2021-03-13 01:05

細菌可能是第一個被發現利用量子效應生存的生物

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氧氣是像我們這樣的動物的生命。但對許多微生物來說,這種高度活性元素的輕微氣味就會使它們脆弱的化學機械處于生銹的危險之中。

光合作用的細菌 綠硫細菌tepidum已經進化出一種巧妙的方法,利用量子效應將其能量生產線切換到低速檔,從而使其收集光線的過程不受氧的有毒影響。

芝加哥大學和華盛頓大學圣路易斯分校的科學家進行的一項研究顯示,這種細菌是如何通過量子共振來“調整”自己的系統,從而在有氧氣的情況下失去能量,從而防止破壞自己的光合設備。

我們對固體現實的日常體驗似乎與量子效應的虛幻景觀相去甚遠,在量子效應中,物體的本質只是一種可能性的模糊,直到觀察將其鎖定。

構成我們的原子和分子的粒子遠非固體球體相互碰撞,它們有可能產生共鳴,除非偶然的骰子堆積得足夠高,使特定的反應成為必然,否則它們不會安定下來。

雖然這一點已經很清楚了,但像生命系統這樣復雜的東西,在多大程度上以生存的名義,積極利用量子力學的更精細特征,這一點仍然存在疑問。

芝加哥大學化學家格雷格·恩格爾解釋說:“在這項研究之前,科學界看到了生物系統中產生的量子特征,并提出了這樣一個問題:這些結果是生物由分子構成的結果,還是有其目的?”

量子效應可以融入生命系統的證據已經建立了一段時間。

最近的一項研究顯示了磁場的變化如何影響被稱為隱色素的光敏蛋白質中的電子自旋,這種現象可能解釋了一些動物如何能夠探測到我們星球的磁層。

不過,在感覺反應中識別出量子影響的細微變化是一回事。從一個有機體生存的核心來觀察它完全是另一回事。

“這是我們第一次看到生物學積極利用量子效應,”恩格爾說。

作為一種嚴格意義上的厭氧細菌, c . tepidum不喜歡氧氣在它的內臟里泛濫。細胞內葡萄糖釋放能量的作用是破壞微生物內部將光轉化為化學鍵的機制。

這一轉化反應鏈的關鍵是一組蛋白質和色素,稱為芬納-馬修-奧爾森復合體。它充當系統的光收集組件和工廠車間之間的中介,在工廠車間能量被轉換成化學物質。

最初人們認為FMO依賴于量子相干性來完成它的工作,與粒子的波狀性質相匹配,以促進電子的有效轉移。

后來的研究迫使人們重新思考這種嚴格的量子現象在FMO運作中的作用,聲稱,如果有什么區別的話,量子相干性實際上可能會減慢整個過程。

在對FMO內部量子相干性的最新探索中,研究人員正在考慮氧對整個系統可能產生的影響。

利用超快激光光譜技術捕捉復合物活動的細節,研究小組展示了氧氣的存在如何改變能量如何從光收集組件“引導”到反應中心。

他們發現一對半胱氨酸分子位于操作的核心,當它們與任何氧氣反應時釋放一個質子作為觸發器。

失去的質子直接影響了FMO復合物中的量子機制,有效地將能量從可能被氧化的區域轉移出去。

雖然這意味著細菌暫時被剝奪了能量,但量子中斷會迫使細胞屏住呼吸,直到它能夠清除氧氣的毒性作用。

芝加哥大學化學系研究生杰克·希金斯是該研究的主要作者,他說:“這種簡單的機制表明,在進化過程中,其他的光合生物體也可能存在這種機制。”

“如果更多的生物能夠動態調節分子中的量子力學耦合,從而在生理上產生更大的變化,那么可能會出現一套全新的自然效應,我們還不知道。”

可能有整個量子生物學的世界等著被發現。

這項研究發表在 PNAS

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