細菌也「懂」量子力學

光合生物會吸收陽光以汲取生存所需的能量。一項由芝加哥大學在《美國國家科學院院刊》中發表的新研究揭示了它們的奧秘：量子力學。

「早在該研究之前，科學界就曾在生物系統中觀測到了量子特徵。這僅僅因為生物是由分子所構成，還是生物蓄意為之？」論文作者、化學教授Greg Engel說，「這是我們第一次看到生物積極利用量子效應。」

科學家研究了一種被稱為「綠色硫細菌」的微生物。這種細菌需要陽光，然而，微量氧氣就足以破壞其脆弱的光合作用裝備。因此，當遇到氧氣時，它們必須找到將損害降到最低限度的方法。

為研究這一過程，科學家們通過一種光合作用蛋白追蹤了有氧和無氧狀態下能量的流動。他們發現，這種細菌會根據氧氣的存在與否，使用一種名為「振動混合」的量子力學效應，在兩種不同的路徑之間移動能量。振動混合涉及分子相互耦合時的振動和電子特性。從本質上說，振動與電子狀態混合得相當徹底，它們的特性也變得不可分割。而綠色硫細菌會利用這種效應將能量引導到它需要的地方。

如果周圍環境無氧且安全，細菌就會運用葉綠素分子振動的能量來協調FMO複合體（一種分子和蛋白質的組合）中兩種電子態之間的能量差，從而使能量通過「正常」途徑流向充滿葉綠素的光合作用反應中心。但是，如果周圍有氧，綠色硫細菌則會通過一種相對曲折的路徑來控制能量使其淬滅（類似於將手掌放在振動的吉他弦上以耗散能量）。這樣，細菌雖然損失了一些能量，但保護了整個系統。

為達到這種效果，光合作用複合體中的一對半胱氨酸殘基將成為「觸發器」：它們每一個都與環境中的氧發生反應，失去一個質子，從而破壞振動混合效應。這意味著，此時，能量將優先通過替代路徑移動，並在那裡安全地淬滅。

「這個結果的有趣之處在於，我們看到蛋白質會根據細胞內環境的變化開關振動偶聯。」論文第一作者Jake Higgins說，「這種蛋白質利用量子效應來保護機體免受氧化損傷。」

以上發現為生物學帶來了令人振奮的消息——生物利用量子機制保護自身系統體現了一種重要的適應性，量子效應也能成為保命的重要手段。

這種現象似乎並不局限於綠色硫細菌。正如Higgins解釋的那樣，「這種機制的簡單性表明，它可能也存在於其他光合作用生物體中。如果還有其他生物能夠動態調節其分子中的量子力學耦合，從而產生更大的生理學變化，便意味著，很可能存在一套我們尚不清楚的全新自然效應。」