北京网站制作官网,苏州网络销售公司,300平私人会所装修设计,建站系统网站建设导语2022年诺贝尔物理学奖授予了关于量子信息科学的基础性研究。一百多年前#xff0c;量子革命为我们带来了晶体管和激光#xff0c;今天#xff0c;基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。事实上#xff0c;已有研究表明#xff0c;在生命过程中也存…导语2022年诺贝尔物理学奖授予了关于量子信息科学的基础性研究。一百多年前量子革命为我们带来了晶体管和激光今天基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。事实上已有研究表明在生命过程中也存在量子现象。将量子理论应用于生物学方面的研究被称为“量子生物学”。英国皇家学会会刊Journal of the Royal Society Interface在2018年11月发表综述文章《量子生物学的未来》给生物学家提供了一份简明的量子力学导论介绍了量子生物学的几个重要领域包括光合作用、生物感知、酶催化反应、大脑意识的涌现和生命起源等提供了对量子生物学当前发展状况的看法并指出该领域要取得进一步发展的潜在途径。集智俱乐部对这篇文章做了全文翻译。研究领域量子生物学光合作用酶催化感知生命起源来源集智俱乐部作者Adriana Marais, et al.译者赵雨亭审校梁金 编辑邓一雪 目录1. 简介2. 什么是量子生物学3. 量子力学给生物学家的导论4. 输运过程5. 感知6. 生命起源7. 量子生物学和复杂性生物系统是动态的不断与环境交换能量和物质以保持与生命同义的非平衡状态。观测技术的发展使研究人员能够在越来越小的尺度上研究生物动力学。这些研究在一系列生物过程中揭示了经典物理学无法解释的量子力学效应的证据。量子生物学是对此类过程的研究本文提供了该领域当前状态的概述以及对未来方向的见解。1. 简介量子力学是描述亚原子粒子、原子、分子、分子组装等微观粒子属性的基本理论。量子力学在纳米和亚纳米尺度上运行是光合作用、呼吸和视觉等基本生命过程的基础。在量子力学中所有物体都具有波动特性当它们相互作用时量子相干性描述了由于波动特性导致的描述这些物体的物理量之间的相关性。在光合作用、呼吸和视觉方面过去开发的模型基本上是量子力学的。研究人员已经描述了基于表面跳跃框架的能量转移和电子转移。这些模型描述的动力学通常是“指数”的并且遵循费米黄金法则[1,2]的应用。由于是在准连续的最终态的分布上求平均转移率计算的动力学不再显示相干性和干涉现象。在1990年代进行的大量研究中研究人员已经在光合反应中心和光捕获复合体中观察到了振荡现象通常将其归因于振动或混合电子-振动波包的形成。据报道在光合系统的激发能量转移过程中检测到非常长寿命660fs和更长的电子量子相干性重新激发了人们对“非平凡”量子力学在解释生物体基本生命过程中的作用的兴趣[3]。然而量子现象如相干性可能在宏观生命系统中发挥功能作用的想法并不新鲜。1932年在量子物理学家尼尔斯·玻尔Niels Bohr因其在原子结构方面的工作而获得诺贝尔奖10年后他在哥本哈根国际光疗法大会上发表了题为“光与生命”的演讲[4]。这提出了一个问题即量子理论是否有助于对生命系统的科学理解。出席会议的有一位充满兴趣的年轻物理学家 Max Delbrück他后来帮助建立了分子生物学领域并因在遗传学方面的发现于1969年获得诺贝尔奖[5]。所有生命系统都由分子组成基本上所有分子都由量子力学描述。然而传统上量子力学描述的系统与生物学研究的系统之间巨大的尺度差异生命和无生命看似不同的性质使得两个知识体系之间一直存在某种隔阂。最近超快光谱[6]、单分子光谱[7-11]、时间分辨显微镜[12-14]和单粒子成像[15-18]等实验技术的发展使得研究人员能够在越来越小的分辨率兼时间尺度上研究生物动力学。他们揭示了生命系统功能所必需的各种过程这些过程依赖于量子和经典物理效应之间微妙的相互作用。量子生物学将量子理论应用于经典物理学无法准确描述的生物学方面。尽管已有这个简单的定义关于该领域在科学界的目标和作用仍然存在争议。本文提供了对量子生物学当前地位的看法并指出在该领域取得进一步进展的潜在途径。2. 什么是量子生物学就目前的范式而言生物学在将经典模型应用于生命系统方面取得了广泛的成功。在大多数情况下分子尺度上的微妙量子效应在整体生物功能中不发挥决定性作用。在这里“功能”是一个广义的概念。例如视觉和光合作用如何在分子水平和超快时间尺度上发挥作用由相距约0.3nm的堆叠的核苷酸分子组成的DNA如何处理紫外线光子酶如何催化重要的生化反应我们的大脑如何以亚纳米尺度组织的神经元处理如此惊人的信息量DNA复制和表达是如何工作的当然所有这些生物学功能都应该在进化适应性的背景下考虑。