生物学家向来都把涉及量子理论的议题交给物理学家去处理。不过，不久前发表在《自然》杂志上的一项研究表明，量子力学所预言的物质与能量间的复杂相互作用会在光合作用中起作用：在太阳能转化为驱动细胞运作的化学能之前，这些相互作用会影响到太阳能进入细胞反应中枢的方式。

 

 

能量的“随机走动”

　　阿姆斯特丹自由大学的生物学家林克·凡·格朗戴尔（Rienk van Grondelle）虽未参与这项研究，但仍有如下评论：“最令人惊奇之处在于能真切地看到这些影响真实世界（生物学）的量子效应，并观察该现象如何驱动光合作用。”
 
　　量子力学是用来描述诸如光子和电子之类的亚原子粒子行为的理论。但长久以来，科学家们都认为，该理论所给出预言只有在不考虑分子相互运动碰撞产生噪声的理想世界中才会显现出来。格朗戴尔在《自然》上发表了一篇相应的回顾，他说：“大家都认为在室温下，噪声环境会湮没这种量子相互作用。”
 
　　通过检测两种作用于海藻的光俘获系统，多伦多大学的物理化学家格雷戈里·斯科尔斯（Gregory Scholes）及其同事观察到，即使是在环境温度中，被引入系统的能量都会呈现出非同寻常的量子行为。
 
　　在这些海藻中，胆汁三烯色素会像其他的光俘获触角细胞一样――吸收激发电子的太阳光子。之后，由此产生的激发会波及到称之为反应中枢的蛋白质复合体，并通过一系列的生物化学反应转化为化学能。经典能量转移理论预言，能量会以一种“随机走动”的方式从一个分子跳到相邻的分子。对此，斯科尔斯解释道，量子理论预言能量会以一种更延展得多，且更有方向性的形式流经整个系统。
 
　　加州大学伯克利分校的物理化学家格拉汉姆·弗莱明（Grham Fleming）说：“试想一下，能量像波一样穿过整个系统，而不像球从一个分子弹射到另一个。”他本人也未参与该项研究。“类波能量实际上可以同时沿三个不同路径传播，而不是从一个分子到邻近分子的单一路径”。格朗戴尔解释道：“这种类波运动使得能量可以‘记忆’运动过程中所经过的地点，削减了其在细胞间运动方式的随机性。尽管能量仍然可以沿许多路径传播，但它绝对比按照经典能量转移运动更有方向性。”
 

能流的“光子共鸣”

　　为了检测量子效应是否在光俘获系统中起作用，研究人员用两束短激光脉冲向海藻的一对三烯色素分子激发电子。尽管其强度要比通常情况下由太阳所激发的自然过程高的多，但仍可进行适当模拟。在能流开始运动后的几分之一秒内加入第三个脉冲即可产生“光子共鸣”：一束从某个装置中发出的光束，可用来在某个特定时刻对能量的分布情况进行拍照。通过将这些照片拼接在一起，研究人员可以了解能量是如何随时间移动的，并可在共鸣中识别出不同性质的振荡，以说明量子力学原理所起的作用。
 
　　弗莱明说：“光子共鸣显示出周期性的加强和减弱就是量子效应的标志，否则会光滑地减弱至零。”其实，类似的量子效应在对光俘获有机物――紫色细菌――的广泛研究中已被证实，只不过这一新研究首次在将二氧化碳转化为氧气的光合作用（真核细胞的正常机能）中证实了这一效应。
 
　　斯科尔斯说：“要精确地测量量子相互作用对光和作用的影响仍有待研究。能量的移动并非完全随机这一事实并不一定就意味着系统运转得更有效率，一切都很难说。如果不同的波之间以某种方式相互干涉，系统的效率反而会更低。”他进一步补充说：“不过，在有些情形下，例如阳光过强时，低效的系统反而会对有机物有利。这种效率对于能量穿越生物系统所起到的作用仍是我们正在探索的深层次问题之一。”
 
　　“另一个问题是在自然中这种量子效应的分布有多广泛，”弗莱明说，“对于量子原理产生可观测效应来说，极其快速的光合作用过程是关键。”他解释说：“在真实情况下，量子效应持续时间非常短暂。但在几分之一秒内就能完成光子激发及能量转移的光俘获系统中，某些在生理学上具有重要意义的过程则发生得更快；而在生物学的其他方面，这在多数情形下都不会发生。”
 

资料来源 The Scientist

责任编辑 则 鸣