生命裡的物理奧祕

專題報導 07/01/2011


存在於物質微小尺度的量子效應,似乎與巨觀的生物風馬牛不相及。但是近來一些研究發現,在生物世界中存在著某種量子效應,這使得科學家想到,可以師法生物自然原理,來了解量子世界的奧祕。

從表面上看起來,量子效應跟生物有機體,這兩者似乎風馬牛不相及。量子效應通常只有在極小的奈米尺度才看得到,還要加上強力真空、超低溫、以及嚴密控管下的實驗室環境。生物有機體則居住在一個宏觀尺度的世界,那裡溫暖、混亂、什麼事情都不能控制。像是「同調性」這種一個系統裡每一部份波動模式,都保持一致的量子現象,在喧囂不已的細胞世界裡,維持不了百萬分之一秒鐘。

細胞世界

大家都這樣認為,但是近年來的研究發現,大自然知道一些物理學家不知道的奧祕:在大自然的世界裡,同調的量子過程可能根本俯拾即是。鳥類可以利用地球磁場導航,以及植物與細菌將陽光、二氧化碳與水分,轉化成有機物質光合作用的內在運作機制,這種認為是地球上最重要的生化反應,都是已知可能帶有同調性的例子。

美國麻省理工學院物理學家洛依德 (Seth Lloyd) 表示,生物學向來是什麼好用就用什麼,如果量子這套行得通,那又何樂而不為。有些研究者甚至已經開始談論一門稱為「量子生物學」的新學門,他們認為量子效應即使罕見,也是一種大自然運作的重要機制。實驗室裡想要弄出實用技術的物理學家,對此也頗為矚目。

洛依德說,他們很希望從這些生物系統巧妙運用量子的方式裡借鏡,倘若能夠對生物有機體如何維持量子效應多有瞭解,就可有助於研究者達到難以捉摸的量子運算目標,也許就能據此做出效能較佳的儲能裝置,或是有機太陽能電池之類的東西。

能源探路

研究者一直在懷疑,光合作用裡頭事有蹊蹺。光的粒子稱為光子,從太陽串流射下,隨機抵達擠滿每一片葉子細胞,充斥於每個光合細菌體內的葉綠素分子,以及其他吸收光線的「天線」色素。但是光子的能量一旦存了進去,就不再維持隨機,不知何故地被導入穩定流中,傳向細胞的光合作用中心,然後就能夠以最高效率,將二氧化碳轉化成糖份。

科學家在一九三○年代,就已經知道這段過程必須要用量子力學來加以解釋。在量子力學裡,電子之類的粒子行為經常會像波動。撞擊到天線分子的光子,會像水坑上打水漂的石頭一樣,引發充能電子的漣漪,也就是激子。這些激子接著會一個個穿過分子,直到抵達反應中心為止。但是他們行進的路線是否如同研究者起先假設的那樣,是隨機而未經導引的跳躍呢?抑或其運動更有組織性?現代有些研究者指出,激子可能是同調的,其波動在保持一致時,會延展到超過一個分子,還會彼此增強。

「大自然知道一些物理學家不知道的奧祕。」

倘若如此,就會得出一個驚人的結論。同調的量子波可以同時以兩種以上的狀態存在,因此同調的激子就能夠以兩條以上的路徑,馬上穿透層層的天線分子。事實上,它們能夠同時探索一大堆可能的選項,自動選擇最有效率的路徑,抵達反應中心。

四年前有兩組研究團隊,在美國加州大學柏克萊分校化學家富萊明 (Graham Fleming) 領導下,取得支持這項假設的實驗證據。其中一隻團隊利用一串非常短的雷射脈衝,探測綠硫菌的光合器官。研究者必須用液態氮,把樣本降溫到絕對溫度七十七度,不過他們從雷射探測器獲得的資料,確實顯示出激子狀態同調的清楚證據。第二支研究團隊則對紫色光合菌進行類似研究,發現同樣的電子同調現象,在絕對溫度達一百八十度時,就會進行運作。

