Информация

1.3.1: Свойствата на светлината - Биология

1.3.1: Свойствата на светлината - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Цели на обучението

  • Идентифицира и дефинира характеристиките на електромагнитното излъчване (EMR), използвано в микроскопията
  • Обяснете как лещите се използват в микроскопията за манипулиране на видимата и ултравиолетовата (UV) светлина

Клиничен фокус: част I

Синди, 17-годишна съветничка в летен спортен лагер, си одраска коляното, докато играеше баскетбол преди 2 седмици. По това време тя смяташе, че това е само незначително ожулване, което ще заздравее, както много други преди това. Вместо това раната започна да изглежда като ухапване от насекомо и продължи да става все по-болезнена и подута.

Лагерната медицинска сестра преглежда лезията и наблюдава голямо количество гной, изтичаща от повърхността. Загрижена, че Синди може да е развила потенциално агресивна инфекция, тя намазва раната, за да вземе проба от мястото на инфекцията. След това тя изчиства гнойта и превързва раната, като инструктира Синди да поддържа зоната чиста и да се върне на следващия ден. Когато Синди си тръгва, медицинската сестра изпраща пробата до най-близката медицинска лаборатория, за да бъде анализирана под микроскоп.

Упражнение (PageIndex{1})

Какви са някои неща, които можем да научим за тези бактерии, като ги разгледаме под микроскоп?

Видимата светлина се състои от електромагнитни вълни, които се държат като други вълни. Следователно много от свойствата на светлината, които са от значение за микроскопията, могат да бъдат разбрани от гледна точка на поведението на светлината като вълна. Важно свойство на светлинните вълни е дължината на вълната или разстоянието между един пик на вълната и следващия пик. Височината на всеки пик (или дълбочината на всяко вдлъбнатина) се нарича амплитуда. Обратно, честотата на вълната е скоростта на вибрация на вълната или броят на дължините на вълната в рамките на определен период от време (Фигура (PageIndex{1})).

Взаимодействия на светлината

Светлинните вълни взаимодействат с материалите, като се отразяват, абсорбират или предават. Отражението възниква, когато вълна отскочи от материал. Например червено парче плат може да отразява червена светлина към очите ни, докато поглъща други цветове на светлината. Абсорбцията възниква, когато материал улавя енергията на светлинна вълна. В случай на светещи в тъмното пластмаси, енергията от светлината може да се абсорбира и след това по-късно отново да се излъчва като друга форма на фосфоресценция. Предаването възниква, когато вълна преминава през материал, подобно на светлината през стъкло (процесът на предаване се нарича пропускливост). Когато даден материал позволява да се предава голяма част от светлината, той може да го направи, защото е по-тънък или по-прозрачен (има по-голяма прозрачност и по-малко непрозрачност). Фигура (PageIndex{2}) илюстрира разликата между прозрачност и непрозрачност.

Светлинните вълни също могат да взаимодействат помежду си чрез интерференция, създавайки сложни модели на движение. Пускането на две камъчета в локва кара вълните на повърхността на локвата да взаимодействат, създавайки сложни интерференционни модели. Светлинните вълни могат да взаимодействат по същия начин.

Освен че си пречат една на друга, светлинните вълни могат да взаимодействат и с малки предмети или отвори чрез огъване или разсейване. Това се нарича дифракция. Дифракцията е по-голяма, когато обектът е по-малък спрямо дължината на вълната на светлината (разстоянието между два последователни пика на светлинна вълна). Често, когато вълните дифрагират в различни посоки около препятствие или отвор, те ще си пречат една на друга.

Упражнение (PageIndex{2})

  1. Ако светлинната вълна има дълга дължина на вълната, вероятно ли е тя да има ниска или висока честота?
  2. Ако обектът е прозрачен, отразява ли, абсорбира или предава ли светлината?

Лещи и пречупване

В контекста на микроскопията, пречупването е може би най-важното поведение, проявено от светлинните вълни. Пречупването се получава, когато светлинните вълни променят посоката си, когато навлизат в нова среда (Фигура (PageIndex{3})). Различните прозрачни материали предават светлина с различна скорост; по този начин светлината може да променя скоростта, когато преминава от един материал в друг. Тази промяна в скоростта обикновено причинява и промяна в посоката (пречупване), като степента на промяна зависи от ъгъла на входящата светлина.

Степента, до която даден материал забавя скоростта на предаване спрямо празното пространство, се нарича индекс на пречупване на този материал. Големите разлики между индексите на пречупване на два материала ще доведат до голямо количество пречупване, когато светлината преминава от един материал към друг. Например, светлината се движи много по-бавно през водата, отколкото през въздуха, така че светлината, влизаща във вода от въздуха, може да промени значително посоката. Казваме, че водата има по-висок коефициент на пречупване от въздуха (Фигура (PageIndex{4})).

Когато светлината пресече граница в материал с по-висок коефициент на пречупване, нейната посока се превръща в по-близка до перпендикулярна на границата (т.е. повече към нормала към тази граница; Фигура (PageIndex{5})). Това е принципът зад лещите. Можем да мислим за леща като за обект с извита граница (или колекция от призми), който събира цялата светлина, която я удря и я пречупва, така че всичко да се срещне в една точка, наречена точка на изображението (фокус). Изпъкнала леща може да се използва за увеличение, защото може да фокусира на по-близък обхват от човешкото око, създавайки по-голямо изображение. Вдлъбнати лещи и огледала могат да се използват и в микроскопи за пренасочване на светлинния път. Фигура (PageIndex{5}) показва фокусната точка (точката на изображението, когато светлината влиза в обектива, е успоредна) и фокусното разстояние (разстоянието до фокусната точка) за изпъкнали и вдлъбнати лещи.

Човешкото око съдържа леща, която ни позволява да виждаме изображения. Тази леща фокусира светлината, отразяваща се от обекти пред окото, върху повърхността на ретината, която е като екран в задната част на окото. Изкуствените лещи, поставени пред окото (контактни лещи, очила или микроскопични лещи), фокусират светлината, преди тя да бъде фокусирана (отново) от лещата на окото, манипулирайки изображението, което се озовава върху ретината (например, като го направи да изглежда по-голям).

Изображенията обикновено се манипулират чрез контролиране на разстоянията между обекта, обектива и екрана, както и кривината на лещата. Например, за дадено количество кривина, когато обект е по-близо до лещата, фокусните точки са по-далеч от лещата. В резултат на това често е необходимо да се манипулират тези разстояния, за да се създаде фокусирано изображение на екрана. По същия начин, по-голямата кривина създава точки на изображението по-близо до обектива и по-голямо изображение, когато изображението е на фокус. Това свойство често се описва по отношение на фокусното разстояние или разстоянието до фокусната точка.

Упражнение (PageIndex{3})

  1. Обяснете как обектив фокусира светлината в точката на изображението.
  2. Посочете някои фактори, които влияят на фокусното разстояние на обектива.

Електромагнитен спектър и цвят

Видимата светлина е само една форма на електромагнитно излъчване (EMR), вид енергия, която е навсякъде около нас. Други форми на EMR включват микровълни, рентгенови лъчи и радиовълни, наред с други. Различните видове EMR попадат в електромагнитния спектър, който се определя по отношение на дължината на вълната и честотата. Спектърът на видимата светлина заема относително малък диапазон от честоти между инфрачервената и ултравиолетовата светлина (Фигура (PageIndex{6})).

Докато дължината на вълната представлява разстоянието между съседните върхове на светлинната вълна, честотата, в опростена дефиниция, представлява скоростта на трептене. Вълните с по-високи честоти имат по-къси дължини на вълната и следователно имат повече трептения за единица време, отколкото вълните с по-ниска честота. Вълните с по-висока честота също съдържат повече енергия от вълните с по-ниска честота. Тази енергия се доставя като елементарни частици, наречени фотони. Вълните с по-висока честота доставят повече енергични фотони от вълните с по-ниска честота.

Фотоните с различни енергии взаимодействат по различен начин с ретината. В спектъра на видимата светлина всеки цвят съответства на определена честота и дължина на вълната (Фигура (PageIndex{6})). Най-ниската честота на видимата светлина се появява като червения цвят, докато най-високата се появява като виолетовия. Когато ретината получава видима светлина с много различни честоти, ние възприемаме това като бяла светлина. Въпреки това, бялата светлина може да бъде разделена на нейните компоненти с помощта на пречупване. Ако пропуснем бяла светлина през призма, различни цветове ще се пречупят в различни посоки, създавайки спектър, подобен на дъга, върху екран зад призмата. Това разделяне на цветовете се нарича дисперсия и се получава, защото за даден материал коефициентът на пречупване е различен за различните честоти на светлината.

Някои материали могат да пречупват невидимите форми на EMR и на практика да ги трансформират във видима светлина. Някои флуоресцентни багрила, например, абсорбират ултравиолетова или синя светлина и след това използват енергията за излъчване на фотони с различен цвят, излъчвайки светлина, вместо просто да вибрират. Това се случва, защото поглъщането на енергия кара електроните да скачат към по-високи енергийни състояния, след което те след това почти веднага падат обратно към основните си състояния, излъчвайки специфични количества енергия като фотони. Не цялата енергия се излъчва в даден фотон, така че излъчваните фотони ще бъдат с по-ниска енергия и следователно с по-ниска честота от погълнатите. По този начин, багрило като тексаско червено може да бъде възбудено от синя светлина, но да излъчва червена светлина; или багрило като флуоресцеин изотиоцианат (FITC) може да абсорбира (невидима) високоенергийна ултравиолетова светлина и да излъчва зелена светлина (Фигура (PageIndex{7})). В някои материали фотоните могат да бъдат излъчени след закъснение след поглъщане; в този случай процесът се нарича фосфоресценция. Светещата в тъмното пластмаса работи с помощта на фосфоресциращ материал.

Упражнение (PageIndex{4})

  1. Кое има по-висока честота: червена светлина или зелена светлина?
  2. Обяснете защо се получава дисперсия, когато бялата светлина преминава през призма.
  3. Защо флуоресцентните багрила излъчват различен цвят на светлината, отколкото поглъщат?

Увеличение, разделителна способност и контраст

Микроскопите увеличават изображенията и използват свойствата на светлината, за да създават полезни изображения на малки обекти. Увеличението се дефинира като способността на лещата да увеличава изображението на обект в сравнение с реалния обект. Например, увеличение от 10⨯ означава, че изображението се появява 10 пъти по-голям от размера на обекта, гледан с просто око.

По-голямото увеличение обикновено подобрява способността ни да виждаме детайли от малки обекти, но само увеличението не е достатъчно, за да направим най-полезните изображения. Често е полезно да се подобри разделителната способност на обектите: способността да се каже, че две отделни точки или обекти са отделни. Изображението с ниска разделителна способност изглежда размито, докато изображението с висока разделителна способност изглежда рязко. Два фактора влияят на резолюцията. Първата е дължината на вълната. По-късите дължини на вълната са в състояние да разрешават по-малки обекти; по този начин електронният микроскоп има много по-висока разделителна способност от светлинния микроскоп, тъй като използва електронен лъч с много къса дължина на вълната, за разлика от дълговълновата видима светлина, използвана от светлинния микроскоп. Вторият фактор, който влияе на разделителната способност, е цифровата апертура, която е мярка за способността на обектива да събира светлина. Колкото по-висока е цифровата апертура, толкова по-добра е разделителната способност.

Дори когато микроскопът има висока разделителна способност, може да бъде трудно да се разграничат малки структури в много проби, тъй като микроорганизмите са относително прозрачни. Често е необходимо да се увеличи контраста, за да се открият различни структури в пробата. Различните видове микроскопи използват различни характеристики на светлината или електроните, за да увеличат контраста – видими разлики между частите на пробата (вижте [връзка]). Освен това багрилата, които се свързват с някои структури, но не и с други, могат да се използват за подобряване на контраста между изображенията на относително прозрачни обекти (вижте [връзка]).

Упражнение (PageIndex{1})

  1. Обяснете разликата между увеличение и разделителна способност.
  2. Обяснете разликата между разделителна способност и контраст.
  3. Посочете два фактора, които влияят на резолюцията.

Основни понятия и резюме

  • Светлинните вълни, взаимодействащи с материалите, могат да се отразяват, абсорбират или предават, в зависимост от свойствата на материала.
  • Светлинните вълни могат да взаимодействат помежду си (интерференция) или да бъдат изкривени от взаимодействия с малки обекти или отвори (дифракция).
  • Пречупването се получава, когато светлинните вълни променят скоростта и посоката си, когато преминават от една среда в друга. Разликите в индексите на пречупване на два материала определят големината на промените в посоката, когато светлината преминава от единия към другия.
  • Лещата е среда с извита повърхност, която пречупва и фокусира светлината, за да създаде изображение.
  • Видимата светлина е част от електромагнитния спектър; светлинните вълни с различни честоти и дължини на вълните се разграничават като цветове от човешкото око.
  • Призмата може да раздели цветовете на бялата светлина (дисперсия), тъй като различните честоти на светлината имат различни показатели на пречупване за даден материал.
  • Флуоресцентните багрила и фосфоресциращите материали могат ефективно да трансформират невидимото електромагнитно излъчване във видима светлина.
  • Силата на микроскопа може да бъде описана по отношение на неговото увеличение и разделителна способност.
  • Разделителната способност може да се увеличи чрез скъсяване на дължината на вълната, увеличаване на цифровата апертура на обектива или използване на петна, които подобряват контраста.

Терминологичен речник

абсорбция
когато молекула улавя енергия от фотон и вибрира или се разтяга, използвайки енергията
амплитуда
височината на вълната
контраст
видими разлики между части от микроскопски образец
дифракция
промяната на посоката (огъване или разпространение), която възниква, когато светлинна вълна взаимодейства с отвор или бариера
дисперсия
разделянето на светлината с различни честоти поради различни степени на пречупване
флуоресцентни
способността на определени материали да абсорбират енергия и след това незабавно да освобождават тази енергия под формата на светлина
фокусно разстояние
разстоянието от обектива до точката на изображението, когато обектът е на определено разстояние от обектива (това е и разстоянието до фокусната точка)
фокусна точка
свойство на обектива; точката на изображението, когато светлината влиза в обектива, е успоредна (т.е. обектът е на безкрайно разстояние от лещата)
честота
скоростта на вибрация за светлинна вълна или друга електромагнитна вълна
точка на изображението (фокус)
свойство на лещата и разстоянието на обекта до лещата; точката, в която изображението е на фокус (точката на изображението често се нарича фокус)
интерференция
изкривяване на светлинна вълна поради взаимодействие с друга вълна
увеличение
силата на микроскоп (или леща) да произвежда изображение, което изглежда по-голямо от действителния образец, изразено като коефициент на действителния размер
цифрова апертура
мярка за способността на обектива да събира светлина
непрозрачност
свойството да абсорбира или блокира светлината
фосфоресценция
способността на определени материали да абсорбират енергия и след това да освобождават тази енергия като светлина след закъснение
отражение
когато светлината отскача обратно от повърхността
пречупване
огъване на светлинни вълни, което се получава при преминаване на светлинна вълна от една среда в друга
индекс на пречупване
мярка за степента на забавяне на светлинните вълни от определена среда
резолюция
способността да се разграничат две точки в изображението
предаване
количеството светлина, което преминава през среда
прозрачност
свойството да пропуска светлината
дължина на вълната
разстоянието между един пик на вълна и следващия връх

Сътрудник

  • Нина Паркър (Университет Шенандоа), Марк Шнейгурт (Щатски университет Уичита), Анх-Хуе Тхи Ту (Югозападен държавен университет на Джорджия), Филип Листър (Обществен колеж в Централен Ню Мексико) и Брайън М. Форстър (Университетът на Сейнт Джоузеф) с много допринесли автори. Оригинално съдържание чрез Openstax (CC BY 4.0; безплатен достъп на https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


1.3.1: Свойствата на светлината - Биология

Нейтън, 17-годишен съветник в летен спортен лагер, одраска коляното си, докато играеше баскетбол преди 2 седмици. По това време той смяташе, че това е само незначително ожулване, което ще заздравее, както много други преди това. Вместо това раната започна да изглежда като ухапване от насекомо и продължи да става все по-болезнена и подута.

