科學家首次發現 細菌也懂利用量子力學(圖)

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。