量子生物学的未来：量子理论如何帮助理解生命？

点击：  作者：Adriana Marais等    来源：人工智能学家  发布时间:2022-11-04 09:03:54

 

 

导语

 

2022年诺贝尔物理学奖授予了关于量子信息科学的基础性研究。一百多年前，量子革命为我们带来了晶体管和激光，今天，基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。事实上，已有研究表明，在生命过程中也存在量子现象。将量子理论应用于生物学方面的研究被称为“量子生物学”。

 

英国皇家学会会刊（Journal of the Royal Society Interface）在2018年11月发表综述文章《量子生物学的未来》，给生物学家提供了一份简明的量子力学导论，介绍了量子生物学的几个重要领域，包括光合作用、生物感知、酶催化反应、大脑意识的涌现和生命起源等，提供了对量子生物学当前发展状况的看法，并指出该领域要取得进一步发展的潜在途径。集智俱乐部对这篇文章做了全文翻译。

 

研究领域：量子生物学，光合作用，酶催化，感知，生命起源

 

 

 

目录：

1. 简介

2. 什么是量子生物学？

3. 量子力学：给生物学家的导论

4. 输运过程

5. 感知

6. 生命起源

7. 量子生物学和复杂性

 

生物系统是动态的，不断与环境交换能量和物质，以保持与生命同义的非平衡状态。观测技术的发展使研究人员能够在越来越小的尺度上研究生物动力学。这些研究在一系列生物过程中揭示了经典物理学无法解释的量子力学效应的证据。量子生物学是对此类过程的研究，本文提供了该领域当前状态的概述，以及对未来方向的见解。 

 

1. 简介

 

量子力学是描述亚原子粒子、原子、分子、分子组装等微观粒子属性的基本理论。量子力学在纳米和亚纳米尺度上运行，是光合作用、呼吸和视觉等基本生命过程的基础。在量子力学中，所有物体都具有波动特性：当它们相互作用时，量子相干性描述了由于波动特性导致的描述这些物体的物理量之间的相关性。

 

在光合作用、呼吸和视觉方面，过去开发的模型基本上是量子力学的。研究人员已经描述了基于表面跳跃框架的能量转移和电子转移。这些模型描述的动力学通常是“指数”的，并且遵循费米黄金法则[1,2]的应用。由于是在准连续的最终态的分布上求平均转移率，计算的动力学不再显示相干性和干涉现象。在1990年代进行的大量研究中，研究人员已经在光合反应中心和光捕获复合体中观察到了振荡现象，通常将其归因于振动或混合电子-振动波包的形成。据报道，在光合系统的激发能量转移过程中检测到非常长寿命（660fs和更长）的电子量子相干性，重新激发了人们对“非平凡”量子力学在解释生物体基本生命过程中的作用的兴趣[3]。然而，量子现象（如相干性）可能在宏观生命系统中发挥功能作用的想法并不新鲜。1932年，在量子物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）因其在原子结构方面的工作而获得诺贝尔奖10年后，他在哥本哈根国际光疗法大会上发表了题为“光与生命”的演讲[4]。这提出了一个问题，即量子理论是否有助于对生命系统的科学理解。出席会议的有一位充满兴趣的年轻物理学家 Max Delbrück，他后来帮助建立了分子生物学领域，并因在遗传学方面的发现于1969年获得诺贝尔奖[5]。

 

所有生命系统都由分子组成，基本上所有分子都由量子力学描述。然而，传统上，量子力学描述的系统与生物学研究的系统之间巨大的尺度差异，生命和无生命看似不同的性质，使得两个知识体系之间一直存在某种隔阂。最近，超快光谱[6]、单分子光谱[7-11]、时间分辨显微镜[12-14]和单粒子成像[15-18]等实验技术的发展，使得研究人员能够在越来越小的分辨率兼时间尺度上研究生物动力学。他们揭示了生命系统功能所必需的各种过程，这些过程依赖于量子和经典物理效应之间微妙的相互作用。

 

量子生物学将量子理论应用于经典物理学无法准确描述的生物学方面。尽管已有这个简单的定义，关于该领域在科学界的目标和作用仍然存在争议。本文提供了对量子生物学当前地位的看法，并指出在该领域取得进一步进展的潜在途径。

 

2. 什么是量子生物学？

 

就目前的范式而言，生物学在将经典模型应用于生命系统方面取得了广泛的成功。在大多数情况下，分子尺度上的微妙量子效应在整体生物功能中不发挥决定性作用。在这里，“功能”是一个广义的概念。例如：视觉和光合作用如何在分子水平和超快时间尺度上发挥作用？由相距约0.3nm的堆叠的核苷酸分子组成的DNA，如何处理紫外线光子？酶如何催化重要的生化反应？我们的大脑如何以亚纳米尺度组织的神经元处理如此惊人的信息量？DNA复制和表达是如何工作的？当然，所有这些生物学功能都应该在进化适应性的背景下考虑。在这些情况下，经典近似和量子力学模型之间的差异通常被认为可以忽略不计，即使在基础上，每个过程都完全受量子力学定律的支配。在量子和经典疆域之间不明确的边界上会发生什么？更重要的是，是否存在“看似”经典但实际上并非如此的基本生物学功能？量子生物学的作用恰恰是揭露和解开这种联系。 

 

从根本上说，所有物质——有生命或无生命的——都是量子力学的，由离子、原子和/或分子构成，其平衡特性由量子理论精确确定。因此，可以说所有的生物学都是量子力学的。然而，这个定义并没有解决生物过程的动力学性质，或者分子间动力学的经典描述似乎往往已经足够这一事实。因此，量子生物学应该根据所使用模型的物理“正确性”以及特定生物过程的经典模型与量子力学模型的解释能力的一致性来定义。 

