揭示常温光合作用量子物理过程

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vimb 发表于 2010-2-11 20:43
揭示常温光合作用量子物理过程
揭示常温光合作用量子物理过程
作者：Gregory D. Scholes 来源：《自然》 发布时间：2010-2-9 12:35:37


加拿大多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯领导的研究团队通过使用激光脉冲激发藻类的单分子，揭示了常温光合作用中的量子物理过程。研究发表在2月4日出版的《自然》杂志上。

研究人员发现，整个量子过程几乎没有能量损失，这是因为量子会在多个路径中挑选出最短的路径。他们在实验中选用了名为蓝隐藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，这种海藻中的天线蛋白有8个色素分子，其可交织成一个大的蛋白结构。不同色素分子能吸收光谱上不同区域的光线，随后光子的能量通过天线蛋白运转到细胞中的其他地方。

在经典物理学中，能量一般是在分子间随机传递。但斯科尔斯团队发现，能量是可以选择最优路径来传递的。他们认为，这是由位于该海藻天线蛋白中心的色素分子的不同行为所造成的。

研究团队首次通过千万分之一秒的激光脉冲激活了两个此类分子，使色素分子中处于兴奋状态的光子形成量子叠加。当这种量子叠加崩溃时，会放射出不同波长的光子，这些光子可相互结合形成光子干涉模式。通过研究这种干涉模式，研究团队绘制出了产生这种干涉的量子叠加的细节。

研究结果十分令人吃惊：不仅位于天线蛋白中心的两个色素分子处于叠加状态，其他六个色素分子也是。这种“量子相干”可延续400飞秒，虽然只是短短一瞬，却能使能量尝试天线蛋白中所有可能的“旅行”路径。当这种相干结束后，能量会找到最优路径，令其实现“毫发无损”地“旅行”。芝加哥大学的化学家格雷格·恩格尔将斯科尔斯的发现称之为“非凡的结果”，为其在高温下研究量子效应提供了新的方法。

该发现颠覆了众多有关量子机制的固有观念，这些观念认为，量子干涉只能出现在低温下。然而，蓝隐藻在21摄氏度的温度下做到了这点。2007年，还在加州大学伯克利分校担任教职的恩格尔领头的研究人员发现了绿硫细菌中天线蛋白之间的关系，其中的色素分子同样也会“连线”。他的研究证明，量子叠加可使能量探索出所有可能的路径并找到最合适的路径。但他们的观测结果是在零下196摄氏度以下的条件下得出的。

伦敦大学学院的亚历山大·欧拉亚·卡斯特罗表示，至于这些分子如何在那么高的温度下，长时间保持这种相干性仍然是一个未解之谜。她认为，天线的蛋白结构起了关键作用。恩格尔也表示，从某种意义上说，天线蛋白执行了量子计算的功能，以决定什么路径能最好地保存能量。

根据斯科尔斯的理论，光合作用蛋白的物理特性将被用来改进太阳能电池的设计，其也将改变我们看待光合作用和量子计算的方式。（来源：科技日报 刘霞）

vimb 发表于 2010-2-11 20:46
如果天线蛋白石靠特殊的分子结构来实现量子物理过程的话，这显然是靠进化来实现的。那么其它的蛋白呢？我的疑问是，植物界在多大的范围里存在量子物理过程？整个生物界呢？人类体内是否也有量子物理过程呢？

vimb 发表于 2010-2-11 22:23
Nature vol.463 (7281), (4 Feb 2010)
光合作用中的量子效应

光合作用中最令人着迷、被研究最多的特征之一是能量在光合作用复合物中进行传输的极高效率。一项新的光谱研究，通过直接显示室温下在来自 Chroomonas CCMP270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暗示。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。

Letters to Nature p.644

Nature 463, 644-647 (4 February 2010) | doi:10.1038/nature08811; Received 14 July 2009; Accepted 17 December 2009


Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature
Elisabetta Collini1,3,4, Cathy Y. Wong1,3, Krystyna E. Wilk2, Paul M. G. Curmi2, Paul Brumer1 & Gregory D. Scholes1


1.Department of Chemistry, Institute for Optical Sciences and Centre for Quantum Information and Quantum Control, University of Toronto, 80 St George Street, Toronto, Ontario, M5S 3H6 Canada
2.School of Physics and Centre for Applied Medical Research, St Vincent’s Hospital, The University of New South Wales, Sydney, New South Wales 2052, Australia
3.These authors contributed equally to this work.
4.Present address: Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova, via Marzolo 1, 35100, Padova, Italy.
Correspondence to: Gregory D. Scholes1 Correspondence and requests for materials should be addressed to G.D.S. (Email: gscholes@chem.utoronto.ca).



