七君

量子力學與光合作用

量子力學是當前大熱的研究領域，目前認為量子力學在化學中具有核心位置。比如，量子相干和量子糾纏決定了共價鍵的形式。而化學又是生化過程（生物體內進行的化學反應）的基礎，因此不難想象，量子力學也是生化反應的根基。

但是，隨著分子越來越大，量子相干就變得難以維持，所以大多數生化過程并不需要用量子力學來解釋，而只要用經典的球棍模型就可以了。就在20年前，當時的大多數學者還認為，量子力學在微觀上有用，在宏觀世界，比如生物世界的作用是微不足道的。

舉個例子，在微觀世界，粒子有一定概率可以“穿墻”，這叫做量子隧穿。雖然生物也是由粒子構成的，但是當粒子數增加時，穿墻的可能性也跟著減小了，因此我們在日常生活中是不可能見到有什么生物能穿墻的。

可是近年來，研究者們發(fā)現了量子力學在某些生物過程中的重要作用，尤其是解決了生物學的一個大難題——光合作用的效率。

在光合作用中，能吸收光子的光敏分子，如葉綠素叫做發(fā)色團。發(fā)色團吸收特定波長的光子，其中一小部分光子的能量被轉化為熱量，也就是分子的振動，而大部分則變成了激子，也就是一種類似于粒子的能量包（圖1）。

傳統模型，葉綠素發(fā)色團（綠色）間傳遞的激子（紅色）一步一步走到反應中心（橙色）

激子這種能量包要被傳導到一個集中處理站——光合反應中心，才能被用于生命活動?？墒?，發(fā)色團聚集成了一個類似于太陽能板的陣列——天線色素（見圖1），而某個發(fā)色團產生的激子要到達光合反應中心，需要穿越其他發(fā)色團。傳統理論認為，激子在發(fā)色團之間的傳遞像是隨機亂傳的，從一個發(fā)色團隨機傳給另一個，直到最后到達光合反應中心?？墒沁@樣激子要經歷成百上千的發(fā)色團才能到達目的地，而每轉手一次，就會損失一次能量。如果光合作用的能量傳輸過程真的如此，那么它的理論效率就只有50%。

但是，光合作用的效率是95%，超過人類已知的其他能量轉化效率，而且發(fā)生十分迅速，這是傳統理論無法解釋的矛盾。2007年，加州大學伯克利分校勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家Fleming 的團隊利用能進行光合作用的綠硫細菌（Chlorobium tepidium）發(fā)現，激子的傳遞過程實際上利用的是量子相干性。原來，激子具有波粒二象性，它類似于一個向四面八方傳播的漣漪，可以同時探索池塘內，也就是發(fā)色團的所有通道，找到到達光合反應中心最有效的一條途徑。Fleming 解釋：“量子相干性在光合作用的能量傳遞過程中起到了很大的作用，揭示了能量傳輸的效率。激子可以同時搜索所有的能量傳輸通道，找到其中最有效率的那條?！保▓D2）

在量子理論中，激子可以同時計算各種路徑，找到到達光合反應中心（橙色）最有效的那一條

2010年，多倫多大學的 Gregory Scholes 發(fā)現，海洋中隱藻門藻類也具有類似的量子相干性。

就這樣在短短的20年里，量子生物學被創(chuàng)造了出來，并成了一個欣欣向榮的學科分支。研究者們也發(fā)現了越來越多的傳統理論無法解釋，但可由量子力學解釋的生物現象，比如酶的催化效率、嗅覺的機制、鳥類對地球磁場的感受。比如歐亞鴝（Erithacus rubecula）能感受地球的磁場，但卻無法分辨南北，這個現象很難用經典理論解釋，但卻可以用量子力學說明。

量子力學與基因突變

量子力學還與基因突變關系密切。DNA 的雙螺旋結構類似于一個旋轉上升的梯子，梯子的每個“臺階”實際上是氫鍵。氫鍵是連接左右兩個堿基的一個質子，而這個質子通常略微更靠近臺階的某一邊（圖3）。

