量子生物学的新争论

作者：张馨予

一篇新发表的论文，对长久以来存在争论的“量子光合作用”概念进行了重新审视。

我们知道，亚原子粒子的运动遵循着一套奇怪的数学规则，它们的一些属性只能拥有特定的值，而且它们有时还可以在同一时间拥有多个不同的值，或者这些值都纠缠在一起，我们把这些奇怪的现象称为量子效应。

而很长一段以来，一部分科学家一直想知道，这种奇异的量子现象是否在生物学中也扮演着某种重要的角色？尤其是在提高光合作用效率方面？其实，科学家对量子生物学的研究可以追溯到量子力学的早期（详见：），但直到近年来它才作为一个可被科学验证的概念站在了科研领域的舞台上。

在过去十年中，对量子生物学的研究有了长足的进展，科学家从量子生物学的角度对许多生物系统进行了研究，从视觉到光合作用，再到鸟类的导航等等。2007年，著名的《自然》杂志刊登了一篇论文，在这篇论文中，研究人员描述了他们从实验中发现量子相干性在光合生物系统的能量转移过程中起到了关键作用。这一结果已经发表，便引发了颇多争议。

量子生物学的新争论

○ 2007年，《自然》杂志刊登了一项研究，表明植物的能量产生过程与量子相干性有关。| 图片来源：Nature

2007年，来自加州大学伯克利分校、华盛顿大学圣路易斯分校和劳伦斯伯克利国家实验室的一组科学家对一种名为FMO复合物（Fenna-Matthews-Olson）的光合细菌进行了测量。FMO复合物是一种细菌叶绿素，它由色素和蛋白质分子组成，我们可以在绿色硫细菌中找到它们的身影。它就像是一根“能源”电线，可以将细胞中收集阳光的部分与光合作用的反应中心串连起来。

量子生物学的新争论

○ FMO复合物。| 图片来源：Julian Adolphs / Wikimedia Commons

在实验中，研究人员将这种FMO复合物冷却到零下196℃，然后测量了它在激光脉冲的刺激下的反应，结果观测到了一种振荡模式，他们将这种振荡归因为电子的量子相干性，并因此认为这表明光合生物系统为了找到最有效的能量传递路径，呈现出了多个电子态的相干叠加。

在这一实验被发表之后，掀起了一场量子生物学的研究热潮。科学家们纷纷开始探索，奇异的量子效应会如何出现在生物学中，以及这些效应会以一种怎样的形式显现出来。

与此同时，自这篇论文被发表以来，还有一部分科学家对这种振荡模式是否真的由量子相干导致的持怀疑态度。他们怀疑光合作用是否真的需要量子相干才能达到最高效率。

德国马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的Dwayne Miller就是质疑声音中的其中一员。4月3日，Miller作为通讯作者，在《科学进展》杂志刊登的一篇综述性论文中，对FMO复合物所呈现的振荡模式的量子解释给予了反驳。

量子生物学的新争论

○ 2020年4月3日，《科学进展》刊登了一篇综述性论文，对发表于2007年的研究进行了驳斥。| 图片来源：Science Advances

论文综合了从过去多项实验中收集的证据，来论证这种电子的量子相干性说法是错误的。他们指出，原子振动也能呈现出这样的相关行为，产生相似的观测结果。而这种观测结果究竟是由哪种机制造成的是很难区分的。

此外，新论文还指出，2007年的实验是在零下196℃这样的较为极端的温度下进行的。而从那些在室温下进行的同类实验来看，FMO复合物在激光刺激下所表现出的量子相干性只能持续几十飞秒（1飞秒 = 10秒）的时间。而这么短的时间是根本不足以影响光合作用的能量传递效率的。

因此新论文总结道，这种生物中的能量转移过程只是一个非相干的“跳跃”过程，是一个由阳光引发的激发态在分子间跳跃的过程，而不是由量子力学的奇异性所主导的过程。

加州大学伯克利分校的化学教授Graham Fleming是2007年那篇论文的作者之一。他表示，新论文中所提到的那种原子振动并不能重现他们在另一种光合捕光复合物身上得到的观测结果；而且现在，他们已经开始采用更为先进的光谱技术来分析这些分子的振动光谱。但是Miller坚持认为，Fleming的论文没有表明这种光合生物系统的能量转移过程是一个量子相干过程。