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量子生物學能揭示生命的巨大奧秘嗎?
發布者:admin     瀏覽次數:1468     發布時間:2019/6/22
酶催化反應的神速是因為搭乘了“量子隧穿”的快車嗎?光合作用中的能量轉移效率與“量子相干性”相干嗎?動物感知磁場是糾纏的電子感知到了磁場朝向的變化?當我們聞到氣味時,不僅是“聞到”了氣味分子的形狀,而且還“嗅到”了它們化學鍵的振動頻率?科學家在諸多生命過程中都找到了量子效應的證據。溫暖嘈雜的生命沒有完全淹沒微觀世界的量子力學現象——愈反直覺,愈迷人。   撰文 | Catherine Offord   譯者 | 韓若冰      在謝菲爾德大學的一個物理實驗室中,幾百個光合細菌被置于兩面相距不到1微米的鏡子之間。物理學家David Coles和他的同事正在用白光照射這一充滿微生物的空隙,他們可以通過改變鏡子的間距來調節光在細胞周圍彈射的方式。根據2017年發表的結果,這種復雜的設置可以使光子與少數細胞中的光合作用結構發生物理相互作用,這一作用通過微調實驗裝置就可以改變。   研究人員可以如此控制細胞與光的相互作用,這本身就是一項成就。然而,對這一發現更加驚人的闡釋出現在第二年。Coles和幾位合作者在重新分析數據時發現,細菌和光子之間相互作用的性質比原始分析中提出的更為古怪。兩篇論文的共同作者、牛津大學物理學家Vlatko Vedral說:“一個似乎無可避免的結論是,(我們)間接真正目睹的是量子糾纏。”   量子糾纏是指兩個或多個粒子互相依存的狀態,無論它們之間的距離有多遠。這是亞原子圖景中諸多反直覺的特性之一。在這幅圖景中,電子和光子這樣的粒子同時表現為粒子和波,同時占據多重位置和狀態,并能越過看似不可穿透的勢壘。量子力學復雜的數學語言描述了這種尺度上的過程,這樣的過程也常常產生看似違反常識的效應。正是使用這種語言,Vedral和同事們在謝菲爾德實驗的數據中檢測到了光子和細菌之間糾纏的特征。   研究人員已經多次在無生命物體中證明了糾纏的存在:2017年有科學家報告稱,他們設法保持了相隔1200公里的光子對之間的相互依存性。但如果Vedral和同事們的假設是正確的,也就是說,如果量子糾纏現象也存在于細菌中的話,那么這項研究可能標志著人們第一次在生物體內觀察到糾纏,并且表明量子效應在生物學中并非像過去認為的那樣罕見,從而為原本就已存在的證據添磚加瓦。   在生命系統的混亂世界中可能觀察到量子現象,這在歷史上一直是一種邊緣的觀念。雖然量子理論準確地描述了構成所有物質的單個粒子的行為,但長久以來科學家們認為,數十億粒子在環境溫度下的集體運動會淹沒任何古怪的量子效應,并且大量粒子的集體行為可以通過牛頓等人確立的更為人熟知的經典力學得到更好的解釋。的確,量子現象的研究者通常會僅僅為了消除環境噪聲,而在接近絕對零度的溫度下隔離粒子——這一溫度下幾乎所有的粒子運動都停止了。   薩里大學理論物理學家Jim Al-Khalili說:“環境越溫暖,背景噪音就越嘈雜,這些量子效應也就會越快消失。” Al-Khalili是2014年一本名叫《神秘的量子生命》(Life on the Edge)的書的共同作者,這本書將量子生物學呈現給了普通讀者。“所以說量子效應竟然在細胞內部持續存在,這簡直是荒謬、反直覺的。然而,如果它們確實存在——有很多證據顯示在特定現象中量子效應是存在的——那么生命一定在以一種特別的方式在運作。”   支持Al-Khalili和Vedral的科學家群體正在不斷壯大。