 

当研究人员在纳米尺度和更大尺度上研究生物系统时，他们发现生物有机体中存在本文详细介绍的过程。目前认为，量子力学描述对于充分表征相关子系统的行为是必要的。虽然在宏观时间和长度尺度上很难观察到量子效应，但总体上需要该过程。因此，生物体的功能和生存似乎依赖于分子间尺度的动态量子力学效应。量子生物学研究的正是这些时间和长度尺度之间的相互作用，目的是建立一致的物理图景。 

 

对量子生物学的巨大希望可能包括对生命的定义和理解做出贡献，或者对大脑和意识的理解做出贡献。然而，这些问题与科学本身一样古老，更好的方法是询问量子生物学是否可以为一个框架做出贡献，在该框架中研究人员可以以这样的方式解决问题以获得新的答案。对在量子物理学和经典物理学领域之间有效运行的生物过程的研究已经有助于改进对这种量子到经典转变的物理描述。 

 

更直接的是，量子生物学有望为受生物启发的量子纳米技术提出设计原则，例如能够在室温下的嘈杂环境中，基于基本水平上有效执行，甚至利用这些“嘈杂环境”来保护甚至增强量子特性[19,20]。通过设计这样的系统，有可能测试和量化量子效应在多大程度上可以增强生物学中发现的过程和功能，并最终回答这些量子效应是否可能是在系统设计中被有目的地选择的。然而，重要的是，量子生物启发技术也可以在本质上独立于启发它们的生物体而有用。

 

3. 量子力学：给生物学家的导论

 

二十世纪初，经典物理学在描述所有可观测现象方面的成功在某些方面开始受到挑战。1900年，为了解释黑体辐射的光谱能量分布，普朗克提出了一个想法，即物质与频率为 ν 的电磁辐射之间的相互作用是量子化的，仅以 hν 的整数倍发生，其中h是基本的普朗克常数。五年后，爱因斯坦进一步发展了能量量子化的概念，将其扩展到包括光子——光的量子。这个概念可以通过光电效应来说明，其中入射到材料上的光会导致电子的发射。然而，即使是合适频率的低强度光也会导致电子发射，而低于此阈值频率的高强度光却不起作用。为了解释这个问题，爱因斯坦提出，在这种情况下光表现为粒子而非波的行为，离散能量可以转移到材料中的电子。此外，玻尔在1913年提出的氢原子模型及其离散能态，以及康普顿1923年对X射线的研究，都为现代物理学新时代的开始做出了贡献。这些解释黑体辐射和光电效应以及原子稳定性和光谱学的方法导致了量子力学的发展，这一理论在预测和描述微物理系统方面非常成功[21,22]。

 

普朗克和爱因斯坦假设辐射也表现出类似粒子的行为，从而开启了量子革命，而德布罗意在1923年提出了补充理论——物质本身具有波动特性，波长通过普朗克常数与其动量相关。这个假说表明，物质波应该表现出衍射行为，随后的实验证明了这一点，表明电子等粒子显示出干涉图案。薛定谔在他的量子力学公式中建立了这一观察结果，该公式通过使用波动力学描述微观系统的动力学。量子力学公式允许研究量子态的许多重要方面：它在任何时间t的数学描述，如何计算与该状态相关的不同物理量，以及如何描述状态随时间的演变[21,22]。 

 

量子力学是一种数学框架，用完全刻画系统的量子态 |ψ> ，以及包含系统可用的所有状态的希尔伯特空间 H，来描述一个孤立物理系统。由状态向量 |ψ> 描述的系统的时间演化服从薛定谔方程，即

（3.1）        

其中 ħ 是约化普朗克常数，H(t) 是哈密顿量，代表系统的能级和系统各部分之间的相互作用。 

量子理论更令人着迷的一个方面是，对于描述系统的两个量子态 |ψ1>和 |ψ2>，其线性叠加 α1 |ψ1> + α2 |ψ2> 也描述了该系统。构成希尔伯特空间的状态的这种组合或叠加更一般地写为

（3.2） 

叠加态中的每个正交归一态 |ψi> 由复数 αi 加权，pi = |αi2> 是在该状态找到系统的概率。正是在这里，量子力学与经典世界分道扬镳。量子体系中叠加态的存在导致了独特的量子力学性质，这通常是违反直觉的。例如，量子相干性描述了构成叠加的各个态之间的明确关系，而量子纠缠是量子态之间一种特殊的关联形式。一个很好的例子是光合作用中电子态的离域化，这对于解释光合作用底层的电子能量转移和电荷分离的速度和效率至关重要[23]。量子力学的概率诠释也允许用隧穿的概念来预测量子粒子穿过势垒的可能性，这在经典力学中是被禁止的[21,22]。量子隧穿的一个很好的例子是供体和受体之间的电子有效转移，如在光合作用反应中心和呼吸复合物中，电子必须穿过高能蛋白屏障[24]。

 

在这篇综述中，叠加、相干、纠缠和隧穿效应这些特定的量子特性，被描述为对光合作用、磁感知、嗅觉、酶催化、呼吸和神经传递等多种生物现象的新理解不可或缺的一部分[25-27]。

 

4. 输运过程

 

