量子生物学：植物如何利用量子力学

量子生物学正越来越受欢迎，它提出了一个非常有趣的问题：是否存在需要量子力学才能发挥作用的生物过程？量子过程通常需要在非常特定的条件下才能工作，当物理学家探索量子效应时，实验的环境通常在接近绝对零的温度下，使用非常昂贵的设备完全隔离。因此，这些相同的过程发生在现实生活中似乎很奇怪。但过去十年的实验表明，情况确实如此。

故事开始于2007年4月，一群麻省理工学院的物理学家正在分享他们发现的科学文章，其中一篇文章暗示植物是微型量子计算机。这种提议马上得到了这群物理学家的嘲笑声，几十年来人们一直在努力创造一台量子计算机，难道这些愚蠢的植物会比人类聪明？我们很快就会看到，他们笑起来是多么的愚蠢。

首先，让我们谈谈为什么会有人提出这种说法。植物作为量子计算机，听起来确实有点牵强。要理解这一点，我们首先要理解生物学中一个非常古老的谜题：为什么光合作用这么有效？

地球上的光合作用每秒可以产生超过15000吨的生物质，即使在如此大的规模上，光合作用也只是一种化学反应。植物吸收二氧化碳、水和阳光，并将这些成分转化为糖、氧气和可用能量。光合作用的整个过程发生在植物细胞内的叶绿体中，并且它充满了称为叶绿素的小绿色色素。

要了解阳光如何从光子变成可用的能量，我们需要了解叶绿素化学的一些背景知识。这些分子有很长的碳和氧主链，一个大的碳和氮网格围绕着单独的镁原子。这使得镁的最外层有一个电子几乎没有“挂在”那里，因此，当一个光子进入时，它的能量会将该电子从镁上击落。

通常我们认为镁离子是一个整体，它只是失去了一个电子而带正电。但为了让这一切有意义，我们需要稍微重新构建它。把它想象成一个中性镁、一个电子和一个带正电的空穴在电子的位置。这时候，空穴和电子被称为激子，它可以储存能量。为了从阳光中获取能量，植物需要将该激子送到反应中心，以进行电荷分离的过程。这个过程涉及从镁中获取电子并将其转移到附近的一些分子，以便它可以产生稳定的分子，那里就是产生光合作用的化学过程。

但是，转移激子是困难的。叶绿体可以将能量从一个叶绿素转移到另一个叶绿素，直到它到达反应中心，但这条路径真的很远。此外，叶绿素超级密集地堆积在一起，那么激子如何知道该走哪条路？多年来，我们认为它随机地进行转移，直到进入反应中心。但这样的过程会使激子容易丢失而不是进行化学反应，然而现实中光合作用是百分百发生，几乎不会发生电子丢失。这比任何人们发明的技术都要有效，经典化学无法解释如此高效的过程。