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Photosynthesis makes use of sunlight to convert carbon dioxide into useful biomass and is vital for life on Earth. Crucial components for the photosynthetic process are antenna proteins, which absorb light and transmit the resultant excitation energy between molecules to a reaction centre. The efficiency of these electronic energy transfers has inspired much work on antenna proteins isolated from photosynthetic organisms to uncover the basic mechanisms at play1, 2, 3, 4, 5. Intriguingly, recent work has documented6, 7, 8 that light-absorbing molecules in some photosynthetic proteins capture and transfer energy according to quantum-mechanical probability laws instead of classical laws9 at temperatures up to 180 K. This contrasts with the long-held view that long-range quantum coherence between molecules cannot be sustained in complex biological systems, even at low temperatures. Here we present two-dimensional photon echo spectroscopy10, 11, 12, 13 measurements on two evolutionarily related light-harvesting proteins isolated from marine cryptophyte algae, which reveal exceptionally long-lasting excitation oscillations with distinct correlations and anti-correlations even at ambient temperature. These observations provide compelling evidence for quantum-coherent sharing of electronic excitation across the 5-nm-wide proteins under biologically relevant conditions, suggesting that distant molecules within the photosynthetic proteins are ‘wired’ together by quantum coherence for more efficient light-harvesting in cryptophyte marine algae.

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http://221.122.112.156/bl/blkj/200910/1499.html

植物和动物世界的量子力学
作者：编译：筱…    文章来源：本站原创    点击数：95    更新时间：2009-10-30   

开题：量子物理勾画了一个和宏观世界迥异的新世界。最近，科学家发现在生命现象中，比如光合作用和候鸟迁徙过程中，也存在量子效应。

爱因斯坦说，上帝不会通过掷骰子来创造世界。因为在我们所能感知的宏观世界里，不可能在两个不同的地方同时看到同一个物体，不可能在介于生和死的状态中存在，也不可能在不确定的模棱两可中继续生活……但是，这些奇妙的现象却普遍发生在量子物理的世界中。

量子效应

20世纪初，在惊愕、诧异与无休止的争辩中，波尔、薛定谔、狄拉克、海森伯等人创立了与经典物理大相径庭的量子物理，它以全新的视角给人类展现了一个神奇的“骰子世界”，在以原子、电子、光子等微粒为主角的微观视界里，粒子们莫不遵循量子效应的神圣法则。爱因斯坦的话代表了他反对量子物理的一贯立场，他的态度不是缘由的，因为在一个多世纪以前，生活在常识中的人没法想象量子物理所描述的世界。

当人类在量子物理的盲区里走过了千万年之后，科学家们突然发现某些植物、细菌以及候鸟似乎对量子现象早有洞悉，它们在自己的生命过程中默默地使用着量子物理。科学家的研究表明，植物光合作用的过程中量子力学起着神秘的作用，而候鸟群却可以利用量子效应、以地磁线为航标来确定迁徙的方向。

受此研究的启发，科学家们正致力于揭开量子力学和日常生命过程之间的关系。

从微观层面上来看，物质都由分子组成，分子由原子组成，原子又由原子核、电子等微小颗粒组成的。这些微小粒子都遵循量子力学的基本原理，比如我们晒太阳感觉到暖和，那是因为皮肤细胞里的原子收到光子的激发，活跃了起来。所以从物质组成的微观层面上来看，生命体的最小单元遵循量子物理的基本原则。

量子效应所统治的世界如此奇妙，以至于在宏观世界中难以比拟。以电子为例，它的行为方式远远超过了人类的想象，它不会像孩子兜里的玻璃弹球一样安静地呆着，而是以波动的形式处在永恒的运动中，所以我们假象的电子不仅仅像小小的弹球，它又像水里摆尾巴游动不息的黄鳝；电子被外界能量激发后就狂奔不已，在其行驶的“高速路”上，科学家的实验探头能够同时在不同的地方找到同一个电子，它似乎有分身之术。不过，这些类似于电子的等量子世界里的主角们所表现出的奇特效应，在肉眼可见的宏观世界似乎不太可能，我们不能指望红木林和知更鸟也遵循量子原理。

然而越来越多的证据表明，在生命过程中确实存在这些神秘而奇怪的量子现象，科学家们正致力于揭示自然界中生物如何利用量子效应来优化生存状态的工作。“我们确信自然界存在量子现象，问题在于如何测度以及探究由其产生的结果。”格雷汉姆·弗莱明如是说。弗莱明是美国加利福尼亚大学伯克利分校的化学家，他在2009年《物理化学年鉴》上发表了有关光合作用中的量子现象的最新研究成果。

