翻译：myansiel     校对：fwjmath     小红花四朵

1、 光合作用是量子力学干的

西恩·拜坦

原文

科学家在光合作用中发现了量子力学的踪迹

生活在海洋中的隐藻（红胞藻属）

图片来源：多伦多大学

多伦多大学的一个化学家研究团队发现，海藻的光合作用是通过量子力学来实现的。对新兴的量子生物学领域来说，这是一大贡献。

“想到自然界可能在利用量子力学十分令人激动，同时也发人深思。”化学教授格雷格·斯科尔斯说，他是本周《自然》刊出的一项全新研究的第一作者。“我们最近的实验显示，生物系统在常态下工作时，有能力利用量子力学来优化像光合作用这样对生命关系重大的过程。”

在光合作用中，一种被称作捕光色素复合体的特殊蛋白将太阳光收集起来，并将其中包含的能量传输到另外一些作为反应中心的蛋白里——后者乃是大自然所特有的“太阳能电池”。 斯科尔斯和同事们从两种不同种类的海藻中分离出捕光色素复合体，并在它们正常生活的温度条件下使用一种精密激光实验方法——二维电子光谱术——来研究它们的作用方式。

“为了模拟它们吸收阳光时的情形，我们用飞秒激光脉冲来激发这些蛋白，”斯科尔斯说明道，“这样我们就能用计时器来监测后续反应，包括被困于蛋白中的特定分子之间的能量流动。我们惊讶地发现，在这样的能量流动中，牵涉到长时间存在的量子状态。结果表明，吸收的太阳光能同时驻留在两个地方——这是一种量子叠加态，或称为量子相干，而这样的状态正处于量子力学的核心。

“这项以及最近的一些发现，它们主要在以下几个方面吸引了研究者的注意” 斯科尔斯说。“首先，这说明在这复杂的生物系统中，即使在常温下，量子力学的概率性法则也有可能盖过经典力学。由此，能量能够同时在天线蛋白中的多条不同路径中流动——这是一种违背我们直觉的方式。从中可以想到一些潜在的奇妙问题，比如，用量子力学方式收集阳光会不会给这些生物体带来了进化优势呢？也许藻类“知道”量子力学比我们人类要早了20亿年。”

相关论文：此发现发表于2月4日出版的《自然》，题目为“Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature”。

多伦多大学提供

1、 DNA是量子力学维持的

原文

是量子纠缠把DNA缠起来的——物理学家如是说

一个新的理论模型表明，量子纠缠防止了生命分子的破裂。

在不算很久以前，曾经有那么一个时候，生物学家赌咒发誓说量子力学在有关生命的热乎乎、潮兮兮的世界里玩不了什么把戏。

从那时到现在，量子生物学这门学科已经成为科学中最令人激动的新领域之一。现在看来，量子效应在一系列生物学过程中都处于核心地位，比如上面提到的光合作用，还有下面提到的动物认路。

现在一群物理学家声称，生物学家们可能做梦都想不到量子力学的那些诡异法则在生物体中的重要性。他们的新观点是：DNA就是由量子纠缠来维持的。

这个想法值得摊开来说清楚点儿。“纠缠”是一种诡异的量子过程，其中一个单独的波函数被用来描述两个不同的对象。这种情况下，这两个对象不管相距多远，它们的存在都是同一的。

新加坡国立大学的伊丽莎白·里佩尔及其同事提出了一个问题：量子纠缠在DNA中有什么作用？为了得到答案，他们设计了一个DNA的简化理论模型，其中每个核苷酸都包括一个带正电的中央核和围绕着中央核的一团电子云。这团带负电的电子云可以相对中央核移动，形成一个电偶极子。当两个核苷酸之间形成碱基对连接时，它们的电子云必须向相反的方向运动，以保证结构的稳定性。

里佩尔和同事们想知道，当碱基对叠成双螺旋时，这些振动——物理学家称之为声子——会出现什么现象？

声子（振动量子）是一种量子物体，它们以量子叠加态的形式存在，并且能像其他量子物体那样进行纠缠。

里佩尔和同事们首先从螺旋不受外界热量影响时的情况开始考虑。“很明显，耦合谐振子的链在绝对零度时出现了纠缠现象，”他们说。随后他们继续揭示出，量子纠缠在室温下也是存在的。