从根本上讲，生物系统的动力学与能量和电荷转移有关，后者涉及电子、质子和离子。光合作用中的激发能量转移和电荷转移是量子生物学最成熟的领域，最新的研究领域是酶催化研究，它通常依赖电子和质子的耦合来控制多个电荷的输运。 

 

4.1.光合作用

 

超过30亿年时间里，有一类多产的生物依靠光能生存，利用一种称为光合作用的过程将光能转化为对自身生存有用的形式。在典型条件下，光合生物将太阳光的能量转化为生物质的总体效率相当低（最多只有几个百分点[28,29]），因为既无法吸收所有入射的阳光，也无法将所有吸收的能量转化为生物质。然而，光合作用的初级光捕获阶段以近乎完美的量子效率进行。这意味着在最佳条件下（低光强度和无压力），对于几乎每个被光捕获（天线）复合物吸收和转移的光子，都有一个电子在光合反应中心内转移。

 

光捕获复合物可能是准无序的自组装聚集体[30]，或与蛋白质支架结合的高度对称的色素结构 [31,32]。构成整个天线系统的光捕获复合物与反应中心相连，反应中心是光合作用装置中能够进行跨膜电荷分离的唯一单元[33]。

 

通过从自然光合系统中分离光捕获复合物和反应中心，同时模拟生理环境条件进行的实验，我们对光合光收集系统在体内的功能有了更多了解。众所周知，初级光合作用过程中的能量和电荷转移表现出基本的量子力学特性，例如离域化、波包、相干性和超辐射，而且经典模型不能准确地描述随后的动态。

 

4.1.1.激发能量转移

 

早在1938年，Franck&Teller[34]就提出光合作用中激发能量转移的量子相干机制。他们考虑了Frenkel 激子的扩散，这是单个光合色素电子激发的相干叠加（图1）。随着1990年代初期飞秒瞬态吸收光谱的出现，细菌和植物光捕获复合物中检测到长寿命振动相干性，持续时间为皮秒级[35-40]。在过去14年中，先进的超快技术，称为二维电子光谱（2D-ES），已被用于监测光捕获复合物振动态和电子振动（混合激子-振动）态的相干叠加的衰减。二维光谱显示存在随时间振荡的交叉峰[41][42]。大量研究将交叉峰与激子态之间的耦合联系起来，而它们的振荡被分配给电子量子相干性，即激子态之间的相干叠加[42]。第一项此类研究是在绿色硫细菌的Fenna-Matthews-Olson（FMO）复合体上进行的，本项研究由Fleming小组于2007年发表，揭示了特定的相干性持续时间极长（660fs）[3]。2009年，高等植物的主要光捕获复合物（LHCII）显示出类似的振荡信号，并被解释为量子相干能量转移[43]。这些初始结果是在低温下获得的。一个重要的进展是在2010年，Engel[44]和Scholes[45]小组独立地检测到FMO中生理温度下类似的相干振荡和两种海洋隐藻藻类的光捕获复合物。

 

 

图 1. 展示光合作用光捕获复合物中激发能量转移概念的示意图。椭圆描绘了其中发生强激子耦合的颜料簇，箭头表示簇之间能量的不连贯转移。在每个簇内，能量在所有颜料上都是离域的，并相干地传递。

 

通常，与低温下的量子相干相比，生理温度下的量子相干是很脆弱的，因为环境噪声随着温度升高而增加，导致退相干时间更短。因此，这些结果很有趣，一方面从量子信息处理的角度来看，一个主要挑战是在不可避免地与环境相互作用的系统中保持量子相干性，另一方面从量子生物学的角度来看，它研究生命系统功能的基本方面是否只能用量子力学来解释。 

 

受这个温暖、嘈杂、复杂但非常有效的能量传输系统启发，人们提出了许多环境辅助量子输运模型。目的是将光合色素蛋白质中多个发色团位点的量子相干现象，与激发能量转移过程（通常在系统的近似自旋玻色子模型内）的极端效率联系起来。与噪音会降低系统性能的直觉相反，已经发现与环境的相互作用可以提高传输效率[19,20]。光捕获复合物由许多具有通常不同位点能量的色素分子组成。如果该能量差大于色素分子-色素分子耦合，则转变将被抑制。移相噪声可以改变位点能量，从而帮助克服这些能隙，并在不损失系统激发的情况下改善位点之间的输运[46]。 

 

在支持和反对长寿命（最多几皮秒）电子相干性的大量理论证据之后，最近对FMO复合体的2D-ES研究明确表明，这些长寿命的相干性主要来自基态振动而不是激子–激子叠加[47,48]。发现与电子相干相关的量子拍频幅度很小，衰减仅在60-240fs内。然而，也发现了激发态振动相干性的实验证实[48]，其在光合作用中激发能量转移中的作用仍有待确定。 

 

然后人们可能会问，量子相干性——激子以及电子振动相干性——在光收集中的作用是否是最优化，或者仅仅是色素-蛋白质复合物中色素接近的结果。还研究了环境辅助输运相对于系统或环境特征变化的稳健性，结果表明这种稳健性可用于高效量子输运系统的设计[49,50]。光合作用中时间尺度的收敛已被提出作为“量子金发姑娘效应”的一个例子：自然选择倾向于将量子系统驱动到一个参数集，其中产生的量子相干度“恰到好处”地实现最大效率和最优控制[51]。

 

一般来说，对振荡动力学的观察不足以排除对相同行为的经典描述，光合作用中环境辅助传输的量子模型也并非没有争议。然而，最近的工作[52]明确表明，环境振动运动的非经典特性可能有助于光合LHC在亚皮秒时间尺度和室温下的激发能量转移。这些想法应该通过检查光合LHC的突变变体是否会改变量子相干度、相干寿命以及能量转移效率来进行实验验证。

