양자생물학
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1. 개요
양자생물학은 생물학적 시스템에서 양자역학적 현상을 연구하는 학문 분야이다. 20세기 초부터 물리학자들에 의해 개념화되었으며, 광합성, 효소 반응, DNA 변이, 동물의 자기장 감지, 시각, 후각 등 다양한 생물학적 현상을 양자역학적 관점에서 탐구한다. 이 분야는 양자 터널링, 양자 얽힘, 전자 전달 등과 같은 양자 효과가 생명체의 기능에 어떻게 기여하는지 밝히는 데 중점을 둔다. 양자 생물학은 아직 독립적인 학문 분야로 자리 잡기보다는 생물물리학이나 생화학의 틀 안에서 연구되는 경우가 많으며, 양자역학적 모델의 복잡성으로 인해 컴퓨터 처리 능력에 제약이 따르기도 한다.
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생물리학은 물리학 및 물리화학적 원리를 사용하여 생물학적 현상을 연구하는 학문으로, 분자 수준부터 생태계 수준까지 다양한 연구를 포괄하며 통계물리학, 계산 생물학, 의료 물리학 등과 연관되지만 생명 현상의 복잡성을 고려하지 못한다는 비판도 존재한다.
| 양자생물학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 생물학, 화학, 물리학 |
| 하위 분야 | 광합성, 효소 촉매, 방향 감각, DNA 손상 복구 |
| 관련 학문 | 양자화학, 생화학, 분자생물학 |
| 주요 개념 | |
| 양자 결맞음 | 결맞음 |
| 양자 얽힘 | 얽힘 |
| 양자 터널링 | 터널링 |
| 양자 중첩 | 중첩 |
| 양자 진동 | 진동 |
| 연구 분야 | |
| 광합성 | 광합성에서 에너지 전달의 양자 효과 |
| 효소 촉매 | 효소 촉매 작용의 양자 터널링 및 기타 양자 효과 |
| 조류항법 | 조류의 자기장 감지에 관여하는 양자 메커니즘 |
| DNA 손상 복구 | DNA 손상 복구 과정에서의 양자 효과 |
| 후각 | 후각에서의 양자 진동 역할 가능성 |
| 의식 | 양자 과정과 의식의 연관성에 대한 가설 |
| 추가 정보 | |
| 관련 인물 | 에르빈 슈뢰딩거 막스 플랑크 닐스 보어 알베르트 아인슈타인 |
| 관련 저널 | Journal of Physics Communications Physical Review Letters Nature Science |
2. 역사
양자생물학은 대부분의 최근 연구가 이론적이며 추가 실험이 필요한 문제에 직면해 있다는 점에서 신흥 분야이다. 이 분야는 최근에야 많은 관심을 받았지만 20세기 내내 물리학자들에 의해 개념화되었다. 양자생물학이 의료계의 미래에 중요한 역할을 할 수 있다는 제안이 있었다.[118] 양자물리학의 초기 개척자들은 생물학적 문제에 양자역학을 적용하는 것을 보았다. 에르빈 슈뢰딩거는 1944년 저서에서 생물학에 양자역학을 적용하는 방법에 대해 논의했다.[119] 슈뢰딩거는 공유 화학 결합 구성에 유전 정보가 포함된 "비주기적 결정"이라는 아이디어를 도입했다. 그는 또한 돌연변이가 "양자 도약"에 의해 도입된다고 제안했다.
양자생물학의 주요 연구 분야는 다음과 같다:
에르빈 슈뢰딩거의 1944년 저서 ''생명이란 무엇인가?''는 생물학에서의 양자 역학의 응용에 대해 논의했다.[8] 슈뢰딩거는 공유 화학 결합의 구성에서 유전 정보를 포함하는 "비주기 결정"의 개념을 도입했다. 그는 더 나아가 돌연변이가 "양자 도약"에 의해 도입된다고 제안했다. 다른 개척자인 닐스 보어, 파스쿠알 요르단, 막스 델브뤼크는 상보성에 대한 양자적 아이디어가 생명 과학의 기본이라고 주장했다.[9] 1963년, 페르올로프 뢰빈은 DNA 돌연변이의 또 다른 메커니즘으로 양성자 터널링을 발표했다. 그의 논문에서 그는 "양자 생물학"이라는 새로운 연구 분야가 있다고 언급했다.[10] 1979년, 소련 및 우크라이나의 물리학자 알렉산드르 다비도프는 "생물학과 양자 역학"이라는 제목의 양자 생물학에 관한 첫 번째 교과서를 출판했다.[11][12]
3. 주요 연구 분야
3. 1. 광합성
광합성을 하는 유기체는 빛 에너지를 흡수하여 이를 화학 에너지로 전환한다. 이 과정은 유기체마다 다른 안테나를 통해 이루어진다. 예를 들어, 박테리아는 고리 모양의 안테나를 사용하는 반면, 식물은 엽록소 색소를 사용하여 빛 에너지를 흡수한다. 광합성은 Frenkel 여기자를 생성하여 전하를 분리하고, 이를 통해 세포가 사용할 수 있는 화학 에너지를 만든다. 이 에너지는 형광이나 열로 손실되기 전에 빠르게 반응 부위로 전달되어야 한다.