DNA 上的氫鍵和堿基（AGCT）

1963年，諾貝爾物理學獎委員會成員、瑞典物理學家佩爾-奧洛夫·勒夫丁（Per-Olov L? ? wdin）在發(fā)表在《Reviews of Modern Physics》上的一篇文章中提出一種理論設想：在 DNA 復制的過程中，氫鍵上的質子可能處于某種量子態(tài)之中，如果這個質子靠近“臺階”錯誤的一邊，那么 DNA 就會發(fā)生變異，而質子的這種錯誤可由量子隧穿引起（圖4）。

具體來說，在 DNA 復制時，堿基之間的氫鍵斷裂，可以和新的核苷酸組合。正常情況下，堿基A（腺嘌呤）和T（胸腺嘧啶）結合，C（胞嘧啶）和G（鳥嘌呤）結合。但是，核苷酸可能因為質子隧穿而發(fā)生改變，A就會變成 A*，T變成 T*。讓勒夫丁感到擔憂的質子的這種亂來就叫做互變異構化（tautomerization）。別看只是頭上戴了朵花，整個堿基的氣質都會發(fā)生變化。A* 和 A 不同，它不愿意和正經對象 T 結合，而更容易和 G 的對象 C 結合。而 T* 也看不上 A，更容易和 G 結合，整一個大亂燉，這就會導致突變（圖5）。

正常A-T堿基對（上）和互變異構化后的A*-T*堿基對（下）

勒夫丁的這種設想在30年后出現了一些間接證據。在過去，生物學家接受的普遍教育是，突變應該是隨機發(fā)生的，因此各種突變的發(fā)生概率應該差不多，正如理查德·道金斯在著作《盲眼鐘表匠》（The Blind Watchmaker）中提出的那樣，evolution is blind（演化是盲目的）。

可是在1988年，哈佛大學的生物學家 John Cairns 和同事發(fā)現了一個不符合傳統進化論的奇特現象：大腸桿菌（E. coli）可以迅速獲得有利突變。

他們將無法消化乳糖的大腸桿菌放在只有乳糖的培養(yǎng)皿里。結果，這些大腸桿菌出現了能夠消化乳糖的突變，而這個突變的發(fā)生速度遠超理論預期，也就是突變隨機發(fā)生的情況。為了解釋大腸桿菌的這種奇怪突變，英國薩里大學的生物學家 Johnjoe McFadden 想到，這或許和量子力學有關。于是，他開始向該校物理學家Al-Khalili求助。利用勒夫丁的理論，Al-Khalili 和 McFadden 提出，實際上在觀測之前，DNA 氫鍵上的質子處于疊加態(tài)中，也就是說它并沒有確定自己會倒向突變的那一邊，還是沒有突變的那一邊。

以不會吃乳糖的大腸桿菌為例。在遇到乳糖前，大腸桿菌處于既有可能消化乳糖，也有可能無法消化乳糖的疊加態(tài)。Al-Khalili 和 McFadden 繼而通過計算指出，乳糖分子的存在使質子的狀態(tài)向能夠消化乳糖的方向塌縮，這就解釋了為什么大腸桿菌的變異速度超過經典理論的預期。在這些研究的鼓舞下，一些雄心勃勃的研究者認為，在攻克癌癥方面量子力學將是一個突破口。2013年，慕尼黑大學的化學家 Frank Trixler 甚至提出，DNA 的氫鍵上發(fā)生的質子隧穿現象正是物種演化的起源。

不過，關于量子世界是否支配一些基本的生物過程，學術界還有相當大的爭議。量子生物學需要更多的證據才能支撐這些大而美的假說。在謎底揭曉前，讓我們暫時享受這疊加著期待和懷疑的奇妙等待吧。