 

4.1.2.电荷转移

 

光合作用中的电荷分离是自然界中最有效的现象之一，其量子效率接近百分之百。促成过程发生在不同的时间尺度上，从亚皮秒到毫秒，涉及无序和相干之间的相互作用，由电子振动状态（振动和激子状态的混合）介导。电荷分离是理解量子物理学在生物学中的作用的一个很好的候选者。由于电荷分离发生在微秒时间尺度上，量子效应在这样的宏观水平上通常不是直接可见的。然而，电荷分离机制可以用一系列不同的过程来表示，早期步骤在超快时间尺度上并且只涉及几个分子，而整体效率取决于每个步骤。

 

 

图2. 根据[23]中的模型，高等植物光系统II反应中心的量子相干电荷分离示意图，沿着至少两个现有途径之一。左边是谐波电位上的四个波包，每个波包对应于电荷分离路径上的不同状态。对于每个状态，右侧显示了电荷云的关键颜料和大致位置和符号。水平线描绘了右侧所示相应状态的指定波长处的吸收峰，而波浪箭头描绘了与指示振动模式的共振相互作用。符和*分别代表电荷转移特性和激子特性。这四种状态的性质是：—高激子态，—具有某些电荷转移特性的激子态， —与激子态混合的电荷转移态，——最终的电荷分离状态。请注意，最后两个状态之间涉及 ChlD1 的中间过程被省略了。由于与振动模式耦合，前三个步骤涉及相干弛豫，而最后一步涉及非相干转移。

图注：D1和D2，对称反应中心结构的两个分支；Chl，叶绿素；P，初级电子供体/特殊对Chl；Phe，脱镁叶绿素。改编自Romero等人[23]。

 

1966年，DeVault和Chance观察到紫色细菌反应中心中电子转移的温度依赖性，这是经典物理学无法解释的[53]。他们提出这种行为作为量子隧穿的证据[54]，并为生物学中电子和核隧穿的概念奠定了基础[42]。虽然Marcus的电子转移理论忽略了核隧穿[2]，因此可能低估低温下的电子转移速率，但半经典Marcus理论可以扩展到基于非辐射跃迁理论的全量子力学处理，包括核隧穿，并且可以很好地预测电荷分离率随温度降低的增加。如果假设电荷分离与某些谐波振动模式强耦合，则该速率由Jortner速率给出。然而，这是基于振动弛豫发生在比电子转移更短的时间尺度上的假设，对于非常快速的转移事件并非如此。超快光致电子转移反应如此之快，以至于在从供体到受体的电子转移过程中不会发生完全的振动弛豫。振动弛豫通常发生在皮秒或亚皮秒时间尺度上，超快电子转移反应在相同尺度上进行[55]。

 

高等植物光系统II反应中心的2D-ES实验揭示了特定交叉峰的长期振荡，类似于光捕获复合物，并被解释为激子之间以及激子和电荷转移之间的电子相干性状态（图2）[56]。在相干程度与有效和超快电荷分离之间观察到很强的相关性[56]。实验结果由量子相干模型定量再现，该模型具有新的能量转移途径，这些途径在过多的振动状态之间通常不会出现[56-58]。具体来说，模拟表明观察到的交叉峰振荡可以通过特定的振动模式维持，其中辅助共振转移的模式主要是色素固有的，而色素激子跃迁主要由蛋白质支架调节以匹配这些模式的能量。因此，虽然非平凡的量子效应可能隐藏在宏观层面，但它们似乎从根本上促进了电荷分离的生物机制。因此，电荷转移是理解量子物理学在生物学中作用的一个很好的过程。

 

因此，实验和理论证据表明，静态无序景观中的单一振动模式很可能有助于光合生物中光收集和电荷分离的输运，蛋白质支架调节的色素激子跃迁与振动模式的能量相匹配，有助于共振转移[52,56]。核电子（振动）耦合是分子系统光诱导功能的重要机制，一般而言，在特定设计的系统中。光诱导电子转移的结果也已被证明可以通过模式特定的红外激发与电子转移途径耦合的振动而发生根本性的改变[59]。

 

4.1.3.单分子光谱

 

单分子实验提供了一种有趣且有前景的方法来研究光合复合物的量子特征。2D-ES的结果表明，环境以分子振动的形式对量子相干能量和电子转移过程具有密切的作用。这种环境从复杂到复杂以及在相对较慢的时间尺度（毫秒到分钟）上变化，正如对单个光捕获复合物的研究中报道的不同的、随时间变化的能量转移途径所表明的那样[11, 60-62]。由于这种异质性，通常称为“静态紊乱”，起源于相对缓慢的蛋白质构象动态波动，光谱特征振荡的衰减受到系综平均的强烈影响。通过避免单分子实验中的系综平均，可以将量子相干性扩展到微观领域，这可能会更多地揭示这种量子现象的生理意义。 

 

静态无序还通过改变激发被困在能量汇中的概率[63,64]，或不与光系统中其他复合物相邻的色素簇[65]来强烈影响光捕获复合物中激发的命运。对光捕获复合物的外部影响对光动力学的精细控制仍缺乏详细了解，例如在非光化学猝灭期间发生的光动力学，这是一种耗散光合作用中多余能量的重要调节机制，但目前仍然缺乏了解。振动辅助能量转移和能量转移途径采样的作用可以通过单分子相干控制实验来阐明。 

 