他們主張量子世界的效應可能會是闡釋一些生物學中最大的謎團的核心所在,甚至可能受制于自然選擇,這些謎團涉及到酶催化效率、鳥類導航,乃至人的意識。   牛津大學的物理學家Chiara Marletto與Coles和Vedral合作研究關于細菌-量子糾纏的論文,她說:“整個領域都試圖證明這一點,即不僅量子理論適用于這些生物系統,而且測試這些系統是否利用量子物理來發揮其功能也是有可能的。”   1生物學基本反應中的量子效應   到20世紀80年代中期,加州大學伯克利分校的生物化學家Judith Klinman確信,有關酶催化的傳統解釋是不完整的。當代理論認為,在形狀匹配的基礎上,酶和底物按照經典力學規律發生相互作用,將底物聚集在其活性位點,并將分子結構的過渡態穩定下來,從而將反應速率增加到萬億倍或更高。然而Klinman從酵母中提取酶進行體外實驗后,得到了奇怪的結果。   在催化芐醇氧化成苯甲醛時,醇脫氫酶會將氫原子從一個位置移到另一個位置。出乎意料的是,當Klinman和她的同事用較重的同位素氘和氚替換底物中的特定氫原子時,反應急劇減慢。雖然酶催化的經典闡釋可以包容適度的同位素效應,但無法說明Klinman觀察到的反應速率大幅度下降的原因。她說:“我們所觀察到的現象與現有理論存在偏離。”   她的團隊一直在探究,后來在1989年,他們以流傳于酶研究圈子的想法為基礎,發表了一種解釋:催化反應涉及一種稱為隧穿效應的量子“戲法”。Al-Khalili解釋說,量子隧穿好比踢足球穿過一座山,這里的足球就是電子或其他粒子,而山就是阻礙反應發生的能量勢壘。“在經典世界,你需要狠踢一腳才能讓球翻過山到達另一邊。而在量子世界,你無需這么做。球可以升到半路,憑空消失,再從另一邊出現。”      傳統的酶催化理論認為,蛋白質通過降低活化能來加速反應。但是一些研究人員認為,一種被稱為隧穿效應的量子“戲法”也發揮著作用,并且酶活性位點的結構可能已經進化到能夠利用這種現象。| 圖片來源: LUCY READING-IKKANDA   圖中橫軸表示反應過程,縱軸表示能量。   曲線A:能量勢壘(稱為活化能)阻止許多化學反應自發地進行。   曲線B:酶穩定了允許反應(例如分子內氫原子的運動)發生的中間或“過渡”狀態,從而降低了該勢壘。   曲線C:在量子隧穿過程中,粒子會以一定的概率瞬間穿過勢壘。如果分子內的粒子通過量子隧穿轉移,則可以繞過中間態。   Klinman的團隊在那篇文章和后來的論文中提出,在芐醇氧化和許多其他反應的催化過程中,氫轉移會在隧穿效應的幫助下進行。這有助于解釋為什么氘和氚常常會阻礙反應發生——更重的粒子更難以產生隧穿效應,從而也會使同分子中的其他粒子更難產生隧穿效應。Al-Khalili 說,Klinman小組觀察到的效應此后被其他實驗室在多種酶中進行了復制,這些效應為生物系統中的量子效應“假說”提供了最強有力的證據。   雖然現在人們普遍認為生物催化中會發生隧穿效應,但對于其重要程度以及是否可能受自然選擇影響,研究者之間出現了分歧。例如,科羅拉多州立大學的化學家Richard Finke表明,無論酶是否存在,一些反應都會表現出相似程度的同位素效應,這表明酶不太可能經過了特別的進化適應來增強其催化的反應中的隧穿效應。目前還不清楚隧穿效應能在多大程度上加速反應;一些研究人員認為,在主要由經典力學支配的過程中,這種影響通常只能產生微小的推動作用。   Klinman認為,酶的隧穿效應要遠為根本。她表示,酶可以創造非常精確和緊湊的活性位點結構以促進隧穿效應。例如在催化反應期間,酶會改變構象以使氫供體和受體位點足夠接近——相距約0.27納米以內——以促進隧穿效應。   為了探究這個想法,她的團隊改變酶的活性位點,并觀察反應速率和同位素效應如何在體外發生變化。