细菌也懂得利用量子力学吗?
Source: Time:2021-04-01
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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(Chlorobium tepidum)

 

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Greg Engel如此说。

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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研究人员研究了有氧无氧环境下

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(vibronic coupling)

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;

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。

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。

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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”。

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

我们还不知道、全新的自然选择法则

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