最近，基于对光合作用反应中心磁场效应的一系列实验观察，自旋的量子力学性质在光合作用的量子保护机制中的直接作用已被提出[66]。了解监管和保护光合作用的机制，以及这些过程到飞秒级时间尺度上的分辨率和控制，对于在干旱胁迫或高太阳辐射条件下的作物歉收调查，以及下一代仿生太阳能电池的开发中具有重要应用。

 

获取有关单个分子中纯量子力学特征信息的一种补充方式是寻找不同的量子力学指纹，例如高阶相关函数中的非经典亚泊松统计，或某些违反贝尔不等式或柯西-施瓦茨不等式的可观测量的统计。最初热化振动的非经典性已被证明是通过相干激子-振动相互作用引起的，并且明确地由与电子动力学耦合的有效集体模式的相空间准概率分布，即使激发的非相干输入也是如此。这些结果表明，对辅助激发和电荷传输、光接收和化学传感过程的振动运动的非经典特性的研究，可能是揭示生物学中非平凡量子现象的作用的试金石[52,67]。然而，由于对超快（飞秒到纳秒）时间分辨率和高光子计数率的要求，在单分子水平上进行此类研究极具挑战性。

 

4.1.4.人工光合作用

 

量子生物学领域的一项主张是，在微观尺度上详细了解光合作用，尤其是其初级阶段，将使研究人员能够设计受生物启发的人工光合作用系统，利用地球上丰富的元素（如碳）来有效利用太阳光、氧气、氮气等。围绕此类系统的设计已经取得了重大进展（例如[68-73]）。人工光合作用的分子方法是将太阳能转化为生物燃料的众多竞争者之一。在这里，研究自然光合作用以提取设计原理，然后尝试基于这些原理开发更好的光系统。当前系统的主要限制是存储以及由过度积累电荷引起的催化剂的不稳定性。电荷分离的平衡是必不可少的，例如通过耦合质子运动[74]。

 

受量子生物学启发的设计中的一个重要原则是激子的存在：它们负责更有效的光吸收、更快的能量漏斗（即沿能量梯度衰减更快）、更快的能量转移和更有效（不可逆）的激发捕获反应中心[75]。此外，它们的量子行为通过它们对不同路径的波动干涉，以及蛋白质环境的振动模式与色素相互作用的方式（增加离域和提取或吸收振动能量），以促进能量在复合物中的转移。

 

对原型人工反应中心的初级电荷转移的研究揭示出，电子和原子核在几十飞秒的时间尺度上的关联波动作为光致电流产生循环的驱动机制[76]。重要的是在评估此类系统时包括周转率，而不仅仅是效率。良好的周转率需要有弹性、稳定的系统，这可能可以通过某种保护性聚合物包裹颜料来实现[77]。例如，已经研究了制造涉及跨膜BChl-结合蛋白模型的人工膜嵌入蛋白的策略[78]。

 

光合作用中激子传输研究的挑战，包括色素网络的无序性质、类似时间尺度上激子能级的波动以及与激子动力学的耦合，也出现在其他非生物环境中。证明最初出现在量子生物学中的见解和想法很有用的一个具体例子是最近对有机光伏（PV）的研究，这是一种太阳能电池，由两种不同的人造分子半导体组合而成。电子供体体半导体通常是聚合物，而受体通常是富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。在器件内部产生强束缚的 Frenkel 激子，然后扩散直到它们到达供体和受体区域之间的界面。供体和受体具有不同的化学势，这提供了将界面处的激子解离成自由电荷的驱动力，然后自由电荷可以扩散到相反的电极。然而，由于库仑相互作用是长程的，并且有机材料具有低介电常数，电子和空穴在室温下经历比kBT高10倍的结合能，即使它们已经离解到界面两侧的不同分子上。因此，绝大多数设备从电极中提取的电荷远少于入射光产生的电荷，从而导致功率转换效率低下。

 

然而，近年来出现了少数高效器件，据报道电荷提取效率接近100%[79,80]。研究人员已经进行了大量工作来确定该子集中有效的远程电荷分离的起源。实验工作表明，有机光伏和光合作用有一些惊人的巧合。最初认为供体-受体界面处的电荷分离将发生在皮秒到纳秒的时间尺度上，这可以通过经典的热涨落驱动的电荷跳跃来描述。许多实验已经观察到，在激子到达界面的100飞秒内产生了很大一部分的自由电荷，就像在光合激子传输过程中观察到的飞秒相干性和动力学一样。在经典的Marcus“跳跃”模型中无法解释这种时间尺度上的传输，必须明确包含相干传输[81,82]。

 

理解这些观察结果需要对供体-受体界面附近的电荷输运进行详细建模。至关重要的是，有机半导体中的电荷移动经历了上述色素-蛋白质复合物的所有三个关键特性：高度无序、分子波动和重组。因此，也许是出现类似的现象并不奇怪。光合作用中的激子传输理论通常涉及部分离域状态和噪声辅助传输的相互作用，描述了如果激子或电荷与分子振动模式适度强耦合，以及如何增强通过网络的传输。越来越多的共识认为，部分离域状态也出现在高效的有机光伏系统中，并且也有人认为受主半导体聚集区域内的噪声使电荷分离过程成为可能。许多研究有机光伏的理论小组现在采用开放量子系统方法，使用的方法受到早期光合光捕获复合物研究的强烈影响[83-86]。

 