例如在今年早些時候,該團隊創造了一種底物略微錯位的大豆脂氧合酶,這種錯位應該不利于氫的隧穿效應。與野生型相比,突變酶的催化能力低了四個數量級,并且對用氘取代氫更加敏感。   研究人員仍在量化隧穿效應在催化中的作用,Klinman強調使用多種方法(包括誘變和計算建模)的重要性,以確切了解蛋白質如何加速反應。實驗性的酶進化,即研究者反復選擇蛋白質以提高其催化能力,也可以為隧穿效應的貢獻提供見解,盡管近期的相關嘗試中至少有一項尚無定論。去年,一個研究催化氫轉移反應的酶的團隊報告說,在整個進化過程中,量子隧穿效應“并未觀察到有顯著的變化”。      這場辯論呼應了另一場正在進行的對話,那就是關于量子現象對于地球上另一種重要的生物學過程——光合作用——的功能上的重要性。正當Vedral和同事探究細菌的光合作用結構是否會與光子糾纏時,其他團隊也在研究,另一種量子效應會如何有助于將光合能量轉移的效率最大化。   在植物和某些微生物的光捕獲反應期間,光子激發葉綠素分子中包含的電子,以產生一種稱為激子的實體。這些激子繼而從一個葉綠素分子轉移到下一個,直到抵達反應中心,也就是一簇可以捕獲和貯存其能量的蛋白質。      在植物和某些微生物的光捕獲反應期間,光子激發葉綠素分子中包含的電子,以產生被稱為激子(Exciton)的結構——這是一種包含激發態電子及其留下的帶正電荷的空穴的實體。這個激子繼而從一個葉綠素分子轉移到下一個,直到抵達被稱為反應中心(Reaction center)的蛋白復合體。根據該過程的傳統或“非相干”模型,激子到反應中心的路徑或多或少是隨機的。因為在轉移過程中能量會丟失,所以這樣的路徑說到底是不經濟的。| 圖片來源: LUCY READING-IKKANDA   激子在轉移時會失去能量,這意味著它們在葉綠素分子之間繞路越多,到達反應中心的能量就越少。數十年前物理學家曾提出,如果轉移過程是量子相干的,那么這種浪費就可能被逆轉。也就是說,如果激子能以波而非粒子的形式運動,它們就可以同時嘗試所有能抵達反應中心的路徑,并選取最高效的一條。      與傳統模型相反,如果能量轉移過程是“量子相干的”,激子像波一樣傳播,它就可以同時探索所有可能的路徑,并且只采用最高效的一條。| 圖片來源: LUCY READING-IKKANDA   2007年,由加州大學伯克利分校的化學家Graham Fleming和圣路易斯華盛頓大學的Robert Blankenship帶領的團隊稱,在從綠色硫細菌中提取的葉綠素分子復合物中,他們已經觀察到量子相干性。硫細菌是經常發現于光照不足的深海中的光合微生物。研究者們利用了一項技術分析被樣品吸收和釋放的能量,并在冷卻到77開爾文(約-196℃)的復合物中檢測到了被稱為量子節拍(quantum beating)的信號,他們將這種振蕩視為量子相干性的證據。在隨后的幾年間,他們和其他研究小組在環境溫度下復制了該結果,并把葉綠素復合物的發現從海藻擴展到菠菜。   這些結果是否反映出光合作用的能量轉移中存在有意義的量子貢獻,這尚待討論。例如在2017年,德國的研究人員再次研究了綠色硫細菌,并稱其相干性效應持續了不到60飛秒(1飛秒=10-15秒),這過于短暫,無法幫助能量轉移到反應中心。但是在去年,另一個團隊認為葉綠素復合體中存在多種類型的相干性,其中一些可以持續足夠長的時間來協助光合作用。另一些科學家提示說,通過產生不同形式的關鍵性光捕獲蛋白質,一些細菌可以切換相干性效應的開關狀態。這些發現重新引發了學界的推測,或許正如酶一樣,光合作用機制也可能進化到了利用量子現象的程度。   Blankenship稱,光合作用中的相干性效應如今已經是廣為接受的現象。