Лагерната медицинска сестра преглежда лезията и наблюдава голямо количество гной, изтичаща от повърхността. Загрижена, че Нейтън може да е развил потенциално агресивна инфекция, тя взема тампони от раната, за да вземе проба от мястото на инфекцията. След това тя изчиства гнойта и превързва раната, като инструктира Нейтън да поддържа зоната чиста и да се върне на следващия ден. Когато Нейтън си тръгва, медицинската сестра изпраща пробата в най-близката медицинска лаборатория, за да бъде анализирана под микроскоп.

Ще се върнем към примера на Натан на следващите страници.

Видимата светлина се състои от електромагнитни вълни, които се държат като други вълни. Следователно, много от свойства на светлината които са от значение за микроскопията, могат да бъдат разбрани от гледна точка на поведението на светлината като вълна. Важно свойство на светлинните вълни е дължина на вълната, или разстоянието между един пик на вълна и следващия връх. Височината на всеки връх (или дълбочината на всяко корито) се нарича амплитуда. За разлика от тях, честота на вълната е скоростта на вибрация на вълната или броят на дължините на вълната в рамките на определен период от време (Фигура 1).

Фигура 1. (a) Амплитудата е височината на вълната, докато дължината на вълната е разстоянието между един пик и следващия. (b) Тези вълни имат различни честоти или скорости на вибрации. Вълната в горната част има най-ниска честота, тъй като има най-малко пикове за единица време. Вълната в долната част е с най-висока честота.


Примери за поколение F1

Монохибриден кръст

Когато „бащата на генетиката” Грегор Мендел за първи път разкрива тайните на генетиката на граха, той започва с производството на линии от чистопороден грах. Грахът е разновидност на растението, което може да се самоопложда, което означава, че мъжката част на растението може да оплоди яйцата, произведени от женската част на растението. Когато им бъде позволено да се самооплождат, тези растения ще произведат потомство със същите черти. Например, граховите шушулки на едно растение и цялото му потомство ще произведат зелени шушулки, докато друго растение ще произведе всички жълти шушулки. За да разкрие тайните как тези черти се предават на потомството, Мендел решава да пресече тези две линии на растенията. Мендел взе прашеца от растения с жълта шушулка и го прехвърли в растения със зелени шушулки. След това той направи обратното кръстосване, от цветен прашец от зелена шушулка с жълти шушулкови цветя.

Сега учените определят тези оригинални две растения като родителско поколение или просто на P поколение. След като бъде оплодено, родителското поколение отглежда грах, който съдържа генетичната информация за първото поколение потомство или поколението F1. Мендел засади този грах и забеляза любопитен факт за цвета на граховите шушулки, които произвеждаха: всички те бяха зелени! Растенията с жълти шушулки са допринесли генетично за поколението F1, но са открити само зелени шушулки.

Мендел трябваше да направи още един експеримент, за да определи какво се случва с генетиката, контролираща цвета на шушулките. Мендел взе растение от поколението F1 и позволи на това растение да се самооплоди. След това той засади и наблюдава потомството от този кръст. Тъй като е кръст на потомството, той представлява второ синовно поколение, или F2 поколение. Мендел забеляза, че поколението F2 съдържа смес от зелени и жълти шушулки. Мендел показа, че съотношението 3:1 на растенията с жълта шушулка към зелени шушулки може да се получи само ако и двамата родители носят копие и на жълтите, и на зелените алели и че жълтият алел трябва да доминира над зеления.

Съвременните учени сега описват кръста от поколението на Мендел F1 като a монохибридно кръстосване. Всички индивиди в кръстосването имат един алел за зелени шушулки и един алел за жълти шушулки, което ги прави хибриди. Това кръстосване изследва само една черта, но много повече черти могат да бъдат наблюдавани наведнъж.

Пробен кръст

При тестово кръстосване ние вземаме нашето неизвестно доминантно семе, отглеждаме го в растение и го наторяваме с растение, израснало от зелено семе. Знаем, че зеленият грах трябва да съдържа два рецесивни алела (yy). Следователно може да се случи едно от двете неща. Знаем, че растението жълто грах има поне един доминиращ алел, но не знаем какъв може да бъде другият алел. Потомството на това кръстосване, поколението F1, може да има два изхода. Или семената ще бъдат изцяло жълти, или ще бъдат наполовина жълти и наполовина зелени. Всички жълти семена в поколението F1 означават, че неидентифицираното семе, с което започнахме, има два доминиращи алела (YY). Само това може да маскира зелените алели, присъстващи в другия родител. Ако поколението F1 произвежда смес от половина и половина, ние знаем, че другият алел в родителското жълто семе трябва да бъде рецесивен алел и че родителското жълто-грахово растение е хибрид.

1. Кръстосват се две грахови растения. И двете са хомозиготни за гените, контролиращи цвета на цветята. Единият произвежда лилави цветя, докато другият произвежда бели цветя. Какво е съотношението на потомството в поколението F1, ако лилавият алел е доминиращ?
А. 1:1 лилаво към бяло
Б. Цяло бяло
° С. Изцяло лилаво

2. Вие сте учен, който изучава нов вид риба. Установено е, че рибата има две разновидности, синя и червена. Чрез други експерименти учените са установили, че червеното е доминиращо. Имате червена риба и искате да знаете дали тя е хомозиготна или хетерозиготна за тази черта. Какво трябва да направиш?
А. Пробен кръст
Б. Размножавайте с други червени риби
° С. Стискай палци

3. Учен отглежда маргаритки и изучава техните черти. Той взема две растения, за да започне експериментите си. Той събира семената им и отглежда растенията. След това той кръстосва тези растения едно с друго и събира семената, които създават. Тези семена отново се отглеждат, кръстосват и семената се събират. Този последен кръг от семена се засажда и прераства в растения. Кое поколение представляват тези растения?
А. F1 поколение
Б. F5 поколение
° С. F4 поколение


Биолуминесценция

Биолуминесценцията е светлина, излъчвана от живи същества чрез химични реакции в телата им.

Биология, химия, наука за Земята, океанография

Снимка от Пол Зал, National Geographic

  • Първо, сладководни местообитания не съществуват толкова дълго, колкото морските местообитания - еволюцията е бавен процес и сладководни местообитания все още нямат биоразнообразието на океаните.
  • Второ, сладководни видове всъщност няма да се възползват от биолуминесценция. Сладководните местообитания често са по-мътни и дълбоководните видове използват други адаптации (като чувствителните „мустаци“ на сома) за лов и защита в околната среда.

за приспособяване към нова среда или нова ситуация.

стратегията за прилагане на практики за реализиране на печалби при експлоатацията на ферми и ранчота.

(единствено число: водорасли) разнообразна група водни организми, най-големите от които са морски водорасли.

(единствено число: бактерия) едноклетъчни организми, намиращи се във всяка екосистема на Земята.

учен, който изучава живи организми.

светлина, излъчвана от живи същества чрез химични реакции в телата им.

тактика, която организмите използват, за да прикрият външния си вид, обикновено за да се слеят със заобикалящата ги среда.

вещество, което причинява или ускорява химическа реакция, без да бъде засегната от нея.

най-малката работна част на живия организъм.

процес, който включва промяна в атоми, йони или молекули на участващите вещества (реагенти).

излъчване на светлина в резултат на химическа реакция.

зелен пигмент на растенията, който е от съществено значение за фотосинтезата.

светлина, излъчвана от източник, който произвежда много малко топлинно излъчване.

вещество, което има най-малко два химични елемента, свързани заедно с химични връзки.

вид биолуминесценция, използвана от организмите, за да се скрият от хищници отдолу, като се смесват със светлинните модели отгоре.

предмет, използван за привличане на животно или друг организъм.

да отложи за по-късно.

да се отдели от нещо друго.

едноклетъчен морски организъм, който е основен компонент на планктона.

общност и взаимодействия на живи и неживи същества в даден район.

съвкупност от физически явления, свързани с наличието и протичането на електрически заряд.

лице, което планира изграждането на неща, като конструкции (строителен инженер) или вещества (инженер-химик).

протеини, произведени в живите клетки, които действат като катализатори за ускоряване на жизнените процеси на организма.

дълъг, тънък, месест израстък от главата на морски дявол.

много тънко влакно или нишковидна структура.

да излъчва кратък изблик на светлина.

излъчване на светлина от вещество по време на излагане на друг източник на светлина.

светлина, излъчвана от някои гъби, докато разлагат дървесината.

(множествено число: гъби) вид организъм, който оцелява чрез разлагане и усвояване на материала, в който расте.

(зелен флуоресцентен протеин) химикал (протеин), който проявява ярко зелена флуоресценция, когато е изложен на светлина в диапазона от синьо до ултравиолетово.

да излъчва непрекъснат поток светлина за дълъг период от време.

среда, в която един организъм живее през цялата година или за по-кратки периоди от време.

среда, в която организмът живее през цялата година или за по-кратки периоди от време.

събирането и събирането на култури, включително растения и животни.

електрически зареден атом или група от атоми, образувани от атома, получил или загубил електрон.

плитко водно тяло, което може да има отвор към по-голямо водно тяло, но също така е защитено от него от пясъчна ивица или коралов риф.

ново или незряло насекомо или друг вид безгръбначни.

ензим (катализатор), който реагира със субстрат (луциферин) в химична реакция, която води до биолуминесценция.

органични вещества, които при окисляване произвеждат почти безтоплинна светлина (биолуминесценция).

предмет, използван за привличане на животно или друг организъм.

има отношение към океана.

феномен на биолуминесцентни бактерии на повърхността на океана.

лигава, течна секреция на някои животни.

вещество, необходимо на организма за енергия, растеж и живот.

път на един обект около по-масивен обект.

живо или някога живо същество.

дълготрайно излъчване на светлина след излагане и отстраняване на стимулираща светлина (инцидентна радиация).

химикал (протеин), който взаимодейства с луциферин и други химикали за създаване на биолуминесценция.

(единствено число: планктон) микроскопични водни организми.

животно, което ловува други животни за храна.

животно, което се ловува и яде от други животни.

енергия, излъчвана като вълни или частици, излъчвана навън от източник.

ген с лесно различимо присъствие, използван за проследяване на експресията и поведението на други гени.

обект, който обикаля около нещо друго. Сателитите могат да бъдат естествени, като луни, или изкуствени.

снимки на планета, направени от или от спътник.

морско животно (бодлокожа) с много ръце, излъчващи се от тялото му. Нарича се още морска звезда.

вещество, върху което действа ензим в химическа реакция.

асоцииране с друг организъм, не винаги във взаимна полза на двата вида.

метод за правене на нещо.

регион обикновено разположен между тропика на Рака (23 1/2 градуса северно от екватора) и тропика на Козирога (23 1/2 градуса южно от екватора).

светлина и цветове, които могат да се видят от хората.

необходимо или много важно.

Медийни кредити

Аудио, илюстрации, снимки и видеоклипове се кредитират под медийния актив, с изключение на промоционалните изображения, които обикновено се свързват към друга страница, която съдържа медийния кредит. Притежателят на правата за медиите е лицето или групата, които се кредитират.

Редактор

Джини Евърс, Emdash Editing

Продуцент

Карил-Сю, National Geographic Society

Последна актуализация

За информация относно потребителските разрешения, моля, прочетете нашите Общи условия. Ако имате въпроси относно това как да цитирате нещо на нашия уебсайт във вашия проект или презентация в класната стая, моля, свържете се с вашия учител. Те най-добре ще знаят предпочитания формат. Когато се свържете с тях, ще ви трябват заглавието на страницата, URL адресът и датата на достъп до ресурса.

Медия

Ако медиен актив може да бъде изтеглян, в ъгъла на инструмента за преглед на медиите се появява бутон за изтегляне. Ако не се появи бутон, не можете да изтеглите или запишете носителя.

Текстът на тази страница може да се отпечата и може да се използва съгласно нашите Общи условия.

Интерактиви

Всички интерактиви на тази страница могат да се играят само докато посещавате нашия уебсайт. Не можете да изтегляте интерактиви.

Свързани ресурси

Рефракционна чаша със светлина

Рефракционна чаша със светлина.jpg

Светлинно замърсяване

Хората по целия свят живеят под нощния блясък на изкуствената светлина и това създава големи проблеми на хората, дивата природа и околната среда. Има глобално движение за намаляване на светлинното замърсяване и всеки може да помогне.


Теории за светлината през историята

Въпреки че има ясни доказателства, че прости оптични инструменти като плоски и извити огледала и изпъкнали лещи са били използвани от редица ранни цивилизации, на древногръцките философи обикновено се приписват първите официални спекулации за природата на светлината. Концептуалната пречка за разграничаване на човешкото възприятие за визуални ефекти от физическата природа на светлината възпрепятства развитието на теориите за светлината. Съзерцанието на механизма на зрението доминира в тези ранни проучвания. Питагор (° С. 500 г. пр.н.е.) предполага, че зрението се причинява от зрителни лъчи, излъчвани от окото и поразяващи предмети, докато Емпедокъл (° С. 450 г. пр. н. е.) изглежда е разработил модел на зрение, при който светлината се излъчва както от предмети, така и от окото. Епикур (° С. 300 г. пр. н. е.) вярвали, че светлината се излъчва от източници, различни от окото, и че зрението се произвежда, когато светлината се отразява от обекти и влиза в окото. Евклид (° С. 300 г. пр. н. е.), в неговата Оптика, представи закон за отражението и обсъди разпространението на светлинните лъчи в прави линии. Птолемей (° С. 100 ce ) предприе едно от първите количествени изследвания на пречупването на светлината при преминаването й от една прозрачна среда в друга, като табулира двойки ъгли на падане и предаване за комбинации от няколко среди.