量子生物学有助于开发可持续能源技术的潜力通常被认为是研究该领域的动力，特别是用于理解光合作用系统中的量子相干激发能量转移。然而，从这一普遍主张到实用能源系统的发展，需要更具体的建议，将量子能量转移到环境可持续和经济可扩展的系统中。正如量子生物学本身的一个基本问题一样，纳米尺度现象如何能够显著影响生物体的宏观行为，在工程宏观能源系统中利用量子生物现象的潜力取决于这种现象是否能在环境和经济约束下显著影响系统规模的运行。硅基光伏等现有可再生能源技术的发展表明，能源转换效率等纯物理性能标准通常不如生命周期分析等技术经济性能指标重要。现有的极其高效的光伏电池对于大多数实际应用来说过于昂贵，并且在某些情况下需要低丰度的元素，即使负担得起，它们也无法在全球范围内扩展。解决这些限制一直是最近光伏研究的核心问题，其他全球范围的考虑对于评估量子生物学在可持续能源发展中的潜力很重要。在全球范围内，只有不到20%的能源作为电力被消耗；几乎所有剩余的80%都在最终消耗时作为燃料消耗。尽管作为电力消耗的能源份额稳步增长，但在人为气候变化和化石燃料枯竭的临界点的时间范围内，燃料可能仍然占主导地位。因此，迫切需要可再生燃料技术，例如工程和/或人工光合作用系统，而不是简单的更高效的光伏电池发电。开发光合能源系统需要一种集成的系统方法，光收集组件只是复杂（生物）物理化学系统的一部分，理想情况下应该针对系统规模性能进行优化。只有通过平衡子系统的还原分析与整个系统的整体分析，才能公平地评估量子动力学效应在此类系统内的光收集中的重要性。这样的考虑有助于集中主要动机是可持续能源发展的量子生物学研究人员的努力。关键的教训是，为了将全球系统规模的目标与能源系统（包括在量子动力学现象起着重要作用的纳米级）范围内的工程参数相关联，集成系统方法至关重要。

 

4.2.酶催化

 

酶通过催化生化反应对细胞功能至关重要，否则这些生化反应的反应速率可能非常低。理解速率加速的物理机制是一个困难的研究课题。过渡态理论已被用作解释酶催化的基础，但最近的理论和实验发展开始关注量子隧穿效应在酶催化多氢转移中的潜在作用，并且一直专注在量子力学形式中描述氢转移[87]。描述量子隧穿的标准模型已被证明可以解释实验酶数据，只要能解释酶具有许多可能的不同结构的事实[88]。有趣和热门的问题包括，蛋白质的局部振动运动是否可以通过与反应坐标偶联来为酶提供催化优势，以及是否可以选择蛋白质的特定动力学运动来辅助催化。

 

酶通常依靠电子和质子的耦合来控制电荷传输和催化作用[87]。在生物能量储存中，由电子转移驱动的质子易位的重要性于1961年首次被注意到[89]，从那时起，质子耦合电子转移机制[90]已被证明是氨基酸自由基生成和运输的基础[91]，伴随着酶活性位点的大多数底物键的激活[92]。 

 

5. 感知

 

生命系统会根据从环境感知中获得的信息不断更新内部过程。环境中的微小变化都可能导致生物体功能发生宏观变化。有人提议说，几种生物传感机制非常敏感，可以在量子水平上检测环境中的变化。下面的小节概述了这些建议。

 

5.1.磁感知

 

鸟类迁徙的量子理论并不是一个新理论。自Schulten首次提出以来40年[93]，自由基对机制在鸟类磁感知的实验和理论研究中都得到了很好的确立，并且是用作量子生物学领域证据的主要替代（光合作用）例子之一：该机制可分为三个步骤（图3）。在光激发导致电子转移和对形成的初始步骤之后，自由基对在单态和三重态自旋状态之间振荡，然后再进行重组和神经解释的最后一步。正是单态-三重态混合经历了地球磁场的影响，并提供了一些解释行为观察的方法，例如光依赖[94]、倾斜方面[95]和鸟类罗盘的共振效应[96,97]。

 

 

图3.自由基对机制的三个步骤。在第一步中，入射到供体分子上的光子导致电子对中的一个电子被提供给受体，以产生空间分离但自旋相关的自由基对。在第二步中，自由基对在塞曼效应和超精细效应的影响下在单态和三重态之间振荡。第三步包括化学产品中的自旋相关的重组。

 

自由基对理论已经产生了许多关于罗盘相干性和纠缠的论文，并为罗盘行为提供了令人信服的论据（参见[98]和其中的参考文献以了解该主题）。然而，对于罗盘机制是否真的是一种量子现象或可以使用半经典框架来描述，仍然存在一些疑问。对此有人提出，指南针令人具有难以置信的准确性，是由于避免了隐花色素中形成的自由基的自旋能级交叉，这是一个真正的量子力学过程[99]。

 

在解决机制结构方面也取得了进展。隐花色素作为磁感受位点的生物分子，目前受到广泛关注。有证据表明，在植物中，弱磁场会增强隐花色素的反应[100]。在果蝇的案例中，也曾有研究人员提出隐花色素可能介导动物的磁反应[101,102]。对于更复杂的生物来说，这似乎是合乎逻辑的下一步，特别是因为已经在候鸟眼中确认了四种不同类型的隐花色素[103]。并且，已经证明来自候鸟的隐花色素在蓝色光谱的影响下，会形成具有毫秒寿命的自由基[104]。最近，两项研究为这四种隐花色素之一Cry4在鸟类罗盘中发挥作用提供了强有力的证据。Cry4以恒定水平而非周期性模式表达；这种恒定性对于高效导航是必要的[105]。Cry4的双锥定位，以及它在候鸟迁徙期间表达水平上调但在鸡中不上调的事实进一步证实了该分子作为磁感受器是可行的[106]。