在这些情况下经典近似和量子力学模型之间的差异通常被认为可以忽略不计即使在基础上每个过程都完全受量子力学定律的支配。在量子和经典疆域之间不明确的边界上会发生什么更重要的是是否存在“看似”经典但实际上并非如此的基本生物学功能量子生物学的作用恰恰是揭露和解开这种联系。从根本上说所有物质——有生命或无生命的——都是量子力学的由离子、原子和/或分子构成其平衡特性由量子理论精确确定。因此可以说所有的生物学都是量子力学的。然而这个定义并没有解决生物过程的动力学性质或者分子间动力学的经典描述似乎往往已经足够这一事实。因此量子生物学应该根据所使用模型的物理“正确性”以及特定生物过程的经典模型与量子力学模型的解释能力的一致性来定义。当研究人员在纳米尺度和更大尺度上研究生物系统时他们发现生物有机体中存在本文详细介绍的过程。目前认为量子力学描述对于充分表征相关子系统的行为是必要的。虽然在宏观时间和长度尺度上很难观察到量子效应但总体上需要该过程。因此生物体的功能和生存似乎依赖于分子间尺度的动态量子力学效应。量子生物学研究的正是这些时间和长度尺度之间的相互作用目的是建立一致的物理图景。对量子生物学的巨大希望可能包括对生命的定义和理解做出贡献或者对大脑和意识的理解做出贡献。然而这些问题与科学本身一样古老更好的方法是询问量子生物学是否可以为一个框架做出贡献在该框架中研究人员可以以这样的方式解决问题以获得新的答案。对在量子物理学和经典物理学领域之间有效运行的生物过程的研究已经有助于改进对这种量子到经典转变的物理描述。更直接的是量子生物学有望为受生物启发的量子纳米技术提出设计原则例如能够在室温下的嘈杂环境中基于基本水平上有效执行甚至利用这些“嘈杂环境”来保护甚至增强量子特性[19,20]。通过设计这样的系统有可能测试和量化量子效应在多大程度上可以增强生物学中发现的过程和功能并最终回答这些量子效应是否可能是在系统设计中被有目的地选择的。然而重要的是量子生物启发技术也可以在本质上独立于启发它们的生物体而有用。3. 量子力学给生物学家的导论二十世纪初经典物理学在描述所有可观测现象方面的成功在某些方面开始受到挑战。1900年为了解释黑体辐射的光谱能量分布普朗克提出了一个想法即物质与频率为 ν 的电磁辐射之间的相互作用是量子化的仅以 hν 的整数倍发生其中h是基本的普朗克常数。五年后爱因斯坦进一步发展了能量量子化的概念将其扩展到包括光子——光的量子。这个概念可以通过光电效应来说明其中入射到材料上的光会导致电子的发射。然而即使是合适频率的低强度光也会导致电子发射而低于此阈值频率的高强度光却不起作用。为了解释这个问题爱因斯坦提出在这种情况下光表现为粒子而非波的行为离散能量可以转移到材料中的电子。此外玻尔在1913年提出的氢原子模型及其离散能态以及康普顿1923年对X射线的研究都为现代物理学新时代的开始做出了贡献。这些解释黑体辐射和光电效应以及原子稳定性和光谱学的方法导致了量子力学的发展这一理论在预测和描述微物理系统方面非常成功[21,22]。普朗克和爱因斯坦假设辐射也表现出类似粒子的行为从而开启了量子革命而德布罗意在1923年提出了补充理论——物质本身具有波动特性波长通过普朗克常数与其动量相关。这个假说表明物质波应该表现出衍射行为随后的实验证明了这一点表明电子等粒子显示出干涉图案。薛定谔在他的量子力学公式中建立了这一观察结果该公式通过使用波动力学描述微观系统的动力学。量子力学公式允许研究量子态的许多重要方面它在任何时间t的数学描述如何计算与该状态相关的不同物理量以及如何描述状态随时间的演变[21,22]。量子力学是一种数学框架用完全刻画系统的量子态 |ψ 以及包含系统可用的所有状态的希尔伯特空间 H来描述一个孤立物理系统。由状态向量 |ψ 描述的系统的时间演化服从薛定谔方程即 3.1 其中 ħ 是约化普朗克常数H(t) 是哈密顿量代表系统的能级和系统各部分之间的相互作用。量子理论更令人着迷的一个方面是对于描述系统的两个量子态 |ψ1和 |ψ2其线性叠加 α1 |ψ1 α2 |ψ2 也描述了该系统。构成希尔伯特空间的状态的这种组合或叠加更一般地写为 3.2叠加态中的每个正交归一态 |ψi 由复数 αi 加权pi |αi2 是在该状态找到系统的概率。正是在这里量子力学与经典世界分道扬镳。量子体系中叠加态的存在导致了独特的量子力学性质这通常是违反直觉的。例如量子相干性描述了构成叠加的各个态之间的明确关系而量子纠缠是量子态之间一种特殊的关联形式。一个很好的例子是光合作用中电子态的离域化这对于解释光合作用底层的电子能量转移和电荷分离的速度和效率至关重要[23]。量子力学的概率诠释也允许用隧穿的概念来预测量子粒子穿过势垒的可能性这在经典力学中是被禁止的[21,22]。量子隧穿的一个很好的例子是供体和受体之间的电子有效转移如在光合作用反应中心和呼吸复合物中电子必须穿过高能蛋白屏障[24]。