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量子生物学或许能帮助我们破解生命奥秘

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发表于 2021-11-18 20:51:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
从酶催化反应的惊人速度到人类大脑的复杂工作,许多困扰人们的生物学难题或许都能从量子生物学里找到答案。
6.jpg 量子生物学示意图
在谢菲尔德大学的一个物理实验室,研究人员在两个相距小于一毫米的镜子之间,放置了一百多个光合作用细菌。物理学家大卫•科尔斯(David Coles)和他的同事们正在用白光照射充满微生物的间隙,白光通过镜子在菌体周围反弹。通过调整镜子的间距,研究人员可以改变光在菌体周围的反弹模式。根据2017年发表的研究结果,这种复杂的设置能够使光子与少数细菌的光合作用反应器发生物理作用,因此,研究人员就可以通过调整实验设置,来调整细菌光合作用的方式。
能够精确地控制细胞与光的相互作用本身就是一项很了不起的成就。但是,研究人员随后有了更加令人称奇的发现——当科尔斯等人分析数据时发现,细菌和光子之间相互作用要比最初预想的奇怪得多。牛津大学(University of Oxford)物理学家、两篇论文的合著者弗拉特科•维德拉尔(Vlatko Vedral)表示,“毫无疑问, 我们间接地观察到了量子纠缠。”
「量子纠缠是指两个或两个以上粒子相互依赖的状态,而且粒子之间的互相作用不依赖与粒子之间的距离。量子纠缠是亚原子性质中许多违反直觉的特征之一。亚原子,比如电子和光子等粒子同时表现为粒子和波的特性,同时占据多个位置和状态,并能穿越屏障。亚原子尺度的过程似乎经常产生违背常识的效果,科学家通常用量子力学的复杂数学语言来描述和捕捉这些过程。」
7.jpg 量子纠缠示意图
2017年,研究人员在相隔1200公里的一对光子之间观察到量子纠缠现象,在很多其他的非生命体中量子纠缠也得到也多次证实。如果维德拉尔和他的同事在细菌中观察到的量子纠缠现象确认无疑,那么这将是研究人员首次在活的有机体中发现。
长期以来,科学家们觉得在混乱的生命系统,并没有量子效应。因为,量子理论一般用来精确地描述单个粒子的行为,而宏观生命体拥有数十亿粒子,质量作用以及环境温度会淹没任何量子效应。宏观生命体更符合由牛顿创立的经典力学的范畴。而且,研究人员研究单独粒子时,经常会把温度降到绝对零度附近,以让绝大多数粒子停止运动,以消除干扰。
萨里大学(University of Surrey)理论物理学家吉姆•阿尔-卡利利(Jim Al-Khalili)表示:“环境越温暖,粒子运动就越繁忙和嘈杂,量子效应就消失得越快。因此,量子效应在细胞内的存在,可以说是荒谬的且违反直觉的。然而,如果确实存在——有很多证据表明,在某些现象中确实如此——那么生命一定在做一些特别的事情。”卡利利是2014年出版的《游走在边缘的生命》一书的共同作者。
8.jpg 《游走在边缘的生命》
阿尔-卡利利和维德拉尔同为一个科学家小组的成员。这个不断扩大的科学家小组认为量子世界可以从根本上解释生物学上那些最困难的问题——从酶催化的效率到鸟类导航以及人类意识,量子世界甚至可能受制于自然选择。
“除了证明量子理论适用于这些生物系统以外,整个领域都在试图证明这些(系统)是否可以利用量子物理来履行它们的功能。”牛津大学物理学家琪娅拉•马拉特(ChiaraMarletto)说。马拉特是细菌量子纠缠论文的共同作者之一。
生物学基本反应中的量子效应
酶催化反应中的量子隧穿效应
二十世纪八十年代中期,加州大学伯克利分校的生化学家朱迪思•克林曼(Judith Klinman)认为酶催化反应的传统理论并不完善。传统理论认为,酶与底物的相互作用是基于形状和经典力学。如果将底物与酶活性位点物理地结合在一起,形成稳定分子结构的过渡状态,酶反应速度会加快超过万亿倍。但是克林曼在用酵母中提取的一种酶进行体外实验时,却并非如此。
