翻譯：myansiel 校對：fwjmath 小紅花四朵
1、 光合作用是量子力學干的
西恩·拜坦
科學家在光合作用中發(fā)現(xiàn)了量子力學的蹤跡
生活在海洋中的隱藻（紅胞藻屬）
圖片來源：多倫多大學
多倫多大學的一個化學家研究團隊發(fā)現(xiàn)，海藻的光合作用是通過量子力學來實現(xiàn)的。對新興的量子生物學領域來說，這是一大貢獻。
“想到自然界可能在利用量子力學十分令人激動，同時也發(fā)人深思。”化學教授格雷格·斯科爾斯說，他是本周《自然》刊出的一項全新研究的第一作者。“我們最近的實驗顯示，生物系統(tǒng)在常態(tài)下工作時，有能力利用量子力學來優(yōu)化像光合作用這樣對生命關系重大的過程。”
在光合作用中，一種被稱作捕光色素復合體的特殊蛋白將太陽光收集起來，并將其中包含的能量傳輸?shù)搅硗庖恍┳鳛榉磻行牡牡鞍桌铩笳吣耸谴笞匀凰赜械?#8220;太陽能電池”。 斯科爾斯和同事們從兩種不同種類的海藻中分離出捕光色素復合體，并在它們正常生活的溫度條件下使用一種精密激光實驗方法——二維電子光譜術——來研究它們的作用方式。
“為了模擬它們吸收陽光時的情形，我們用飛秒激光脈沖來激發(fā)這些蛋白，”斯科爾斯說明道，“這樣我們就能用計時器來監(jiān)測后續(xù)反應，包括被困于蛋白中的特定分子之間的能量流動。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在這樣的能量流動中，牽涉到長時間存在的量子狀態(tài)。結果表明，吸收的太陽光能同時駐留在兩個地方——這是一種量子疊加態(tài)，或稱為量子相干，而這樣的狀態(tài)正處于量子力學的核心。
“這項以及最近的一些發(fā)現(xiàn)，它們主要在以下幾個方面吸引了研究者的注意” 斯科爾斯說。“首先，這說明在這復雜的生物系統(tǒng)中，即使在常溫下，量子力學的概率性法則也有可能蓋過經典力學。由此，能量能夠同時在天線蛋白中的多條不同路徑中流動——這是一種違背我們直覺的方式。從中可以想到一些潛在的奇妙問題，比如，用量子力學方式收集陽光會不會給這些生物體帶來了進化優(yōu)勢呢？也許藻類“知道”量子力學比我們人類要早了20億年。”
相關論文：此發(fā)現(xiàn)發(fā)表于2月4日出版的《自然》，題目為“Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature”。
多倫多大學提供
1、 DNA是量子力學維持的
是量子糾纏把DNA纏起來的——物理學家如是說
一個新的理論模型表明，量子糾纏防止了生命分子的破裂。
在不算很久以前，曾經有那么一個時候，生物學家賭咒發(fā)誓說量子力學在有關生命的熱乎乎、潮兮兮的世界里玩不了什么把戲。
從那時到現(xiàn)在，量子生物學這門學科已經成為科學中最令人激動的新領域之一。現(xiàn)在看來，量子效應在一系列生物學過程中都處于核心地位，比如上面提到的光合作用，還有下面提到的動物認路。
現(xiàn)在一群物理學家聲稱，生物學家們可能做夢都想不到量子力學的那些詭異法則在生物體中的重要性。他們的新觀點是：DNA就是由量子糾纏來維持的。
這個想法值得攤開來說清楚點兒。“糾纏”是一種詭異的量子過程，其中一個單獨的波函數(shù)被用來描述兩個不同的對象。這種情況下，這兩個對象不管相距多遠，它們的存在都是同一的。
新加坡國立大學的伊麗莎白·里佩爾及其同事提出了一個問題：量子糾纏在DNA中有什么作用？為了得到答案，他們設計了一個DNA的簡化理論模型，其中每個核苷酸都包括一個帶正電的中央核和圍繞著中央核的一團電子云。這團帶負電的電子云可以相對中央核移動，形成一個電偶極子。當兩個核苷酸之間形成堿基對連接時，它們的電子云必須向相反的方向運動，以保證結構的穩(wěn)定性。
里佩爾和同事們想知道，當堿基對疊成雙螺旋時，這些振動——物理學家稱之為聲子——會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？
聲子（振動量子）是一種量子物體，它們以量子疊加態(tài)的形式存在，并且能像其他量子物體那樣進行糾纏。
里佩爾和同事們首先從螺旋不受外界熱量影響時的情況開始考慮。“很明顯，耦合諧振子的鏈在絕對零度時出現(xiàn)了糾纏現(xiàn)象，”他們說。隨后他們繼續(xù)揭示出，量子糾纏在室溫下也是存在的。
