زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت سوم)

زیست شناسی کوانتومی : ظهور شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در دنیای پیچیده‌ی حیات (قسمت سوم)

در قسمت اول و دوم مقالات زیست شناسی کوانتومی به ترتیب درباره‌ی تاریخچه این حوزه‌ و احتمال یک منشا کوانتومی برای حیات صحبت کردیم. در این قسمت، درباره‌ی اثرات جذاب و غیربدیهی مکانیک کوانتومی در زیست شناسی صحبت خواهیم کرد.

حالات برانگیخته در زیست شناسی

در سال 1962، لانگت-هیگینز (Longuet-Higgins) در مقاله‌ای تحت عنوان «مکانیک کوانتومی و زیست شناسی» چنین نوشت: مکانیک کوانتومی تنها در فهم چند فرایند زیستی که شامل تابش هستند، می‌تواند به ما کمک کند. از آن زمان، پژوهش‌ها نشان داده‌اند که این دید محافظه‌کارانه نیاز به اصلاح دارد. قطعا پدیده‌های کوانتومی در سیستم‌های زیستی که برای توضیح به طور صریح به نظریه کوانتومی نیاز دارند، فراوانند؛ مثلا «ثروت انرژی‌» یک ملکول، انرژی ذخیره شده در حالات کوانتومی است، یعنی معمولا پیوندهای شیمیایی که می‌توانند در واکنش‌ها، تغییر کنند و در نتیجه یک کوانتوم انرژی را ذخیره یا آزاد کنند. در همین زمینه، مثال‌های زیادی وجود دارد که برای زیست شناسی، اهمیت دارند، مانند فسفات نوکلئوزید (ATP)، تیواستر، ایمیدازول‌ و غیره. ویژگی‌های خاص ملکول‌هایی مانند کوئین‌ها که در زنجیره‌های انتقال الکترون مهم‌اند را می‌توان به فواصل انرژی کوانتومی آن‌ها نسبت داد.

برداشت نور فتوسنتری

برداشت نور در فتوسنتز، اخیرا به مدلی پارادایمی برای اثرات کوانتومی در زیست شناسی تبدیل شده است. کمپلکس‌های رنگدانه-پروتئین فتوسنتزی، نور خورشید را جمع کرده و انرژی را به شکل برانگیختگی الکترونی به مرکز واکنش، انتقال می‌دهند؛ جایی‌ که جدایی بار، مجموعه‌ای از فرایندهای بیوشیمیایی را آغاز می‌کند. برداشت نور در اندام‌های فتوسنتزی، با بهره‌وری کوانتومی بسیار قابل توجهی رخ می‌دهد. معمولا بهره‌وری کوانتومی برای شروع جدایی بار به ازای پروتون جذب شده و تحت شرایط تابش کم، 95 درصد است. بنابراین علاقه‌ی زیادی برای بررسی اصول طراحی این فرایند فوق‌العاده بهره‌ور وجود دارد.

موفقیت برداشت طبیعی نور به دینامیک‌های فوق‌العاده سریع حالت برانگیخته شامل انتقال انرژی و جدایی بار بستگی دارد، جایی که برهم نهی کوانتومی و دینامیک‌های همدوس، نقش مهمی بازی می‌کنند. بنابراین مدل‌های مبتنی بر نظریه کوانتومی، برای درک فرایند اولیه‌ی فتوسنتز، حیاتی هستند. به علاوه پیشرفت‌های اخیر در طیف‌سنجی الکترونی دوبعدی و کاربردش برای آزمودن این سیستم‌ها، برداشت نور فتوسنتزی را در جایگاهی منحصربفرد برای بررسی پدیده‌های دینامیکی کوانتومی در سیستم‌های زیستی قرار داده است.

