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[转载]生命科学里的量子力学:光合反应里的量子效应

(2020-02-25 15:45:11)
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我想给大家介绍一个新兴的科学领域, 这个领域还处在理论阶段,但也很激动人心, 当然目前发展也很迅猛。 量子生物学提出了一个非常简单的问题: 量子力学—— 这是个关于原子和分子的亚原子世界理论, 一个既神秘又奇妙还很强大的理论, 也是支撑着现代物理学和化学的理论—— 那它是否也在活体细胞里起着重要作用呢? 换句话说:在生物体当中, 是否有一些过程、生理反应、现象, 是只能借助量子力学来解释的呢? 其实量子生物学也不算新学科; 它的历史可追溯至20世纪30年代。 但是直到十年前左右,才有了周密的实验—— 就是在生化实验室,利用光谱仪来做的实验—— 结果给出了非常明确有力的证据,说明确实有某些生理反应 需要通过量子力学来解释。

1:16量子生物学集合了物理学家、生化学家 和分子生物学家——是一个极其跨学科的领域。 我来自量子物理学领域,是个核物理学家。

1:27我花了三十多年的时间 来试图理解量子力学。 Niels Bohr,量子力学之父之一, 说过,谁要是第一次听到量子理论时没有感到震惊,那他一定没听懂。 我还蛮庆幸自己现在还挺震惊的。 这是个好事。 这是个好但这也说明我研究的只是这个宇宙最小的结构, 这个建立现实世界的一砖一瓦。 要想知道这个结构的大小,那么我们从网球这种日常物品开始吧, 然后将物体按大小将序排列—— 从针眼,到细胞,到细菌,再到酶—— 最后才到纳米世界。

2:08你们也许都听过纳米技术这个词。 一纳米就是十亿分之一米。 我的研究领域是原子核,也就是原子当中的那小个点。 它体积比这更小。 这就是量子力学的领域, 而物理学家和化学家花了很长的时间 来努力适应这个领域。 而生物学家,在我看来,很轻松就避开了它。 他们很满足于这些分子球棍模型。

2:37(笑声)

2:38这球指的是原子,棍负责把原子连在一起。 如果在实验室里无法建立起实体的分子模型, 现在,他们也可以用强大的电脑 来建立模拟的巨大分子模型。 这个蛋白质由100,000个原子组成。 这不怎么需要量子力学来解释。 量子力学从上世纪20年代开始发展。 这是一套美丽而又强大的数学法则和理念, 帮人们理解这个世界最小的结构。 这是个和我们日常生活很不一样的世界, 它由数万亿个原子组成。 这是个建立在机率和概率之上的世界。 是个模糊的世界。 是个幽灵的世界, 在这里,粒子们也可表现出散开的波状形态。

3:29如果我们把量子力学或量子物理学想象成 现实世界的最根本基础,那么, 量子物理学支撑了有机化学, 这种说法就不足为奇了。 毕竟,它有一套原则, 解释了原子如何组合在一起,从而建立起一个有机分子。 有机化学,随着复杂度的增加, 又建立了分子生物学,而它又将我们带入生命科学。 所以,从某个角度来说,这不足为奇。 这算是鸡毛蒜皮了。 你会说,“嗯,生命当然最终要靠量子力学来解释。” 但此外的一切也都是如此。 所有无机物,也都是由数万亿个原子组成的。

4:07最后,我们得在量子的层面上 来探究这领域的神秘之处。 但在日常生活中,我们会忘记它的神秘感。 因为,当数万亿个原子聚集在一起时, 量子的神秘感就消失了。 量子生物学说的不是这个。 量子生物学没这么浅显。 当然,量子力学在分子水平上支撑着生命。 量子生物学旨在寻找重要的东西—— 量子力学当中的反直觉观念—— 然后了解它们是否会在 描述生命进程中起到重要的作用。

4:53我有一个完美的例子来解释 量子世界的反直觉观念。 这是个量子滑雪者。 他看起来很完整,看起来很健康, 但是,他也好像同时穿过了那棵树的两边。 嗯,当然,如果你看到这样的滑雪轨迹, 你可能会觉得这是某种特技。 但在量子世界里,这无时不刻都会发生。 粒子是可以进行多任务处理的,它们可以同时出现在两个地方。 它们在同一时间能执行多项任务。 它们好像散开的涟漪一样。 就好比魔术。

