细菌知道如何利用量子力学来控制能量

光合细菌通过使用量子力学来控制能量，从而适应环境。

光合生物从太阳收集光以产生生存所需的能量。芝加哥大学研究人员发表的一篇新论文揭示了他们的秘密：利用量子力学。

“在进行这项研究之前，科学界看到了生物系统中产生的量子特征，并提出了问题，这些结果仅仅是生物学是由分子构建的结果，还是有目的？”化学教授，这项研究的资深作者格雷格·恩格尔（Greg Engel）说。“这是我们第一次看到生物学积极利用量子效应。”

芝加哥大学的一组科学家发现，某些细菌故意使用量子力学的规则来保护其光合作用设备免受氧气的破坏。

科学家研究了一种称为绿硫细菌的微生物。这些细菌需要光才能生存，但即使少量的氧气也可能损坏其精密的光合作用设备。因此，当细菌确实遇到氧气时，他们必须开发出使伤害最小化的方法。

为了研究这一过程，研究人员跟踪了在不同条件下（有氧和无氧的情况下）光合蛋白通过能量的运动。

他们发现，这种细菌利用一种称为“振动混合”的量子力学效应，在两个不同的路径之间移动能量，这取决于周围是否有氧气。振动混合涉及彼此耦合的分子的振动和电子特性。本质上，振动是如此完全地与电子状态混合，以致于它们的身份变得密不可分。这种细菌利用这种现象将能量引导到需要它的地方。

芝加哥大学的科学家杰克·希金斯（Jake Higgins）和劳森·劳埃德（Lawson Lloyd）在格雷格·恩格尔（Greg Engel）的实验室中对激光进行了调谐。

如果周围没有氧气并且细菌是安全的，则细菌可以利用振动混合技术，将分子和蛋白质（称为FMO络合物）的组装体中两个电子态之间的能量差与细菌叶绿素分子的振动能量相匹配。这鼓励能量通过“正常”途径流向充满叶绿素的光合反应中心。

但是，如果周围有氧气，有机体就会进化为引导能量通过一条不太直接的途径将其淬灭。（淬灭能量类似于将手掌放在振动的吉他弦上以消散能量。）这样，细菌损失了一些能量，但节省了整个系统。

为了达到这种效果，光合作用中的一对半胱氨酸残基起着触发作用：它们各自通过损失质子与环境中的氧气发生反应，从而破坏了振动混合。这意味着能量现在优先通过替代途径移动，可以安全地将其消灭。这个原理有点像在一条高速公路上阻塞两条车道，使一些车流驶向有更多出口的当地道路。

芝加哥大学的研究生和第一作者Jake Higgins在获取数据的激光器旁边。

该论文的主要作者，化学系研究生杰克·希金斯（Jake Higgins）表示：“对该结果的有趣之处在于，我们正在观察到这种蛋白质能够响应细胞中的环境变化而打开和关闭振动耦合。”“蛋白质利用量子效应来保护生物体免受氧化损伤。”

这些发现为生物学带来了令人兴奋的新启示。使用明确的量子机制来保护系统显示出重要的适应性，并且量子效应对于生存至关重要。

科学家说，这种现象很可能不仅限于绿色的硫细菌。正如希金斯（Higgins）解释的那样，“该机制的简单性表明，可能在整个进化环境中的其他光合生物中也发现了它。如果更多的生物能够动态调节其分子中的量子机械耦合以产生更大的生理变化，那么我们可能还不知道自然界会为它们选择一系列全新的效应。”

参考：光合作用可以调节电子态和振动态的量子机械混合，从而控制雅各布·希金斯（Jacob S. Higgins），劳森·T·劳埃德（Lawson T. Lloyd），莎拉·H·索伊尔（Sara H. Sohail），马可·A·阿洛迪（Marco A. Allodi），约翰·P·奥托（John P. Otto），拉斐尔·G·赛尔（Rafael G. Saer），瑞安·E·伍德（Ryan E. ，Sara C. Massey，Po-Chieh Ting，Robert E. Blankenship和Gregory S. Engel，2021年3月8日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2018240118

资金：空军科学研究所（AFOSR），美国国家科学基金会（NSF），美国能源部科学局，国防部（DoD），阿诺德和梅贝尔·贝克曼基金会。