بسیاری از پدیده‌های کوانتومی، اغلب بسیار حساس و ظریف درنظر گرفته می‌شوند؛ یعنی تصور بر این است که این پدیده‌ها نمی‌توانند در مقیاس‌های زمانی مربوط به موجودات زنده‌ی گرم و دارای نویز زیاد، دوام بیاورند. به همین خاطر بود که مشاهده آزمایشگاهی همدوسی کوانتومی طولانی مدت الکترونی در یک پروتئین فتوسنتزی (کمپلکس FMO) توسط اِنگل (Engel)،‌ علاقه‌ی زیادی را به خود جلب کرد. آزمایش‌های اولیه در دمای 77 کلوین انجام شدند، اما کار بعدی توسط اسکولز و همکارانش روی یک پروتئین برداشت کننده‌ی نور از یک جلبک دریایی، دوام همدوسی کوانتومی را در دمای فیزیولوژیکی یا دمای اتاق تایید کرد. سپس انگل و همکارانش ثابت کردند همدوسی کوانتومی در پروتئین FMO تا دمای اتاق باقی می‌ماند. آن‌ها در این مطالعات، از پالس‌های لیزر فمتوثانیه استفاده کردند. ارتباط پدیده‌های همدوس مشاهده شده در چنین آزمایش‌هایی با رفتار سیستم‌هایی که با نور خورشید کار می‌کنند، به شفاف‌سازی دقیق نیاز دارد. شایان ذکر است در حالیکه این آزمایش‌ها با برانگیختگی همدوس انجام می‌شوند، هامیلتونی بنیادی این آزمایش‌ها، همان هامیلتونی است که بر دینامیک‌های تحت تابش خورشید حکمفرماست. نکته‌ی کلیدی این است که شبیه سازی‌های الهام گرفته از این آزمایش‌ها، به فرض برانگیختگی همدوس نیاز ندارند.

سایر فرایندهای حالت برانگیخته: از بینایی تا ساعت‌های شبانه‌روزی

یک راه ساده برای جواب دادن به سوال ارتباط مکانیک کوانتومی و فرایندهای زیستی این است که ثابت کنیم این فرایندها بدون مکانیک کوانتومی کار نمی‌کنند. بینایی شاید چنین مثالی باشد، زیرا آرایش کوانتومی حالات الکترونی و تقارن‌های آن‌ها، مسئول ایزومراسیون فعال نوری هستند. نور توسط کروموفور در پروتئین ردوپسین (rhodopsin) جذب شده و یک ایزومراسیون فوتوشیمیایی آغاز می‌شود. این فرایند، کوانتومی است. پس از آن، مجموعه‌ای از آنزیم‌ها‌، فعال می‌شوند؛ هیدرولیز گانوسین حلقه‌ای 3’-5’ مونوفسفات که باعث می‌شود کانال‌های یون Na+ بسته شوند. قطبش حاصل، یک پالس الکتریکی را القا می‌کند که به یک سلول عصبی انتقال می‌یابد. این‌ رویدادها همگی با یک فرایند کوانتومی ساده آغاز شدند.

واکنش‌های فتوشیمیایی مانند ایزومراسیون القایی نور رتینا در پروتئین ردوسپین، عموما زیرمجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی هستند. از طرفی مکانیسم بسیاری از واکنش‌های حالت پایه را فقط می‌توان از دیدگاه کوانتومی درک کرد. مثلا قواعد وودوارد-هافمن برای تقارن اوربیتال، توضیح می‌دهند که سدهایی با چه بزرگی برای تبدیلات شیمیایی در حالت پایه الکترونی می‌تواند از راه تغییر ناپیوسته‌ی تقارن اوربیتال در طول تبدیل یک واکنشگر به یک فرآورده بدست آیند. در واکنش‌های فتوشیمیایی، این نوع سدها، بیشتر با استفاده از برانگیختگی نوری برای تغییر تقارن حالت اولیه و فراهم کردن انرژی درونی برای از میان برداشتن سد گرمایی، کاهش می‌یابند. به طور مشابه، فعالیت کاتالیستی آنزیم‌ها را نیز گاهی اوقات می‌توان بر اساس مکانیک کوانتومی، به بهترین نحو درک کرد. بنابراین تصمیم‌گیری در مورد اینکه کدامیک از واکنش‌های شیمیایی، مثال‌های مهمی از بهینه‌سازی کوانتومی در زیست شناسی هستند، دشوار است.

