2021-03-13 01:05

细菌可能是第一个被发现利用量子效应生存的生物

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氧气是像我们这样的动物的生命。但对许多微生物来说,这种高度活性元素的轻微气味就会使它们脆弱的化学机械处于生锈的危险之中。

光合作用的细菌 绿硫细菌tepidum已经进化出一种巧妙的方法,利用量子效应将其能量生产线切换到低速档,从而使其收集光线的过程不受氧的有毒影响。

芝加哥大学和华盛顿大学圣路易斯分校的科学家进行的一项研究显示,这种细菌是如何通过量子共振来“调整”自己的系统,从而在有氧气的情况下失去能量,从而防止破坏自己的光合设备。

我们对固体现实的日常体验似乎与量子效应的虚幻景观相去甚远,在量子效应中,物体的本质只是一种可能性的模糊,直到观察将其锁定。

构成我们的原子和分子的粒子远非固体球体相互碰撞,它们有可能产生共鸣,除非偶然的骰子堆积得足够高,使特定的反应成为必然,否则它们不会安定下来。

虽然这一点已经很清楚了,但像生命系统这样复杂的东西,在多大程度上以生存的名义,积极利用量子力学的更精细特征,这一点仍然存在疑问。

芝加哥大学化学家格雷格·恩格尔解释说:“在这项研究之前,科学界看到了生物系统中产生的量子特征,并提出了这样一个问题:这些结果是生物由分子构成的结果,还是有其目的?”

量子效应可以融入生命系统的证据已经建立了一段时间。

最近的一项研究显示了磁场的变化如何影响被称为隐色素的光敏蛋白质中的电子自旋,这种现象可能解释了一些动物如何能够探测到我们星球的磁层。

不过,在感觉反应中识别出量子影响的细微变化是一回事。从一个有机体生存的核心来观察它完全是另一回事。

“这是我们第一次看到生物学积极利用量子效应,”恩格尔说。

作为一种严格意义上的厌氧细菌, c . tepidum不喜欢氧气在它的内脏里泛滥。细胞内葡萄糖释放能量的作用是破坏微生物内部将光转化为化学键的机制。

这一转化反应链的关键是一组蛋白质和色素,称为芬纳-马修-奥尔森复合体。它充当系统的光收集组件和工厂车间之间的中介,在工厂车间能量被转换成化学物质。

最初人们认为FMO依赖于量子相干性来完成它的工作,与粒子的波状性质相匹配,以促进电子的有效转移。

后来的研究迫使人们重新思考这种严格的量子现象在FMO运作中的作用,声称,如果有什么区别的话,量子相干性实际上可能会减慢整个过程。

在对FMO内部量子相干性的最新探索中,研究人员正在考虑氧对整个系统可能产生的影响。

利用超快激光光谱技术捕捉复合物活动的细节,研究小组展示了氧气的存在如何改变能量如何从光收集组件“引导”到反应中心。

他们发现一对半胱氨酸分子位于操作的核心,当它们与任何氧气反应时释放一个质子作为触发器。

失去的质子直接影响了FMO复合物中的量子机制,有效地将能量从可能被氧化的区域转移出去。

虽然这意味着细菌暂时被剥夺了能量,但量子中断会迫使细胞屏住呼吸,直到它能够清除氧气的毒性作用。

芝加哥大学化学系研究生杰克·希金斯是该研究的主要作者,他说:“这种简单的机制表明,在进化过程中,其他的光合生物体也可能存在这种机制。”

“如果更多的生物能够动态调节分子中的量子力学耦合,从而在生理上产生更大的变化,那么可能会出现一套全新的自然效应,我们还不知道。”

可能有整个量子生物学的世界等着被发现。

这项研究发表在 PNAS