क्वांटम जीव विज्ञान

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क्वांटम जीव विज्ञान जीव विज्ञान के उन पहलुओं के लिए क्वांटम यांत्रिकी और सैद्धांतिक रसायन विज्ञान के अनुप्रयोगों का अध्ययन है जिन्हें भौतिकी के मौलिक नियमों द्वारा स्पष्ट रूप से वर्णित नहीं किया जा सकता है।[1] मौलिक क्वांटम इंटरैक्शन की समझ महत्वपूर्ण है क्योंकि वे जैविक प्रणालियों में अगले स्तर के संगठन के गुणों को निर्धारित करते हैं।

कई जैविक प्रक्रियाओं में ऊर्जा का उन रूपों में रूपांतरण सम्मिलित है जो रासायनिक परिवर्तनों के लिए प्रयोग करने योग्य हैं, और प्रकृति में क्वांटम यांत्रिक हैं। ऐसी प्रक्रियाओं में रासायनिक प्रतिक्रियाएँ, प्रकाश अवशोषण, उत्तेजित अवस्था का निर्माण, एक्साइटन, और रासायनिक प्रक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन (हाइड्रोजन आयन) का स्थानांतरण, जैसे प्रकाश संश्लेषण, घ्राण और कोशिकीय श्वसन सम्मिलित हैं।[2] क्वांटम जीव विज्ञान क्वांटम यांत्रिक प्रभावों के प्रकाश में जैविक अंतःक्रियाओं को मॉडल करने के लिए संगणनाओं का उपयोग कर सकता है।[3] क्वांटम जीव विज्ञान का संबंध गैर-तुच्छ क्वांटम घटनाओं के प्रभाव से है,[4] जिसे कम करके समझाया जा सकता है

जैविक प्रक्रिया से मौलिक भौतिकी तक, चूंकि इन प्रभावों का अध्ययन करना कठिन है और अनुमान लगाया जा सकता है।[5]


इतिहास

क्वांटम जीव विज्ञान एक उभरता हुआ क्षेत्र है; अधिकांश वर्तमान शोध सैद्धांतिक हैं और उन प्रश्नों के अधीन हैं जिनके लिए और प्रयोग की आवश्यकता है। चूंकि इस क्षेत्र ने वर्तमान में ध्यान आकर्षित किया है, यह 20 वीं शताब्दी के समय भौतिकविदों द्वारा अवधारणाबद्ध किया गया है। यह सुझाव दिया गया है कि क्वांटम जीव विज्ञान चिकित्सा जगत के भविष्य में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।[6] क्वांटम भौतिकी के प्रारंभिक अग्रदूतों ने जैविक समस्याओं में क्वांटम यांत्रिकी के अनुप्रयोगों को देखा था इरविन श्रोडिंगर की 1944 की किताब व्हाट इज लाइफ? जीव विज्ञान में क्वांटम यांत्रिकी के अनुप्रयोगों पर चर्चा की थी।[7] श्रोडिंगर ने एक एपेरियोडिक क्रिस्टल का विचार प्रस्तुत किया जिसमें सहसंयोजक रासायनिक बंध के विन्यास में आनुवंशिक जानकारी सम्मिलित थी। उन्होंने आगे सुझाव दिया कि उत्परिवर्तन क्वांटम लीप्स द्वारा प्रस्तुत किए जाते हैं। अन्य अग्रदूत नील्स बोह्र, पास्कल जॉर्डन और मैक्स डेलब्रुक ने तर्क दिया कि पूरकता (भौतिकी) का क्वांटम विचार जीवन विज्ञान के लिए मौलिक था।[8] 1963 में, प्रति-ओलोव लोडिन ने डीएनए म्यूटेशन के लिए एक अन्य तंत्र के रूप में प्रोटॉन टनलिंग प्रभाव प्रकाशित किया। अपने पेपर में, उन्होंने कहा कि अध्ययन का एक नया क्षेत्र है जिसे क्वांटम जीव विज्ञान कहा जाता है।Cite error: Invalid <ref> tag; invalid names, e.g. too many 1979 में, सोवियत और यूक्रेनी भौतिक विज्ञानी अलेक्जेंडर डेविडॉव ने जीव विज्ञान और क्वांटम यांत्रिकी शीर्षक वाली क्वांटम जीव विज्ञान पर पहली पाठ्यपुस्तक प्रकाशित की।[9][10]


अनुप्रयोग

प्रकाश संश्लेषण

Main article: प्रकाश संश्लेषण
एफएमओ परिसर का आरेख। प्रकाश एक एंटीना में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है। उत्तेजना फिर एफएमओ परिसर में विभिन्न प्रोटीनों के माध्यम से आगे प्रकाश संश्लेषण के लिए प्रतिक्रिया केंद्र में स्थानांतरित होती है।

प्रकाश संश्लेषण से गुजरने वाले जीव हरे पौधों के प्रकाश संचयन परिसरों में इलेक्ट्रॉन उत्तेजना की प्रक्रिया के माध्यम से प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। ये एंटीना जीवों के बीच भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, बैक्टीरिया रिंग जैसे एंटीना का उपयोग करते हैं, जबकि पौधे फोटॉन को अवशोषित करने के लिए क्लोरोफिलरंग का उपयोग करते हैं। प्रकाश संश्लेषण एक्सिटोन बनाता है, जो आवेश का पृथक्करण प्रदान करता है जिसे कोशिकाएँ प्रयोग करने योग्य रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं। प्रतिक्रिया स्थलों में एकत्रित ऊर्जा को प्रकाश या थर्मल कंपन गति से खोने से पहले जल्दी से स्थानांतरित किया जाना चाहिए।