녹색 황 박테리아의 FMO 복합체와 같은 다양한 구조는 안테나에서 반응 부위로 에너지를 전달하는 역할을 한다. FT 전자 분광학 연구에 따르면 이 과정은 99% 이상의 효율을 보인다.[120] 이는 고전적인 모델로는 설명하기 어렵기 때문에, 1938년 초 과학자들은 양자 일관성이 에너지 전달의 메커니즘이라는 이론을 제시했다.
최근 연구들은 이 이론을 뒷받침하는 실험적 증거를 찾고 있다. 2007년 연구에서는 -196°C에서 전자 양자 결맞음이 확인되었다고 주장했다.[121] 2010년 연구에서는 생물학적으로 적절한 온도(4°C)에서 양자 결맞음이 300펨토초 동안 지속된다는 증거를 제시했다. 같은 해, 광합성 암호식물 조류에 대한 실험에서 장기적인 양자 일관성이 확인되었다.[122] 이러한 연구들은 자연이 광합성의 효율성을 높이기 위해 양자 일관성을 보호하는 방법을 개발했음을 시사한다.
그러나 후속 연구에서는 이러한 결과의 해석에 의문을 제기하기도 한다. 단일 분자 분광학은 정적 장애 없이 광합성의 양자 특성을 보여주며, 일부 연구에서는 이 방법을 사용하여 발색단에서 발생하는 핵 역학에 보고된 전자 양자 일관성의 특징을 할당한다.[123][124][125][126][127][128][129]
예상보다 긴 일관성을 설명하기 위해 다양한 제안이 제시되었다. 한 제안에 따르면, 복합체 내의 각 사이트가 자체 환경 소음을 느끼면 전자는 양자 일관성과 열 환경으로 인해 국소 최소값에 머물지 않고 양자 보행을 통해 반응 사이트로 진행된다.[130][131][132] 또 다른 제안은 양자 일관성과 전자 터널링의 속도가 전자를 반응 사이트로 빠르게 이동시키는 에너지 싱크를 생성한다는 것이다.[133] 다른 연구에서는 복합체의 기하학적 대칭성이 반응 중심으로의 효율적인 에너지 전달을 돕는다고 제안한다.[134] 인공 염료 분자를 사용한 실험에서는 양자 효과가 100펨토초 이상 지속된다는 해석에 의문을 제기하기도 한다.[135]
2017년, FMO 단백질을 사용한 실험에서는 전자 양자 효과가 60펨토초 이내에 사라지는 반면, 전체 엑시톤 전달에는 몇 피코초 정도의 시간이 걸리는 것으로 확인되었다.[136] 2020년, 여러 실험 및 이론을 바탕으로 한 검토에서는 FMO 시스템에서 오랫동안 지속되는 전자 일관성으로 제안된 양자 효과가 유지되지 않는다는 결론을 내렸다.[137] 대신, FMO 복합체에서 여기의 전자 모드와 진동 모드 사이의 상호 작용이 엑시톤 에너지 전달에 대한 반고전적, 반양자적 설명을 필요로 한다는 연구 결과가 나왔다.[138] 즉, 단기적으로는 양자 일관성이 지배적이지만, 엑시톤의 장기적인 동작을 설명하는 데는 고전적인 설명이 가장 정확하다.