在这篇综述中叠加、相干、纠缠和隧穿效应这些特定的量子特性被描述为对光合作用、磁感知、嗅觉、酶催化、呼吸和神经传递等多种生物现象的新理解不可或缺的一部分[25-27]。4. 输运过程从根本上讲生物系统的动力学与能量和电荷转移有关后者涉及电子、质子和离子。光合作用中的激发能量转移和电荷转移是量子生物学最成熟的领域最新的研究领域是酶催化研究它通常依赖电子和质子的耦合来控制多个电荷的输运。4.1.光合作用超过30亿年时间里有一类多产的生物依靠光能生存利用一种称为光合作用的过程将光能转化为对自身生存有用的形式。在典型条件下光合生物将太阳光的能量转化为生物质的总体效率相当低最多只有几个百分点[28,29]因为既无法吸收所有入射的阳光也无法将所有吸收的能量转化为生物质。然而光合作用的初级光捕获阶段以近乎完美的量子效率进行。这意味着在最佳条件下低光强度和无压力对于几乎每个被光捕获天线复合物吸收和转移的光子都有一个电子在光合反应中心内转移。光捕获复合物可能是准无序的自组装聚集体[30]或与蛋白质支架结合的高度对称的色素结构 [31,32]。构成整个天线系统的光捕获复合物与反应中心相连反应中心是光合作用装置中能够进行跨膜电荷分离的唯一单元[33]。通过从自然光合系统中分离光捕获复合物和反应中心同时模拟生理环境条件进行的实验我们对光合光收集系统在体内的功能有了更多了解。众所周知初级光合作用过程中的能量和电荷转移表现出基本的量子力学特性例如离域化、波包、相干性和超辐射而且经典模型不能准确地描述随后的动态。4.1.1.激发能量转移早在1938年FranckTeller[34]就提出光合作用中激发能量转移的量子相干机制。他们考虑了Frenkel 激子的扩散这是单个光合色素电子激发的相干叠加图1。随着1990年代初期飞秒瞬态吸收光谱的出现细菌和植物光捕获复合物中检测到长寿命振动相干性持续时间为皮秒级[35-40]。在过去14年中先进的超快技术称为二维电子光谱2D-ES已被用于监测光捕获复合物振动态和电子振动混合激子-振动态的相干叠加的衰减。二维光谱显示存在随时间振荡的交叉峰[41][42]。大量研究将交叉峰与激子态之间的耦合联系起来而它们的振荡被分配给电子量子相干性即激子态之间的相干叠加[42]。第一项此类研究是在绿色硫细菌的Fenna-Matthews-OlsonFMO复合体上进行的本项研究由Fleming小组于2007年发表揭示了特定的相干性持续时间极长660fs[3]。2009年高等植物的主要光捕获复合物LHCII显示出类似的振荡信号并被解释为量子相干能量转移[43]。这些初始结果是在低温下获得的。一个重要的进展是在2010年Engel[44]和Scholes[45]小组独立地检测到FMO中生理温度下类似的相干振荡和两种海洋隐藻藻类的光捕获复合物。图 1. 展示光合作用光捕获复合物中激发能量转移概念的示意图。椭圆描绘了其中发生强激子耦合的颜料簇箭头表示簇之间能量的不连贯转移。在每个簇内能量在所有颜料上都是离域的并相干地传递。通常与低温下的量子相干相比生理温度下的量子相干是很脆弱的因为环境噪声随着温度升高而增加导致退相干时间更短。因此这些结果很有趣一方面从量子信息处理的角度来看一个主要挑战是在不可避免地与环境相互作用的系统中保持量子相干性另一方面从量子生物学的角度来看它研究生命系统功能的基本方面是否只能用量子力学来解释。受这个温暖、嘈杂、复杂但非常有效的能量传输系统启发人们提出了许多环境辅助量子输运模型。目的是将光合色素蛋白质中多个发色团位点的量子相干现象与激发能量转移过程通常在系统的近似自旋玻色子模型内的极端效率联系起来。与噪音会降低系统性能的直觉相反已经发现与环境的相互作用可以提高传输效率[19,20]。光捕获复合物由许多具有通常不同位点能量的色素分子组成。如果该能量差大于色素分子-色素分子耦合则转变将被抑制。移相噪声可以改变位点能量从而帮助克服这些能隙并在不损失系统激发的情况下改善位点之间的输运[46]。在支持和反对长寿命最多几皮秒电子相干性的大量理论证据之后最近对FMO复合体的2D-ES研究明确表明这些长寿命的相干性主要来自基态振动而不是激子–激子叠加[47,48]。发现与电子相干相关的量子拍频幅度很小衰减仅在60-240fs内。然而也发现了激发态振动相干性的实验证实[48]其在光合作用中激发能量转移中的作用仍有待确定。然后人们可能会问量子相干性——激子以及电子振动相干性——在光收集中的作用是否是最优化或者仅仅是色素-蛋白质复合物中色素接近的结果。还研究了环境辅助输运相对于系统或环境特征变化的稳健性结果表明这种稳健性可用于高效量子输运系统的设计[49,50]。光合作用中时间尺度的收敛已被提出作为“量子金发姑娘效应”的一个例子自然选择倾向于将量子系统驱动到一个参数集其中产生的量子相干度“恰到好处”地实现最大效率和最优控制[51]。