ग्रीन सल्फर बैक्टीरिया में फेन्ना-मैथ्यूज-ओल्सन कॉम्प्लेक्स जैसी विभिन्न संरचनाएं, एंटेना से ऊर्जा को प्रतिक्रिया स्थल पर स्थानांतरित करने के लिए उत्तरदाई हैं। इलेक्ट्रॉन अवशोषण और हस्तांतरण के इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन 99% से अधिक की दक्षता दिखाते हैं,[11] जिसे मौलिक यांत्रिक मॉडल जैसे प्रसार मॉडल द्वारा नहीं समझाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, 1938 की प्रारंभिक में, वैज्ञानिकों ने सिद्धांत दिया कि क्वांटम सुसंगतता उत्तेजना ऊर्जा हस्तांतरण के लिए तंत्र थी।

वैज्ञानिकों ने वर्तमान में इस प्रस्तावित ऊर्जा हस्तांतरण तंत्र के प्रायोगिक साक्ष्य की खोज की है। 2007 में प्रकाशित एक अध्ययन ने इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम सुसंगतता की पहचान का प्रमाणित किया था [12] -196 °C (77 K) पर 2010 के एक अन्य सैद्धांतिक अध्ययन ने प्रमाण दिया कि जैविक रूप से प्रासंगिक तापमान (4 °C या 277 K) पर क्वांटम सुसंगतता 300 फेमटोसेकंड तक रहती है। उसी वर्ष, द्वि-आयामी फोटॉन इको स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके प्रकाश संश्लेषक क्रिप्टोफाइट शैवाल पर किए गए प्रयोगों ने दीर्घकालिक क्वांटम सुसंगतता के लिए और पुष्टि की है[13] इन अध्ययनों से पता चलता है कि, विकास के माध्यम से, प्रकृति ने प्रकाश संश्लेषण की दक्षता बढ़ाने के लिए क्वांटम सुसंगतता की रक्षा करने का एक विधि विकसित किया है। चूंकि , महत्वपूर्ण अनुवर्ती अध्ययन इन परिणामों की व्याख्या पर सवाल उठाते हैं। एकल अणु स्पेक्ट्रोस्कोपी अब स्थैतिक विकार के हस्तक्षेप के बिना प्रकाश संश्लेषण की क्वांटम विशेषताओं को दिखाता है, और कुछ अध्ययन इस पद्धति का उपयोग क्रोमोफोरस में होने वाली परमाणु गतिशीलता के लिए इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम सुसंगतता के कथित हस्ताक्षरों को निर्दिष्ट करने के लिए करते हैं।[14][15][16][17][18][19][20] अप्रत्याशित रूप से लंबे समय तक सुसंगतता को समझाने की प्रयाश में कई प्रस्ताव सामने आए है। एक प्रस्ताव के अनुसार, यदि परिसर के अंदर प्रत्येक साइट अपने स्वयं के पर्यावरणीय ध्वनि को अनुभूत करती है, तो क्वांटम सुसंगतता और तापीय ऊर्जा पर्यावरण दोनों के कारण इलेक्ट्रॉन किसी भी स्थानीय न्यूनतम में नहीं रहेगा, किंतु क्वांटम चलना के माध्यम से प्रतिक्रिया स्थल पर आगे बढ़ेगा।[21][22][23] एक अन्य प्रस्ताव यह है कि क्वांटम सुसंगतता और इलेक्ट्रॉन टनलिंग प्रभाव की दर एक ऊर्जा सिंक बनाती है जो इलेक्ट्रॉन को प्रतिक्रिया स्थल पर जल्दी से ले जाती है।[24] अन्य कार्य ने सुझाव दिया कि जटिल में ज्यामितीय समरूपता प्रतिक्रिया केंद्र में कुशल ऊर्जा हस्तांतरण का समर्थन ले सकती है, क्वांटम नेटवर्क में सही स्थिति हस्तांतरण को प्रतिबिंबित कर सकती है।[25] इसके अतिरिक्त , कृत्रिम डाई अणुओं के साथ प्रयोग इस व्याख्या पर संदेह करते हैं कि क्वांटम प्रभाव एक सौ फेमटोसेकंड से अधिक लंबे समय तक रहता है।[26]

2017 में, परिवेशी परिस्थितियों में मूल एफएमओ प्रोटीन के साथ पहले नियंत्रण प्रयोग ने पुष्टि की कि इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम प्रभाव 60 फेमटोसेकंड के अंदर धुल जाते हैं, जबकि समग्र एक्सिटोन स्थानांतरण में कुछ पिकोसेकंड के क्रम में समय लगता है।[27] 2020 में नियंत्रण प्रयोगों और सिद्धांत के एक विस्तृत संग्रह के आधार पर एक समीक्षा ने निष्कर्ष निकाला कि प्रस्तावित क्वांटम प्रभाव एफएमओ प्रणाली में लंबे समय तक रहने वाले इलेक्ट्रॉनिक सुसंगतता के रूप में नहीं है।[28] इसके अतिरिक्त, परिवहन गतिशीलता की जांच करने वाले शोध से पता चलता है कि एफएमओ परिसरों में उत्तेजना के इलेक्ट्रॉनिक और कंपन मोड के बीच बातचीत के लिए एक्सिटोन ऊर्जा के हस्तांतरण के लिए अर्ध-मौलिक,अर्ध-क्वांटम स्पष्टीकरण की आवश्यकता होती है। दूसरे शब्दों में, जबकि अल्पावधि में क्वांटम सुसंगतता हावी है, एक मौलिक विवरण एक्साइटन के दीर्घकालिक व्यवहार का वर्णन करने के लिए सबसे स्पष्ट है।[29]