深入了解了自然体系利用量子效应来优化自己的细节之后，有助于人们找出控制量子效应的最好办法，并最终实现驾驭它。或许通过学习植物生长的量子效应，科学家能够发明出新的技术，比如高效率的太阳能电池板。

纸上谈兵也风流

光合作用最终归功于植物里的分子团体系，这些分子通过有机的结合，构成了植物细胞以及某些靠光合作用生存的细菌的最基本单元。和所有的化学反应一样，光合作用进一步依赖于构成分子的电子们。

在绿色植物的子叶上，光线被一种天然色素分子——叶绿素所吸收。微观世界里，光线由光子组成，光子和电子一样做波状运动。所以在量子物理看来，光既是粒子（光子）又是波，这就是所谓光的“波粒二相性”。我们肉眼看去，太阳光代表着黑夜的敌人，物理学界广为传颂的一句诗歌这样写道，“世界和世界的原理隐藏在黑暗之中，上帝说，让牛顿降生吧，于是有了光明。”人们的感觉中，光线就是一束温暖和明亮；但在物理学中，有关光线到底是什么的争论，持续了几千年。17世纪，近代物理的开创者牛顿就曾提出，光线就是一颗颗微小的颗粒，像冲锋枪里射出的子弹一样；而以惠更斯为代表的另一派却认为，光是一束波，像舞动起来的绳子。这种争论一直延续到20世纪初，爱因斯坦做了著名的光电效应实验，证明了光既是粒子又是波。

一个入射的光子在叶绿素中激发起某个电子。这个电子就迅速地从叶绿素中穿梭到附近的“接受者”分子中，进而引起更多电子的转移。这些电子们携带着能量，从一个分子转移到另一个分子，并最终集和在“反应工厂”，在反应工厂的车间里，利用电子携带的能量，二氧化碳和水夜以继日地合成碳水化合物，释放出氧气。光子激发电子、电子促成碳水化合物合成的整个过程，就像给炼丹炉里加柴禾并最终炼成丹药一样。叶子在此过程中得以长大，植物因为叶子的“光合作用工厂”而获得营养并新陈代谢。

叶片吸收光子的能量几乎瞬间完成，而且转化效率很高。据科学家估算，打在叶子上的光线中有将近95%的光能量被电子吸收，成为反应工厂里充足的能量源泉。光线被吸收的效率之高，是目前人类制造出的太阳能电池板远远没法企及的；可以说，相比之下太阳能电池板简直就是面镜子。

传统的光合作用的理论模型中，科学家们假设获得光能量的电子通过随机地转跳，一级有又一级抵达反应工厂，它们所携带的能量也会逐级减退，像地板上蹦蹦跳跳的篮球，跳的高度随时间而减退。然而现实情况却不是这样，因为能量在转移过程中损失很少，令人十分不解。所以，科学家试图通过量子效应来解释这种超高的能量吸收效率。

在奇妙的量子世界里，粒子以波动的形式存在着、运动着。在此情况下，电子不再简单地从叶绿素之间转移，而是联合起来组成了旋转的能量团。弗莱明介绍说，“在以波的形式存在的能量团中，电子们通过连结或配对，在分子之间来回地激荡着，像山谷里回荡的喊声一样。”

理论推算指出，量子效应使得高效率的能量吸收成为可能。但是科学家遭遇到了另一个棘手的问题，那就是在实验室里难以找到相关的证据。在经典物理看来，光子不论激发电子A或B，理论上总可以追踪每个粒子的行踪，通过研究每个粒子的转移过程可以推算出能量的转换情况。但是在量子物理看来却不尽然，粒子以群体的状态存在，追踪单个粒子几乎是办不到的，也就是在某固定时刻，不能精确确定单个粒子的位置，比如，电子A神出鬼没，可能在好几处地点都能同时看到它。

因此在量子世界里，科学家不能追踪电子A或B的单个行踪，而是需要同时对A和B组成的电子对进行测度，因为所有的电子似乎都密切关联在一起。有些科学家描述了一种有趣的现象：在地球上的某个电子的扰动，可能会影响到月球上某个电子的状态，这就是所谓的量子干扰。受此影响，有人曾经预言过一种新的通信方式，那就是通过量子世界里的电子扰动来实现。

2005年，弗莱明和他的同事们探索出一种新的实验方法，在绿硫菌的蛋白质中成功再现了植物光合作用的量子现象。他们利用超速激光代替太阳光，制造了三个光的脉冲源来照射细菌样本，进而观察细菌对光能量的吸收和转移。

