2014-06-18

量子生物學:藻類演化出能開關「量子同調」

Quantum biology: Algae evolved to switch quantum coherence on and off
http://phys.org/news/2014-06-quantum-biology-algae-evolved-coherence.html

June 16, 2014

一個由 UNSW Australia 所領導的研究團隊發現,生活在非常低光度環境中的藻類能夠開關一種詭異、發生在光合作用期間的量子現象。

藻類裡面的量子效應,稱為同調性(coherence),其機能仍是個謎,不過那被認為能幫助它們以更有效率的方式從太陽那收成能量。理解其在生物體內的角色能導致科技進步,例如更好的有機太陽能電池以及基於量子的電子裝置。

這項研究已發表在 PNAS 期刊上。

那是一個新興領域,稱為量子生物學(quantum biology)的一部分,在其中有愈來愈多證據指出自然界中也有量子現象在運作,而不只限於實驗室內,而且許多這些現象甚至造就出鳥類如何能用地磁導航!

"我們研究一種微小的單細胞藻類,稱為隱藻門(cryptophytes),那在一池水的底部或是後冰層下方蓬勃發展,這些地方很少有光線抵達," 資深作者、UNSW 物理系教授 Paul Curmi 表示。

"絕大部分的隱藻門藻類的光收成系統都具有量子同調。但我們發現有某一類隱藻門,因基因突變,改變了光收成蛋白的形狀,以至於它是關閉的。"

"這是一項非常令人振奮的發現。那意味著,藉由比較具有這二種不同類型蛋白質的生物體,我們將能揭開量子同調在光合作用中所扮演的角色。"

在量子物理學的詭異世界中,一個系統若同調(彼此的量子波全都一致),該系統能同時存在於許多不同的狀態中,一種稱為疊加(superposition)的效應。這種現象通常只在受到嚴格控制的實驗室環境中才能被觀測到。

所以這個團隊,那包括來自加拿大多倫多大學的 Gregory Scholes 教授,對於在 2010 年發現,能量在二種不同隱藻門品種之光收成系統分子間的轉移為同調,感到相當驚訝。

相同的效應也在綠硫菌(green sulphur bacteria)中被發現,那也存活在非常低光度中。

"假設是:這能增加光合作用的效率,讓藻類與細菌能夠存在於幾乎沒有光線的環境中," Curmi 教授表示。

"一旦光收成蛋白捕捉到陽光,它需要儘快將被捕獲的能量送入細胞內的反應中心,生物體在此將能量轉換成化學能。"

"目前假設能量以一種隨機的方式進入反應中心,如同一名踉蹌回家的醉漢。但量子同調將允許能量在經由最快速的路線行進之前,先「同時」嘗試每一種可能的路徑。"

在這項新研究中,該團隊利用 X 光晶體學來理解三種不同隱藻門品種之光收成複合體的結晶結構。

他們發現有二種品種出現基因突變,那導致一個額外的胺基酸插入,改變了蛋白質複合體的結構,擾亂了同調。

"這顯示隱藻門已經演化出一種優雅但強大的基因開關,來控制同調性並改變用於光收成的機制," Curmi 教授說。

接下來將會比較不同隱藻門藻類的生物學,例如它們是否棲息在不同的環境利基(environmental niches)中,以理解量子同調效應是否會幫助它們存活。

※ 相關報導:

* Single-residue insertion switches the quaternary structure and exciton states of cryptophyte light-harvesting proteins
http://www.pnas.org/content/early/2014/06/11/1402538111
Stephen J. Harrop, Krystyn E. Wilka, Rayomond Dinshaw,
Elisabetta Collini, Tihana Mirkovic, Chang Ying Teng,
Daniel G. Oblinsky, Beverley R. Green,
Kerstin Hoef-Emden, Roger G. Hiller, Gregory D. Scholes,
and Paul M. G. Curmi.
PNAS June 16, 2014
doi: 10.1073/pnas.1402538111
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