प्रकाश संश्लेषण में एक अन्य प्रक्रिया जिसमें लगभग 100% दक्षता है, वह है फोटोप्रेरित आवेश पृथक्करण, फिर से यह सुझाव देता है कि क्वांटम यांत्रिक घटना चल रही है।[20]1966 में, प्रकाश संश्लेषक जीवाणु क्रोमेटियम पर एक अध्ययन में पाया गया कि 100 K से कम तापमान पर, साइटोक्रोम ऑक्सीकरण तापमान-स्वतंत्र, धीमा (मिलीसेकंड के क्रम में) और सक्रियण ऊर्जा में बहुत कम है। लेखकों, डॉन डेवॉल्ट और ब्रिटन चेज़ ने माना कि इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की ये विशेषताएँ क्वांटम टनलिंग का संकेत हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन मौलिक रूप से आवश्यक ऊर्जा से कम ऊर्जा रखने के अतिरिक्त एक संभावित बाधा में प्रवेश करते हैं।[30]

सेठ लॉयड अनुसंधान के इस क्षेत्र में अपने योगदान के लिए भी उल्लेखनीय हैं।

डीएनए म्यूटेशन

डीएनए पूरे शरीर में प्रोटीन बनाने के निर्देश के रूप में कार्य करता है। इसमें 4 न्यूक्लियोटाइड होते हैं: गुआनिन, थाइमिन, साइटोसिन और एडेनिन[31] इन न्यूक्लियोटाइड्स का क्रम विभिन्न प्रोटीनों के लिए "नुस्खा" देता है।

जब भी कोई कोशिका पुनरुत्पादन करती है, उसे डीएनए के इन पहलुओं की नकल करनी चाहिए। चूंकि , कभी-कभी डीएनए के स्ट्रैंड को नकल करने की प्रक्रिया के समय एक उत्परिवर्तन, या डीएनए कोड में त्रुटि हो सकती है। म्यूटेशन के पीछे के तर्क के लिए एक सिद्धांत को लोडिन डीएनए म्यूटेशन मॉडल में समझाया गया है।[32] इस मॉडल में, क्वांटम टनलिंग की प्रक्रिया के माध्यम से एक न्यूक्लियोटाइड अनायास अपना रूप बदल सकता है।[33][34] इस वजह से, परिवर्तित न्यूक्लियोटाइड अपनी मूल आधार जोड़ी के साथ जोड़ी बनाने की क्षमता खो देगा और इसके परिणामस्वरूप डीएनए स्ट्रैंड की संरचना और क्रम बदल जाएगा।

पराबैंगनी प्रकाश और अन्य प्रकार के विकिरण के संपर्क में आने से डीएनए उत्परिवर्तन और क्षति हो सकती है। विकिरण भी पाइरीमिडीन में डीएनए स्ट्रैंड के साथ बांड को संशोधित कर सकते हैं और उन्हें एक डिमर बनाने के लिए स्वयं के साथ बंधन का कारण बन सकते हैं।[35]

कई प्रोकैरियोट्स और पौधों में, डीएनए सुधार एंजाइम फोटोलिसेज़ द्वारा इन बांडों को उनके मूल रूप में सुधार की जाती है। जैसा कि इसके उपसर्ग का अर्थ है, स्ट्रैंड की सुधार के लिए फोटोलिसेज़ प्रकाश पर निर्भर है। डीएनए की सुधार करते समय फोटोलिसिस अपने कोफ़ेक्टर एफएडीएच, फ़्लेविन एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड के साथ काम करता है। फोटोलिसिस दृश्यमान प्रकाश से उत्तेजित होता है और एक इलेक्ट्रॉन को सहकारक एफएडीएच- में स्थानांतरित करता है। एफएडीएच- अब एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन के कब्जे में बंधन को तोड़ने और डीएनए की सुधार के लिए इलेक्ट्रॉन को डिमर को देता है। इलेक्ट्रॉन का यह स्थानांतरण एफएडीएच से डायमर (रसायन विज्ञान) तक इलेक्ट्रॉन की टनलिंग के माध्यम से किया जाता है। यद्यपि टनलिंग की सीमा निर्वात में संभव से बहुत बड़ी है, इस परिदृश्य में टनलिंग को "सुपर विनिमय-मध्यस्थ टनलिंग" कहा जाता है, और इलेक्ट्रॉन की टनलिंग दरों को बढ़ावा देने की प्रोटीन की क्षमता के कारण संभव है।[32]


घ्राण का कंपन सिद्धांत

घ्राण, गंध की भावना, को दो भागों में तोड़ा जा सकता है; एक रसायन का स्वागत और पता लगाना और कैसे पता लगाना मस्तिष्क द्वारा भेजा और संसाधित किया जाता है। सुगंधित यौगिक का पता लगाने की यह प्रक्रिया अभी भी सवालों के घेरे में है। "घ्राण का आकार सिद्धांत" नामक एक सिद्धांत बताता है कि कुछ घ्राण अनुलेख रसायनों के कुछ आकार से ट्रिगर होते हैं और वे अनुलेख मस्तिष्क को एक विशिष्ट संदेश भेजते हैं।[36] एक अन्य सिद्धांत (क्वांटम घटना पर आधारित) बताता है कि घ्राण अनुलेख उन तक पहुंचने वाले अणुओं के कंपन का पता लगाते हैं और "गंध" विभिन्न कंपन आवृत्तियों के कारण होते हैं, इस सिद्धांत को उपयुक्त रूप से "घ्राण का कंपन सिद्धांत" कहा जाता है।