5:26物理学家和化学家用了近一个世纪 来适应这种神秘之物。 我也不怪生物学家 不用或不想学习量子力学。

5:36你们看,这种神秘是很微妙的; 我们物理学家在实验室里下了很大功夫来稳定它。 我们把我们的系统冷却到接近绝对零度, 在真空中进行我们的实验, 我们努力将其从任何外界干扰中分离出来。 那和活体细胞里温暖、凌乱又嘈杂的环境大相径庭。 生物学,就分子生物学而言 ,它似乎在化学——化学反应方面 非常好地阐释了所有的生命进程。 而这都是还原论、确定性的化学反应, 它们显示,生命的成分说到底和其他事物一样, 而且我们要是可以在宏观世界里忘掉量子力学, 那我们也可以在生物学中忘掉它。

6:26然而,有个人不同意这个观点。 那就是埃尔温·薛定谔,他有个著名的薛定谔猫实验, 是个奥地利物理学家。 他是20世纪20年代量子力学创始人之一。 1944年,他写了本书叫做《生命是什么?》 这本书影响巨大。 它影响了弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森, 就是发现DNA双螺旋结构的那两个人。 在书中,他表达了这样的意思: 在分子水平上,生命体有着某种秩序, 一种结构,使其和其他随机的热力学原子冲撞 以及一样复杂的无机质分子 有着天壤之别。

7:12实际上,生命体似乎就是在一个结构中,以这种秩序运转着, 就好像被冷却到近绝对零度的无机质一样,量子理论在这里起到了很重要的作用。 活体细胞中的这个结构——这个秩序—— 有着一些特别之处。 所以,薛定谔推测,也许量子力学在生命学当中起到了某些作用。 这是个极具推测性的且影响深远的观点,但也没怎么发展下去了。

7:44但正如我一开始说的, 在过去10年做了些实验, 实验结果显示生物学中的某些现象 确实需要量子力学来解释。

7:54我想和大家分享几个最激动人心的实验。 这是量子世界里最有名的现象之一, 叫做量子隧穿。 左边的框里有一个量子实体,它像波一样扩散开来—— 这是个像电子一样的粒子, 它和从墙上反弹回来的小球不一样。 它是一个波,可以穿过 一个实心墙,像个幽灵似地从一边穿透到另一边。 你在右手边的框里可以看到一些微弱的光斑。 量子隧穿表明,一个粒子能够撞上一堵无法穿透的墙, 然而却又能像魔术一样, 从墙的一侧消失并出现在另一侧。 用最好的方法来解释的话,就是说如果你要把一个球扔到墙的另一侧, 那你要给它足够能量让它越过墙顶。 但在量子世界里,你不需要将它从墙顶上扔过去, 你只要往墙上扔就好了,然后这个球会在你这侧消失并出现在另一侧, 而这个概率为非零。

8:56这不是推测,顺便提下。 我们很高兴——额,“高兴”这个词用得不对——

9:01我们是熟悉这个的。

9:05(笑声)

9:07量子隧穿随时随刻都在发生; 实际上,这也是太阳发光的原因。 粒子融合在一起, 然后太阳通过量子隧穿将氢转化为氦。 七八十年代的时候,人们发现活细胞中 也有量子隧穿。 酶,为维持生命努力运作着,是化学反应的催化剂—— 酶这种生物分子加快了活细胞中的化学反应, 规模大小不一。 但它们是如何做到这点的,至今任是一个谜。

9:42嗯,人们发现 酶发展出了一种方法, 就是通过传送亚原子粒子,例如电子和当然还有质子这种, 酶通过量子隧穿将它们从分子的一部分传输到另一部分。 这效率非常高,很快,它—— 一个质子能从一个地方消失,然后在另一个地方再出现。 而酶使之成为可能。

10:07这个研究是在80年代进行的, 其中Judith Klinman带领的一个伯克利的团队作用尤其突出。 另一些英国的团队现在也已肯定 酶有这种能力。

10:20我的团队做的研究—— 我之前说过,我是个核物理学家, 但我也意识到,我已在原子核领域应用了量子力学, 那么我也可以把它也应用到其他领域。 我们提出的一个问题是 量子隧穿在DNA变异中是否也发挥着作用。 这仍然不是个新概念;它任然要追溯到60年代早期。 DNA分子链,即双螺旋结构, 是由像阶梯一样的东西连接在一起的;像是个扭曲的梯子一样。 而这些梯子上的阶梯就是氢键—— 质子,其作用是将两束分子链黏合在一起。 那么放大来看,你就会发现它们将这些大分子—— 核苷酸——聚合在一起。 再放大一点看: 这是个电脑模拟。 中间的两个白色的球是质子, 你们看得到这是双氢键。 其中一个喜欢待在这端;另一个,则待在双链的另一端, 这是纵向走向的,你们看不到。 这两个质子也有可能跳到另一端。 看着两个白球。 它们可以跳到另外一端。 如果DNA双链分开了,引发复制过程, 而恰好这两个质子的位置错了,那么就会导致变异。

