量子生物学新进展：室温下植物显示出在接近绝对零下才见到的特性

发布时间：2023-05-31 10:02:23 所属栏目：动态来源：

导读：量子生物学是研究生命现象中的量子效应及其对生物体的影响的交叉学科。它探索一种生物有机化学系统中的多种量子物理现象，并尝试进一步解释这些复杂的现象对复杂多样的生命的重要性。

在光合作用过程中，植物利用

量子生物学是研究生命现象中的量子效应及其对生物体的影响的交叉学科。它探索一种生物有机化学系统中的多种量子物理现象，并尝试进一步解释这些复杂的现象对复杂多样的生命的重要性。

在光合作用过程中，植物利用量子物理过程。为了了解植物如何做到这一点，芝加哥大学的科学家最近在分子水平上模拟了叶子的工作原理。他们“被震惊了”。研究表明，植物的行为就像一种奇怪的物质第五态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。更令人感到奇怪的是，这些气态的冷凝物及其自然特性本身过去通常只有在相对较接近绝对零度的温度下才被观察探测到。

玻色-爱因斯坦凝聚态，又称为物质的第五态，指玻色子占据相同的量子态，基本上充当单个原子。激发的电子和它们留下的空间（称为空穴）可以一起作为玻色子，产生激子凝聚体。激子凝聚和光合作用之间存在联系，这可以解释为什么植物在将光转化为食物方面如此有效。

物质最常见的三种状态是固态、液态和气态。当增加或减少压力或热量时，材料可以在这些状态之间转换。常说等离子体是物质的第四态。在等离子体中，原子分解成带正电的离子和带负电的电子。这通常发生在材料过热时。例如太阳,是一个很大的超大球体,其中含有超热的等离子体。

激子的玻色-爱因斯坦凝聚，其中激子凝聚成单个相干量子状态，称为激子凝聚态，可实现无摩擦能量传输，但通常发生在高度有序材料中的极端条件，例如石墨烯双层。相反，光合作用光捕获复合物在无序系统中表现出极其有效的能量转移环境条件。在该研究中，科学家建立这两种现象之间的联系，用于室温光合作用中光收集中类似激子凝聚的能量传输放大。

在分子水平上，吸收的光激发生色团内的电子，生色团是决定其反射或吸收光的分子的一部分。这引发了一系列连锁反应，最终为植物生产糖分。芝加哥大学的研究人员使用计算机模型研究了绿色硫细菌（一种光合微生物）发生的情况。

光合光捕获复合物（Photosynthetic light-harvesting complexes）在转移能量中具有极高效率。理解这些系统中的机制对于确定高效能源的一般原则很重要。可以应用这些原则来创建高效合成能量传输系统。

在过去的几十年里，一些研究关注了量子效应的激子转移。一些研究探索了去相位的作用，强相关、量子相干性和纠缠在光捕获复合物中。在理论和实验研究中已经确定，量子影响是存在的，虽然一些争论仍然存在，这些效应在能量转移中的性质和作用过程，有证据表明,合成能量传送设计有可能受到明显的影响。

该研究的重要发现是，局部区域内激子的路径类似于在激子凝聚态中看到的路径——一种由激子组成的玻色-爱因斯坦凝聚态。激子凝聚体的挑战在于电子和离子往往会快速复合。一旦激素出现,激素就会消失,一般在凝胶形成之前就会消失。

这些冷凝物在实验室中非常难以产生，但现在它们就在科学家眼前出现了，在室温下处于混乱的有机体中显现。通过形成凝聚体，激子形成了一个单一的量子态。本质上，它们的行为就像一个粒子。这形成了一种超流体——一种零粘度和零摩擦的流体——允许能量在生色团之间自由流动。

激子通常会迅速衰变，当它们衰变时，它们就无法再传输能量。为了延长它们的使用寿命，通常需要超低温。事实上，从未见过激子凝聚体的温度超过100开尔文温度，这相当于是一个极为寒冷的零下173摄氏度。这就是为什么在正常温度下在混乱的现实世界系统中看到这种特性令科学家们“感到如此惊讶”。

光合作用是在常温下进行，因为大自然必须在常温下工作才能生存，但是这个生物进化过程做到了超低温下才能看到的量子特性。科学家将此称为“量子光合作用”。这实际上是大自然不断给我们带来惊喜的另一种表现方式。

未来，室温玻色-爱因斯坦凝聚体将具有非凡的实际应用。由于它们充当单个原子，玻色-爱因斯坦凝聚体可以深入了解在原子水平上难以观察到的量子特性。它们还应用于陀螺仪、原子激光器、高精度时间、重力或磁力传感器，以及更高水平的能源效率和传输等。

（编辑：汽车网）

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