 

鸟类迁徙作为量子生物学主题的未来将依赖于对地球磁场中隐花色素的自旋动力学的更详细了解，以及这如何解释已经提出的一些行为问题，其中之一是如何调和对应用振荡射频场的迷失方向影响的不同观察结果。除其他外，隐花色素负责调节昼夜节律，与DNA修复酶光解酶非常相似[107,108]。更好地了解隐花色素与地球磁场的相互作用，可以进一步了解更复杂的生物体中可能表现出量子效应的其他生物过程。 

 

5.2.嗅觉

 

嗅觉是生物体“闻”数千种不同分子的系统。与人类味觉结合的数百种不同类型受体和果蝇中的数十种受体如何产生如此惊人灵敏的分子识别系统仍然是一个谜。1928年首次提出的一个有趣的理论[109]是，我们的嗅觉依赖于气味分子的量子力学振动模式。1996年，这一理论再次复兴，它提出蛋白质偶联受体使用非弹性电子隧穿来测量分子振动，而不是分子和受体像锁和钥匙一样只是形状匹配 [110]。根据这一理论，只有当这些位点之间的能量差与气味剂的振动能量匹配时，电子才会从供体位点隧穿传输到受体位点。这种嗅觉振动理论让人想起光合作用中激子的声子辅助传输，说明量子化振动在量子生物学中的基本作用。

 

 

图4.说明量子效应在嗅觉中的可能作用的示意图。先前已提出嗅觉取决于适合特定受体的气味剂的形状和大小，而果蝇实验表明，尽管氘和氢两种同位素具有相同的形状，但用氘取代氢会导致气味发生变化。这表明振动频率可能在气味检测中发挥作用[111]。

 

为支持该理论，果蝇实验表明气味剂的形状和大小不足以检测。例如，尽管氘和氢两种同位素分子具有相同的形状（图4）[111]，但用氘取代氢会导致气味发生变化。此外，已经观察到具有相似振动频率的分子会引起果蝇的相似反应，尽管它们在化学上无关[111]。2007年[112]显示了使用简单但通用的理论模型提出的机制的物理可行性和效率。下一步是设计受生物学启发的室温分子传感设备。

 

5.3.认知

 

量子物理学是否可以在解决尚未解决的身心问题中发挥作用的问题，即大脑的形态结构如何产生了有意识的思考，这绝不是新问题。Michael Lockwood 1989年的思想、身体和量子[113]或Henry Stapp 于2009年Mindful Universe中的观点[114]是一些具有哲学或科普角度的专著的例子。大量的关注和批评也指向罗杰·彭罗斯和 Stuart Hameroff 的想法，他们提出神经细胞中细胞骨架的一部分，即微管，根据他们所谓的“精心策划的客观减少”（orchestrated objective reduction）进行量子计算，这是一种来自彭罗斯的量子引力机制[115]。

 

另一个科学分支从更实用的角度触及“量子大脑”的问题：量子神经网络研究试图利用量子计算来改进广泛用于机器学习的人工神经网络模型。这些人工神经网络模型历史上源自生物神经网络的动力学[116,117]，因此接近量子动力学和神经计算的兼容性问题。然而，MaxTegmark[118]提出了一个关键点，他估计参与动作电位传播的离子的退相干时间尺度比神经动力学的相关时间尺度小10~20个数量级。换句话说，参与神经动力学的离子的量子相干性会在宏观动力学之前很久就被破坏了可能会受到影响。因此，生物神经网络中量子效应的潜在理论必须展示生物神经网络的宏观动力学如何从小得多的相干动力学中产生。Matthew Fisher 在这个方向上进行了有希望的研究，他提出磷可以充当神经量子比特，允许在大脑中进行量子处理，并且这种量子性受到所谓的波斯纳分子的保护，波斯纳分子将磷酸根离子与钙离子结合。纠缠的波斯纳分子然后触发神经元放电率的非局部量子相关性[119]。

 

麻醉药的研究引导了研究意识的实验之路。到目前为止，关于意识，研究人员只能说它“可溶于氯仿”[120]，并且可以溶于一系列彼此截然不同的分子中。在最近一篇关于意识研究的文章中[121]，Turin 和他的同事发现，许多全身麻醉剂可逆地增加果蝇中的电子自旋含量，而这种作用在抗麻醉的突变果蝇中是不存在的。他们提出，全身麻醉剂会改变某些分子的最高占据分子轨道的结构，促进供体和受体之间的电子传输，从而使大脑处于无意识状态。如果这是真的，那么由密度泛函理论（量子理论的一种工具）计算出的分子结构变化将对宏观尺度产生影响。此外，电子自旋测量对于观察这种效应至关重要。尤其是在量子生物学的更广泛定义中，此类发现非常令人鼓舞，并显示了该学科可以做出的潜在贡献。

 

6. 生命起源

 

原始生物（如细菌）中量子效应的识别导致开放量子系统模型成功应用于光合作用系统中的能量和电荷转移过程，并表明量子效应可能在从无生命物质到由无生命物质组成的最早的生命系统的涌现中发挥了重要作用。

 