در نهایت، لازم به ذکر است بینایی، تنها فرایند فوتوشیمیایی مهم در زیست شناسی نیست. مثال‌های دیگری مانند غیرفعال‌سازی حالات برانگیخته در DNA و در نتیجه عدم آسیب نوری به کد ژنتیکی، ویتامین D، سنتز زیستی، انتقال الکترون القایی نوری در فتوسنتز، حفاظت نوری از سلول با استفاده از ملانین، لومینسانس زیستی و صفحات خورشیدی پیچیده‌ی مرجان‌ها نیز وجود دارند. دسته‌ی مهمی از پروتئین‌ها که با فعال‌سازی نوری عمل می‌کنند، فوتوکروم‌ها هستند. آن‌ها در فرایندهای زیادی مانند نورگرایی (رشد/حرکت مبتنی بر پاسخ به منبع نور)، فوتوپریودیسم، جوانه زدن و ساعت‌های شبانه‌روزی، نقش مهمی بازی می‌کنند.

ذرات سبک و تونل زنی

تونل زنی الکترونی

جریان الکترون بین عوامل فعال اکسید/احیای دور از هم (بیشتر از 15 آنگستروم)، مهم‌ترین مسئله در تنفس هوازی و فتوسنتز است. پروتئین‌ها، رسانای الکتریکی نیستند، اما بار باید در چنین فرایندهای زیستی، حرکت کند. فرایند تونل زنی کوانتومی به کمک اصل عدم قطعیت زمان-انرژی، دور زدن سدهای انرژی کلاسیکی را ممکن می‌کند. بنابراین الکترون‌ها می‌توانند از طریق فضا و توسط پروتئین هدایت شوند. چنین انتقال الکترون دوربردی در مقیاس‌های زمانی زیستی (از میلی‌ثانیه تا میکروثانیه)، در مسیرهای انتقال انرژی حیات، نقشی کلیدی بازی می‌کند.

تونل زنی در سیستم‌های زیستی، ابتدا برای واکنش‌های انتقال الکترون در پروتئین‌ها گزارش شد. مشاهدات آزمایشگاهی وابستگی ضعیف سرعت به دما و نزول نمایی سرعت انتقال با افزایش فاصله،‌ نشان می‌دهد انتقال دوربرد الکترون در پروتئین‌ها از طریق تونل زنی تک‌ مرحله‌ای الکترون و در یک فاصله‌ی طولانی رخ می‌دهد. این مکانیسم در تضاد با یک مکانیسم هوپینگ چندمرحله‌ای است. محیط پروتئینی، حالات الکترونی را به همراه مسیرهایی در طول ساختارش آماده می‌کند که به توابع موج دهنده و گیرنده کمک می‌نماید، به سمت یکدیگر ناجایگزیده شوند. نتیجه، یک مکانیسم ابرتبادل است که سرعت تونل زنی الکترون را معمولا بیش از 10 مرتبه‌ی بزرگی در مقایسه با فواصل مشابه از طریق خلا، افزایش می‌دهد. حتی تجزیه تحلیل نظری، مسیرهای انتقال الکترون از طریق پروتئین‌ها را پیش‌بینی کرده‌ است. این مسیرها نه تنها شامل پیوندهای کوالانسی می‌شوند، بلکه پیوندهای هیدروژنی یا حتی تماس‌های واندروالسی را نیز دربرمی‌گیرند. برخلاف پیش‌بینی مسیرهای تونل زنی، دانشمندان نشان داده‌اند که یک مدل تجربی مبتنی بر چگالی متوسط پروتئین که به طور موثر پروتئین را به عنوان یک محیط تصادفی بدون ساختار درنظر می‌گیرد، داده‌‌های آزمایشگاهی را توضیح می‌دهد. اینکه آیا پروتئین‌ها، مسیرهای خاص و کارآمدی را برای انتقال الکترون فراهم می‌کنند یا نه، یک سوال باز است.