С упадъка на гръко-римското царство научният прогрес се измества към ислямския свят. По-специално, ал-Мамун, седмият абасидски халиф на Багдад, основава Дома на мъдростта (Бейт ал-Хикма) през 830 г. н.е., за да превежда, изучава и подобрява елинистичните произведения на науката и философията. Сред първоначалните учени са ал-Харизми и ал-Кинди. Известен като „философът на арабите“, ал-Кинди разшири концепцията за праволинейно разпространяващи се светлинни лъчи и обсъди механизма на зрението. До 1000 г. Питагореевият модел на светлината е изоставен и се появява лъчев модел, съдържащ основните концептуални елементи на това, което сега е известно като геометрична оптика. По-специално, Ибн ал-Хайтам (латинизиран като Алхазен), в Китаб ал-Маназир (° С. 1038 „Оптика“), правилно приписва зрението на пасивното приемане на светлинни лъчи, отразени от обекти, а не на активното излъчване на светлинни лъчи от очите. Той също така изучава математическите свойства на отражението на светлината от сферични и параболични огледала и рисува подробни снимки на оптичните компоненти на човешкото око. Работата на Ибн ал-Хайтам е преведена на латински през 13-ти век и оказва мотивиращо влияние върху францисканския монах и натурфилософ Роджър Бейкън. Бейкън изучава разпространението на светлината чрез прости лещи и се счита за един от първите, които описват използването на лещи за коригиране на зрението.


Практическа схема на работа

Практическите умения ще бъдат от съществено значение за оценяваното индивидуално разследване. Това разследване е "Internal Assessment" и една единствена работа ще има тежест от 20% от крайните оценки. Няма други оценени части от практическа работа.

Голямата сила на това да можете да създадете своя собствена програма, повечето от които не трябва да се оценяват, е, че практическата работа може да бъде напълно интегрирана в доброто преподаване по биология. Новият PSOW позволява на учителя да избере най-подходящите експерименти за своите ученици. Няма определени протоколи за използване и учителите се насърчават да позволят на учениците да проектират свои собствени изследвания чрез подход, базиран на запитвания. Студентите няма да станат Розалинд Франклин или Луис Пастьор за една нощ. PSOW ще трябва да въведе практически умения стъпка по стъпка. Има широк спектър от практически умения, посочени в ръководството под "skills" и има много примери на този уебсайт.

Би било разумно да обхванем възможно най-много от тези експерименти. Заедно това прави доста пълна практическа схема на работа

Седем предписани експеримента

Има седем експеримента, които са предписани от новото ръководство по биология. Разбирането на тези експерименти ще бъде оценено в първия раздел на документ 3. Учениците ще трябва да имат практически опит по-специално от тези експерименти. Ръководството не уточнява как точно трябва да се извършват и има много възможности за приспособяване на тези експерименти към нуждите на студентите, вида на обучението, което се провежда, или наличните ресурси в лабораторията.

Петдесет и пет практически умения или приложения, споменати в новото ръководство

Разделът, озаглавен "Приложения и умения", прави препратка към голям брой биологични практически умения. Няма задължение за включване на конкретен експеримент, но всяко от уменията може да бъде оценено в новия раздел А на третия документ, така че учениците ще трябва да имат известен опит. Оставя се на учителя да избере как точно да направи това и демонстрации, упражнения за анализ на данни или симулации могат да се използват, когато индивидуалната практическа работа не е подходяща.

Независимо разследване, което формира "Internal Assessment"

Проектът Група 4

Освен проект от група 4 всичко останало, което ученикът прави за оценката си, трябва да бъде индивидуално. Това противоречи на начина, по който науката работи в действителност, където екипи от учени от различни дисциплини често работят заедно, за да решат общ проблем. Това се опитва да имитира Проектът Група 4. Това е съвместна дейност, при която студенти, изучаващи различни научни предмети, се събират, за да работят по научен или технологичен проблем. Той също така трябва да адресира цели 7 и 8, които се отнасят до глобалното гражданство, етичните въпроси и комуникационните умения на 21-ви век. Новото ръководство за 2014 г. постановява, че отразяващо изявление, написано от всеки ученик за участието му в проекта от Група 4, трябва да бъде включено в заглавния лист на вътрешно оцененото им разследване. Няма друга оценка на проекта.

Друга практическа работа или работа на терен

Има много други възможности за практическа работа по време на IB курс по биология и всички те могат да допринесат за PSOW.

Подробности за седемте предписани експеримента

P1 1.1 Изчисляване на увеличението на чертежите, действителния размер на конструкциите от чертежи или микрографии

P2 1.4 Оценка на осмоларитета в тъканите

P3 2.5 Изследване на фактор, влияещ на ензимната активност

P4 2.9 Разделяне на фотосинтетичните пигменти чрез хроматография

P5 4 Опит за създаване на запечатан мезокосмос

P6 6.4 Мониторинг на вентилацията в покой и след леки и енергични упражнения

P7 9.1 Измерване на скоростта на транспирация с помощта на потомметри

Подробности за практическите умения, споменати в новото ръководство.

Тема Лаборатории, посочени в раздела "Умения" на темите за SL на новото ръководство
1,1 Микроскопия на тъкани (увеличение)
1,1 Електронни микрографии, идентифициране на органели/функция
1,6 Етапи на митоза/Митотичен индекс/корен тиква
2,3 Софтуер за молекулярна визуализация на целулоза, нишесте и гликоген
2,3 Изчислете BMI
2,4 Денатурация на протеини
2,5 Ефект на pH/temp/conc върху ензимната активност (дизайн)
2,5 Имобилизирана лактаза
2,6 Изолиране на ДНК
2,8 Респирометър/покълнали семена/безгръбначни
2,9 Ограничаващи фактори на фотосинтезата
3,1 Genbank база данни за разлики в базовата последователност
3,2 Кариограма активност/тризомия
3,2 Използване на бази данни за идентифициране на локуса на човешки ген и неговия полипептиден продукт
3,3 Наблюдение на мейозата
3,4 Прогнозирани/действителни резултати от генетични кръстосвания
3,5 Проектиране на експеримент за оценка на един фактор, влияещ върху вкореняването на стъблените резници.
4 Квадрати и използване на хи-квадрат тест
4 Анализ на данните от мониторинга на въздуха
5,3 Класификация на един вид
5,3 Характеристики за разпознаване на групи растения и животни
5,3 Построяване на дихотомичен ключ
6,1 Модел на червата с диализна тръба
6,1 Идентифициране на тъканни слоеве в напречни участъци на микроскопски предметни стъкла или микроснимки на тънките черва
6,2 Хистология на кръвоносните съдове
6,2 Дисекция на сърцето
6,5 Анализ на следи от осцилоскоп за потенциали на покой и действие
Тема Лаборатории, посочени в раздела "Skills" на AHL на новото ръководство
7,1 Използване на софтуер за молекулярна визуализация за анализиране на връзката на ДНК/хистон в нуклеозоми
7,3 Използване на софтуер за молекулярна визуализация за анализиране на структурата на тРНК и еукариотни рибозоми
8 Използване на бази данни за идентифициране на лекарства против малария
9,1 Ксерофит/халофитна адаптация
9,1 Моделиране на транспирационен поток
9,1 Хистология на ксилема/флоема/стъбло/корен
9,1 Проектирайте експеримент за тестване на хипотези за ефекта на температурата или влажността върху скоростта на транспирация
9,3 Микроразмножаване на растителни тъкани върху хранителни гелове с растителни хормони
9,4 Структура на семената
9,4 Структура на цветето
9,4 Фактори, влияещи върху покълването
10,2 Тест на хи квадрат върху данни от дихибридни кръстосвания
11,1 Измерване на саркомера от микроскопски предметни стъкла или микрографии
11,4 Хистология на гонадите
Тема Лаборатории, посочени в раздела "Умения" на опцията на новото ръководство
Опция А 3 Очна дисекция
Опция А 4 Лаборатории за поведение на безгръбначни
Опция Б 1 Оцветяване по грам
Опция Б 1 Зона на инхибиране поради бактерициди
Опция Б 1 Ферментатор
Опция Б 5 Използване на софтуер за подравняване на две протеинови последователности
Опция C 1 Трансект
Опция C 2 Проучете ефекта от смущения в околната среда върху екосистемата
Опция C 4 Индекс на Симпсън
Опция C 5 Заснемане-маркировка-освобождаване
Опция C 6 Съдържание на хранителни вещества в почвената проба
Опция D 1 Определяне на енергийното съдържание на храната чрез изгаряне
Опция D 1 Анализ на диетата с помощта на бази данни
Опция D 4 Лаборатория за сърдечен ритъм
Опция D 4 Анализ на епидемиологични данни за ИБС
Опция D 6 Идентифициране на пневмоцити, капилярен ендотел и кръвни клетки в светлинни микрографии
Тема Лаборатории, посочени в раздела "Application" на опцията на новото ръководство
1,4 Модел на клетка с кубчета желатин
2,2 Калориметрия за изследване на топлинните свойства на вода/метан
2,8 Ферментация на мая/кисело мляко
2.3, 2.4 Тестове за хранителни вещества
4 Броене на кадри
5,2 Симулация на естествен подбор
6,4 Пиков разходомер
6,4 Възстановителен статус
6 Моделиране на топлинни загуби
6 Таймер за реакция
9 Израстване на корен лук шалот

Бъдещето на квантовата биология

Биологичните системи са динамични, постоянно обменят енергия и материя с околната среда, за да поддържат неравновесното състояние, синонимно на живот. Развитието на техниките за наблюдение ни позволи да изучаваме биологичната динамика във все по-малки мащаби. Такива изследвания разкриха доказателства за квантовомеханични ефекти, които не могат да бъдат обяснени от класическата физика, в редица биологични процеси. Квантовата биология изучава подобни процеси и тук ние предоставяме очертание на текущото състояние на областта, както и прозрения за бъдещи посоки.

1. Въведение

Квантовата механика е фундаменталната теория, която описва свойствата на субатомните частици, атоми, молекули, молекулярни сглобки и вероятно отвъд тях. Квантовата механика работи в нанометрови и поднанометрови скали и е в основата на фундаментални жизнени процеси като фотосинтеза, дишане и зрение. В квантовата механика всички обекти имат вълнообразни свойства и когато взаимодействат, квантовата кохерентност описва корелациите между физическите величини, описващи такива обекти, поради тази вълнообразна природа.

При фотосинтезата, дишането и зрението, моделите, които са били разработени в миналото, са основно квантовомеханични. Те описват преноса на енергия и преноса на електрони в рамка, базирана на скачане на повърхността. Динамиката, описана от тези модели, често е „експоненциална“ и следва от прилагането на златното правило на Ферми [1,2]. Като последица от осредняването на скоростта на трансфер върху голямо и квази-непрекъснато разпределение на крайните състояния, изчислената динамика вече не показва кохерентност и интерференционни явления. Във фотосинтетичните реакционни центрове и комплексите за събиране на светлина колебателни явления са наблюдавани в множество проучвания, проведени през 90-те години на миналия век, и обикновено се приписват на образуването на вибрационни или смесени електронно-вибрационни вълнови пакети. Докладваното откриване на забележително дълготрайна (660 fs и по-дълго) електронна квантова кохерентност по време на пренос на енергия на възбуждане във фотосинтетична система съживи интереса към ролята на „нетривиалната“ квантова механика за обяснение на основните жизнени процеси на живите организми [3 ]. Въпреки това, идеята, че квантовите явления - като кохерентността - могат да играят функционална роля в макроскопичните живи системи, не е нова. През 1932 г., 10 години след като квантовият физик Нилс Бор получава Нобелова награда за работата си върху атомната структура, той изнася лекция, озаглавена „Светлина и живот“ на Международния конгрес по светлинна терапия в Копенхаген [4]. Това повдигна въпроса дали квантовата теория може да допринесе за научното разбиране на живите системи. Присъстваше заинтригуван Макс Делбрюк, млад физик, който по-късно помогна за създаването на областта на молекулярната биология и спечели Нобелова награда през 1969 г. за своите открития в генетиката [5].

Всички живи системи са изградени от молекули и по същество всички молекули се описват от квантовата механика. Традиционно обаче огромното разделение на мащабите между системите, описани от квантовата механика, и тези, изучавани в биологията, както и привидно различните свойства на неодушевената и живата материя, поддържат известно разделение между двата масива от знания. Напоследък разработките в експерименталните техники като ултрабърза спектроскопия [6], спектроскопия с единична молекула [7–11], микроскопия с разделителна способност във времето [12–14] и изобразяване на единични частици [15–18] ни позволиха да изучаваме биологичната динамика на все повече малка дължина и времеви мащаби, разкриващи множество процеси, необходими за функционирането на живата система, които зависят от деликатното взаимодействие между квантовите и класическите физически ефекти.

Квантовата биология е приложението на квантовата теория към аспекти на биологията, за които класическата физика не успява да даде точно описание. Въпреки това просто определение, остават дебати относно целите и ролята на областта в научната общност. Тази статия предлага перспектива за това къде стои квантовата биология днес и идентифицира потенциални пътища за по-нататъшен напредък в тази област.

2. Какво е квантова биология?

Биологията, в настоящата си парадигма, има голям успех в прилагането на класическите модели към живите системи. В повечето случаи фините квантови ефекти върху (между)молекулярните скали не играят определяща роля в цялостната биологична функция. Тук „функция“ е широко понятие. Например: Как работят зрението и фотосинтезата на молекулярно ниво и в свръхбърз времеви мащаб? Как ДНК, с подредени нуклеотиди, разделени с около 0,3 nm, се справя с UV фотоните? Как ензимът катализира съществена биохимична реакция? Как нашият мозък с неврони, организирани в субнанометров мащаб, се справя с толкова невероятно количество информация? Как работят репликацията и експресията на ДНК? Всички тези биологични функции, разбира се, трябва да се разглеждат в контекста на еволюционната годност. Разликите между класическото приближение и квантово-механичния модел обикновено се смятат за незначителни в тези случаи, въпреки че в основата си всеки процес се управлява изцяло от законите на квантовата механика. Какво се случва на зле дефинираната граница между квантовия и класическия режими? По-важното е, има ли основни биологични функции, които „изглеждат“ класически, но в действителност не са? Ролята на квантовата биология е именно да разкрие и разгадае тази връзка.

По същество цялата материя – жива или нежива – е квантово механична, съставена от йони, атоми и/или молекули, чиито равновесни свойства са точно определени от квантовата теория. В резултат на това може да се твърди, че цялата биология е квантовомеханична. Това определение обаче не се отнася до динамичната природа на биологичните процеси или факта, че класическото описание на междумолекулярната динамика често изглежда достатъчно. Следователно квантовата биология трябва да се дефинира от гледна точка на физическата „правилност“ на използваните модели и последователността в обяснителните възможности на класическите спрямо квантово-механичните модели на конкретен биологичен процес.