其中，光闪烁的时间间隔可以帮助科学家更好的追踪电子转移，通过观察能量在叶绿素之际转移的时间和路程，科学家从两个尺度上把握了能量的吸收和输送情况。

这种研究方法使得追踪波动态的电子成为可能，进而可以计算出电子的波长，这样就可以搞清楚什么时候电子们之间达到“同相”。此过程就像军训，大家在协调的过程中达到步调一致。当大量的电子处于同相状态，所有的原子就会同时地移动着、旋转着，体系实现了协调状态，军乐团可以演奏交响乐了。如果此过程发生在人体皮肤上，我们就感受到温暖。

量子状态能否在细菌的光合作用中现实发生还不太确定，弗莱明却认为这是十分有可能的。弗莱明说：“我们的实验至少改变了停顿在猜测阶段的现状，而实现了测量这种量子效应。”

2007年，一位眼光敏锐的博士后利用新的激光技术证实了量子效应在绿硫菌光合作用中的存在。当科学家重复这个实验的时候，数据显示电子的振荡和干涉相互促进，形成了类似波状的能量流在体系中转移。

弗莱明的研究团队在《自然》杂志发表了一篇论文，提出量子干扰可以解释植物光合作用中高效率的能量吸收和转移现象。吸收了光子能量的电子不再一阶又一阶地胡奔乱跳，在分子之间穿梭，而是有规律地找寻最好的路径，以最小的阻力实现能量的转移，最终抵达光合作用工厂。

   一切生物，包括以光合作用为生的植物与细菌，天生效率优先。以吸收光线的叶绿素分子为例，它们不是随意而零星地散布在细胞中，而是紧紧地镶嵌在微型的细胞器内，它们填满了整个空间以便相互之间接触便利。“所以，一旦叶绿素被光子照射，它就不再是单独行动的个体了，而是形成能量团一致行动。”。加利福尼亚大学尔湾分校的理论物理学家索斯顿·罗兹说。

   电子的一致行动就好像交响乐的乐工们的合奏一样，在不同的音阶都有很多乐器贡献了力量。因此，植物中吸收光线的电子一致行动可以吸收不同波段光线的能量，这样量子机制也使得其它色素有效地吸收光能量，并且高效地输送能量，比如类胡萝卜素。

    2009年初，爱尔兰和英格兰的科学家们利用一种多色谱的高能激光，在实验室里模拟了光合作用体系的能量转移过程。都柏林大学的伊安·莫塞和伦敦帝国学院的研究者一起，利用脉冲光实验照射了一种吸收光线的蛋白质，这种蛋白质选自于紫细菌。当光线射向细菌蛋白质并激发其内的分子，使其能量增加，最终导致蛋白质本身也成为发光体，发出自己的特有颜色的光线来。由于激光脉冲由较宽谱系的多种光合成，每种颜色光的基本组成单元——不同光子对应特定的能量，因此蛋白质样品本身发射出的光线清楚地展现了入射激光在其内的作用。研究的结果表明，单个电子来回摇摆以协调它们的行动——左右摇摆以示电子相互联系，而垂直摇摆则意味着能量的接受或释放。

   以上研究的方法为科学家提供了方便，进而区别了携带能量电子无目的“闲逛”的个体行为和以波的形式存在的集体行为，前者是用宏观物理理解的微观世界，而后者则是量子物理所看到的世界。莫塞指出，发表在2009年2月《物理评论快报》上的研究成果，将为科学家进一步了解量子效应对光合作用的影响，以及创造新的光合作用模型提供帮助。“长久以来的事实表明，我们需要全新的视角来看待这些分子层面上开展的行为方式。这个新的视角就是量子力学。”莫塞说。

“自旋”起来的鸟群

鸟类的行为为科学家们提供了另一个全新的视域，量子效应在生物细胞中再现神通。

研究表明，候鸟在其漫长的迁徙过程中可能利用了量子力学中所谓“自旋”现象，这个现象帮助候鸟把握地磁线的走向，进而辨别其飞行的方向。所谓自旋，是指在微观世界里，电子不但围绕原子核做“公转”，自身还做“自转”，这个过程就像地球绕太阳公转，自身又自转一样。

早在30多年前，科学家就提出候鸟可能利用某种生物化学反应来辨别方向，但是其中的机制、原理尚不清楚。1998年，雷兹和他的同事们研究得出这样的结论，即隐色素分子是以上化学反应中的备选要素之一。隐色素分子存在于候鸟眼睛的神经元里，能够敏锐地感受蓝色光线。研究表明，当隐色素分子感知特定波段的蓝色光线时，色素中会激发出一系列电子，这些获得能量的电子在神经元上移动，和光合作用中的情况相当。

