美解密植物光合作用中的量子纠缠

来源：科技部 日期：2010年05月14日

 

据美国物理学家组织网5月10日报道，美国科学家首次记录并量化了光合作用中的量子纠缠。

 

研究表明，在绿色植物中的光合作用中，量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性，量子纠缠能够在一个生物系统中存在并且持续一段时间。

 

相关论文发表在最新一期的《自然·物理学》杂志上。
 
绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，其转化效率接近100%。如此之高效率的关键在于传递速度，光合作用如何完成近乎瞬间的能量转移一直是个谜。

　　

加州大学伯克利分校的化学家格雷汉姆·弗莱明带领的研究团队曾在2009年的《物理化学年鉴》上指出：

 

通过光合作用得到的量子力学效应是绿色植物的一种关键能力，它可以瞬时地将捕光复合物分子中的太阳能，传输给光电反应中心的复合物分子，完成能量的转移。

　　

现在，包括弗莱明在内的一个联合研究小组确定，在绿色植物的光合作用中，量子纠缠是量子力学效应的一种自然属性。

 

之前的科学结论认为，量子纠缠是一种非常脆弱的状态，很难得到和维持，而研究人员现在证明，量子纠缠能够在一个生物系统中存在并且持续一段时间。

　　

研究人员在大量FMO复合物（FMO是绿硫细菌的一个分子聚合物，被认为是研究光合能量传递的模式分子）中发现了量子纠缠存在的证据，这些纠缠的持续时间一般为几皮秒（1皮秒=10-12秒），并会持续穿过大约30埃（1埃=10-10米，相当于一个氢原子的直径）的距离，直到激发能被反应中心捕捉到。这是科学家首次在真正的生物系统中捕获和量化量子纠缠。

　　

研究人员表示，这个持续时间很长的、非平衡的纠缠也会出现在如紫色光合细菌LH1和LH2等更大的捕光化合物中；而更大的捕光化合物也能够制造和支持更多的激发能来获得更多样的纠缠状态。

　　

该研究团队还发现，量子纠缠持续地存在于离散的捕光复合物的分子之间，而且温度对纠缠程度的影响微乎其微。

 

在量子信息领域，温度通常被认为对纠缠等量子特性非常不利，但是，在诸如捕光化合物的系统中，量子纠缠或可免受温度升高带来的影响。

　　

该研究团队最终的目的是要更好地理解自然界是如何在分子系统间传递能量，以及是如何将此能量转化为可利用形式的。

 

科学家表示，从一个分子向另一个分子传递能量的光合技术是大自然最令人神迷的才能之一。

 

如果我们能够学着模拟这个过程，就能够实现人造光合作用，从而有效地把太阳能转化为清洁、高效、可持续且碳中性的能源。

 

无处不在的一瞬间：光合作用中的量子物理
作者：Wired  翻译：赫娉

发布：2010年2月5日。

 

据《连线》报道，科学家们通过使用千万分之一秒的激光脉冲来激发单分子，揭示了光合作用中的量子物理过程，这也是植物和细菌以一种人类工程师也不能做到的高效率，将光转化成能量的过程。

图1：植物和细菌以一种人类工程师也不能做到的高效率，将光转化成能量的过程

 

图2：在光合作用细胞中的成千上万个天线蛋白（antenna proteins）就领略到了量子的魔力

 

图3：在生物学领域，量子物理过程应用十分广泛，特别在指南针细胞（compass cells）方面的研究中作用很大

 

网易探索：2月5日报道，据《连线》报道，科学家们通过使用千万分之一秒的激光脉冲来激发单分子，揭示了光合作用中的量子物理过程，这也是植物和细菌以一种人类工程师也不能做到的高效率，将光转化成能量的过程。

 

在光合作用细胞中的成千上万个天线蛋白（antenna proteins）就领略到了量子的魔力。

 

来自光敏分子中的自旋电子以及附近反应中心的蛋白质的能量，可以转化成驱动细胞的电能。在这个过程中几乎没有能量损失。这是因为量子会在多个选择路径中挑选出最短的捷径。

 

多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯（Greg Scholes）表示，“我比较喜欢的一种比喻就是，如果您有三条在下班高峰时驾车回家的路径的话，在任何时候你只需要其中的一条作为回家的路。你不知道此时其他的路径是否会更快或者更慢一些。

 

然而对于量子力学来说，你可以让这三条路线同时进行，来找出最短路径。

 

在你抵达目的地之前不需要指定你身在何处，因此你总会选择到最短的路径。”

 

斯科尔斯的发现发表在了3日的美国《自然》杂志上，也为多国有关光合作用的研究成果提供了连贯性的强有力证据。

 

两年前，一群由加州大学伯克利分校的化学家格雷格·恩格尔（Greg Engel）领头的研究人员发现了绿硫细菌（green sulfur bacteria）中天线蛋白之间的关系。但是他们的观测结果是在零下华氏300度以下的条件下得出的，这一条件对于减缓超高速量子运动十分有效，但是也留下了这样的问题，这种连贯性（coherence）在日常条件下也能得出同样的结果。

 

然而，《自然》杂志上的所刊登的发现结果就是在室温下，利用普通海洋藻类证明了与此前结果一致。

 

