Квантовая биофизика

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.

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.

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:

1. Исследование структур электронных энергетических уровней молекул.
2. Рассмотрение донорно – акцепторных свойств биологических молекул.
3. Электронные переходы, возникающие при поглощении веществом света и люминесценции.
4. Какими свойствами наделены свободные радикалы? Каков механизм свободно радикальных процессов?
5. Как происходят химические превращения молекул, находящихся в электронном возбуждении? Какова природа первичных фотопродуктов и их реакционная способность?
6. 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:

$E=E_{el}l+E_{kol}+E_{vr }(1)$, где:

• $E_{el}$ – электронная составляющая энергии;
• $ E_{kol}$ – энергия колебаний;
• $ E_{vr} $ – энергия вращения.

Чаще всего $E_{el}\gg{E_{kol}}\gg{E_{vr}}$.

Если систему рассматривают в условиях термодинамического равновесия, то вероятность $ (p) $ заселения $ i $– го энергоуровня можно определить, используя распределение Больцмана для дискретной энергии:

$p=\frac{1}{Z}g_ie^{-\left(\frac{E_i}{k_bT}\right)}\left(2\right)$, где:

$g_i $ – статистический вес (кратность вырождения $i$ – го энергоуровня или количество разных состояний молекулы, имеющих энергию равную $E_i$),

$Z=\sum_ig_ie^{-\left(\frac{E_i}{k_bT}\right)} $ – статистическая сумма.

Поскольку $ E_{kol}≥k_bT$, возбужденные колебательные уровни заселены при высоких температурах. Энергия, которая необходима для изменения электронного уровня молекулы: $E_{el}≫k_b T,$

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 $dxdydz$:

$p_i=|Ѱ(x,y,z)|^2 dxdydz(3)$

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:

$\frac{{\hslash{}}^2}{2m}\left(\frac{{\partial{}}^2Ѱ}{\partial{}x^2}+\frac{{\partial{}}^2Ѱ}{\partial{}y^2}+\frac{{\partial{}}^2Ѱ}{\partial{}z^2}\right)$ $+U (x,y,z)Ѱ=EѰ(4)$, 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 $ E_1, E_2,…E_n.$ 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: $Ѱ=Ѱ(x,y,z,t)$.