无处不在：生物系统的光合作用中也存在量子效应

▲示意图中显示了集光绿色硫细菌的光合复合体，其中绿色和黄色的表情符号指示的是两个被同时激发的分子。

据《自然•化学》杂志5月21日刊发的一篇论文称，以荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的理论物理学家托马斯•拉尔•扬森（Thomas la Cour Jansen）为首的一个国际科学家团队经研究发现，参与光合作用的分子能够像非生命体一样发生量子效应现象。这是科学界第一次证明量子力学现象也存在于参与光合作用的生物系统中，而对于这些光合作用中量子效应的解读与应用或有助于未来设计开发出仿生集光装置。

量子理论的基本概念是，电子在被观察到之前可以同时处于两种状态，电子只有在被观察到后才能确定为其中的一种状态。这与被称为“薛定谔的猫”的思维实验类似——一只猫被锁在一个装着一小瓶有毒物质的盒子里。如果瓶子的盖子上有一个量子系统，那么盖子可以同时处于打开或关闭的状态，于是猫也处于“死亡”或“活着”的混合状态中，直到实验者打开盒子并观察系统时，他才能知道猫的情况。而这正也是量子效应中电子的显性行为表现。

几年来，关于生物系统中也存在量子效应的课题一直备受争论。在之前的研究中，科学家们已经发现了一些信号表明，细菌中集光分子可能被同时激发成两种态势。这一现象本身就自证明了其中量子力学效应的存在与参与，不过让人意外的是，实验中分子的激发态持续了超过1皮秒（0.000000000001秒），而这比依据量子力学理论所预计时间要长得多。扬森及其团队在他们发表的论文中阐释判定这一早期的观察结果是错误的。扬森指出：“我们已经证明，他们观察到的量子效应只是分子的正常振动而已。”因此，扬森团队进行了进一步探寻和搜索。“我们想知道我们是否能观察到类似于‘薛定谔的猫’的情况。”

他们利用不同的光偏振来测量集光绿色硫细菌，该细菌具有1个由7个光敏分子组成的光合复合体。一个光子会激发其中两个分子，但是能量是同时叠加在两个分子上的。就像盒子里的猫要么是死了要么是活着一样，这两个分子中的一个会被光子激发。扬森解释说：“在这种叠加的情况下，光谱测量应该能显示出一个特定的振荡信号。”这就是我们之前所看到的（现象）。此外，我们发现量子效应所持续的时间正好与基于理论的推测相吻合，并且证明该效应同时来自于叠加在两个分子上的能量。扬森由此总结道，生物系统与非生物系统都具有相同的量子效应现象。

本研究项目所开发的观测技术同时可应用于生物和非生物系统。扬森对实验结果满意地说道：“对于那些着迷于量子力学这个迷人天地的人来说，这是一次有趣的观察实验。此外，研究结果还可能将在开发新系统方面发挥作用，比如太阳能的储存和量子计算机的研制等等。

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 编译：Jonathan 审稿：三水  编辑：张梦

来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180521131756.htm