量子生物学能揭示生命的巨大奥秘吗?( 三 )


为了探究这个想法,她的团队改变酶的活性位点,并观察反应速率和同位素效应如何在体外发生变化 。 例如在今年早些时候,该团队创造了一种底物略微错位的大豆脂氧合酶,这种错位应该不利于氢的隧穿效应 。 与野生型相比,突变酶的催化能力低了四个数量级,并且对用氘取代氢更加敏感 。
研究人员仍在量化隧穿效应在催化中的作用,Klinman强调使用多种方法(包括诱变和计算建模)的重要性,以确切了解蛋白质如何加速反应 。 实验性的酶进化,即研究者反复选择蛋白质以提高其催化能力,也可以为隧穿效应的贡献提供见解,尽管近期的相关尝试中至少有一项尚无定论 。 去年,一个研究催化氢转移反应的酶的团队报告说,在整个进化过程中,量子隧穿效应“并未观察到有显著的变化” 。
这场辩论呼应了另一场正在进行的对话,那就是关于量子现象对于地球上另一种重要的生物学过程——光合作用——的功能上的重要性 。 正当Vedral和同事探究细菌的光合作用结构是否会与光子纠缠时,其他团队也在研究,另一种量子效应会如何有助于将光合能量转移的效率最大化 。
在植物和某些微生物的光捕获反应期间,光子激发叶绿素分子中包含的电子,以产生一种称为激子的实体 。 这些激子继而从一个叶绿素分子转移到下一个,直到抵达反应中心,也就是一簇可以捕获和贮存其能量的蛋白质 。
在植物和某些微生物的光捕获反应期间,光子激发叶绿素分子中包含的电子,以产生被称为激子(Exciton)的结构——这是一种包含激发态电子及其留下的带正电荷的空穴的实体 。 这个激子继而从一个叶绿素分子转移到下一个,直到抵达被称为反应中心(Reaction center)的蛋白复合体 。 根据该过程的传统或“非相干”模型,激子到反应中心的路径或多或少是随机的 。 因为在转移过程中能量会丢失,所以这样的路径说到底是不经济的 。 | 图片来源:LUCY READING-IKKANDA
激子在转移时会失去能量,这意味着它们在叶绿素分子之间绕路越多,到达反应中心的能量就越少 。 数十年前物理学家曾提出,如果转移过程是量子相干的,那么这种浪费就可能被逆转 。 也就是说,如果激子能以波而非粒子的形式运动,它们就可以同时尝试所有能抵达反应中心的路径,并选取最高效的一条 。
与传统模型相反,如果能量转移过程是“量子相干的”,激子像波一样传播,它就可以同时探索所有可能的路径,并且只采用最高效的一条 。 | 图片来源:LUCY READING-IKKANDA
2007年,由加州大学伯克利分校的化学家Graham Fleming和圣路易斯华盛顿大学的Robert Blankenship带领的团队称,在从绿色硫细菌中提取的叶绿素分子复合物中,他们已经观察到量子相干性 。 硫细菌是经常发现于光照不足的深海中的光合微生物 。 研究者们利用了一项技术分析被样品吸收和释放的能量,并在冷却到77开尔文(约-196℃)的复合物中检测到了被称为量子节拍(quantum beating)的信号,他们将这种振荡视为量子相干性的证据 。 在随后的几年间,他们和其他研究小组在环境温度下复制了该结果,并把叶绿素复合物的发现从海藻扩展到菠菜 。
这些结果是否反映出光合作用的能量转移中存在有意义的量子贡献,这尚待讨论 。 例如在2017年,德国的研究人员再次研究了绿色硫细菌,并称其相干性效应持续了不到60飞秒(1飞秒=10-15秒),这过于短暂,无法帮助能量转移到反应中心 。 但是在去年,另一个团队认为叶绿素复合体中存在多种类型的相干性,其中一些可以持续足够长的时间来协助光合作用 。 另一些科学家提示说,通过产生不同形式的关键性光捕获蛋白质,一些细菌可以切换相干性效应的开关状态 。 这些发现重新引发了学界的推测,或许正如酶一样,光合作用机制也可能进化到了利用量子现象的程度 。

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