正如酶的隧穿效應,“目前最關鍵的討論是,這些效應是否真的對系統的有效性或其他方面有影響,是否能產生真正的生物學益處。我認為這都還在討論之中。”   2動物生物學謎團的量子解釋   每年冬天,歐洲大陸北部的知更鳥都會向南遷徙數百公里到達地中海。這是一種通過磁感知——具體來說就是鳥類探知地磁方向的能力——實現的導航壯舉。 然而解釋這種第六感的早期嘗試,包括鳥類依賴內部磁鐵礦晶體的提議,都未能得到實驗的支持。   到上世紀90年代末期,這個問題引起了Thorsten Ritz的注意。當時他是伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的一名研究生,在已故的生物物理學家Klaus Schulten的指導下做光合作用中量子效應的研究。Ritz說,他對隱花色素尤為感興趣,這是一種在鳥類視網膜中發現的光敏蛋白質,如今成為在磁感知中發揮作用的“良好證據”。此后Ritz搬到了加州大學歐文分校。因此在2000年,專注于此種蛋白并基于Schulten的前期理論研究,Ritz、Schulten和另一個同事發表了磁感知如何運作的解釋,后來被稱為自由基對模型(radical-pair model)。   研究人員提出,隱花色素蛋白中的反應會產生一對自由基,每個分子各自擁有一個孤電子。這些電子彼此之間可以產生量子糾纏,它們的行為對地磁之類的弱磁場的朝向很敏感。自由基相對于磁場的朝向變化理論上能夠觸發化學反應,使得信息能夠以某種方式傳遞至大腦。      圖中從左到右表示:鳥類視網膜,隱花色素蛋白,帶孤電子的自由基對; 單重態與三重態及其產物,神經元,給大腦的神經信號。根據鳥類磁感知的自由基對模型,在鳥類和其他動物的視網膜中發現的隱花色素可能正是磁感受器,它通過改變其中某些電子的自旋狀態來檢測磁場的方向。| 圖片來源: LUCY READING-IKKANDA   隱花色素蛋白內的反應會產生一對分子,每個分子都有一個孤電子。這些電子可以相互糾纏,并占據兩種狀態中的一種:一種是“單重態”,意味著一個電子的自旋方向與另一個的相關聯,二者的自旋是反平行的;另一種是“三重態”,兩個電子傾向于具有接近平行的自旋。   自由基對在這兩種狀態之間振蕩,在哪一種狀態中發現它的概率受磁場方向影響。如果自由基對的單重態和三重態與不同的生化反應相關聯,那么,那些反應產物的多少就可以提供關于磁場方向的信息。   如果這些產物進一步影響鳥類視網膜的神經信號,那么這種機制就可以為磁感知提供基礎。   該假設產生了一些預測,Ritz繼續與生物學家Roswitha和Wolfgang Wiltschko合作探究,后兩位率先描述了知更鳥的磁感知現象。例如在2004年發表的一項研究中,該團隊將知更鳥置于以一定頻率和角度振蕩的磁場中,據模型預測,這會擾亂自由基對對地磁場的敏感性,從而有效破壞鳥類的導航能力。   自此該觀點開始得到越來越多的理論支撐。2018年,兩項針對隱花色素Cry4的分子特性和表達模式的研究表明,該蛋白質可能正是斑馬魚和歐洲知更鳥體內的磁感受器。   我們還需要更多的研究來確定鳥類的磁感知是否真的按照這種機制運行,并揭示自由基對電子之間的糾纏是否重要。Ritz稱,科學家也并未完全理解隱花色素如何與大腦溝通磁場信息。與此同時,他的團隊正專注于誘變實驗,這可能有助于揭示隱花色素的磁敏感性。去年秋天,牛津大學的化學家Peter Hore和德國奧登堡大學的生物學家Henrik Mouritsen獲得了有類似目標的“量子鳥類”(QuantumBirds)項目的資助。   