主题：【原创】量子生物学 I 摘要和前言 -- witten1

看上去很丑，很不舒服。。

西西河会自动帮你根据网页宽度在合适的地方断行。如果自己在段落中间断行。当网页宽度不合适，就会错行难看。希望这是你想问的。

我把所有内容重新弄了一下。

进化应该是生物大分子层面上才能谈论的概念。 量子是比这基本得多的层面，是基本物理规律，没有进化这种概念。就好比你可以说一个细胞是存活的或死亡的， 但不能说一个氢原子是存活的或死亡的。死活这个概念在原子层面上没有意义。

显然，先有量子的机制，再会有光合作用的出现。

那么自养和异养的区别，就可能会比我们想象的大。

起码围绕着量子机制的适应，是生物进化中不可回避的问题了

我之所以分出两种量子生物学（后面狂想的量子场生物学不算），就是因为我脑中有两个非相对论量子多体问题研究的范式：化学 和 凝聚态物理（特别是那些展现宏观量子效应的东西）。 我感觉 现有生物学基本使用的是化学，所以如果有能超越化学的（比方说）宏观量子效应的东西出现 是很好的事。

可是另一方面我感到，化学范式上的生物学我们了解得还太少，而已知的很多最重要的生物学机制应该都是需要用这个范式来阐释的。因此我也很希望第一种量子生物学的发展。

另外 关于从量子力学基本原理薛定谔方程出发直接导出流体力学方程 现在已经可以做到了。比如Harvard的姚鸿泽教授在十来年前从薛定谔方程直接导出流体力学的Euler方程。最惊人的是， 他既不需要以分子运动论Boltzmann方程作跳板，也不需要先取半经典近似过渡到牛顿力学。 他因为这工作（和其他一些工作）获得了Poincare奖。很多物理学家可能都不知道 姚鸿泽这类数学物理学家近年来在这些方面取得的重要进展，因为这些人基本都在数学系任职 而且工作都是艰深的分析类纯数学。其实这些工作对一线物理学家可能也没有直接用处， 但对于证明现有体系的内部和谐性还是很重要的。

光合作用中的量子相干能量输运（中）

量子性质

正如前述，Engel等人在2007年直接表明了在FMO复合体内存在在显著时间和空间尺度上的量子相干。他们所展示光谱测量表明在低温（77K即约零下196摄氏度）的时候处于激发态的电子穿过FMO复合体内多个色素时的量子相干动力学。从那时起大量的研究相光文献开始涌现；进一步的实验表明在室温的时候，这个量子相干可能维持到300fs（1fs = 10^(-15)s）！（注：这个实验结果也让我很惊讶，在室温之下，在生物体内这样的一个复杂环境里，量子相干的维持的时间可达到1/1000纳秒，量子相干可比害羞的小姑娘还要害羞，我很好奇是怎样的机制保持了这样的相干，相关的能量尺度可能是一个，但是那其实是不够的）如果量子相干在FMO复合体内（及其他的光捕获装置）可以室温之下存在，那这个量子相干是用来干吗的呢？正如我们马上在下一节主就要讨论的，一个典型的回答是为了获得更高的输运效率；大量的理论模型被建立起来试图解释为何自然界在室温之下,比较于经典过程,仍然是在FMO内利用量子相干转移激发态的电子会更有效率?以及自然界是如何实现这更有效率的过程?最接近的可以用于比较这量子接应原经典模型是Forster模型，在该模型中，不同分子之间的激发态的电子传输被视作是不相干的，并且进一步忽略所有的分子之间的相干和叠加。人们应当注意到，系统中的多个分子之间的光激发引起的相干退局域化自然的表现为激子本性（注：这里激发态的电子被看作某种形式的准粒子），这一激子本性也很重要并且强烈的影响了谱的性质以及复合体内的能量弛豫，这些应当也当被独立的讨论。

初看，在室温下在一个生物系统内部观测到了量子相干是相当惊人的。然而，即便是非常初步的相关的能量尺度的比较都表明了在光合装置内量子效应应当很重要。这些能量尺度是：环境温度大概300K；在FMO复合体和蛋白质环境之间的耦合强度大约为100cm^(-1)（注： 转换为温度约对应于300K，用de Broglie关系转换成波长，再转成能量，再转成温度）；在BChl分子之间转移的激发态的电子耦合强度约为100cm^(-1)（注同前）。精确的计算或衡量在光合作用中象FMO这样的复合体里的能量和耦合强度是基于光谱信息和第一性基于原子模型的量子化学方法的组合给出的。幸运的是，FMO是最广泛的被研究的模型之一，并且一般来说测量数值和理论计算值之间能达到定量的吻合！