Докато изследваме биологични системи на наномащаби и по-големи, откриваме, че съществуват процеси в биологичните организми, описани подробно в тази статия, за които понастоящем се смята, че е необходимо квантово механично описание, за да се характеризира напълно поведението на съответната подсистема. Докато квантовите ефекти са трудни за наблюдение на макроскопски времеви и дължини скали, процесите, необходими за цялостната функция и следователно оцеляването на организма, изглежда разчитат на динамични квантово-механични ефекти в междумолекулния мащаб. Именно взаимодействието между тези времеви и дължини скали е това, което квантовата биология изследва с цел да изгради последователна физическа картина.

Големите надежди за квантовата биология могат да включват принос към дефиницията и разбирането на живота или към разбирането на мозъка и съзнанието. Тези проблеми обаче са стари колкото самата наука и по-добър подход е да се запитаме дали квантовата биология може да допринесе за рамка, в която можем да поставим тези въпроси по такъв начин, че да получим нови отговори. Изучаването на биологичните процеси, работещи ефективно на границата между областите на квантовата и класическата физика, вече допринася за подобряване на физическите описания на този квантово-класически преход.

По-скоро квантовата биология обещава да създаде принципи на проектиране за биологично вдъхновени квантови нанотехнологии, със способността да се представят ефективно на фундаментално ниво в шумни среди при стайна температура и дори да използват тези „шумни среди“ за запазване или дори подобряване на квантови свойства [19,20]. Чрез проектиране на такива системи може да е възможно да се тества и количествено определя степента, до която квантовите ефекти могат да подобрят процеси и функции, открити в биологията, и в крайна сметка да се отговори дали тези квантови ефекти може да са били целенасочено избрани при проектирането на системите. Важно е обаче, че квантовите биоинспирирани технологии също могат да бъдат по същество полезни независимо от организмите, които са ги вдъхновили.

3. Квантова механика: въведение за биолози

В началото на двадесети век успехът на класическата физика в описването на всички наблюдавани явления започва да се оспорва в определени отношения. През 1900 г., като средство за обяснение на спектралното енергийно разпределение на излъчването на черното тяло, Планк въвежда идеята, че взаимодействията между материята и електромагнитното излъчване с честота ν се квантуват, като се случват само в цели числа на зν, където з е основната константа на Планк. Пет години по-късно Айнщайн доразви идеята за енергийно квантуване, като я разшири, за да включи фотона, квант на светлината. Тази концепция се илюстрира от фотоелектричния ефект, при който светлината, падаща върху материал, води до излъчване на електрони. Въпреки това, не интензитетът на светлината определя това излъчване, а по-скоро неговата честота. Дори светлина с нисък интензитет с подходяща честота ще доведе до излъчване на електрони, докато светлината с висок интензитет под тази прагова честота няма да има ефект. Айнщайн обясни това, като предложи, че в този случай светлината се държи като частица, а не като вълна, с дискретни енергии зν, които могат да бъдат прехвърлени към електроните в материал. Моделът на Бор от 1913 г. на водородния атом с неговите дискретни енергийни състояния и работата на Комптън от 1923 г. с рентгеновите лъчи допринесоха за началото на нова ера в съвременната физика. Тези начини за обяснение на излъчването на черното тяло и фотоелектричния ефект, както и атомната стабилност и спектроскопия, доведоха до развитието на квантовата механика, теория, която се оказа изключително успешна в прогнозирането и описанието на микрофизични системи [21,22].

Докато Планк и Айнщайн започват квантовата революция, като постулират, че радиацията също демонстрира поведение, подобно на частици, де Бройл през 1923 г. прави допълнителното предположение, че самата материя има вълнообразни свойства, с дължина на вълната, свързана с нейния импулс чрез константата на Планк. Тази хипотеза предполага, че вълните на материята трябва да претърпят дифракция, което впоследствие беше доказано от експерименти, които показаха, че частици като електрони показват интерференционни модели. Шрьодингер надгражда това наблюдение в своята формулировка на квантовата механика, която описва динамиката на микроскопичните системи чрез използването на вълновата механика. Формулирането на квантовата механика позволява изследване на редица важни аспекти на квантовото състояние: неговото математическо описание по всяко време T, как да се изчислят различни физически величини, свързани с това състояние и как да се опише еволюцията на състоянието във времето [21,22].

Квантовата механика е математическа рамка, която идентифицира изолирана физическа система с квантово състояние, което напълно характеризира системата и се обозначава с |ψ〉 и Хилбертово пространство, което съдържа всички състояния, достъпни за системата. Еволюцията във времето на система, описана от вектор на състоянието |ψ 〉 се подчинява на уравнението на Шрьодингер,

Един от по-завладяващите аспекти на квантовата теория е, че за две квантови състояния |ψ1〉 и |ψ2〉 описваща система, линейна комбинация от тези две състояния, α1|ψ1〉 + α2|ψ2〉, също описва системата. Тази комбинация или суперпозиция на състояния, съставляващи Хилбертово пространство, се записва по-общо като

Именно тези конкретно квантови свойства като суперпозиция, кохерентност, заплитане и тунелиране са описани в този преглед като неразделна част от новото разбиране на биологични явления, толкова разнообразни като фотосинтеза, магниторецепция, обоняние, ензимна катализа, дишане и невротрансмисия [25- 27].

4. Транспортни процеси

На фундаментално ниво динамиката в биологичните системи е свързана с преноса на енергия и заряд, последният от които включва електрони, протони и йони. Преносът на енергия на възбуждане и преносът на заряд при фотосинтезата са най-добре утвърдените области на квантовата биология, а по-нова област на изследване е изследването на ензимната катализа, която често разчита на свързването на електрони и протони за контролиране на транспортирането на множество заряди .

4.1. Фотосинтеза

Плодовит клас организми живее на енергия от слънчева светлина в продължение на повече от 3 милиарда години, използвайки процес, наречен фотосинтеза, за да преобразува енергията на слънчевата светлина във форми, полезни за тяхното оцеляване. Общата ефективност, с която фотосинтетичните организми преобразуват енергията на слънчевата светлина в биомаса при типични условия, е сравнително ниска (в най-добрия случай няколко процента [28,29]), тъй като нито цялата входяща слънчева светлина се абсорбира, нито цялата абсорбирана енергия се превръща в биомаса. Въпреки това, първичният етап на събиране на светлина на фотосинтезата протича с почти перфектна квантова ефективност. Това означава, че при оптимални условия (нисък интензитет на светлината и без напрежение) за почти всеки фотон, погълнат и пренесен от антените за събиране на светлина, един електрон се прехвърля в центъра на фотосинтезата.

Антените за събиране на светлина варират от квази-разредени самосглобени агрегати [30] до силно симетрични конфигурации на пигменти, свързани с протеинови скелета [31,32]. Комплексите за събиране на светлина, които съставляват общата антенна система, са свързани към реакционен център, който е единствената единица на фотосинтетичния апарат, способен да извършва трансмембранно разделяне на заряда [33].

Експериментите, извършени чрез изолиране както на комплексите за събиране на светлина, така и на реакционните центрове от естествените фотосинтетични системи, като същевременно имитират физиологичните условия на околната среда, хвърлиха много светлина върху in vivo функциониране на фотосинтетичната система за събиране на светлина. Добре установено е, че първичните фотосинтетични процеси на пренос на енергия и заряд показват съществени квантово-механични свойства, като делокализация, вълнови пакети, кохерентност и свръхлъчение, и че класическите модели не описват точно последващата динамика.

4.1.1. Пренос на енергия на възбуждане

Още през 1938 г. Franck & Teller [34] предложиха квантов кохерентен механизъм за пренос на енергия на възбуждане при фотосинтезата. Те разглеждат дифузията на екситон на Френкел, който е кохерентна суперпозиция на електронните възбуждания на отделните фотосинтетични пигменти (фигура 1). С навлизането на фемтосекундната преходна абсорбционна спектроскопия в началото на 90-те години на миналия век бяха открити дълготрайни вибрационни кохерентности, с продължителност от порядъка на пикосекунда, за бактериални и растителни комплекси за събиране на светлина [35–40]. През последните 14 години усъвършенствани ултрабързи техники, известни като двумерна електронна спектроскопия (2D-ES), са били използвани за наблюдение на разпадането на кохерентни суперпозиции на вибрационни състояния и вибронни (смесени екситонно-вибрационни) състояния в комплекси за събиране на светлина . Двуизмерните спектри разкриват наличието на кръстосани пикове [41], които се колебаят във времето [42]. Голям брой изследвания свързват кръстосаните пикове с връзки между екситонни състояния, докато техните осцилации се приписват на електронна квантова кохерентност, т.е. кохерентни суперпозиции между екситонни състояния [42]. Първото такова проучване, проведено върху комплекса Fenna-Matthews-Olson (FMO) от зелени серни бактерии и публикувано през 2007 г. от групата Fleming, разкри, че конкретните кохерентности продължават изненадващо дълго (660 fs) [3]. През 2009 г. бяха разкрити подобни осцилаторни сигнали за основния светлосъбиращ комплекс от висши растения (LHCII) и бяха интерпретирани като квантово-кохерентен пренос на енергия [43]. Тези първоначални резултати са получени при криогенни температури. Важно развитие беше откриването през 2010 г., независимо от групите Engel [44] и Scholes [45], на подобни кохерентни колебания при физиологични температури в FMO и комплексите за събиране на светлина съответно на два вида морски криптофитни водорасли.

Фигура 1. Схема, илюстрираща концепцията за пренос на енергия на възбуждане във фотосинтетични светлосъбиращи комплекси. Овалите изобразяват пигментни клъстери, в които възниква силно екситонно свързване, докато стрелките представляват некохерентно прехвърляне на енергията между клъстерите. Във всеки клъстер енергията се делокализира върху всички пигменти и се прехвърля последователно.

Като цяло, квантовата кохерентност при физиологични температури се наблюдава като крехка в сравнение с тази при криогенни температури, тъй като шумът в околната среда се увеличава с повишаване на температурата, което води до по-кратки времена на декохерентност. Следователно тези резултати са интересни както от гледна точка на квантовата обработка на информация, където основно предизвикателство е поддържането на квантовата съгласуваност в системите, които неизбежно взаимодействат с околната среда, така и от гледна точка на квантовата биология, която изследва дали фундаменталните аспекти на функционирането на живите системи могат да бъдат обяснени само квантово механично.

Вдъхновени от изненадващия феномен, интерпретиран като дълготрайна квантова кохерентност в топли, шумни, сложни и все пак забележително ефективни системи за пренос на енергия, бяха предложени много модели на подпомогнат от околната среда квантов транспорт. Целта е да се свърже феноменът на квантовата кохерентност в множество хромофорни места във фотосинтетични пигмент-протеини с изключителната ефективност на процеса на пренос на енергия на възбуждане, обикновено в рамките на приблизителни спин-бозонни модели на системата. Противно на интуицията, че шумът ще намали производителността на системата, беше установено, че взаимодействието с околната среда може да доведе до повишена транспортна ефективност [19,20]. Комплексите за събиране на светлина се състоят от редица пигменти с обикновено различни енергии на мястото. Ако тази разлика в енергията е по-голяма от връзката пигмент-пигмент, тогава преходите ще бъдат потиснати. Дефазирането на шума може да измести енергиите на обекта, като по този начин спомага за преодоляването на тези енергийни пропуски и подобрява транспорта между обектите без загуба на възбуждения от системата [46].

След много теоретични доказателства както за, така и против дълготрайна (до няколко пикосекунди) електронна кохерентност, съвсем скорошни 2D-ES проучвания върху комплекса FMO показаха недвусмислено, че тези дълготрайни кохерентности произлизат главно от вибрации на основното състояние, а не от екситон –екситонни суперпозиции [47,48]. Установено е, че квантовите биения, свързани с електронните кохерентности, имат малка амплитуда и разпадане само в рамките на 60–240 fs.Въпреки това, беше открито и експериментално потвърждение на вибронната кохерентност на възбудено състояние [48] и ролята му в преноса на енергия на възбуждане при фотосинтезата остава да бъде определена.

Тогава може да се запита дали ролята на квантовата кохерентност - екситони, както и вибронни кохерентности - при събирането на светлина е оптимизирана, или е просто следствие от близостта на пигментите в пигментно-протеиновите комплекси. Устойчивостта на екологично подпомагания транспорт по отношение на вариациите в системата или характеристиките на околната среда също е изследвана и резултатите показват, че тази устойчивост може да се използва при проектирането на високоефективни квантови транспортни системи [49,50]. Сближаването на времевите скали при фотосинтезата е предложено като пример за „ефекта на квантовата златокоса“: че естественият подбор има тенденция да задвижва квантовите системи до набор от параметри, където получената степен на квантова кохерентност е „точно“ за постигане на максимална ефективност и оптимален контрол [51].

Като цяло наблюдението на осцилаторната динамика не е достатъчно, за да изключи класическите описания на същото поведение, а квантовото моделиране на подпомогнатия от околната среда транспорт при фотосинтезата не е без противоречия. Въпреки това, по-нова работа [52] показа недвусмислено, че некласическите свойства на вибрационните движения на околната среда могат да подпомогнат преноса на енергия на възбуждане във фотосинтетичните LHC на субпикосекундна времева скала и при стайна температура. Тези идеи трябва да бъдат проверени експериментално, като се изследва дали мутационни варианти на фотосинтетичните LHC променят степента на квантова кохерентност, продължителността на живота на кохерентност и следователно също и ефективността на пренос на енергия.

4.1.2. Прехвърляне на такса

Разделянето на заряда при фотосинтезата е едно от най-ефективните явления в природата, с квантова ефективност, която се доближава до единство. Приносните процеси се случват в различни времеви скали, от субпикосекунди до милисекунди, и включват взаимодействието между разстройството и кохерентността, медиирано от вибронни състояния (смеси от вибрационни и екситонични състояния). Разделянето на заряда представлява много добър кандидат за разбиране на ролята на квантовата физика в биологията. Тъй като разделянето на заряда се случва на микросекундната времева скала, квантовите ефекти обикновено не са директно видими на такова макроскопско ниво. Въпреки това, механизмът за разделяне на заряда може да бъде представен от верига от различни процеси, като ранните стъпки са на свръхбързи времеви скали и включват само няколко молекули, а общата ефективност зависи от всяка една от стъпките.

