Квантовую биофизику можно считать одним из современных направлений, по которому следует биофизика, как наука, возникающая на стыке физике, химии и биологии.
Квантовая биофизика является логичной составной частью биофизики как фундаментальной биологической науки, которую рассматривают как физику витальных процессов всех уровней от молекулы и клетки до биосферы в целом.
Квантовой биофизикой (или квантовой биологией) можно назвать часть биологии, которая исследует участвующие в метаболизме эндогенные электронные возбужденные состояния (ЭВС) и испускаемые ими кванты света.
Можно также сказать, что квантовая биофизика – это часть биофизики, связанная с исследованием физических процессов, которые проявляются тогда, когда микрообъект взаимодействует с объектом биологии.
В данном случае микрообъектами обычно называют тела (объекты) с размерами около (10−15− 10−10) м. К списку таких тел отнесем:
- атомы,
- молекулы,
- кристаллы,
- фотоны,
- ядра атомов,
- элементарные частицы.
Под основными биологическими объектами следует понимать молекулы, клетки и сложные системы. Живой организм с точки зрения физики – это открытая термодинамическая система, в которой непрерывно протекает обмен вещество и энергией с окружающей ее средой.
Предмет квантовой биофизики
Предметом квантовой биофизики можно назвать:
- электронную структуру биологически важных молекул;
- электронные переходы в этих молекулах;
- пути трансформации энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.
Исследование в квантовой биофизике, как и следовало полагать, начинается с обозначения физических процессов и объектах биологии.
Вопросы, относящиеся к сфере компетенции квантовой биофизики:
- Исследование структур электронных энергетических уровней молекул.
- Рассмотрение донорно – акцепторных свойств биологических молекул.
- Электронные переходы, возникающие при поглощении веществом света и люминесценции.
- Какими свойствами наделены свободные радикалы? Каков механизм свободно радикальных процессов?
- Как происходят химические превращения молекул, находящихся в электронном возбуждении? Какова природа первичных фотопродуктов и их реакционная способность?
- В чем состоит механизм хемилюминесценции, которая связана с преобразованиями экзотермической энергии, при протекании реакций в биохимии?
Значение квантовой биофизики
Решение вопросов, относящихся к компетенции квантовой биофизики, имеет существенное значение для развития медицины, поскольку знание механизмов воздействия ультрафиолета и радиации на живые организмы – это теоретический и практический базис для фото- и фотохемотерапии. Кроме того, использование света очень важно для регуляции процессов нормальной жизнедеятельности организмов.
Некоторые паталогические процессы можно лечить, применяя регулируемые реакции свободных радикалов.
Квантовая биофизика разрабатывает многочисленные методы, которые используются в медицине для диагностики заболеваний и проведения исследовательских работ. Примерами данных методов могут служить:
- спектрометрия – качественный и количественный метод анализа и выяснения химической структуры вещества на основе способности молекулы поглощать свет;
- люминесцентный анализ, применяемый для качественного и количественного анализа и исследования структуры и функций биосистем разного уровня сложности;
- методы фотохимии;
- хемилюминесценция и др.
Строение молекул с точки зрения квантовой механики
Процессы, происходящие внутри молекулы, сопровождаются электронными переходами, логично предположить, что для их описания можно использовать аппарат квантовой механики.
Суммарную энергию молекулы (E) можно представить как сумму:
E=Eell+Ekol+Evr(1), где:
- Eel – электронная составляющая энергии;
- Ekol – энергия колебаний;
- Evr – энергия вращения.
Чаще всего Eel≫Ekol≫Evr.
Если систему рассматривают в условиях термодинамического равновесия, то вероятность (p) заселения i– го энергоуровня можно определить, используя распределение Больцмана для дискретной энергии:
p=1Zgie−(EikbT)(2), где:
gi – статистический вес (кратность вырождения i – го энергоуровня или количество разных состояний молекулы, имеющих энергию равную Ei),
Z=∑igie−(EikbT) – статистическая сумма.
Поскольку Ekol≥kbT, возбужденные колебательные уровни заселены при высоких температурах. Энергия, которая необходима для изменения электронного уровня молекулы: Eel≫kbT,
Следовательно, при комнатной температуре все молекулы локализованы на нижнем энергоуровне. Спектральные свойства молекулы определены переходами между энергоуровнями, в первую очередь – электронными.
Положение электрона в пространстве определяет волновая функция Ѱ(x,y,z), где x,y,z – координаты в пространстве. |Ѱ(x,y,z)|2 – вероятность пребывания электрона в объеме dxdydz:
pi=|Ѱ(x,y,z)|2dxdydz(3)
Для того чтобы определять энергии стационарных состояний системы используют уравнения Э. Шредингера, которое связывает энергию электронной системы с волновой функцией. Для одного электрона в стационарном состоянии уравнение Шредингера имеет вид:
ℏ22m(∂2Ѱ∂x2+∂2Ѱ∂y2+∂2Ѱ∂z2) +U(x,y,z)Ѱ=EѰ(4), где:
- U(x,y,z)– потенциальная энергия электрона;
- E– полная энергия системы.
Решение уравнения Шредингера дает возможность вычислить электронные волновые функции (электронные орбитали) и соответствующие им величины энергий.
Изучение уравнения (4) показало, что для некоторого числа моделей, оно решается только при определенных дискретных величинах энергии E1,E2,…En. Такие значения энергии называют собственными значениями, соответствующие им волновые функции именуют собственными функциями.
Собственные Ѱ функции уравнения (4) предназначены для описания стационарных состояний, относящихся к собственным квантовым значениям энергии.
Если рассматриваются нестационарные задачи, то волновая функция приобретает зависимость от времени: Ѱ=Ѱ(x,y,z,t).