घ्राण का कंपन सिद्धांत, 1938 में मैल्कम डायसन द्वारा बनाया गया[37] किन्तु 1996 में लुका ट्यूरिन द्वारा फिर से सक्रिय किया गया,[38] प्रस्ताव करता है कि गंध की भावना के लिए तंत्र जी-प्रोटीन अनुलेख के कारण होता है जो आणविक कंपन का पता लगाता है, जो कि इनलेस्टिक इलेक्ट्रॉन टनलिंग के कारण होता है, टनलिंग जहां अणुओं में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देता है।[38] इस प्रक्रिया में एक अणु एक बाध्यकारी साइट को जी प्रोटीन-युग्मित अनुलेख जी-प्रोटीन अनुलेख से भर देगा। अनुलेख के लिए रसायन के बंधन के बाद, रसायन प्रोटीन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करने की अनुमति देने वाले पुल के रूप में कार्य करेगा। जैसा कि इलेक्ट्रॉन एक बाधा के रूप में स्थानांतरित होता है, यह अनुलेख को नव-बाध्य अणु के कंपन के कारण ऊर्जा खो देता है। इससे अणु को सूंघने की क्षमता उत्पन्न होती है।[38][4]

जबकि कंपन सिद्धांत में अवधारणा के कुछ प्रायोगिक प्रमाण हैं,[39][40] प्रयोगों में कई विवादास्पद परिणाम आए हैं। कुछ प्रयोगों में, जानवर विभिन्न आवृत्तियों और समान संरचना वाले अणुओं के बीच गंध को पहचानने में सक्षम होते हैं,[41] जबकि अन्य प्रयोगों से पता चलता है कि अलग-अलग आणविक आवृत्तियों के कारण लोग अलग-अलग गंधों से अनजान हैं।[42]


दृष्टि

Main article: दृश्य फोटोट्रांसक्शन

दृश्य फोटोट्रांसक्शन नामक प्रक्रिया में प्रकाश संकेतों को क्रिया क्षमता में परिवर्तित करने के लिए दृष्टि मात्राबद्ध ऊर्जा पर निर्भर करती है। फोटोट्रांसडक्शन में, एक फोटॉन एक प्रकाश अनुलेख में क्रोमोफोर के साथ इंटरैक्ट करता है। क्रोमोफोर फोटॉन को अवशोषित करता है और फोटोआइसोमेराइजेशन से गुजरता है। संरचना में यह परिवर्तन फोटो अनुलेख की संरचना में परिवर्तन को प्रेरित करता है और परिणामी संकेत पारगमन पाथवे एक दृश्य संकेत की ओर ले जाते हैं। चूंकि , फोटोआइसोमेराइजेशन प्रतिक्रिया 200 गुजरने से कम समय में तेजी से होता है।[43] उच्च उपज के साथ मॉडल इस दक्षता को प्राप्त करने के लिए समतल स्थिति और उत्साहित स्थिति क्षमता को आकार देने में क्वांटम प्रभावों के उपयोग का सुझाव देते हैं।[44]


क्वांटम दृष्टि प्रभाव

प्रयोगों से पता चला है कि मानव आँख के रेटिना में संवेदक एक फोटान का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है।[45] एकल फोटॉन डिटेक्शन से कई अलग-अलग प्रौद्योगिकियां हो सकती हैं। विकास का एक क्षेत्र क्वांटम संचार और क्रिप्टोग्राफी है। यह विचार एक बायोमेट्रिक प्रणाली का उपयोग करने के लिए है कि रेटिना पर केवल कुछ ही बिंदुओं का उपयोग करके फोटोन की यादृच्छिक चमक के साथ आंख को मापने के लिए जो रेटिना को "पढ़ें" और व्यक्ति की पहचान करें।[46] यह बायोमेट्रिक प्रणाली केवल एक निश्चित व्यक्ति को एक विशिष्ट रेटिनल मैप के साथ संदेश को डिकोड करने की अनुमति देगा। इस संदेश को किसी और के द्वारा तब तक डिकोड नहीं किया जा सकता जब तक कि छिपकर सुनने वाले को उचित मानचित्र का अनुमान नहीं लगाना होता या वह संदेश के इच्छित प्राप्तकर्ता के रेटिना को नहीं पढ़ पाता है ।[47]


एनजाइम की गतिविधि (क्वांटम जैव रसायन)

इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखलाओं में इलेक्ट्रॉनों को एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित करने के लिए क्वांटम टनलिंग का उपयोग करने के लिए एंजाइमों को पोस्ट किया गया है।[48][49][50] यह संभव है कि प्रोटीन चतुर्धातुक संरचना निरंतर क्वांटम उलझाव और सुसंगतता (भौतिकी) को सक्षम करने के लिए अनुकूलित हो सकती है, जो जैविक संस्थाओं में क्वांटम टनलिंग के दो सीमित कारक हैं।[51] ये आर्किटेक्चर क्वांटम ऊर्जा हस्तांतरण के अधिक प्रतिशत के लिए उत्तरदाई हो सकते हैं, जो इलेक्ट्रॉन परिवहन और प्रोटॉन टनलिंग (सामान्यतः हाइड्रोजन आयनों, एच के रूप में) के माध्यम से होता है।+).[52][53] टनलिंग संभावित ऊर्जा अवरोधों के माध्यम से यात्रा करने के लिए एक उप-परमाणु कण की क्षमता को संदर्भित करता है।[54] यह क्षमता, आंशिक रूप से, पूरकता (भौतिकी) के सिद्धांत के कारण है, जो मानती है कि कुछ पदार्थों में गुणों के जोड़े होते हैं जिन्हें माप के परिणाम को बदले बिना अलग से नहीं मापा जा सकता है। कण, जैसे कि इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन, में तरंग-कण द्वैत होता है | तरंग-कण द्वैत होता है; वे भौतिकी के नियमों का उल्लंघन किए बिना अपनी तरंग विशेषताओं के कारण ऊर्जा अवरोधों से गुजर सकते हैं। कई एंजाइमिक गतिविधियों में क्वांटम टनलिंग का उपयोग कैसे किया जाता है, इसकी मात्रा निर्धारित करने के लिए, कई बायोफिजिसिस्ट हाइड्रोजन आयनों के अवलोकन का उपयोग करते हैं। जब हाइड्रोजन आयनों को स्थानांतरित किया जाता है, तो इसे ऑर्गेनेल के प्राथमिक ऊर्जा प्रसंस्करण नेटवर्क में प्रधान के रूप में देखा जाता है; दूसरे शब्दों में, क्वांटम प्रभाव सामान्यतः एक एंगस्ट्रॉम (1 Å) के क्रम में दूरी पर प्रोटॉन वितरण साइटों में काम करते हैं।[55][56] भौतिकी में, एक अर्धमौलिक भौतिकी अर्धमौलिक (एससी) दृष्टिकोण इस प्रक्रिया को परिभाषित करने में सबसे उपयोगी है क्योंकि क्वांटम तत्वों (जैसे कण) से मैक्रोस्कोपिक घटना (जैसे जीव रसायन) में स्थानांतरण होता है। हाइड्रोजन टनलिंग के अतिरिक्त , अध्ययनों से यह भी पता चलता है कि क्वांटम टनलिंग के माध्यम से रिडॉक्स केंद्रों के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रकाश संश्लेषण और सेलुलर श्वसन की एंजाइम गतिविधि में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है (नीचे माइटोकॉन्ड्रिया अनुभाग भी देखें)।[50][57] उदाहरण के लिए, 15-30 ए के क्रम पर इलेक्ट्रॉन टनलिंग सेलुलर श्वसन एंजाइमों में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में योगदान देता है, जैसे माइटोकॉन्ड्रिया में कॉम्प्लेक्स I, III और IV।[58][59] क्वांटम टनलिंग के बिना, जीव विकास को बनाए रखने के लिए इतनी जल्दी ऊर्जा को परिवर्तित करने में सक्षम नहीं होंगे।[32]क्वांटम टनलिंग वास्तव में कण स्थानांतरण के लिए शॉर्टकट के रूप में कार्य करता है; क्वांटम गणित के अनुसार, बाधा के सामने से बाधा के दूसरी तरफ एक कण की छलांग तेजी से होती है, यदि बाधा पहले कभी नहीं होती। (इसकी विधि पर अधिक जानकारी के लिए, हार्टमैन प्रभाव देखें।)

माइटोकॉन्ड्रिया

माइटोकांड्रिया जैसे ऑर्गेनेल, को इंट्रासेल्युलर ऊर्जा का अनुवाद करने के लिए क्वांटम टनलिंग का उपयोग करने के लिए सोचा जाता है।[60] परंपरागत रूप से, माइटोकॉन्ड्रिया रासायनिक एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट के रूप में कोशिका की अधिकांश ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जाना जाता है। बायोमास का रासायनिक एटीपी में माइटोकॉन्ड्रिया रूपांतरण 60-70% कुशल है, जो इंजन दक्षता के मौलिक शासन से उत्तम है। मानव निर्मित इंजन[61] रासायनिक एटीपी प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पाया है कि रासायनिक रूपांतरण से पहले एक प्रारंभिक चरण आवश्यक है; यह कदम, इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों की क्वांटम टनलिंग के माध्यम से (H+), ऑर्गेनेल के अंदर होने वाली क्वांटम भौतिकी पर गहराई से नज़र डालने की आवश्यकता है।[56]

क्योंकि टनलिंग एक क्वांटम तंत्र है, यह समझना महत्वपूर्ण है कि जैविक प्रणाली में कण स्थानांतरण के लिए यह प्रक्रिया कैसे हो सकती है। टनलिंग अधिक सीमा तक एक कण की आने वाली ऊर्जा के सापेक्ष एक संभावित बाधा के आकार और आकार पर निर्भर करती है।[62] क्योंकि आने वाले कण को ​​एक लहर समीकरण द्वारा परिभाषित किया जा सकता है, इसकी टनलिंग संभावना संभावित बाधा के आकार पर एक घातीय विधि से निर्भर होती है, जिसका अर्थ है कि यदि अवरोध बहुत व्यापक खाई के समान है, तो आने वाले कण की सुरंग की संभावना कम हो जाएगी। संभावित बाधा, कुछ अर्थों में, वास्तविक बायोमटेरियल बाधा के रूप में आ सकती है। माइटोकॉन्ड्रिया ~75 Å (~7.5 एनएम) मोटी के क्रम में एक झिल्ली संरचना से घिरा हुआ है जो सेलुलर झिल्ली के समान है।[61] संकेतों की अनुमति देने के लिए एक माइटोकॉन्ड्रियन की आंतरिक झिल्ली को दूर किया जाना चाहिए (इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, एच के रूप में)+) उत्सर्जक की साइट (माइटोकॉन्ड्रिया के आंतरिक) और स्वीकृति की साइट (अर्थात इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला प्रोटीन) से स्थानांतरित करने के लिए[63] कणों को स्थानांतरित करने के लिए, माइटोकॉन्ड्रिया की झिल्ली में उचित चार्ज वितरण करने के लिए फॉस्फोलिपिड्स का सही घनत्व होना चाहिए जो प्रश्न में कण को ​​​​आकर्षित करता है। उदाहरण के लिए, फॉस्फोलिपिड्स के अधिक घनत्व के लिए, झिल्ली प्रोटॉन के अधिक प्रवाहकत्त्व में योगदान करती है।[63]