През 1966 г. DeVault и Chance наблюдават температурна зависимост на преноса на електрони в пурпурни бактериални реакционни центрове, която не може да бъде обяснена от класическата физика [53]. Те предложиха поведението, за да покажат доказателства за квантово механично тунелиране [54] и положиха основата на концепцията за електронно и ядрено тунелиране в биологията [42]. Докато теорията на Маркъс за електронен трансфер пренебрегва ядрения тунел [2] и следователно може да подцени скоростта на електронен трансфер при ниски температури, полукласическата теория на Маркус може да бъде разширена до напълно квантово-механично третиране, базирано на теорията за нерадиационните преходи което включва ядрено тунелиране и което дава добра прогноза за нарастващата скорост на разделяне на заряда с понижаване на температурата. Ако се приеме, че разделянето на заряда е силно свързано с някакъв хармоничен вибрационен режим, тогава скоростта се дава от скоростта на Jortner. Това обаче се основава на предположението, че вибрационната релаксация се случва в много по-кратки времеви скали от преноса на електрон, което не е така за много бързи трансферни събития. Свръхбързите фотоиндуцирани реакции на електронен трансфер са толкова бързи, че по време на преноса на електрони от донора към акцептора не настъпва пълна вибрационна релаксация. Вибрационната релаксация обикновено се случва в пикосекундна или субпикосекундна времева скала, а реакциите на свръхбърз електронен трансфер протичат в същия мащаб [55].

Експериментите с 2D-ES върху реакционния център на фотосистема II на висшите растения разкриха дълготрайни осцилации на специфични кръстосани пикове, подобно на комплексите за събиране на светлина, и бяха интерпретирани като електронни кохерентности между екситони, както и между екситон и пренос на заряд състояния (фигура 2) [56]. Наблюдава се силна корелация между степента на кохерентност и ефективното и свръхбързо разделяне на заряда [56]. Експерименталните резултати бяха възпроизведени количествено от квантов кохерентен модел, включващ нови пътища за пренос на енергия, които не се появяват класически между множество вибронни състояния [56–58]. По-конкретно, симулациите показаха, че наблюдаваните осцилации с кръстосани пикове могат да се поддържат чрез специфични вибрационни режими, където режимите, подпомагащи резонансния трансфер, са основно присъщи на пигмента, докато пигментните екситонни преходи се настройват главно от протеиновото скеле, за да съответстват на енергията от тези режими. Следователно, докато нетривиалните квантови ефекти могат да изглеждат скрити на макроскопско ниво, те изглежда допринасят основно за биологичния механизъм на разделяне на заряда. Следователно прехвърлянето на заряд представлява много добър процес за разбиране на ролята на квантовата физика в биологията.

Фигура 2. Схема на квантово-кохерентно разделяне на заряда в реакционния център на Фотосистема II на висши растения по един от най-малко два съществуващи пътя, съгласно модела в [23]. Отляво са четири вълнови пакета на хармонични потенциали, всеки отговарящ на различно състояние по пътя за разделяне на заряда. За всяко състояние ключовите пигменти и приблизителното местоположение и знак на облаците на заряда са показани отдясно. Хоризонталните линии изобразяват пикове на абсорбция при определена дължина на вълната на съответното състояние, показано вдясно, докато вълнообразните стрелки изобразяват резонансно взаимодействие с посочения вибрационен режим. Символите δ и * представляват съответно характер на пренос на заряд и характер на екситона. Природата на четирите състояния е — високо екситонно състояние, — екситонно състояние с някакъв характер на прехвърляне на заряд, — състояние на прехвърляне на заряд, смесено със състояние на екситон, и — крайно разделено на заряда състояние. Имайте предвид, че междинно съединение между последните две състояния, включващо ChlD1, е пропуснато. Първите три стъпки включват кохерентна релаксация поради свързване с вибрационен режим, докато последната стъпка включва некохерентно прехвърляне. Символи: D1 и D2, два клона на структурата на симетричния реакционен център Chl, хлорофил P, първичен електронен донор/специална двойка Chl Phe, феофитин. Адаптирано от Ромеро et al. [23].

Следователно, експерименталните и теоретичните доказателства показват, че единичните вибрационни режими в статично неуреден пейзаж много вероятно подпомагат транспортирането както при събирането на светлина, така и при разделянето на заряда във фотосинтетичните организми, като пигментните екситонни преходи са настроени от протеиновото скеле, за да съответстват на енергията на вибрационния режим, подпомагащ резонансния трансфер [52,56]. Ядрено-електронното (вибронно) свързване е важен механизъм в индуцираната от светлина функция на молекулярните системи, като цяло и в специфично проектирана система. Показано е също, че резултатът от индуцирания от светлина трансфер на електрони е радикално променен от специфично за режима инфрачервено възбуждане на вибрации, които са свързани с пътя на пренос на електрони [59].

4.1.3. Спектроскопия на единична молекула

Експериментите с единична молекула представляват интересен и обещаващ подход за изследване на квантовите характеристики на фотосинтетичните комплекси. Резултатите от 2D-ES предполагат интимна роля на околната среда под формата на молекулярни вибрации върху квантовата кохерентна енергия и процеси на пренос на електрони. Тази среда се променя от сложна към сложна, както и в относително бавни времеви скали (милисекунди до минути), както се предполага от отделните, вариращи във времето пътища на пренос на енергия, докладвани в проучвания върху единични комплекси за събиране на светлина [11,60–62]. Благодарение на тази хетерогенност, обикновено наричана „статично разстройство“, която произлиза от относително бавни протеинови конформационни динамични флуктуации, затихването на трептенията на спектралните характеристики е силно повлияно от усредняването на ансамбъла. Чрез избягване на усредняването на ансамбли в експерименти с една молекула, квантовите кохерентности могат да бъдат мащабирани до микроскопичния домен, което може да хвърли повече светлина върху физиологичното значение на този квантов феномен.

Статичното разстройство също влияе силно върху съдбата на възбуждане в комплекс за събиране на светлина, като променя вероятността възбуждането да бъде уловено в енергиен поглъщател [63,64] или от пигментни клъстери, които не са съседни на други комплекси във фотосистемата [65 ]. Подробно разбиране на финия контрол на фотодинамиката чрез външни влияния върху комплекса за събиране на светлина, като тези, които възникват по време на нефотохимично гасене, важен регулаторен механизъм за разсейване на излишната енергия при фотосинтезата, все още липсва. Ролята на подпомогнатия от вибрации пренос на енергия и вземане на проби от пътищата за пренос на енергия може да бъде изяснена чрез експерименти за кохерентен контрол на една молекула.

Наскоро, въз основа на поредица от експериментални наблюдения на ефектите на магнитното поле във фотосинтетичния реакционен център, беше предложена пряката роля на квантово-механичното свойство на спина в квантов защитен механизъм при фотосинтезата [66]. Разбирането на регулаторните и защитни механизми при фотосинтезата, както и разделянето и контрола на тези процеси във времеви мащаби до фемтосекунди, има силно приложение при изследване на неуспех на реколтата при стрес от засушаване или условия на силно слънчево облъчване, както и в развитието на биоинспирирани слънчеви клетки от следващо поколение.

Допълнителен начин за достъп до информация за чисто квантово-механични характеристики в отделните молекули е да се търсят различни квантово-механични пръстови отпечатъци, като например некласически суб-поасонови статистики в корелационни функции от по-висок порядък или статистиката на някои наблюдавани нарушения на Бел или Коши – неравенство на Шварц. Показано е, че некласичността на първоначално термализираните вибрации е предизвикана чрез кохерентни взаимодействия екситон-вибрация и недвусмислено посочена от негативности във фазовото пространство на квази-вероятното разпределение на ефективния колективен режим, съчетан с електронната динамика, дори с некохерентно въвеждане на възбуждане. Тези резултати предполагат, че изследването на некласическите свойства на вибрационните движения, подпомагащи възбуждането и транспортирането на заряд, фоторецепцията и процесите на химическо усещане, може да бъде пробен камък за разкриване на ролята на нетривиалните квантови явления в биологията [52,67]. Въпреки това, извършването на такива изследвания на ниво единична молекула е голямо предизвикателство поради изискванията както за свръхбърза (фемтосекунда до наносекунда) времева разделителна способност, така и за високи скорости на броене на фотони.

4.1.4. Изкуствена фотосинтеза

Твърдение от областта на квантовата биология е, че разработването на подробно разбиране на фотосинтезата в микроскопичен мащаб, особено на нейните първични етапи, ще ни позволи да проектираме биологично вдъхновени изкуствени фотосинтетични системи, използващи ефективно енергията на слънчевата светлина, използвайки богати на Земята елементи като въглерод. , кислород, азот и др. Вече има значителни разработки около проектирането на такива системи (напр. [68–73]). Молекулярният подход към изкуствената фотосинтеза е един от многото претенденти за преобразуване на слънчевата енергия в биогориво. Тук се изследва естествената фотосинтеза, за да се извлекат принципите на проектиране и след това да се опитат да разработят по-добри фотосистеми, базирани на тези принципи. Основно ограничение на текущите системи е съхранението, както и нестабилността на техните катализатори, причинена от прекомерно натрупване на заряд. Противобалансирането на разделянето на заряда е от съществено значение, напр. чрез свързано протонно движение [74].

Важен принцип в квантовото биологично вдъхновено проектиране е наличието на екситони: те са отговорни за по-ефективното поглъщане на светлината, по-бързото преливане на енергия (т.е. по-бързото разпадане по енергийния градиент), по-бързото пренасяне на енергия и по-ефективното (необратимо) улавяне на възбужденията от реакционен център [75]. Освен това, тяхното квантово поведение е очевидно чрез вълнообразната им интерференция на различни пътища и начина, по който вибрационните режими на протеиновата среда взаимодействат с пигментите (добавяне към делокализацията и извличане или абсорбиране на вибрационна енергия), за да се улесни преносът на енергия в комплекс.

Изследванията на преноса на първичен заряд в прототипен изкуствен реакционен център разкриха корелирано вълнообразно движение на електрони и ядра във времева скала от няколко десетки фемтосекунди като задвижващ механизъм на цикъла на генериране на фотоиндуциран ток [76]. Важно е да се включи оборотът в оценката на такива системи, а не само ефективността. Необходими са устойчиви, стабилни системи за добър оборот, който може би може да бъде постигнат чрез някакъв вид защитно полимерно обвиване около пигментите [77]. Например, са изследвани стратегии за създаване на изкуствени вградени в мембрана протеини, включващи трансмембранни BChl-свързващи протеинови макети [78].

Предизвикателствата пред изследването на екситонния транспорт при фотосинтезата, включително неупорядената природа на пигментните мрежи, колебанията на нивата на екситонна енергия в подобни времеви скали и съчетани с динамиката на екситоните, също възникват в други, небиологични условия. Конкретен пример, в който прозренията и идеите, които първоначално възникнаха в квантовата биология, се оказват полезни, са последните изследвания на органичните фотоволтаици (PV). Това са слънчеви клетки, направени от комбинация от два различни изкуствени молекулярни полупроводника. Електрон донорният полупроводник обикновено е полимер, докато акцепторът обикновено е метиловият естер на фулерен [6,6]-фенил-С61-маслена киселина. Вътре в устройството се генерират силно свързани Френкелови екситони, които след това дифундират, докато достигнат до интерфейс между донорните и акцепторните области. Донорът и акцепторът имат различни химически потенциали и това осигурява движеща сила за дисоцииране на екситоните на интерфейса в свободни заряди, които след това могат да дифундират към противоположните електроди. Въпреки това, тъй като кулоновското взаимодействие е дългосрочно и органичните материали имат ниски диелектрични константи, електронът и дупката изпитват енергия на свързване 10 пъти по-дълбока от кБT при стайна температура, дори след като се дисоциират върху различни молекули от двете страни на интерфейса. По-голямата част от устройствата следователно извличат много по-малко заряди от електродите, отколкото се генерират от входящата светлина, което води до ниска ефективност на преобразуване на мощност.

И все пак през последните години се появи малък брой високоефективни устройства и се съобщава за почти 100% ефективност на извличане на заряд [79,80]. Извършена е голяма работа за идентифициране на произхода на ефективното разделяне на зарядите на дълги разстояния в това подмножество. Експерименталната работа показа, че органичните фотоволтаици и фотосинтезата споделят някои поразителни съвпадения. Първоначално се смяташе, че разделянето на заряда в интерфейсите донор-акцептор ще се случи на времеви скали от пикосекундни до наносекундни, което може да бъде описано чрез класически скокове на заряд, задвижвани от термични флуктуации. Редица експерименти са забелязали, че значителна част от свободните заряди се генерират в рамките само на 100 фемтосекунди от достигането на екситон до интерфейс, точно както се наблюдават фемтосекундните кохерентности и динамика по време на фотосинтетичен екситонен транспорт. Транспортирането в такива времеви скали е невъзможно да се обясни в рамките на класическите модели на „скачащи“ на Маркус и кохерентният трансфер трябва изрично да бъде включен [81,82].

Разбирането на тези наблюдения изисква подробно моделиране на транспортирането на заряд близо до интерфейса донор-акцептор. От решаващо значение е, че зарядите, движещи се в органични полупроводници, изпитват и трите ключови свойства на пигментно-протеиновите комплекси, изброени по-горе: високо разстройство, молекулярни флуктуации и реорганизация. Следователно може би не е изненадващо, че се появяват подобни явления. Теориите за екситонния транспорт при фотосинтезата обикновено включват взаимодействието на частично делокализирани състояния и транспорт, подпомаган от шума, описвайки как транспортът през мрежа може да бъде подобрен, ако екситонът или зарядът са свързани умерено силно с молекулярните вибрационни режими. Все повече е консенсусното мнение, че частично делокализирани състояния възникват и в ефективни органични фотоволтаични системи и също така се твърди, че процесът на разделяне на заряда е активиран от шум в агрегираните области на акцепторния полупроводник. Редица теоретични групи, работещи върху органичните фотоволтаици, сега прилагат подход на отворени квантови системи, използвайки методи, силно повлияни от ранните изследвания на фотосинтетичните комплекси за събиране на светлина [83–86].

Потенциалът на квантовата биология да допринесе за разработването на устойчиви енергийни технологии често се твърди като мотивация за областта и по-специално за разбиране на квантово-кохерентния пренос на енергия на възбуждане във фотосинтетичните системи. Преминаването от тази обща претенция към практически енергийни системи обаче изисква по-конкретни предложения за инженерен пренос на квантова енергия в екологично устойчиви и икономически мащабируеми системи. Точно както основен въпрос в самата квантова биология задава въпроса как наномащабните явления могат съществено да повлияят на макроскопското поведение в организма, потенциалът за използване на квантово-биологични явления в конструираните макроскопични енергийни системи зависи от това дали такива явления могат значително да повлияят на работата на системния мащаб в условията на околната среда и икономически ограничения. Развитието на съществуващи технологии за възобновяема енергия, като фотоволтаични устройства, базирани на силиций, научи, че чисто физическите критерии за ефективност, като ефективността на преобразуването на енергия, често са по-малко важни от технико-икономическите мерки за ефективност като анализ на жизнения цикъл. Съществуващите изключително ефективни фотоволтаични клетки са твърде скъпи за повечето практически приложения и в някои случаи изискват елементи с толкова ниско съдържание, че не биха били глобално мащабируеми, дори ако са достъпни. Преодоляването на тези ограничения е основна грижа в последните PV изследвания, например чрез разработването на органични PV материали.