一般来说对振荡动力学的观察不足以排除对相同行为的经典描述光合作用中环境辅助传输的量子模型也并非没有争议。然而最近的工作[52]明确表明环境振动运动的非经典特性可能有助于光合LHC在亚皮秒时间尺度和室温下的激发能量转移。这些想法应该通过检查光合LHC的突变变体是否会改变量子相干度、相干寿命以及能量转移效率来进行实验验证。4.1.2.电荷转移光合作用中的电荷分离是自然界中最有效的现象之一其量子效率接近百分之百。促成过程发生在不同的时间尺度上从亚皮秒到毫秒涉及无序和相干之间的相互作用由电子振动状态振动和激子状态的混合介导。电荷分离是理解量子物理学在生物学中的作用的一个很好的候选者。由于电荷分离发生在微秒时间尺度上量子效应在这样的宏观水平上通常不是直接可见的。然而电荷分离机制可以用一系列不同的过程来表示早期步骤在超快时间尺度上并且只涉及几个分子而整体效率取决于每个步骤。图2. 根据[23]中的模型高等植物光系统II反应中心的量子相干电荷分离示意图沿着至少两个现有途径之一。左边是谐波电位上的四个波包每个波包对应于电荷分离路径上的不同状态。对于每个状态右侧显示了电荷云的关键颜料和大致位置和符号。水平线描绘了右侧所示相应状态的指定波长处的吸收峰而波浪箭头描绘了与指示振动模式的共振相互作用。符号和*分别代表电荷转移特性和激子特性。这四种状态的性质是—高激子态—具有某些电荷转移特性的激子态 —与激子态混合的电荷转移态——最终的电荷分离状态。请注意最后两个状态之间涉及 ChlD1 的中间过程被省略了。由于与振动模式耦合前三个步骤涉及相干弛豫而最后一步涉及非相干转移。图注D1和D2对称反应中心结构的两个分支Chl叶绿素P初级电子供体/特殊对ChlPhe脱镁叶绿素。改编自Romero等人[23]。1966年DeVault和Chance观察到紫色细菌反应中心中电子转移的温度依赖性这是经典物理学无法解释的[53]。他们提出这种行为作为量子隧穿的证据[54]并为生物学中电子和核隧穿的概念奠定了基础[42]。虽然Marcus的电子转移理论忽略了核隧穿[2]因此可能低估低温下的电子转移速率但半经典Marcus理论可以扩展到基于非辐射跃迁理论的全量子力学处理包括核隧穿并且可以很好地预测电荷分离率随温度降低的增加。如果假设电荷分离与某些谐波振动模式强耦合则该速率由Jortner速率给出。然而这是基于振动弛豫发生在比电子转移更短的时间尺度上的假设对于非常快速的转移事件并非如此。超快光致电子转移反应如此之快以至于在从供体到受体的电子转移过程中不会发生完全的振动弛豫。振动弛豫通常发生在皮秒或亚皮秒时间尺度上超快电子转移反应在相同尺度上进行[55]。高等植物光系统II反应中心的2D-ES实验揭示了特定交叉峰的长期振荡类似于光捕获复合物并被解释为激子之间以及激子和电荷转移之间的电子相干性状态图2[56]。在相干程度与有效和超快电荷分离之间观察到很强的相关性[56]。实验结果由量子相干模型定量再现该模型具有新的能量转移途径这些途径在过多的振动状态之间通常不会出现[56-58]。具体来说模拟表明观察到的交叉峰振荡可以通过特定的振动模式维持其中辅助共振转移的模式主要是色素固有的而色素激子跃迁主要由蛋白质支架调节以匹配这些模式的能量。因此虽然非平凡的量子效应可能隐藏在宏观层面但它们似乎从根本上促进了电荷分离的生物机制。因此电荷转移是理解量子物理学在生物学中作用的一个很好的过程。因此实验和理论证据表明静态无序景观中的单一振动模式很可能有助于光合生物中光收集和电荷分离的输运蛋白质支架调节的色素激子跃迁与振动模式的能量相匹配有助于共振转移[52,56]。核电子振动耦合是分子系统光诱导功能的重要机制一般而言在特定设计的系统中。光诱导电子转移的结果也已被证明可以通过模式特定的红外激发与电子转移途径耦合的振动而发生根本性的改变[59]。4.1.3.单分子光谱单分子实验提供了一种有趣且有前景的方法来研究光合复合物的量子特征。2D-ES的结果表明环境以分子振动的形式对量子相干能量和电子转移过程具有密切的作用。这种环境从复杂到复杂以及在相对较慢的时间尺度毫秒到分钟上变化正如对单个光捕获复合物的研究中报道的不同的、随时间变化的能量转移途径所表明的那样[11, 60-62]。由于这种异质性通常称为“静态紊乱”起源于相对缓慢的蛋白质构象动态波动光谱特征振荡的衰减受到系综平均的强烈影响。通过避免单分子实验中的系综平均可以将量子相干性扩展到微观领域这可能会更多地揭示这种量子现象的生理意义。静态无序还通过改变激发被困在能量汇中的概率[63,64]或不与光系统中其他复合物相邻的色素簇[65]来强烈影响光捕获复合物中激发的命运。对光捕获复合物的外部影响对光动力学的精细控制仍缺乏详细了解例如在非光化学猝灭期间发生的光动力学这是一种耗散光合作用中多余能量的重要调节机制但目前仍然缺乏了解。