一般情况下，隐色素分子中电子成对存在。而一旦有蓝光射入，光子的能量可以撕破电子对，使得其中一个电子留待原位而另外一个转向其它分子。结果将造成两个带电的离子，一个多了个电子（负离子），一个少了个电子（正离子）。起初，被撕裂的电子围绕各自的原子作圆周运动，像太阳外围的行星一样，但是两个电子的自旋方向相反。一旦加上外界磁场，电子的自旋方向将发生改变，使得原本撕裂的两个电子重新联系起来。

雷兹说：“电子对的重新联系，使得候鸟眼睛能够感受到地球磁力线的方向，所以，只要候鸟在白天飞行，能看到蓝色的光线，就可以随时辨别其飞行的方向。磁力线就好比马路中间的短划线，帮助候鸟定航。”关于隐色素对候鸟定航的作用机制，目前还停留在理论阶段。不过，越来越多的证据表明这个理论基本成立。

发表在2004年《自然》杂志的研究报告指出，地球磁场和候鸟迁徙关系密切。雷兹和他的同事们破坏了候鸟栖息地的地球磁场，来观察一群即将迁徙的候鸟反应，结果发现，候鸟选错了迁徙的方向。

去年春天，来自牛津大学和亚利桑那州立大学的研究人员在《自然》杂志上发布了他们的研究成果。数据表明，隐色素分子能够对弱磁场的变化做出反应，而地球磁场就是典型的弱磁场。

科学家们发明了一种由三种天然色素合成的分子，它可以同时吸收三种不同颜色的光线。当激光照射这种分子时，其中成对的电子自然而然地分裂，稍后又复合起来，和预计的一模一样。其中，电子对分裂的时间依赖于外在磁场的方向。当电子对重新结合起来后，分子的形状也随之发生改变。

目前，雷兹致力于从果蝇中分解出隐色素分子，进而研究这种分子在动物行为中的作用。尽管隐色素分子受光线照射后的状况和光合作用中的情况有所区别，但是两者都毫无疑问地表现出量子效应。但是，生命体系如何会维系这么一个看起来脆弱不堪的微粒“交响乐队”的群体行为，仍旧是个谜。

“在光合作用中同样的问题依然存在，”雷兹说：“这种微观体系中的微粒如何保持其协调性而不受到外界的影响，而外在的任何影响看起来都是致命的？这是个大问题，但是目前还没有任何答案。”

更高形式的证明

虽然诸如叶绿素中电子的量子状态可以在实验室里存在，但是很多科学家并不相信会在自然界的生物细胞里存在，因为生命细胞的生活环境看起来杂乱不堪，似乎任何一点哪怕小小的外力都可以打破电子、原子们的倾心协作。以波的形式存在的微粒，它们的共相看起来十分脆弱，也似乎禁受不起任何轻微的冒犯。

为此，弗莱明测量了细菌光合作用中电子量子态的存在时间，他发现受激发电子的量子状态持续时间相当长，在分子尺度上相当于永恒。

“不可思议的是，自然好像很合乎这种量子态的节奏，要么就是上帝做了手脚，刻意维持这种量子状态的存在。”雷兹说道，“不过，探究出其中本质的原因将显得意义非凡。因为其原因有助于我们认识并控制电子、原子尺度上的物理过程。”

最近的研究工作已经证实了量子效应在生命体系里的存在，科学家需要进一步论证这些量子效应确实在光合作用以及候鸟迁徙导航中起到实际的作用。

“如果没有量子效应，植物还能否正常生长？”弗莱明设问道，“回答这个问题需要谨慎一些，因为此过程十分复杂。科学家必须有十分精巧的模型，才能演示量子效应如何使得生物体运作的更好。在科学上不能简单地把生命过程中的量子效应‘开启’或‘关闭’。”

鉴于此，弗莱明正在寻找一种他所谓的“更高形式的证明”。他提出了两个理论模型，这样就可以在实验室里更好地模拟生物量子效应。据称，最新的模型将出现在下一期的《化学物理期刊》上。“一旦有特别好的理论模型，你就可能得到意想不到的实验结果。”弗莱明说。

探究光合作用和候鸟迁徙中的量子效应，或许会吸引更多的科学家从事其他生命过程的量子现象。雷兹说：“光合作用毕竟是最古老、最基本的生命过程之一。如果我们能够发现自然界中最基本的生命现象中都存在量子过程，就没有道理说更高形式的生命形式会丢掉最基本的自然法则。”

熊猫羊

咦，我老婆也做这个，应该马上有篇science