久久99国产精品尤物-国产高清色播视频免费看-男生肌肌往女人桶爽视频-精品国产-91PORNY九色|www.jqdstudio.net

量子生物學的未來：量子理論如何幫助理解生命？

點擊：  作者：Adriana Marais等    來源：人工智能學家  發布時間:2022-11-04 09:03:54

 

 

導語

 

2022年諾貝爾物理學獎授予了關于量子信息科學的基礎性研究。一百多年前，量子革命為我們帶來了晶體管和激光，今天，基于量子信息的新技術正在讓我們進入一個新的量子信息時代。事實上，已有研究表明，在生命過程中也存在量子現象。將量子理論應用于生物學方面的研究被稱為“量子生物學”。

 

英國皇家學會會刊（Journal of the Royal Society Interface）在2018年11月發表綜述文章《量子生物學的未來》，給生物學家提供了一份簡明的量子力學導論，介紹了量子生物學的幾個重要領域，包括光合作用、生物感知、酶催化反應、大腦意識的涌現和生命起源等，提供了對量子生物學當前發展狀況的看法，并指出該領域要取得進一步發展的潛在途徑。集智俱樂部對這篇文章做了全文翻譯。

 

研究領域：量子生物學，光合作用，酶催化，感知，生命起源

 

 

 

目錄：

1. 簡介

2. 什么是量子生物學？

3. 量子力學：給生物學家的導論

4. 輸運過程

5. 感知

6. 生命起源

7. 量子生物學和復雜性

 

生物系統是動態的，不斷與環境交換能量和物質，以保持與生命同義的非平衡狀態。觀測技術的發展使研究人員能夠在越來越小的尺度上研究生物動力學。這些研究在一系列生物過程中揭示了經典物理學無法解釋的量子力學效應的證據。量子生物學是對此類過程的研究，本文提供了該領域當前狀態的概述，以及對未來方向的見解。 

 

1. 簡介

 

量子力學是描述亞原子粒子、原子、分子、分子組裝等微觀粒子屬性的基本理論。量子力學在納米和亞納米尺度上運行，是光合作用、呼吸和視覺等基本生命過程的基礎。在量子力學中，所有物體都具有波動特性：當它們相互作用時，量子相干性描述了由于波動特性導致的描述這些物體的物理量之間的相關性。

 

在光合作用、呼吸和視覺方面，過去開發的模型基本上是量子力學的。研究人員已經描述了基于表面跳躍框架的能量轉移和電子轉移。這些模型描述的動力學通常是“指數”的，并且遵循費米黃金法則[1,2]的應用。由于是在準連續的最終態的分布上求平均轉移率，計算的動力學不再顯示相干性和干涉現象。在1990年代進行的大量研究中，研究人員已經在光合反應中心和光捕獲復合體中觀察到了振蕩現象，通常將其歸因于振動或混合電子-振動波包的形成。據報道，在光合系統的激發能量轉移過程中檢測到非常長壽命（660fs和更長）的電子量子相干性，重新激發了人們對“非平凡”量子力學在解釋生物體基本生命過程中的作用的興趣[3]。然而，量子現象（如相干性）可能在宏觀生命系統中發揮功能作用的想法并不新鮮。1932年，在量子物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）因其在原子結構方面的工作而獲得諾貝爾獎10年后，他在哥本哈根國際光療法大會上發表了題為“光與生命”的演講[4]。這提出了一個問題，即量子理論是否有助于對生命系統的科學理解。出席會議的有一位充滿興趣的年輕物理學家 Max Delbrück，他后來幫助建立了分子生物學領域，并因在遺傳學方面的發現于1969年獲得諾貝爾獎[5]。

 

所有生命系統都由分子組成，基本上所有分子都由量子力學描述。然而，傳統上，量子力學描述的系統與生物學研究的系統之間巨大的尺度差異，生命和無生命看似不同的性質，使得兩個知識體系之間一直存在某種隔閡。最近，超快光譜[6]、單分子光譜[7-11]、時間分辨顯微鏡[12-14]和單粒子成像[15-18]等實驗技術的發展，使得研究人員能夠在越來越小的分辨率兼時間尺度上研究生物動力學。他們揭示了生命系統功能所必需的各種過程，這些過程依賴于量子和經典物理效應之間微妙的相互作用。

 

量子生物學將量子理論應用于經典物理學無法準確描述的生物學方面。盡管已有這個簡單的定義，關于該領域在科學界的目標和作用仍然存在爭議。本文提供了對量子生物學當前地位的看法，并指出在該領域取得進一步進展的潛在途徑。

 

2. 什么是量子生物學？

 

就目前的范式而言，生物學在將經典模型應用于生命系統方面取得了廣泛的成功。在大多數情況下，分子尺度上的微妙量子效應在整體生物功能中不發揮決定性作用。在這里，“功能”是一個廣義的概念。例如：視覺和光合作用如何在分子水平和超快時間尺度上發揮作用？由相距約0.3nm的堆疊的核苷酸分子組成的DNA，如何處理紫外線光子？酶如何催化重要的生化反應？我們的大腦如何以亞納米尺度組織的神經元處理如此驚人的信息量？DNA復制和表達是如何工作的？當然，所有這些生物學功能都應該在進化適應性的背景下考慮。在這些情況下，經典近似和量子力學模型之間的差異通常被認為可以忽略不計，即使在基礎上，每個過程都完全受量子力學定律的支配。在量子和經典疆域之間不明確的邊界上會發生什么？更重要的是，是否存在“看似”經典但實際上并非如此的基本生物學功能？量子生物學的作用恰恰是揭露和解開這種聯系。 

 

