量子生物學——生命活動中的量子效應

 

[導讀]通常人們認為量子力學與生命體沒有什麼相關性，但最新的研究表明：生命活動中量子效應廣泛存在，從植物的光合作用到鳥兒對方向的感知。

光合作用需要量子力學

據英國《自然》雜誌網站近日報導，表面看來，量子效應和活的有機體似乎「風馬牛不相及」。前者通常只在納米層面被觀察到，出現在高真空（指壓力在1×10-3 到1×10-6毫米汞柱範圍內的真空）、超低溫和嚴格控制的實驗室中。而後者則安靜地棲息於溫暖、混亂、不受控制的宏觀世界中。諸如「相干性」（在量子相干中，一個系統每個部分的波型保持一致）這樣一個量子現象，在細胞充滿喧譁和騷動的疆域內，停留的時間不超過1微秒。

每個人都曾這樣以為。然而，最近幾年的科學發現表明，大自然擁有一些物理學家都不知道的技巧，量子相干或許在自然界中無處不在，我們已知的或被科學家懷疑的例子有，從鳥兒能使用地球的磁場進行導航到光合作用的內部機制等。

美國麻省理工學院的物理學家塞思·勞埃德表示，很多生物各施其招來利用量子相干過程，有點像耍弄「量子陰謀詭計」，有些研究人員甚至開始談論一個方興未艾的學科——量子生物學。他們認為，量子效應是自然界中多種作用方式中重要的一種。實驗物理學家也朝這個領域投入了更多關注。勞埃德表示：「我們希望能從生物系統的量子技巧中有所斬獲。更好地理解量子效應在生物體內如何維持可能有助於科學家成功地實現量子計算這一難以捉摸的目標；或許，我們也能在此基礎上製造出更好的能量存儲設備和有機太陽能電池。」

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菌利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細菌為硫化氫和水）轉化為有機物，並釋放出氧氣（細菌釋放氫氣）的生化過程。這個過程對於生物界的幾乎所有生物來說都是至關重要、不可或缺的，因此，光合作用歷來也是科學家們關注的焦點。

研究人員一直懷疑，在光合作用內發生著一些非同尋常的事情。自從上世紀30年代開始，科學家們就已經認識到，這個過程必須由量子力學來描述。量子力學認為，諸如電子等粒子常常表現出波一樣的行動。擊中一個天線分子的光子會激起一波一波帶能量的粒子——應激子，就像石頭落入池塘會激起波紋一樣。這些應激子接著會從一個分子「旅行」到另一個分子，直到到達反應中心，但是，它們的「旅行」路徑是由隨機的、未受指導的跳躍組成還是其行動更富有組織性？很多現代科學家已經指出，這些應激子可能是相干的，它們的波紋會延展到多個分子那兒，然而，與此同時，它們也會保持同步並且互相加強。

科學家們因此得出了一個很簡單的結論：相干量子波同時能以兩種或多種狀態存在，因此，具有相干性的應激子一次能以兩種或多種路徑穿越天線分子組成的「森林」。事實上，它們能同時探測到多個可能的選擇，並自動選擇最有效的方式到達反應中心。

四年前，兩個科研團隊在美國加州大學伯克利分校的化學家格拉漢姆·弗萊明的領導下試圖獲得能支持這種假設的實驗證據。其中一個團隊使用一系列極短的雷射脈衝來探測綠色硫細菌的光合作用器官。儘管科學家們不得不使用固態氮將樣本冷卻到77K（-196攝氏度），但雷射中探測到的數據清晰地顯示出了相干應激態存在的證據。第二個團隊以紫細菌為研究對象進行了同樣的實驗，並在180K（-93攝氏度）下操作時，發現了同樣的量子相干性。

2010年，第一隊科學家公布了細菌在室溫下存在量子相干的證據，這表明，相干不僅是低溫實驗環境的產物，而且可能對現實世界中的光合作用非常重要。與此同時，由加拿大多倫多大學的化學家格雷戈裡·斯科爾斯領導的科研團隊也在《自然》雜誌報告了室溫下的相干效應——這次不是在細菌內出現，而是在進行光合作用的普通海洋藻類身上發現。

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的量子相干共享，證實了人們早先提出的量子效應可能在其中發揮作用的理論。觀察表明，這些蛋白內相距較遠的單元被量子相干連接在一起，以增強集光效率。

斯科爾斯帶領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制：這種被稱為捕光複合體的特殊蛋白會捕捉陽光並將能量注入光反應中心。斯科爾斯使用飛秒雷射脈衝讓蛋白模擬吸收陽光的行為，發現被吸收的光能同時出現在兩處，即呈現出量子疊加態。這表明，在被考察的生物系統中，即使在常溫下，量子力學的隨機法則也勝過了古典動力學法則。

斯科爾斯做了個比喻來解釋這一研究：如果您下班高峰時駕車回家有三條可選路徑，在任何時候你只需要其中的一條作為回家的路。你不知道此時其他的路徑是否會更快或更慢一些。然而對於量子力學來說，你可以讓這三條路線同時進行，來找出最短路徑。在你抵達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。

光合作用並非自然界中量子效應的唯一例子。其實，科學家幾年前就知道，在很多酶催化反應中，光子通過量子力學隧道效應從一個分子移到另一個分子。在經典力學中，分子運動可以被理解為粒子在一個勢能面上進行漫遊，能量勢壘被看作該勢能面上的「山口」，將化合物隔離開來。按經典力學，當動能小於勢壘高度時，粒子不可能穿過勢壘。但在量子力學中，微觀粒子仍有一定的概率以一定的速度穿過勢壘，這種現象被稱為量子力學隧道效應。

