直到一個世紀左右，還沒有人知道甚至還有量子物理學之類的東西。但是，儘管人類在量子黑暗中經營了數千年，但似乎一直都在知道植物，細菌和鳥類。
人類研究人員直到最近才發現量子效應，可以解釋光合作用的第一步如何以如此高的效率轉化為化學能。其他研究表明，量子技巧可能使候鳥使用地球的磁場線導航。
通過這樣的研究，科學家開始理解量子力學（據說局限於亞原子物理學領域的怪異）如何影響日常生物學。
從一個層面上講，量子力學能夠在人生基礎上發揮作用，這似乎很自然。畢竟，量子原理定義了原子的特性，從而從中定義了生命物質。然而，量子規則允許像電子這樣的粒子同時存在於兩個地方，有時表現得像波浪而不是粒子，似乎不太可能是生活嚴格調節過程的驅動力。奇異的量子特性應該控制單個原子等物體，而不是像紅木或羅賓斯這樣的物質團塊。
現在，有了越來越多的證據表明量子怪異確實存在於生物系統中，科學家正在尋找方法來說明大自然利用這些影響以賦予優勢的方法。
加利福尼亞大學伯克利分校的化學家格雷厄姆·弗萊明（Graham Fleming年度物理化學評論概述最近的研究顯示了光合作用中的量子作用。
了解自然系統如何利用量子效應來利用其優勢，可以幫助研究人員找到控制和最終利用此類過程的方法。通過複製植物使用的量子技巧，例如，研究人員可能能夠開發新技術，例如更有效的太陽能電池。
在實驗室裡揮舞
光合作用是通過嵌入植物細胞內部和一些細菌的膜中的分子機械進行的。像所有化學反應一樣，它依賴於電子的作用。
在綠色植物中，光顆粒被葉片中的色素分子（主要是葉綠素）吸收。傳入的光顆粒或光子將葉綠素中的電子提升為移動狀態。一旦激發，電子就會迅速從葉綠素穿上附近的“受體”分子，啟動一系列電子傳輸。從一個分子到另一個分子，電子最終到達“反應中心”，在該中心中，能量被轉換為細胞可以用來製造碳水化合物的形式。
正是這些初始的，幾乎瞬時的能量轉移非常有效 - 科學家估計，在葉子上擊中葉子的95％以上的能量達到了光合作用反應中心。儘管隨後的每個生化步驟都增加了能源效率的損失，但該過程的第一步緊密接近一個光子的理想，導致一個電子傳遞。
以前的光合作用模型假設，存儲在激發電子中的光能通過隨機啤酒花通過隨機啤酒花，粒子以逐步移動的方式進入了反應中心，以依次降低能量水平。但是，一些試圖解釋植物的大量能量學的科學家認為，植物可能有辦法利用電子的量子行為。
在奇數世界中，粒子的行為可能像波浪一樣。電子不簡單地從一個葉綠素轉移到另一種葉綠素，而是作為能量雲而存在，而是在分子之間來回徘徊。弗萊明說，在這個波浪狀的狀態下，電子變得連接或耦合，並以協同的方式起作用，因此激發實際上是在分子之間“晃動”的。
科學家認為，這種和其他量子效應可以允許更有效的能量運動，但在試圖捕獲實驗室中這種影響的證據時面臨問題。在古典世界中，分子A或B會激發，科學家可以通過測量分子隨時間變化來跟踪激發的傳遞。但是在量子世界中，事物似乎存在於多種狀態中，從而使測量更加複雜。除了測量隨著時間的流逝中A和B中激發的變化外，科學家還需要一種方法來測量A和B的同時激發 - 一種稱為相干性的量子效應的簽名。
2005年，弗萊明（Fleming）和他的同事開發了一種在綠硫細菌中發現的光合蛋白中捕獲這些同時激發或振蕩的方法。使用超快激光器，科學家用來自不同樑的三個脈衝閃爍了樣品，以刺激能量吸收和轉移。然後輸送第四個脈衝以擴大信號。
