[論文レビュー] Cell Microtubules as Cavities: Quantum Coherence and Energy Transfer?

Nick E. Mavromatos|ArXiv.org|Sep 21, 2000

Photoreceptor and optogenetics research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、微小小管が水酸化フェロエレクトリック性を有することで、秩序立てた水の中の共鳴電気双極子モードを介したエネルギー損失のないエネルギー移動を可能にする量子コherentなキャビティとして機能しうると提案する。モデルは、品質因数 Q ~ 10^8 およびデコherence時間 10^{-7}～10^{-6} 秒を予測しており、生物学的系における非古典的エネルギー移動を支えるのに十分な長さの量子コherenceが持続可能であることを示唆している。

ABSTRACT

A model is presented for dissipationless energy transfer in cell microtubules due to quantum coherent states. The model is based on conjectured (hydrated) ferroelectric properties of microtubular arrangements. Ferroelectricity is essential in providing the necessary isolation against thermal losses in thin interior regions, full of ordered water, near the tubulin dimer walls of the microtubule. These play the role of cavity regions, which are similar to electromagnetic cavities of quantum optics. As a result, the formation of (macroscopic) quantum coherent states of electric dipoles on the tubulin dimers may occur. Some experiments, inspired by quantum optics, are suggested for the falsification of this scenario.

研究の動機と目的

• 室温の熱的ノイズがある中でも、微小小管が巨視的量子コherenceを維持できるかを調査すること。
• 水酸化フェロエレクトリック性が、微小小管内部を環境からのデコherenceから隔離する役割を果たすかを検討すること。
• 微小小管キャビティ内での量子共鳴双極子モードを介したエネルギー損失のないエネルギー移動のメカニズムを提案すること。
• 量子光学技術の類似手法を用いた、微小小管内での量子コherenceの実験的検証を提案すること。
• 脳内の微小小管におけるエネルギー移動は、唯一古典的物理学に従うという見解に反論すること。

提案手法

• 秩序立てた水中の誘電率が低下する特性を有する一次元フェロエレクトリックスピン鎖として微小小管をモデル化し、双極子-双極子相互作用を強化する。
• フェロエレクトリック歪みスピン鎖ハミルトニアンを用いて、トゥブリンジュウダイマーの力学および量子化された電磁モードへの結合を記述する。
• キャビティ量子電磁力学（キャビティ QED）の概念を用い、微小小管内部の共鳴双極子量子を電磁キャビティモードに類似してモデル化する。
• 品質因数 Q_MT ~ ω_c T_r を推定し、T_r ~ 10^{-4} 秒をエネルギー緩和時間として用いることで、Q ~ 10^8 を得る。
• 真空中のラビ分裂を、トゥブリンジュウダイマー励起状態と共鳴水双極子モードの結合の兆候として導入する。
• 可変周波数の単色光パルスを用いて、吸収スペクトルにおけるラビ分裂をプローブする手法を提案し、原子系キャビティ QED 実験に類似させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秩序立てた水を有する微小小管内部は、熱的デコherenceを抑制する高品質な量子キャビティとして機能できるか？
• RQ2 水酸化フェロエレクトリック性は、トゥブリンジュウダイマー上の電気双極子の長寿命量子コherent状態を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 トゥブリンジュウダイマーと水内共鳴双極子モードとの間の真空中ラビ結合は、実験的に検出可能か？
• RQ4 予測されたデコherence時間（~10^{-7}～10^{-6} 秒）は、微小小管を横断する共鳴エネルギー移動を支えるのに十分か？
• RQ5 ラビ結合強度は、トゥブリンジュウダイマー数 N に対してどのようにスケーリングするか？また、サイズ依存測定によってこのスケーリングを検証可能か？

主な発見

• モデルは、微小小管キャビティの品質因数 Q_MT ~ 10^8 を予測しており、これはラビット原子実験における高品質キャビティと同等の値である。
• 微小小管内での共鳴双極子状態のデコherence時間は t_coll ~ 10^{-7} から 10^{-6} 秒と推定され、キンクソリトンによるエネルギー輸送の時間スケールを上回る。
• フェロエレクトリック性を持つ水の誘電率が低下していることにより、双極子-双極子相互作用が強化され、室温における熱エネルギー k_B T を上回る。
• 吸収スペクトルにおける真空中ラビ分裂は、トゥブリンジュウダイマー励起状態と共鳴水双極子モードの結合の兆候として予測される。
• ラビ結合強度は N 個のトゥブリンジュウダイマーに対して √N のスケーリングを示し、集団的量子モードの存在を検証可能なシグネチャーを提供する。
• モデルは、脳内の微小小管におけるエネルギー移動は唯一古典的物理学に従うという結論に反論し、孤立した微小小管キャビティ内では量子コherenceが安定化可能であることを示している。