Полная версия

Главная arrow Экология arrow О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

О возможном механизме статистической упорядоченности сверхслабого излучения биосистем

В этой главе мы продолжим анализ возможных связей долгоживущих квантовых когерентностей в биомолекулах, корреляций дальнего порядка в окружении и переноса энергии в биосистемах.

В п. 3.2 изложена гипотеза об излучении когерентного ССИ когерентными коллективными возбужденными электронными состояниями. Мы полагаем, что когерентные свойства ССИ могут дополнительно обусловливаться модуляцией излучения фотонов квантовокогерентной динамикой излучателей (колебательной и электронной) и динамикой их окружения, характеризующейся корреляциями дальнего порядка (см. главу 4). Таким образом, формируется излучение с когерентными свойствами. Рассмотрим этот вопрос подробно.

Напомним (см. п. 3.2), что, как полагают, в регуляторных и коммуникационных процессах в биосистемах может участвовать сверхслабое излучение (ССИ) и задержанная люминесценция (ЗЛ). Происхождение ССИ и ЗЛ объясняется релаксацией электронновозбужденных состояний (ЭВС) и колебательно-возбужденных состояний, непрерывно возникающих в биологических системах. По- видимому, ССИ и ЗЛ представляют собой суперпозицию статистически упорядоченной и стохастической составляющих, и в дистантных взаимодействиях участвует именно упорядоченная компонента [Рорр and Yan, 2002; Popp et al., 2002; Будаговский, 2005].

Когерентность ССИ можно объяснить определенной упорядоченностью процессов излучения в биоструктурах.

Генерацию когерентного ССИ связывают с образованием кооперативных возбужденных электронных состояний биомакромолекул (субъединиц) в конденсированной фазе, релаксирующих с излучением когерентных фотонов. В частности, когерентная компонента ССИ может объясняться излучением ансамблей нуклеотидов-хромофоров, объединенных коллективными взаимодействиями в ДНК [Cifra et al., 2011].

Статистические характеристики спонтанного ССИ и ЗЛ могут указывать на то, что данные явления связаны с когерентными электронными состояниями в биомолекулах [Scordinio et al., 2010]. Основываясь на концепции Давыдовских солитонных или поляронных состояний, предположили [Brizhik, 2000; 2011]: ряд биомолекул имеет вид полупроводниковоподобных квазиодномерных цепочек, в которых внешнее излучение или химические реакции могут возбудить когерентные коллективные электронные и экситонные состояния, в частности локализованные - солитонные состояния. Эти состояния могут аннигилировать с излучением ЗЛ [Brizhik et al., 2000, 2011].

Иными словами, электронные возбуждения в биополимерах (белках, нуклеиновых кислотах), находящихся в конденсированном состоянии, делокализуются с возможным образованием устойчивых солитонов или поляритонов с достаточно большим характерным временем жизни, так что энергия возбуждения может накапливаться в биосистемах [Кузин, 2002]. Непрерывный распад солитонов и поляритонов дает когерентное ультрафиолетовое излучение, несущее информацию от данного биополимера к другим молекулам клетки [Там же].

Мы полагаем, что наряду с гипотезой об излучении когерентного ССИ и ЗЛ когерентными электронными состояниями биомолекул статистическая упорядоченность ССИ и ЗЛ может быть дополнительно обусловлена модуляцией процесса излучения фотонов коррелированной динамикой окружения электронной системы хромофоров. Приведем соответствующие обоснования.

Флуоресценция зависит от окружения излучателя. Роль окружения может рассматриваться, например, в аспекте наложения специальных граничных условий на электромагнитное поле [Moal et al., 2005]. Контроль окружения позволяет изменять интенсивность, пространственное распределение флуоресценции, а также флуоресцентный резонансный перенос энергии с донора на акцептор [Там же].

Когда излучателем является электронная система хромофора, окружение излучателя соответствует колебательным модам протеина, характеризующимся коррелированной динамикой и долгоживущей колебательной когерентностью, и стохастическому протеиновому и водному окружению хромофора, характеризующемуся корреляциями дальнего порядка. Напомним соответствующие основные факты (см. главы 1,3,4).

