生物在量子进化?你可能正在利用量子现象生存

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  提到量子力学实验,我们 歌词 第一想到的当属“薛定谔的猫”了。近日,研究人员在实验室疑似创发明人的故事“薛定谔的细菌”——光合绿色硫细菌,光合分子与空腔中的光子处在强耦合作用,形成纠缠态。这是量子生物学的4个里程碑,人类在宏观量子力学领域向前迈进了一步。

  来源:环球科学ScientificAmerican

  量子世界有着种种奇异的形状。理论上来说,量子力学原理要求4个粒子都都可不可以一同在4个地方出現。你你什儿 看似矛盾的问题报告 叫做叠加。4个粒子都都可不可以“纠缠”在一同,通过两种未知的机制跨过任意远的距离共享信息。

  艺术家笔下的双原子量子纠缠态。图片来源:Mark Garlick

  经典量子力学

  或许量子力学中最著名的实验而且埃德温·薛定谔(Erwin Schr?dinger)在1935年提出的思想实验——薛定谔的猫。你你什儿 实验展现了量子力学的奇异性质。这位奥地利物理学家想象了一只装入盒子中的猫,盒子涵盖你你什儿 原因 致死的放射性物质。根据量子力学原理,猫会处在活与死的叠加态,要花费在我们 歌词 将盒子打开进行观测前一天是原本的。

  将一只猫、4个装有氰化氢氯化氯化氢气体体的玻璃烧瓶和放射性物质倒入封闭的盒子里。当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时,就会打破烧瓶,杀死这只猫。根据量子力学的哥本哈根诠释,在实验进行一段时间后,猫会处在又活又死的叠加态。原本,我希望实验者观察盒子实物,他会观察到一只活猫或一只死猫,而都有一同处在活情況与死情況的猫。这事实引起4个谜题:到底量子叠加是在那先 前一天终止,而且坍缩成两种原因 情況中的两种情況?图片、文字来源:维基百科

  尽管这看起来十分疯狂,而且你你什儿 概念原因 在量子尺度下被实验验证无数次了。然而,在我们 歌词 所熟知的宏观世界中,一切都变得更简单,更符合我们 歌词 的直觉。并能 人原本看过一颗恒星、一颗行星原因 一只猫处在叠加态原因 处在量子纠缠。但自从20世纪早期量子力学形成前一天刚现在开始了了,科学家就一直在思考宏观世界和微观世界会在何处交汇。也而且量子系统究竟并能有多大,有并能 原因 大到让种种奇异的性质直接影响生物?在过去的二十年中,量子生物学前一天刚现在开始了了形成,并试图回答那先 问题报告 ,你你什儿 学科提出和实施你你什儿 在生物体身上做的实验,以此来探测量子理论的极限。

  根据多世界理论,每4个事件都有分支点。不论盒子是封闭的还是敞开的,猫是活的,也是死的,而且,活猫与死猫是处在宇宙的不同分支,那先 分支都同样的真实,而且彼此之间并能相互作用。图片、文字来源:维基百科

  那先 实验的结果看起来十分诱人,而且却并能 给出选者的答案。比如在今年早些前一天,研究人员发现生物通过光合成养料的光合作用与你你什儿 量子效应有关。鸟类导航和人类产生嗅觉的过程也显示量子效应以两种不寻常的方式 影响着生物体。而且那先 而且量子世界的冰山一角。目前还并能 人能将生物置于叠加态或纠缠态,就连单细胞的细菌而且行。

  薛定谔的细菌:微生物都都可不可以处在量子叠加情況?图片来源:Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library

  细菌与光子的纠缠

  最近英国牛津大学的一篇论文宣称细菌和光子之间的纠缠得到了实现,这引起了我们 歌词 的关注。这项研究由量子物理学家Chiara Marletto领导。他分析了2016年英国谢菲尔德大学David Coles和同事完成的实验,发表在2018年10月《物理通讯》(Journal of Physics Communications)上。在实验中,Coles和同事把几百个光合绿色硫细菌倒入两面镜子上端,不断地缩短两面镜子之间的距离,直到两面镜子并能几百纳米远,你你什儿 距离比头发丝直径还小。通过在镜中不断地反射白光,研究人员希望使细菌中的光合分子和空腔产生相互作用或形成耦合,也而且说,细菌会持续将那先 不断反弹的光子吸收,释放,再吸收。这项实验成功了:有3个细菌以你你什儿 方式 成功地和空腔形成了耦合。