تونل زنی پروتون

در بسیاری از واکنش‌های کاتالیزی آنزیمی، مرحله‌ی تعیین سرعت شامل انتقال یک پروتون، هیدراید یا اتم هیدروژن است. انتقال همزمان یک پروتون و یک الکترون از مکان‌های مختلف (که انتقال پروتون جفت شده با الکترون نامیده می‌شود) نیز نقش مهمی در محدوده‌ی وسیعی از عملکردهای زیستی بازی می‌کند. به علاوه در برخی آنزیم‌ها، ممکن است اثرات کوانتومی در سرعت کاتالیزی مهم باشند. جابه‌جایی انرژی ناشی از انرژی نقطه صفر که یک تصحیح کوانتومی به انرژی آزاد فعال سازی کلاسیکی و اثرات تونل زنی هیدروژن می‌دهد، دلیل این اهمیت است. این اثرات کوانتومی هسته‌ای، دسته‌ی دیگری از پدیده‌های کوانتومی را در سیستم‌های زیستی نشان می‌دهند. طول موج کوتاه دوبروی تابع موج پروتون، تونل زنی هیدروژن را به افت وخیزهای فاصله،‌ به شدت حساس می‌کند که منجر به احتمال جفت‌شدگی قوی بین حرکات پروتئین و سینتیک تونل زنی هیدروژن می‌شود. یک بحث داغ در مورد کاتالیز آنزیمی، این است که آیا جفت‌شدگی‌ با دینامیک‌های آهسته‌ی پروتئین، کنترل تونل زنی کوانتومی را امکان‌پذیر کرده و در افزایش سرعت واکنش کاتالیستی سهم دارد؟

بویایی

یک حوزه‌ی مورد توجه در زیست شناسی کوانتومی، گیرنده‌ی بویایی است. بویایی، حس کردن بو یا فعالسازی سلول‌های حسگری مربوطه است (مثلا برای تشخیص فرومون). اینکه این سیستم‌ها چگونه کار می‌کنند و به ویژه چگونه چنین محدوده‌ای از عطرها می‌توانند توسط تعداد محدودی گیرنده‌ بویایی تشخیص داده ‌شوند، کاملا توضیح داده نشده است. برخی بر این باورند که عطرها فقط از طریق شکلشان تشخیص داده نمی‌‌شوند، بلکه چگونگی چسبیدن آن‌ها به گیرنده‌های بویایی نیز مهم است. در میان نظریه‌های مختلف، پیشنهاد شده که یک جز دوم، با مدل قفل و کلید عمل می‌کند، بدان معنا که طیف ارتعاشی عطر، مهم است. مکانیسمی که اینجا نقش بازی می‌کند این است که یک فونون به تونل زنی یک الکترون بین دو جایگاه گیرنده از طریق عطر کمک می‌کند. درک دقیق‌تر پروتئین و برهمکنش‌هایش با یک آنالیت مقید، برای آزمودن فرضیه عملکرد گیرنده‌های بویایی و نقش احتمالی تونل زنی کوانتومی، حیاتی است. مطالعه‌ی دقیق مکانیسم گیرنده‌ی بوی مگس سرکه نتوانست مدرک خوبی برای نظریه ارتعاشی بدست دهد، اما سایر مطالعات آزمایشگاهی، شواهد خوبی به نفع آن نشان می‌دهند.

