量子力学|细菌也懂得利用量子力学吗？科学家发现

科学家发现，绿硫细菌会主动利用量子效应
来调节光合作用进程。
太阳是地球上万千生命的生长源泉，
通过光合作用，太阳光被转化成化学能。
作为生物界规模最大的有机物合成过程，
光合作用可以说是对生命最重要的化学反应。

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能进行光合作用的生物，
除了我们常见的绿色植物之外，
还有一些光合细菌，例如，
绿硫细菌(Chlorobiumtepidum)！
最近，美国科学家发现，
绿硫细菌能利用量子力学效应
来调节光合作用的进程。
“我们第一次看到生物主动利用量子效应。 ”
论文作者GregEngel如此说。

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图片来自https://engelgroup.uchicago.edu
绿硫细菌是世界上最古老的光合细菌之一，
早在遥远的三十多亿年前，它就诞生了。
早期的地球极端缺氧，
绿硫细菌是一类厌氧型光合细菌。

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MarkTaylor/Shutterstock
研究人员研究了有氧和无氧环境下
绿硫细菌的光合作用表现：
在光合蛋白中，能量是如何转移的？
又是什么控制了能量转移途径的选择？

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电子振动耦合（vibroniccoupling）
这一量子效应，是问题的关键！
它引导能量向哪里转移。
“vibronic”一词源于
vibrational(振动的)和electronic(电子的) ，
指的是这样一种概念：
在分子中，电子运动和核振动相互牵连——
两者深深的交织在一起，浑然不分。
在绿硫细菌体内，
一种叫做FMO的复合物，用于捕获光能；
而菌绿素，就像植物叶绿素一样，
是光合作用发生的场所。
在无氧状态下，
FMO的两个电子态的能级之差
和菌绿素分子的振动能量一致。
于是，通过电子振动耦合，
开启了一条能量转移的“高速公路” ，
能量畅行无阻地直通光合作用的“反应中心” ，
那里充满了菌绿素分子。

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当环境中富含氧时，
情况就变得很不一样了。
FMO复合物中的一对半胱氨酸残基
和环境中的氧发生反应，各自失去一个质子。
这打破了电子态能级和分子振动能的和谐。
电子振动耦合被破坏，
能量传输的“高速公路”也就被中断了，
能量转而走通往各处的其他道路，
在那里，能量被不断损耗。
这一机制是生物进化的选择，
绿硫细菌虽然损失了能量，
但却免受了氧化性损伤，得以“保全小命” 。

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通过调控量子效应来实现生存选择，
这给生物学研究带来启示。
对分子中的量子力学耦合进行动态调节，
这一简单机制如果存在于更多生物演化中，
那么，可能有一套
【量子力学|细菌也懂得利用量子力学吗？】我们还不知道、全新的自然选择法则。