閃光的時機使科學家能夠在二維的範圍內跟隨能量流，從一個葉綠素轉移到另一個葉綠素時，在時空觀看。
該方法為遵循系統的振動狀態提供了一種方法，跟踪其許多波長，以查看它們何時是科學家所說的“相位”。當許多顆粒（例如電子）在相位移動時，所有原子在同步性中都在移動，旋轉和傾斜。這樣的系統處於連貫狀態。
不確定他會在光合細菌中發現這種波動的行為，儘管如此，弗萊明仍認為這是可能的。弗萊明說：“改變的是，我們可以停止將[量子效應]視為一種可能性並實際衡量它。”
2007年，使用二維激光技術尖銳的博客在用激光爆破綠色硫細菌樣品中發現了Telltale Signature。
當科學家重複實驗時，他們的數據表明了振蕩的相遇和乾擾，形成了流經系統的能量的波動運動。
弗萊明的團隊，出版自然，指出，量子相干性可以通過使電子同時對反應中心的所有各種潛在途徑進行採樣並選擇最有效的一個（SN：4/14/07，p。 229）。電子不會逐步從一個分子跳到另一個分子，而是可以嘗試各種路線來找到最小電阻的路徑。
智能設計
光合生物是為了效率而設計的。例如，在葉片中發現的葉綠素分子吸收的葉綠素分子不僅是任意散佈在整個細胞中的，而且被緊緊地堆積在細小的細胞器中，擠入了彼此經常接觸的空間中。因此，當受到光子的興奮時，葉綠素不再充當個體，而是團結起來創建一個合作的系統。
演唱會有優勢。首先，它允許植物在不同的光範圍內吸收能量。這樣的系統還允許其他吸收的色素分子（例如類胡蘿蔔素）以有效的方式將能量轉移到系統中。
今年年初，愛爾蘭和英格蘭的科學家使用了具有多種顏色波長的超快激光器，以更加了解通過光合系統移動的能量。都柏林大學學院的伊恩·默瑟（Ian Mercer）與倫敦帝國學院的研究人員一起從紫色細菌中閃爍著吸收的蛋白質，一系列脈衝持續不到十億秒的豆類。
當它擊中細菌蛋白時，光能激發一系列反應，最終導致蛋白質發出了自己的光。由於激光脈衝由各種顏色組成，每種顏色對應於特定的能量，因此樣品發出的光提供了蛋白質內部發揮作用的不同能量的清晰視圖。最終的地圖顯示了單個電子在來回搖擺能量時如何協調其運動：向左或右側移動顯示了電子連接，而垂直偏移表示通過或接收能量。
這些方法使科學家能夠將能量或粒子行為的隨機跳躍與統稱的電子的波動分開。該研究於2月6日發表物理評論信Mercer說，將幫助科學家更好地模擬量子效應，例如相干性如何影響光合作用的能量傳遞。
他說：“我們一直需要一雙更好的眼睛，以了解分子如何做它們的技巧。”
旋轉
鳥類可能會給科學家另一雙眼睛，在其中觀察活細胞中的量子效應。研究表明，即將踏上季節性旅程的候鳥可以利用一種稱為Spin的量子特性，以幫助它們使用光敏蛋白在眼中“看到”地球的磁場。
30多年前，首先提出了鳥類在遷移期間依靠某種生化反應來實現自己的想法。十一年前，麗思和他的同事確定了一種含有光敏色素的蛋白質的隱形色素，是能夠產生這種反應的候選分子。
加密色素可在鳥類眼睛的神經層中發現。研究表明，當加密色素與藍綠色光的特定波長相互作用時，它會觸發類似於光合作用中發生的電子傳輸的級聯。
通常，加密色素中的電子成對存在。但是，來自光的能量可以將電子撕裂，將一個電子留在原始分子上，然後將另一個電子發送到另一個分子。結果是兩個帶電分子或離子。
