量子生物学

量子生物学是研究量子力学和理论化学在经典物理定律无法准确描述的生物学方面的应用。 理解基本的量子相互作用很重要，因为它们决定了生物系统中下一层组织的特性。

许多生物过程涉及将能量转化为可用于化学转化的形式，并且本质上是量子力学的。 这些过程涉及化学反应、光吸收、激发电子态的形成、激发能量的转移以及化学过程中电子和质子（氢离子）的转移，例如光合作用、嗅觉和细胞呼吸。 量子生物学可以根据量子力学效应使用计算来模拟生物相互作用。 量子生物学关注非平凡的量子现象的影响，这可以通过将生物过程简化为基础物理学来解释，尽管这些影响很难研究并且可能是推测性的。

量子生物学是一个新兴领域； 当前的大部分研究都是理论性的，并且存在需要进一步实验的问题。 尽管该领域最近才受到大量关注，但在整个 20 世纪，它已被物理学家概念化。 有人提出，量子生物学可能在医学界的未来发挥关键作用。 量子物理学的早期先驱们看到了量子力学在生物问题中的应用。 欧文薛定谔 1944 年的著作《生命是什么？ 讨论了量子力学在生物学中的应用。 薛定谔引入了一种非周期性晶体的概念，这种晶体在其共价化学键的配置中包含遗传信息。 他进一步提出突变是由量子跃迁引入的。 其他先驱 Niels Bohr、Pascual Jordan 和 Max Delbruck 认为，互补性的量子概念是生命科学的基础。 1963 年，Per-Olov Löwdin 发表了质子隧穿作为 DNA 突变的另一种机制。 在他的论文中，他表示有一个新的研究领域叫做量子生物学。 1979年，苏联和乌克兰物理学家亚历山大·达维多夫出版了xxx本量子生物学教科书，名为《生物学与量子力学》。

进行光合作用的生物通过触角中的电子激发过程吸收光能。 这些触角因生物而异。 例如，细菌使用环状触角，而植物使用叶绿素色素来吸收光子。 光合作用产生 Frenkel 激子，它提供电荷分离，细胞将其转化为可用的化学能。 在反应位点收集的能量必须在其因荧光或热振动运动而丢失之前快速转移。

各种结构，例如绿色硫细菌中的 FMO 复合物，负责将能量从触角转移到反应位点。 电子吸收和转移的 FT 电子能谱研究显示效率超过 99%，这无法用扩散模型等经典力学模型解释。 相反，早在 1938 年，科学家们就推测量子相干性是激发能量转移的机制。

科学家们最近一直在寻找这种能量转移机制的实验证据。 2007 年发表的一项研究声称在 −196°C (77 K) 下鉴定了电子量子相干性。 2010 年的另一项理论研究提供的证据表明，量子相干性在生物相关温度（4°C 或 277 K）下的寿命长达 300 飞秒。 同年，使用二维光子回波光谱对光合隐藻进行的实验进一步证实了长期量子相干性。 这些研究表明，通过进化，大自然已经发展出一种保护量子相干性以提高光合作用效率的方法。

然而，关键的后续研究质疑对这些结果的解释。 单分子光谱现在可以显示光合作用的量子特性，而不会受到静电紊乱的干扰，一些研究使用这种方法将报告的电子量子相干性特征分配给发色团中发生的核动力学。 出现了许多试图解释出乎意料的长期一致性的提议。 根据一项提议，如果复合体中的每个位置都感受到自己的环境噪音，由于量子相干性和热环境，电子将不会保持在任何局部最小值，而是通过量子行走进入反应位置。 另一个提议是，量子相干率和电子隧道效应会产生能量汇，将电子快速移动到反应位点。