通过光合作用，科学家首次证明了活体系统中存在量子效应。这可能带来更好的太阳能电池板、储能甚至量子计算机。（图片来源：Shutterstock） 我们可能都在学校里学过光合作用，也就是植物如何将阳光转化为能量。因此，这似乎意味着我们已经了解了世界的这一部分。但科学家们仍在学习即使是最基本事物的全新知识（也请参阅太阳和月球），光合作用也不例外。特别是，根据周一发表在《Nature Chemistry》上的一项研究，一个国际科学家团队表明，参与光合作用的分子表现出量子力学行为。尽管我们以前就怀疑过这一点，但这是我们首次在活体系统中观察到量子效应。这不仅将帮助我们更好地理解植物、阳光以及它们之间的一切，而且未来可能还会带来令人兴奋的新技术。
量子谜题
首先，让我们回顾一下。虽然光合作用可能在全球各地的课堂上被传授，但量子力学却不太受欢迎，部分原因在于它非常奇怪。诺贝尔奖得主量子物理学家理查德·费曼曾说过：“我想我可以肯定地说，没有人真正理解量子力学。”对于非专家来说，它如此难以理解，以至于每次有人试图解释它时，都会用到相同的比喻。你可能听说过薛定谔的猫，由于量子诡异性，它同时处于生死状态——特别是，因为电子可以同时处于两种状态。只有当我们观察系统时，诡异性才会崩溃，现实才会“选择”一种状态：猫实际上是活着的（或死了），电子实际上在这个房间的这一端（或那一端）。但量子效应通常仅限于非常小的尺度，并且在完美的实验室条件下才能真正观察到。一个活着的生物，有着潮湿、混乱的系统，很难找到一些潜藏的量子诡异性——但我们找到了。
上面是绿色硫磺细菌的光合复合物。绿色和黄色的圆圈突出了同时被激发的两个分子。（图片来源：Dr. Thomas la Cour Jansen/ 格罗宁根大学）
分子狂想
科学家们聚焦于芬纳-马修斯-奥尔森（FMO）复合物，这是绿色硫磺细菌光合作用机制的关键组成部分。它一直是此类研究的历史宠儿，因为我们长期以来都知道其结构，而且它相对容易操作。之前的实验似乎表明该区域的光敏分子同时处于两种不同的状态——这就是量子诡异性——但这种效应持续了超过 1 皮秒，这比预期的要长得多。这项新研究表明，那实际上只是分子中的正常振动，与量子无关。但多年来，研究人员一直对量子生物学的可能性感到兴奋，因此，在证伪了之前的实验后，作者们想找到自己的新证据。合著者 Thomas la Cour Jansen 在一份新闻稿中说：“我们想知道我们是否能够观察到那种薛定谔猫的情况。”他们确实观察到了！通过一种称为二维电子光谱的技术，研究人员看到了分子处于同时激发态——量子诡异性类似于一只猫同时活着又死了。更重要的是，这种效应持续的时间恰好与理论预测的相符，这表明这种量子生物学的证据将会持续存在。正如作者们简洁地说：“因此，我们的测量为FMO复合物中的激发态振动相干性提供了明确的实验观察。”还有什么比这更简单的呢？这些结果（哈哈）揭示了如何从光中收集能量，该团队认为它们“普遍适用于”各种系统，无论是活体还是非活体。这意味着它可能会带来工程上的好处，例如更好的太阳能电池板、能源储存甚至量子计算机。当然，还有为明天的光合作用课程更新教科书。