從根本上說，所有物質——有生命或無生命的——都是量子力學的，由離子、原子和/或分子構成，其平衡特性由量子理論精確確定。因此，可以說所有的生物學都是量子力學的。然而，這個定義并沒有解決生物過程的動力學性質，或者分子間動力學的經典描述似乎往往已經足夠這一事實。因此，量子生物學應該根據所使用模型的物理“正確性”以及特定生物過程的經典模型與量子力學模型的解釋能力的一致性來定義。 

 

當研究人員在納米尺度和更大尺度上研究生物系統時，他們發現生物有機體中存在本文詳細介紹的過程。目前認為，量子力學描述對于充分表征相關子系統的行為是必要的。雖然在宏觀時間和長度尺度上很難觀察到量子效應，但總體上需要該過程。因此，生物體的功能和生存似乎依賴于分子間尺度的動態量子力學效應。量子生物學研究的正是這些時間和長度尺度之間的相互作用，目的是建立一致的物理圖景。 

 

對量子生物學的巨大希望可能包括對生命的定義和理解做出貢獻，或者對大腦和意識的理解做出貢獻。然而，這些問題與科學本身一樣古老，更好的方法是詢問量子生物學是否可以為一個框架做出貢獻，在該框架中研究人員可以以這樣的方式解決問題以獲得新的答案。對在量子物理學和經典物理學領域之間有效運行的生物過程的研究已經有助于改進對這種量子到經典轉變的物理描述。 

 

更直接的是，量子生物學有望為受生物啟發的量子納米技術提出設計原則，例如能夠在室溫下的嘈雜環境中，基于基本水平上有效執行，甚至利用這些“嘈雜環境”來保護甚至增強量子特性[19,20]。通過設計這樣的系統，有可能測試和量化量子效應在多大程度上可以增強生物學中發現的過程和功能，并最終回答這些量子效應是否可能是在系統設計中被有目的地選擇的。然而，重要的是，量子生物啟發技術也可以在本質上獨立于啟發它們的生物體而有用。

 

3. 量子力學：給生物學家的導論

 

二十世紀初，經典物理學在描述所有可觀測現象方面的成功在某些方面開始受到挑戰。1900年，為了解釋黑體輻射的光譜能量分布，普朗克提出了一個想法，即物質與頻率為 ν 的電磁輻射之間的相互作用是量子化的，僅以 hν 的整數倍發生，其中h是基本的普朗克常數。五年后，愛因斯坦進一步發展了能量量子化的概念，將其擴展到包括光子——光的量子。這個概念可以通過光電效應來說明，其中入射到材料上的光會導致電子的發射。然而，即使是合適頻率的低強度光也會導致電子發射，而低于此閾值頻率的高強度光卻不起作用。為了解釋這個問題，愛因斯坦提出，在這種情況下光表現為粒子而非波的行為，離散能量可以轉移到材料中的電子。此外，玻爾在1913年提出的氫原子模型及其離散能態，以及康普頓1923年對X射線的研究，都為現代物理學新時代的開始做出了貢獻。這些解釋黑體輻射和光電效應以及原子穩定性和光譜學的方法導致了量子力學的發展，這一理論在預測和描述微物理系統方面非常成功[21,22]。

 

普朗克和愛因斯坦假設輻射也表現出類似粒子的行為，從而開啟了量子革命，而德布羅意在1923年提出了補充理論——物質本身具有波動特性，波長通過普朗克常數與其動量相關。這個假說表明，物質波應該表現出衍射行為，隨后的實驗證明了這一點，表明電子等粒子顯示出干涉圖案。薛定諤在他的量子力學公式中建立了這一觀察結果，該公式通過使用波動力學描述微觀系統的動力學。量子力學公式允許研究量子態的許多重要方面：它在任何時間t的數學描述，如何計算與該狀態相關的不同物理量，以及如何描述狀態隨時間的演變[21,22]。 

 

量子力學是一種數學框架，用完全刻畫系統的量子態 |ψ> ，以及包含系統可用的所有狀態的希爾伯特空間 H，來描述一個孤立物理系統。由狀態向量 |ψ> 描述的系統的時間演化服從薛定諤方程，即

（3.1）        

其中 ? 是約化普朗克常數，H(t) 是哈密頓量，代表系統的能級和系統各部分之間的相互作用。 

量子理論更令人著迷的一個方面是，對于描述系統的兩個量子態 |ψ1>和 |ψ2>，其線性疊加 α1 |ψ1> + α2 |ψ2> 也描述了該系統。構成希爾伯特空間的狀態的這種組合或疊加更一般地寫為

（3.2） 

疊加態中的每個正交歸一態 |ψi> 由復數 αi 加權，pi = |αi2> 是在該狀態找到系統的概率。正是在這里，量子力學與經典世界分道揚鑣。量子體系中疊加態的存在導致了獨特的量子力學性質，這通常是違反直覺的。例如，量子相干性描述了構成疊加的各個態之間的明確關系，而量子糾纏是量子態之間一種特殊的關聯形式。一個很好的例子是光合作用中電子態的離域化，這對于解釋光合作用底層的電子能量轉移和電荷分離的速度和效率至關重要[23]。量子力學的概率詮釋也允許用隧穿的概念來預測量子粒子穿過勢壘的可能性，這在經典力學中是被禁止的[21,22]。量子隧穿的一個很好的例子是供體和受體之間的電子有效轉移，如在光合作用反應中心和呼吸復合物中，電子必須穿過高能蛋白屏障[24]。

 

在這篇綜述中，疊加、相干、糾纏和隧穿效應這些特定的量子特性，被描述為對光合作用、磁感知、嗅覺、酶催化、呼吸和神經傳遞等多種生物現象的新理解不可或缺的一部分[25-27]。

 

4. 輸運過程

 

