¿Podría ser necesaria la mecánica cuántica para analizar algunos escenarios de biología?

Question

Como ejemplo, podríamos hablar de un celulares de las neuronas en el cerebro, con un tamaño de $1 \mu m$ (=$10^{-6}$ m), siendo la distancia entre una neurona y la siguiente en una conexión sináptica de alrededor de 40 nm (=$40 \cdot 10^{-9}$ m) (referencia).

Según mi información, el radio atómico son alrededor de 100 horas ($10^{-10}$m), no muy lejos de la sinapsis tamaño (factor de 400).

Por lo tanto, mi pregunta es, podría mecánica cuántica, será necesario analizar escenarios biológicos, tales como celulares de las neuronas de la interacción, etc ?

He leído varios ejemplos acerca de por qué tomar en cuenta los efectos cuánticos, como Heisenberg del principio de incertidumbre, es "inútil" en la escala de los objetos usuales (por ejemplo, un cohete), pero ¿qué pasa en la escala de las células ?

Answer 1

Cabe decir que hace un par de años (en torno a 2007, creo) ha habido algunos fuzz en la comunidad de la física después de algunos investigadores encontraron algunas pruebas de comportamiento cuántico en sistemas biológicos. Más en particular de algunas bacterias. En uno de estos experimentos que los efectos cuánticos (a temperatura ambiente.) se observaron en la FMO compleja y abarca decir, coherente asistida transporte de excitaciones. No creo que los resultados son controvertidos, pero creo que el consenso hoy en día es que, en cierto modo, esas medidas son tan precisos que, después de todo, no es tan sorprendente si un (pequeño) el efecto se convierte en características observables.

Hay otros sistemas biológicos, donde los efectos cuánticos fueron predichos y observados (aviar brújula es otro, e incluso un modelo para la detección de olor), pero estos eran más controvertido.

Voy a añadir algunas referencias, si usted está interesado. Googleando FMO complejo o quantum-biología debe darle un montón de éxitos.

Añadido Editar

De hecho, incluso hay una página de la Wikipedia, que es bastante explicativo

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology

Answer 2

Así que la respuesta corta es que no tenemos el 100% sabe, pero la mayoría de los físicos no lo creo.

La razón por la que creo que no se reduce a dos cosas: el teorema de Ehrenfest y la decoherencia.

El teorema de Ehrenfest es un obligado en lo extraño de la mecánica cuántica puede ser. Se dice que, en promedio, la mecánica cuántica no es extraño: en particular la medición de los resultados a obtener correlación de formas extrañas, pero el promedio de la imagen se ve siempre como la mecánica clásica diría que se ve.

La decoherencia dice que cuántica, las cosas comienzan a la media en cuanto que se enreda con un poco mas de mundo exterior. Así por ejemplo, un plegamiento de proteínas en el agua es constantemente enredo con los que las moléculas de agua que constantemente se enredan unos con otros, y así las correlaciones interesantes no se puede medir en la misma proteína más, pero nos tendría que incluir a todas las moléculas de agua también.

Tenga en cuenta que el tamaño físico no importa en absoluto QM: Quantum no significa "pequeño" y hemos creado las pruebas de QM abarca kilómetros. Solo requiere de "aislado" de las cosas, y pequeños sistemas de nanoescala y los átomos individuales de pasar a ser aislado de su entorno más a menudo que las cosas grandes como pelotas de béisbol volando a través de los muchos aire los átomos de echarlos a todos de la forma.

Cuando se combinan los dos juntos obtendrá un resultado que una vez que un sistema se encuentra inmerso en constante interacción con un ambiente, la mecánica cuántica sólo tiene dos tipos de efectos:

1. el sistema recorta un espacio dentro de ella, que está aislado del medio ambiente, y arbitrario cuántica cosas que sucede en ese espacio, o
2. el sistema muestra algunas de las grandes características de un grupo de pequeño cuántica "nudges" a la clásica imagen-algo que no sucede exactamente de la manera que se esperaba, por ejemplo.

