[논문 리뷰] Functional quantum biology in photosynthesis and magnetoreception

Neill Lambert, Yueh-Nan Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 04.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 173인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 광합성과 자외선 감지에서의 기능적 양자 효과에 대한 증거를 검토하며, 빛 흡수 복합체에서의 양자 공명과 조류 이동에서의 라디칼 페어가 에너지 전달 효율성과 자기장 감지 능력을 향상시킨다고 주장한다. 실온에서 생물학적 시스템에서 작용하는 양자 공명에 대한 실험적 및 이론적 근거를 제시하며, 고전적 메커니즘으로는 달성할 수 없는 생물학적 이점을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 공명과 얽힘 현상이 광합성과 자외선 감지와 같은 생물학적 과정에서 기능적으로 작용하는지 평가하는 것.
• 실온에서 광합성 빛 흡수 복합체에서의 양자 공명에 대한 실험적 및 이론적 증거를 평가하는 것.
• 조류의 자외선 감지에서의 라디칼 페어 메커니즘을 잠재적인 생물학적 양자 센서로 검토하는 것.
• 양자 효과가 고전적 메커니즘으로는 달성할 수 없는 생물학적 이점을 제공하는지 조사하는 것.
• 장거리 터널링과 이온 이동과 같은 추측적 양자 생물학 현상 탐구를 통해 검증 가능한 메커니즘에 초점을 맞추는 것.

제안 방법

• 77K 및 실온에서 Fenna-Matthews-Olson(FMO) 복합체의 이중성 전자 스펙트로스코피 데이터를 분석하여 양자 진동과 공명을 탐지한다.
• 라디칼 페어의 에 excitonic 동역학 및 스핀 진화 이론 모델을 적용하여 에너지 전달과 자기장 민감도를 시뮬레이션한다.
• 소음이 많은 생물학적 환경에서 양자 공명을 유지하는 데 기여하는 환경적 탈공명의 역할을 평가한다.
• 변동하는 자기장을 통해 조류의 자외선 감지 기능을 방해하는 실험을 평가하여 라디칼 페어 메커니즘이 기능적 양자 센서임을 검증한다.
• 자기장 강도, 방향, 극성에 대한 비둘기의 신경 반응 데이터를 분석하여 자기장 처리를 위한 생물학적 기초를 규명한다.
• 자기장 펄스를 이용한 스핀 상태의 공명 제어 기법을 고려하여 라디칼 페어 가설을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광합성 빛 흡수 복합체에서의 양자 공명이 고전적 한계를 초월해 에너지 전달 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 생리적 온도에서 생물학적 시스템에서의 양자 공명 지속성에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ3 조류 자외선 감지에서의 라디칼 페어 메커니즘이 이동에 있어 기능적 양자 이점을 제공하는가?
• RQ4 라디칼 페어 수율의 변화가 이주 조류의 방향성 행동 반응으로 어떻게 번역되는가?
• RQ5 생물학적 시스템에서 양자 효과의 기능적 역할을 확실히 확인할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 이중성 전자 스펙트로스코피 분석에서 FMO 복합체에서 77K 및 실온 모두에서 시간에 따라 변하는 진동이 관측되어, 에 excitonic 상태의 양자 초월 상태와 일치하는 공명 진동을 시사한다.
• 광합성 복합체에서의 양자 공명은 공명 에너지 전달과 환경적 탈공명 사이의 균형을 통해 안정화되며, 생리적 조건에서 효율성을 향상시킨다.
• 약한 진동 자기장에 의해 조류의 자외선 감지 기능이 방해받는 것은 라디칼 페어 메커니즘이 기능적 양자 센서임을 뒷받침한다.
• 비둘기의 자기장 강도, 방향, 극성에 대한 신경 반응은 자기장 정보 처리를 위한 생물학적 기초를 시사하지만, 그 메커니즘은 아직 명확하지 않다.
• 이론적 모델은 자기장 펄스를 통한 스핀 상태의 공명 제어가 동물에서 방향성 반응을 유도할 수 있음을 보여주며, 라디칼 페어 가설을 강력히 검증할 수 있는 실험적 근거를 제공한다.
• 최근 비둘기에서의 연구 결과는 이전에 자성체 기반 자외선 감지에 대한 가정을 도전하며, 라디칼 페어 모델을 포함한 다른 또는 추가적인 메커니즘이 작용할 수 있음을 시사한다.