Для ряда ультрабыстрых функциональных биопроцессов при физиологических температурах установлено наличие долгоживущих квантовых когерентностей, суперпозиций возбужденных колебательных или электронных (экситонных) состояний, сохраняющих фазовые соотношения в течение времени, достаточного для того, чтобы повлиять на перенос населенностей (и энергии) [Fassiolli et al., 2012]. Экситонные когерентности, как правило, сопровождаются когерентностями колебательными [Turner et al., 2012].

Долгоживущая экситонная когерентность обусловливается корреляциями между флуктуациями энергий перехода соседних хромофоров, которые индуцируются флуктуациями окружения [Ishizaki and Fleming, 2012]. Анализ экспериментальных данных и моделирование показывают, что достаточно сильное взаимодействие электронной системы с тепловым низкоэнергетическим неравновесным протеиновым и (полярным) водным окружением на соизмеримых временных масштабах может обеспечивать генерацию и последующую эволюцию экситонных когерентностей [Fassiolli et al., 2012]. Если связь между системой и окружением достаточно велика и время релаксации достаточно медленно релаксирующего неравновесного окружения сравнимо со временем эволюции экситонов, то на этом временном масштабе в течение времени корреляций окружения возникают корреляции между системой и окружением [Там же]. Движения хромофоров, протеинового и водного окружения становятся коррелированными. Коррелированные флуктуации окружения модулируют энергию и связи электронной системы. Коррелированность системы и окружения порождает квантовые суперпозиции экситонных состояний, которые затем эволюционируют квантово-когерентно [Там же].

Как отмечалось в главе 4, флуктуации водородных связей молекул воды модулируют корреляции в электронной системе биомолекул и поэтому эти коррелированные флуктуации могут модулировать и ССИ на субпикосекундном масштабе времени. Во многих случаях окружение существенно влияет на безызлучательный перенос энергии и заряда между хромофорами, например в случае ДНК (глава 4).

Это позволяет нам предположить, что динамика протеинового и водного окружения люминофоров, характеризующаяся корреляциями дальнего порядка, может модулировать излучение люминофора, его фазу на субпикосекундном масштабе времени, а также безызлучательный перенос энергии. Весомым аргументом в пользу этого утверждения является тот факт, что в фотосинтетических комплексах окружение хромофоров модулирует безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения, что действительно приводит к фазовым эффектам - формированию самой электронной когерентности (глава 4).

Те же соображения дают нам основание предположить, что динамика когерентных ядерных мод протеинового окружения люминофора также может на пикосекундном масштабе времени модулировать излучение хромофоров.

Поскольку экситонная когерентность влияет на безызлучательный перенос энергии в фотосинтетических комплексах и реакционных центрах (глава 4), мы можем предположить, что корреляции дальнего порядка в экситонной динамике, долгоживущая электронная когерентность могут формировать свойства статистической упорядоченности излучения люминофоров. При этом возникает возможность квантовой интерференции, что позволяет более эффективно переносить информацию о процессах в электронной системе биомолекул. Таким образом, формируется статистически упорядоченное излучение.

Если излучатель соответствует колебательным модам биомолекулы, водное окружение биомолекулы, характеризующееся корреляциями дальнего порядка, может модулировать излучение.

Еще одним свидетельством в пользу предлагаемого механизма является следующее обстоятельство. Колебательный спектр окружения регулирует перенос энергии в биомолекулах. В частности, динамика окружения влияет и на эффективность переноса энергии экситонов, поскольку переходы между экситонными состояниями определяются окружением. Скорости перехода между экситонными состояниями пропорциональны значениям колебательного спектра окружения (спектральной плотности) на разностях энергий соответствующих экситонов. Поэтому если разность энергий между экситонными состояниями соответствует максимуму колебательного спектра окружения, то наблюдается максимум в эффективности переноса энергии. Моделирование для фотосинтетического комплекса Фенны - Маттеуса - Ольсона дало такое соответствие максимума эффективности переноса энергии экспериментально определенному максимуму спектральной плотности протеинового окружения 180 см [del Rey et al., 2013]. Таким образом, структура спектра флуктуаций окружения хромофора играет определяющую роль не только в поддержке долгоживущих когерентностей, но и в повышении эффективности переноса энергии.