광합성은 광합성 세포가 햇빛을 사용하여 무기물질로부터 유기 화합물을 합성하는 생물학적 과정이다.[58] 여기서 주목할 만한 양자적 현상은 광합성의 명반응 단계에서 나타난다. 이 단계에서 빛 에너지는 막 결합 광계에 흡수된다. 광계는 광수집 복합체(안테나)와 광합성 반응 중심으로 구성된다. 안테나는 유기체에 따라 다르며, 박테리아는 엽록소 색소의 원형 집합체를 사용하는 반면, 식물은 막에 내장된 단백질과 엽록소 복합체를 사용한다.[59][60]
FMO 복합체와 같은 색소-단백질 복합체는 안테나에서 반응 부위로 에너지를 전달하는 역할을 한다. 반응 중심 복합체가 빛 에너지를 받으면, 1차 전자 수용체의 산화 및 환원이 일어난다. 미토콘드리아의 전자 전달 연쇄와 유사하게, 일련의 산화 및 환원이 틸라코이드 막을 가로질러 양성자(H+)를 펌핑하고, 화학삼투에 의한 양성자 구동력을 발생시켜 ATP 합성에 에너지를 제공한다.
이전에는 광수집 안테나에서 반응 중심부로의 전자 여기 전달(EET)을 색소체 사이의 약한 전자 결합과 비결맞음적 도약을 가정하는 Förster 이론으로 설명했다. 그러나 이 이론은 99% 이상의 효율을 보이는 전자 흡수 및 전달 실험 결과와 맞지 않아 대체되었다.[61] 과학자들은 양자 결맞음이 여기-에너지 전달의 메커니즘이라고 이론화했으며, 광계의 구조와 특성은 양자 영역에 위치한다.[62] 광합성 EET에 대한 양자 결맞음의 영향은 상태 및 과정 결맞음을 통해 이해할 수 있다. 엑시톤은 여러 색소체에 걸쳐 결맞게 분산되며,[63] 시스템은 여러 에너지 경로를 동시에 탐색하고 간섭을 통해 엑시톤의 경로를 안내한다. 자연 선택은 반응 중심부로의 가장 효율적인 경로를 선호했을 것으로 추정된다. 실험적으로, 장기간의 결맞음으로 가능해진 파동 패킷 간의 상호 작용은 양자 비트를 생성한다.[64]
1966년, 광합성 박테리아 Chromatium에 대한 연구에서 100K 미만의 온도에서 사이토크롬 산화가 온도에 독립적이고, 느리며, 활성화 에너지가 매우 낮다는 것을 발견했다. 연구자들은 이러한 전자 전달의 특징이 양자 터널링을 나타내는 것으로 가정했다.[73]
3. 2. 효소 반응
효소는 전자 전달 사슬에서 전자를 전달하기 위해 양자 터널링을 사용한다고 가정되었다.[143][144][145] 단백질의 4차 구조는 생물학적 개체의 양자 터널링에 대한 두 가지 제한 요소인 지속적인 양자 얽힘 및 일관성을 가능하게 하도록 적응했을 가능성이 있다.[146] 이러한 아키텍처는 전자 수송과 양성자 터널링(보통 수소 이온, H+의 형태)을 통해 발생하는 양자 에너지 전달의 더 큰 비율을 설명할 수 있다.[147][148] 터널링은 아원자 입자가 잠재적인 에너지 장벽을 통과하여 이동할 수 있는 능력을 말한다.[149] 이 능력은 부분적으로 특정 물질이 측정 결과를 변경하지 않고는 별도로 측정할 수 없는 특성 쌍을 가지고 있다는 상보성의 원리에 기인한다. 전자나 양성자와 같은 입자는 파동-입자 이중성을 가지고 있다. 파동 특성으로 인해 물리 법칙을 위반하지 않고 에너지 장벽을 통과할 수 있다.