अधिक विधि रूप से, माइटोकॉन्ड्रिया का रूप माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स है, जिसमें आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली (आईएमएम ) और आंतरिक झिल्ली स्थान (आईएमएस), सभी हाउसिंग प्रोटीन साइट हैं। माइटोकॉन्ड्रिया कार्बोहाइड्रेट और वसा से हाइड्रोजन आयनों के ऑक्सीकरण द्वारा एटीपी का उत्पादन करते हैं। यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (ईटीपी) में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करती है। इलेक्ट्रॉन परिवहन की वंशावली निम्नानुसार आगे बढ़ती है: एनएडीएच से इलेक्ट्रॉनों को एनएडीएच डिहाइड्रोजनेज (जटिल I प्रोटीन) में स्थानांतरित किया जाता है, जो आईएमएम में स्थित है।[64] CoQH2 बनाने के लिए कॉम्प्लेक्स से इलेक्ट्रॉनों को कोएंजाइम Q में स्थानांतरित किया जाता है; अगला, इलेक्ट्रॉन साइटोक्रोम-युक्त आईएमएम प्रोटीन (कॉम्प्लेक्स III) में प्रवाहित होते हैं, जो आगे इलेक्ट्रॉनों को साइटोक्रोम c की ओर धकेलता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन जटिल IV में प्रवाहित होते हैं; कॉम्प्लेक्स IV ईटीसी श्वसन श्रृंखला का अंतिम आईएमएम प्रोटीन कॉम्प्लेक्स है।[64] यह अंतिम प्रोटीन इलेक्ट्रॉनों को O2 से ऑक्सीजन कम करने की अनुमति देता है अणु को एकल O2 में, जिससे वह H+ उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोजन आयनों से बंध सके ईटीसी के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के आंदोलन से उत्पन्न ऊर्जा प्रोटॉन आंदोलन (H+के रूप में जाना जाता है) को प्रेरित करती है पम्पिंग) माइटोकॉन्ड्रिया मैट्रिक्स से आईएमएस में।[59] क्योंकि कोई भी चार्ज मूवमेंट एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, आईएमएस अब मैट्रिक्स में एक कैपेसिटेंस रखता है। समाई संभावित ऊर्जा के समान है, या जिसे संभावित अवरोध के रूप में जाना जाता है। यह संभावित ऊर्जा एटीपी संश्लेषण को कॉम्प्लेक्स वी (एटीपी सिंथेज़) के माध्यम से निर्देशित करती है, जो प्रोटॉन (H+) को धक्का देकर एटीपी बनाने के लिए एडीपी को दूसरे पी के साथ जोड़ती है) वापस मैट्रिक्स में (इस प्रक्रिया को ऑक्सीडेटिव फाृॉस्फॉरिलेशन के रूप में जाना जाता है)। अंत में, बाहरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली (ओएमएम) में वोल्टेज पर निर्भर आयन चैनल होता है जिसे वोल्टेज-निर्भर एनियन चैनल कहा जाता है।[64] एटीपी हस्तांतरण के लिए ऊर्जा संकेतों को विद्युत-रासायनिक आउटपुट में परिवर्तित करने के लिए यह साइट महत्वपूर्ण है।

प्रोटीन में आणविक सॉलिटॉन

Main article: डेविडॉव सॉलिटन

अलेक्जेंडर डेविडोव ने सामान्य रूप से प्रोटीन अल्फा हेलिक्स α-हेलिकॉप्स में ऊर्जा के परिवहन और विशेष रूप से मांसपेशियों के संकुचन के शरीर विज्ञान की व्याख्या करने के लिए अणु सॉलिटन के क्वांटम सिद्धांत को विकसित किया था।[65][66] उन्होंने दिखाया कि आणविक सॉलिटॉन हाइड्रोजन-बंधित पेप्टाइड समूह की जाली के अंदर एमाइड एक्सिटोन और फोनन विरूपण के गैर-रैखिक संपर्क के माध्यम से अपने आकार को संरक्षित करने में सक्षम हैं।[67][68] 1979 में, डेविडॉव ने क्वांटम जीव विज्ञान पर अपनी पूरी पाठ्यपुस्तक प्रकाशित की, जिसका शीर्षक जीव विज्ञान और क्वांटम यांत्रिकी है, जिसमें जैव अणुओं में प्रोटीन, कोशिका झिल्ली, बायोइनरजेटिक्स, मांसपेशियों के संकुचन और इलेक्ट्रॉन परिवहन की क्वांटम गतिशीलता सम्मिलित है।[9][10]