在催化苄醇氧化成苯甲醛的过程中,脱氢酶将氢原子从一个位置转移到另一个位置。出乎意料的是,当克林曼和她的同事们用更重的同位素氘和氚,取代底物中的特定氢原子时,反应速度大大减慢。虽然经典的酶催化解释允许适度的同位素效应,但它们不能解释克林曼观察到的速率的大幅下降。“现有理论无法解释这些结果,”她说。
随后,克林曼和她的团队在1989年发表了一篇基于酶研究人员之间已经流传的观点:酶催化涉及“量子隧穿效应”。阿尔-卡利利解释道,量子隧穿就像把足球踢过一座小山,足球就好比是粒子,而小山则是抑制反应发生的能量屏障。阿尔-卡利利说:“在经典理论里,你必须踢得足够用力,才能让它爬上山坡,再爬下山坡。但是,在量子世界里,你不需要这么做,因为它可以上升到一半,消失,然后在另一边重新出现。”
9.jpg 经典理论与量子隧穿效应示意图
克林曼的团队提出,在苄醇氧化和许多其他反应的催化过程中,氢的转移是在隧穿的帮助下进行的,这就解释了为什么氘和氚常常会阻碍反应。因为较重的粒子隧穿能力较差,而且会使同一分子中的其他粒子隧穿更困难。克林曼的团队观察到的现象,已经被其他实验室用于多种酶的重复出来。“这为生物系统中的量子效应提供了一些最有力的证据,”阿尔-卡利利说。
但是,尽管目前普遍认为隧穿现象发生在生物催化过程中,但研究人员对它的重要性以及它是否可能受到自然选择的影响存在分歧。例如,科罗拉多州立大学(Colorado State University)的化学家理查德•芬克(Richard Finke)表示,无论是否存在酶,一些反应都表现出不同程度的同位素效应,这表明,催化过程中不太可能有隧穿效应,而且,并不清楚隧穿在加速酶催化反应的作用有多大。一些研究人员认为,这种效应属于经典力学范畴,隧穿的促进作用相当有限。
克林曼认为,隧穿效应对酶催化过程非常重要。她说:“我们认为酶创造了非常精确和紧凑的活性位点结构,以促进隧穿效应的发生。例如,酶改变构象的方式可以使氢的供体和受体位置足够接近——彼此距离在0.27纳米以内——从而促进隧穿。“
为此,她的团队通过突变酶的活性位点,在体外观察反应速率和同位素效应是如何变化。今年早些时候,研究小组创造了一个大豆脂氧合酶,该酶对底物的定位稍有偏差,从而使氢的隧穿变得不利。与野生型相比,突变型酶的催化能力低4个数量级,对氘取代氢的反应更为敏感。
目前,研究人员仍在量化隧穿在催化中的作用,通过诱变和计算模型,以准确理解酶催化反应。在酶的定向进化过程中,研究人员反复选择蛋白质以提高其催化能力,这也可以为隧道效应的作用提供一些洞见——尽管目前没有定论。去年,一个研究小组研究了一种负责催化氢转移反应的酶,但是,在整个进化过程中,量子隧穿没有观察到明显的变化。
光合作用过程的量子效应
另一个量子生物学的焦点话题是关于光合作用的。绿色植物和某些藻类通过利用光,水以及二氧化碳产生淀粉等有机物,这个过程就叫光合作用。当维德拉尔和他的同事们正在研究细菌的光合作用机制是否与量子纠缠相关时,其他研究小组正在研究另一种量子效应如何能最大限度地提高光合能量转移的效率。
在植物和一些微生物的光吸收过程中,光子激发叶绿素分子中的电子,形成激发态的电子,简称激子。这些激子从一个叶绿素分子转移到另一个叶绿素分子,直到它们到达反应中心——一个蛋白质复合体,在那里它们的能量可以被捕获和储存。
激子在传递过程中会损失能量,这意味着它们在叶绿素分子中的路径越迂回,到达反应中心的能量就越少。几十年前,物理学家就提出,如果传输过程是量子相干的,这种浪费就可以避免。也就是说,如果激子能像波而不是粒子那样运动,它们就能同时尝试所有到达反应中心的路径,并选择最有效的路径。

10.JPG 光子的传导过程(经典模型)橙色为反应中心,光子以随机的路径传递到反应中心
11.JPG 光子的传导(量子模型),橙色为反应中心,光子以波的形式传递到反应中心
2007年,由加利福尼亚大学的伯克利分校化学家格雷厄姆•弗莱明(Graham Fleming)和圣路易斯华盛顿大学的罗伯特•布兰肯希普(Robert Blankenship)领导的一个团队声称已经观察到叶绿素复合体的量子相干性。这些叶绿体是从深海中绿色硫细菌、光合微生物提取的。研究人员使用了一种技术来分析样品吸收和释放的能量。通过这种技术,研究人员在冷却到77K的复合物中,检测到一种被称为量子振动的信号——他们将其解释为相干性的证据。随后,他们和其他研究小组在常温下复制了这一结果,并将其扩展到海洋藻类和菠菜的叶绿素复合物中。
