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光合作用需要量子力學(xué)

據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站近日報(bào)道，表面看來，量子效應(yīng)和活的有機(jī)體似乎“風(fēng)馬牛不相及”。前者通常只在納米層面被觀察到，出現(xiàn)在高真空（指壓力在1×10-3 到1×10-6毫米汞柱范圍內(nèi)的真空）、超低溫和嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室中。而后者則安靜地棲息于溫暖、混亂、不受控制的宏觀世界中。諸如“相干性”（在量子相干中，一個(gè)系統(tǒng)每個(gè)部分的波型保持一致）這樣一個(gè)量子現(xiàn)象，在細(xì)胞充滿喧嘩和騷動的疆域內(nèi)，停留的時(shí)間不超過1微秒。

每個(gè)人都曾這樣以為。然而，最近幾年的科學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，大自然擁有一些物理學(xué)家都不知道的技巧，量子相干或許在自然界中無處不在，我們已知的或被科學(xué)家懷疑的例子有，從鳥兒能使用地球的磁場進(jìn)行導(dǎo)航到光合作用的內(nèi)部機(jī)制等。

美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家塞思·勞埃德表示，很多生物各施其招來利用量子相干過程，有點(diǎn)像耍弄“量子陰謀詭計(jì)”，有些研究人員甚至開始談?wù)撘粋€(gè)方興未艾的學(xué)科——量子生物學(xué)。他們認(rèn)為，量子效應(yīng)是自然界中多種作用方式中重要的一種。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也朝這個(gè)領(lǐng)域投入了更多關(guān)注。勞埃德表示：“我們希望能從生物系統(tǒng)的量子技巧中有所斬獲。更好地理解量子效應(yīng)在生物體內(nèi)如何維持可能有助于科學(xué)家成功地實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算這一難以捉摸的目標(biāo)；或許，我們也能在此基礎(chǔ)上制造出更好的能量存儲設(shè)備和有機(jī)太陽能電池。”

量子相干助力光合作用

光合作用是植物、藻類利用葉綠素和某些細(xì)菌利用其細(xì)胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細(xì)菌為硫化氫和水）轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（細(xì)菌釋放氫氣）的生化過程。這個(gè)過程對于生物界的幾乎所有生物來說都是至關(guān)重要、不可或缺的，因此，光合作用歷來也是科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。

研究人員一直懷疑，在光合作用內(nèi)發(fā)生著一些非同尋常的事情。自從上世紀(jì)30年代開始，科學(xué)家們就已經(jīng)認(rèn)識到，這個(gè)過程必須由量子力學(xué)來描述。量子力學(xué)認(rèn)為，諸如電子等粒子常常表現(xiàn)出波一樣的行動。擊中一個(gè)天線分子的光子會激起一波一波帶能量的粒子——應(yīng)激子，就像石頭落入池塘?xí)て鸩y一樣。這些應(yīng)激子接著會從一個(gè)分子“旅行”到另一個(gè)分子，直到到達(dá)反應(yīng)中心，但是，它們的“旅行”路徑是由隨機(jī)的、未受指導(dǎo)的跳躍組成還是其行動更富有組織性？很多現(xiàn)代科學(xué)家已經(jīng)指出，這些應(yīng)激子可能是相干的，它們的波紋會延展到多個(gè)分子那兒，然而，與此同時(shí)，它們也會保持同步并且互相加強(qiáng)。

科學(xué)家們因此得出了一個(gè)很簡單的結(jié)論：相干量子波同時(shí)能以兩種或多種狀態(tài)存在，因此，具有相干性的應(yīng)激子一次能以兩種或多種路徑穿越天線分子組成的“森林”。事實(shí)上，它們能同時(shí)探測到多個(gè)可能的選擇，并自動選擇最有效的方式到達(dá)反應(yīng)中心。

四年前，兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在美國加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家格拉漢姆·弗萊明的領(lǐng)導(dǎo)下試圖獲得能支持這種假設(shè)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用一系列極短的激光脈沖來探測綠色硫細(xì)菌的光合作用器官。盡管科學(xué)家們不得不使用固態(tài)氮將樣本冷卻到77K（-196攝氏度），但激光中探測到的數(shù)據(jù)清晰地顯示出了相干應(yīng)激態(tài)存在的證據(jù)。第二個(gè)團(tuán)隊(duì)以紫細(xì)菌為研究對象進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)，并在180K（-93攝氏度）下操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了同樣的量子相干性。

2010年，第一隊(duì)科學(xué)家公布了細(xì)菌在室溫下存在量子相干的證據(jù)，這表明，相干不僅是低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境的產(chǎn)物，而且可能對現(xiàn)實(shí)世界中的光合作用非常重要。與此同時(shí)，由加拿大多倫多大學(xué)的化學(xué)家格雷戈里·斯科爾斯領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)也在《自然》雜志報(bào)告了室溫下的相干效應(yīng)——這次不是在細(xì)菌內(nèi)出現(xiàn)，而是在進(jìn)行光合作用的普通海洋藻類身上發(fā)現(xiàn)。