جفت‌های رادیکال

گیرنده‌ی مغناطیسی

شواهد متقاعدکننده‌ای وجود دارد که بسیاری از موجودات زنده‌ مانند باکتری‌های مغناطیسی، حشرات، دوزیستان، پرنده‌ها، ماهی‌ها، کوسه‌ها و برخی از حیوانات، خود را از طریق میدان مغناطیسی زمین، هدایت می‌کنند. مثلا ثابت شده کبوترها می‌توانند برای تشخیص یک ناهنجاری مغناطیسی ضعیف، آموزش ببینند. پاسخ آن‌ها پس از اتصال یک آهنربا به بخشی از پشت آن‌ها که می‌دانیم شامل یک اندام مغناطیسی زیستی است، دچار آشفتگی می‌شود. پس نتیجه می‌گیریم این ساختار در حس کردن میدان مغناطیسی سهیم است. سایر مطالعات، چگونگی حس شدن خطوط میدان مغناطیسی برای تشخیص مسیر را توضیح می‌دهند. اکنون شکی نیست که بسیاری از موجودات می‌توانند با استفاده از حس مغناطیسی، خود را هدایت کنند.

یک فرضیه برای مکانیسم بنیادی گیرنده‌ی مغناطیسی این است که اندام‌های مغناطیسی (که به صورت رشته‌ای جهت‌دار آرایش یافته‌اند) با گیرنده‌های خاصی جفت می‌شوند، به گونه‌ای که گشتاور مکانیکی در پاسخ به تغییرات میدان مغناطیسی، یک کانال یونی را برای آغاز ارسال سیگنال، فعال می‌کند. این فرضیه، حضور و استفاده از زنجیره‌های اندام‌های مغناطیسی که به روشنی تشخیص داده شده‌اند را توضیح می‌دهد. با این وجود، اینکه سیگنال فرستادن دقیقا چگونه رخ می‌دهد، نامعلوم است. در برخی مطالعات، ثابت شده گیرنده‌ی مغناطیسی، حداقل در مورد سوسمارهای آبی و پرندگان، به نور وابسته است که در نتیجه به فرضیه‌ی دومی برای مکانیسم گیرنده‌ی مغناطیسی قوت بخشیده است. در این فرضیه‌، یک واکنش شیمیایی آغازشده با نور که احتمالا در یک گیرنده‌ی نوری کریپتوکروم رخ می‌دهد، با تغییر میدان مغناطیسی، تغییر می‌کند.

بدیهی است که حس کردن مغناطیسی با سیستم های زیستی ارتباط روشنی دارد، زیرا به ناوبری، جهت‌یابی و مهاجرت‌های دوربرد کمک می‌کند، اما آیا مکانیسم بنیادی آن، کوانتومی است؟ پاسخ به این سوال بستگی دارد که حس کردن مغناطیسی در نهایت با کدام مکانیسم انجام می‌شود. مکانیسم اولی که در بالا توضیح داده شد، مبتنی بر الکترومغناطیس کلاسیکی بود و بنابراین می‌تواند بدون مکانیک کوانتومی پیش‌بینی شود. مکانیسم دوم نشان می‌دهد نردبان‌های حالات الکترونی، در مثال‌های زیستی مکانیک کوانتومی، شایع هستند، اما در این مورد، آن نردبان‌ها (به ویژه انرژی‌های نسبی حالات یکتایی و سه تایی) برای حس کردن یک محرک بیرونی استفاده می‌شوند. وابستگی صریح این مکانیسم به اسپین الکترون، بدین معناست که مکانیک کوانتومی در قلب این مکانیسم قرار دارد. احتمال اینکه سیستم‌های زیستی در حال انجام نوعی آزمایش تشدید مغناطیسی برای هدایت الگوهای مهاجرت فصلی یا ناوبری باشند، شگفت‌انگیز است. با این حال، برای بدست آوردن ارتباطات آزمایشگاهی متقاعد کننده بین رفتار موجودات زنده و مکانیسم‌های بنیادی سطح ملکولی این صفات، پیشرفت‌های مهمی، لازم است.
 



ادامه دارد...

كلمات كليدي :
زیست شناسی کوانتومی , برهم نهی کوانتومی , درهم تنیدگی کوانتومی , همدوسی کوانتومی , اثرات کوانتومی در زیست شناسی
 
امتیاز دهی