많은 효소 활동에서 양자 터널링이 어떻게 사용되는지 정량화하기 위해 많은 생물물리학자들은 수소 이온 관찰을 활용한다. 수소 이온이 전달되면 이는 세포 소기관의 1차 에너지 처리 네트워크에서 주요 요소로 간주된다. 즉, 양자 효과는 옹스트롬(1Å) 정도의 거리에 있는 양성자 분포 지점에서 가장 일반적으로 작용한다.[150][151] 물리학에서는 양자 요소(예: 입자)에서 거시적 현상(예: 생화학)으로의 이동으로 인해 이 과정을 정의하는 데 반고전적(SC) 접근 방식이 가장 유용하다. 수소 터널링 외에도 연구에 따르면 양자 터널링을 통한 산화환원 센터 간 전자 전달이 광합성 및 세포 호흡의 효소 활동에 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다.[145][152] 예를 들어, 15~30Å 정도의 전자 터널링은 미토콘드리아의 복합체 I, III, IV와 같은 세포 호흡 효소의 산화환원 반응에 기여한다.[153][154] 양자 터널링이 없으면 유기체는 성장을 유지할 만큼 빠르게 에너지를 변환할 수 없다.[155] 양자 터널링은 실제로 입자 전달의 지름길 역할을 한다. 양자 수학에 따르면, 장벽 앞에서 장벽 반대편으로 입자가 점프하는 것은 장벽이 처음부터 존재하지 않았을 때보다 더 빠르게 발생한다.
3. 3. DNA 변이
세포가 번식할 때마다 DNA 가닥을 복사해야 한다. 그러나 때로는 DNA 가닥을 복사하는 과정에서 DNA 코드에 돌연변이, 즉 오류가 발생할 수 있다. DNA 돌연변이에 대한 이론은 뢰브딘(Lowdin) DNA 돌연변이 모델에서 설명된다.[139] 이 모델에서 뉴클레오티드는 양자 터널링 과정을 통해 자발적으로 형태를 변경할 수 있다.[140][141] 이로 인해 변경된 뉴클레오티드는 원래의 염기쌍과 쌍을 이루는 능력을 상실하고, 결과적으로 DNA 가닥의 구조와 순서가 변경된다.
DNA는 구아닌, 티민, 시토신, 아데닌의 4가지 뉴클레오티드로 구성된다.[104] 이 뉴클레오티드의 순서가 서로 다른 단백질에 대한 "레시피"를 제공한다. 세포가 번식할 때마다 이러한 DNA 가닥을 복제해야 한다. 그러나 DNA 가닥 복제 과정에서 DNA 코드에 돌연변이, 즉 오류가 발생할 수 있다.
자외선 및 기타 유형의 방사선에 노출되면 DNA 돌연변이와 손상이 발생할 수 있다. 방사선은 또한 DNA 가닥을 따라 피리미딘의 결합을 수정하여 서로 결합하여 이합체를 생성할 수 있다.[108]
많은 원핵생물과 식물에서 이러한 결합은 DNA 복구 효소인 광분해효소(photolyase)에 의해 원래 형태로 복구된다. 이름에서 알 수 있듯이, 광분해효소는 가닥을 복구하기 위해 빛에 의존한다. 광분해효소는 보조 인자 FADH(플라빈 아데닌 디뉴클레오티드)와 함께 작동하면서 DNA를 복구한다. 광분해효소는 가시광선에 의해 흥분되어 전자를 보조인자인 FADH-로 전달한다. FADH-는 이제 추가 전자를 보유하게 되어 결합을 끊고 DNA를 복구하기 위해 전자를 이합체에 제공한다. 이러한 전자 전달은 FADH에서 이합체로의 전자 터널링을 통해 이루어진다. 터널링의 범위는 진공에서 가능한 것보다 훨씬 크지만, 이 시나리오의 터널링은 "초교환 매개 터널링"이라고 하며 전자의 터널링 속도를 높이는 단백질의 능력으로 인해 가능하다.[142]
3. 4. 조류의 자기장 감지 (자기 수용)
자기 수용은 동물이 지구의 자기장의 경사를 사용하여 방향을 찾는 능력이다.[96] 자기 수용에 대한 가능한 설명으로 얽힌 라디칼 쌍 메커니즘이 있다.[97][98] 라디칼 쌍 메커니즘은 스핀 화학에서 잘 확립되어 있으며,[99][100][101] 1978년 Schulten 등이 자기 수용에 적용될 수 있다고 추측했다. 단일항과 삼중항 쌍의 비율은 얽힌 전자 쌍과 지구의 자기장과의 상호 작용에 의해 변경된다.[102] 2000년에는 크립토크롬이 자기 감응성 라디칼 쌍을 품을 수 있는 "자기 분자"로 제안되었다. 유럽 울새와 다른 동물 종의 눈에서 발견되는 플라보 단백질인 크립토크롬은 동물에서 광유도 라디칼 쌍을 형성하는 것으로 알려진 유일한 단백질이다.[96] 크립토크롬은 빛 입자와 상호 작용할 때 산화 환원 반응을 거쳐 광환원과 산화 모두에서 라디칼 쌍을 생성한다. 크립토크롬의 기능은 종에 따라 다양하지만, 라디칼 쌍의 광유도는 크로모포어에서 전자를 여기시키는 청색광에 노출되어 발생한다.[102] 자기 수용은 어둠 속에서도 가능하므로, 이 메커니즘은 빛에 독립적인 산화 과정에서 생성된 라디칼 쌍에 더 많이 의존해야 한다.
