量子生物学_哪里有量子生物学专业

量子生物学

（袁峻阳翻译于2015年12月31日，仅供参考，偷懒的小伙儿注意查一下里面的生词呀！）

在20世纪之前，生物和物理很少有交叉。生物学系统经常看起来太复杂，以至于用数学方法都无法解释。毕竟，一套微分方程组或者物理原理又怎能阐明像生物一样复杂的事物呢？

在二十世纪早期，随着强大的显微镜和科技的出现，研究者们开始更深入地专研对微观生物系统的可能的物理和数学的描述。一些著名的例子（在许多例子当中）包括图灵斑图和形态发生，薛定谔的系列讲座和书籍《什么是生命？》，在这本书中他预测一些DNA 的功能结构。在该领域进步的节奏现在是飞快的，并且物理和数学的许多分支已经应用于生物学中：从用于生物信息学中的统计方法到在细胞微观领域里观察到的机械和工厂化的特性。

这种进步自然地引出这个问题：量子力学在生物学中能起作用吗？在许多方面，显然它确实已经起作用了。每一个化学过程都依赖于量子力学。然而，在许多方面，量子力学尤其在能产生生理效应的规模上，是一个与生物学相反的概念。在对信息处理和加密量子力学驾驭的物理方面上最近的科技进步，使得能从不同的角度看待这个问题：存在用量子力学去完成任务，用经典方式无法完成任务的生物系统吗，或，能比甚至最好的经典等价物更有效地完成任务吗？换句话说，一些生物体利用量子力学而优于他们的竞争者了吗？寻找这种现象的例子的许多尝试已经遭到了来自于物理学家和生物学家的尖锐批判。（参看，例如，参考5,6）然而，在过去的十几年里，一系列实验已

经预示了或许存在一些为了生物的优势而利用量子力学的情况。这些量子效应通常以什么形式显现呢？在量子信息中，可辩论地，最重要的量子效应是量子比特能存在于叠加态中，然而经典比特不能。在量子生物中，量子效应的作用可以是微妙的并且将会在这篇综述中对我们讨论的每个系统进行描述。然而，为了功能量子生物最明显的例子，这一实际目的，我们或许会考虑一个探索态的相干叠加的生物系统。我们谈论的一些系统被认为属于这一类型，但并不是所有的。

这里，我们呈现一篇一些属于这些情况的非常简洁的综述，在其中量子效应可能协助或加强了一种生物功能。我们的目标是对每个系统给出一个清晰基础的介绍，并且概述可能被这一系统利用的量子相干或其他量子效应的方式。我们也尝试提供最近的对这些实际功能性的量子效应的既有服从又有违背的证据。我们开始于对室温下在通过光合作用系统的激子能量的传输中的量子相干（叠加）的讨论。我们简要总结了最近的关于在细菌和植物光合作用效率中，这种相干可能发挥的作用的研究。我们然后转到一个完全不同的系统上：用于描述一些鸟类的磁感应的自由基对模型。支持自由基对模型的证据，基本是建立在行为实验的基础上的，尽管非常近期的候补自由基对的体外实验是支持的。宏观认知的物种可能对基本量子效应有所回应的可能性是迷人的，但是当然需要采用一个严谨的方法去查证和理解这种现象。最后，我们将要讨论几个量子力学在其中发挥了至关重要但不是直接作用的其他生物功能，包括电子通过蛋白质的远程隧穿和在光接收器中的快速光异构化。这些最后例子中的一些可以被认为，在仅依

