光合作用中的量子节拍：能量传递效率近乎百分之百

光合作用中的量子节拍

光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率算得上是最高的，因为传递效率几乎是100%。在理想情况下，几乎所有叶绿素分子吸收的能量都可以到达反应中心。如果能量不是取道最短进行传递，大部分乃至全部能量都会在传递中殆尽。光合作用的能量为何能如此擅长寻找捷径，一直以来都是生物学领域的一大谜题。

麻省理工学院，是世界科学研究学林中的翘楚。麻省理工学院1861年成立于马萨诸塞州的坎布里奇，在它现任的1 000名教授中有9名摘得过诺贝尔奖桂冠（截至2014年）。在麻省理工学院的历史上，有许多杰出校友活跃在众多领域，包括宇航员（NASA近1/3的太空飞行任务都由麻省理工学院毕业生掌舵）、政客（比如联合国前秘书长、2001年诺贝尔和平奖获得者科菲·安南）、知名企业家（比如惠普公司的联合创始人之一，威廉·雷丁顿·惠利特）——除此之外，当然少不了众多的杰出科学家，包括诺贝尔奖得主、量子电动力学的奠基者理查德·费曼。但是如果说到麻省理工学院资历最老的栖居者，就不得不提到一棵苹果树。这棵树种在校长花园里，离学院标志性的穹顶神庙不远，是用英国皇家植物园内另一棵苹果树的枝条扦插长成的，是其直系后代。而传说当年牛顿就是坐在皇家花园的那棵苹果树下，目睹了著名的“苹果落地”。

其实，牛顿的母亲在林肯郡拥有一个农场，三个半世纪以前，牛顿坐在农场的苹果树下苦苦思索着一个简单但又深远的问题：苹果为什么会掉下来呢？时隔350年，牛顿对这个问题的探究不仅仅改变了物理学，甚至让整个科学的面貌焕然一新。所以如果我们说牛顿的洞察力不够敏锐实在是有失公允。即便如此，在那幅经典的牛顿和苹果的画面里，的确有连牛顿也忽略了且一直被埋没的另一个问题：掉落的苹果最开始是怎么出现在树上的呢？如果说苹果的加速下落让人疑惑，那林肯郡的空气和水如何在一棵树的枝头汇聚成一个球形的物体又该多么令人绞尽脑汁啊！这样说可能过于自负和苛责，但是与苹果如何形成的问题相比，牛顿思考的重力问题“几乎不值一提”。

牛顿漠视这个问题的一个原因，可能归咎于17世纪的一种主流观点：虽然所有事物，包括生命体的机械力学现象都可以用物理法则解释，然而生命体独特的内在活动（比如上面提到的苹果生长）则是由生命力所驱使的，生命力超出了科学的范畴，是任何无神论数学公式都无法解释的超自然现象。(www.xing528.com)

时过境迁，如今生物学、遗传学、生物化学和分子生物学领域的发现早已颠覆了活力论的统治地位。现在已经没有科学家会质疑有什么生命现象是科学范式解决不了的，而关于科学的哪一个分支可以给出有关生命最好解释的问题仍饱受关注。除了来自薛定谔等科学家的微弱呼吁之外，绝大多数的生物学家依然觉得经典的科学法则已经足够用于解释生命现象，生物小分子不过是在牛顿力学法则的球杆敲击下，如同台球一般运动罢了。即使作为薛定谔的精神继承人之一，理查德·费曼还是用类似“氧原子是在阳光的照射下与碳原子分离的”来形容光合作用（也就是这章开篇引用的那段话），让人感觉阳光就像一根高尔夫球杆，从二氧化碳的球座上一记重杆抡飞了氧原子。

分子生物学和量子力学一直以来各自独立发展，生物学家极少参加物理学会议，物理学家也不怎么关注生物学，双方井水不犯河水。不过在2007年4月，两者发生了一次交汇。当时麻省理工学院的一些数学家和物理学家正在举行例行的文献交流会（组内的成员轮流汇报他们在科学刊物上看到的有趣文献），这些科学家大多致力于一个被称为量子信息学的艰涩领域。那一次的交流会上，到场的展示小组呈现了一篇刊登在《纽约时报》上的文章，文章指出，植物就是某种意义上的量子计算机（第7章中会有对这种非凡的机器进一步讨论）。整个房间里的人都爆发出了哄笑。其中一名组员塞思·劳埃德（Seth Lloyd）回忆他第一次听到这个“量子笑话”的时候说：“我们觉得这真是荒谬至极……心情就像：‘老天爷啊，这真是我这辈子听过的最荒唐的事了！’”

量子计算机的计算能力和效率比当今绝大多数计算机要高得多（原因在于传统计算机的运算依赖每个比特0或者1的电子逻辑，而量子计算机则可以同时处理0和1两个逻辑，这种并行运算允许量子计算机一次性进行所有可能的运算）。麻省理工学院的科学家之所以不相信那篇文章，是因为全世界最顶尖、经费最充足的研究团队在过去数十年间一直试图设计出量子计算机的架构而未果。而《纽约时报》的文章却声称区区一棵路边草就能够执行量子计算的核心法则。如果那篇文章是正确的，就意味着科学家苦思冥想造不出来的量子计算机，居然就在他们每天中午吃的沙拉里！难怪麻省理工学院的科学家会觉得那篇文章难以置信。

而就在那场文献交流会场里的科学家笑得上气不接下气的时候，离他们所在房间的不远处，一个光子正以每秒30万千米的速度撞向那棵血统高贵的苹果树。