Други съображения от глобален мащаб са важни при оценката на потенциала на квантовата биология в устойчивото енергийно развитие. В световен мащаб по-малко от 20% от енергията се консумира като електричество, почти всички от останалите 80% се консумират като гориво при крайното потребление. Въпреки че делът на енергията, консумирана като електроенергия, непрекъснато нараства, горивото вероятно ще остане доминиращо във времевия период на повратните точки в антропогенното изменение на климата и изчерпването на изкопаемите горива. Следователно има спешно търсене на технологии за възобновяеми горива, като например проектирани и/или изкуствени фотосинтетични системи, а не просто по-ефективни фотоволтаични клетки за производство на електроенергия.Разработването на фотосинтетични енергийни системи изисква интегриран системен подход, като компонентите за събиране на светлина са само част от сложна (био)физико-химична система, която в идеалния случай трябва да бъде оптимизирана за производителност в мащаб на системата. Значението на квантово-динамичните ефекти при събирането на светлина в такава система може да бъде справедливо оценено само чрез балансиране на редукционистичните анализи на подсистемите срещу холистичен анализ на цялата система. Такива съображения могат да помогнат да се съсредоточат усилията на изследователите на квантовата биология, чиято основна мотивация е устойчивото енергийно развитие. Ключовият урок е, че интегрираният системен подход е от съществено значение, за да се свържат целите на глобалния системен мащаб с инженерните параметри в целия спектър от мащаби в енергийната система, включително в наномащаба, където квантово-динамичните явления играят важна роля.

4.2. Ензимна катализа

Ензимите са от съществено значение за клетъчната функция чрез тяхната катализа на биохимични реакции, които в противен случай могат да имат много ниски скорости на реакция. Разбирането на физическия механизъм на ускорението на скоростта е трудна тема за изследване. Теорията на преходните състояния е използвана като основа на обясненията на ензимната катализа, но последните теоретични и експериментални разработки подчертават потенциалните роли на квантово-механичното тунелиране в ензимно-катализирания множествен трансфер на водород и има фокус върху изобразяването на преноса на водород в рамките на квантово-механичен формализъм [87]. Показано е, че стандартните модели за описване на квантовото тунелиране обясняват експериментални данни за ензими, стига да се отчете фактът, че ензимите имат много възможни различни структури [88]. Интересни и актуални въпроси включват дали локалните вибрационни движения на протеина биха могли да осигурят на ензима каталитично предимство чрез свързване с реакционната координата и дали определени динамични движения на протеина биха могли да бъдат избрани, за да подпомогнат катализата.

Ензимите често разчитат на свързването на електрони и протони, за да контролират транспортирането на заряд и катализата [87]. При съхранението на биологична енергия значението на протонната транслокация, задвижвана от електронен трансфер, е отбелязано за първи път през 1961 г. [89] и оттогава е доказано, че механизмите за пренос на електрон, свързани с протон [90], са в основата на генерирането и транспорта на аминокиселинни радикали [91] заедно с активирането на повечето субстратни връзки в ензимно-активни места [92].

5. Усещане

Живите системи непрекъснато актуализират вътрешните си процеси въз основа на информация, получена от тяхното усещане за околната среда. Малките промени в околната среда могат да наложат макроскопски промени във функционирането на организма. Има предложения, че няколко биологични сензорни механизма са толкова чувствителни, че да откриват промени в околната среда на квантово ниво. Тези предложения са описани в подразделите по-долу.

5.1. Магниторецепция

Квантовата теория на миграцията на птиците не е нова. В четвъртото си десетилетие, откакто Шултен го предложи за първи път [93], механизмът на радикалната двойка е добре установен както в експерименталните, така и в теоретичните изследвания на магниторецепцията при птиците и е един от основните алтернативни (на фотосинтезата) примери, използвани като доказателство за областта на квантовата биология . Механизмът може да бъде описан в три стъпки (фигура 3). След първоначална стъпка, при която фотовъзбуждането причинява електронен трансфер и образуване на двойка, радикалната двойка осцилира между синглетни и триплетни спинови състояния преди последната стъпка на рекомбинация и невронна интерпретация. Това е синглет-триплетното смесване, което изпитва влиянието на магнитното поле на Земята и предлага някакъв начин за обяснение на поведенчески наблюдения, като например зависимостта от светлина [94], аспекта на наклона [95] и резонансните ефекти на птичия компас [96 ,97].

Фигура 3. Трите стъпки на механизма на радикалната двойка. В първата стъпка, фотон, падащ върху донорната молекула, кара един от електроните на двойката да бъде дарен на акцептора, за да създаде пространствено разделената, но спин-корелирана радикална двойка. Във втората стъпка радикалната двойка осцилира между синглетни и триплетни състояния под влиянието на Zeeman и свръхфините ефекти. Третата стъпка се състои от спин-зависима рекомбинация в химическия продукт.

Теорията на радикалните двойки доведе до множество статии за съгласуваност и заплитане на компаса и предлага убедителен аргумент за поведението на компаса (вижте [98] и препратките в него за преглед на темата). Въпреки това, остава известно съмнение дали механизмът на компаса е наистина квантов феномен или може да бъде описан с помощта на полукласическа рамка. В отговор на това се предполага, че невероятната точност на компаса е резултат от избегнато пресичане на нивата на спиновата енергия на радикалите, образувани в криптохромите, процес, който е наистина квантовомеханичен [99].

Постигнат е и напредък в разрешаването на структурата на механизма. Криптохромът, биологичната молекула, предложена като място на магниторецепция, е жизнеспособна по различни причини. Има доказателства, че при растенията слабите магнитни полета засилват криптохромните реакции [100]. Това, че криптохромите могат да медиират магнитни реакции при животните, също е документирано за случая с плодови мухи [101,102]. Изглежда логична следваща стъпка към по-сложните живи същества, особено след като четири различни вида криптохром са потвърдени в очите на мигриращите птици [103] и криптохромите от мигриращия градински пеперуда образуват радикали с милисекунди живот под влиянието на синия спектър диапазон [104]. Съвсем наскоро две проучвания предложиха убедителни доказателства за един от тези четири криптохрома, Cry4, играещ роля в компаса на птиците. Cry4 се изразява на постоянно ниво, а не на цикличен модел, това постоянство е необходимо за ефективна навигация [105]. Локализацията на Cry4 с двоен конус, както и фактът, че той се регулира нагоре по време на периодите на миграция на мигриращи птици, но не и при пилета, е допълнително потвърждение, че молекулата е жизнеспособна като магниторецептор [106].

Бъдещето на миграцията на птиците като тема за квантовата биология тогава ще разчита на по-подробно разбиране на динамиката на въртене на криптохрома в магнитно поле със сила на Земята и как това може да обясни някои поведенчески въпроси, които са били поставени, един от които е как за съгласуване на различни наблюдения на дезориентиращите ефекти на приложените осцилиращи радиочестотни полета. Криптохромът, наред с други неща, е отговорен за регулирането на циркадните ритми и много наподобява ензима за възстановяване на ДНК фотолиаза [107,108]. По-доброто разбиране на взаимодействието на криптохрома с магнитното поле на Земята може да доведе до по-нататъшно вникване в други биологични процеси в по-сложни организми, които могат да проявят квантови ефекти.

5.2. Обоняние

Обонянието е системата, чрез която живите организми „надушват“ хиляди различни молекули. Как само няколкостотин различни вида рецептори, които се свързват с миризмите при хората, и няколко десетки при плодовите мухи, водят до такава удивително чувствителна система за молекулярно разпознаване, остава загадка. Една интригуваща теория, предложена за първи път през 1928 г. [109], е, че нашето обоняние разчита на квантово-механичния вибрационен режим на молекулата на ароматизатора. През 1996 г. теорията беше възобновена чрез предложението, че свързаните с протеини рецептори измерват молекулярните вибрации, използвайки нееластично тунелиране на електрони, вместо да реагират на молекулярни ключове, отговарящи на молекулярните ключалки, работещи само по форма [110]. Според тази теория, един електрон ще тунелира от донор до акцепторно място само когато енергийната разлика между тези места се съчетае с вибрационната енергия на миризмата. Тази вибрационна теория на обонянието напомня фононно подпомагания транспорт на екситони при фотосинтезата, илюстрирайки основната роля на квантизираните вибрации в квантовата биология.

В подкрепа на теорията експериментите с плодови мухи показват, че формата и размерът на миризмите са недостатъчни за откриване. Например, заместването с деутерий на водорода води до промяна на миризмата, въпреки факта, че двете молекули имат една и съща форма (фигура 4) [111]. Освен това се наблюдава, че молекули с подобни вибрационни честоти предизвикват подобни реакции от плодови мухи, въпреки че не са свързани химически [111]. Физическата жизнеспособност и ефективността на предложения механизъм с помощта на прост, но общ теоретичен модел беше показана през 2007 г. [112]. Следващата стъпка е да се проектират биологично вдъхновени молекулярни сензорни устройства за стайна температура.

Фигура 4. Схема, илюстрираща възможната роля на квантовите ефекти в обонянието. Когато по-рано се предполагаше, че обонянието зависи от формата и размера на ароматизаторите, отговарящи на специфичен рецептор, експериментите с плодови мухи показват, че заместването на водород с деутерий води до промяна на миризмата, въпреки че имат същата форма. Това предполага, че вибрационната честота може да играе роля при откриването на миризми [111].

5.3. Познание

Въпросът дали квантовата физика може да играе роля в решаването на все още нерешения проблем тяло-ум за това как физиономията на мозъка отчита съзнателното мислене в никакъв случай не е нов. Майкъл Локууд Ум, тяло и квант от 1989 г. [113] или Хенри Стап от 2009 г Внимателна вселена [114] са примери за редица монографии с философска или научнопопулярна гледна точка по проблема. Голямо внимание, както и критики, бяха отправени и към идеите на Роджър Пенроуз и Стюарт Хамероф, които предложиха части от цитоскелета в невронните клетки, а именно микротубулите, да извършват квантово изчисление въз основа на това, което те наричат ​​„организирана обективна редукция “, механизъм, извлечен от теорията на Пенроуз за „квантовата гравитация” [115]. Друг клон на науката засяга въпроса за „квантовия мозък“ от по-прагматичен ъгъл: изследванията на квантовата невронна мрежа се опитват да използват квантовите изчисления, за да подобрят моделите на изкуствени невронни мрежи, широко използвани в машинното обучение. Тези модели на изкуствени невронни мрежи са исторически извлечени от динамиката на биологичните невронни мрежи [116,117] и по този начин са близки до въпроса за съвместимостта на квантовата динамика и невронните изчисления. Въпреки това, решаващ момент е направен от Макс Тегмарк [118], който оценява времевите скали на декохерентност за йони, участващи в разпространението на потенциалите на действие, да бъдат с 10 до 20 порядъка по-малки от съответните времеви скали на невронната динамика. С други думи, квантовата кохерентност на йоните, участващи в невронната динамика, ще бъде унищожена много преди да може да бъде повлияна макроскопската динамика. Потенциална теория на квантовите ефекти в биологичните невронни мрежи би трябвало да покаже как макроскопската динамика на биологичните невронни мрежи може да се появи от кохерентна динамика в много по-малък мащаб. Обещаващо изследване в тази посока е направено от Матю Фишър, който предполага, че фосфорът може да действа като невронен кубит, позволяващ квантовата обработка да се извършва в мозъка, и че тази квантовост е защитена от така наречените молекули на Познер, които свързват фосфатните йони с калция. йони. След това заплетените молекули на Познер задействат нелокални квантови корелации на скоростта на изстрелване на неврони [119].

Изучаването на анестетиците води до експериментални пътища за изучаване на съзнанието. Засега всичко, което можем да кажем за съзнанието, е, че то е „разтворимо в хлороформ“ [120], а също и в набор от молекули, много различни една от друга. В неотдавнашна статия за изследване на съзнанието [121] Турин и неговите колеги откриха, че редица общи анестетици обратимо увеличават съдържанието на въртене на електрони в дрозофила, ефект, отсъстващ при устойчиви на анестезия мутантни мухи. Те предлагат общите анестетици да променят структурата на най-високо заета молекулярна орбитала на определени молекули, улеснявайки транспорта на електрони между донор и акцептор, което поставя мозъка в безсъзнателно състояние. Ако това се окаже вярно, промените в структурата на молекула, изчислени от теорията на функционалността на плътността, инструмент от квантовата теория, биха имали въздействие в макроскопски мащаб. Освен това измерванията на въртенето на електроните са били от решаващо значение за наблюдение на ефектите. Особено в по-широка дефиниция на квантовата биология такива открития са много обнадеждаващи и показват потенциалния принос, който дисциплината може да направи.

6. Произход на живота

Идентифицирането на квантовите ефекти в примитивни организми като бактерии е довело до успешното прилагане на модели на отворени квантови системи към процесите на пренос на енергия и заряд във фотосинтетичните системи, както и предполага, че квантовите ефекти може да са изиграли важна роля в появата на първите живи системи от неодушевената материя, от която са съставени.

Откриването на молекулярните предшественици на живота в междузвездните ледове предполага, че градивните елементи на живота вероятно са се появили в космоса и са били доставени на Земята от обекти като комети или метеорити. Въпреки това, стандартната изчислителна квантова химия не може да обясни разнообразието и богатството на химията, която се среща в междузвездната среда. Например, олигомерите на циановодород (HCN) може да са играли значителна роля в синтеза на широк спектър от пребиотични молекули [122–126], а наскоро бяха открити димерни форми на HCN (цианометанимин) [127] в междузвездните среден. Установено е обаче, че междузвездните пътища за производство на газова фаза не са в състояние да произвеждат значителни количества HCN [128,129], въпреки откриването му.

Теоретичното изследване на спонтанното генериране на пребиотични молекули в междузвездната среда се извършва най-фундаментално в рамките на отворени квантови системи. Нискотемпературна междузвездна ледена среда, силно свързана с проста молекулярна система като HCN и възбудена от падащо UV лъчение, може да бъде изследвана с помощта на подходящи добре известни приближения от областта на квантовата биология.

Много по-труден въпрос е как първите живи системи може да са се появили от тези пребиотични молекули, ако изобщо са се появили. Въпреки забележителната работа в жизнеспособния дизайн на ДНК [130], ние все още не сме успели да синтезираме дори малък функционален пептид от основни компоненти и все още сме далеч от разбирането какво точно отличава колекция от молекули от колекцията от молекули, които правят на жива система и каква роля може да са изиграли квантовите ефекти в произхода на живота.

