[論文レビュー] Fundamental mechanisms of noise supported energy transfer in biological systems

Filippo Caruso, Alex W. Chin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2009

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 25被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、環境ノイズ、特にデcohaseが、破壊的干渉を抑制し、線幅拡大を引き起こすことで、生物学的ネットワークにおける量子エネルギー移動を向上させることで、エネルギー移動経路を新たに開くメカニズムを特定している。完全結合ネットワークにおける不変部分空間を特定する解析的手法を用いて、FMO複合体やクロロソームなどの光合成複合体における励起状態移動の高効率性と頑健性を説明している。

ABSTRACT

Excitation transfer through interacting systems plays an important role in many areas of physics, chemistry, and biology. The uncontrollable interaction of the transmission network with a noisy environment is usually assumed to deteriorate its transport capacity, especially so when the system is fundamentally quantum mechanical. Here we identify key mechanisms through which noise such as dephasing, perhaps counter intuitively, may actually aid transport through a dissipative network by opening up additional pathways for excitation transfer. We show that these are processes that lead to the inhibition of destructive interference and exploitation of line broadening effects. We illustrate how these mechanisms operate on a fully connected network by developing a powerful analytical technique that identifies the invariant (excitation trapping) subspaces of a given Hamiltonian. Finally, we show how these principles can explain the remarkable efficiency and robustness of excitation energy transfer from the light-harvesting chlorosomes to the bacterial reaction center in photosynthetic complexes and present a numerical analysis of excitation transport across the Fenna-Matthew-Olson (FMO) complex together with a brief analysis of its entanglement properties. Our results show that, in general, it is the careful interplay of quantum mechanical features and the unavoidable environmental noise that will lead to an optimal system performance.

研究の動機と目的

• 環境ノイズが通常は有害であると見なされるが、それが量子生物学的系におけるエネルギー移動をどのように向上させるかを理解すること。
• 散逸的ネットワークにおけるノイズ（例えばデコherence）が輸送効率をどのように向上させるかという物理的メカニズムを同定すること。
• ハミルトニアンネットワークにおける不変部分空間を特定するための解析的フレームワークを構築すること。
• FMO複合体やクロロソームのような光合成複合体におけるエネルギー移動の高効率性と頑健性を説明すること。

提案手法

• 完全結合ネットワークにおける与えられたハミルトニアンの不変（励起捕獲）部分空間を特定するための新規な解析的手法を開発した。
• ノイズが輸送経路をどのように変化させるかを検討するために、完全結合ネットワークにおける励起移動をモデル化した。
• Fenna-Matthew-Olson (FMO) 複合体におけるノイズ下での励起移動を分析するために数値シミュレーションを用いた。
• エネルギー移動中の量子もつれ状態を評価するために、FMO複合体におけるもつれ性質を調査した。
• 量子コherenve、デコherence、ネットワークトポロジーの相互作用を調査し、ノイズ支援輸送メカニズムを明らかにした。
• ノイズによる線幅拡大と干渉抑制が、追加の移動経路を可能にすることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境ノイズ（例えばデコherence）が、量子生物学的ネットワークにおけるエネルギー移動を劣化させるのではなく、どのように向上させるのか。
• RQ2 ノイズが散逸的ネットワークにおける破壊的干渉をどのように抑制し、輸送効率を向上させるのかという物理的メカニズムは何か。
• RQ3 線幅拡大効果が、ノイズを持つネットワークにおける新しい励起移動経路の開拓にどのように寄与するのか。
• RQ4 ノイズ支援輸送の原則が、FMO複合体やクロロソームにおけるエネルギー移動効率をどの程度説明できるのか。
• RQ5 ハミルトニアンにおける不変部分空間が、励起捕獲と輸送の頑健性を決定づける役割を果たすのか。

主な発見

• ノイズ、特にデコherenceは、散逸的ネットワークにおける破壊的量子干渉を抑制することで、エネルギー移動を向上させうる。
• ノイズによって誘発される線幅拡大が、励起移動の追加経路を創出しており、全体の輸送効率を向上させている。
• 解析的手法により、ハミルトニアンにおける不変部分空間を効果的に特定でき、励起捕獲が発生する条件を明らかにした。
• Fenna-Matthew-Olson (FMO) 複合体の数値解析により、ノイズ支援輸送メカニズムがその高効率性に寄与していることが確認された。
• 本研究では、量子コherenveと環境ノイズの相互作用が、光合成複合体における最適なシステム性能をもたらすことを示した。
• FMO複合体におけるもつれ性質はノイズ下でも維持されており、生物学的エネルギー移動においても量子効果が依然として関連している可能性を示唆している。