11:42这个现象已为人所知半个世纪了。 但问题来了:它们发生错误的概率是多大, 如果它们出错了,又是怎么出错的呢? 它们就这样跳到另一端,就好像那个球越过那堵墙那样吗? 还是它们在没有足够能量的情况下,也能实现量子隧穿那样的穿越呢? 早期研究提出量子隧穿可能在这发挥了作用。 我们还不知道其重要性有多大; 目前还没有确切答案。 现在只有推测, 但如果说量子力学会影响变异的话, 这就是个非常重要的问题之一了, 对于理解某些类型的变异, 甚至是可能导致细胞癌变的变异, 这当然这有着非常重大的意义。

12:21生物学中另一个量子力学的例子是, 生物学中最重要的一个过程之一, 光合作用里的量子相干性:植物和细菌吸收了光照, 并利用其中的能量来制造生物质。 量子相关性指的是量子实体同时执行多任务的现象。这是个量子滑雪者。 这个物体表现得像波一样, 所以它的移动不是单一方向的, 而是同时能够走不同的路线。

12:53几年前,一篇论文的发布震惊了科学界, 它提出实验证明量子相干性 存在于细菌中, 执行着光合作用。 这个观点说的是,光子,即光粒子,阳光, 光量子被叶绿素捕捉到后, 被传递到叫做反应中心的地方, 在这里它被转化成化学能量。 而到达反应中心的路线不止一个; 光量子会同时走多个路线, 最后找出最高效的路线达到反应中心, 从而不会消耗成余热。 量子相干性效应也存在于活细胞里。 这是个卓越的观点, 而目前每周也都有新证据、新论文发表来证明这个观点, 证明这个现象的确存在。

13:44我的第三个也是最后一个例子,是个非常美丽奇妙的观点。 同样也极具推测性,但我要和你们分享一下。欧洲斯堪的纳维亚的知更鸟 每个秋天都会迁徙到地中海, 就和许多其它海洋动物甚至是昆虫一样, 它们都靠感应地球磁场来感知方向。 地球磁场非常的弱; 它比我们的冰箱贴还弱100倍, 然而它却影响着生物体中的化学反应。 毋庸置疑——德国的鸟类学家夫妇 Wolfgang和Roswitha Wiltschko在20世纪70年代确认,知更鸟的确通过感应地球磁场来探路, 从中获取方向信息——这是一种内置的指南针。

14:36令人不解的谜团是:它们是怎么做到的? 嗯,我们现在只有一个理论-- 我们不确定这个理论是否正确,但目前只有这么一个理论-- 就是,它们是通过一个叫做量子纠缠的效应来实现导航的。 在知更鸟的视网膜里--我可不是开玩笑啊--在知更鸟的视网膜上有一个蛋白质 叫做隐花色素,它对光很敏感。 在印花色素里,有一对相互纠缠的电子。 量子纠缠意味着两个粒子相距甚远, 却又能彼此保持联系。 连爱因斯坦都讨厌这个观点; 他把它叫做“鬼魅般的超距作用。”

15:11(笑声)

15:13那么如果爱因斯坦不喜欢这个观点,那么我们就有理由也不喜欢。 单细胞当中的两个有着量子纠缠关系的电子 跳着非常微妙的舞蹈, 并对鸟类在地球磁场里 飞翔的方向很敏感。

15:25我不知道这么说对不对, 但是哇哦,如果量子力学能帮助鸟类感知方向,这不是很激动人心的事吗? 量子生物学还处在婴儿时期。 还处在推测阶段。 不过我相信它是建立在严谨科学之上的。 我也认为在接下来十年左右, 我们会看到,其实它在生活中无处不在—— 生活已经演变出了许多利用量子世界的技能。 请关注这个领域。
TED  talk, Jim Al-Khalili的演讲

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