[论文解读] Cell Microtubules as Cavities: Quantum Coherence and Energy Transfer?

Nick E. Mavromatos|ArXiv.org|Sep 21, 2000

Photoreceptor and optogenetics research被引用 8

一句话总结

本文提出，由于水合铁电特性，微管可作为量子相干腔体，通过有序水中的相干电偶极子模式实现无耗散能量传输。该模型预测品质因数 Q ~ 10^8，退相干时间约为 10^{-7} 至 10^{-6} 秒，表明量子相干性可维持足够长的时间，以支持生物系统中的非经典能量传输。

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.

研究动机与目标

• 探究微管在室温热噪声下是否能维持宏观量子相干性。
• 探讨水合铁电性在隔离微管内部与环境退相干中的作用。
• 提出一种通过微管腔体内量子相干偶极子模式实现无耗散能量传输的机制。
• 建议使用量子光学技术的类比方法，对微管中的量子相干性进行实验检验。
• 挑战仅经典物理支配大脑微管中能量传输的观点。

提出的方法

• 将微管建模为一维铁电自旋链，其偶极-偶极相互作用因有序水中的介电常数降低而增强。
• 应用铁电畸变自旋链哈密顿量，描述微管蛋白二聚体的动力学及其与量子化电磁模的耦合。
• 利用腔量子电动力学（腔QED）概念，将微管内部相干偶极子量子类比为电磁腔模。
• 估算品质因数 Q_MT ~ ω_c T_r，其中 T_r ~ 10^{-4} 秒为能量弛豫时间，得出 Q ~ 10^8。
• 引入真空拉比劈裂作为微管蛋白二聚体激发与相干水偶极子模耦合的特征信号。
• 建议使用可调谐单色光脉冲探测吸收光谱中的拉比劈裂，类比于原子腔QED实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有有序水的微管内部能否作为高质量量子腔体，从而抑制热退相干？
• RQ2 水合铁电性在实现微管蛋白二聚体上电偶极子长寿命量子相干态中起什么作用？
• RQ3 微管蛋白二聚体与水中相干偶极子模之间的真空拉比耦合能否在实验中检测到？
• RQ4 预测的退相干时间（~10^{-7}–10^{-6} 秒）是否足以支持微管中相干能量传输？
• RQ5 拉比耦合强度如何随微管蛋白二聚体数量（N）变化，能否通过尺寸依赖性测量进行检验？

主要发现

• 该模型预测微管腔体的品质因数 Q_MT ~ 10^8，与里德伯原子实验中的高质量腔体相当。
• 微管中相干偶极子态的退相干时间估计为 t_coll ~ 10^{-7} 至 10^{-6} 秒，超过通过扭结孤子传输能量的时间尺度。
• 铁电水中介电常数降低增强了偶极-偶极相互作用，使其足以克服室温下的热能 k_B T。
• 预测在吸收光谱中出现真空拉比劈裂，作为微管蛋白二聚体激发与相干水偶极子模耦合的特征信号。
• 拉比耦合强度随 N 个微管蛋白二聚体按 √N 缩放，为集体量子模的存在提供了可检验的特征信号。
• 该模型挑战了仅经典物理支配大脑微管中能量传输的结论，表明量子相干性可在孤立微管腔体内得到稳定。