聲子的波長和DNA雙螺旋的大小相似，這可能使得駐波——一種稱為聲子囚禁的現(xiàn)象——得以形成。在這種條件下，聲子無法輕易逃脫。以前曾經發(fā)現(xiàn)聲子囚禁會引起類似大小的硅結構出現(xiàn)問題。
如果這對于螺旋結構沒有整體性影響的話就不算什么了，但里佩爾和同事們建立的模型顯示，它的影響很大！盡管一個堿基對中的兩個核苷酸向相反方向振蕩產生了一種量子疊加態(tài)，導致對螺旋結構總的影響相互抵消，但在一個純粹的經典模型中，這是不可能發(fā)生的，這樣的話螺旋結構的震蕩就會使其本身斷裂開來。
因此在這種情況下，這些量子效應使得DNA能夠維持它的結構。
當然，問題在于如何證明這一點。他們提出了一條證據(jù)：用純經典方法分析的話，DNA保持自身完整所需要的能量是不合情理的，他們的量子模型卻不存在這個問題。這很有趣，不過他們必須要獲得一些實驗證據(jù)，才能讓生物學家們接受自己的觀點。
他們在論文末尾提出了一個令人心動的建議：量子糾纏可能會對讀取DNA鏈信息的方式造成影響，可以利用這點來設計實驗。至于如何著手，他們并未給出答案。
還有許多謎團在其中，不過這項研究仍然很有前途。
三、動物認路也是量子力學干的
麗莎· 澤加
物理學家研究了量子糾纏在動物磁羅盤中的作用
物理學家已經發(fā)現(xiàn)，利用特定分子感知磁場的能力可能有量子糾纏的功勞，但要在具有化學羅盤的動物（如奶牛等）體內的磁場感受器中找到具體的分子還需要進一步的工作。
圖片來源：丹尼爾·施溫
許多動物都具有一種磁感應能力，它們可以靠這個來認路。這種稱為磁感知的磁場探測能力在許多動物中都有發(fā)現(xiàn)，比如鳥、海龜、鯊魚、龍蝦、奶牛、真菌、細菌……然而，科學家們并不完全清楚這種能力的機理。在一項新的研究中，物理學家研究了量子糾纏在動物磁羅盤中的作用，并指出量子技術可以用來提高或降低動物的化學羅盤精確度，從而控制其它生物學功能。
“我認為我們的工作清楚地表明，量子糾纏作為一種真正的量子效應，并不只在孤立和受到高度控制的實驗條件下才起作用。”漢斯·布里格爾對PhysOrg.com的記者這樣說道。他是因斯布魯克大學的一位理論物理學教授。“它也可能在生物學相關的系統(tǒng)中存在并起作用，尤其是在化學羅盤中，我們描述了一種從原則上用實驗方法研究這個問題的途徑。”
在他們最近發(fā)表在《物理學評論》的一項研究中，布里格爾及其合作者蔡建明（Jianming Cai）、吉安·賈科莫·古爾利奇闡述了磁感知的兩個主要假說。其中之一稱作“自由基對機制”，此機制認為動物眼睛內的磁感受器被光子激活時產生一對自由基，每個自由基都有一個不成對電子，這兩個電子的自旋是相關的。自由基之間的相互作用和環(huán)繞著它們的弱磁場可以引起不同形式的自旋關聯(lián)，使得動物能夠“看到”磁場。
因斯布魯克的研究人員們想要確定的一件事是自由基對中的電子是否需要量子糾纏才能起作用，還是說經典關聯(lián)就已經能夠令羅盤具有足夠的敏感度。經過計算，他們發(fā)現(xiàn)結果很大程度上是取決于自由基對的壽命：對于存在時間很短的分子，比如最近用在自旋化學實驗中的一種分子，量子糾纏的特征很顯著；另一方面，對于存在時間較長的分子，比如歐洲知更鳥中被認為引起磁感知的分子，量子糾纏所扮演的的角色似乎并不重要。
由于科學家們并不能完全確定在不同動物的化學羅盤中哪些分子在自由基對機制中起作用，動物是否使用量子糾纏來探測磁場就成了一個懸而未決的問題。然而，物理學家們提出，可以進行特定的實驗來縮小動物磁感知候選分子的范圍。比如，在圍繞動物的磁場上加上與其平行、垂直或成一定角度的pi脈沖，研究人員就能觀測到量子的控制方式如何影響動物的方向感。物理學家們強調，必須對量子控制的脈沖對生物組織的影響進行更多的研究之后，才能進行比較安全的實驗。
相關論文： Jianming Cai, Gian Giacomo Guerreschi, and Hans J. Briegel.
“Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass.”Physical Review Letters
104, 220502 (2010).
