细菌也懂得利用量子力学吗？
2021/4/16 17:27:31 中国科普博览
作者 | wj
来源 | 墨子沙龙
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。
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。
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。
Mark Taylor/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？
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；
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。
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”。
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。
内容来源：https://news.uchicago.edu/story/bacteria-know-how-exploit-quantum-mechanics-uchicago-study-findshttps://www.pnas.org/content/118/11/e2018240118
(文中未注明出处的图片来自网络)
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