากกัน ( แฟรงคลิน et al, 2014)

และนี่ไม่ได้เกี่ยวกับการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กหรือแสง ยีนร้องไห้เปลี่ยนแปลงแสงสีน้ำเงิน (<420 นาโนเมตร) phototransduction ซึ่งมีผลต่อนาฬิกาชีวภาพการวางแนวอวกาศและแท็กซี่สัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงสนามแม่เหล็กสุริยจันทรคติและรังสีซีเลสเชียลในหลายชนิด ( Clayton, 2016)

บทบาทที่เป็นไปได้สำหรับแผลเป็นควอนตัม

การเชื่อมโยงระหว่างวงโคจรเป็นระยะและควอนตัมถูกสร้างขึ้นในแผลเป็นควอนตัมซึ่งระบบจะป้องกันไม่ให้เกิดความร้อน มันอาจอธิบายได้ว่าทำไมสมการที่สามารถนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลองโครงสร้างการกระจายซึ่งถูกนำมาใช้เพื่อจำลองการสั่นทางชีวภาพ ( Alfred Goldbeter ) สามารถนำไปใช้กับสาขาอื่นได้ ยกตัวอย่างเช่นสม FKPP สามารถนำมาใช้ในการจำลองโครงสร้าง dissipative ที่เกิดขึ้นผ่านปฏิกิริยาการแพร่กระจาย (การขยายพันธุ์ของความไม่แน่นอนที่ไม่ใช่เชิงเส้น fronts คลื่น / ประชากรเปลี่ยนแปลง) แต่ยัง chromodynamics ควอนตัม ( มูลเลอร์และ Munier 2014 ) และความเร็วที่เสื้อแจ็กเก็แม่เหล็ก เผยแพร่ในของเหลวนำไฟฟ้าปั่นป่วน การประมาณค่าแบบดิจิตัลสำหรับการขนส่งยอมรับความเร็วในการแพร่กระจาย(Fedotov et al)

รหัสกำเนิด?

คุณอาจจะต้องพิจารณาว่าระบบชีววิทยาควอนตัมสามารถเชื่อมโยงกับรหัสได้อย่างไร T เขาโฟตอนเป็นทรัพยากรที่นำเสนอในการคำนวณควอนตัมและการสื่อสาร

โฟตอนเป็นตัวแทนของผู้ให้บริการ qubit บินตามธรรมชาติสำหรับการสื่อสารควอนตัมและการมีเส้นใยแสงโทรคมนาคมทำให้ความยาวคลื่น 1,310 นาโนเมตรและ 1,550 นาโนเมตรเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการกระจายในระยะทางไกล อย่างไรก็ตาม qubits เข้ารหัสเป็นอะตอมอัลคาไลน์ที่ดูดซับและปล่อยที่ความยาวคลื่นประมาณ 800 นาโนเมตรได้รับการพิจารณาสำหรับการจัดเก็บและการประมวลผลข้อมูลควอนตัม ( Tanzili et al, 2005 )

ภายในชีววิทยามีกลไกที่เรียกว่า chemiluminescence ที่เกิดขึ้นเอง (และอีกหลายชื่อรวมถึงการปล่อยโฟตอน ultraweak และ biophotons)

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าโฟตอน (เหล่านี้) ถูกปล่อยออกมา (1) ที่ UVA ใกล้มองเห็นและใกล้ช่วงสเปกตรัม IR จาก 350 ถึง 1300 nm และ (2) ที่ความเข้มของการปล่อยโฟตอนในหลายหน่วยถึงหลายร้อย ( กระบวนการเผาผลาญออกซิเดทีฟ) และหลายร้อยถึงหลายพัน (กระบวนการความเครียดออกซิเดชัน) โฟตอน s − 1 ซม. − 2 ( Cifra and Pospíšil, 2014 )