在這篇文章中，研究人員通過直接顯示室溫下來自海藻的5-納米寬的光合作用蛋白上電子激發(fā)的量子相干共享，證實(shí)了人們早先提出的量子效應(yīng)可能在其中發(fā)揮作用的理論。觀察表明，這些蛋白內(nèi)相距較遠(yuǎn)的單元被量子相干連接在一起，以增強(qiáng)集光效率。

斯科爾斯帶領(lǐng)研究人員利用二維電子能譜法研究了兩種不同藻類在常溫下的光吸收機(jī)制：這種被稱為捕光復(fù)合體的特殊蛋白會捕捉陽光并將能量注入光反應(yīng)中心。斯科爾斯使用飛秒激光脈沖讓蛋白模擬吸收陽光的行為，發(fā)現(xiàn)被吸收的光能同時(shí)出現(xiàn)在兩處，即呈現(xiàn)出量子疊加態(tài)。這表明，在被考察的生物系統(tǒng)中，即使在常溫下，量子力學(xué)的隨機(jī)法則也勝過了古典動力學(xué)法則。

斯科爾斯做了個(gè)比喻來解釋這一研究：如果您下班高峰時(shí)駕車回家有三條可選路徑，在任何時(shí)候你只需要其中的一條作為回家的路。你不知道此時(shí)其他的路徑是否會更快或更慢一些。然而對于量子力學(xué)來說，你可以讓這三條路線同時(shí)進(jìn)行，來找出最短路徑。在你抵達(dá)目的地之前不需要指定你身在何處，因此你總會選擇到最短的路徑。

光合作用并非自然界中量子效應(yīng)的唯一例子。其實(shí)，科學(xué)家?guī)啄昵熬椭?，在很多酶催化反?yīng)中，光子通過量子力學(xué)隧道效應(yīng)從一個(gè)分子移到另一個(gè)分子。在經(jīng)典力學(xué)中，分子運(yùn)動可以被理解為粒子在一個(gè)勢能面上進(jìn)行漫游，能量勢壘被看作該勢能面上的“山口”，將化合物隔離開來。按經(jīng)典力學(xué)，當(dāng)動能小于勢壘高度時(shí)，粒子不可能穿過勢壘。但在量子力學(xué)中，微觀粒子仍有一定的概率以一定的速度穿過勢壘，這種現(xiàn)象被稱為量子力學(xué)隧道效應(yīng)。

還有一個(gè)富有爭議的嗅覺理論宣稱，氣味源于分子振動的生化感應(yīng)，這個(gè)過程涉及到氣味負(fù)責(zé)的分子和鼻子中的接受器之間的電子隧穿。

然而，這樣的例子普遍到足以證實(shí)一個(gè)全新原則的正確性嗎？與佛萊明一起進(jìn)行了綠色硫細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的生化學(xué)家羅伯特布·蘭肯希普承認(rèn)，他對此有點(diǎn)懷疑。他說：“我覺得可能存在著幾種情況，量子效應(yīng)也的確非常重要，但即使不是大多數(shù)，也有很多生物系統(tǒng)不會利用這樣的量子效應(yīng)。”不過，斯科爾斯相信，如果將量子生物學(xué)定義得更寬泛一些，也有另外一些令人樂觀的證據(jù)。他說：“我確實(shí)認(rèn)為，在生物學(xué)領(lǐng)域，還存在著其他很多利用量子效應(yīng)的例子，理解這些例子涉及到的量子力學(xué)將有助于我們更深刻地理解量子力學(xué)的工作機(jī)制。”

量子輔助的磁感應(yīng)讓鳥確定方向

另外一個(gè)存在已久的、能夠用量子效應(yīng)來解釋的生物學(xué)謎題是，有些鳥兒如何通過感知地球的磁場來確定方向。

科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，鳥的磁場感應(yīng)器被射入鳥視網(wǎng)膜上的光所激活。目前，研究人員對這一機(jī)制最好的猜測是，每個(gè)入射光子沉積的能量會制造一對自由基——高度反應(yīng)的分子，每個(gè)自由基擁有一個(gè)未被配對的電子，每個(gè)未配對電子擁有一個(gè)內(nèi)在的角動量—自旋，這個(gè)自旋的方向能被磁場重新定位。隨著自由基分開，一個(gè)自由基上未配對的電子主要受到原子核附近磁場的影響，然而，另一個(gè)自由基上未配對的電子則會遠(yuǎn)離原子核，只感受地球的磁場，磁場差異改變了兩個(gè)具有不同化學(xué)反應(yīng)能力的量子狀態(tài)之間的自由基對。

劍橋大學(xué)的物理學(xué)家西蒙·本杰明表示：“有種想法認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)處于一種狀態(tài)而不是另一種狀態(tài)時(shí)，某種化學(xué)物質(zhì)在鳥類的視網(wǎng)膜細(xì)胞中被合成，其濃度反映了地球磁場的方向。2008年，科學(xué)家們進(jìn)行了一個(gè)人工光化學(xué)反應(yīng)，其中，磁場影響了自由基的壽命，從而證明了這種想法的合理性。”

