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细菌也懂量子力学!研究发现绿硫细菌利用量子效应免受氧化损伤

Emma Chou

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光合作用生物从太阳中获取光来产生它们生存所需的能量。芝加哥大学研究人员发表的一篇新论文揭示了它们的秘密:探索量子力学。

新研究的资深作者、化学教授格雷格·恩格尔(Greg Engel)说:“在这项研究之前,科学界看到了生物系统中产生的量子特征,并提出了这样一个问题:这些结果是生物由分子构建而成的结果,还是有其目的?”“这是我们第一次看到生物学积极利用量子效应。”

科学家们研究了一种叫做绿硫细菌的微生物。这些细菌需要光才能生存,但即使是少量的氧气也会破坏它们脆弱的光合作用机制。因此,当细菌遇到氧气时,它们必须找到将损害降到最低的方法。

为了研究这一过程,研究人员在不同条件下——有氧和没有氧——通过光合作用蛋白追踪能量的运动。

他们发现,这种细菌利用一种被称为振动混合的量子力学效应,根据周围是否有氧气,在两种不同的路径之间移动能量。振动混合涉及分子相互耦合时的振动和电子特性。从本质上说,振动与电子状态混合得如此彻底,以致它们的特性变得不可分割。这种细菌利用这种现象将能量引导到它需要的地方。

如果周围没有氧气,而且细菌是安全的,那么细菌就会利用一种叫做FMO复合物的分子和蛋白质组合的两种电子状态的能量差,利用细菌叶绿素分子振动的能量进行振动混合。这鼓励能量通过“正常”途径流向充满叶绿素的光合作用反应中心。

但如果周围有氧气,细菌就会进化到通过一条不那么直接的路径来控制能量,从而使其淬灭。(淬灭能量类似于将手掌放在振动的吉他弦上以耗散能量。)这样,细菌会损失一些能量,但会拯救了整个系统。  

为了达到这一效果,光合作用复合体中的一对半胱氨酸残基充当触发器:它们每一个都通过失去一个质子与环境中的氧气发生反应,从而破坏了振动混合。这意味着现在能量优先通过替代路径移动,在那里它可以被安全地淬灭。这个原则有点像在高速公路上阻塞两条车道,并将一些车辆转向有更多出口的地方道路。 

这个结果的有趣之处在于,我们看到蛋白质会根据细胞内环境的变化而开启或关闭振动偶联,蛋白质利用量子效应保护有机体免受氧化损伤。

科学家们认为,这种现象可能不仅限于绿硫细菌。如果更多的生物能够动态调节其分子中的量子力学耦合,从而产生更大的生理学变化,那么可能会出现一套全新的自然效应,只是我们还不知道。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2021-03-bacteria-exploit-quantum-mechanics.html

https://www.pnas.org/content/118/11/e2018240118


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