声子的波长和DNA双螺旋的大小相似，这可能使得驻波——一种称为声子囚禁的现象——得以形成。在这种条件下，声子无法轻易逃脱。以前曾经发现声子囚禁会引起类似大小的硅结构出现问题。

如果这对于螺旋结构没有整体性影响的话就不算什么了，但里佩尔和同事们建立的模型显示，它的影响很大！尽管一个碱基对中的两个核苷酸向相反方向振荡产生了一种量子叠加态，导致对螺旋结构总的影响相互抵消，但在一个纯粹的经典模型中，这是不可能发生的，这样的话螺旋结构的震荡就会使其本身断裂开来。

因此在这种情况下，这些量子效应使得DNA能够维持它的结构。

当然，问题在于如何证明这一点。他们提出了一条证据：用纯经典方法分析的话，DNA保持自身完整所需要的能量是不合情理的，他们的量子模型却不存在这个问题。这很有趣，不过他们必须要获得一些实验证据，才能让生物学家们接受自己的观点。

他们在论文末尾提出了一个令人心动的建议：量子纠缠可能会对读取DNA链信息的方式造成影响，可以利用这点来设计实验。至于如何着手，他们并未给出答案。

还有许多谜团在其中，不过这项研究仍然很有前途。

三、动物认路也是量子力学干的 

丽莎· 泽加

原文

物理学家研究了量子纠缠在动物磁罗盘中的作用

物理学家已经发现，利用特定分子感知磁场的能力可能有量子纠缠的功劳，但要在具有化学罗盘的动物（如奶牛等）体内的磁场感受器中找到具体的分子还需要进一步的工作。

图片来源：丹尼尔·施温

许多动物都具有一种磁感应能力，它们可以靠这个来认路。这种称为磁感知的磁场探测能力在许多动物中都有发现，比如鸟、海龟、鲨鱼、龙虾、奶牛、真菌、细菌……然而，科学家们并不完全清楚这种能力的机理。在一项新的研究中，物理学家研究了量子纠缠在动物磁罗盘中的作用，并指出量子技术可以用来提高或降低动物的化学罗盘精确度，从而控制其它生物学功能。

“我认为我们的工作清楚地表明，量子纠缠作为一种真正的量子效应，并不只在孤立和受到高度控制的实验条件下才起作用。”汉斯·布里格尔对PhysOrg.com的记者这样说道。他是因斯布鲁克大学的一位理论物理学教授。“它也可能在生物学相关的系统中存在并起作用，尤其是在化学罗盘中，我们描述了一种从原则上用实验方法研究这个问题的途径。”

在他们最近发表在《物理学评论》的一项研究中，布里格尔及其合作者蔡建明（Jianming Cai）、吉安·贾科莫·古尔利奇阐述了磁感知的两个主要假说。其中之一称作“自由基对机制”，此机制认为动物眼睛内的磁感受器被光子激活时产生一对自由基，每个自由基都有一个不成对电子，这两个电子的自旋是相关的。自由基之间的相互作用和环绕着它们的弱磁场可以引起不同形式的自旋关联，使得动物能够“看到”磁场。

因斯布鲁克的研究人员们想要确定的一件事是自由基对中的电子是否需要量子纠缠才能起作用，还是说经典关联就已经能够令罗盘具有足够的敏感度。经过计算，他们发现结果很大程度上是取决于自由基对的寿命：对于存在时间很短的分子，比如最近用在自旋化学实验中的一种分子，量子纠缠的特征很显著；另一方面，对于存在时间较长的分子，比如欧洲知更鸟中被认为引起磁感知的分子，量子纠缠所扮演的的角色似乎并不重要。

由于科学家们并不能完全确定在不同动物的化学罗盘中哪些分子在自由基对机制中起作用，动物是否使用量子纠缠来探测磁场就成了一个悬而未决的问题。然而，物理学家们提出，可以进行特定的实验来缩小动物磁感知候选分子的范围。比如，在围绕动物的磁场上加上与其平行、垂直或成一定角度的pi脉冲，研究人员就能观测到量子的控制方式如何影响动物的方向感。物理学家们强调，必须对量子控制的脉冲对生物组织的影响进行更多的研究之后，才能进行比较安全的实验。

相关论文： Jianming Cai, Gian Giacomo Guerreschi, and Hans J. Briegel.

“Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass.”Physical Review Letters

104, 220502 (2010).