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量子生物学:试图揭示自然界的奥秘

     有没有东西可以同时出现在两个不同的地方?根据量子力学,的确有!更精确的说,量子叠加原理告诉我们一个粒子可以被描述为同时处于两种不同的态。在量子世界中,还有其它令人费解的奇异现象,比如粒子可以像幽灵般穿过本无法通过的墙壁,即所谓的量子隧穿效应;再比如两个处于量子纠缠的粒子可以不受距离的限制产生鬼魅般的超距作用。这些远超出日常经验所告诉我们的现象都已被实验严格的证明。虽然量子世界奇妙无比,但毫无疑问,量子力学大大提升了我们对自然世界的认知。

    现在,量子力学被应用于生物学上,并开始揭示一些长久以来困扰我们的迷思。现如今,量子生物学的蓬勃发展,为我们更深入的了解鸟类迁徙、光合作用、甚至是嗅觉背后的秘密提供了新的思路。

    自1930年代以来,科学家就怀疑光合作用背后存在着量子现象。 2007年,加州大学伯克利分校(UC Berkerley)劳伦斯伯克利国家实验室(Berkerley Lab)的一个科研组第一次找到了相关证据。这一研究的第一作者 Greg Engel 是现在芝加哥大学的生物物理学家,也是量子生物学领域的领头人。

  光合作用与量子相干性

    在光合作用中,植物通过色原体(含有发色团的有机化合物)细胞收集光子,然后释放一种叫作激子(Exciton)的准粒子。激子能吸收能量,并将其运送到反应中心。在这里,它们可以被转化为可供植物代谢的化学能。整个过程发生在十亿分之一秒以内,效率接近100%。这种超快的速度是减少能量损失的必要条件。但这种能量也可以热的形式消散,这是目前缺失的一块。

    Engel 和同事发现激子具有叠加性质的优势,他们将一种最古老的能进行光合作用的有机体之一——绿硫细菌(Chlorobium tepidum)用于实验中,它们是最早进行光合作用的生命体之一。Engel 他们将细菌所处的温度降至零下196ºC,然后向细菌体发射短脉冲的脉冲激光。再用二维电子光谱仪来记录脉冲,因为他们需要准确的知道能量是如何流经这些细菌的。

    他们发现,激子不会以直线行进,而是像波一样运动。由于量子相干性,激子可以像波一样感受到所有可能的路径,并采用最高效的那条路径。这项研究的结果当年被发表在《自然》杂志上[2]。

科学家利用量子叠加解释光合作用。(图片来源:Jon Sullivan)

      在进行的其他几项研究中,也有同样的现象被观测到,即光合作用通过量子相干而作用。如果我们可以效仿这样的系统,便可以制造出超高效的太阳能电池板和更持久的电池。这样就满足到我们想要全面转向绿色科技的一个关键前提。

      许多科学家对于将量子力学应用到生物上感到紧张。毕竟,物理学家研究粒子时需要在严格控制的环境下进行。然而在潮湿混乱的生物世界里,所有的事情一直在变化,这对于量子叠加来说是一个过于不稳定的环境。

鸟类迁徙与量子纠缠

      再一个问题就是鸟的迁徙模式。我们知道鸟类通过一个能与地球磁场相互作用的内部化学罗盘进行导航。让人疑问的是地球磁场是很微弱的,鸟类是如何将其运用起来的呢?

欧亚鸲。(图片来源:Charles J. Sharp)

      在《自然》杂志发表的一篇研究报告中,牛津大学的研究人员通过研究欧亚鸲(俗称知更鸟)来研究鸟类的化学导航系统。当寒冷天气逼近时,欧亚鸲能穿越几千公里从北欧飞到北非。他们发现,当阳光的光子击中欧亚鸲的视网膜时,它会释放出两个不成对的电子,每个电子的自旋会根据磁场进行调整。换句话说,欧亚鸲就像可以“看见”地球磁场,从而准确知道如何从北迁徙到南。

      2008年,牛津大学的物理学家 Simon Benjamin 用实验证明这在化学上是可能的。他认为这是通过量子纠缠来实现的。除了鸟类,昆虫和其他生物也能以这种方式定位自己。

嗅觉与量子隧穿  

      最后我们说到嗅觉。人类可以区分数千种不同的气味。作为一种最古老也最独特的感官之一,科学家却仍在努力想要完全了解它的运作机制。我们知道的是分子从空气中进入鼻孔,然后以某种形式与鼻内的受体作用。但是,究竟是如何做到将一种物质与另一种物质区分开来还不得而知。

      来自希腊的BSRC亚历山大·弗莱明研究所的化学家 Luca Turin 认为这个过程中还有其他的东西在起作用。首先,分子与鼻中的受体相互作用;然后,Turin 认为该分子中的一个电子会通过量子隧穿抵达受体的另一侧。通过这个过程,大脑会收到一个信号,并得知这是什么分子。Turin 说,“嗅觉需要一种以某种方式涉及分子的实际化学成分的机制。”因此,量子隧穿似乎是一种很合适的自然解释。

      在另一个实验中,化学家发现硼烷和硫磺这两个完全不同的分子闻起来一样。虽然形状不同,但让它们的味道都像是腐烂的鸡蛋,有可能是它们的化学键中存在类似的能量含量。但是,要证明嗅觉是一项发生在亚原子层面的反应还需进行更多的研究。

      尽管如此,量子生物学领域已经开始收获越来越多的重大突破了,这很可能为我们带来技术创新,并进一步加深我们对地球上生命本质的理解。

文章转自:2017-09-07 Philip Perry 原理









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