光合作用中的量子计算机-《神秘的量子生命》

光合作用中的量子计算机

量子节拍

quantum beat

量子具有波粒二象性，因此会体现出波的特性，像音乐中的声波存在差拍振动和双缝实验中的干涉条纹一样，量子会表现出特有的频率节拍，这种节拍被称为量子节拍。

在那场文献交流会上，让麻省理工学院的科学家们忍俊不禁的那篇论文出自一位移民美国的科学家——格雷厄姆·弗莱明（Graham Fleming）。费莱明1949年出生于英格兰北部的巴罗，他目前领导着加州大学伯克利分校的一个研究团队，这个团队应用的技术有一个很唬人的名称：二维傅里叶转化电子光谱学（Two-dimensional Fourier transform electronic spectroscopy，简称2D-FTES）。弗莱明的团队被认为是目前世界上该领域最好的研究团队。2D-FTES通过高度集中的短时激光脉冲，探查极其微小的分子系统的内部结构和动态。弗莱明团队大部分的工作不是在研究植物，而是在研究一种被称为FMO蛋白质的光合作用复合体。FMO由一种被称为绿色硫细菌的光合微生物合成，这种细菌分布在类似黑海深处的富硫水体中。

为了检测叶绿素样本的内部结构，弗莱明的团队向光合作用复合体FMO连续发射三束脉冲激光。三束激光的照射时间都受到精确控制并迅速照射到样本上。样本吸收激光的能量后放出一段光信号，这些返回的光信号被探测器所捕获。

团队成员（也是论文的主要作者）格雷格·恩格尔（Greg Engel）废寝忘食地拼凑从信号中获得的数据，试图寻找有意义的结论，这些信号从50～600飞秒[32]不等。恩格尔发现，反射的光信号呈现出时长至少600飞秒的起伏震荡。这些震荡信号与双缝实验中的明暗干涉条纹，以及乐器调音时周期性起伏的差拍振动类似。这种“量子节拍”显示，激子在穿过叶绿素迷宫的过程中并不是循着某一条路，而是同时沿着多条可能的路径前进。能量沿着不同的线路传递就像弹奏两把音调略有差异的吉他：它们会产生震荡的差拍振动。

弗莱明他们看的量子节拍如图3-7所示。光合作用中激子多路径传播如图3-8所示。

2007年，格雷厄姆·弗莱明和他的同事在实验中看到的量子节拍。虽然图中的震荡曲线形状不规则，但是重点在曲线呈现出“震荡”这一特点本身。

图3-7　量子节拍

图3-8　在FMO蛋白中激子同时沿着多条路径传播

但是不要忘记量子相干性非常脆弱并且难以保持。在阻止退相干上，微生物或者植物是不是真的可以打败麻省理工学院最聪明、最顶尖的研究人员？弗莱明在他的论文里给出了一个大胆的肯定回答，塞思·劳埃德在麻省理工学院的文献交流会上介绍的这个“量子笑话”惹怒了在场的人。因为加州大学伯克利分校的研究团队暗示，FMO复合体在解决能量传递最短路线的问题上，扮演着量子计算机的作用。线路最短问题是非常有难度的最优化问题，几乎与数学中另一个类似的问题不相上下：推销员旅行问题。在一堆需要前往的目的地中设计出一条最佳路线，这个问题的解决只能依赖十分强大的计算机[33]。

虽然交流会上的科学家对这个观点持怀疑态度，他们还是决定让塞思·劳埃德负责复核这篇论文的真实性。然而出人意料的是，劳埃德经过严谨的复核后得出的结论：这项来自加州的研究是合理的。弗莱明小组在FMO复合体中发现的节拍的的确确是量子相干性的特征，据此劳埃德总结认为，叶绿素分子能够执行一种特殊的检索方式，这种方式被称为量子漫步（quantum walk）。

量子漫步相比于经典随机游走，其优势可以用一个我们举过的例子来说明。我们想象在那个酩酊大醉的人起身离开之后，酒吧发生了漏水。水从酒吧的门窗奔腾而出。与一次只能沿着一个方向走的醉汉不同，漏出的水可以同时向四面八方前进。由于水在街道上前进的速度与时间本身正相关，而不是与时间的平方根正相关。这意味着如果水流在第1秒前进了1米，那么2秒后它就前进2米，3秒后前进3米，依此类推。那个醉醺醺的行人马上就会发现有水从自己的身后没了过来，水流前进迅速的原因远远不止于此，与双缝实验中的量子叠加现象类似，水流能够同时向着所有可能的方向前进，其中某个方向上的水必然会早早在醉汉到家之前就到达他的房子。