  而且Marletto和她的同事称细菌不仅仅是和光子形成了耦合。我们 歌词 分析认为实验中产生的能量信号原因 表明细菌的光合系统和空腔中的光子形成了纠缠态。简单来说,有的光子似乎一同与细菌中的光合分子撞上和擦肩而过,而这正是纠缠的标志。她说:“我们 歌词 的模型表明记录到的你你什儿 问题报告 是光和细菌中的你你什儿 自由度产生纠缠的信号。”

  厌氧嗜热绿色硫细菌(Chlorobaculum tepidum)与光子处在强耦合的实验示意图。实验中,检测细胞膜全版性的染料台盼蓝被细菌排斥,细菌未被染色,证明其仍然存活。图片来源:文献

  这项研究的合著者、同样来自牛津的Tristan Farrow表示,这是第一次在生物中发现你你什儿 问题报告 。你说歌词 :“这肯定是我们 歌词 朝着‘薛定谔的细菌’进展的一步,原因 你我你都都可不可以并能 说语录。”且这指向了原本有原因 自然处在的量子生物问题报告 的例子:绿色硫细菌居住在深海中,光的稀缺原因 会使生物进化出基于量子力学的适应性状来有利于光合作用。

  量子生物学的崛起

  然而,原本的言论仍有你你什儿 争议。第一,实验中出現纠缠的证据是方式 情況而定的。依赖于怎么才能 才能 解释腔内细菌中流入和流出的光子。Marletto和同事承认不考虑量子效应的经典模型也都都可不可以解释实验的结果。当然,光子并都有经典的,而且量子的。还有4个更加接近现实的“半经典”模型用牛顿力学来解释细菌,用量子力学解释光子,但你你什儿 半经典模型和Coles等人实际得到的实验结果固然相符。这或许原因 量子效应对光和细菌都有作用。对此,James Wootton说:“这很糙绕,而且让人我你都都可不可以们 歌词 而且在尽力解决干扰因素并夸大其辞。” James Wootton是IBM苏黎世研究院的量子计算研究人员,他并能 参与这两项研究。

  第二,细菌和光子的能量是在一同测量的,而并并能 对细菌原因 光子的能量进行单独测量。荷兰代尔夫特理工大学的Simon Gr?blacher认为这从两种程度上来说是两种限制,Simon Gr?blacher而是能 参与这项研究。你说歌词 :“似乎嘴笨 有量子事件处在,而且通常我们 歌词 都需用对4个系统分别测量来证明纠缠的处在。”原本并能选者我们 歌词 之间的量子关联是处在的。

  尽管有那先 不选者性因素的处在,量子生物学从理论设想到实际处在的转变而且时间问题报告 。生物系统之外的单个或多个粒子在实验中展现出量子效应原因 有数十年了,而是在细菌甚至人类体内的分子中寻找类似的效应是十分合理的。而且,那先 分子的量子效应在人类和你你什儿 的大型多细胞生物中会原因 互相抵消变得很小。而且在细菌原本小得多的生物中,量子效应则会有较大的作用。Gr?blacher说:“你你什儿 发现十分惊人,搞得我都有点受不了,但在真实生物系统中展现量子效应真的很令人激动。”

  包括Gr?blacher和Farrow的研究组在内多少研究团队都希望根据你你什儿 想法进一步发展。Gr?blacher设计了两种实验,都都可不可以将两种叫水熊虫的水生生物置于叠加态。你你什儿 实验就要比将光和细菌叠加起来难多了,原因 水熊虫的尺寸比细菌大几百倍。Farrow正在想方式 改进细菌的实验。今后几年我们 歌词 打算将4个细菌一同置于纠缠态,而都有单个细菌。Farrow说:“长期的目标是开拓性的,十分基础的。这关乎我们 歌词 对于现实性质的理解,关乎量子力学效应在生物功能中与否处在应用。归根结底,一切都有量子的。”而且量子力学原理在生物中与否起到作用还是4个问题报告 报告 。

  水熊虫属于缓步动物门(Tardigrata)。其可在高温(151 °C)、接近绝对零度(-272.8 °C)、高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。多数体长在0.3至0.5毫米间。缓步动物也是第两种已知都都可不可以在太空中生存的动物。

  Marletto还提到,自然选者有原因 原因 让生命想出方式 利用量子问题报告 生存,就像前一天提到的深海中的光合细菌。而且对你你什儿 问题报告 的研究需用我们 歌词 从小处前一天刚现在开始了了。研究正逐渐向宏观系统进行探索,最近的一项研究原因 成功使几百万个原子处在纠缠态。接下来关键的一步就在于证明组成生物的分子都都可不可以有量子效应,即使是出于你你什儿 微不够道的目的。通过探索量子和经典的边界,科学家都都可不可以进一步了解宏观层面的量子力学,原因 它真的处在语录。