실험실 실험은 라디칼 쌍 전자가 매우 약한 자기장의 영향을 받을 수 있다는 기본 이론을 뒷받침한다. 즉, 약한 자기장의 방향만으로도 라디칼 쌍의 반응성에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 화학 제품의 형성을 "촉매"할 수 있다. 이러한 메커니즘이 자기 수용 및/또는 양자 생물학에 적용되는지, 즉 지구의 자기장이 라디칼 쌍의 도움으로 ''생물''화학 제품의 형성을 "촉매"하는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 라디칼 쌍은 이러한 과정에 참여하기 위해 얽힐 필요가 없을 수 있으며, 라디칼 쌍 메커니즘의 핵심적인 ''양자'' 특징이다. 얽힌 라디칼 쌍과 얽히지 않은 라디칼 쌍이 있지만, 현재 기술로는 얽힌 라디칼 쌍만 교란하는 것은 불가능하다. 연구자들은 유럽 울새, 바퀴벌레 및 검은머리울새가 자기장과 라디칼 쌍 화학을 방해하는 무선 주파수에 노출되었을 때 더 이상 방향을 찾을 수 없다는 것을 발견하여 자기 수용의 라디칼 쌍 메커니즘에 대한 증거를 찾았다.[96] 추가 증거는 크립토크롬 4(CRY4)를 이동하는 새와 이동하지 않는 새에서 비교한 결과에서 나왔다. 닭과 비둘기의 CRY4는 (이동하는) 유럽 울새의 CRY4보다 자기장에 덜 민감한 것으로 나타났으며, 이는 자기장 센서로서 이 단백질의 진화적 최적화를 시사한다.[103]
3. 5. 시각
시각은 빛 신호를 광변환이라고 하는 과정에서 활동 전위로 변환하기 위해 양자화된 에너지에 의존한다. 광변환에서 광자는 빛 수용체 내의 발색단과 상호 작용한다. 발색단은 광자를 흡수하여 광이성질화를 겪는다. 이러한 구조 변화는 광수용체의 구조 변화를 유도하고, 그 결과 신호 전달 경로는 시각 신호로 이어진다. 그러나 광이성질화 반응은 200펨토초 미만의 빠른 속도로 일어나며[53], 높은 수율을 보인다. 모델은 이러한 효율성을 달성하기 위해 바닥 상태 및 여기 상태 전위를 형성하는 데 양자 효과를 사용할 것을 제안한다.[54]
인간 눈의 망막에 있는 센서는 단일 광자를 감지할 수 있을 만큼 충분히 민감하다.[55] 단일 광자 감지는 여러 가지 기술로 이어질 수 있다. 개발 분야 중 하나는 양자 통신 및 암호화 분야이다. 이 아이디어는 생체 인식 시스템을 사용하여 망막을 "읽고" 개인을 식별하는 임의의 광자 섬광을 사용하여 망막 전체의 소수의 점만 사용하여 눈을 측정하는 것이다.[56] 이 생체 인식 시스템은 특정 망막 지도를 가진 특정 개인만 메시지를 해독할 수 있다. 메시지를 가로채는 사람이 적절한 지도를 추측하거나 메시지 수신자의 망막을 읽을 수 없다면 다른 사람은 해독할 수 없다.[57]
3. 6. 기타 양자 생물학적 현상
효소는 양자 터널링을 사용하여 전자 전달 사슬에서 전자를 전달하는 것으로 추정되어 왔다.[13][14][15] 단백질의 4차 구조는 생물체 내에서 지속적인 양자 얽힘과 결맞음을 가능하게 하도록 적응했을 수 있는데, 이는 생물학적 개체 내 양자 터널링의 두 가지 제한 요소이다.[16] 이러한 구조는 전자 전달과 양성자 터널링 (일반적으로 수소 이온, H+의 형태로)을 통해 발생하는 더 많은 양의 양자 에너지 전달을 설명할 수 있다.[17][18] 터널링은 아원자 입자가 전위 에너지 장벽을 통과할 수 있는 능력을 말한다.[19] 이러한 능력은 부분적으로, 특정 물질이 측정 결과의 변화 없이 개별적으로 측정될 수 없는 쌍의 속성을 갖는다는 상보성의 원리에 기인한다. 전자 및 양성자와 같은 입자는 파동-입자 이중성을 가지며, 물리학 법칙을 위반하지 않고 파동 특성으로 인해 에너지 장벽을 통과할 수 있다.