和酒吧的水一样，弗莱明的论文从麻省理工学院的文献交流会溢出之后，马上引起了轩然大波。不过也有反应同样迅速的人立刻在评论中指出，弗莱明的实验是在77K（-196℃）的温度下，利用提取的FMO复合体进行的：这样的温度虽然能延缓退相干，但它对植物的光合作用，乃至对任何自然界的生命来说都太低了。那么低温下利用细菌成分获得的实验结果，可以在多大程度上反映“炎热”而“混乱”的植物细胞内部的情况呢？(www.xing528.com)

新的实验证据很快就出现了，量子相干性不是低温FMO复合体中特有的现象。

2009年，都柏林大学的伊恩·默瑟（Ian Mercer）在另一种细菌的光合作用系统（或者简称为光合作用系统）中检测到了量子节拍，他们实验中使用的光合系统名为光吸收复合体　Ⅱ（Light Harvesting Complex　Ⅱ，简称LHC2），它与植物的光合系统十分相似。不过更重要的是，他们的实验是在常温下完成的，也就是植物和微生物进行光合作用的温度。一年之后，安大略大学的格雷格·斯科尔斯（Greg Scholes）在一种被称为隐芽植物（cryptophytes）的海藻（与高等植物不同，海藻不具有根、茎、叶的结构）光合系统中证实了量子节拍的存在，隐芽植物虽然低等但是数量极其庞大，这让它们在吸收大气碳（也就是从大气中吸收二氧化碳）的数量上与高等植物旗鼓相当。差不多在同时，格雷格·恩格尔在格雷厄姆·弗莱明的实验室中证实，他们一直以来研究的FMO复合体也可以在更高、更适宜生命存活的温度下表现出量子节拍。到这里，你可能会觉得量子节拍会不会只出现在细菌、海藻这些低等植物中。然而事实是，弗莱明团队中的特莎·卡尔霍恩（Tessa Calhoun）和同事们在另一种植物的LHC2系统中检测到了量子节拍，而这次的样本是菠菜。所有高等植物体内都有LHC2，这个星球上50%的叶绿素位于LHC2系统里。

在进一步讨论之前，我们需要简单地介绍一下激子中的太阳能是如何被利用的，也就是费曼所描述的，“氧原子是在阳光的照射下与碳原子分离的……留下的碳元素，加上水，就有了一棵参天大树”——或者有了一个苹果。

当足够的能量到达反应中心之后，将引起一对特殊的叶绿素分子（被称为P680）向外释放电子。我们会在结语中对反应中心发生的化学反应进行更深入一些的讨论，其中将牵涉一些其他的量子过程。反应中心释放的电子来源于水（别忘记费曼的原话，水是光合作用的原料之一）。我们在第2章中提到过，从别的物质中夺取电子的过程被称为氧化，燃烧就是一种剧烈的氧化反应。举例来说，当木头在空气中燃烧时，氧原子就夺取了碳原子内的电子。由于外层电子与碳原子只是疏松地结合，所以含碳物质容易燃烧。但是在水分子中的电子则与水分子紧密结合：光合系统的独特之处就在于它是自然界中唯一可以把水当作“燃料”的过程[34]。

到目前为止，我们的苹果生长得还算顺利：多亏了叶绿素激子传递的能量，我们现在有了丰富的自由电子供应。下一步，植物需要把这些电子送到需要它们起作用的地方。它们首先被植物特有的电子载体NADPH所捕获。我们在第2章中曾经简单地提到过一个类似的分子：NADH。营养物质（比如糖类）氧化获得的电子，由NADH捕获并传递给线粒体中的呼吸链。如果你还记得，NADH携带的电子沿着线粒体内酶催化的呼吸链传递。线粒体利用电子流驱使质子穿过线粒体的内膜，最终质子反流的过程帮助细胞合成自身的能量载体——ATP。植物的叶绿体也通过非常类似的方式合成ATP。NADPH同样为一条酶催化的链式反应提供电子，电子流将质子泵到叶绿体膜外。最后质子的反流过程也被用于合成ATP，由此产生的ATP被用于植物细胞内其他众多耗能的生理过程。

但是真正利用碳的过程，也就是从空气中的二氧化碳捕获碳原子，并利用它们合成糖类等储能有机物的步骤，却发生在类囊体之外、叶绿体的基质内。有机质的合成需要一种庞大的酶参与，这种酶被称为二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO），它很可能是地球上含量最高的蛋白质，因为它的任务无比艰巨：合成世界上几乎所有的有机质。这种酶把从二氧化碳里获得的碳原子连接到一种名为二磷酸核酮糖（ribulose-1，5-bisphosphate）的五碳糖上而得到六碳糖。这个反应的完成还需要两种成分，即电子（由NADPH提供）和能量供应者（ATP）。这两种成分都是光合作用中光反应[35]的产物。