從根本上講，生物系統的動力學與能量和電荷轉移有關，后者涉及電子、質子和離子。光合作用中的激發能量轉移和電荷轉移是量子生物學最成熟的領域，最新的研究領域是酶催化研究，它通常依賴電子和質子的耦合來控制多個電荷的輸運。 

 

4.1.光合作用

 

超過30億年時間里，有一類多產的生物依靠光能生存，利用一種稱為光合作用的過程將光能轉化為對自身生存有用的形式。在典型條件下，光合生物將太陽光的能量轉化為生物質的總體效率相當低（最多只有幾個百分點[28,29]），因為既無法吸收所有入射的陽光，也無法將所有吸收的能量轉化為生物質。然而，光合作用的初級光捕獲階段以近乎完美的量子效率進行。這意味著在最佳條件下（低光強度和無壓力），對于幾乎每個被光捕獲（天線）復合物吸收和轉移的光子，都有一個電子在光合反應中心內轉移。

 

光捕獲復合物可能是準無序的自組裝聚集體[30]，或與蛋白質支架結合的高度對稱的色素結構 [31,32]。構成整個天線系統的光捕獲復合物與反應中心相連，反應中心是光合作用裝置中能夠進行跨膜電荷分離的唯一單元[33]。

 

通過從自然光合系統中分離光捕獲復合物和反應中心，同時模擬生理環境條件進行的實驗，我們對光合光收集系統在體內的功能有了更多了解。眾所周知，初級光合作用過程中的能量和電荷轉移表現出基本的量子力學特性，例如離域化、波包、相干性和超輻射，而且經典模型不能準確地描述隨后的動態。

 

4.1.1.激發能量轉移

 

早在1938年，Franck&Teller[34]就提出光合作用中激發能量轉移的量子相干機制。他們考慮了Frenkel 激子的擴散，這是單個光合色素電子激發的相干疊加（圖1）。隨著1990年代初期飛秒瞬態吸收光譜的出現，細菌和植物光捕獲復合物中檢測到長壽命振動相干性，持續時間為皮秒級[35-40]。在過去14年中，先進的超快技術，稱為二維電子光譜（2D-ES），已被用于監測光捕獲復合物振動態和電子振動（混合激子-振動）態的相干疊加的衰減。二維光譜顯示存在隨時間振蕩的交叉峰[41][42]。大量研究將交叉峰與激子態之間的耦合聯系起來，而它們的振蕩被分配給電子量子相干性，即激子態之間的相干疊加[42]。第一項此類研究是在綠色硫細菌的Fenna-Matthews-Olson（FMO）復合體上進行的，本項研究由Fleming小組于2007年發表，揭示了特定的相干性持續時間極長（660fs）[3]。2009年，高等植物的主要光捕獲復合物（LHCII）顯示出類似的振蕩信號，并被解釋為量子相干能量轉移[43]。這些初始結果是在低溫下獲得的。一個重要的進展是在2010年，Engel[44]和Scholes[45]小組獨立地檢測到FMO中生理溫度下類似的相干振蕩和兩種海洋隱藻藻類的光捕獲復合物。

 

 

圖 1. 展示光合作用光捕獲復合物中激發能量轉移概念的示意圖。橢圓描繪了其中發生強激子耦合的顏料簇，箭頭表示簇之間能量的不連貫轉移。在每個簇內，能量在所有顏料上都是離域的，并相干地傳遞。

 

通常，與低溫下的量子相干相比，生理溫度下的量子相干是很脆弱的，因為環境噪聲隨著溫度升高而增加，導致退相干時間更短。因此，這些結果很有趣，一方面從量子信息處理的角度來看，一個主要挑戰是在不可避免地與環境相互作用的系統中保持量子相干性，另一方面從量子生物學的角度來看，它研究生命系統功能的基本方面是否只能用量子力學來解釋。 

 

受這個溫暖、嘈雜、復雜但非常有效的能量傳輸系統啟發，人們提出了許多環境輔助量子輸運模型。目的是將光合色素蛋白質中多個發色團位點的量子相干現象，與激發能量轉移過程（通常在系統的近似自旋玻色子模型內）的極端效率聯系起來。與噪音會降低系統性能的直覺相反，已經發現與環境的相互作用可以提高傳輸效率[19,20]。光捕獲復合物由許多具有通常不同位點能量的色素分子組成。如果該能量差大于色素分子-色素分子耦合，則轉變將被抑制。移相噪聲可以改變位點能量，從而幫助克服這些能隙，并在不損失系統激發的情況下改善位點之間的輸運[46]。 

 

在支持和反對長壽命（最多幾皮秒）電子相干性的大量理論證據之后，最近對FMO復合體的2D-ES研究明確表明，這些長壽命的相干性主要來自基態振動而不是激子–激子疊加[47,48]。發現與電子相干相關的量子拍頻幅度很小，衰減僅在60-240fs內。然而，也發現了激發態振動相干性的實驗證實[48]，其在光合作用中激發能量轉移中的作用仍有待確定。 

 

然后人們可能會問，量子相干性——激子以及電子振動相干性——在光收集中的作用是否是最優化，或者僅僅是色素-蛋白質復合物中色素接近的結果。還研究了環境輔助輸運相對于系統或環境特征變化的穩健性，結果表明這種穩健性可用于高效量子輸運系統的設計[49,50]。光合作用中時間尺度的收斂已被提出作為“量子金發姑娘效應”的一個例子：自然選擇傾向于將量子系統驅動到一個參數集，其中產生的量子相干度“恰到好處”地實現最大效率和最優控制[51]。

 

