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第三百八十八章 量子生物学

    癌症令人闻之色变,而量子力学又是大热的研究领域,把癌症和量子力学结合在一起,很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。

    但是一些学者却指出,量子力学可能是dna发生突变,导致复制错误的物理原理,他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。

    21世纪的化学家们大都同意,量子力学在化学中具有核心位置。比如,量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础,因此不难想象,量子力学也是生化反应的根基。

    但是,随着分子越来越大,量子相干就变得难以维持,所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释,而只要用经典的球棍模型就可以了。

    在20年前,想要用量子力学来解释生物过程,不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为,量子力学在微观上有用,在宏观世界,比如生物世界的作用是微不足道的。

    他们这样看也不无道理。举个例子,在微观世界,粒子有一定几率可以“穿墙”,这叫做量子隧穿。

    虽然生物也是由粒子构成的,但是当粒子数增加时,穿墙的可能性也跟着减小了,因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙。

    英国萨里大学的物理学家jimal-khalili回忆:“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向,他们认为这太扯了。”

    可是近20年来,研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用,尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

    在光合作用中,能吸收光子的光敏分子,如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子,其中一小部分光子的能量被转化为热量,也就是分子的振动,而大部分则变成了激子,也就是一种类似于粒子的能量包。

    传统理论中,在叶绿素发色团(绿色)间传递的激子(红色)一步一步走到反应中心(橙色)。来源:lucyreading-ikkanda

    激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心,才能被用于生命活动。可是,发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素(见上图),而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心,需要穿越其他发色团。

    传统生物理论认为,激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花,从一个发色团传给另一个,直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做frster耦合。

    可是问题来了,激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地,而每转手一次,就会损失一次能量。也就是说,走的冤枉路越多,光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量传输过程真的如此,那么它的理论效率就只有50%。

    但是,光合作用的效率是95%,超过人类已知的其他能量转化效率,而且发生十分迅速,这是传统理论无法解释的矛盾。

    加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家grahamfleming如此驳斥传统模型:“经典的跳跃模型不正确也不充分,它对真实过程的描述是错误的,而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释。”

    可是长久以来,大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿。但是在2007年,这种看法被打破了。fleming的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌chlorobiumtepidium发现,激子的传递过程实际上利用的是量子相干性。

    原来,激子具有波粒二象性,它类似于一个向四面八方传播的涟漪,可以同时探索池塘内,也就是天线色素中的各种通道,找到到达光合反应中心最有效的一条途径。

    在量子理论中,激子可以同时计算各种路径,找到到达光合反应中心(橙色)最有效的那一条。来源:lucyreading-ikkanda

    fleming解释:“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用,揭示了能量传输的效率。(激子)可以同时搜索所有的能量传输通道,找到其中最有效率的那条。”

    2010年,多伦多大学的化学研究者gregoryscholes和同事发现,海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。

    就这样在短短的20年里,量子生物学的名词被创造了出来,并成了一