藻類進化出可控制量子相干的基因開關

　　澳大利亞新南威爾士大學領導的一個研究小組通過對生活在極暗光線環境下的藻類進行研究后發現，這些藻類在光合作用過程中，能打開或關閉一種“量子開關”，表現出奇特的量子效應，這種量子效應可能幫它們高效收集光線。相關論文發表在最近出版的美國《國家科學院院刊》上。

　　海藻的這種量子效應是量子相干。在量子物理世界中，一個相干系統能同時處于多種不同的狀態，這種現象稱為“重疊”，越來越多的證據顯示，這種通常只在嚴格控制的實驗室里才能觀察到的現象，大自然也在運用，比如一些鳥類利用地球磁場辨別方向的機制中，就涉及量子相干。

　　據物理學家組織網6月17日（北京時間）報道，“我們研究的是一種叫作隱藻（cryptophytes）的微小單細胞藻類，這種藻類廣泛生長于水池底部，或厚冰下面，這些地方很少有光線照進來，大部分隱藻都有一個集光系統，這里發生著量子相干。”該校物理學院教授保羅·柯米接受采訪時說。2010年時，他們在兩種不同的隱藻的集光系統中發現分子間的能量轉移表現出量子相干性，在綠色硫磺細菌中也有同樣效應，它們也是生活在光線極暗環境中。

　　“我們推測，這種效應能提高光合作用效率，讓隱藻和細菌能在幾乎沒有光線的環境中生存。”柯米解釋說，“一旦集光蛋白捕獲到陽光，需要把捕獲的能量盡快送到細胞反應中心，在那里將能量轉化為生物化學能。我們認為，能量以一種隨機的方式到達反應中心，就像一個醉鬼糊里糊涂地回了家。但量子相干允許能量同時‘試驗’每種可能的路徑，然后找到一條最快捷的路徑‘回家’。”

　　“但我們發現了一類基因變異的隱藻，它們集光蛋白的形狀改變使集光系統關閉。我們可以對比兩種不同的蛋白質，從而揭開量子相干在光合作用中扮演的角色。”柯米說。他們用X-射線晶體衍射技術觀察了3種隱藻的集光蛋白，發現在兩種變異隱藻的基因中，插入了一個額外的氨基酸，改變了蛋白質的結構，從而破壞了相干性。

　　柯米說：“這表明隱藻已經進化出了控制量子相干的基因開關，這種基因開關簡潔而強大，能打開或關閉量子效應實現高效集光。”

　　目前，人們對生物體中的量子相干還知之甚少，這屬于新興的量子生物學。生物量子相干機制有助于藻類更有效地收集光能。理解量子相干在生物體中的功能，有可能帶來技術上的進步，造出更好的有機太陽能電池、量子電子設備等。