在動物感覺生物學中,磁感知并不是唯一引起量子物理學家興趣的謎團;研究人員希望幫助破解的另一種在科學上頗為神奇的感覺是嗅覺。傳統理論認為,氣味分子與嗅覺神經元上的蛋白受體結合以觸發嗅覺,但這個理論面臨著挑戰,因為一些形狀幾乎相同的分子有著完全不同的氣味,而另一些立體化學結構不同的分子聞起來卻有著相似的味道。   在1990年代中期,倫敦大學學院的生物物理學家Luca Turin(如今是一位受人尊敬的香水評論家)提出,嗅覺受體可能不僅對氣味分子的形狀敏感,而且對其化學鍵的振動頻率敏感。他認為,當一個氣味分子和受體結合時,如果它的鍵正以某種頻率振動,就能促進受體內部電子的量子隧穿效應。根據他的模型,這種電子轉移會觸發嗅覺神經元中的信號級聯,最終向大腦發送神經沖動。   倫敦大學學院的物理學家Jenny Brookes以數學方式闡述了這個問題,以展示其在理論上的可行性。她說,這個觀點的實驗證據仍然不夠明朗,“但這正是它令人興奮的一部分原因。”近年來,研究人員一直在尋找與酶反應中相似的同位素效應。如果隧穿效應發揮重要作用,那么含有較重氫同位素的氣味分子應該會由于鍵的振動頻率較低而與正常分子的氣味不同。   但研究結果并不一致。2013年,Turin的團隊稱,人類可以區分含有不同同位素的氣味劑。兩年后,其他研究人員未能重現這一結果,并稱該理論“難以置信”。但這一觀點并沒有過時。2016年有另一個團隊報告說,蜜蜂可以分辨不同同位素的氣味,最近的理論研究提出了一系列新的預測,將幫助測試該模型的有效性。   在實驗支持欠缺的情況下,理論工作也在將研究者的興趣引向量子生物學解釋。例如一些研究者推測,假定會在光合作用中發揮作用的相干效應,也可能影響視覺和細胞呼吸等廣泛存在的生物現象。另一些人提出,質子隧穿效應會促進DNA的自發突變,盡管Al-Khalili和同事的理論工作指出,至少對于他們建模的腺嘌呤-胸腺嘧啶堿基對來說,這種可能性并不高。   奇怪的量子效應可能在人類大腦中發揮作用,這一想法無疑是量子物理學在動物界最極端的延伸了。加州大學圣巴巴拉分校的物理學家Matthew Fisher認為,神經元具有能夠像量子計算機一樣運轉的分子機構,它并不使用0或1這樣的經典比特,而是運用可以同時處于0和1狀態的信息單位——量子比特來工作。   Fisher提出,大腦的量子比特編碼在波斯納分子(Posner molecule,分子式為Ca9(PO4)6)內的磷酸根離子態上,波斯納分子是可在骨頭中發現的磷酸根離子和鈣離子簇,也可能出現在某些特定細胞的線粒體中。他的團隊最近的理論工作提出,不同波斯納分子中的磷酸根離子態可以相互糾纏數小時甚至數天,因此或許可以進行快速和復雜的計算。Fisher近期獲得了資助用以建立國際合作,稱為“量子腦”(QuBrain),該項目期望通過實驗尋找這些效應。許多神經科學家都對這一項目能取得積極結果表示懷疑。   3讓量子生物學發揮作用   量子生物學中的大多數想法仍然是更多受到理論驅動而不是實驗支撐,但現在許多研究人員正試圖縮小其中差距。Vedral的團隊計劃在今年晚些時候收集更多關于細菌中糾纏現象的數據,荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家Simon Gröblacher也提議在緩步動物中進行糾纏實驗。2017年,Al-Khalili和《神秘的量子生命》的共同作者、薩里大學的生物學家Johnjoe McFadden一道,幫助建立了量子生物學博士培訓中心,以鼓勵跨學科探討和推動研究工作。McFadden說,在更廣泛的科學家和研究資助者群體中,“現在如果你說自己正在研究生物學中的量子力學,你并不會被當作徹底瘋了,只會被認為有點古怪。”   