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量子生物学的新争论

时间:2020-04-13 11:30:17 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

一篇新发表的论文重新审视了有争议的“量子光合作用”概念。

我们知道亚原子粒子遵循一套奇怪的数学规则。它们的一些属性只能有特定的值,有时它们可以同时有多个不同的值,或者这些值是相互交织的。我们称这些奇怪的现象为量子效应。

很长一段时间以来,一些科学家一直在想这个奇怪的量子现象是否也在生物学中扮演着重要的角色。尤其是在提高光合作用效率方面?事实上,科学家对量子生物学的研究可以追溯到量子力学的早期(详见“量子生物学的起源”),但直到最近几年,它才作为一个可以科学验证的概念站在科学研究的舞台上。

在过去的十年里,量子生物学的研究取得了巨大的进展。科学家已经从量子生物学的角度研究了许多生物系统,从视觉到光合作用,到鸟类导航等等。2007年,著名的《自然》杂志发表了一篇论文,研究人员在论文中描述了他们从实验中发现的量子相干性在光合生物系统的能量转移过程中起着关键作用。这个结果已经公布,引起了很多争议。

2007年,《自然》杂志发表了一项研究,表明植物的能量生产过程与量子相干性有关。|图像来源:自然

2007年,来自加州大学伯克利分校、华盛顿大学、圣路易斯和劳伦斯伯克利国家实验室的一组科学家测量了一种叫做FMO复合体的光合细菌。FMO复合体是一种细菌叶绿素,由色素和蛋白质分子组成。我们可以在绿色硫细菌中找到它们。它就像一根“能量”线,将细胞收集阳光的部分与光合作用反应中心连接起来。

FMO情结。|图片来源:朱利安·阿道夫斯/维基共享资源

在实验中,研究人员将FMO复合体冷却到零下196℃,然后测量它在激光脉冲刺激下的反应。结果,观察到振荡模式。他们将振荡归因于电子的量子相干性,因此认为这表明光合作用生物系统呈现多个电子态的相干叠加,以便找到最有效的能量转移路径。

这项实验发表后,掀起了量子生物学的研究热潮。科学家已经开始探索奇怪的量子效应将如何在生物学中出现,以及这些效应将以何种形式出现。

与此同时,自这篇论文发表以来,一些科学家一直怀疑这种振荡模式是否真的是由量子相干引起的。他们怀疑光合作用是否真的需要量子相干来达到最大效率。

德国马克斯·普朗克材料结构和动力学研究所的德韦恩·米勒是质疑的声音之一。4月3日,作为一名通讯作者,米勒在《科学进步》杂志上发表的一篇综述论文中驳斥了FMO复合体给出的振荡模式的量子解释。

○2020年4月3日,《科学进步》发表了一篇综合论文,驳斥了2007年发表的研究。照片来源:科学进步

这篇论文综合了从过去许多实验中收集的证据,证明这个电子的量子相干性是错误的。他们指出,原子振动也可以表现出这种相关的行为,并产生类似的观察结果。然而,很难区分这种观察结果是由哪种机制造成的。

此外,新论文还指出,2007年的实验是在-196℃的极端温度下进行的。然而,从室温下进行的类似实验来看,激光刺激下FMO复合物的量子相干性只能持续几十飞秒(1飞秒= 10秒)。然而,如此短的时间根本不足以影响光合作用的能量转移效率。

因此,这篇新论文的结论是,这种生物体中的能量转移过程只是一个非相干的“跳跃”过程,一个由阳光引起的激发态在分子间跳跃的过程,而不是一个由量子力学的奇异性支配的过程。

加州大学伯克利分校的化学教授格雷厄姆·弗莱明是2007年论文的作者之一。他说,新论文中提到的那种原子振动不能在另一种光合作用光收集化合物上复制他们的观察结果。现在,他们已经开始使用更先进的光谱技术来分析这些分子的振动光谱。然而,米勒坚持认为弗莱明的论文没有表明这种光合生物系统的能量转移过程是一个量子相干过程。

然而,这并不意味着量子生物学已经结束,因为在生物系统中仍然存在量子力学宏观表现的可能性。例如,研究表明量子过程是鸟类导航系统背后的原理。其他人推测我们的视觉和嗅觉也可能与量子生物学有关。这些都是需要更多探索才能给出答案的问题。然而,从这篇新的综述文章来看,光合作用似乎不像一些科学家想象的那样具有奇怪的量子特性。

参考来源:

http://advances . science mag . org/content/6/14/eaaz 4888/tab-pdf

https://gizmodo.com/are-plants-quantum-1842734189

https://www.nature.com/articles/nature05678

资料来源:geralt/Piaxabay

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