一般來說，對振蕩動力學的觀察不足以排除對相同行為的經典描述，光合作用中環境輔助傳輸的量子模型也并非沒有爭議。然而，最近的工作[52]明確表明，環境振動運動的非經典特性可能有助于光合LHC在亞皮秒時間尺度和室溫下的激發能量轉移。這些想法應該通過檢查光合LHC的突變變體是否會改變量子相干度、相干壽命以及能量轉移效率來進行實驗驗證。

 

4.1.2.電荷轉移

 

光合作用中的電荷分離是自然界中最有效的現象之一，其量子效率接近百分之百。促成過程發生在不同的時間尺度上，從亞皮秒到毫秒，涉及無序和相干之間的相互作用，由電子振動狀態（振動和激子狀態的混合）介導。電荷分離是理解量子物理學在生物學中的作用的一個很好的候選者。由于電荷分離發生在微秒時間尺度上，量子效應在這樣的宏觀水平上通常不是直接可見的。然而，電荷分離機制可以用一系列不同的過程來表示，早期步驟在超快時間尺度上并且只涉及幾個分子，而整體效率取決于每個步驟。

 

 

圖2. 根據[23]中的模型，高等植物光系統II反應中心的量子相干電荷分離示意圖，沿著至少兩個現有途徑之一。左邊是諧波電位上的四個波包，每個波包對應于電荷分離路徑上的不同狀態。對于每個狀態，右側顯示了電荷云的關鍵顏料和大致位置和符號。水平線描繪了右側所示相應狀態的指定波長處的吸收峰，而波浪箭頭描繪了與指示振動模式的共振相互作用。符和*分別代表電荷轉移特性和激子特性。這四種狀態的性質是：—高激子態，—具有某些電荷轉移特性的激子態， —與激子態混合的電荷轉移態，——最終的電荷分離狀態。請注意，最后兩個狀態之間涉及 ChlD1 的中間過程被省略了。由于與振動模式耦合，前三個步驟涉及相干弛豫，而最后一步涉及非相干轉移。

圖注：D1和D2，對稱反應中心結構的兩個分支；Chl，葉綠素；P，初級電子供體/特殊對Chl；Phe，脫鎂葉綠素。改編自Romero等人[23]。

 

1966年，DeVault和Chance觀察到紫色細菌反應中心中電子轉移的溫度依賴性，這是經典物理學無法解釋的[53]。他們提出這種行為作為量子隧穿的證據[54]，并為生物學中電子和核隧穿的概念奠定了基礎[42]。雖然Marcus的電子轉移理論忽略了核隧穿[2]，因此可能低估低溫下的電子轉移速率，但半經典Marcus理論可以擴展到基于非輻射躍遷理論的全量子力學處理，包括核隧穿，并且可以很好地預測電荷分離率隨溫度降低的增加。如果假設電荷分離與某些諧波振動模式強耦合，則該速率由Jortner速率給出。然而，這是基于振動弛豫發生在比電子轉移更短的時間尺度上的假設，對于非常快速的轉移事件并非如此。超快光致電子轉移反應如此之快，以至于在從供體到受體的電子轉移過程中不會發生完全的振動弛豫。振動弛豫通常發生在皮秒或亞皮秒時間尺度上，超快電子轉移反應在相同尺度上進行[55]。

 

高等植物光系統II反應中心的2D-ES實驗揭示了特定交叉峰的長期振蕩，類似于光捕獲復合物，并被解釋為激子之間以及激子和電荷轉移之間的電子相干性狀態（圖2）[56]。在相干程度與有效和超快電荷分離之間觀察到很強的相關性[56]。實驗結果由量子相干模型定量再現，該模型具有新的能量轉移途徑，這些途徑在過多的振動狀態之間通常不會出現[56-58]。具體來說，模擬表明觀察到的交叉峰振蕩可以通過特定的振動模式維持，其中輔助共振轉移的模式主要是色素固有的，而色素激子躍遷主要由蛋白質支架調節以匹配這些模式的能量。因此，雖然非平凡的量子效應可能隱藏在宏觀層面，但它們似乎從根本上促進了電荷分離的生物機制。因此，電荷轉移是理解量子物理學在生物學中作用的一個很好的過程。

 

因此，實驗和理論證據表明，靜態無序景觀中的單一振動模式很可能有助于光合生物中光收集和電荷分離的輸運，蛋白質支架調節的色素激子躍遷與振動模式的能量相匹配，有助于共振轉移[52,56]。核電子（振動）耦合是分子系統光誘導功能的重要機制，一般而言，在特定設計的系統中。光誘導電子轉移的結果也已被證明可以通過模式特定的紅外激發與電子轉移途徑耦合的振動而發生根本性的改變[59]。

 

4.1.3.單分子光譜

 

單分子實驗提供了一種有趣且有前景的方法來研究光合復合物的量子特征。2D-ES的結果表明，環境以分子振動的形式對量子相干能量和電子轉移過程具有密切的作用。這種環境從復雜到復雜以及在相對較慢的時間尺度（毫秒到分鐘）上變化，正如對單個光捕獲復合物的研究中報道的不同的、隨時間變化的能量轉移途徑所表明的那樣[11, 60-62]。由于這種異質性，通常稱為“靜態紊亂”，起源于相對緩慢的蛋白質構象動態波動，光譜特征振蕩的衰減受到系綜平均的強烈影響。通過避免單分子實驗中的系綜平均，可以將量子相干性擴展到微觀領域，這可能會更多地揭示這種量子現象的生理意義。 

 

靜態無序還通過改變激發被困在能量匯中的概率[63,64]，或不與光系統中其他復合物相鄰的色素簇[65]來強烈影響光捕獲復合物中激發的命運。對光捕獲復合物的外部影響對光動力學的精細控制仍缺乏詳細了解，例如在非光化學猝滅期間發生的光動力學，這是一種耗散光合作用中多余能量的重要調節機制，但目前仍然缺乏了解。振動輔助能量轉移和能量轉移途徑采樣的作用可以通過單分子相干控制實驗來闡明。 