많은 효소 활성에 양자 터널링이 어떻게 사용되는지 정량화하기 위해, 많은 생물물리학자들이 수소 이온의 관찰을 이용한다. 수소 이온이 전달될 때, 이는 소기관의 주요 에너지 처리 네트워크의 주요 요소로 간주된다. 즉, 양자 효과는 보통 옹스트롬 (1 Å) 단위 거리의 양성자 분포 위치에서 작용한다.[20][21] 물리학에서, 이러한 과정을 정의하는 데는 양자 요소 (예: 입자)에서 거시적 현상 (예: 생화학)으로의 전이를 고려하여 반고전 물리학 접근법이 가장 유용하다. 수소 터널링 외에도, 연구에 따르면 양자 터널링을 통한 산화 환원 중심 사이의 전자 전달은 광합성 및 세포 호흡의 효소 활성에서 중요한 역할을 한다.[15][22]
페리틴은 식물과 동물에서 발견되는 철 저장 단백질이다. 일반적으로 약 2nm 두께의 구형 껍질로 자체 조립되는 24개의 서브유닛으로 형성되며, 외부 직경은 철 부하에 따라 최대 약 16nm까지 다양하다. 최대 ~4500개의 철 원자가 페리하이드라이트 및 자철석과 같은 물에 녹지 않는 화합물로 Fe3+ 산화 상태에서 껍질의 코어 내부에 저장될 수 있다.[23] 페리틴은 최소 몇 시간 동안 전자를 저장할 수 있으며, 이는 Fe3+를 물에 용해되는 Fe2+로 환원시킨다.[24] 1988년에 2nm 두께의 단백질 껍질을 통해 전자가 이동하는 메커니즘으로 전자 터널링이 제안되었다.[25] 페리틴의 전자 터널링 및 기타 양자 역학적 특성은 1992년에 관찰되었으며,[26] 실온 및 주변 조건에서 전자 터널링은 2005년에 관찰되었다.[27] 페리틴과 관련된 전자 터널링은 양자 생물학적 과정이며, 페리틴은 양자 생물학적 작용제이다.
전극 사이의 페리틴을 통한 전자 터널링은 온도에 영향을 받지 않으며, 이는 실질적으로 결맞음 상태이고 활성화가 필요 없음을 나타낸다.[28] 전자 터널링 거리는 페리틴의 크기에 따라 달라진다. 단일 전자 터널링 현상은 페리틴을 통해 최대 8nm 거리에서 발생할 수 있으며, 순차적 전자 터널링은 페리틴을 통해 최대 12nm까지 발생할 수 있다. 전자 터널링은 페리틴 코어의 자철석 미세 영역과 관련된 마그논 보조 현상으로 제안되었다.[29]
2004년에 페리틴이 ''생체 내''에서 나타내는 양자 역학적 특성의 초기 증거가 보고되었으며, 소각도 중성자 산란 (SANS)을 사용하여 태반 대식세포에서 페리틴 구조의 자기 정렬이 증가하는 것이 관찰되었다.[30] 양자점 고체 역시 SANS 테스트에서 자기 정렬이 증가하는 것을 보이며,[31] 장거리에서 전자를 전도할 수 있다.[32] SANS 테스트를 통해 실리콘 기판에 정렬된 층으로 배치된 페리틴 코어의 자기 정렬이 증가하는 것도 관찰되었다.[33] 태반 대식세포와 유사한 페리틴 구조는 고체 상태 구성에서 테스트되었으며, 순차적 터널링 및 쿨롱 장벽 형성을 통해 최대 80um의 거리에 걸쳐 전자를 전도하는 양자점 고체와 유사한 특성을 나타낸다.[34][35][36] 태반 대식세포에서 페리틴을 통한 전자 수송은 항염증 기능과 관련될 수 있다.[37]