最初，這些分子中的電子沿相反的方向旋轉。但是，在存在外部磁場的情況下，旋轉的動力學將改變，從而改變它們的方向。旋轉旋轉產生了生化反應，使鳥類可以將地球的磁線視為周圍環境上疊加的顏色或光的模式，瑞茲猜測，類似於道路中間的虛線。
儘管科學家尚未證明加密色譜可以在鳥類中產生這種反應，但該理論的證據正在持續。
在2004年自然研究，麗思和他的同事們表明，破壞了圈養鳥類周圍的當地磁場，準備遷移，以乾擾鳥類的內部指南針。例如，通過破壞田野，科學家可以誘導鳥類朝錯誤的方向起飛。
去年春天，在發表的一項證明理論試驗中自然，英格蘭牛津大學和坦佩的亞利桑那州立大學的研究人員展示了類似地球的分子如何響應弱磁場的方向，例如地球的磁場。
科學家創建了一個由三種淡淡的顏料組成的合成分子。當用激光束閃爍時，分子中的電子首先如預測的那樣短暫分離，然後重新組合。電子在分離狀態上花費的時間隨磁場的角度而變化。當電子返回其配對狀態時，能量會導致分子形狀的變化。
Ritz現在正在尋找在果蠅中分離隱性色斑塊的方法，以測試動物中的這些作用。儘管加密色素中的光吸收色素觸發了與光合作用中產生的級聯的電子傳輸不同，但麗思說，這兩種系統似乎都受到量子力學的波浪性質的影響。但是，生物系統如何維持最脆弱的效果仍然是一個難題。
麗茲說：“我問的關於光合作用的問題也是如此。” “當您有各種波動可能會破壞它時，該系統如何保持連貫性？這是一個很大的開放問題，目前我們對此沒有好的答案。”
更高的證明標準
儘管可以在受控的實驗室環境中保持一致的量子狀態，但大多數科學家一直不屑一顧這樣的想法，即可以在活細胞的炎熱，混亂的領域中實現這種連貫性。這種系統中的原子和分子不斷受到環境影響的影響。絲毫侮辱會使海浪的階段造成，從而導致他們失去了連貫性。
當弗萊明測量光合細菌中這些波浪狀狀態的持久性時，他發現這種連貫性持續了令人驚訝的長時間 - 高達660億秒。在分子事件的時間尺度上，這是永恆的。
麗茲說：“出於某種原因，大自然似乎已經協調了運動，或者做了其他事情以使這種連貫性生存。” “發現的原因將非常有趣，因為它可能會給我們一個線索，即我們如何控制該級別的過程。”
儘管最近的工作發現了生活系統中量子效應的證據，但研究人員尚未證明這些影響實際上可以影響光合作用的效率或遷移鳥類導航的能力。
“如果沒有發生，植物會做得不好嗎？”弗萊明問。 “我認為在這一點上我們需要對回答這一點有些謹慎。這是一個複雜的問題。您必須在模擬事物的方式上非常複雜，以表明量子效應確實可以使系統變得更好。您不能只是打開和關閉它。”
無論如何還沒有。弗萊明（Fleming）說，他正在尋找“更高的證明標準”，他已經制定了兩個新的理論模型，這些模型將使科學家能夠進行實驗，並更好地模擬實驗室中的生物量子效應。新模型將出現在即將發表的問題中化學物理學雜誌。
他說：“一旦有了一個非常好的理論，就可以關閉事情以查看會發生什麼。”
發現量子效應如何在光合作用和鳥類導航中發揮作用，可能會將科學家指向生物系統中量子的其他例子。
麗茲說：“畢竟，光合作用是周圍最古老的過程之一。” “如果我們看到大自然在一開始就學到了當它們仍然是細菌來控制量子過程時，就沒有理由為什麼將來大自然應該忘記這是更複雜的事物。”
Susan Gaidos是緬因州的一位科學作家。
