王大虎

王大虎:光在生物界的量子效应

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量子与生命的关系,最重要的体现在光与生命的联系中,光合作用恰恰需要量子力学的帮助。研究人员一致认为,光合作用的生物体内表现着量子力学事件,比如电子等粒子表现出波一样的行动。光子击中一个天线分子,会激起一波一波带能量的粒子——应激子,就像石头落入水中激起的波纹一样。这些应激子会从一个分子“旅行”到另一个分子,直到到达反应中心,这种路径是随机的。很多科学家指出,这些应激子可能是相关的,它们的波纹会延展到多个分子,然后同时,它们也会保持彼此同步并且互相加强。

2010年5月,美国科学家首次记录并量化了光合作用中的量子纠缠。研究表明,在绿色植物中的光合作用中,量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性,量子纠缠能够在一个生物系统中存在并且持续一段时间。该论文发表在《自然·物理学》杂志上。

通过光合作用,绿色植物可以将太阳能接近100%的转化。这么高效率的关键在于传递速度,而如何完成近乎瞬间的能量转移仍然是个未解之谜。加州大学化学家格雷汉姆·弗莱明的研究团队曾在2009年的《物理化学年鉴》上指出,植物通过光合作用得到的量子力学效应是一种关键能力,植物可以瞬时将捕X合物分子中的光子能量传输给光电反应中心的复合物分子,完成能量的转移。包括弗莱明在内的研究小组确定,在光合作用中,绿色植物中的量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性。原来科学家认为,量子纠缠是一种非常脆弱的状态,很难获得并持续,而现在证明,量子纠缠可以在一个生物系统中存在而且还能持续一段时间。

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研究人员在大量FMO复合物(FMO是绿硫细菌的一个分子聚合物)中发现,量子纠缠能持续时间一般为几皮秒,并会持续穿过大约30埃(大约氢原子的直径)的距离,直到激发能被反应中心捕捉到。这是科学家首次在真正的生物系统中捕获和量化量子纠缠。研究人员表示,这样的纠缠也会出现在如紫色光合细菌LH1和LH2等更大的捕光化合物中。而更大的捕光化合物也能够制造和支持更多的激发能来获得更多样的纠缠状态。

 

图029 激光脉冲探测绿色硫细菌的光合作用(参考资料来源:《光合作用需要量子力学》科技日报,2010年05月14日)

该研究团队还发现量子纠缠持续地存在于离散的捕X合物的分子之间,而且温度对纠缠程度的影响微乎其微。

另一篇发表在英国《自然》杂志上的文章结论是:相干量子波能同时以两种或多种状态存在,具有相干性的应激子一次能以两种或多种路径穿过天线分子组成的“森林”。事实上,它们能同时探测到多个可能的路径,并自动选择最有效的方式到达反应中心。

美国化学家格拉汉姆·弗莱明领导下两个团队在做出研究,其中一个团队利用一系列极短的激光脉冲来探测绿色硫细菌的光合作用器官。他们使用固态氮把样本冷却到-196℃,探测到了清晰的相干应激态存在的证据。第二个团队以紫细菌为研究对象,同样在-93℃下发现了一样的量子相干性。这表明,量子相干除了在低温下,也可能在常温下生物内的光合作用中非常重要。

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加拿大多伦多大学化学家格雷戈里·斯科尔斯等人的研究表明——在常温下,能进行光合的普通海洋藻类身上证明也具有量子相干性。研究人员在室温下实现了海藻5纳米宽的光合作用蛋白上电子激发的量子相干共享,证实了量子效应可能在其中发挥作用的理论。研究显示这些蛋白内相距较远的单元被量子相干连接在一起,以增强集光效率。他们研究了两种藻类在常温下的光吸收机制:一种称为捕X合体的特殊蛋白会将捕捉到的光能量注入光反应中心。研究人员使用飞秒激光脉冲让蛋白模拟吸收阳光的行为,发现被吸收光同时出现在了两个地方,呈现出了量子叠加态。这表明,即使在常温下,量子力学的随机性也表现在生物体内,而不仅仅是非生命的存量子级别的物质中。

量子力学家认为,量子传播过程中,可以有很多路线,而人走路只能选择一条,比如你想去某地,而对量子来讲,多条路线可以同步走,达到最短路径。在很多酶催化反应中,光子通过量子隧道效应从一个分子移到另一个分子。还有人认为,气味源于分子振动的生化感应,这个过程涉及到气味负责的分子和鼻子中的接受器之间的电子隧穿。

 

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