振动辅助能量转移和能量转移途径采样的作用可以通过单分子相干控制实验来阐明。最近基于对光合作用反应中心磁场效应的一系列实验观察自旋的量子力学性质在光合作用的量子保护机制中的直接作用已被提出[66]。了解监管和保护光合作用的机制以及这些过程到飞秒级时间尺度上的分辨率和控制对于在干旱胁迫或高太阳辐射条件下的作物歉收调查以及下一代仿生太阳能电池的开发中具有重要应用。获取有关单个分子中纯量子力学特征信息的一种补充方式是寻找不同的量子力学指纹例如高阶相关函数中的非经典亚泊松统计或某些违反贝尔不等式或柯西-施瓦茨不等式的可观测量的统计。最初热化振动的非经典性已被证明是通过相干激子-振动相互作用引起的并且明确地由与电子动力学耦合的有效集体模式的相空间准概率分布即使激发的非相干输入也是如此。这些结果表明对辅助激发和电荷传输、光接收和化学传感过程的振动运动的非经典特性的研究可能是揭示生物学中非平凡量子现象的作用的试金石[52,67]。然而由于对超快飞秒到纳秒时间分辨率和高光子计数率的要求在单分子水平上进行此类研究极具挑战性。4.1.4.人工光合作用量子生物学领域的一项主张是在微观尺度上详细了解光合作用尤其是其初级阶段将使研究人员能够设计受生物启发的人工光合作用系统利用地球上丰富的元素如碳来有效利用太阳光、氧气、氮气等。围绕此类系统的设计已经取得了重大进展例如[68-73]。人工光合作用的分子方法是将太阳能转化为生物燃料的众多竞争者之一。在这里研究自然光合作用以提取设计原理然后尝试基于这些原理开发更好的光系统。当前系统的主要限制是存储以及由过度积累电荷引起的催化剂的不稳定性。电荷分离的平衡是必不可少的例如通过耦合质子运动[74]。受量子生物学启发的设计中的一个重要原则是激子的存在它们负责更有效的光吸收、更快的能量漏斗即沿能量梯度衰减更快、更快的能量转移和更有效不可逆的激发捕获反应中心[75]。此外它们的量子行为通过它们对不同路径的波动干涉以及蛋白质环境的振动模式与色素相互作用的方式增加离域和提取或吸收振动能量以促进能量在复合物中的转移。对原型人工反应中心的初级电荷转移的研究揭示出电子和原子核在几十飞秒的时间尺度上的关联波动作为光致电流产生循环的驱动机制[76]。重要的是在评估此类系统时包括周转率而不仅仅是效率。良好的周转率需要有弹性、稳定的系统这可能可以通过某种保护性聚合物包裹颜料来实现[77]。例如已经研究了制造涉及跨膜BChl-结合蛋白模型的人工膜嵌入蛋白的策略[78]。光合作用中激子传输研究的挑战包括色素网络的无序性质、类似时间尺度上激子能级的波动以及与激子动力学的耦合也出现在其他非生物环境中。证明最初出现在量子生物学中的见解和想法很有用的一个具体例子是最近对有机光伏PV的研究这是一种太阳能电池由两种不同的人造分子半导体组合而成。电子供体体半导体通常是聚合物而受体通常是富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。在器件内部产生强束缚的 Frenkel 激子然后扩散直到它们到达供体和受体区域之间的界面。供体和受体具有不同的化学势这提供了将界面处的激子解离成自由电荷的驱动力然后自由电荷可以扩散到相反的电极。然而由于库仑相互作用是长程的并且有机材料具有低介电常数电子和空穴在室温下经历比kBT高10倍的结合能即使它们已经离解到界面两侧的不同分子上。因此绝大多数设备从电极中提取的电荷远少于入射光产生的电荷从而导致功率转换效率低下。然而近年来出现了少数高效器件据报道电荷提取效率接近100%[79,80]。研究人员已经进行了大量工作来确定该子集中有效的远程电荷分离的起源。实验工作表明有机光伏和光合作用有一些惊人的巧合。最初认为供体-受体界面处的电荷分离将发生在皮秒到纳秒的时间尺度上这可以通过经典的热涨落驱动的电荷跳跃来描述。许多实验已经观察到在激子到达界面的100飞秒内产生了很大一部分的自由电荷就像在光合激子传输过程中观察到的飞秒相干性和动力学一样。在经典的Marcus“跳跃”模型中无法解释这种时间尺度上的传输必须明确包含相干传输[81,82]。理解这些观察结果需要对供体-受体界面附近的电荷输运进行详细建模。至关重要的是有机半导体中的电荷移动经历了上述色素-蛋白质复合物的所有三个关键特性高度无序、分子波动和重组。因此也许是出现类似的现象并不奇怪。光合作用中的激子传输理论通常涉及部分离域状态和噪声辅助传输的相互作用描述了如果激子或电荷与分子振动模式适度强耦合以及如何增强通过网络的传输。越来越多的共识认为部分离域状态也出现在高效的有机光伏系统中并且也有人认为受主半导体聚集区域内的噪声使电荷分离过程成为可能。许多研究有机光伏的理论小组现在采用开放量子系统方法使用的方法受到早期光合光捕获复合物研究的强烈影响[83-86]。量子生物学有助于开发可持续能源技术的潜力通常被认为是研究该领域的动力特别是用于理解光合作用系统中的量子相干激发能量转移。