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科學家首次發現 細菌也懂利用量子力學(圖)

2021-04-09 12:19 桌面版 简体 0
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科學家首次發現细菌也懂利用量子力学(16:9)
科學家首次發現 細菌也懂利用量子力學(示意圖/圖片來源: Adobe stock)

科學家發現,綠硫細菌會主動利用量子效應來調節光合作用的進程。「我們第一次看到生物主動利用量子效應。」論文作者Greg Engel如此說。

太陽是地球上萬千生命的生長源泉,通過光合作用太陽光被轉化成化學能。作為生物界規模最大的有機物合成過程,光合作用可以說是對生命最重要的化學反應。

能進行光合作用的生物,除了我們常見的綠色植物之外,還有一些光合細菌,例如,綠硫細菌(Chlorobium tepidum)就是其中的一個。最近,美國科學家發現,綠硫細菌能利用量子力學效應來調節光合作用的進程。

綠硫細菌是世界上最古老的光合細菌之一,早在遙遠的三十多億年前,它就誕生了。早期的地球極端缺氧,綠硫細菌是一類厭氧型光合細菌。

在光合蛋白中,能量是如何轉移的?又是什麼控制了能量轉移途徑的選擇?研究人員研究了有氧和無氧環境下綠硫細菌的光合作用表現,發現電子振動耦合(vibronic coupling)這一量子效應,是問題的關鍵,它引導能量向哪裡轉移。

「vibronic」一詞源於vibrational(振動的)和electronic(電子的),指的是這樣一種概念:在分子中,電子運動和核振動相互牽連,兩者深深的交織在一起,渾然不分。

在綠硫細菌體內,一種叫做FMO的複合物,用於捕獲光能;而菌綠素,就像植物葉綠素一樣,是光合作用發生的場所。在無氧狀態下,FMO的兩個電子態的能級之差和菌綠素分子的振動能量一致。

於是,通過電子振動耦合,開啟了一條能量轉移的「高速公路」,能量暢行無阻地直通光合作用的「反應中心」,那裡充滿了菌綠素分子,當環境中富含氧時,情況就變得很不一樣了。

FMO複合物中的一對半胱氨酸殘基和環境中的氧發生反應,各自失去一個質子。這打破了電子態能級和分子振動能的和諧。

電子振動耦合被破壞,能量傳輸的「高速公路」也就被中斷了。能量轉而走通往各處的其他道路,在那裡,能量被不斷損耗。綠硫細菌雖然損失了能量,但卻免受了氧化性損傷,得以「保全小命」。通過調控量子效應來實現生存選擇,這給生物學研究帶來啟示。

責任編輯: 任鳳鳴 --版權所有,任何形式轉載需看中國授權許可。 嚴禁建立鏡像網站。
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