生命中的量子力学效应 量子生物学曙光初现

伤我心太深

  

光合作用需要量子力学

据英国《自然》杂志网站近日报道，表面看来，量子效应和活的有机体似乎“风马牛不相及”。前者通常只在纳米层面被观察到，出现在高真空（指压力在1×10-3 到1×10-6毫米汞柱范围内的真空）、超低温和严格控制的实验室中。而后者则安静地栖息于温暖、混乱、不受控制的宏观世界中。诸如“相干性”（在量子相干中，一个系统每个部分的波型保持一致）这样一个量子现象，在细胞充满喧哗和骚动的疆域内，停留的时间不超过1微秒。

每个人都曾这样以为。然而，最近几年的科学发现表明，大自然拥有一些物理学家都不知道的技巧，量子相干或许在自然界中无处不在，我们已知的或被科学家怀疑的例子有，从鸟儿能使用地球的磁场进行导航到光合作用的内部机制等。

美国麻省理工学院的物理学家塞思·劳埃德表示，很多生物各施其招来利用量子相干过程，有点像耍弄“量子阴谋诡计”，有些研究人员甚至开始谈论一个方兴未艾的学科——量子生物学。他们认为，量子效应是自然界中多种作用方式中重要的一种。实验物理学家也朝这个领域投入了更多关注。劳埃德表示：“我们希望能从生物系统的量子技巧中有所斩获。更好地理解量子效应在生物体内如何维持可能有助于科学家成功地实现量子计算这一难以捉摸的目标；或许，我们也能在此基础上制造出更好的能量存储设备和有机太阳能电池。”

量子相干助力光合作用

光合作用是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。这个过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要、不可或缺的，因此，光合作用历来也是科学家们关注的焦点。

研究人员一直怀疑，在光合作用内发生着一些非同寻常的事情。自从上世纪30年代开始，科学家们就已经认识到，这个过程必须由量子力学来描述。量子力学认为，诸如电子等粒子常常表现出波一样的行动。击中一个天线分子的光子会激起一波一波带能量的粒子——应激子，就像石头落入池塘会激起波纹一样。这些应激子接着会从一个分子“旅行”到另一个分子，直到到达反应中心，但是，它们的“旅行”路径是由随机的、未受指导的跳跃组成还是其行动更富有组织性？很多现代科学家已经指出，这些应激子可能是相干的，它们的波纹会延展到多个分子那儿，然而，与此同时，它们也会保持同步并且互相加强。

科学家们因此得出了一个很简单的结论：相干量子波同时能以两种或多种状态存在，因此，具有相干性的应激子一次能以两种或多种路径穿越天线分子组成的“森林”。事实上，它们能同时探测到多个可能的选择，并自动选择最有效的方式到达反应中心。

四年前，两个科研团队在美国加州大学伯克利分校的化学家格拉汉姆·弗莱明的领导下试图获得能支持这种假设的实验证据。其中一个团队使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。尽管科学家们不得不使用固态氮将样本冷却到77K（-196摄氏度），但激光中探测到的数据清晰地显示出了相干应激态存在的证据。第二个团队以紫细菌为研究对象进行了同样的实验，并在180K（-93摄氏度）下操作时，发现了同样的量子相干性。

2010年，第一队科学家公布了细菌在室温下存在量子相干的证据，这表明，相干不仅是低温实验环境的产物，而且可能对现实世界中的光合作用非常重要。与此同时，由加拿大多伦多大学的化学家格雷戈里·斯科尔斯领导的科研团队也在《自然》杂志报告了室温下的相干效应——这次不是在细菌内出现，而是在进行光合作用的普通海洋藻类身上发现。

在这篇文章中，研究人员通过直接显示室温下来自海藻的5-纳米宽的光合作用蛋白上电子激发的量子相干共享，证实了人们早先提出的量子效应可能在其中发挥作用的理论。观察表明，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。

斯科尔斯带领研究人员利用二维电子能谱法研究了两种不同藻类在常温下的光吸收机制：这种被称为捕光复合体的特殊蛋白会捕捉阳光并将能量注入光反应中心。斯科尔斯使用飞秒激光脉冲让蛋白模拟吸收阳光的行为，发现被吸收的光能同时出现在两处，即呈现出量子叠加态。这表明，在被考察的生物系统中，即使在常温下，量子力学的随机法则也胜过了古典动力学法则。

斯科尔斯做了个比喻来解释这一研究：如果您下班高峰时驾车回家有三条可选路径，在任何时候你只需要其中的一条作为回家的路。你不知道此时其他的路径是否会更快或更慢一些。然而对于量子力学来说，你可以让这三条路线同时进行，来找出最短路径。在你抵达目的地之前不需要指定你身在何处，因此你总会选择到最短的路径。

光合作用并非自然界中量子效应的唯一例子。其实，科学家几年前就知道，在很多酶催化反应中，光子通过量子力学隧道效应从一个分子移到另一个分子。在经典力学中，分子运动可以被理解为粒子在一个势能面上进行漫游，能量势垒被看作该势能面上的“山口”，将化合物隔离开来。按经典力学，当动能小于势垒高度时，粒子不可能穿过势垒。但在量子力学中，微观粒子仍有一定的概率以一定的速度穿过势垒，这种现象被称为量子力学隧道效应。

