[논문 리뷰] Cell Microtubules as Cavities: Quantum Coherence and Energy Transfer?

Nick E. Mavromatos|ArXiv.org|2000. 09. 21.

Photoreceptor and optogenetics research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 수분한 반도체 물질의 성질 덕분에 미세소관이 양자 공명 상태의 캐비티로 작용할 수 있으며, 이로 인해 질서 잡힌 물 속에서 양자 공명 전기 dipole 모드를 통해 에너지 손실 없이 에너지가 전달될 수 있다고 제안한다. 이 모델은 품질 인자 Q ~ 10^8과 10^{-7}~10^{-6}초 정도의 비퇴화 시간을 예측하며, 이는 생물학적 시스템에서 비고전적 에너지 전달을 지속시킬 수 있을 정도로 양자 공명이 오래 지속될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서의 열 노이즈가 존재하더라도 미세소관이 거대한 양자 공명 상태를 유지할 수 있는지 조사하기 위해.
• 수분한 반도체 물질이 미세소관 내부를 환경으로부터의 비퇴화로부터 격리시키는 데서의 역할을 탐구하기 위해.
• 미세소관 캐비티 내에서 양자 공명 전기 dipole 모드를 통해 에너지 손실 없이 전달되는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 양자 광학 기법의 유사체를 사용하여 미세소관 내에서의 양자 공명 상태를 실험적으로 검증할 수 있는 방법을 제안하기 위해.
• 뇌의 미세소관에서 에너지 전달은 오직 고전 물리학이 지배한다고 보는 견해에 도전하기 위해.

제안 방법

• 질서 잡힌 물에서 유전율이 감소함에 따라 강화된 전기 dipole-전기 dipole 상호작용을 가진 일차원 반도체 스핀 체인으로서 미세소관을 모델링한다.
• 반도체 변형 스핀 체인 해밀토니안을 적용하여 튜불린 다이머의 동역학과 양자화된 전자기 모드 간의 결합을 기술한다.
• 캐비티 양자 전기역학(cavity QED) 개념을 사용하여 미세소관 내부의 공명 전기 dipole 양자 상태를 전자기 캐비티 모드와 유사하게 모델링한다.
• 품질 인자 Q_MT ~ ω_c T_r를 추정하며, 여기서 T_r ~ 10^{-4}초는 에너지 회복 시간이다. 이에 따라 Q ~ 10^8를 도출한다.
• 진공 라비 분열을 통해 튜불린 다이머의 진동 상태와 공명 물 분자의 전기 dipole 모드 간의 결합을 서명으로 삼는다.
• 조절 가능한 단색 빛 펄스를 사용하여 흡수 스펙트럼에서 라비 분열을 탐지할 것을 제안하며, 이는 원자 캐비티 QED 실험과 유사하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질서 잡힌 물을 가진 미세소관 내부가 열 비퇴화를 억제하는 고품질의 양자 캐비티로 작용할 수 있는가?
• RQ2 수분한 반도체 물질이 튜불린 다이머의 전기 dipole 상태에서 장수명의 양자 공명 상태를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 튜불린 다이머와 물 내 공명 전기 dipole 모드 간의 진공 라비 결합은 실험적으로 감지될 수 있는가?
• RQ4 예측된 비퇴화 시간(~10^{-7}–10^{-6}초)은 미세소관을 가로질러 공명 에너지 전달을 지속시키기에 충분한가?
• RQ5 라비 결합 강도는 튜불린 다이머 수(N)에 따라 어떻게 변화하며, 이는 크기 의존 측정을 통해 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 미세소관 캐비티에 대해 품질 인자 Q_MT ~ 10^8를 예측하며, 이는 라이드버그 원자 실험에서 관찰되는 고품질 캐비티와 유사하다.
• 미세소관 내 공명 전기 dipole 상태의 비퇴화 시간은 t_coll ~ 10^{-7}~10^{-6}초로 추정되며, 이는 kink 솔리톤을 통한 에너지 전달의 시간 스케일을 초월한다.
• 반도체 물질에서 유전율이 감소함에 따라 전기 dipole-전기 dipole 상호작용이 강화되어 실온에서 열 에너지 k_B T를 초월할 수 있다.
• 흡수 스펙트럼에서 진공 라비 분열이 튜불린 다이머 진동 상태와 공명 물 분자의 전기 dipole 모드 간의 결합을 서명으로 예측한다.
• 라비 결합 강도는 N개의 튜불린 다이머에 대해 √N 비례하여 증가하며, 이는 집단적 양자 모드 존재의 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 이 모델은 뇌의 미세소관에서 에너지 전달은 오직 고전 물리학이 지배한다고 결론 내리는 데 도전하며, 고립된 미세소관 캐비티에서 양자 공명이 안정화될 수 있음을 보여준다.