然而从这一普遍主张到实用能源系统的发展需要更具体的建议将量子能量转移到环境可持续和经济可扩展的系统中。正如量子生物学本身的一个基本问题一样纳米尺度现象如何能够显著影响生物体的宏观行为在工程宏观能源系统中利用量子生物现象的潜力取决于这种现象是否能在环境和经济约束下显著影响系统规模的运行。硅基光伏等现有可再生能源技术的发展表明能源转换效率等纯物理性能标准通常不如生命周期分析等技术经济性能指标重要。现有的极其高效的光伏电池对于大多数实际应用来说过于昂贵并且在某些情况下需要低丰度的元素即使负担得起它们也无法在全球范围内扩展。解决这些限制一直是最近光伏研究的核心问题其他全球范围的考虑对于评估量子生物学在可持续能源发展中的潜力很重要。在全球范围内只有不到20%的能源作为电力被消耗几乎所有剩余的80%都在最终消耗时作为燃料消耗。尽管作为电力消耗的能源份额稳步增长但在人为气候变化和化石燃料枯竭的临界点的时间范围内燃料可能仍然占主导地位。因此迫切需要可再生燃料技术例如工程和/或人工光合作用系统而不是简单的更高效的光伏电池发电。开发光合能源系统需要一种集成的系统方法光收集组件只是复杂生物物理化学系统的一部分理想情况下应该针对系统规模性能进行优化。只有通过平衡子系统的还原分析与整个系统的整体分析才能公平地评估量子动力学效应在此类系统内的光收集中的重要性。这样的考虑有助于集中主要动机是可持续能源发展的量子生物学研究人员的努力。关键的教训是为了将全球系统规模的目标与能源系统包括在量子动力学现象起着重要作用的纳米级范围内的工程参数相关联集成系统方法至关重要。4.2.酶催化酶通过催化生化反应对细胞功能至关重要否则这些生化反应的反应速率可能非常低。理解速率加速的物理机制是一个困难的研究课题。过渡态理论已被用作解释酶催化的基础但最近的理论和实验发展开始关注量子隧穿效应在酶催化多氢转移中的潜在作用并且一直专注在量子力学形式中描述氢转移[87]。描述量子隧穿的标准模型已被证明可以解释实验酶数据只要能解释酶具有许多可能的不同结构的事实[88]。有趣和热门的问题包括蛋白质的局部振动运动是否可以通过与反应坐标偶联来为酶提供催化优势以及是否可以选择蛋白质的特定动力学运动来辅助催化。酶通常依靠电子和质子的耦合来控制电荷传输和催化作用[87]。在生物能量储存中由电子转移驱动的质子易位的重要性于1961年首次被注意到[89]从那时起质子耦合电子转移机制[90]已被证明是氨基酸自由基生成和运输的基础[91]伴随着酶活性位点的大多数底物键的激活[92]。5. 感知生命系统会根据从环境感知中获得的信息不断更新内部过程。环境中的微小变化都可能导致生物体功能发生宏观变化。有人提议说几种生物传感机制非常敏感可以在量子水平上检测环境中的变化。下面的小节概述了这些建议。5.1.磁感知鸟类迁徙的量子理论并不是一个新理论。自Schulten首次提出以来40年[93]自由基对机制在鸟类磁感知的实验和理论研究中都得到了很好的确立并且是用作量子生物学领域证据的主要替代光合作用例子之一该机制可分为三个步骤图3。在光激发导致电子转移和对形成的初始步骤之后自由基对在单态和三重态自旋状态之间振荡然后再进行重组和神经解释的最后一步。正是单态-三重态混合经历了地球磁场的影响并提供了一些解释行为观察的方法例如光依赖[94]、倾斜方面[95]和鸟类罗盘的共振效应[96,97]。 图3.自由基对机制的三个步骤。在第一步中入射到供体分子上的光子导致电子对中的一个电子被提供给受体以产生空间分离但自旋相关的自由基对。在第二步中自由基对在塞曼效应和超精细效应的影响下在单态和三重态之间振荡。第三步包括化学产品中的自旋相关的重组。自由基对理论已经产生了许多关于罗盘相干性和纠缠的论文并为罗盘行为提供了令人信服的论据参见[98]和其中的参考文献以了解该主题。然而对于罗盘机制是否真的是一种量子现象或可以使用半经典框架来描述仍然存在一些疑问。对此有人提出指南针令人具有难以置信的准确性是由于避免了隐花色素中形成的自由基的自旋能级交叉这是一个真正的量子力学过程[99]。在解决机制结构方面也取得了进展。隐花色素作为磁感受位点的生物分子目前受到广泛关注。有证据表明在植物中弱磁场会增强隐花色素的反应[100]。在果蝇的案例中也曾有研究人员提出隐花色素可能介导动物的磁反应[101,102]。对于更复杂的生物来说这似乎是合乎逻辑的下一步特别是因为已经在候鸟眼中确认了四种不同类型的隐花色素[103]。并且已经证明来自候鸟的隐花色素在蓝色光谱的影响下会形成具有毫秒寿命的自由基[104]。最近两项研究为这四种隐花色素之一Cry4在鸟类罗盘中发挥作用提供了强有力的证据。Cry4以恒定水平而非周期性模式表达这种恒定性对于高效导航是必要的[105]。Cry4的双锥定位以及它在候鸟迁徙期间表达水平上调但在鸡中不上调的事实进一步证实了该分子作为磁感受器是可行的[106]。