第一支研究團隊在二○一○年發表證據,指出他們在室溫下的細菌複合體,出現量子同調性。這表示同調性並不僅只是實驗室低溫環境下的產物,對於現實世界的光合作用,可能也很重要。大約同一時間,加拿大多倫多大學化學家史柯勒斯 (Gregory Scholes) 領導的研究團隊,也報告說在室溫下發現同調效應,這回不是細菌,而是光合隱芽藻類。這是一種在演化上相當獨特的生物,與動植物的關係比細菌更為貼近,使用截然不同的吸光化學基。

然而量子同調性是怎麼持續得夠久,而能夠在光合作用裡產生作用的呢?大多數的物理學家認為,室溫下細胞周圍的分子混亂情況,幾乎是馬上就會摧毀同調性。

洛依德和其同事進行電腦模擬,發現了可能的答案:存在環境中的隨機干擾因子,非但不會降低、反而可以提升光合作用中能源傳輸的效率。模擬結果顯示,有時激子會被卡在光合鏈的某個階段,但透過環境干擾因子的緩和震動作用,可以讓受困激子掙脫,又不致破壞原有的同調性。洛依德認為,事實上,環境提供了激子的活動自由度,讓其可以達到目的地。

光合作用並非自然界中的唯一量子效應例子。例如好幾年前研究人員就已發現,在一些酶催化反應中,質子在分子間移動係藉由量子穿隧效應,讓粒子穿透位勢障壁,無須集中能量以攀越障壁。另有一倍受爭議的「嗅覺理論」,宣稱味覺來自分子震動的生化感應,就是在負責氣味的分子與鼻腔內受體間的一種電子穿隧過程。

然而,這些例子是否足以支持一個全新學科的成立?聖路易的華盛頓大學光合作用研究學者布蘭肯士普(Robert Blankenship),在其與富萊明共同發表的一篇有關綠硫细菌的論文中,提出了相關疑慮。他表示,他們覺得或許在有些已知的案例中,這樣的效應相當重要,但是在其他許多案例中,生物系統不會像這樣運用量子效應。但史柯勒斯相信,只要對量子生物學給予適當的寬廣定義,就可以新學科的誕生有樂觀預期。他表示,「我真的相信在生物學領域中會找到其他案例,也可以藉由量子機制的了解,來幫助我們更進一步認識生物運作的過程」。

鳥瞰羅盤

長久以來人們一直無法了解,為何某些鳥類可透過地球磁場的感應,做為飛行導航,現在,或許可藉由新奇量子效應,解開這個迷團。

據了解,光打到鳥的視網膜上時,會啟動鳥類擁有的磁場感應機制。研究人員根據目前資料,猜測其運作方式應該是每個進來的光子,會創造出一對自由基,即具高度反應性的分子,每一個自由基均含有一不成對電子。每一這樣不成對的電子,均具有內在角動量,或稱之為自旋,可以隨磁場而改變方向。當這對自由基互相分離時,位在其中一個自由基上的不成對電子,主要會受到鄰近原子核磁場的影響,另一個不成對電子則由於遠離原子核,因此只會受地球磁場的影響。感應磁場的不同,讓這對自由基在兩種量子狀態中游移,因而產生不同的化學反應。

牛津大學物理學家班傑明(Simon Benjamin)表示,一種可能的推論是,當運作系統處於其中一種量子狀態下,鳥類的視網膜細胞,會合成某種化學物質,但在另一種量子狀態下卻不會。「化學物質的反應,顯示了地球磁場的方向定位」。在二○○八年進行的一次人造光合化學反應試驗中,證實了這個推論結果的可能性,磁場始終影響著成對自由基的活動。

「這提供我們追求如何創造量子科技的一些線索」。

班傑明及其同事認為,經由吸收一個單一光子,創造出來的兩個不成對電子,是處於量子糾纏狀態,也就是一個粒子一旦與另一粒子有了關係,以後不論它逃到天涯海角,這關係再也擺脫不掉。量子糾纏很容易受到周圍溫度變化的影響,但研究人員計算出,對鳥類的飛行方向指引而言,量子糾纏至少可以持續十微秒之久,這比目前任何人造分子系統所能維持的時間,都要長許多。