还有一个富有争议的嗅觉理论宣称，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。

然而，这样的例子普遍到足以证实一个全新原则的正确性吗？与佛莱明一起进行了绿色硫细菌实验的美国华盛顿大学圣路易斯分校的生化学家罗伯特布·兰肯希普承认，他对此有点怀疑。他说：“我觉得可能存在着几种情况，量子效应也的确非常重要，但即使不是大多数，也有很多生物系统不会利用这样的量子效应。”不过，斯科尔斯相信，如果将量子生物学定义得更宽泛一些，也有另外一些令人乐观的证据。他说：“我确实认为，在生物学领域，还存在着其他很多利用量子效应的例子，理解这些例子涉及到的量子力学将有助于我们更深刻地理解量子力学的工作机制。”

量子辅助的磁感应让鸟确定方向

另外一个存在已久的、能够用量子效应来解释的生物学谜题是，有些鸟儿如何通过感知地球的磁场来确定方向。

科学家们通过实验证实，鸟的磁场感应器被射入鸟视网膜上的光所激活。目前，研究人员对这一机制最好的猜测是，每个入射光子沉积的能量会制造一对自由基——高度反应的分子，每个自由基拥有一个未被配对的电子，每个未配对电子拥有一个内在的角动量—自旋，这个自旋的方向能被磁场重新定位。随着自由基分开，一个自由基上未配对的电子主要受到原子核附近磁场的影响，然而，另一个自由基上未配对的电子则会远离原子核，只感受地球的磁场，磁场差异改变了两个具有不同化学反应能力的量子状态之间的自由基对。

剑桥大学的物理学家西蒙·本杰明表示：“有种想法认为，当系统处于一种状态而不是另一种状态时，某种化学物质在鸟类的视网膜细胞中被合成，其浓度反映了地球磁场的方向。2008年，科学家们进行了一个人工光化学反应，其中，磁场影响了自由基的寿命，从而证明了这种想法的合理性。”

本杰明和同事之前认为，吸收单个光子会制造出的这两个未配对的电子以量子纠缠状态而存在，量子纠缠是量子相干的一种形式，在量子纠缠状态中，不管自由基移动得多远，一个自旋方向同另一个自旋方向密切相关。量子纠缠状态在室温下通常非常脆弱，但是，科学家们推测，它至少能在鸟的指南针中持续几十微秒，比在任何人工分子系统中持续的时间都要更长。

这种量子辅助的磁感应可能广泛存在。不仅鸟类，某些昆虫甚至植物都对磁场表现出了生理反应，例如，磁场可能也采用同自由基机制一样的方式出现的磁场来缓和蓝光对开花植物阿拉伯芥生长的抑制作用。本杰明表示，实验也证实了这一点：“我们需要理解这一过程涉及到哪些基本的分子，接着在实验室中研究它们。”

量子力学在生物界应用广泛

光合作用内的量子相干似乎能让使用它的有机体大大受益，但是，它们利用量子效应的能力能通过自然选择而进化吗？还是量子相干仅仅是某些分子采用某种方式构造时偶然的副作用？斯科尔斯表示：“关于进化问题，存在着很多怀疑和误解。”他觉得这些答案都不靠谱：“我们无法说出，光合作用中的这个效应是否是被选择的结果。我们也无法说出是否存在着一种选择，可以不使用相干来移动电子的能量。现有的数据还无法解决这个问题。”

他指出，自然选择支持相干性并非理所当然的事情。“几乎所有进行光合作用的有机体花费一天中的大部分时间来捕光，很少限制光，那么，为什么会有进化压力来削弱捕光的效率呢？”佛莱明同意这种说法。他怀疑，量子相干并不是自适应的，而是让吸收的太阳能达到最优化的载色体密集包的一个副产品。斯科尔斯希望通过比较不同时间进化的藻类分离出来的天线蛋白来厘清这个问题。

佛莱明表示，尽管生物学系统中的量子相干也是一个机会效应，然而其影响非常巨大，使系统对能源分布失调变得不那么敏感。他说：“更重要的是，量子相干使像整流器一样的单向能量转移成为可能，产生了最快速的能量转移率，而且，它对温度也不再那么敏感。”

这些效应表明其具有实际的用途。斯科尔斯说，或许，最明显的，更好地理解生物系统如何在周围环境中获得量子相干，将改变我们设计光捕捉结构的方式；也有可能让科学家研制出能源转化效率更高的太阳能电池。塞思·劳埃德认为这个期望很合乎情理；而且，其对环境噪音积极作用的发现将被用于构造出使用量子点（纳米层面的晶体）的光子系统或散布很多吸光化合物的聚合物，这些聚合物可作为人造天线阵列来使用。

另一个潜在的应用领域是量子计算，在量子计算领域内辛苦耕耘的物理学家和工程师们的目标一直是操作用量子比特编码的信息。量子比特同时能以两种状态存在，因此，使同时计算出所有可能成为可能。从原理上来讲，这将使量子计算机能比现有计算机更快地发现最好的解决方式，唯一需要量子比特能维持相干性，没有环境噪音来破坏波的同步性。

但是，不管如何，生物学解决了这个挑战：实际上，量子相干使光系统能够执行“最有效路径”的量子计算。本杰明的主要兴趣是为量子计算和信息技术设计物质系统，他将这个在常温下就能工作的鸟类指南针看作潜在的导航系统。他说：“厘清鸟的指南针如何保护它自己免除相干会为我们提供一些与制造量子计算机有关的线索。”以自然界为师是人类一项优秀而古老的传统，但迄今为止，还没有人认真深思过，自然也能教给我们很多与量子有关的知识