环境辅助输运

人们会主张FMO复合体是使单个的激发态从离“天线”最近的BChl-a分子输运到离反应中心最近的BChl-a分子的传输效率最大化（参见II中的图）。为此，除去先前提及的能量和耦合，还存在两种很重要的时间尺度需要考虑。一个是激子离开靶分子到反应中心的速率（约1ps，这非常快）；另一个是由于荧光弛豫而引起的激子在任意一个BChl分子上的丢失速率（约1ns）。所以在输运能量到反应中心的过程正是是这后面这一丢失率是要被克服的。引人注目的是，相较于荧光弛豫时间（约1ns），激子总是更快被输运到反应中心！

那么量子相干是如何在能量传输过程中帮助激子到达其想到达的目的呢？人们提出了几个有一定道理的物理解释。一些理论方法把蛋白质环境看作一个马尔科夫且无关联的热浴。这意味着FMO内的每一个分子单独的感受到共周边的随机的环境噪声。这样的处理方式建议激子传输的相干和执涨落环境的组合产生了能级展宽的效应。简单的依此发展的模型预言这将允许激子相对容易的离开在FMO复合体的能量位形的局域极小(注：举个简单的例子，如果把能量写成位置的函数，在图上画出来，你就得到了一个能量关于位置分布的位置，自然界中的东西总是习惯于呆在能量最低的位置就是对应于你所画出的曲线的某一极小值附近)。别的作者证实激子的相干动力过程也会促成（无相干）的从离反应中心最近的分子到反应中心快速转移。他们显示了量子相干演化和无相干的遂穿间的通力合作产生了一个高效率的能量势阱，将高能状态吸引到反应中心。(注：越来越有趣，呵呵)

从这篇里大家有没有学到啥？物理其实就是一种philosophy，在这种philosophy内最重要的思想之一就是“数量级”，如果你能迅速的看穿一个体系内的各种复杂过程的主要数量级，你就能很快抓住复杂体系内部的物理过程，从而抓住问题的要害！

• "小姑娘害羞":时间可达到1/1000纳秒
• "小姑娘害羞" is from witten1
• changshou: "时空中 度量结构（距离）的定义"

能否直接把那文章的链接发我？就是你所说的姚老师的在十来年前从薛定谔方程直接导出流体力学的Euler方程。

因为我去年还在学校听了一个专门做这问题的一个家伙给的报告，他的结论是迄为止没有人从量子力学的基本原理能导出流体力学的基本方程，他最后甚至悲观的认为永不可能。考虑到他是专门做这个的，所以我采信了他的结论，他的悲观的看法我就置之不理了。

PS：量子场论不会对地球上的生命有啥直接的影响。

http://arxiv.org/abs/math-ph/0210036

这是 姚鸿泽（Horng-Tzer Yau）在2002年的国际数学家大会上作的报告。

在摘要中他们强调了， “No intermediate description, such as a Boltzmann equation or semi-classical approximation, is used in our proof.”

当然还有很多经由Boltzmann equation导出流体力学的工作。

长寿兄对学科的分析思路，逻辑很清晰。就是写得太多，外行人很容易就转昏了。我的个人观点，还是他说的量子效应生物学比较现实一点。这个只能是对小尺度的生物学（分子生物学）有较大意义。到了大尺度的生物学，那就统统抓瞎了。分子级别对生物体的影响，目前还没有系统的方法可以应用。例如DNA对大鼻子的影响，中间一大段过程都是不可知的。曾经听过一个新加坡牛人的讲座，说他的研究从分子生物到临床应用都涵盖了，要么是牛人，要么是大忽休。不过生物领域总是这样的，不说大不行。

对于分子生物学，最接近介观物理，而且通常分子都比较大，运动空间限制在纳米到微米的尺度。量子规律应该有重要作用！由于通常在常温，量子效应很难从实验中发现。

量子力学不一定会起到显著作用，只有在相互作用强度与室温（约26meV）可以比拟的时候，量子力学是最有可能起到显著作用，否则热涨落将湮没一切。这在这篇综述里的典型例子就是光合作用过程了。

后面要讲到的鸟类的迁移，则是说自旋也起到了作用了，这个就是有些诡异了，因为一般来说自旋的耦合比直接的charge-charge相互作用是要弱的，自旋的耦合是库仑相互作用的剩余作用。不过待我慢慢道来，我知道过去一年中是有一篇PRL谈到了这个研究。

PS：那个人应当是大忽悠。

用于生物分子环境的空间极度狭小（亚细胞尺度），量子力学起到显著作用的可能性比一般系统大很多，热涨落将被显著压制(当然是相比叫大系统而言）。主要障碍是测量手段的限制。其实我是个懒人，主要时间花在上网聊天上，没有大牛们看的文章多。只是实际工作中的一些幼稚想法。