Подчеркнем, что эти явления корреляций дальнего порядка и долгоживущих квантовых когерентностей, как полагают, могут иметь место в естественных условиях, не только при (экспериментальном) возбуждении лазерными импульсами с достаточно большой спектральной шириной. Когерентные колебательные движения могут быть индуцированы химической реакцией или ультрабыстрым внутренним перераспределением колебательной энергии (глава 1). Когерентности связаны с населенностями вибронных уровней: когерентность одной моды может быть создана при некогерентном возбуждении другой [Новодережкин и др., 2005]. Когерентная экситонная динамика, как показывает моделирование, возникает при некогерентном возбуждении: некогерентным светом либо возбуждением, переносимым с другого хромофора или биомолекулы, т. е. когерентность в биомолекулах (протеинах) может возникать в естественных условиях [Fassiolli et al., 2012]. Согласно расчетам, если система изначально находится в неосциллирующем стационарном состоянии, флуктуации гамильтониана быстро (десятки фс) приводят систему к когерентным осцилляциям в населенностях, к когерентному состоянию [Kim et al., 2012]. Эти и другие результаты возволяют полагать, что экситонная когерентность все время присутствует в естественных фотосинтетических, а также в подобных им молекулярных системах [Womick et al., 2009а, 2009b] без когерентного возбуждения, непрерывно формируясь - разрушаясь и воссоздаваясь - вследствие взаимодействия электронной системы с ядерными степенями свободы микроокружения [Fleming et al., 2011]. Поэтому передлагаемый механизм применим в естественных условиях.

Таким образом, мы предполагаем, что ССИ может быть модулируемо, во-первых, электронно-когерентной динамикой самой электронной системы хромофора, во-вторых, колебательно-когерентной динамикой протеиновых мод и, в-третьих, корреляциями дальнего порядка в протеиновом и водном окружении хромофора. Наше предположение относится в первую очередь к ССИ, связанному с системой фотосинтеза, но может быть распространено и на другие соответствующие биомолекулы.

Из данного механизма вытекает, в частности, что динамика воды отражается в модулированном ею излучении хромофора и эта модуляция, информация переносится дистантно.

Заметим, что, как известно, безызлучательный перенос химически генерируемых электронно-возбужденных состояний на фотосин- тетические комплексы приводит к той же флуоресценции (и тем же реакциям), что и соответствующее внешнее излучение [Баскаков и Воейков, 1996]. Вообще, химически продуцируемые электронновозбужденные состояния во многих случаях идентичны тем, которые формируются при поглощении соответствующих фотонов [White et al., 1970]. Это означает, что и химически генерируемое эндогенное ССИ может быть модулировано квантово-когерентной динамикой и корреляциями дальнего порядка окружения. Мы вернемся к этому вопросу в главе 7.

Как уже отмечалось, электронные возбуждения в биополимерах делокализуются с возможным образованием устойчивых солитонов или поляритонов [Кузин, 2002]. Непрерывный распад солитонов и поляритонов дает когерентное излучение, несущее информацию от данного биополимера к другим молекулам клетки [Там же]. Конформация биополимеров определяет информацию и энергию солитоно- подобных образований. Значительное изменение конформации ведет к усиленному распаду солитонов и поляритонов и образованию когерентного ССИ, а также к изменению характера информации [Там же]. Можно полагать, что все биополимеры, находясь в возбужденных состояниях, содержат солитоноподобные образования и эмитируют ССИ. На наш взгляд, усиленный распад солитонов может вызвать и структурная динамика водного окружения, дополняющая конформа- ционные преобразования (см. главу 4).

Таким образом, имеются основания предположить, что протеиновое и водное окружение люминофоров биомолекул, характеризующееся корреляциями дальнего порядка, долгоживущие квантовые когерентности в самих люминофорах могут модулировать сверхслабое излучение и безызлучательный перенос энергии в биосистемах на субпикосекундном и пикосекундном масштабе времени, придавая ему статистически упорядоченный характер. Это может соответствовать информационной роли переноса энергии в биосистемах.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>