[論文レビュー] Functional quantum biology in photosynthesis and magnetoreception

Neill Lambert, Yueh-Nan Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 173被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、光合成および磁気受容における機能的量子効果の証拠をレビューし、光捕集複合体における量子コヒーレンスと鳥類のナビゲーションにおけるラジカル対が、エネルギー移動効率および磁場センシングを向上させると主張する。室温での生物学的系における量子コヒーレンスの機能的役割を実験的・理論的根拠とともに提示し、古典的メカニズムでは達成できない生物学的利点を示唆している。

ABSTRACT

Is there a functional role for quantum mechanics or coherent quantum effects in biological processes? While this question is as old as quantum theory, only recently have measurements on biological systems on ultra-fast time-scales shed light on a possible answer. In this review we give an overview of the two main candidates for biological systems which may harness such functional quantum effects: photosynthesis and magnetoreception. We discuss some of the latest evidence both for and against room temperature quantum coherence, and consider whether there is truly a functional role for coherence in these biological mechanisms. Finally, we give a brief overview of some more speculative examples of functional quantum biology including the sense of smell, long-range quantum tunneling in proteins, biological photoreceptors, and the flow of ions across a cell membrane.

研究の動機と目的

• 量子コヒーレンスおよびもつれが、光合成や磁気受容などの生物学的プロセスにおいて機能的に果たす役割があるかどうかを評価すること。
• 室温における光合成光捕集複合体における量子コヒーレンスの実験的および理論的証拠を評価すること。
• 鳥類の磁気受容におけるラジカル対機構が、潜在的な生物学的量子センサとしての役割を果たすかどうかを検討すること。
• 量子効果が、古典的メカニズムでは達成できない生物学的利点を提供するかどうかを調査すること。
• 長距離トンネル効果やイオン輸送を含む、予想される量子生物学的現象を検討し、検証可能なメカニズムに焦点を当てる。

提案手法

• Fenna-Matthews-Olson (FMO) 複合体の77Kおよび室温における2次元電子分光法データを分析し、量子揺らぎおよびコヒーレンスを検出する。
• ラジカル対における励起状態のダイナミクスおよびスピンの時間発展を模擬する理論的モデルを適用し、エネルギー移動および磁場感度をシミュレートする。
• ノイズの多い生物学的環境において、量子コヒーレンスを維持するための環境的位相崩壊の役割を評価する。
• 振動磁場による鳥類の磁気受容の破壊を評価し、ラジカル対機構の予測を検証する。
• 鴿の神経応答データを検討し、磁場処理の生物学的基盤を同定する。
• 磁場パルスによるスピン状態のコherent制御を、ラジカル対仮説の検証として検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光合成光捕集複合体における量子コヒーレンスは、古典的限界を超えてエネルギー移動効率を向上させることができるか？
• RQ2 生理的温度における生物学的系に、量子コヒーレンスが持続する証拠は何か？
• RQ3 鳥類の磁気受容におけるラジカル対機構は、ナビゲーションに機能的量子利点を提供するか？
• RQ4 ラジカル対の生成率の変化が、渡り鳥の方向行動反応にどのように変換されるか？
• RQ5 生物学的系において量子効果が機能的役割を果たすことを明確に確認する実験的シグナルは何か？

主な発見

• 2次元電子分光法により、FMO複合体において77Kおよび室温の両方で時間依存の振動が観測され、励起状態の重ね合わせに起因する量子揺らぎが示された。
• 光合成複合体における量子コヒーレンスは、コherentエネルギー移動と環境的位相崩壊のバランスによって安定化され、生理的条件下での効率向上に寄与している。
• 弱い振動磁場による鳥類の磁気受容の破壊は、ラジカル対機構が機能的量子センサとして作用していることを支持する。
• 鴿の神経応答が磁場強度、方向、極性に応じて変化するという事実から、磁場情報処理の生物学的基盤が存在する可能性が示唆されるが、そのメカニズムは未解明のままである。
• 理論的モデルは、磁場パルスによるスピン状態のコherent制御が動物の方向反応を引き起こす可能性を示しており、ラジカル対仮説の強力な検証手段となる。
• 最近の鴿に関する研究は、磁鉄鉱に基づく磁気受容に関する従来の仮定に疑問を呈し、ラジカル対モデルを含む代替的または追加的なメカニズムが関与している可能性を示唆している。