กลไกนี้พบได้อย่างกว้างขวางทั่วทั้งชีววิทยา (ทั้งในพืชและสัตว์) และเกิดขึ้นในรูปแบบของสายพันธุ์ที่ตื่นเต้นทางอิเล็กทรอนิกส์ในระหว่างกระบวนการความเครียดออกซิเดชัน ( Cifra et al, 2014 ) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิต ROS ( Pospíšil et al, 2014 ) . พวกเขาสามารถสร้างและได้รับอิทธิพลจากสิ่งเร้าต่าง ๆ รวมถึงสนามแม่เหล็ก ( Li, 2012 )

ความคิดคือ

กระบวนการต่าง ๆ ของโมเลกุลสามารถปล่อยโฟตอนออกมาและส่งไปยังเซลล์ผิวโดยใช้พลังงานซึ่งมี excitons กระบวนการที่คล้ายกันนี้นำพลังงานจากโฟตอนไปยังเมทริกซ์โปรตีนขนาดใหญ่ระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง (การทบทวนเทคโนโลยีของ MIT, 2012 )

กลไกนี้ถูกเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบในการเผาผลาญพลังงานที่มีอยู่ในวงจร circadian ทั้งในสัตว์และพืช ( Footitt et al, 2016และKobayashi et al, 2009 ) มันได้รับการตั้งข้อสังเกตว่าข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของกลไกนี้คือมันให้ข้อมูล spatiotemporal ( Burgos et al, 2017 )

มันได้รับการเสนอว่า phosphenes (ซึ่งสามารถสร้างขึ้นในภาพนอกของเราในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าต่าง ๆ รวมทั้งทุ่งแสงและแม่เหล็ก) เป็นผลมาจากการปล่อยโฟตอนอัลตร้าอ่อนแอCsászár et al, 2015 กลไกที่แน่นอนหลังนี้ยังคงอยู่ภายใต้การสอบสวน แต่เรามีโปรตีนต่าง ๆ รวมทั้ง cryptochrome ในเรตินาของเราเอง ( โฟลีย์ et al, 2011) ฟอสฟอรัสสร้างรูปร่างและสีเชิงเรขาคณิตจำนวนมาก เหล่านี้อาจจะทำหน้าที่เป็นรหัส / หน่วยความจำ

สิ่งที่อาจเป็นผลมาจากการยุบซ้อนทับ

หากสามารถสร้างการซ้อนทับของ 1 และ 0 ได้ดังนั้นคำถามต้องได้รับการถามว่าผลลัพธ์ของการยุบคืออะไร

อุปมาสำหรับเรื่องนี้อาจจะมีการยุบภาพลวงตาภาพหลายเสถียรภาพ - เช่นก้อน Necker ปัจจุบันเหล่านี้เป็นไปได้ของภาพหลายภาพและได้รับการสำรวจเป็นผลควอนตัม

เราสามารถยุบภาพลวงตาดังกล่าวโดยการตัดสินใจที่จะให้ความสนใจกับความเป็นไปได้ / ภาพ ตัวเลือกของภาพที่เราเข้าร่วมจะแตกต่างกันไปในแต่ละบุคคลและตัวเลือกดังกล่าวคือการตั้งค่า การเลือกภาพหนึ่งภาพไม่ได้ตรวจสอบความถูกต้องของภาพนั้นเหนือสิ่งอื่นทั้งหมด มันเป็นเพียงทางเลือก

สิ่งที่เราท้ายที่สุดคือเพียงหนึ่งทางเลือก / การตีความจากความเป็นไปได้หลายทาง การประยุกต์ใช้ทั้งหน่วยความจำและผลการทำนายในการตีความหรือการสร้าง (ด้วยการคาดการณ์การวาดอย่างหนักในหน่วยความจำ) มากกว่าคำตอบที่ถูกต้อง

การยุบตำแหน่งซูเปอร์อาจถูกป้องกันโดยการหลีกเลี่ยงการเลือกหรือการวางซ้อนสามารถสร้างได้อีกครั้งผ่านความเป็นไปได้ใหม่ - ตัวอย่างเช่นสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อม

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.