 

最近，基于對光合作用反應中心磁場效應的一系列實驗觀察，自旋的量子力學性質在光合作用的量子保護機制中的直接作用已被提出[66]。了解監管和保護光合作用的機制，以及這些過程到飛秒級時間尺度上的分辨率和控制，對于在干旱脅迫或高太陽輻射條件下的作物歉收調查，以及下一代仿生太陽能電池的開發中具有重要應用。

 

獲取有關單個分子中純量子力學特征信息的一種補充方式是尋找不同的量子力學指紋，例如高階相關函數中的非經典亞泊松統計，或某些違反貝爾不等式或柯西-施瓦茨不等式的可觀測量的統計。最初熱化振動的非經典性已被證明是通過相干激子-振動相互作用引起的，并且明確地由與電子動力學耦合的有效集體模式的相空間準概率分布，即使激發的非相干輸入也是如此。這些結果表明，對輔助激發和電荷傳輸、光接收和化學傳感過程的振動運動的非經典特性的研究，可能是揭示生物學中非平凡量子現象的作用的試金石[52,67]。然而，由于對超快（飛秒到納秒）時間分辨率和高光子計數率的要求，在單分子水平上進行此類研究極具挑戰性。

 

4.1.4.人工光合作用

 

量子生物學領域的一項主張是，在微觀尺度上詳細了解光合作用，尤其是其初級階段，將使研究人員能夠設計受生物啟發的人工光合作用系統，利用地球上豐富的元素（如碳）來有效利用太陽光、氧氣、氮氣等。圍繞此類系統的設計已經取得了重大進展（例如[68-73]）。人工光合作用的分子方法是將太陽能轉化為生物燃料的眾多競爭者之一。在這里，研究自然光合作用以提取設計原理，然后嘗試基于這些原理開發更好的光系統。當前系統的主要限制是存儲以及由過度積累電荷引起的催化劑的不穩定性。電荷分離的平衡是必不可少的，例如通過耦合質子運動[74]。

 

受量子生物學啟發的設計中的一個重要原則是激子的存在：它們負責更有效的光吸收、更快的能量漏斗（即沿能量梯度衰減更快）、更快的能量轉移和更有效（不可逆）的激發捕獲反應中心[75]。此外，它們的量子行為通過它們對不同路徑的波動干涉，以及蛋白質環境的振動模式與色素相互作用的方式（增加離域和提取或吸收振動能量），以促進能量在復合物中的轉移。

 

對原型人工反應中心的初級電荷轉移的研究揭示出，電子和原子核在幾十飛秒的時間尺度上的關聯波動作為光致電流產生循環的驅動機制[76]。重要的是在評估此類系統時包括周轉率，而不僅僅是效率。良好的周轉率需要有彈性、穩定的系統，這可能可以通過某種保護性聚合物包裹顏料來實現[77]。例如，已經研究了制造涉及跨膜BChl-結合蛋白模型的人工膜嵌入蛋白的策略[78]。

 

光合作用中激子傳輸研究的挑戰，包括色素網絡的無序性質、類似時間尺度上激子能級的波動以及與激子動力學的耦合，也出現在其他非生物環境中。證明最初出現在量子生物學中的見解和想法很有用的一個具體例子是最近對有機光伏（PV）的研究，這是一種太陽能電池，由兩種不同的人造分子半導體組合而成。電子供體體半導體通常是聚合物，而受體通常是富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。在器件內部產生強束縛的 Frenkel 激子，然后擴散直到它們到達供體和受體區域之間的界面。供體和受體具有不同的化學勢，這提供了將界面處的激子解離成自由電荷的驅動力，然后自由電荷可以擴散到相反的電極。然而，由于庫侖相互作用是長程的，并且有機材料具有低介電常數，電子和空穴在室溫下經歷比kBT高10倍的結合能，即使它們已經離解到界面兩側的不同分子上。因此，絕大多數設備從電極中提取的電荷遠少于入射光產生的電荷，從而導致功率轉換效率低下。

 

然而，近年來出現了少數高效器件，據報道電荷提取效率接近100%[79,80]。研究人員已經進行了大量工作來確定該子集中有效的遠程電荷分離的起源。實驗工作表明，有機光伏和光合作用有一些驚人的巧合。最初認為供體-受體界面處的電荷分離將發生在皮秒到納秒的時間尺度上，這可以通過經典的熱漲落驅動的電荷跳躍來描述。許多實驗已經觀察到，在激子到達界面的100飛秒內產生了很大一部分的自由電荷，就像在光合激子傳輸過程中觀察到的飛秒相干性和動力學一樣。在經典的Marcus“跳躍”模型中無法解釋這種時間尺度上的傳輸，必須明確包含相干傳輸[81,82]。

 

理解這些觀察結果需要對供體-受體界面附近的電荷輸運進行詳細建模。至關重要的是，有機半導體中的電荷移動經歷了上述色素-蛋白質復合物的所有三個關鍵特性：高度無序、分子波動和重組。因此，也許是出現類似的現象并不奇怪。光合作用中的激子傳輸理論通常涉及部分離域狀態和噪聲輔助傳輸的相互作用，描述了如果激子或電荷與分子振動模式適度強耦合，以及如何增強通過網絡的傳輸。越來越多的共識認為，部分離域狀態也出現在高效的有機光伏系統中，并且也有人認為受主半導體聚集區域內的噪聲使電荷分離過程成為可能。許多研究有機光伏的理論小組現在采用開放量子系統方法，使用的方法受到早期光合光捕獲復合物研究的強烈影響[83-86]。

 