其他研究人員也強調,無論理論機制是否獲得實驗支撐,量子生物學的推測本身也是有價值的。理論物理學家和量子計算研究員Adriana Marais說:“隨著技術的小型化,我們在生物世界中擁有豐富的信息,可以從中汲取靈感。這是一個探究生命是什么的絕佳機會,同時也是吸取經驗以最優方式在微型尺度上設計生理過程的絕佳機會。”   量子生物學在現實世界的應用包括從更高效的太陽能電池到新型生物傳感器技術。去年,一個小組提出了一項部分基于嗅覺量子理論的“仿生鼻子”設計,用以檢測微量濃度的氣味劑。Hore和其他人強調,可能解釋磁感知現象的自由基對機制或許可以應用于探測弱磁場的裝置。   Ritz說:“我們可以利用獲得的信息來設計基于這些原則的系統,即使事實證明這不是鳥類的功能機理。”   詞匯表:量子術語   旋轉的原子和亞原子所處的粒子尺度的世界受量子力學概率規則的支配。對于生活在通常由經典物理學描述的世界里的生物體來說,量子世界常常產生看似反直覺的效應。這些效應已經用于多種技術應用當中,量子現象在幾種生物系統中的可能作用目前也正在探索當中。      糾纏:如果兩個粒子的狀態相互依存,則被稱為是量子糾纏的,無論兩者之間的距離有多遠。在糾纏的經典例子中,如果測量兩個糾纏態電子,則它們有著相反的自旋方向。   重要應用:量子計算,量子密碼學   代表研究:光合作用,磁感知,人類意識      量子比特:這些信息單位是標準二進制數字或位元的量子等價物。雖然一個比特可以處于0或1的狀態,但是量子比特可以同時具有多重狀態,并且可以與其他量子比特產生糾纏,以執行并行計算。量子比特可以編碼在電子和其他亞原子粒子的自旋狀態中。   重要應用:量子計算   代表研究:人類意識      隧穿效應:量子尺度的粒子具有波動性,并且其在任何時刻的確切位置都可由概率波函數來描述。結果就是,諸如電子這樣的粒子能以一定概率越過(或隧穿)看似不可穿透的能量勢壘。   重要應用:熱核聚變,掃描隧道顯微鏡   代表研究:酶催化,光合作用,嗅覺,DNA突變      相干性:因為量子物體可以表現出波動性,當處于特定的節奏時,它們之間可以表現出被稱為相干性的波的性質。量子相干性是量子物理學家觀察到的多種效應的基礎,包括糾纏,以及表現為量子節拍的干涉圖案。傳統上認為,在環境溫度下的分子躍動中,相干性的喪失會很快發生。   重要應用:激光,超導體,量子計算   代表研究:光合作用,磁感知,視覺,呼吸   參考文獻   1. 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Patil et al., “A quantum biomimetic electronic nose sensor,” Sci Rep, 8:128, 2018.   ﹏﹏﹏﹏   本文編譯自“The Scientist”電子雜志(www.the-scientist.com),原標題為“Quantum Biology May Help Solve Some of Life’s Greatest Mysteries”,點擊文末“閱讀原文”可查閱。本譯文由《返樸》譯者完成,無The Scientist工作人員參與。   本文為嚴肅科普媒體《返樸》(微信號:fanpu2019)首發,《返樸》由國際一流科學家和科普專家擔任總編及編委。任何媒體轉載時須保留《返樸》名稱及微信號和作者信息。未經許可,嚴禁對包括標題在內的任何改動。轉載、授權、合作請聯系fanpu2019@outlook.com。
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