说起光合作用，相信大家都不陌生。我们从中学的课本中就了解到，这是一种植物或其他生物将阳光转化为化学能量的反应过程。或许你会认为我们应该已经对光合作用了如指掌，但事实却并非如此。对科学家来说，即使是最为基本的概念，也仍有可能挖掘出新的发现，光合作用也不例外。
5月21，《自然-化学》杂志刊登了一项新的研究。
科学家发现参与光合作用的分子能像非生命物质那样，表现出相同的量子效应。尽管在此之前，就有研究指出，
量子相干性在光合作用的能量传输过程中扮演着重要作用。但这次是科学家
第一次在涉及到光合作用的生命系统中证实了量子效应的存在。该研究不仅能帮助我们更好地理解植物、阳光以及与其相关的许多事物，还可能为我们带来酷炫的新技术。
量子难题
一直以来，与生物系统中量子效应相关的研究就一直存在争议。对大多数人来说，量子力学要比光合作用要陌生得多。尤其是，它真的太奇怪了。费曼曾说：“我可以肯定地说，没有人真正理解量子力学。”为了解释这一奇异的理论，我们常常会用到一个现在大家耳熟能详的故事——薛定谔的猫。
简单说来，薛定谔的猫讲述的是这样一个故事：猫被锁在一个含有有毒物质的盒子里。如果有毒物质的瓶盖是由一个量子系统控制，那么它可能同时处于打开或闭合的状态，就意味着猫也就处于“生”和“死”的混合态。直到我们打开盒子对其进行观察，这种奇怪的特性就会坍缩，现实会“选择”其中一种状态，于是猫要么活着、要么死亡。这描述的恰恰就是电子的行为。电子可以同时处于两种状态，直到对它们进行测量。
量子效应通常发生于非常小的粒子，而且还得是在相对完美的实验室条件下，我们才能真正观测到这种效应。因此，要从一个有生命的、潮湿的且混乱的系统中发现量子的奇异现象是件很困难的事。
分子也疯狂
Fenna-Matthews-Olson（FMO）是一种由7个光敏分子组成的复合物，它是绿硫细菌在进行光合作用过程中发挥重要作用的组成部分。科学家对FMO进行了放大观察，这是一项科学家期待已久的研究，因为我们很早就知道它的结构，并且它很易于操作。
○FMO复合物的结构：晶体学研究发现，蛋白质亚基含有7个（后修改为8个）明确定义的结构菌绿素分子（BChl）。图片来源：[1]
在早期的研究中科学家就已经发现，有信号表明这种光敏分子或许能同时被激发成两种状态。这本身就证明了量子力学效应的存在。然而在这些实验中，这种效应持续的时间超过了1皮秒（0.000 000 000 001秒），比基于量子力学理论作出的预期时间要长得多。而新的研究指出，之前研究中所报道的量子效应其实只是分子中的常规振动，它与量子并没有什么关系。
但是多年以来，研究人员一直对量子生物学的可能性而感到兴奋。因此，在反证了早期实验之后，他们继续探索，试图搞清楚我们是否真的可以在生物系统中，观察到“薛定谔的猫”那样的现象。
分子的叠加态
结果是，他们做到了！通过运用一种被称为二维电子光谱的技术，研究人员用不同偏振的光对绿硫细菌进行了测量。一个光子会激发这些分子中的两个，但能量是叠加在这二者之上的。这就像同时活着又死亡的薛定谔的猫一样——其中一个或另一个分子会被光子所激发。更重要的是，这种效应持续的时间与理论预测的结果完全一致。
○绿硫细菌的光合复合物。绿色和黄色圆圈所在位置显示的是两个同时受到激发的分子。 |图片来源：Thomas la Cour Jansen / University of Groningen
理论物理学家Thomas la Cour Jansen是论文的作者之一，他认为测量结果证明，生物系统表现出了与非生物系统相同的量子效应：“在叠加状态情况下，光谱应该显示特定的振荡信号，而这的确就是我们所看到的。不仅如此，我们还发现量子效应的持续时间与理论预测正好相符，这证明了这些量子效应属于同时叠加在两个分子上的能量。”
研究人员认为，此次研究中所发展出来的观察技术适用于各种系统——无论是生物系统还是非生物系统。这意味着它或许能带来工程效益，例如有助于发展出更好的太阳能电池板、能量储存、甚至是量子计算机。当然，也是时候在课本上为光合作用添加新的知识点了。
参考来源：
发表于 2018-5-24 14:25
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