赖于平凡量化和使能级分裂，不依赖于量子相干的生物系统中的量子现象中的一个类别。在我们讨论的例子中，论证量子效应的选择工作的一个简要列表，如表1所示。

在光合作用中的量子相干的能量传输

光合作用为地球上几乎所有的生命提供能量。这种光子形式的能量被一个电子激子的光吸收天线吸收。这种激子然后被从每个天线运送到一个反应中心内，在这个反应中心内，电分离产生更稳定的化学能量形式。从天线到反应中心和向前，所用到的精确的生物结构和色素成分，随不同的生物体而变化。例如，紫菌为了光吸收而利用高对称的环状结构，然而，绿色植物和蓝藻细菌具有似乎随机排列的带有叶绿素（光吸收色素分子）的光合体系。而且，大部分光合作用生物利用融合蛋白质的这种分子的排列，但是，蓝藻细菌和红藻利用独特的叫做藻胆素的发色团。在光吸收器官方面的这种差异，反映了为响应不同生理条件和自然栖息地，光合作用生物适应的必要性。最简单的，也是研究最好的例子之一就是绿硫细菌的光吸收器官（图一）。它们具有一个非常大的，能使它们在低光的条件下茁壮成长的叶绿素天线。由这些叶绿素收集的能量通过一个叫做Fenna-Matthews-Olson （FMO ）复合体的专业结构被传输到反应中心。由于它的相对小的尺寸和在水中的溶解性，这种FMO 复合体已经吸引了很多的研究关注，并且结果，该复合体已经被很好地描述了。较为出色的是，这个和其

他的光合作用单元的观测效率。被吸收的几乎每一个光子（几乎100%）都被成功地传送到反应中心，尽管起媒介作用的电子激子的寿命非常短（~1纳秒）。在2007年，Fleming 和同事们展示了在FMO 复合体中量子相干能量传输的证据，且从此以后，FMO 蛋白质已经成为了在量子生物中主要的研究主题之一。

FMO 复合体本身通常存在于三元复合物的三聚物中，其中的每一个复合物都有八个细菌叶绿素 a （BCh-a ）分子组成。这些分子被束缚到一个蛋白质支架上，这种支架是非相干和噪声的基本来源，但是它也可能协助于保护复合物中的相干激子，并在提升高传输效率中发挥作用。这一复合物通过一个叫做基板的物体与叶绿素天线相连。激子通过基板进入复合物，激发一个BChl 分子进入它的第一个单线激发态。这些分子很接近另一个（约1.5nm ）使得激子能量从一个BChl 分子传输到另一个分子，直到它到达反应中心。

量子性能

如前所述，在FMO 复合物中，跨越可感知的长度范围和时间范围的量子相干存在的直接证据，在2007年被Engel et al. 观测到。他们呈现了低温下，在FMO 复合物中跨过多色素的一个电子激子的量子相干动态（那是包括时间的相干叠加）的光谱学观测。从那时起，大量的文献已经出现，并且更进一步的实验显示即使在室温下，高于300飞秒的相干是不可忽略的。如果量子相干动态，室温下在FMO

复合体（和光吸收器官的其他部分）中出现，它的用途是什么？如我们在接下来的部分所讨论的，更高的传输效率是典型的答案，许多种类的理论模型已经用于解释是否，如何和为什么自然利用量子相干，驱动电子激子穿过FMO 复合体，比经典的可能性更有效率。最接近

rstr 模型，依靠它可以对比这种量子效应。这的等价的经典模型是F o

种模型将态之间，激子的传输看成是非相干速率，并且忽略态之间所有的相干或叠加。也应该注意到，在几个分子间光激子的相干离域内被证明的系统的激子属性，也是重要的，并且强烈影响着，应该独立讨论的，复合体的光谱学特性和能量弛豫。

起初，室温下在生物系统中观测量子相干的想法是非常让人吃惊的。然而，甚至一个天真的相关能量标度的比较，却表明事实上在这种情况下量子效应可能是重要的。这些能量标度是环境的温度（~300K），在FMO 复合体中的激子与蛋白质环境间的耦合长度（~100cm -1），和在BChl 分子间传输激子的耦合长度（~100cm -1）。精确地计算或测量光合作用复合体中的比如FMO 中的能量和相干长度，需要光谱学和基于原子模型的最初的量子化学方法的组合。幸运的是，FMO 是研究最好的模型之一，并且一般而言，耦合长度和能量的测量和计算都量化相符。