二磷酸核酮糖羧化酶合成的六碳糖会马上分解成两个三碳糖，这些三碳糖经过不同方式的重组和连接，转化为一棵苹果树以及苹果里所有的生物化学分子。于是，新英格兰地区普通的空气和水在光与一点点量子现象的帮助下，脱胎成为一棵大树的血肉。

通过将植物的光合作用以及第2章介绍的细胞呼吸作用（燃烧我们摄入的食物）相比较，你会发现，在皮囊之下，动物和植物的差别并不是那么明显。动物与植物最根本的区别，在于它们通过何种方式获得构建生命的砖瓦。动物和植物都需要碳，植物可以利用空气中的碳，而动物则需要从有机物中获得，比如通过摄食植物。动物和植物也都需要电子来合成生物化学分子：动物通过“燃烧”有机质以获得电子，而植物则利用光“燃烧”水来获得电子。此外，两者都需要能量：动物通过高能电子在呼吸链中传递释放的势能获取能量；而植物则从太阳释放的光子中捕获能量。这所有的过程中基本粒子的运动都遵循量子规则。生命仿佛一位驾驭量子现象的绝顶高手。

在植物和微生物温暖、潮湿而混乱的系统中发现量子相干性震惊了不少量子物理学家，大量研究工作随即出现，旨在探索生物到底是如何保护和利用脆弱的量子相干性的。我们会在结语中进一步探讨这个问题，届时我们将介绍几个非常惊人的可能答案，对希望建造一台能在你的桌子上（而不是在冰箱里）工作的量子计算机的人来说——比如那些麻省理工学院的量子理论学家——这些潜在的答案说不定也会有所启发。除此之外，这些研究工作也很可能推动新一代的人工光合作用技术。目前的太阳能电池并没有借鉴太多光合作用的原理，然而它已经在清洁能源的市场上极具竞争力，能够与太阳能板平分秋色。目前清洁能源的短板在能量传递中的巨大损耗（太阳能电池和太阳能板的最高能量效率大约为70%，而光合作用中光子捕获的能量效率几乎为100%）。通过仿生技术，利用量子相干性优化太阳能电池将有可能大大提高太阳能的利用效率，减少世界上的污染。

在本章的最后，让我们稍微花点时间总结一下我们对生命独特性的新认识。最初是格雷格·恩格尔在他的FMO复合体中观察到了量子节拍的现象，这暗示活细胞内的粒子运动可能具有波动性。对此如果不愿意深究，完全可以把这些现象看作精心设计的生化实验在实验室条件下的特殊结果，离开实验室就没有什么实际意义，然而后续的研究证实，这些现象在自然界的叶子、海藻和微生物中确实存在，它们在构建生物圈的过程中起着作用，甚至可能是十分重要的作用。

不管怎么说，量子世界对于我们来说还是相当陌生的。毕竟我们熟悉的这个世界与它的量子本质如此不同，有这种陌生感也就可以理解了。不过事实上，这个世界上主宰万物运动的法则只有一种，那就是量子法则。[36]我们所熟悉的统计学法则和牛顿法则，从根本上来说只不过是经过退相干的滤镜滤去了某些怪异现象的量子法则而已（这就是为什么量子现象对我们来说如此诡异）。只要你推敲一下就会发现，我们日常生活中习以为常的事实背后总能找到量子力学的蛛丝马迹。

不仅如此，某些宏观物体也表现出惊人的量子现象，而这些物体多数和生命有关。第2章中我们就介绍了酶中的量子隧穿对细胞整体的重要作用；而在本章中我们又看到，在植物体或者微生物燥热却高度有序的机体内，脆弱的量子相干性以足够完成生理过程的存在时间，参与了光子的捕获。光子的捕获是这个星球上几乎所有有机质存在的基础。我们又一次看到的量子世界的事实契合了薛定谔提出的“来自有序的有序”；我们看到了约尔旦所谓的“放大效应”：发生在量子世界的事件的确影响到了宏观世界的过程。生命就像是连接量子和经典世界的桥梁，栖息于量子世界的边缘。

下一章我们会把注意力转向生态圈中另一个至关重要的过程。如果当初没有依靠鸟和昆虫，尤其是蜜蜂的授粉，苹果树（比如我们讲的那一棵）也就结不出苹果了。蜜蜂要传粉首先要找到苹果的花，许多人认为，蜜蜂之所以能够找到花也是受到了量子力学的驱使——它的嗅觉。