光合作用中的量子相干能量输运（下）

进展

大多数最近在FMO复合体上的理论工作重心是放在了蛋白质环境的自然本性上了。正如先前提及的，最简单的处理方式是把FMO内每一个分子之间是通过无关联的马尔科夫热浴来互相联系的。然而，由于电子激发态之间的强耦合（100cm^(-1)，对应能级范围约在300K）以及围绕着FMO复合体的细胞核的运动，人们一致同意这样的处理方式是不充分的。当我们把以上两点加入后，那么基于微扰耦合的计算（Born近似），无记忆的马尔科夫近似和独立热浴近似都会出问题。人们已经完成任务了大量的工作去理解当这三个近似条件被进一步放宽之后会怎样。

无论是实验还是理论工作都有结果明确的提示非微扰及非马尔科夫环境可以同时提高相干时间和激子传输的效率。类似的，一个最近的分析指出相干振动模可能在实验所看到的相干振荡中扮演着重要的角色。然而，热浴和不同的BChl分子之间的关联仍然并未被完全理解。最近的工作显示在一些情形，关联确实提升了效率，但在另一些情形又有可能降低，并且应当存在一个最优全局噪声水平。做为对比，分子动力学模拟显示无关联的热浴马尔科夫近似可能是没问题的，这意味着独立热浴模型对于解释提升的效率应当是充分的。总得来说，在光合单元（FMO及其他）内的关联热浴效应和振动激子模所实际起的作用仍然不清楚，有待于进一步的实验研究。

尽管我们在上一节讨论了积极的结果和预言，然而近来的分析已经表明量子模型相对于经典的Forster模型（这个模型可以被看作量子模型的不带量子相干的微扰展开）对于效率的提升可能只有几个百分点。即便如此，即便只有几个百分点提升，对于在低光条件下的下植物和菌的生存可能是至关重要的。Foster模型是不是唯一的可以用于比较的经典模型呢？举人例子，最近的工作建议对于在FMO复合体内的输运的描述的一个可选模型预言了振荡和类量子行为，而这个模型却是完全经典的。多个研究工作已经建议可行的方法去明确无疑的证实量子效应是正确的方式去描述所观测到的实验事实，这些建议目前都还超过当前实验所能达到的范围。

有一点要注意的是所有这些模型都没有包含最近所发现在FMO内的八个BChl-a分子。Ritschel等人研究了完全的FMO三聚体，包括了在生一个三聚体内的每一个复合体中的八个BChl分子。他们发现如果人们把这个新分子看成能从天线接收激子的场所，由于到不同“场所”间的弱耦合及能量失谐（注：就是远离共振点了），几乎不会发性相干激子。在这个情形，他们仅仅观察到在集体动力学中的指数衰减。另一方面，分子动力学模拟显示由于三聚体内的别的单聚体的影响所致的耦合增强在单个FMO内的量子相干效应比预想的要大。由于这，他们提猜想快速的能量涨落（比如由于热效应）是高效输运的主要原因，而不是由别的研究所预言的相干量子效应。

开放问题

在室温下观测到生物系统内的量子效应就其本身而言是极为引人注目的。大量的实验及理论证据建议原则上这样的相干可以提高像FMO这样的复合体的光合单元的效率，即便只是提高了几个百分点。当然，为了完全理解和证实其作用更多的工作研究需要去完成。比如，在已经不是活的有机体内的相干测量已经完成了。在实验中，激子通过激光来产生。在活的有机体内，激子通过无相干的阳光或者通过加紧的天线复合体的能量转移来产生。问题是在这样的情形量子相干是不是仍然起到了重要作用呢？另外，我们仍不清楚由量子模型所预言的小的效率提升是不是能提供生物（竞争）优势。一些像绿硫菌及红藻这样的物种生活在低光环境下，对于这类情形，任何小的效率提升对这些生物都是重要的。

在高级植物中光合装置趋向于复杂并且似乎变得不那么有序。这表明在这些复合体内能量位形将变得非常的凹凸不平。所以在这样复杂的系统内FMO复合体内的量子相干在维持高效率的能量输运上有可能起到更加重要作用。观测及验证这个猜想是这个领域里的最大的开放问题。比如，最近的工作用了重整化分析（注：对这样的无规体系做重整化分析，我觉得结论是不可靠的，除非无序本身遵循了某种分布，那可以用replica的技巧来应付）所得到结果表明在更大网络中的相干被静态无序和热效应限制了。类似的，针对绿硫菌大天线内的激子传输动力学的一个研究发现无序的能量位形把所有激子相干给消除了（注：这个比较靠谱）。总而言之，更广泛的理解相干在大范围的光合作用复合体所起的作用是必需的。通常人们认为鲁棒性和光保护－－而不是高效率－－是自然必需的。

To be continued...

后面是关于候鸟的磁受体的研究，居然关联到了自旋，呵呵，拭目以待。

不知道大家从这篇里学到了怎么？自然科学研究就是这样，一种一种可能能去尝试，直到把人们认为所有可能的东西都研究一遍后，我们最终终于可以在某个层面上对某个问题给出一个恰当的回答，这回答可能包括了已弄清楚的和还未弄清楚的。而这本身其实就是科研的乐趣，因为你是在开疆拓土！