此種靠量子運作的磁場感應機制,不只鳥類才有,一些昆蟲及植物,對於磁場均顯示出生理反應。例如,藍光抑制了開花植物擬南芥的生長,但可經由磁場對成對自由基活動的影響,予以調和。但為了獲得確有前述運作效果的證明,班哲明表示,對其中所涉基本分子,還需要進行透澈了解,並在實驗室中仔細研究。

選擇利益

光合作用中的量子同調性,看起來對運用此機制的生物,相當有益。但是,生物利用量子效應的能力,是否會隨著物競天擇而演化?還是說,量子同調性,只是某些分子建構方式下,偶然產生的副作用?史柯勒斯認為,現階段很難確定正確答案是什麼,他表示,「針對這個演化問題,有許多的臆測及誤解。我們既無法辨別,光合作用中的此種效應是否為物競天擇的結果,也無法確認,不靠量子同調性是否就可以轉移電子能量。甚至連要說明這個演化問題,也找不到資料」。

班傑明指出,目前還無法釐清為何自然天擇會讓量子同調性勝出。他指出,幾乎所有行光合作用的生物,大部分的白天的時間會在調和光的收成,很少有捕不到光線的情形。因此,怎麼會有需要改變光收成效率的演化壓力呢?。針對此點,富萊明表示認同,他懷疑量子同調性的產生不是為適應改變,而是「為發揮最佳的陽光吸收效能,發色團(chromophore)因此密集堆疊後的副產品」。史柯勒斯則期望對不同時期演化的隱芽藻類物種,分離出來的天線蛋白質進行深入研究,以找出答案。

然而,富萊明也指出,就算生物體系的量子同調性只是一種偶發效應,它讓整個體系能量傳輸能夠不受到失序干擾,其後果影響重大;更厲害的是,量子同調性「能引發『類似整流器』效果的單程能量移轉、能產生最快速的『能量移轉』率、具有不受溫度變化影響的性質,而且可能還有一些其他沒想到的特點」。

這種種特點,意謂著實用價值。史柯勒斯認為,其中最重要的,是讓我們可以更了解生物體系如何在周遭環境中,達成量子同調性的運作,這將「改變我們設計光收成機制的思維」。此外,這些特點將有助於科學家發展出新科技,例如產出更高能量轉換效率的太陽能板,洛依德就相信這是「相當合理的預期」,尤其對於他所發現的環境干擾因子正面效果,充滿樂觀的看法,認為對於使用量子點(奈米尺寸晶體)、或其上密佈吸光化學集成體的高度支化聚合物,以做為人造天線陣列的材料,對於建造光電系統,相當有實用性。

另一個潛在應用領域是量子運算。物理學家及工程專家長久以來一直努力,試著要操控量子位元編碼資料,例如電子或原子核的上自旋或下自旋狀態。量子位元可以同時在兩種狀態中出現,因此我們可以同步探索其內建資料運算的所有可能答案。

理論上,這將讓量子電腦得以用比今日電腦要快上許多速度,找出最佳解答,但先決條件是量子位元必須能保持其前後穩定性,不被相鄰原子推擠等周遭環境因素所干擾,破壞了波的同步性。

但生物學其實已經用某種方式解決了這個問題:量子同調性讓光系統得以走「最佳路徑」進行量子運算。班哲明投入了許多心力設計材料系統的量子運算及資訊科技,他看到一個未來發展方向,就是利用環境溫度鳥類羅盤作為指引。他表示,「如果我們能找出鳥類羅盤如何破解影響同調性的負面因素,將提供我們追求如何創造量子科技的一些線索」。他說,向自然界學習,是和神話同樣悠久歷史的概念,只是直到今日,還沒有人想到自然世界的運作原理,可以教我們了解量子世界的奧秘。
【知識通訊評論月刊一○五期】2011.07.01

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