量子生物學有助于開發可持續能源技術的潛力通常被認為是研究該領域的動力，特別是用于理解光合作用系統中的量子相干激發能量轉移。然而，從這一普遍主張到實用能源系統的發展，需要更具體的建議，將量子能量轉移到環境可持續和經濟可擴展的系統中。正如量子生物學本身的一個基本問題一樣，納米尺度現象如何能夠顯著影響生物體的宏觀行為，在工程宏觀能源系統中利用量子生物現象的潛力取決于這種現象是否能在環境和經濟約束下顯著影響系統規模的運行。硅基光伏等現有可再生能源技術的發展表明，能源轉換效率等純物理性能標準通常不如生命周期分析等技術經濟性能指標重要。現有的極其高效的光伏電池對于大多數實際應用來說過于昂貴，并且在某些情況下需要低豐度的元素，即使負擔得起，它們也無法在全球范圍內擴展。解決這些限制一直是最近光伏研究的核心問題，其他全球范圍的考慮對于評估量子生物學在可持續能源發展中的潛力很重要。在全球范圍內，只有不到20%的能源作為電力被消耗；幾乎所有剩余的80%都在最終消耗時作為燃料消耗。盡管作為電力消耗的能源份額穩步增長，但在人為氣候變化和化石燃料枯竭的臨界點的時間范圍內，燃料可能仍然占主導地位。因此，迫切需要可再生燃料技術，例如工程和/或人工光合作用系統，而不是簡單的更高效的光伏電池發電。開發光合能源系統需要一種集成的系統方法，光收集組件只是復雜（生物）物理化學系統的一部分，理想情況下應該針對系統規模性能進行優化。只有通過平衡子系統的還原分析與整個系統的整體分析，才能公平地評估量子動力學效應在此類系統內的光收集中的重要性。這樣的考慮有助于集中主要動機是可持續能源發展的量子生物學研究人員的努力。關鍵的教訓是，為了將全球系統規模的目標與能源系統（包括在量子動力學現象起著重要作用的納米級）范圍內的工程參數相關聯，集成系統方法至關重要。

 

4.2.酶催化

 

酶通過催化生化反應對細胞功能至關重要，否則這些生化反應的反應速率可能非常低。理解速率加速的物理機制是一個困難的研究課題。過渡態理論已被用作解釋酶催化的基礎，但最近的理論和實驗發展開始關注量子隧穿效應在酶催化多氫轉移中的潛在作用，并且一直專注在量子力學形式中描述氫轉移[87]。描述量子隧穿的標準模型已被證明可以解釋實驗酶數據，只要能解釋酶具有許多可能的不同結構的事實[88]。有趣和熱門的問題包括，蛋白質的局部振動運動是否可以通過與反應坐標偶聯來為酶提供催化優勢，以及是否可以選擇蛋白質的特定動力學運動來輔助催化。

 

酶通常依靠電子和質子的耦合來控制電荷傳輸和催化作用[87]。在生物能量儲存中，由電子轉移驅動的質子易位的重要性于1961年首次被注意到[89]，從那時起，質子耦合電子轉移機制[90]已被證明是氨基酸自由基生成和運輸的基礎[91]，伴隨著酶活性位點的大多數底物鍵的激活[92]。 

 

5. 感知

 

生命系統會根據從環境感知中獲得的信息不斷更新內部過程。環境中的微小變化都可能導致生物體功能發生宏觀變化。有人提議說，幾種生物傳感機制非常敏感，可以在量子水平上檢測環境中的變化。下面的小節概述了這些建議。

 

5.1.磁感知

 

鳥類遷徙的量子理論并不是一個新理論。自Schulten首次提出以來40年[93]，自由基對機制在鳥類磁感知的實驗和理論研究中都得到了很好的確立，并且是用作量子生物學領域證據的主要替代（光合作用）例子之一：該機制可分為三個步驟（圖3）。在光激發導致電子轉移和對形成的初始步驟之后，自由基對在單態和三重態自旋狀態之間振蕩，然后再進行重組和神經解釋的最后一步。正是單態-三重態混合經歷了地球磁場的影響，并提供了一些解釋行為觀察的方法，例如光依賴[94]、傾斜方面[95]和鳥類羅盤的共振效應[96,97]。

 

 

圖3.自由基對機制的三個步驟。在第一步中，入射到供體分子上的光子導致電子對中的一個電子被提供給受體，以產生空間分離但自旋相關的自由基對。在第二步中，自由基對在塞曼效應和超精細效應的影響下在單態和三重態之間振蕩。第三步包括化學產品中的自旋相關的重組。

 

自由基對理論已經產生了許多關于羅盤相干性和糾纏的論文，并為羅盤行為提供了令人信服的論據（參見[98]和其中的參考文獻以了解該主題）。然而，對于羅盤機制是否真的是一種量子現象或可以使用半經典框架來描述，仍然存在一些疑問。對此有人提出，指南針令人具有難以置信的準確性，是由于避免了隱花色素中形成的自由基的自旋能級交叉，這是一個真正的量子力學過程[99]。

 

在解決機制結構方面也取得了進展。隱花色素作為磁感受位點的生物分子，目前受到廣泛關注。有證據表明，在植物中，弱磁場會增強隱花色素的反應[100]。在果蠅的案例中，也曾有研究人員提出隱花色素可能介導動物的磁反應[101,102]。對于更復雜的生物來說，這似乎是合乎邏輯的下一步，特別是因為已經在候鳥眼中確認了四種不同類型的隱花色素[103]。并且，已經證明來自候鳥的隱花色素在藍色光譜的影響下，會形成具有毫秒壽命的自由基[104]。最近，兩項研究為這四種隱花色素之一Cry4在鳥類羅盤中發揮作用提供了強有力的證據。Cry4以恒定水平而非周期性模式表達；這種恒定性對于高效導航是必要的[105]。Cry4的雙錐定位，以及它在候鳥遷徙期間表達水平上調但在雞中不上調的事實進一步證實了該分子作為磁感受器是可行的[106]。

