[論文レビュー] On the Possibility of Large Upconversions and Mode Coupling between Frohlich States and Visible Photons in Biological Systems

J. Swain|ArXiv.org|Mar 16, 2006

Quantum optics and atomic interactions参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、生物学的系における非線形結合を通じて、フロイリッヒのマイクロ波光子を可視光のポップ光子に大規模にアップコンバージョンする理論的メカニズムを提案する。これは、バイオマoleculeにおけるマクロな量子コherenceと、コherentなバイオフォトン放出との自然な関連性を示唆する。モデルは約400倍のピークアップコンバージョン効率を予測し、生物学的シグナリングや代謝調節に向けた、著しく異なる周波数スケール間でのエネルギー移動を可能にする。

ABSTRACT

At least two significant roles for large scale quantum coherence in living systems have been suggested: Herbert Fröhlich's coherent excitations of nonlinearly coupled ensembles of large polarizable molecules, with frequencies in the microwave region, and Fritz Popp's coherent visible photon emission arising from metabolically active cells. The large difference in frequencies has made it difficult to see these two phenomena as being linked. Here a case is made for a potentially large coupling between these modes, and suggestions are made for the biological roles played by these coherent excitations.

研究の動機と目的

• 生物学的系における二つの見かけ上関係のない現象を統合すること：フロイリッヒのマイクロ波周波数のコherentな励起と、ポップの可視光周波数のバイオフォトン放射。
• 長年の課題である、マイクロ波帯域におけるマクロな量子コherenceと、生細胞内での可視光フォトン放射との間の関連を解明すること。
• 低エネルギーのフロイリッヒ光子を高エネルギーの可視光フォトンに大規模にアップコンバージョンする物理的に妥当なメカニズムを提唱すること。
• このような結合の生物学的意味を検討すること。特に、エネルギー移動、細胞間シグナリング、および選択的フォトン交換による代謝調節の可能性。

提案手法

• フロイリッヒの元来のレート方程式モデルを拡張し、コherentなフロイリッヒオシレータ系と外部の可視周波数オシレータ（例えば、QED真空または化学的励起モード）との間の追加の結合項を導入する。
• ポンプ源と熱浴を含む非線形に結合された調和振動子ネットワークとしてシステムをモデル化し、今やエネルギー流出を可能にする外部オシレータを含める。
• 遷移振幅を計算するために摂動的量子場理論的手法（ファインマン図）を適用し、N個のフロイリッヒ光子が一括して1つのポップ光子に結合する過程を分析する。
• 遷移確率が $ N! $ に比例することを導出し、特に $ N \approx 400 $ の周辺で大きな増幅が生じることを示す。
• $ N! $ 要因を用いて、$ N \approx 400 $ でアップコンバージョン効率のピークが予測され、これはマイクロ波（例：~1 THz）から可視光（例：~400 THz）周波数への変換に対応する。
• プロセスの可逆性を検討し、可視光フォトンのフロイリッヒモードへのダウンコンバージョンの可能性を示唆し、双方向のエネルギーおよび信号伝達を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形結合メカニズムは、マイクロ波周波数のフロイリッヒ光子を可視周波数のポップ光子に大規模にアップコンバージョンする現象を説明できるか？
• RQ2 代謝的に活性な細胞からの超微弱な発光におけるスペクトルの平坦性とコherenceの背後にある理論的根拠は何か？
• RQ3 マイクロ波帯域で働くフロイリッヒ機構が、エネルギー保存則に反することなく、可視光フォトン放射とどのように関連するのか？
• RQ4 このような結合が、生物学的エネルギー移動、代謝調節、または細胞間シグナリングにおいて果たす役割は何か？
• RQ5 生体系において、著しく異なる周波数スケール間で効率的かつ選択的なエネルギー移動を可能にする物理的メカニズムは存在するか？

主な発見

• モデルは、約400倍のピークアップコンバージョン効率を予測し、これは1つのマイクロ波周波数のフロイリッヒ光子が可視周波数のポップ光子に変換されることに対応する。
• N個のフロイリッヒ光子が一括して1つのポップ光子を形成する遷移振幅は $ N! $ に比例し、大規模なNに対して確率が著しく増幅され、$ N \approx 400 $ でピークに達する。
• 予測された約400倍のアップコンバージョン効率は、典型的なマイクロ波（例：1 THz）と可視光（例：400 THz）周波数間のエネルギー比と一致しており、物理的に妥当である。
• このシステムは可逆的な結合を許容し、マイクロ波から可視光へのアップコンバージョンと、可視光からマイクロ波へのダウンコンバージョンの両方が可能である。これは、双方向のエネルギーおよび信号交換を示唆する。
• このモデルは、ポップらの以前の現象論的提案である $ N! $ 増幅付きアップコンバージョンプロセスの、微視的かつ量子場理論的基盤を提供する。
• このフレームワークは、生物系がコherentなマイクロ波励起をエネルギー貯蔵の「通貨」として利用し、共鳴結合によって生化学反応を駆動するためのエネルギー量子を正確に供給可能である可能性を示唆する。