चुंबकत्व

Main article: चुंबकत्व

चुंबकत्व जानवरों की पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के झुकाव का उपयोग करके नेविगेट करने की क्षमता को संदर्भित करता है।[69] चुंबकत्व के लिए एक संभावित व्याख्या है एंटैंगलमेंट (भौतिकी) कट्टरपंथी जोड़ी तंत्र[70][71] स्पिन रसायन में रेडिकल-पेयर मैकेनिज्म अच्छी तरह से स्थापित है,[72][73][74] और 1978 में शुल्टेन एट अल द्वारा चुंबकत्व पर प्रयुक्त होने का अनुमान लगाया गया था। सिंगलेट और ट्रिपलेट जोड़े के बीच का अनुपात पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के साथ उलझे हुए इलेक्ट्रॉन जोड़े की बातचीत से बदल जाता है।[75] 2000 में, क्रिप्टोक्रोम को चुंबकीय अणु के रूप में प्रस्तावित किया गया था जो चुंबकीय रूप से संवेदनशील रेडिकल-जोड़े को बंद कर सकता था। क्रिप्टोक्रोम, यूरोपीय रॉबिन और अन्य जानवरों की प्रजातियों की आँखों में पाया जाने वाला एक फ्लेवोप्रोटीन, एकमात्र प्रोटीन है जो जानवरों में फोटो-प्रेरित रेडिकल-जोड़े बनाने के लिए जाना जाता है।[69] जब यह प्रकाश कणों के साथ इंटरैक्ट करता है, तो क्रिप्टोक्रोम एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया के माध्यम से जाता है, जो फोटो-कमी और ऑक्सीकरण दोनों के समय कट्टरपंथी जोड़े उत्पन्न करता है। क्रिप्टोक्रोम का कार्य प्रजातियों में विविध है, चूंकि , रेडिकल-जोड़े का फोटोइंडक्शन नीले प्रकाश के संपर्क में आने से होता है, जो एक क्रोमोफोर में एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करता है।[75] चुंबकत्व अंधेरे में भी संभव है, इसलिए तंत्र को प्रकाश-स्वतंत्र ऑक्सीकरण के समय उत्पन्न कट्टरपंथी जोड़े पर अधिक विश्वाश करना चाहिए।

प्रयोगशाला में प्रयोग मूलभूत सिद्धांत का समर्थन करते हैं कि रेडिकल-जोड़ी इलेक्ट्रॉनों को बहुत अशक्त चुंबकीय क्षेत्र से महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किया जा सकता है, अर्थात , केवल अशक्त चुंबकीय क्षेत्रों की दिशा रेडिकल-जोड़ी की प्रतिक्रियाशीलता को प्रभावित कर सकती है और इसलिए रासायनिक उत्पादों के गठन को उत्प्रेरित कर सकती है। क्या यह तंत्र चुंबकत्व और/या क्वांटम जीव विज्ञान पर प्रयुक्त होता है, अर्थात, क्या पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र रेडिकल-जोड़े की सहायता से जैव रासायनिक उत्पादों के निर्माण को उत्प्रेरित करता है, यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है। इन प्रक्रियाओं में भाग लेने के लिए रेडिकल-जोड़े को उलझाने की आवश्यकता नहीं हो सकती है, रेडिकल-जोड़ी तंत्र की प्रमुख क्वांटम विशेषता उलझे हुए और गैर-उलझे हुए रेडिकल-जोड़े हैं, किन्तु वर्तमान विधि से केवल उलझे हुए रेडिकल-जोड़े को अस्वस्थता करना संभव नहीं है। शोधकर्ताओं ने मैग्नेटोरिसेप्शन के कट्टरपंथी-जोड़ी तंत्र के प्रमाण पाए जब यूरोपीय रॉबिन्स, तिलचट्टे और बगीचे के वारब्लर चुंबकीय क्षेत्र को बाधित करने वाली रेडियो आवृत्ति के संपर्क में आने पर नेविगेट नहीं कर सकते थे।[69] और रेडिकल-पेयर केमिस्ट्री माइग्रेटिंग और नॉन-माइग्रेटिंग पक्षियों से क्रिप्टोक्रोम (CRY4) की तुलना से और प्रमाण मिले चिकन और कबूतर से CRY4 को चुंबकीय क्षेत्र के संवेदक के रूप में इस प्रोटीन के विकासवादी अनुकूलन का सुझाव देते हुए (माइग्रेट) यूरोपीय रॉबिन की तुलना में चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कम संवेदनशील पाया गया था।[76]


फेरिटिन

फेरिटिन एक आयरन स्टोरेज प्रोटीन है जो पौधों और जानवरों में पाया जाता है। यह सामान्यतः 24 उपइकाइयों से बनता है जो एक गोलाकार खोल में स्वयं-संग्रह होता है जो लगभग 2 एनएम मोटा होता है, जिसका बाहरी व्यास लगभग 16 एनएम तक लोहे के भार के साथ भिन्न होता है। फेरिहाइड्राइट और मैग्नेटाइट जैसे जल-अघुलनशील यौगिकों के रूप में ~ 4500 लोहे के परमाणुओं को Fe3+ ऑक्सीकरण अवस्था में शेल के कोर के अंदर संग्रहीत किया जा सकता है।[77] फेरिटिन कम से कम कई घंटों के लिए इलेक्ट्रॉनों को स्टोर करने में सक्षम है, जो Fe3+ को पानी में घुलनशील Fe2+ में कम कर देता है।[78] क्वांटम टनलिंग एक तंत्र के रूप में जिसके द्वारा इलेक्ट्रॉन 2 एनएम मोटे प्रोटीन खोल को पार करते हैं, 1988 की प्रारंभिक में प्रस्तावित किया गया था।[79] 1992 में फेरिटिन के इलेक्ट्रॉन टनलिंग और अन्य क्वांटम यांत्रिक गुण देखे गए,[80] और कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रॉन टनलिंग और 2005 में परिवेश की स्थिति देखी गई।[81] फेरिटिन से जुड़ी इलेक्ट्रॉन टनलिंग एक क्वांटम जैविक प्रक्रिया है, और फेरिटिन एक क्वांटम जैविक एजेंट है।