 

鳥類遷徙作為量子生物學主題的未來將依賴于對地球磁場中隱花色素的自旋動力學的更詳細了解，以及這如何解釋已經提出的一些行為問題，其中之一是如何調和對應用振蕩射頻場的迷失方向影響的不同觀察結果。除其他外，隱花色素負責調節晝夜節律，與DNA修復酶光解酶非常相似[107,108]。更好地了解隱花色素與地球磁場的相互作用，可以進一步了解更復雜的生物體中可能表現出量子效應的其他生物過程。 

 

5.2.嗅覺

 

嗅覺是生物體“聞”數千種不同分子的系統。與人類味覺結合的數百種不同類型受體和果蠅中的數十種受體如何產生如此驚人靈敏的分子識別系統仍然是一個謎。1928年首次提出的一個有趣的理論[109]是，我們的嗅覺依賴于氣味分子的量子力學振動模式。1996年，這一理論再次復興，它提出蛋白質偶聯受體使用非彈性電子隧穿來測量分子振動，而不是分子和受體像鎖和鑰匙一樣只是形狀匹配 [110]。根據這一理論，只有當這些位點之間的能量差與氣味劑的振動能量匹配時，電子才會從供體位點隧穿傳輸到受體位點。這種嗅覺振動理論讓人想起光合作用中激子的聲子輔助傳輸，說明量子化振動在量子生物學中的基本作用。

 

 

圖4.說明量子效應在嗅覺中的可能作用的示意圖。先前已提出嗅覺取決于適合特定受體的氣味劑的形狀和大小，而果蠅實驗表明，盡管氘和氫兩種同位素具有相同的形狀，但用氘取代氫會導致氣味發生變化。這表明振動頻率可能在氣味檢測中發揮作用[111]。

 

為支持該理論，果蠅實驗表明氣味劑的形狀和大小不足以檢測。例如，盡管氘和氫兩種同位素分子具有相同的形狀（圖4）[111]，但用氘取代氫會導致氣味發生變化。此外，已經觀察到具有相似振動頻率的分子會引起果蠅的相似反應，盡管它們在化學上無關[111]。2007年[112]顯示了使用簡單但通用的理論模型提出的機制的物理可行性和效率。下一步是設計受生物學啟發的室溫分子傳感設備。

 

5.3.認知

 

量子物理學是否可以在解決尚未解決的身心問題中發揮作用的問題，即大腦的形態結構如何產生了有意識的思考，這絕不是新問題。Michael Lockwood 1989年的思想、身體和量子[113]或Henry Stapp 于2009年Mindful Universe中的觀點[114]是一些具有哲學或科普角度的專著的例子。大量的關注和批評也指向羅杰·彭羅斯和 Stuart Hameroff 的想法，他們提出神經細胞中細胞骨架的一部分，即微管，根據他們所謂的“精心策劃的客觀減少”（orchestrated objective reduction）進行量子計算，這是一種來自彭羅斯的量子引力機制[115]。

 

另一個科學分支從更實用的角度觸及“量子大腦”的問題：量子神經網絡研究試圖利用量子計算來改進廣泛用于機器學習的人工神經網絡模型。這些人工神經網絡模型歷史上源自生物神經網絡的動力學[116,117]，因此接近量子動力學和神經計算的兼容性問題。然而，MaxTegmark[118]提出了一個關鍵點，他估計參與動作電位傳播的離子的退相干時間尺度比神經動力學的相關時間尺度小10~20個數量級。換句話說，參與神經動力學的離子的量子相干性會在宏觀動力學之前很久就被破壞了可能會受到影響。因此，生物神經網絡中量子效應的潛在理論必須展示生物神經網絡的宏觀動力學如何從小得多的相干動力學中產生。Matthew Fisher 在這個方向上進行了有希望的研究，他提出磷可以充當神經量子比特，允許在大腦中進行量子處理，并且這種量子性受到所謂的波斯納分子的保護，波斯納分子將磷酸根離子與鈣離子結合。糾纏的波斯納分子然后觸發神經元放電率的非局部量子相關性[119]。

 

麻醉藥的研究引導了研究意識的實驗之路。到目前為止，關于意識，研究人員只能說它“可溶于氯仿”[120]，并且可以溶于一系列彼此截然不同的分子中。在最近一篇關于意識研究的文章中[121]，Turin 和他的同事發現，許多全身麻醉劑可逆地增加果蠅中的電子自旋含量，而這種作用在抗麻醉的突變果蠅中是不存在的。他們提出，全身麻醉劑會改變某些分子的最高占據分子軌道的結構，促進供體和受體之間的電子傳輸，從而使大腦處于無意識狀態。如果這是真的，那么由密度泛函理論（量子理論的一種工具）計算出的分子結構變化將對宏觀尺度產生影響。此外，電子自旋測量對于觀察這種效應至關重要。尤其是在量子生物學的更廣泛定義中，此類發現非常令人鼓舞，并顯示了該學科可以做出的潛在貢獻。

 

6. 生命起源

 

原始生物（如細菌）中量子效應的識別導致開放量子系統模型成功應用于光合作用系統中的能量和電荷轉移過程，并表明量子效應可能在從無生命物質到由無生命物質組成的最早的生命系統的涌現中發揮了重要作用。

 

