【原创】量子生物学III [ witten1 ]
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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！
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！
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