但是,量子效应在光合作用能量转移过程中的意义似乎还有待讨论。例如,在2017年,德国的研究人员对绿色硫细菌进行了另一项研究表明,相干效应持续时间不到60飞秒(0.00006纳秒)——太短了,无法帮助能量转移到反应中心。但是去年,另一组科学家认为,叶绿素复合体中存在多种类型的一致性,其中一些似乎足以在光合作用中发挥作用。其他科学家指出,有迹象表明,一些细菌可以通过产生一种不同形式的关键光捕获蛋白来开启或关闭相干效应。这些发现再次引发了人们的猜测,即光合作用机制可能像酶一样,已经进化到可以利用量子效应。
布兰肯希普说,“和酶的隧穿效应一样,光合作用中的相干效应现在是一个被广泛接受的现象。但是,在这一点上,它们是否真的对系统的效率产生影响,或者对系统的其他方面产生真正的生物学益处,我认为现在还没有定论。”
用量子效应解释动物生物学现象
鸟类地磁导航的量子学解释
每年冬天,欧洲大陆北部的知更鸟都会向南迁徙数百公里,来到地中海。知更鸟的这一项壮举,是通过它们特殊的磁感受器来实现的。通常认为由于磁感受器,鸟类具有探测地球磁场方向的能力。为了解释这一现象,研究人员提出鸟类体内有铁矿晶体,充当磁铁,但随后的实验证实这个假说并不成立。
20世纪90年代末,这个问题引起了托尔斯滕•里兹(Thorsten Ritz)的注意,当时他还是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校一名研究生。他在已故生物物理学家克劳斯·舒尔滕(Klaus Schulten)的指导下,研究光合作用中的量子效应。他对隐花色素特别感兴趣。隐花色素是一种在鸟类视网膜中发现的感光蛋白,现在有“很好的证据”表明隐花色素在磁接收中起着作用。因此,在2000年,瑞兹、舒尔滕和另一位伊利诺斯州的同事将研究重点放在这种蛋白质上,并在舒尔滕早期理论工作的基础上,发表了相关研究成果,以解释了磁接收是如何运作的。这个理论后来被称为“自由基对模型”。
12.jpg 欧洲知更鸟
这个理论指出,隐花色素蛋白会产生一对自由基——每个自由基都有一个孤电子。这些电子的行为,可以量子纠缠在一起。孤电子对地球的弱磁场敏感。从理论上讲,这对电子对相对于磁场排列方式的改变可以引发下游的化学反应,从而使信息以某种方式传递到大脑。。
里兹用这个理论做了一些预测,并与最早研究知更鸟的生物学家罗斯维塔(Roswitha)和沃尔夫冈•威尔兹克(Wolfgang Wiltschko)一起设计了一些实验。例如,在2004年的一项研究中,研究小组将知更鸟置于外置磁场中。磁场设定为模型预测的频率和角度振荡,破坏这自由基分子对地球磁场的敏感度。实验成功地摧毁了知更鸟的导航能力。
随后,这个理论得到更多的实验支持。2018年,对隐花色素Cry4的分子特性和表达模式进行的两项研究表明,隐花色素Cry4可能是斑马雀和欧洲知更鸟的磁感受器。
当然,要证明“自由基对模型”的正确性,还有很多工作要做。科学家们也不完全明白隐花色素是如何将磁场信息传递给大脑的,里兹说,他的团队正进行诱变实验,试图解释隐花色素的磁敏性。2017年,牛津大学的化学家彼得•霍尔(Peter Hore)和德国奥尔登堡大学的生物学家亨利克•莫里特森(Henrik Mouritsen)的量子类项目(QuantumBirds),获得了欧洲的基金资助。这个项目和里兹正在进行的研究差不多。
动物嗅觉的量子学解释
吸引量子物理学家的动物生物学难题不仅只有磁接收,还有另一个科学难题——嗅觉。传统的理论认为气味分子与嗅觉神经元上的蛋白质受体相适应,从而触发嗅觉,这一理论也面临着挑战:一些形状几乎相同的分子却具有完全不同的气味,而另一些具有不同的立体化学结构的分子却拥有相同的气味。
上世纪90年代中期,伦敦大学学院(UCL)的生物物理学家卢卡•都灵(Luca Turin)提出,嗅觉受体可能不仅对气味分子的形状敏感,而且对化学键的振动频率也敏感。他认为,当气味分子与受体结合时,如果它的键以一定的频率振动,就能促进受体内电子的量子隧穿。根据他的模型,这种电子的转移在嗅觉神经元中触发了信号级联,最终向大脑发送神经冲动,产生味觉。