전도성 원자력 현미경을 사용한 흑색질 치밀부 (SNc) 조직 검사에서 신경멜라닌 소기관 외부의 페리틴 층과 상관관계가 있는 구조에서 페리틴 코어 사이의 전자 터널링의 증거가 나타났다.[38] SNc의 큰 도파민 신경 세포의 세포체와 신경 교세포에서 그 세포체 사이의 페리틴 층의 증거 또한 발견되었으며,[39][40][41] 이는 신경 기능과 관련이 있을 것으로 추정된다.[42] 페리틴 과발현은 활성 산소종 (ROS)의 축적을 줄이며,[43] 전자 터널링을 통해 항산화제의 전자가 ROS를 중화하는 능력을 증가시켜 촉매 역할을 할 수 있다. 페리틴은 또한 리소좀에서 적혈구 생성과 관련된 정렬된 구성으로 관찰되었으며,[44] 여기에서 적혈구 생성과 관련될 수 있다. 아직까지 살아있는 세포에서 페리틴과 관련된 ''생체 내'' 터널링의 직접적인 증거는 얻지 못했지만, 페리틴 코어에 저장된 전자가 QD로 터널링할 경우 광자를 방출해야 하는 항페리틴으로 표지된 QD를 사용하여 이를 수행할 수 있을 것이다.[45]
후각, 즉 냄새는 화학 물질의 수용 및 감지와 뇌로의 전송 및 처리의 두 부분으로 나눌 수 있다. 냄새 분자를 감지하는 이 과정은 여전히 연구 중에 있다. "후각의 형태 이론"이라는 한 이론은 특정 후각 수용체가 특정 화학 물질의 형태에 의해 유발되며 이러한 수용체가 뇌에 특정 메시지를 보낸다고 제안한다.[46] 다른 이론(양자 현상에 기반)은 후각 수용체가 도달하는 분자의 진동을 감지하고 "냄새"는 다른 진동 주파수 때문이라고 제안하며, 이 이론은 "후각의 진동 이론"이라고 적절하게 불린다.
1938년 Malcolm Dyson[47]에 의해 만들어졌지만 1996년 Luca Turin에 의해 재조명된 후각의 진동 이론은 냄새 감각의 메커니즘이 분자 간 비탄성 전자 터널링, 즉 전자가 에너지를 잃는 터널링으로 인한 분자 진동을 감지하는 G-단백질 수용체 때문이라고 제안한다.[48] 이 과정에서 분자는 G-단백질 수용체로 결합 부위를 채운다. 화학 물질이 수용체에 결합한 후, 화학 물질은 다리 역할을 하여 전자가 단백질을 통해 전달될 수 있도록 한다. 그렇지 않으면 장벽이었을 영역을 가로질러 전자가 전달되면서 새로 결합된 분자가 수용체를 진동하여 에너지를 잃게 된다. 이로 인해 분자 냄새를 맡을 수 있게 된다.[48][4]
진동 이론은 개념 증명에 대한 실험적 증거가 있지만,[49][50] 실험에서 여러 논란의 여지가 있는 결과가 나왔다. 일부 실험에서는 동물이 서로 다른 주파수와 동일한 구조의 분자 간의 냄새를 구별할 수 있었고,[51] 다른 실험에서는 사람들이 뚜렷한 분자 주파수로 인해 냄새를 구별하는 것을 인식하지 못하는 것으로 나타났다.[52]
생물학적 시스템 내의 다른 양자 현상으로는 화학 에너지의 운동으로의 변환[109]과 많은 세포 과정에서의 브라운 운동 모터가 있다.[110]
4. 비판 및 논란
양자 역학에 대한 다양한 과학적 탐구와 함께 이와 관련된 사이비 과학적 관심도 생겨났으며, 이로 인해 과학자들은 양자 생물학에 신중하게 접근하게 되었다.[111]
조율된 객관적 환원과 같이 양자 역학과 의식 사이의 연관성을 가정하는 가설은 과학계의 비판을 받았으며, 일부에서는 이를 사이비 과학이며 "돌팔이 치료의 변명"이라고 주장했다.[112]
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