對星際冰中生命分子前體的探測表明，生命的組成部分可能已經出現在太空中，并由彗星或隕石等物體運送到地球。然而，標準的計算量子化學無法解釋星際介質中化學物質的多樣性和豐富性。例如，氰化氫（HCN）低聚物可能在前生命分子（prebiotic molecule）的合成中發揮了重要作用[122-126]，最近，在星際空間中檢測到了HCN的二聚體形式（氰基甲亞胺）[127]。然而，已經發現星際氣相生產路線無法生產大量的HCN [128,129]，盡管它可以被檢測到。

 

星際介質中前生命分子自發產生的理論研究根本上是在開放量子系統的框架下進行的。低溫星際冰冷環境與簡單的分子系統如HCN強耦合，并被入射的紫外線輻射激發，可以使用來自量子生物學領域的適當的眾所周知的近似值進行研究。

 

一個更困難的問題是，第一個生命系統是如何從這些前生命分子中產生的，如果有的話。盡管在可行的DNA設計[130]方面取得了非凡的工作，我們還不能從基本成分合成一個小的功能肽，并且對理解很多問題有很長的路要走，比如如何準確區分分子集合和組成生命系統的分子集合，以及量子效應在生命起源中可能發揮了什么作用。 

 

7. 量子生物學和復雜性

 

復雜性可以定義為系統描述的不可壓縮性。如果沒有可以簡化問題的基本集合，則系統是復雜的。在宏觀生物系統中可見的量子特征必須能夠在過渡到高光譜密度的過程中幸存下來。頻譜中的混沌漲落包含有關系統動力學的普遍特征的信息。量子生物學的新興領域關注長度和時間尺度分離的動態現象之間的相互作用，從納米尺度分子組裝中的飛秒能量轉移過程，到整個生物體尺度的生態系統內的生存和繁殖。

 

重要的是要注意，自然選擇不能違反化學的量子力學性質。例如，不可能設計出具有光捕獲復合物的植物，組成復合物的化合物卻不符合量子力學描述。生物學描述了在整個生物體的尺度上進化選擇的系統。選擇的結果是通過遺傳過程介導的，對生物子系統的影響只能達到一個特定尺度，在該尺度之下發生的物理細節不受生物選擇的影響。然后，量子生物學關注可以選擇的量子動力學過程（例如，在蛋白質尺度上）是否會影響宏觀有機體動力學。也就是說，如果納米尺度的量子行為要傳達選擇優勢，它必須是可選擇的，而且這種選擇發生在整個有機體的尺度上。因此，我們可能會聲稱，只有可以存在于量子和經典變體中的子系統才是有意義的，因為進化可以選擇其中之一。這使以下主張變得微不足道，即所有生物學都是量子生物學，因為它依賴于化學，而所有化學在原子和分子尺度上都是量子的；因此，進化在這里不可能選擇量子子系統以外的任何東西。量子生物學感興趣的子系統可以居住在什么樣的長度和時間尺度范圍內（因為可以想象它們可能存在于量子和經典變體中）是一個懸而未決的問題。尺度問題將證明對量子生物學的進一步發展很重要[131]。

 

8. 討論與結論

 

關于量子生物學的第一本書是 Pascual Jordan [132] 撰寫的《有機分子之謎的物理學》（Physics of the mystery of organic molecules）。然而，自1932年出版以來，關于生命本質的許多謎團仍然存在。很明顯，粗粒化的經典模型無法準確描述生命系統中發生的一系列過程。那么，持續爭論的問題是量子效應在這種生物過程中發揮重要作用的程度。

 

回答這個問題的一個有用途徑是通過生物啟發量子技術的工程設計，這些技術可以勝過為相同目的（例如用于能量利用或環境傳感）而設計的經典設備。一些自然過程在生理溫度和極其復雜的系統中經過了數十億年完善，如果宏觀尺度上的量子效應可以在其中發揮作用，使其良好運轉，那么生物世界中存在大量信息可以從中為人類自己的技術汲取靈感。

 

在這個方向上，人們提出了一種原型量子熱機，它清楚地說明了量子設計原理，即電子自由度和振動自由度之間的單一能量量子的相干交換可以增強光收集系統的功率，超過單獨使用熱機制可能實現的功率。它使用熱力學性能測量的量子優勢已被量化，并且該原理對現實生物結構的適用性得到了證明[133]。

 

量子生物學研究生物功能和該功能的調節，其與靜態無序相關。單分子光譜給我們一個獨特強大的透鏡來觀察靜態無序的作用，它連接生物功能（投影到宏觀/有機尺度）和量子力學現象。同時，量子生物學還關注長度和時間尺度分離的動力學現象之間的相互作用，從納米級分子組裝中的飛秒能量轉移過程，到整個生物尺度內生態系統中的生存和繁殖。

 

雖然在未來幾十年內，量子生物學將證明受生物啟發的量子設備在多大程度上優于經典類似物，但更深層次的問題是，納米尺度的量子動力學現象如何為整個生物體提供選擇優勢。嚴格解決這個問題需要說明，對有機體適應性具有重要意義的宏觀物理可觀測量如何可預測地依賴于納米級量子動力學變量。相反，我們還必須考慮，納米級的量子子系統如何通過進化依賴于生物體的宏觀動態。這個問題的進展可能會得到一個理論框架的幫助，該框架允許有機體尺度模型通過納米尺度模型進行參數化。這可以由復雜系統理論領域內的多尺度分析工具提供。我們還可以設想一些實驗，在這些實驗中，已知在納米尺度上表現出長壽命量子相干過程的野生型生物與已知不存在此類過程的轉基因生物競爭。這樣的實驗——類似于生物學家定期進行的那些實驗——可以提供清楚的洞見，表明量子生物學現象是否可以為生物體提供選擇優勢，并增加量子生物學作為生物學的一個領域的可信度。

 

來源：集智俱樂部

作者：Adriana Marais, et al.

譯者：趙雨亭