虽然,布鲁克斯用数学方法证明这个模型在理论上是可行的,但是,伦敦大学学院物理学家珍妮•布鲁克斯(Jenny Brookes)说,这一想法仍然缺乏有力的实验证据。另外,由于研究人员近年来一直在寻找与酶功能类似的同位素效应。如果隧穿起了重要作用,那么含有较重氢同位素的气味分子,由于其键的振动频率较低,气味应该与正常分子不同。但是,研究结果却喜忧参半。2013年,都灵的研究小组报告称,人类能够区分含有不同同位素的分子的气味。两年后,其他研究人员却未能重现这一结果,称这一理论“不可信”。2016年,另一个研究小组报告称,蜜蜂能够区分不同同位素的气味,而最近的一项理论研究提出了一系列新的预测,证实都灵的理论模型似乎仍然有效。
理论工作虽然推动了人们对量子生物学解释的兴趣,例如,一些研究人员推测,在光合作用中起作用的相干效应,也可能导致诸如视觉和细胞呼吸等广泛的生物现象。也有人认为质子隧穿可以促进DNA的自发突变。但是,但实验证据却寥寥无几。阿尔-卡利利和他的同事就通过对腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对的研究证实,量子隧穿效应并不能引起DNA的自发突变。
用量子学解释人类大脑活动
虽然有些不可思议,但随后量子效应对动物的影响,还是延伸到对人类大脑的研究上。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家马修•费舍尔(Matthew Fisher)认为,神经元拥有能够像量子计算机一样工作的分子机制,它不是使用0或1位元来操作量子位元,而是同时具有0和1状态的信息单位。
费希尔提出,大脑的量子比特,由波斯纳分子中磷酸盐离子和钙离子构成。这些磷酸盐和钙簇存在于骨骼中,也可能存在于某些细胞的线粒体中。他的团队最近的理论工作认为,不同波斯纳分子中磷酸盐离子的状态可以相互纠缠数小时甚至数天,因此可能能够进行快速而复杂的计算。费希尔最近获得了一笔基金,用于建立一个名为“QuBrain”的国际合作项目,力求在实验中寻找这些效应。但是,许多神经科学家对该项目能否取得成功表示怀疑。
(注:几何上波斯纳分子可以描述为一个立方体,在角和中心有钙离子,在面中心有磷酸盐离子。)
13.jpg 大脑量子计算机(波斯纳分子)
让量子生物学发挥作用
量子生物学中的大多数想法仍然停留在理论阶段。现在,一些研究人员正致力于提供实验证据。维德拉尔的团队计划在今年晚些时候收集更多关于细菌纠缠的数据,荷兰代尔夫特理工大学的物理学家西蒙•格罗巴切(Simon Groblacher)提议用缓行动物进行纠缠实验。2017年,《游走在边缘的生命》的作者阿尔-卡利利和萨里大学生物学家约翰乔伊麦•克法登(Johnjoe McFadden)帮助建立了一个量子生物学博士培训中心,以鼓励跨学科的交流和推进研究工作。麦克法登说:“现在,如果你说你在生物学中研究量子力学,人们并不认为你完全疯了,只是会被认为有点古怪。”
接受《科学家》采访的研究人员还强调,无论理论机制是否得到实验支持,量子生物学中的推测本身都是有价值的。“随着我们将技术小型化,我们在生物世界中拥有丰富的信息,可以从中获得灵感,”理论物理学家、量子计算研究员、科技公司SAP非洲创新主管阿德里安娜•玛莱斯(Adriana Marais)表示,“这是一个绝佳的机会,可以研究生命是什么,也可以学习如何以最优的方式在微观尺度上设计实验。”
现实世界的应用包括从更高效的太阳能电池到新型生物传感器的各种技术。去年,一个小组提出了一种“仿生鼻子”的设计方案,该方案部分基于嗅觉的量子理论,用于检测微小的气味浓度。霍尔和其他人则试图用自由基对机制,设计用于探测弱磁场的设备。
“我们可以利用我们所获得的信息,并根据这些原则来设计系统,”里兹说,“即使事实证明鸟类并不是这样做的。”

编译:莫轩
原文作者:CATHERINE OFFORD

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