在自然界的奇迹中,量子生物学的魔力已经深入到每一种生物的每一个生命活动中。无论是翱翔的鸟类,奔腾的哺乳动物,还是在林间跳跃的昆虫,甚至是两栖动物,都无一例外地受到这种微观世界规则的指引。然而,最令人惊叹的进展,可能要数我们对生物圈中至关重要的一个过程的理解,那就是植物如何将阳光和空气转化为生命赖以生存的能量。
地球每秒钟见证着一万六千吨新生植物的崛起,而这背后是一个万亿分之一秒内发生的奇迹,它维系着我们这个星球上的生存之源。
光合作用之所以能够高效运作,首要条件是植物将阳光的能量进行捕捉,其效率之高,远胜于人类所发明的任何技术,而植物完成这项壮举的机制,是生物学界一个未解之谜。当物理学家们发现,解开这个谜团的关键钥匙藏匿于量子力学的法则之中,他们无不感到惊讶。
生物学教材里讲述着,植物的翠绿源自叶绿素,它们在细胞中吸收阳光,并将这股能量迅速送入细胞的“工厂”,整个过程仅在万亿分之一秒之间完成。
当光子撞击叶绿素,一个电子被击出发生,形成了微量的能量体——激子。激子如同一颗弹珠,在布满叶绿素的“森林”中弹射,直到抵达反应中心,在那里,能量被转化为推动生命进程的化学反应,生成生命所依赖的物质。
然而,令人困惑的是,激子如何找到通向反应中心的路径,生物学教材无法提供答案,因为激子似乎并不知道方向。如同一个弹球,它在细胞内四处反弹,进行着随机游走,而最终能够到达反应中心,似乎只是偶然。
若激子真的只是在叶绿素间盲目漫步,那么核心的到达将耗费过多时间,其能量也会以热的形式散失。然而事实并非如此,显然还有别的机制在起作用。
最新的科学实验为我们带来了惊人的发现。化学家们向植物细胞发射激光,模仿阳光的吸收过程,发现激子在细胞内部并非以随机方式移动,之前的理论无法解释观察到的现象。
真正的答案是,植物遵循着量子力学中最为人知的一个原则——不确定性原理。
该原理表明,我们无法精确得知激子的确切位置,它更像是一个量子波在细胞中自由地波动。激子并不单纯地移动,它似乎以一种奇异而又真实的方式,同时向各个方向延伸,以波的形式扩散,探索所有可能的路径。这就是量子力学奇异之处,电子波并不选择某一特定路径,而是所有路径同时进行,这就是其高效之源!
这个发现的美妙之处在于,如果激子在探索通往反应中心的所有路径,那么它必然会找到最快捷的途径传递能量。尽管对于物理学家来说,这个现象难以解释,在生命的细胞中,尽管充满了无数随机移动的原子和分子,但激子似乎总能保持其优美的量子波形态传递能量,维持着地球生命的奇迹!