還有一個富有爭議的嗅覺理論宣稱，氣味源於分子振動的生化感應，這個過程涉及到氣味負責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一個全新原則的正確性嗎？與佛萊明一起進行了綠色硫細菌實驗的美國華盛頓大學聖路易斯分校的生化學家羅伯特布·蘭肯希普承認，他對此有點懷疑。他說：「我覺得可能存在著幾種情況，量子效應也的確非常重要，但即使不是大多數，也有很多生物系統不會利用這樣的量子效應。」不過，斯科爾斯相信，如果將量子生物學定義得更寬泛一些，也有另外一些令人樂觀的證據。他說：「我確實認為，在生物學領域，還存在著其他很多利用量子效應的例子，理解這些例子涉及到的量子力學將有助於我們更深刻地理解量子力學的工作機制。」

量子輔助的磁感應讓鳥確定方向

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

科學家們通過實驗證實，鳥的磁場感應器被射入鳥視網膜上的光所激活。目前，研究人員對這一機制最好的猜測是，每個入射光子沉積的能量會製造一對自由基——高度反應的分子，每個自由基擁有一個未被配對的電子，每個未配對電子擁有一個內在的角動量—自旋，這個自旋的方向能被磁場重新定位。隨著自由基分開，一個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，另一個自由基上未配對的電子則會遠離原子核，只感受地球的磁場，磁場差異改變了兩個具有不同化學反應能力的量子狀態之間的自由基對。

劍橋大學的物理學家西蒙·班傑明表示：「有種想法認為，當系統處於一種狀態而不是另一種狀態時，某種化學物質在鳥類的視網膜細胞中被合成，其濃度反映了地球磁場的方向。2008年，科學家們進行了一個人工光化學反應，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。」

班傑明和同事之前認為，吸收單個光子會製造出的這兩個未配對的電子以量子糾纏狀態而存在，量子糾纏是量子相干的一種形式，在量子糾纏狀態中，不管自由基移動得多遠，一個自旋方向同另一個自旋方向密切相關。量子糾纏狀態在室溫下通常非常脆弱，但是，科學家們推測，它至少能在鳥的指南針中持續幾十微秒，比在任何人工分子系統中持續的時間都要更長。

這種量子輔助的磁感應可能廣泛存在。不僅鳥類，某些昆蟲甚至植物都對磁場表現出了生理反應，例如，磁場可能也採用同自由基機制一樣的方式出現的磁場來緩和藍光對開花植物阿拉伯芥生長的抑制作用。班傑明表示，實驗也證實了這一點：「我們需要理解這一過程涉及到哪些基本的分子，接著在實驗室中研究它們。」

量子力學在生物界應用廣泛

光合作用內的量子相干似乎能讓使用它的有機體大大受益，但是，它們利用量子效應的能力能通過自然選擇而進化嗎？還是量子相干僅僅是某些分子採用某種方式構造時偶然的副作用？斯科爾斯表示：「關於進化問題，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，光合作用中的這個效應是否是被選擇的結果。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。現有的數據還無法解決這個問題。」

他指出，自然選擇支持相干性並非理所當然的事情。「幾乎所有進行光合作用的有機體花費一天中的大部分時間來捕光，很少限制光，那麼，為什麼會有進化壓力來削弱捕光的效率呢？」佛萊明同意這種說法。他懷疑，量子相干並不是自適應的，而是讓吸收的太陽能達到最優化的載色體密集包的一個副產品。斯科爾斯希望通過比較不同時間進化的藻類分離出來的天線蛋白來釐清這個問題。

佛萊明表示，儘管生物學系統中的量子相干也是一個機會效應，然而其影響非常巨大，使系統對能源分布失調變得不那麼敏感。他說：「更重要的是，量子相干使像整流器一樣的單向能量轉移成為可能，產生了最快速的能量轉移率，而且，它對溫度也不再那麼敏感。」

這些效應表明其具有實際的用途。斯科爾斯說，或許，最明顯的，更好地理解生物系統如何在周圍環境中獲得量子相干，將改變我們設計光捕捉結構的方式；也有可能讓科學家研製出能源轉化效率更高的太陽能電池。塞思·勞埃德認為這個期望很合乎情理；而且，其對環境噪音積極作用的發現將被用於構造出使用量子點（納米層面的晶體）的光子系統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。

另一個潛在的應用領域是量子計算，在量子計算領域內辛苦耕耘的物理學家和工程師們的目標一直是操作用量子比特編碼的信息。量子比特同時能以兩種狀態存在，因此，使同時計算出所有可能成為可能。從原理上來講，這將使量子計算機能比現有計算機更快地發現最好的解決方式，唯一需要量子比特能維持相干性，沒有環境噪音來破壞波的同步性。

但是，不管如何，生物學解決了這個挑戰：實際上，量子相干使光系統能夠執行「最有效路徑」的量子計算。班傑明的主要興趣是為量子計算和信息技術設計物質系統，他將這個在常溫下就能工作的鳥類指南針看作潛在的導航系統。他說：「釐清鳥的指南針如何保護它自己免除相干會為我們提供一些與製造量子計算機有關的線索。」以自然界為師是人類一項優秀而古老的傳統，但迄今為止，還沒有人認真深思過，自然也能教給我們很多與量子有關的知識。

 

圖文來自騰訊新聞