量子生物学：植物如何利用量子力学

量子生物学正越来越受欢迎，它提出了一个非常有趣的问题：是否存在需要量子力学才能发挥作用的生物过程？量子过程通常需要在非常特定的条件下才能工作，当物理学家探索量子效应时，实验的环境通常在接近绝对零的温度下，使用非常昂贵的设备完全隔离。因此，这些相同的过程发生在现实生活中似乎很奇怪。但过去十年的实验表明，情况确实如此。

故事开始于2007年4月，一群麻省理工学院的物理学家正在分享他们发现的科学文章，其中一篇文章暗示植物是微型量子计算机。这种提议马上得到了这群物理学家的嘲笑声，几十年来人们一直在努力创造一台量子计算机，难道这些愚蠢的植物会比人类聪明？我们很快就会看到，他们笑起来是多么愚蠢。

首先，让我们谈谈为什么会有人提出这种说法。植物作为量子计算机，听起来确实有点牵强。要理解这一点，我们首先要理解生物学中一个非常古老的谜题：为什么光合作用这么有效？

地球上的光合作用每秒可以产生超过15000吨的生物质，即使在如此大的规模上，光合作用也只是一种化学反应。植物吸收二氧化碳、水和阳光，并将这些成分转化为糖、氧气和可用能量。光合作用的整个过程发生在植物细胞内的叶绿体中，并且它充满了称为叶绿素的小绿色色素。

要了解阳光如何从光子变成可用的能量，我们需要了解叶绿素化学的一些背景知识。这些分子有很长的碳和氧主链，一个大的碳和氮网格围绕着单独的镁原子。这使得镁的最外层有一个电子几乎没有“挂在”那里，因此，当一个光子进入时，它的能量会将该电子从镁上击落。

通常我们认为镁离子是一个整体，它只是失去了一个电子而带正电。但为了让这一切有意义，我们需要稍微重新构建它。把它想象成一个中性镁、一个电子和一个带正电的空穴在电子的位置。这时候，空穴和电子被称为激子，它可以储存能量。为了从阳光中获取能量，植物需要将该激子送到反应中心，以进行电荷分离的过程。这个过程涉及从镁中获取电子并将其转移到附近的一些分子，以便它可以产生稳定的分子，那里就是产生光合作用的化学过程。

但是，转移激子是困难的。叶绿体可以将能量从一个叶绿素转移到另一个叶绿素，直到它到达反应中心，但这条路径真的很远。此外，叶绿素超级密集地堆积在一起，那么激子如何知道该走哪条路？多年来，我们认为它随机地进行转移，直到进入反应中心。但这样的过程会使激子容易丢失而不是进行化学反应，然而现实中光合作用是百分百发生，几乎不会发生电子丢失。这比任何人们发明的技术都要有效，经典化学无法解释如此高效的过程。

这是生物学中一个长期存在的难题，麻省理工学院的物理学家都在嘲笑的文章是在建议用量子效应来解决这个问题。叠加效应是量子力学中的一个主要思想，一个量子粒子在被测量之前，它以波的形式同时出现在所有地方。一旦被测量，它就会在一个位置坍缩成一个粒子。当量子粒子在岔路口时，它不需要进行选择，量子效应可以使它遍历所有路径。这正是这篇文章所提到的，激子可以通过所有可能的路径而到达反应中心。

仔细想想，这种解释实际上是有道理的，那为什么这些物理学家都在嘲笑呢？这是因为所有量子过程的最大敌人是一种叫作退相干的东西。上述提到，叠加效应只能持续到被测量之前，在量子力学中，测量意味着这个波粒子与任何东西相接触。当它处于波动状态时，就是处于相干状态，当它被测量或破坏时，就是退相干。退相干是物理学家在处理量子力学效应时需要特定条件的原因，也就是文章一开头所提到的。

在我们的宏观世界中，有如此多的粒子在四处弹跳，以至于相干性无法持续足够长的时间而无法被检测到。这就是日常生活看不到量子效应的原因，这也是创造量子计算机的主要难点。物理学家想出了各种办法来保护这些珍贵的粒子免受外界的伤害：将它们冷却到很低的温度并试图将它们完全隔离。但在当时，没有任何方法可以完全阻止退相干。

现在，这篇文章是在暗示植物可以在正常的温度和条件下避免退相干。于是，麻省理工学院的物理学家之一塞斯・劳埃德决定深入研究，他的研究结果引起了大轰动。

实验使用一种称为二维傅里叶变换能谱的技术，使得研究小组能够探究光合复合物的内部结构。他们向其中发射了三个连续的激光脉冲，产生了一个光信号，然后被探测器接收到。如果激子之间真的存在相干性，他们应该能够看到不同路径之间的干涉或所谓的量子拍。

在整理数据之后，研究人员最终得到了他们想要的东西：一个上升和下降信号，可能是波干涉时产生的模式。换句话说，这个量子拍表明激子不是通过叶绿素迷宫的单一路线，而是同时沿着多条路线前进。从那时起，科学家又进行了许多实验，也都证实了这一结果。

尽管这种量子拍不断出现，但对于如何解释它仍然存在一些反对意见。该领域的一些专家认为它是由分子振动引起的，而与相干性无关。也有一些人认为这确实是相干性的证据，但它的幅度太小，不可能起源于激子。