Así, por ejemplo, los pigmentos que utilizan las plantas para convertir la luz en energía química sólo absorben ciertas longitudes de onda de la luz, y esto es un poco cuántica empujar (sistemas cuánticos tienen con frecuencia discreta transiciones de energía y preferentemente de absorber los fotones que tienen una energía entre los dos estados), y hay un quantum "pegajosidad" de que las moléculas tienen el uno hacia el otro, llamado el de van der Waals interacción que es crucial para la comprensión de un montón de diferentes química.

Las estructuras biológicas que se mostraban profundamente cuántica características sería, por tanto, generalmente tiene que crear un ambiente seguro, que no interactúan espacio para un estado cuántico a ser preservado. Esta es la razón por la ligeramente cooky entre nosotros, como Penrose inicio a partir de ejemplos como el citoesqueleto de los túbulos: ellos están buscando la computación cuántica en las células y por lo tanto están muy interesados en los pequeños espacios que están tapiadas desde el resto del mundo. Es también por qué el no-físicos como Searle son muy cuidadosos a decir algo así como "mira, yo solo quiero importar la mayor parte de las características de nuestro cuántica reino como no determinismo, pero, a continuación, explicar cosas como la física clásica+no determinismo en lugar de conseguir super cooky para la mecánica cuántica," él quiere usar la mayor parte de las características que vienen de un montón de trucos en lugar de hacer la apelación de Penrose es hacer que de alguna manera el cerebro es un ordenador cuántico debido a que sus células son las computadoras cuánticas.

No es que sea malo decir que es un sistema cuántico: porque sin duda lo es, todo lo que es! Es justo que uno podría esperar de las sinapsis, por ejemplo, de tener probablemente una muy buena aproximación clásica con tal vez un par de quantum codazos, porque esas sinapsis son fuertemente acoplada con todas las de la tibia, mojada, ruidoso cosas a su alrededor.

Answer 3

Voy a hablar de dos polémicos "de la mecánica cuántica explica que" los problemas en biofísica.

Biofísica explicación del olfato sigue siendo incompleta. Principalmente se centra en dos modelos, ninguno de los cuales puede explicar todos los datos, pero es posible que el olfato utiliza una combinación de ambos efectos (y posiblemente también algo más). Un modelo, en el acoplamiento de la teoría, es el preferido; se basa en cómo las moléculas interactúan a través de la forma y de la química. La otra, la vibración, la teoría, depende de quantum de túneles.

Orquestada objetivo de reducción de la postula que la conciencia se basa en los efectos cuánticos en las neuronas. Esto está en contradicción con el habitual punto de vista de que las conexiones entre neuronas son responsables. Sin embargo, los físicos eminentes como Roger Penrose han trabajado y defendido la Orquesta, O, lo que es la razón por la que me estoy arriesgando ser lo suficientemente general para la inclusión en una respuesta aquí, a pesar de nuestras políticas. Penrose conjeturas que superposiciones forma espacio-tiempo "ampollas" que someterse O en un momento $\hbar/E_G$, $E_G$ la ampolla gravitacional de la auto-energía. Un radio-$R$ densidad-$\rho$ neurona tiene una masa de $M=\frac{4\pi\rho R^3}{3}$, GPE $E_G=\frac{3GM^2}{5R}=\frac{16\pi^2 G\rho^2 R^5}{15}$ y O escala de tiempo $\frac{15\hbar}{16\pi^2 G\rho^2 R^5}$. Para $\rho =10^3\text{kg}\,\text{m}^{-3},\,R=10^{-5}\text{m}$ (si me permiten tales aproximaciones de una neurona) es $1.5\mu\text{s}$. Tome cualquier número con una pizca de sal, sin embargo, debido a que las neuronas varían en tamaño.

Answer 4

No puedo extraer una cita simple de este artículo de Physics World , pero tiene una historia bastante decente de los descubrimientos y análisis que pueden o no demostrar los efectos cuánticos en la fotosíntesis del proceso de almacenamiento de energía en las plantas.

Mi opinión es que no se ha refutado ni probado todavía por el momento.