鸟类迁徙作为量子生物学主题的未来将依赖于对地球磁场中隐花色素的自旋动力学的更详细了解以及这如何解释已经提出的一些行为问题其中之一是如何调和对应用振荡射频场的迷失方向影响的不同观察结果。除其他外隐花色素负责调节昼夜节律与DNA修复酶光解酶非常相似[107,108]。更好地了解隐花色素与地球磁场的相互作用可以进一步了解更复杂的生物体中可能表现出量子效应的其他生物过程。5.2.嗅觉嗅觉是生物体“闻”数千种不同分子的系统。与人类味觉结合的数百种不同类型受体和果蝇中的数十种受体如何产生如此惊人灵敏的分子识别系统仍然是一个谜。1928年首次提出的一个有趣的理论[109]是我们的嗅觉依赖于气味分子的量子力学振动模式。1996年这一理论再次复兴它提出蛋白质偶联受体使用非弹性电子隧穿来测量分子振动而不是分子和受体像锁和钥匙一样只是形状匹配 [110]。根据这一理论只有当这些位点之间的能量差与气味剂的振动能量匹配时电子才会从供体位点隧穿传输到受体位点。这种嗅觉振动理论让人想起光合作用中激子的声子辅助传输说明量子化振动在量子生物学中的基本作用。图4.说明量子效应在嗅觉中的可能作用的示意图。先前已提出嗅觉取决于适合特定受体的气味剂的形状和大小而果蝇实验表明尽管氘和氢两种同位素具有相同的形状但用氘取代氢会导致气味发生变化。这表明振动频率可能在气味检测中发挥作用[111]。为支持该理论果蝇实验表明气味剂的形状和大小不足以检测。例如尽管氘和氢两种同位素分子具有相同的形状图4[111]但用氘取代氢会导致气味发生变化。此外已经观察到具有相似振动频率的分子会引起果蝇的相似反应尽管它们在化学上无关[111]。2007年[112]显示了使用简单但通用的理论模型提出的机制的物理可行性和效率。下一步是设计受生物学启发的室温分子传感设备。5.3.认知量子物理学是否可以在解决尚未解决的身心问题中发挥作用的问题即大脑的形态结构如何产生了有意识的思考这绝不是新问题。Michael Lockwood 1989年的思想、身体和量子[113]或Henry Stapp 于2009年Mindful Universe中的观点[114]是一些具有哲学或科普角度的专著的例子。大量的关注和批评也指向罗杰·彭罗斯和 Stuart Hameroff 的想法他们提出神经细胞中细胞骨架的一部分即微管根据他们所谓的“精心策划的客观减少”orchestrated objective reduction进行量子计算这是一种来自彭罗斯的量子引力机制[115]。另一个科学分支从更实用的角度触及“量子大脑”的问题量子神经网络研究试图利用量子计算来改进广泛用于机器学习的人工神经网络模型。这些人工神经网络模型历史上源自生物神经网络的动力学[116,117]因此接近量子动力学和神经计算的兼容性问题。然而MaxTegmark[118]提出了一个关键点他估计参与动作电位传播的离子的退相干时间尺度比神经动力学的相关时间尺度小10~20个数量级。换句话说参与神经动力学的离子的量子相干性会在宏观动力学之前很久就被破坏了可能会受到影响。因此生物神经网络中量子效应的潜在理论必须展示生物神经网络的宏观动力学如何从小得多的相干动力学中产生。Matthew Fisher 在这个方向上进行了有希望的研究他提出磷可以充当神经量子比特允许在大脑中进行量子处理并且这种量子性受到所谓的波斯纳分子的保护波斯纳分子将磷酸根离子与钙离子结合。纠缠的波斯纳分子然后触发神经元放电率的非局部量子相关性[119]。麻醉药的研究引导了研究意识的实验之路。到目前为止关于意识研究人员只能说它“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。在最近一篇关于意识研究的文章中[121]Turin 和他的同事发现许多全身麻醉剂可逆地增加果蝇中的电子自旋含量而这种作用在抗麻醉的突变果蝇中是不存在的。他们提出全身麻醉剂会改变某些分子的最高占据分子轨道的结构促进供体和受体之间的电子传输从而使大脑处于无意识状态。如果这是真的那么由密度泛函理论量子理论的一种工具计算出的分子结构变化将对宏观尺度产生影响。此外电子自旋测量对于观察这种效应至关重要。尤其是在量子生物学的更广泛定义中此类发现非常令人鼓舞并显示了该学科可以做出的潜在贡献。6. 生命起源原始生物如细菌中量子效应的识别导致开放量子系统模型成功应用于光合作用系统中的能量和电荷转移过程并表明量子效应可能在从无生命物质到由无生命物质组成的最早的生命系统的涌现中发挥了重要作用。对星际冰中生命分子前体的探测表明生命的组成部分可能已经出现在太空中并由彗星或陨石等物体运送到地球。然而标准的计算量子化学无法解释星际介质中化学物质的多样性和丰富性。