本杰明和同事之前認(rèn)為，吸收單個(gè)光子會制造出的這兩個(gè)未配對的電子以量子糾纏狀態(tài)而存在，量子糾纏是量子相干的一種形式，在量子糾纏狀態(tài)中，不管自由基移動得多遠(yuǎn)，一個(gè)自旋方向同另一個(gè)自旋方向密切相關(guān)。量子糾纏狀態(tài)在室溫下通常非常脆弱，但是，科學(xué)家們推測，它至少能在鳥的指南針中持續(xù)幾十微秒，比在任何人工分子系統(tǒng)中持續(xù)的時(shí)間都要更長。

這種量子輔助的磁感應(yīng)可能廣泛存在。不僅鳥類，某些昆蟲甚至植物都對磁場表現(xiàn)出了生理反應(yīng)，例如，磁場可能也采用同自由基機(jī)制一樣的方式出現(xiàn)的磁場來緩和藍(lán)光對開花植物阿拉伯芥生長的抑制作用。本杰明表示，實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)：“我們需要理解這一過程涉及到哪些基本的分子，接著在實(shí)驗(yàn)室中研究它們。”

量子力學(xué)在生物界應(yīng)用廣泛

光合作用內(nèi)的量子相干似乎能讓使用它的有機(jī)體大大受益，但是，它們利用量子效應(yīng)的能力能通過自然選擇而進(jìn)化嗎？還是量子相干僅僅是某些分子采用某種方式構(gòu)造時(shí)偶然的副作用？斯科爾斯表示：“關(guān)于進(jìn)化問題，存在著很多懷疑和誤解。”他覺得這些答案都不靠譜：“我們無法說出，光合作用中的這個(gè)效應(yīng)是否是被選擇的結(jié)果。我們也無法說出是否存在著一種選擇，可以不使用相干來移動電子的能量?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)還無法解決這個(gè)問題。”

他指出，自然選擇支持相干性并非理所當(dāng)然的事情。“幾乎所有進(jìn)行光合作用的有機(jī)體花費(fèi)一天中的大部分時(shí)間來捕光，很少限制光，那么，為什么會有進(jìn)化壓力來削弱捕光的效率呢？”佛萊明同意這種說法。他懷疑，量子相干并不是自適應(yīng)的，而是讓吸收的太陽能達(dá)到最優(yōu)化的載色體密集包的一個(gè)副產(chǎn)品。斯科爾斯希望通過比較不同時(shí)間進(jìn)化的藻類分離出來的天線蛋白來厘清這個(gè)問題。

佛萊明表示，盡管生物學(xué)系統(tǒng)中的量子相干也是一個(gè)機(jī)會效應(yīng)，然而其影響非常巨大，使系統(tǒng)對能源分布失調(diào)變得不那么敏感。他說：“更重要的是，量子相干使像整流器一樣的單向能量轉(zhuǎn)移成為可能，產(chǎn)生了最快速的能量轉(zhuǎn)移率，而且，它對溫度也不再那么敏感。”

這些效應(yīng)表明其具有實(shí)際的用途。斯科爾斯說，或許，最明顯的，更好地理解生物系統(tǒng)如何在周圍環(huán)境中獲得量子相干，將改變我們設(shè)計(jì)光捕捉結(jié)構(gòu)的方式；也有可能讓科學(xué)家研制出能源轉(zhuǎn)化效率更高的太陽能電池。塞思·勞埃德認(rèn)為這個(gè)期望很合乎情理；而且，其對環(huán)境噪音積極作用的發(fā)現(xiàn)將被用于構(gòu)造出使用量子點(diǎn)（納米層面的晶體）的光子系統(tǒng)或散布很多吸光化合物的聚合物，這些聚合物可作為人造天線陣列來使用。

另一個(gè)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是量子計(jì)算，在量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)辛苦耕耘的物理學(xué)家和工程師們的目標(biāo)一直是操作用量子比特編碼的信息。量子比特同時(shí)能以兩種狀態(tài)存在，因此，使同時(shí)計(jì)算出所有可能成為可能。從原理上來講，這將使量子計(jì)算機(jī)能比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)更快地發(fā)現(xiàn)最好的解決方式，唯一需要量子比特能維持相干性，沒有環(huán)境噪音來破壞波的同步性。

但是，不管如何，生物學(xué)解決了這個(gè)挑戰(zhàn)：實(shí)際上，量子相干使光系統(tǒng)能夠執(zhí)行“最有效路徑”的量子計(jì)算。本杰明的主要興趣是為量子計(jì)算和信息技術(shù)設(shè)計(jì)物質(zhì)系統(tǒng)，他將這個(gè)在常溫下就能工作的鳥類指南針看作潛在的導(dǎo)航系統(tǒng)。他說：“厘清鳥的指南針如何保護(hù)它自己免除相干會為我們提供一些與制造量子計(jì)算機(jī)有關(guān)的線索。”以自然界為師是人類一項(xiàng)優(yōu)秀而古老的傳統(tǒng)，但迄今為止，還沒有人認(rèn)真深思過，自然也能教給我們很多與量子有關(guān)的知識