量子生物學：植物如何利用量子力學

量子生物學正越來越受歡迎，它提出了一個非常有趣的問題：是否存在需要量子力學才能發揮作用的生物過程？量子過程通常需要在非常特定的條件下才能工作，當物理學家探索量子效應時，實驗的環境通常在接近絕對

零

的溫度下，使用非常昂貴的裝置完全隔離。因此，這些相同的過程發生在現實生活中似乎很奇怪。但過去十年的實驗表明，情況確實如此。

故事開始於2007年4月，一群麻省理工學院的物理學家正在分享他們發現的科學文章，其中一篇文章暗示植物是微型量子計算機。這種提議馬上得到了這群物理學家的嘲笑聲，幾十年來人們一直在努力創造一臺量子計算機，難道這些愚蠢的植物會比人類聰明？我們很快就會看到，他們笑起來是多麼的愚蠢。

光合作用之謎

首先，讓我們談談為什麼會有人提出這種說法。植物作為量子計算機，聽起來確實有點牽強。要理解這一點，我們首先要理解生物學中一個非常古老的謎題：為什麼光合作用這麼有效？

地球上的光合作用每秒可以產生超過15000噸的生物質，即使在如此大的規模上，光合作用也只是一種化學反應。植物吸收二氧化碳、水和陽光，並將這些成分轉化為糖、氧氣和可用能量。光合作用的整個過程發生在植物細胞內的葉綠體中，並且它充滿了稱為葉綠素的小綠色色素。

要了解陽光如何從光子變成可用的能量，我們需要了解葉綠素化學的一些背景知識。這些分子有很長的碳和氧主鏈，一個大的碳和氮網格圍繞著單獨的鎂原子。這使得鎂的最外層有一個電子幾乎沒有“掛在”那裡，因此，當一個光子進入時，它的能量會將該電子從鎂上擊落。

通常我們認為鎂離子是一個整體，它只是失去了一個電子而帶正電。但為了讓這一切有意義，我們需要稍微重新構建它。把它想象成一箇中性鎂、一個電子和一個帶正電的空穴在電子的位置。這時候，空穴和電子被稱為激子，它可以儲存能量。為了從陽光中獲取能量，植物需要將該激子送到反應中心，以進行電荷分離的過程。這個過程涉及從鎂中獲取電子並將其轉移到附近的一些分子，以便它可以產生穩定的分子，那裡就是產生光合作用的化學過程。

但是，轉移激子是困難的。葉綠體可以將能量從一個葉綠素轉移到另一個葉綠素，直到它到達反應中心，但這條路徑真的很遠。此外，葉綠素超級密集地堆積在一起，那麼激子如何知道該走哪條路？多年來，我們認為它

隨機

地進行轉移，直到進入反應中心。但這樣的過程會使激子容易丟失而不是進行化學反應，然而現實中光合作用是百分百發生，幾乎不會發生電子丟失。這比任何人們發明的技術都要有效，經典化學無法解釋如此高效的過程。

量子力學解釋