对星际冰中生命分子前体的探测表明，生命的组成部分可能已经出现在太空中，并由彗星或陨石等物体运送到地球。然而，标准的计算量子化学无法解释星际介质中化学物质的多样性和丰富性。例如，氰化氢（HCN）低聚物可能在前生命分子（prebiotic molecule）的合成中发挥了重要作用[122-126]，最近，在星际空间中检测到了HCN的二聚体形式（氰基甲亚胺）[127]。然而，已经发现星际气相生产路线无法生产大量的HCN [128,129]，尽管它可以被检测到。

 

星际介质中前生命分子自发产生的理论研究根本上是在开放量子系统的框架下进行的。低温星际冰冷环境与简单的分子系统如HCN强耦合，并被入射的紫外线辐射激发，可以使用来自量子生物学领域的适当的众所周知的近似值进行研究。

 

一个更困难的问题是，第一个生命系统是如何从这些前生命分子中产生的，如果有的话。尽管在可行的DNA设计[130]方面取得了非凡的工作，我们还不能从基本成分合成一个小的功能肽，并且对理解很多问题有很长的路要走，比如如何准确区分分子集合和组成生命系统的分子集合，以及量子效应在生命起源中可能发挥了什么作用。 

 

7. 量子生物学和复杂性

 

复杂性可以定义为系统描述的不可压缩性。如果没有可以简化问题的基本集合，则系统是复杂的。在宏观生物系统中可见的量子特征必须能够在过渡到高光谱密度的过程中幸存下来。频谱中的混沌涨落包含有关系统动力学的普遍特征的信息。量子生物学的新兴领域关注长度和时间尺度分离的动态现象之间的相互作用，从纳米尺度分子组装中的飞秒能量转移过程，到整个生物体尺度的生态系统内的生存和繁殖。

 

重要的是要注意，自然选择不能违反化学的量子力学性质。例如，不可能设计出具有光捕获复合物的植物，组成复合物的化合物却不符合量子力学描述。生物学描述了在整个生物体的尺度上进化选择的系统。选择的结果是通过遗传过程介导的，对生物子系统的影响只能达到一个特定尺度，在该尺度之下发生的物理细节不受生物选择的影响。然后，量子生物学关注可以选择的量子动力学过程（例如，在蛋白质尺度上）是否会影响宏观有机体动力学。也就是说，如果纳米尺度的量子行为要传达选择优势，它必须是可选择的，而且这种选择发生在整个有机体的尺度上。因此，我们可能会声称，只有可以存在于量子和经典变体中的子系统才是有意义的，因为进化可以选择其中之一。这使以下主张变得微不足道，即所有生物学都是量子生物学，因为它依赖于化学，而所有化学在原子和分子尺度上都是量子的；因此，进化在这里不可能选择量子子系统以外的任何东西。量子生物学感兴趣的子系统可以居住在什么样的长度和时间尺度范围内（因为可以想象它们可能存在于量子和经典变体中）是一个悬而未决的问题。尺度问题将证明对量子生物学的进一步发展很重要[131]。

 

8. 讨论与结论

 

关于量子生物学的第一本书是 Pascual Jordan [132] 撰写的《有机分子之谜的物理学》（Physics of the mystery of organic molecules）。然而，自1932年出版以来，关于生命本质的许多谜团仍然存在。很明显，粗粒化的经典模型无法准确描述生命系统中发生的一系列过程。那么，持续争论的问题是量子效应在这种生物过程中发挥重要作用的程度。

 

回答这个问题的一个有用途径是通过生物启发量子技术的工程设计，这些技术可以胜过为相同目的（例如用于能量利用或环境传感）而设计的经典设备。一些自然过程在生理温度和极其复杂的系统中经过了数十亿年完善，如果宏观尺度上的量子效应可以在其中发挥作用，使其良好运转，那么生物世界中存在大量信息可以从中为人类自己的技术汲取灵感。

 

在这个方向上，人们提出了一种原型量子热机，它清楚地说明了量子设计原理，即电子自由度和振动自由度之间的单一能量量子的相干交换可以增强光收集系统的功率，超过单独使用热机制可能实现的功率。它使用热力学性能测量的量子优势已被量化，并且该原理对现实生物结构的适用性得到了证明[133]。

 

量子生物学研究生物功能和该功能的调节，其与静态无序相关。单分子光谱给我们一个独特强大的透镜来观察静态无序的作用，它连接生物功能（投影到宏观/有机尺度）和量子力学现象。同时，量子生物学还关注长度和时间尺度分离的动力学现象之间的相互作用，从纳米级分子组装中的飞秒能量转移过程，到整个生物尺度内生态系统中的生存和繁殖。

 

虽然在未来几十年内，量子生物学将证明受生物启发的量子设备在多大程度上优于经典类似物，但更深层次的问题是，纳米尺度的量子动力学现象如何为整个生物体提供选择优势。严格解决这个问题需要说明，对有机体适应性具有重要意义的宏观物理可观测量如何可预测地依赖于纳米级量子动力学变量。相反，我们还必须考虑，纳米级的量子子系统如何通过进化依赖于生物体的宏观动态。这个问题的进展可能会得到一个理论框架的帮助，该框架允许有机体尺度模型通过纳米尺度模型进行参数化。这可以由复杂系统理论领域内的多尺度分析工具提供。我们还可以设想一些实验，在这些实验中，已知在纳米尺度上表现出长寿命量子相干过程的野生型生物与已知不存在此类过程的转基因生物竞争。这样的实验——类似于生物学家定期进行的那些实验——可以提供清楚的洞见，表明量子生物学现象是否可以为生物体提供选择优势，并增加量子生物学作为生物学的一个领域的可信度。

 

来源：集智俱乐部

作者：Adriana Marais, et al.

译者：赵雨亭