细菌也“懂”量子力学

细菌会运用量子力学规则保护自己的光合作用装备。

光合生物会吸收阳光以汲取生存所需的能量。一项由芝加哥大学在《美国国家科学院院刊》中发表的新研究揭示了它们的奥秘：量子力学。

“早在该研究之前，科学界就曾在生物系统中观测到了量子特征。这仅仅因为生物是由分子所构成，还是生物蓄意为之？”论文作者、化学教授Greg Engel说，“这是我们第一次看到生物积极利用量子效应。”

科学家研究了一种被称为“绿色硫细菌”的微生物。这种细菌需要阳光，然而，微量氧气就足以破坏其脆弱的光合作用装备。因此，当遇到氧气时，它们必须找到将损害降到最低限度的方法。

为研究这一过程，科学家们通过一种光合作用蛋白追踪了有氧和无氧状态下能量的流动。他们发现，这种细菌会根据氧气的存在与否，使用一种名为“振动混合”的量子力学效应，在两种不同的路径之间移动能量。振动混合涉及分子相互耦合时的振动和电子特性。从本质上说，振动与电子状态混合得相当彻底，它们的特性也变得不可分割。而绿色硫细菌会利用这种效应将能量引导到它需要的地方。

如果周围环境无氧且安全，细菌就会运用叶绿素分子振动的能量来协调FMO复合体（一种分子和蛋白质的组合）中两种电子态之间的能量差，从而使能量通过“正常”途径流向充满叶绿素的光合作用反应中心。但是，如果周围有氧，绿色硫细菌则会通过一种相对曲折的路径来控制能量使其淬灭（类似于将手掌放在振动的吉他弦上以耗散能量）。这样，细菌虽然损失了一些能量，但保护了整个系统。

为达到这种效果，光合作用复合体中的一对半胱氨酸残基将成为“触发器”：它们每一个都与环境中的氧发生反应，失去一个质子，从而破坏振动混合效应。这意味着，此时，能量将优先通过替代路径移动，并在那里安全地淬灭。

“这个结果的有趣之处在于，我们看到蛋白质会根据细胞内环境的变化开关振动偶联。”论文第一作者Jake Higgins说，“这种蛋白质利用量子效应来保护机体免受氧化损伤。”

以上发现为生物学带来了令人振奋的消息——生物利用量子机制保护自身系统体现了一种重要的适应性，量子效应也能成为保命的重要手段。

这种现象似乎并不局限于绿色硫细菌。正如Higgins解释的那样，“这种机制的简单性表明，它可能也存在于其他光合作用生物体中。如果还有其他生物能够动态调节其分子中的量子力学耦合，从而产生更大的生理学变化，便意味着，很可能存在一套我们尚不清楚的全新自然效应。”

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编译：橘子

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：0027-8424

期刊编号：《美国国家科学院院刊》

原文链接：

https://phys.org/news/2021-03-bacteria-exploit-quantum-mechanics.html

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