7. Квантова биология и сложност

Сложността може да се определи като несвиваемостта на описанието на система. Ако няма базов набор, който опростява проблема, системата е сложна. Квантовите характеристики, видими в макроскопичните биосистеми, трябва да преживеят преход към висока спектрална плътност. Хаотичните флуктуации в спектъра съдържат информация за универсални характеристики на динамиката на системата. Нововъзникващата област на квантовата биология се занимава с взаимодействията между динамични явления на добре разделени дължина и времеви скали, от фемтосекундни процеси на пренос на енергия в молекулярни сглобки на наномащаб до оцеляване и възпроизвеждане в рамките на екосистемите в мащабите на цялостните организми.

Важно е да се отбележи, че природата не може да избира срещу квантово-механичната природа на химията. Например, не е възможно да се проектира растение с комплекс за събиране на светлина, който се състои от съединения, които не се поддават на квантово механично описание. Биологията описва системи, които са еволюционно подбрани за мащабите на цели организми. Резултатите от селекцията се медиират чрез генетични процеси, които могат да засегнат биологични подсистеми само до определен мащаб, а физическите детайли на това, което се случва под тази скала, са имунизирани срещу биологичния подбор. Тогава квантовата биология се занимава с това дали квантово-динамичните процеси, които могат да бъдат избрани за - например в мащабите на протеините - могат да повлияят на макроскопската динамика на организма. Тоест, ако квантовото поведение в наномащаба трябва да предаде селективно предимство, то трябва да бъде избираемо и този подбор се извършва в мащаба на целия организъм. Следователно можем да твърдим, че интерес представляват само подсистеми, които могат да съществуват в квантови и класически варианти, тъй като едната или другата могат да бъдат избрани чрез еволюция. Това омаловажава твърдението, че цялата биология е квантова биология, защото зависи от химията и цялата химия е квантова в атомни и молекулярни мащаби, следователно е невъзможно еволюцията да избере нещо различно от квантовите подсистеми тук. Точно какъв диапазон от дължина и времеви скали могат да бъдат обитавани от подсистеми, представляващи интерес за квантовата биология (защото те биха могли да съществуват в квантови и класически варианти) е открит въпрос. Въпросът за мащабирането ще се окаже важен за по-нататъшния напредък на квантовата биология [131].

8. Обсъждане и заключение

Първата книга по квантова биология е озаглавена Физика на мистерията на органичните молекули от Паскуал Джордан [132]. От публикуването му през 1932 г. обаче остават много загадки за естеството на живота. Ясно е, че грубо-зърнестите класически модели не успяват да дадат точна картина на редица процеси, протичащи в живите системи. Въпросът на продължаващия дебат е степента, до която квантовите ефекти играят нетривиална роля в такива биологични процеси.

Полезен път към отговора на този въпрос е чрез проектиране на биологично вдъхновени квантови технологии, които могат да превъзхождат класическите устройства, предназначени за същата цел, например за използване на енергия или наблюдение на околната среда. Ако квантовите ефекти в макроскопичен мащаб играят роля за по-добрата работа в определени процеси, усъвършенствани в продължение на милиарди години при физиологични температури и в изключително сложни системи, тогава в биологичния свят съществува изобилие от информация, от която да се черпи вдъхновение за наши собствени технологии.

В тази посока прототип на квантов топлинен двигател, който ясно илюстрира принципа на квантовото проектиране, при който кохерентният обмен на единични енергийни кванти между електронни и вибрационни степени на свобода може да повиши мощността на системата за събиране на светлина над това, което е възможно само чрез термични механизми, беше предложено. Неговото квантово предимство при използване на термодинамични мерки за ефективност е количествено определено и е демонстрирана приложимостта на принципа за реалистични биологични структури [133].

Квантовата биология изследва биологичната функция и регулирането на тази функция, която е свързана със статичното разстройство. Спектроскопията с единична молекула ни дава уникална, мощна леща за ролята на статичното разстройство, която свързва биологичната функция (т.е. проектирана върху макроскопски/организъм) с квантово-механичните явления. Квантовата биология също се занимава с взаимодействията между динамични явления на добре разделени дължина и времеви скали, от фемтосекундни процеси на пренос на енергия в молекулярни сглобки в наномащаб до оцеляване и размножаване в рамките на екосистемите в мащабите на цялостните организми.

Докато квантовата биология трябва да демонстрира през следващите няколко десетилетия до каква степен биоинспирираните квантови устройства могат да превъзхождат класическите аналози, по-дълбокият въпрос е как квантово-динамичните явления в наномащаба могат да осигурят селективно предимство на целия организъм. Разглеждането на този въпрос стриктно изисква отчет за това как макромащабните физически наблюдаеми, значими за физическата годност, могат да зависят предсказуемо от наномащабни квантови динамични променливи. Реципрочно, ние също трябва да отчетем как квантовите подсистеми на наномащаба могат да зависят от макроразмерната динамика на организмите чрез еволюция. Напредъкът по този въпрос може да бъде подпомогнат от теоретична рамка, която позволява моделите в мащаб на организма да бъдат параметризирани чрез наномащабни модели. Това може да бъде осигурено от инструментите за многомащабен анализ в областта на теорията на сложните системи. Можем също да си представим експерименти, в които организмите от див тип, за които е известно, че проявяват дълготрайни квантово-кохерентни процеси в наномащаба, се конкурират с генетично модифицирани организми, в които е известно, че такива процеси липсват. Подобен експеримент – подобен на тези, които се правят редовно от биолози – може да предложи ясна представа за това дали квантово-биологичните явления могат да осигурят селективно предимство на организмите, както и да добави достоверност към квантовата биология като област на биологията.


Програма за обучение за 2-ри етап от по-нисък ключ

Работейки научно

През 3 и 4 години учениците трябва да бъдат обучени да използват следните практически научни методи, процеси и умения чрез преподаването на учебното съдържание на програмата:

  • задаване на подходящи въпроси и използване на различни видове научни изследвания, за да се отговори на тях
  • създаване на прости практически справки, сравнителни и справедливи тестове
  • извършване на систематични и внимателни наблюдения и, когато е уместно, извършване на точни измервания с помощта на стандартни единици, като се използва набор от оборудване, включително термометри и регистратори на данни
  • събиране, записване, класифициране и представяне на данни по различни начини, за да помогне при отговорите на въпроси
  • записване на констатации с помощта на прост научен език, чертежи, обозначени диаграми, ключове, стълбови диаграми и таблици
  • докладване на констатации от запитвания, включително устни и писмени обяснения, показвания или представяне на резултати и заключения
  • използване на резултатите, за да направи прости заключения, да направи прогнози за нови стойности, да предложи подобрения и да повдигне допълнителни въпроси
  • идентифициране на различия, прилики или промени, свързани с прости научни идеи и процеси
  • използване на ясни научни доказателства, за да отговори на въпроси или да подкрепи своите открития.

Бележки и насоки (незадължителни)

Учениците от 3 и 4 години трябва да получат набор от научен опит, за да им се даде възможност да повдигнат собствените си въпроси за света около тях. Те трябва да започнат да вземат свои собствени решения относно най-подходящия вид научно изследване, което биха могли да използват, за да отговорят на въпроси, да разпознават кога е необходим прост справедлив тест и да помогнат да решат как да го настроят, да говорят за критерии за групиране, сортиране, класифициране и използване прости ключове. Те трябва да започнат да търсят естествено срещащи се модели и взаимоотношения и да решат какви данни да събират, за да ги идентифицират. Те трябва да помогнат при вземането на решения за това какви наблюдения да се правят, колко време да се правят и вида на простото оборудване, което може да се използва. Те трябва да се научат как да използват по подходящ начин ново оборудване, като регистратори на данни. Те трябва да събират данни от собствените си наблюдения и измервания, като използват бележки, прости таблици и стандартни единици и да помагат при вземането на решения за това как да записват и анализират тези данни.

С помощта на учениците трябва да търсят промени, модели, прилики и разлики в своите данни, за да направят прости заключения и да отговорят на въпроси. С подкрепата те трябва да идентифицират нови въпроси, произтичащи от данните, да правят прогнози за нови стойности в рамките на или извън събраните от тях данни и да намерят начини за подобряване на това, което вече са направили. Те също така трябва да разберат кога и как вторичните източници могат да им помогнат да отговорят на въпроси, на които не може да се отговори чрез практически изследвания.

Учениците трябва да използват подходящ научен език, за да обсъждат своите идеи и да съобщават своите констатации по начини, подходящи за различни аудитории.

Тези възможности за научна работа трябва да се предоставят през години 3 и 4, така че очакванията в учебната програма да могат да бъдат изпълнени до края на година 4. Не се очаква учениците да покриват всеки аспект за всяка област на обучение.


1.1 Теми и концепции на биологията

Биологията е науката, която изучава живота. Какво всъщност е животът? Това може да звучи като глупав въпрос с очевиден отговор, но не е лесно да се определи живота. Например, клон на биологията, наречен вирусология, изучава вируси, които проявяват някои от характеристиките на живите същества, но липсват други. Оказва се, че въпреки че вирусите могат да атакуват живи организми, да причиняват заболявания и дори да се възпроизвеждат, те не отговарят на критериите, които биолозите използват, за да определят живота.

От най-ранното си начало биологията се бори с четири въпроса: Кои са общите свойства, които правят нещо „живо“? Как функционират тези различни живи същества? Когато сме изправени пред забележителното разнообразие на живота, как да организираме различните видове организми, за да можем да ги разберем по-добре? И накрая – което биолозите в крайна сметка се стремят да разберат – как е възникнало това разнообразие и как продължава? Тъй като всеки ден се откриват нови организми, биолозите продължават да търсят отговори на тези и други въпроси.

Свойства на живота

Всички групи живи организми споделят няколко ключови характеристики или функции: ред, чувствителност или реакция към стимули, размножаване, адаптация, растеж и развитие, регулиране/хомеостаза и енергийна обработка. Когато се разглеждат заедно, тези осем характеристики служат за определяне на живота.

Поръчка

Организмите са силно организирани структури, които се състоят от една или повече клетки. Дори много простите едноклетъчни организми са забележително сложни. Вътре във всяка клетка атомите изграждат молекули. Те от своя страна изграждат клетъчни компоненти или органели. Многоклетъчните организми, които могат да се състоят от милиони отделни клетки, имат предимство пред едноклетъчните организми, тъй като техните клетки могат да бъдат специализирани да изпълняват специфични функции и дори да бъдат жертвани в определени ситуации за доброто на организма като цяло. Как тези специализирани клетки се събират, за да образуват органи като сърцето, белите дробове или кожата в организми като жабата, показана на фигура 1.2, ще бъде обсъдено по-късно.

Чувствителност или реакция към стимули

Организмите реагират на различни стимули. Например растенията могат да се навеждат към източник на светлина или да реагират на докосване (Фигура 1.3). Дори малки бактерии могат да се придвижват към или далеч от химикали (процес, наречен хемотаксис) или светлина (фототаксис). Движението към стимул се счита за положителен отговор, докато отдалечаването от стимул се счита за отрицателен отговор.

Концепции в действие

Гледайте това видео, за да видите как чувствителното растение реагира на докосване.

Възпроизвеждане

Едноклетъчните организми се възпроизвеждат, като първо дублират своята ДНК, която е генетичният материал, и след това я разделят по равно, докато клетката се подготвя да се раздели, за да образува две нови клетки. Много многоклетъчни организми (тези, съставени от повече от една клетка) произвеждат специализирани репродуктивни клетки, които ще образуват нови индивиди. Когато възникне репродукция, гените, съдържащи ДНК, се предават на потомството на организма. Тези гени са причината потомството да принадлежи към същия вид и да има характеристики, подобни на родителя, като цвят на козината и кръвна група.

Адаптиране

Всички живи организми проявяват „прилягане“ към околната среда. Биолозите наричат ​​това приспособяване адаптация и е следствие от еволюцията чрез естествен подбор, който действа във всяка линия на възпроизвеждащи се организми. Примерите за адаптации са разнообразни и уникални, от топлоустойчиви археи, които живеят във врящи горещи извори, до дължината на езика на молец, хранещ се с нектар, който съответства на размера на цветето, от което се храни. Адаптациите повишават репродуктивния потенциал на индивида, който ги проявява, включително способността им да оцелеят, за да се възпроизвеждат. Адаптациите не са постоянни. Тъй като средата се променя, естественият подбор кара характеристиките на индивидите в популацията да проследяват тези промени.

Растеж и развитие

Организмите растат и се развиват според специфични инструкции, кодирани от техните гени. Тези гени осигуряват инструкции, които ще насочват клетъчния растеж и развитие, като гарантират, че малките на даден вид (Фигура 1.4) ще пораснат, за да проявят много от същите характеристики като родителите му.

Регулация/Хомеостаза

Дори и най-малките организми са сложни и изискват множество регулаторни механизми за координиране на вътрешните функции, като транспорт на хранителни вещества, отговор на стимули и справяне със стреса от околната среда. Например, системи от органи, като храносмилателната или кръвоносната, изпълняват специфични функции като пренасяне на кислород в тялото, премахване на отпадъци, доставяне на хранителни вещества до всяка клетка и охлаждане на тялото.

За да функционират правилно, клетките се нуждаят от подходящи условия като подходяща температура, pH и концентрации на различни химикали. Тези условия обаче могат да се променят от един момент до друг. Организмите са в състояние да поддържат вътрешни условия в тесен диапазон почти постоянно, въпреки промените в околната среда, чрез процес, наречен хомеостаза или „стационарно състояние“ – способността на организма да поддържа постоянни вътрешни условия. Например, много организми регулират телесната си температура в процес, известен като терморегулация. Организмите, които живеят в студен климат, като полярната мечка (Фигура 1.5), имат телесна структура, която им помага да издържат на ниски температури и да запазят телесната топлина. В горещ климат организмите имат методи (като изпотяване при хората или задъхване при кучета), които им помагат да отделят излишната телесна топлина.

Обработка на енергия

Всички организми (като калифорнийския кондор, показан на фигура 1.6) използват източник на енергия за своите метаболитни дейности. Някои организми улавят енергията от Слънцето и я превръщат в химическа енергия в храната, други използват химическа енергия от молекулите, които приемат.

Еволюция

Разнообразието на живота на Земята е резултат от мутации или случайни промени в наследствения материал с течение на времето. Тези мутации позволяват на организмите да се адаптират към променящата се среда. Организъм, който развива характеристики, подходящи за околната среда, ще има по-голям репродуктивен успех, подчинен на силите на естествения подбор.

Нива на организация на живите същества

Живите същества са силно организирани и структурирани, следват йерархия в мащаб от малък до голям. Атомът е най-малката и фундаментална единица от материята, която запазва свойствата на елемент. Състои се от ядро, заобиколено от електрони. Атомите образуват молекули. Молекулата е химическа структура, състояща се от поне два атома, държани заедно чрез химическа връзка. Много молекули, които са биологично важни, са макромолекули, големи молекули, които обикновено се образуват чрез комбиниране на по-малки единици, наречени мономери. Пример за макромолекула е дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) (Фигура 1.7), която съдържа инструкциите за функционирането на организма, който я съдържа.

