科学家首次发现 细菌也懂利用量子力学(图)


科学家首次发现细菌也懂利用量子力学(16:9)
科学家首次发现 细菌也懂利用量子力学(示意图/图片来源: Adobe stock)

科学家发现,绿硫细菌会主动利用量子效应来调节光合作用的进程。“我们第一次看到生物主动利用量子效应。”论文作者Greg Engel如此说。

太阳是地球上万千生命的生长源泉,通过光合作用太阳光被转化成化学能。作为生物界规模最大的有机物合成过程,光合作用可以说是对生命最重要的化学反应。

能进行光合作用的生物,除了我们常见的绿色植物之外,还有一些光合细菌,例如,绿硫细菌(Chlorobium tepidum)就是其中的一个。最近,美国科学家发现,绿硫细菌能利用量子力学效应来调节光合作用的进程。

绿硫细菌是世界上最古老的光合细菌之一,早在遥远的三十多亿年前,它就诞生了。早期的地球极端缺氧,绿硫细菌是一类厌氧型光合细菌。

在光合蛋白中,能量是如何转移的?又是什么控制了能量转移途径的选择?研究人员研究了有氧和无氧环境下绿硫细菌的光合作用表现,发现电子振动耦合(vibronic coupling)这一量子效应,是问题的关键,它引导能量向哪里转移。

“vibronic”一词源于vibrational(振动的)和electronic(电子的),指的是这样一种概念:在分子中,电子运动和核振动相互牵连,两者深深的交织在一起,浑然不分。

在绿硫细菌体内,一种叫做FMO的复合物,用于捕获光能;而菌绿素,就像植物叶绿素一样,是光合作用发生的场所。在无氧状态下,FMO的两个电子态的能级之差和菌绿素分子的振动能量一致。

于是,通过电子振动耦合,开启了一条能量转移的“高速公路”,能量畅行无阻地直通光合作用的“反应中心”,那里充满了菌绿素分子,当环境中富含氧时,情况就变得很不一样了。

FMO复合物中的一对半胱氨酸残基和环境中的氧发生反应,各自失去一个质子。这打破了电子态能级和分子振动能的和谐。

电子振动耦合被破坏,能量传输的“高速公路”也就被中断了。能量转而走通往各处的其他道路,在那里,能量被不断损耗。绿硫细菌虽然损失了能量,但却免受了氧化性损伤,得以“保全小命”。通过调控量子效应来实现生存选择,这给生物学研究带来启示。

责任编辑:任凤鸣

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