इलेक्ट्रोड के बीच फेरिटिन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन टनलिंग तापमान से स्वतंत्र है, जो इंगित करता है कि यह अधिक सीमा तक सुसंगत अवस्था और सक्रियता-रहित है।[82] इलेक्ट्रॉन टनलिंग दूरी फेरिटिन के आकार का एक कार्य है। एकल इलेक्ट्रॉन टनलिंग घटनाएं फेरिटिन के माध्यम से 8 एनएम तक की दूरी पर हो सकती हैं, और अनुक्रमिक इलेक्ट्रॉन टनलिंग फेरिटिन के माध्यम से 12 एनएम तक हो सकती हैं। यह प्रस्तावित किया गया है कि इलेक्ट्रॉन टनलिंग मैग्नॉन-असिस्टेड है और फेरिटिन कोर में मैग्नेटाइट माइक्रोडोमेंस से जुड़ा है।[83]

विवो में फेरिटिन द्वारा प्रदर्शित क्वांटम यांत्रिक गुणों के प्रारंभिक साक्ष्य 2004 में सूची किए गए थे, जहां छोटे-कोण लघु-कोण न्यूट्रॉन प्रकीर्णनएसएएनएस) का उपयोग करके प्लेसेंटल मैक्रोफेज में फेरिटिन संरचनाओं के बढ़ते चुंबकीय क्रम को देखा गया था।[84]

प्लेसेंटल मैक्रोफेज फेरिटिन की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि।

क्वांटम डॉट ठोस भी संस परीक्षण में बढ़े हुए चुंबकीय क्रम को दिखाते हैं,[85] और लंबी दूरी तक इलेक्ट्रॉनों का संचालन कर सकते हैं।[86] संस परीक्षण के साथ एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एक आदेशित परत में निपटाए गए फेरिटिन कोर के बढ़ते चुंबकीय क्रम को भी देखा गया है।[87] प्लेसेंटल मैक्रोफेज में फेरिटिन संरचनाओं का परीक्षण ठोस अवस्था विन्यास में किया गया है और अनुक्रमिक टनलिंग और कूलम्ब ब्लॉकेड के गठन के माध्यम से 80 माइक्रोन तक की दूरी पर इलेक्ट्रॉनों के संचालन के लिए क्वांटम डॉट सॉलिड-जैसे गुणों का प्रदर्शन किया गया है।[88][89][90] प्लेसेंटल मैक्रोफेज में फेरिटिन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन एक विरोधी उत्तेजक कार्य से जुड़ा हो सकता है।[91]

पेरिस कॉम्पैक्ट है (एसएनसी) ऊतक के प्रवाहकीय परमाणु बल माइक्रोस्कोपी ने फेरिटिन कोर के बीच इलेक्ट्रॉन टनलिंग के साक्ष्य का प्रदर्शन किया, संरचनाओं में जो न्यूरोमेलेनिन ऑर्गेनेल के बाहर फेरिटिन की परतों से संबंधित हैं।[92] फ़ाइल: फेरिटिन_टनलिंग.टिफ थम्ब |प्रवाहकीय परमाणु बल मानव की माइक्रोस्कोपी छवि थायरिया नाइग्रा पार्स कॉम्पेक्टा (एसएनसी) टिश्यू है ।

न्यूरोमेलेनिन ऑर्गेनेल के बाहर लोहे (लाल) की इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपिक इमेजिंग।
एसएनसी से ग्लियाल सेल की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि अपरा ऊतक में फेरिटिन के समान संरचनाओं को दिखाती है।

एसएनसी के बड़े डोपामाइन न्यूरॉन्स के सेल निकायों में फेरिटिन परतों के साक्ष्य और ग्लियल कोशिकाओं में उन सेल निकायों के बीच भी पाया गया है,[93][94][95] और न्यूरॉन कार्य से जुड़े होने की परिकल्पना की गई है।[96] फेरिटिन की अधिकता प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) के संचय को कम करती है,[97] और इलेक्ट्रॉन टनलिंग के माध्यम से आरओएस को बेअसर करने के लिए एंटीऑक्सिडेंट से इलेक्ट्रॉनों की क्षमता को बढ़ाकर एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकता है। एरिथ्रोपोएसिस से जुड़े लाइसोसोम में क्रमबद्ध विन्यास में फेरिटिन भी देखा गया है,[98] जहां यह लाल रक्त कोशिका के उत्पादन से जुड़ा हो सकता है। जबकि लाइव कोशिकाओं में विवो में फेरिटिन से जुड़े टनलिंग का प्रत्यक्ष प्रमाण अभी तक प्राप्त नहीं हुआ है, ऐसा करना संभव हो सकता है कि एंटी-फेरिटिन के साथ टैग किए गए क्यूडीएस का उपयोग किया जाए, जो कि फेरिटिन कोर टनल में क्यूडी में संग्रहीत इलेक्ट्रॉनों को फोटॉन का उत्सर्जन करना चाहिए।[99]

स से जुड़े लाइसोसोम में क्रमबद्ध विन्यास में फेरिटिन भी देखा गया है,[98] जहां यह लाल रक्त कोशिका के उत्पादन से जुड़ा हो सकता है। जबकि लाइव कोशिकाओं में विवो में फेरिटिन से जुड़े टनलिंग का प्रत्यक्ष प्रमाण अभी तक प्राप्त नहीं हुआ है, ऐसा करना संभव हो सकता है कि एंटी-फेरिटिन के साथ टैग किए गए क्यूडीएस का उपयोग किया जाए, जो कि फेरिटिन कोर टनल में क्यूडी में संग्रहीत इलेक्ट्रॉनों को फोटॉन का उत्सर्ज

अन्य जैविक अनुप्रयोग

जैविक प्रणालियों में क्वांटम घटना के अन्य उदाहरणों में रासायनिक ऊर्जा का गति में रूपांतरण सम्मिलित है[100] और कई सेलुलर प्रक्रियाओं में ब्राउनियन मोटर है।[101]


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