Концепции в действие

За да видите анимация на тази ДНК молекула, щракнете тук.

Някои клетки съдържат агрегати от макромолекули, заобиколени от мембрани, които се наричат ​​органели. Органелите са малки структури, които съществуват в клетките и изпълняват специализирани функции. Всички живи същества са изградени от клетки, а самата клетка е най-малката основна единица на структура и функция в живите организми. (Това изискване е причината вирусите да не се считат за живи: те не са изградени от клетки. За да създадат нови вируси, те трябва да нахлуят и да отвлекат жива клетка, само тогава могат да получат материалите, от които се нуждаят, за да се възпроизвеждат.) Някои организми се състоят от едноклетъчни, а други са многоклетъчни. Клетките се класифицират като прокариотни или еукариотни. Прокариотите са едноклетъчни организми, които нямат органели, заобиколени от мембрана и нямат ядра, заобиколени от ядрени мембрани, за разлика от това, клетките на еукариотите имат свързани с мембрана органели и ядра.

В повечето многоклетъчни организми клетките се комбинират, за да образуват тъкани, които са групи от подобни клетки, изпълняващи една и съща функция. Органите са колекции от тъкани, групирани заедно въз основа на обща функция. Органите присъстват не само в животните, но и в растенията. Органната система е по-високо ниво на организация, което се състои от функционално свързани органи. Например гръбначните животни имат много системи от органи, като кръвоносната система, която транспортира кръв в цялото тяло и към и от белите дробове, включваща органи като сърцето и кръвоносните съдове. Организмите са отделни живи същества. Например всяко дърво в гората е организъм. Едноклетъчните прокариоти и едноклетъчните еукариоти също се считат за организми и обикновено се наричат ​​микроорганизми.

Визуална връзка

Кое от следните твърдения е невярно?

  1. Тъканите съществуват в органите, които съществуват в органните системи.
  2. Общностите съществуват в популациите, които съществуват в рамките на екосистемите.
  3. Органелите съществуват в клетките, които съществуват в тъканите.
  4. Съобщества съществуват в рамките на екосистемите, които съществуват в биосферата.

Всички индивиди от даден вид, живеещи в определен район, се наричат ​​колективно популация. Например една гора може да включва много бели борове. Всички тези борови дървета представляват популацията от бели борове в тази гора. Различни популации могат да живеят в една и съща конкретна област. Например гората с борови дървета включва популации от цъфтящи растения, а също и популации от насекоми и микроби. Общност е съвкупност от популации, населяващи определен район. Например, всички дървета, цветя, насекоми и други популации в гората формират общността на гората. Самата гора е екосистема. Екосистемата се състои от всички живи същества в определен район заедно с абиотичните или неживи части от тази среда, като азот в почвата или дъждовна вода. На най-високото ниво на организация (Фигура 1.8) биосферата е съвкупност от всички екосистеми и представлява зоните на живот на Земята. Тя включва земя, вода и части от атмосферата.

Разнообразието на живота

Науката на биологията е много широка по обхват, защото има огромно разнообразие от живот на Земята. Източникът на това разнообразие е еволюцията, процесът на постепенна промяна, по време на който от по-стари видове възникват нови видове. Еволюционните биолози изучават еволюцията на живите същества във всичко от микроскопичния свят до екосистемите.

През 18-ти век учен на име Карл Линей за първи път предлага организирането на известните видове организми в йерархична таксономия. В тази система видовете, които са най-сходни един с друг, се обединяват в група, известна като род. Освен това подобни родове (множествено число на род) са събрани в едно семейство. Това групиране продължава, докато всички организми се съберат заедно в групи от най-високо ниво. Сегашната таксономична система сега има осем нива в своята йерархия, от най-ниското до най-високото, те са: вид, род, семейство, ред, клас, тип, царство, домейн. Така видовете са групирани в родове, родовете са групирани в семейства, семействата са групирани в разреди и т.н. (Фигура 1.9).

Най-високото ниво, домейн, е сравнително ново допълнение към системата от 70-те години на миналия век. Сега учените разпознават три области на живота, еукария, архея и бактерии. Домейнът Eukarya съдържа организми, които имат клетки с ядра. Той включва царствата на гъби, растения, животни и няколко царства на протисти. Археите са едноклетъчни организми без ядра и включват много екстремофили, които живеят в сурови условия като горещи извори. Бактериите са друга доста различна група от едноклетъчни организми без ядра (Фигура 1.10). И археите, и бактериите са прокариоти, неформално име за клетки без ядра. Признанието през 70-те години на миналия век, че определени „бактерии“, известни сега като археи, са толкова различни генетично и биохимично от други бактериални клетки, колкото и от еукариотите, мотивира препоръката да се раздели животът на три домена. Тази драматична промяна в познанията ни за дървото на живота показва, че класификациите не са постоянни и ще се променят, когато се появи нова информация.

В допълнение към йерархичната таксономична система, Линей е първият, който назовава организмите, използвайки две уникални имена, които сега се наричат ​​биномна система за именуване. Преди Линей, използването на общи имена за обозначаване на организми предизвиква объркване, тъй като има регионални различия в тези общи имена. Биномиалните имена се състоят от името на рода (което е с главни букви) и името на вида (всички малки букви). И двете имена са поставени в курсив, когато са отпечатани. Всеки вид получава уникален бином, който е признат в целия свят, така че учен от всяко място може да знае за кой организъм става дума. Например, северноамериканската синя сойка е известна уникално като Cyanocitta cristata. Нашият собствен вид е Хомо сапиенс.

Evolution Connection

Карл Уозе и филогенетичното дърво

Еволюционните взаимоотношения на различните форми на живот на Земята могат да бъдат обобщени във филогенетично дърво. Филогенетичното дърво е диаграма, показваща еволюционните взаимоотношения между биологичните видове, базирани на прилики и разлики в генетични или физически черти или и двете. Филогенетичното дърво се състои от точки на разклонение или възли и клони. Вътрешните възли представляват предци и са точки в еволюцията, когато въз основа на научни доказателства се смята, че прародител се е отклонил, за да образува два нови вида. Дължината на всеки клон може да се счита за оценка на относително време.

В миналото биолозите групираха живите организми в пет царства: животни, растения, гъби, протисти и бактерии. Пионерската работа на американския микробиолог Карл Уозе в началото на 70-те години на миналия век обаче показа, че животът на Земята е еволюирал по три линии, които сега се наричат ​​домейни – бактерии, археи и еукария. Woese предложи домейна като ново таксономично ниво и Archaea като нов домейн, за да отрази новото филогенетично дърво (Фигура 1.11). Много организми, принадлежащи към домейна Archaea, живеят при екстремни условия и се наричат ​​екстремофили. За да конструира своето дърво, Woese използва генетични връзки, а не прилики, базирани на морфология (форма). Във филогенетичните изследвания са използвани различни гени. Дървото на Woese е конструирано от сравнително секвениране на гените, които са универсално разпространени, открити в някаква леко променена форма във всеки организъм, запазени (което означава, че тези гени са останали само леко променени през еволюцията) и с подходяща дължина.

Клонове на биологичните изследвания

Обхватът на биологията е широк и следователно съдържа много клонове и поддисциплини.Биолозите могат да се занимават с една от тези поддисциплини и да работят в по-фокусирана област. Например, молекулярната биология изучава биологичните процеси на молекулярно ниво, включително взаимодействията между молекули като ДНК, РНК и протеини, както и начина, по който те се регулират. Микробиологията е изследване на структурата и функциите на микроорганизмите. Самият той е доста широк клон и в зависимост от предмета на изследване има и микробни физиолози, еколози и генетици, наред с други.

Друга област на биологични изследвания, невробиологията, изучава биологията на нервната система и въпреки че се счита за клон на биологията, тя също е призната като интердисциплинарна област на обучение, известна като невронаука. Поради своя интердисциплинарен характер, тази поддисциплина изучава различни функции на нервната система, използвайки молекулярни, клетъчни, развитие, медицински и изчислителни подходи.

Палеонтологията, друг клон на биологията, използва вкаменелости за изучаване на историята на живота (Фигура 1.12). Зоологията и ботаниката изучават съответно животни и растения. Биолозите могат да се специализират и като биотехнологии, еколози или физиолози, за да назовем само няколко области. Биотехнологите прилагат знанията по биология, за да създават полезни продукти. Еколозите изучават взаимодействията на организмите в тяхната среда. Физиолозите изучават работата на клетките, тъканите и органите. Това е само малка извадка от многото области, които биолозите могат да преследват. От собствените ни тела до света, в който живеем, откритията в биологията могат да ни повлияят по много пряк и важен начин. Ние зависим от тези открития за нашето здраве, нашите хранителни източници и ползите, предоставени от нашата екосистема. Поради това познанията по биология могат да ни помогнат при вземането на решения в ежедневния ни живот.

Развитието на технологиите през двадесети век, което продължава и днес, особено технологията за описване и манипулиране на генетичния материал, ДНК, трансформира биологията. Тази трансформация ще позволи на биолозите да продължат да разбират историята на живота по-подробно, как функционира човешкото тяло, нашия човешки произход и как хората могат да оцелеят като вид на тази планета въпреки стреса, причинен от нарастващия ни брой. Биолозите продължават да дешифрират огромни мистерии за живота, което предполага, че едва сме започнали да разбираме живота на планетата, нейната история и връзката ни с нея. Поради тази и други причини знанията по биология, придобити чрез този учебник и други печатни и електронни медии, трябва да са от полза в която и област да влезете.

Кариерна връзка

Криминалист

Съдебната медицина е приложението на науката за отговор на въпроси, свързани със закона. Биолозите, както и химиците и биохимиците могат да бъдат криминалисти. Криминалистите предоставят научни доказателства за използване в съдилищата, а тяхната работа включва изследване на следи, свързани с престъпления. Интересът към криминалистиката се е увеличил през последните няколко години, вероятно заради популярните телевизионни предавания, в които участват криминалисти на работа. Също така, развитието на молекулярни техники и създаването на бази данни за ДНК актуализираха видовете работа, която криминалистите могат да извършват. Техните работни дейности са свързани предимно с престъпления срещу хора като убийство, изнасилване и нападение. Тяхната работа включва анализиране на проби като коса, кръв и други телесни течности, както и обработка на ДНК (Фигура 1.13), открита в много различни среди и материали. Криминалистите анализират и други биологични доказателства, оставени на местопрестъплението, като части от насекоми или поленови зърна. Студентите, които искат да продължат кариера в съдебната медицина, най-вероятно ще трябва да вземат курсове по химия и биология, както и някои интензивни курсове по математика.


1.3.1: Свойствата на светлината - Биология

Антителата са свързани с имунната система протеини, наречени имуноглобулини. Всяко антитяло се състои от четири полипептида– две тежки вериги и две леки вериги, свързани, за да образуват "Y"-образна молекула.

Аминокиселинната последователност в върховете на "Y" варира значително при различните антитела. Тази променлива област, съставена от 110-130 аминокиселини, придава на антитялото неговата специфичност за свързване на антиген. Променливият регион включва краищата на леките и тежките вериги. Третирането на антитялото с протеаза може да разцепи тази област, произвеждайки Fab или фрагментно антигенно свързване, което включва променливите краища на антитялото. Материалът, използван за изследванията, показани по-долу, произхожда от Fab.

Постоянната област определя механизма, използван за унищожаване на антигена. Антителата са разделени на пет основни класа, IgM, IgG, Iga, IgD и IgE, въз основа на тяхната постоянна регионална структура и имунна функция.

Променливият регион допълнително се подразделя на хиперпроменливи (HV) и рамкови (FR) региони. Хиперпроменливите региони имат високо съотношение на различни аминокиселини в дадена позиция спрямо най-често срещаната аминокиселина в тази позиция. В леките и тежките вериги съществуват три хиперпроменливи области – HV 1, 2 и 3. Четири FR области, които имат по-стабилни аминокиселинни последователности, разделят HV регионите.

HV регионите директно контактуват с част от повърхността на антигена. Поради тази причина HV регионите също понякога се наричат ​​региони, определящи комплементарността, или CDR. FR регионите образуват бета-листова структура, която служи като скеле за задържане на HV регионите в позиция за контакт с антиген.

Взаимодействие антитяло/антиген

Кликнете върху изображенията, за да видите увеличен изглед

Това изображение представя структурата на променливия регион на антитяло (Fab), комплексиран с антиген, в този случай лизозим на белтък от кокоше яйце. Останалите изображения в този раздел са получени от тази структура.

HV регионите на Fab, представляващи както леки, така и тежки вериги, са подчертани в лилаво. Антигенът е зелен. Частта от антигена в директен контакт с антитялото се нарича антигенна детерминанта или епитоп.

В този изглед HV регионите на Fab са изтрити. FR регионите на антитялото не контактуват с антигена.

Тази структура на лентата показва HV (лилав) и FR (жълт) регион на антитялото на Fab и тяхното взаимодействие с епитоп на антигена.

Взаимодействие антитяло/антиген – Поглед отблизо

Антигенна детерминанта, място на антигена, на което имунната система реагира, като произвежда антитяло, често може да бъде една уникална структура на антигена. В лизозима на белтъка от кокоши яйце, глутаминът на позиция 121 (Gln 121) стърчи далеч от повърхността на антигена. В този изглед Gln 121 е заобиколен. Антитялото не е показано. Следващите изображения показват как тази характеристика е важна за образуването на взаимодействия антитяло-антиген с висок афинитет.

HV регионът на антитялото образува отвор, за да заобиколи изпъкналия Gln 121 на антигена (зелен). Водородните връзки (жълто) стабилизират взаимодействието антитяло-антиген. В допълнение към водородните връзки, други слаби взаимодействия като сили на ван дер Ваалс, хидрофобни взаимодействия и електростатични сили подобряват специфичността на свързване между антитяло и антиген. Тези взаимодействия възникват в големи и понякога прекъснати области на молекулите, подобрявайки афинитета на свързване. Анимацията показва аминокиселини на антитялото, които взаимодействат с Gln 121.

Едър план на водородна връзка – Tyr 101 на антитялото образува водородна връзка с Gln 121 на антигена. Водните молекули (светлосини) запълват пространствата между антигена и антитялото. Водните молекули допринасят значително за енергията на свързване, като създават допълнителни водородни връзки.

Молекулните структури, представени в този урок, са получени чрез рентгенова кристалография. Координатите за тези структури са регистрирани в Protein Data Bank (1FYA и 1FYB).


Гледай видеото: Физични експерименти със светлина, механични вълни и магнитно поле (Юни 2022).


Коментари:

  1. Zura

    remarkably, the very funny phrase

  2. Tosh

    Пет шанса

  3. Abooksigun

    Предлагам ви да опитате да погледнете google.com

  4. Mooguzil

    On this subject it can be a long time.



Напишете съобщение