此外，恩格斯团队在上周四在arXiv网站上宣布，在该小组设计的另一个实验中也得出了相类似的结果，而且捕光结构装置更为简单，这也证明了光合作用一致性（photosynthetic coherence）理论的正确。

 

除了这一结果令人惊奇之外，这也为每个高中生物课学生提供各一个看似不全面的新一层面的学习内容。同时，这个研究结果也为太阳能电池和电脑的设计师们提供了重要的灵感，因为在他们的设计当中可以在非寒冷条件下用到量子物理来设计生产相关电池部件等。

 

现在在芝加哥大学做研究的恩格斯表示，“我们有着充分的理由相信这是一个普遍规律。”，他将斯科尔斯的发现称之为“非凡的结果”，“为我们在高温下研究量子效应提供了新的方法”。

 

斯科尔斯的团队是用PC645号天线蛋白做实验的，该蛋白已经在早先的研究中得到了其原子级成像图像了。这种极为精确的特性允许研究人员使用千万亿分之一秒的激光脉冲或者足以使得单电子自旋的能量瞄准激发蛋白分子。

 

在激光束穿过蛋白分子后，研究人员随即分析测量所发生的变化，就能够通过一款超高端版仪器，将阴影成像在显示屏上。他们发现两个距离遥远分子间的能量形式在不断变动，这与其互相之间的联系相违背，因为有些东西仅仅在量子连贯性（quantum coherence）条件下才有可能发生。

 

斯科尔斯表示，“这与我们同时敲击两个音叉的原理是一样的，我们会听到一个低沉的背景音震荡。这就是声波之间的互相干扰。这也正是我们所看到的。”

根据斯科尔斯的理论，光合作用蛋白的物理特性将会在此后进行研究，以用来改进太阳能电池的设计。

 

恩格斯表示，尽管目前量子计算机仍不可行，但是他做出了长远的承诺，将该技术应用到量子计算机的研发中来，“这会让我们开始考虑研究光合作用和非同一量子计算之间的联系。”

 

在生物学领域，量子物理过程应用十分广泛，特别在指南针细胞（compass cells）方面的研究中作用很大，这是一种可以让鸟类通过地球磁场来导航的细胞。

 

研究人员还建议，提高量子物理在动物嗅觉或者大脑研究中的地位。

 

恩格斯预计，会在不久的将来出现整个量子生物学学科，“这肯定会有很多惊喜，谁会知道还有什么没被发现的呢？”

 

 

揭示常温光合作用量子物理过程
科技日报：刘霞 2010年2月9日

 

加拿大多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯领导的研究团队，通过使用激光脉冲激发藻类的单分子，揭示了常温光合作用中的量子物理过程。

 

研究发表在2月4日出版的《自然》杂志上。
 
研究人员发现，整个量子过程几乎没有能量损失，这是因为量子会在多个路径中挑选出最短的路径。

 

他们在实验中选用了名为蓝隐藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，这种海藻中的天线蛋白有8个色素分子，其可交织成一个大的蛋白结构。

 

不同色素分子能吸收光谱上不同区域的光线，随后光子的能量通过天线蛋白运转到细胞中的其他地方。
 
在经典物理学中，能量一般是在分子间随机传递。

 

但斯科尔斯团队发现，能量是可以选择最优路径来传递的。

 

他们认为，这是由位于该海藻天线蛋白中心的色素分子的不同行为所造成的。
 
研究团队首次通过千万分之一秒的激光脉冲激活了两个此类分子，使色素分子中处于兴奋状态的光子形成量子叠加。

 

当这种量子叠加崩溃时，会放射出不同波长的光子，这些光子可相互结合形成光子干涉模式。

 

通过研究这种干涉模式，研究团队绘制出了产生这种干涉的量子叠加的细节。
 
研究结果十分令人吃惊：不仅位于天线蛋白中心的两个色素分子处于叠加状态，其他六个色素分子也是。

 

这种“量子相干”可延续400飞秒，虽然只是短短一瞬，却能使能量尝试天线蛋白中所有可能的“旅行”路径。

 

当这种相干结束后，能量会找到最优路径，令其实现“毫发无损”地“旅行”。

 

芝加哥大学的化学家格雷格·恩格尔将斯科尔斯的发现称之为“非凡的结果”，为其在高温下研究量子效应提供了新的方法。
 
该发现颠覆了众多有关量子机制的固有观念，这些观念认为，量子干涉只能出现在低温下。

 

然而，蓝隐藻在21摄氏度的温度下做到了这点。

 

2007年，还在加州大学伯克利分校担任教职的恩格尔领头的研究人员发现了绿硫细菌中天线蛋白之间的关系，其中的色素分子同样也会“连线”。

 

他的研究证明，量子叠加可使能量探索出所有可能的路径并找到最合适的路径。

 

但他们的观测结果是在零下196摄氏度以下的条件下得出的。
 
伦敦大学学院的亚历山大·欧拉亚·卡斯特罗表示，至于这些分子如何在那么高的温度下，长时间保持这种相干性仍然是一个未解之谜。

 

她认为，天线的蛋白结构起了关键作用。

 

恩格尔也表示，从某种意义上说，天线蛋白执行了量子计算的功能，以决定什么路径能最好地保存能量。
 
根据斯科尔斯的理论，光合作用蛋白的物理特性将被用来改进太阳能电池的设计，其也将改变我们看待光合作用和量子计算的方式。