量子生物學的新爭論

2023-04-01 09:45:12 1

一篇新發表的論文重新審視了有爭議的「量子光合作用」概念。

我們知道亞原子粒子遵循一套奇怪的數學規則。它們的一些屬性只能有特定的值，有時它們可以同時有多個不同的值，或者這些值是相互交織的。我們稱這些奇怪的現象為量子效應。

很長一段時間以來，一些科學家一直在想這個奇怪的量子現象是否也在生物學中扮演著重要的角色。尤其是在提高光合作用效率方面？事實上，科學家對量子生物學的研究可以追溯到量子力學的早期(詳見「量子生物學的起源」)，但直到最近幾年，它才作為一個可以科學驗證的概念站在科學研究的舞臺上。

在過去的十年裡，量子生物學的研究取得了巨大的進展。科學家已經從量子生物學的角度研究了許多生物系統，從視覺到光合作用，到鳥類導航等等。2007年，著名的《自然》雜誌發表了一篇論文，研究人員在論文中描述了他們從實驗中發現的量子相干性在光合生物系統的能量轉移過程中起著關鍵作用。這個結果已經公布，引起了很多爭議。

2007年，《自然》雜誌發表了一項研究，表明植物的能量生產過程與量子相干性有關。|圖像來源:自然

2007年，來自加州大學伯克利分校、華盛頓大學、聖路易斯和勞倫斯伯克利國家實驗室的一組科學家測量了一種叫做FMO複合體的光合細菌。FMO複合體是一種細菌葉綠素，由色素和蛋白質分子組成。我們可以在綠色硫細菌中找到它們。它就像一根「能量」線，將細胞收集陽光的部分與光合作用反應中心連接起來。

FMO情結。|圖片來源:朱利安·阿道夫斯/維基共享資源

在實驗中，研究人員將FMO複合體冷卻到零下196℃，然後測量它在雷射脈衝刺激下的反應。結果，觀察到振蕩模式。他們將振蕩歸因於電子的量子相干性，因此認為這表明光合作用生物系統呈現多個電子態的相干疊加，以便找到最有效的能量轉移路徑。

這項實驗發表後，掀起了量子生物學的研究熱潮。科學家已經開始探索奇怪的量子效應將如何在生物學中出現，以及這些效應將以何種形式出現。

與此同時，自這篇論文發表以來，一些科學家一直懷疑這種振蕩模式是否真的是由量子相干引起的。他們懷疑光合作用是否真的需要量子相干來達到最大效率。

德國馬克斯·普朗克材料結構和動力學研究所的德韋恩·米勒是質疑的聲音之一。4月3日，作為一名通訊作者，米勒在《科學進步》雜誌上發表的一篇綜述論文中駁斥了FMO複合體給出的振蕩模式的量子解釋。

○2020年4月3日，《科學進步》發表了一篇綜合論文，駁斥了2007年發表的研究。照片來源:科學進步

這篇論文綜合了從過去許多實驗中收集的證據，證明這個電子的量子相干性是錯誤的。他們指出，原子振動也可以表現出這種相關的行為，並產生類似的觀察結果。然而，很難區分這種觀察結果是由哪種機製造成的。

此外，新論文還指出，2007年的實驗是在-196℃的極端溫度下進行的。然而，從室溫下進行的類似實驗來看，雷射刺激下FMO複合物的量子相干性只能持續幾十飛秒(1飛秒= 10秒)。然而，如此短的時間根本不足以影響光合作用的能量轉移效率。

因此，這篇新論文的結論是，這種生物體中的能量轉移過程只是一個非相干的「跳躍」過程，一個由陽光引起的激發態在分子間跳躍的過程，而不是一個由量子力學的奇異性支配的過程。

加州大學伯克利分校的化學教授格雷厄姆·弗萊明是2007年論文的作者之一。他說，新論文中提到的那種原子振動不能在另一種光合作用光收集化合物上複製他們的觀察結果。現在，他們已經開始使用更先進的光譜技術來分析這些分子的振動光譜。然而，米勒堅持認為弗萊明的論文沒有表明這種光合生物系統的能量轉移過程是一個量子相干過程。

然而，這並不意味著量子生物學已經結束，因為在生物系統中仍然存在量子力學宏觀表現的可能性。例如，研究表明量子過程是鳥類導航系統背後的原理。其他人推測我們的視覺和嗅覺也可能與量子生物學有關。這些都是需要更多探索才能給出答案的問題。然而，從這篇新的綜述文章來看，光合作用似乎不像一些科學家想像的那樣具有奇怪的量子特性。

參考來源:

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

資料來源:geralt/Piaxabay