例如氰化氢HCN低聚物可能在前生命分子prebiotic molecule的合成中发挥了重要作用[122-126]最近在星际空间中检测到了HCN的二聚体形式氰基甲亚胺[127]。然而已经发现星际气相生产路线无法生产大量的HCN [128,129]尽管它可以被检测到。星际介质中前生命分子自发产生的理论研究根本上是在开放量子系统的框架下进行的。低温星际冰冷环境与简单的分子系统如HCN强耦合并被入射的紫外线辐射激发可以使用来自量子生物学领域的适当的众所周知的近似值进行研究。一个更困难的问题是第一个生命系统是如何从这些前生命分子中产生的如果有的话。尽管在可行的DNA设计[130]方面取得了非凡的工作我们还不能从基本成分合成一个小的功能肽并且对理解很多问题有很长的路要走比如如何准确区分分子集合和组成生命系统的分子集合以及量子效应在生命起源中可能发挥了什么作用。7. 量子生物学和复杂性复杂性可以定义为系统描述的不可压缩性。如果没有可以简化问题的基本集合则系统是复杂的。在宏观生物系统中可见的量子特征必须能够在过渡到高光谱密度的过程中幸存下来。频谱中的混沌涨落包含有关系统动力学的普遍特征的信息。量子生物学的新兴领域关注长度和时间尺度分离的动态现象之间的相互作用从纳米尺度分子组装中的飞秒能量转移过程到整个生物体尺度的生态系统内的生存和繁殖。重要的是要注意自然选择不能违反化学的量子力学性质。例如不可能设计出具有光捕获复合物的植物组成复合物的化合物却不符合量子力学描述。生物学描述了在整个生物体的尺度上进化选择的系统。选择的结果是通过遗传过程介导的对生物子系统的影响只能达到一个特定尺度在该尺度之下发生的物理细节不受生物选择的影响。然后量子生物学关注可以选择的量子动力学过程例如在蛋白质尺度上是否会影响宏观有机体动力学。也就是说如果纳米尺度的量子行为要传达选择优势它必须是可选择的而且这种选择发生在整个有机体的尺度上。因此我们可能会声称只有可以存在于量子和经典变体中的子系统才是有意义的因为进化可以选择其中之一。这使以下主张变得微不足道即所有生物学都是量子生物学因为它依赖于化学而所有化学在原子和分子尺度上都是量子的因此进化在这里不可能选择量子子系统以外的任何东西。量子生物学感兴趣的子系统可以居住在什么样的长度和时间尺度范围内因为可以想象它们可能存在于量子和经典变体中是一个悬而未决的问题。尺度问题将证明对量子生物学的进一步发展很重要[131]。8. 讨论与结论关于量子生物学的第一本书是 Pascual Jordan [132] 撰写的《有机分子之谜的物理学》Physics of the mystery of organic molecules。然而自1932年出版以来关于生命本质的许多谜团仍然存在。很明显粗粒化的经典模型无法准确描述生命系统中发生的一系列过程。那么持续争论的问题是量子效应在这种生物过程中发挥重要作用的程度。回答这个问题的一个有用途径是通过生物启发量子技术的工程设计这些技术可以胜过为相同目的例如用于能量利用或环境传感而设计的经典设备。一些自然过程在生理温度和极其复杂的系统中经过了数十亿年完善如果宏观尺度上的量子效应可以在其中发挥作用使其良好运转那么生物世界中存在大量信息可以从中为人类自己的技术汲取灵感。在这个方向上人们提出了一种原型量子热机它清楚地说明了量子设计原理即电子自由度和振动自由度之间的单一能量量子的相干交换可以增强光收集系统的功率超过单独使用热机制可能实现的功率。它使用热力学性能测量的量子优势已被量化并且该原理对现实生物结构的适用性得到了证明[133]。量子生物学研究生物功能和该功能的调节其与静态无序相关。单分子光谱给我们一个独特强大的透镜来观察静态无序的作用它连接生物功能投影到宏观/有机尺度和量子力学现象。同时量子生物学还关注长度和时间尺度分离的动力学现象之间的相互作用从纳米级分子组装中的飞秒能量转移过程到整个生物尺度内生态系统中的生存和繁殖。虽然在未来几十年内量子生物学将证明受生物启发的量子设备在多大程度上优于经典类似物但更深层次的问题是纳米尺度的量子动力学现象如何为整个生物体提供选择优势。严格解决这个问题需要说明对有机体适应性具有重要意义的宏观物理可观测量如何可预测地依赖于纳米级量子动力学变量。相反我们还必须考虑纳米级的量子子系统如何通过进化依赖于生物体的宏观动态。这个问题的进展可能会得到一个理论框架的帮助该框架允许有机体尺度模型通过纳米尺度模型进行参数化。这可以由复杂系统理论领域内的多尺度分析工具提供。我们还可以设想一些实验在这些实验中已知在纳米尺度上表现出长寿命量子相干过程的野生型生物与已知不存在此类过程的转基因生物竞争。这样的实验——类似于生物学家定期进行的那些实验——可以提供清楚的洞见表明量子生物学现象是否可以为生物体提供选择优势并增加量子生物学作为生物学的一个领域的可信度。参考文献1. 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