读量子霸权07光合作用

1. 光合作用

1.1. 生命起源的一幕主要戏剧便是光合作用，一个看似简单的过程

• 1.1.1. 植物可以将二氧化碳、阳光和水转化为糖和氧气

• 1.1.2. 光合作用每秒钟能产生的生物量可以达到15000吨

  • 1.1.2.1. 由于这个作用，我们的地球才得以被绿色植被覆盖

1.2. 光合作用只是大自然数十亿年来完全随机的、无序的化学过程的最终产物

• 1.2.1. 如果没有光合作用，生命进化将是不可想象的，但值得注意的是，虽然人类在科学上取得了巨大的进步，但其实生物学家仍然没能参透这一重要过程到底是如何发生的

• 1.2.2. 大自然赋予光合作用的这些看似非凡的特性纯粹是一种偶然

• 1.2.3. 在量子计算机上，需要数十亿年完成的植物进化可能被压缩到几个月内

1.3. 光合作用对地球至关重要，它实际上重塑了地球的大气层

• 1.3.1. 当地球刚刚形成时，大气中的主要成分是二氧化碳，这些二氧化碳可能是由古代火山释放出来的

• 1.3.2. 火星和金星的大气层，由于火山的作用，这些星球的大气层同样几乎是由纯二氧化碳组成的

• 1.3.3. 当光合作用开始在地球上出现时，地球上的二氧化碳开始被转化为人类呼吸所需要的氧气

1.4. 由于光合作用对光子能量的捕获效率接近100%，因此它一定是符合量子力学的

1.5. 如果有一天量子计算机能够解开光合作用的秘密，那么就有可能制造出效率近乎完美的光伏电池，使太阳能时代成为现实，我们也因而可以提高作物产量，养活能量已经十分紧缺的地球

• 1.5.1. 通过真正揭秘光合作用而实现对其发生条件的改变，从而使植物在相对恶劣的环境中也能茁壮成长

• 1.5.2. 如果有一天人类开始火星殖民，就有可能通过改变光合作用的条件，使植物在这颗红色星球上也能茁壮成长

1.6. 纵观历史，植物一直是个谜

• 1.6.1. 它们似乎是自己开花的，只是偶尔需要水

• 1.6.2. 自古以来，人们就认为植物是通过某种方式“吃掉”土壤而生长的

  • 1.6.2.1. 比利时科学家扬·范·海耳蒙特测量了植物及其土壤的重量，发现土壤的重量随着时间的推移根本没有发生任何变化

• 1.6.3. 化学家约瑟夫·普里斯特利发现，如果不放入植物，那么蜡烛很快就会燃尽，但是在植物存在的情况下，蜡烛却可以保持持续燃烧

  • 1.6.3.1. 植物消耗了空气中的二氧化碳，并为蜡烛燃烧提供了氧气

• 1.6.4. 植物生长需要阳光、水和二氧化碳，并且能够在这个过程中释放出氧气

1.7. 卡尔文循环

• 1.7.1. 二氧化碳和水转化为碳水化合物的复杂化学过程

• 1.7.2. 使用包括碳-14分析在内的各种技术，他们可以实现对特定化学物质在植物中运动的追踪

2. 光合作用的量子力学

2.1. 许多科学家认定光合作用就是一个量子过程

• 2.1.1. 它从光子，即一个一个离散的光包，击中含有叶绿素的叶子开始

• 2.1.2. 这种特殊分子吸收红光和蓝光，但不吸收散射回环境中的绿光

• 2.1.3. 植物所呈现出的绿色是因为植物没有吸收绿光，而是把它们全部反射出去了

• 2.1.4. 如果大自然创造了能吸收尽可能多的光线的植物，那么我们眼中看到的植物就会是黑色的而不是绿色的

2.2. 激子

• 2.2.1. 激子以某种方式沿着叶片表面传播

• 2.2.2. 叶片利用激子的能量将二氧化碳转化为氧气

• 2.2.3. 根据热力学第二定律，当能量从一种形式转化为另一种形式时，大部分能量会流失到环境中

• 2.2.4. 光子的大部分能量在撞击叶绿素分子时就消散了，从而成为这个过程发生时的废热损失

• 2.2.5. 在激子的能量被带到叶片收集中心的过程中，几乎没有产生任何能量损失

  • 2.2.5.1. 由于一种人类目前尚不清楚的原因，这一过程几乎没有任何损失，保证了100%的效率

• 2.2.6. 一种理论认为，激子所发生的这一过程是通过路径积分实现的

2.3. 光合作用过程发生在室温下，原子在环境中的随机运动会破坏激子之间的任何相干性

• 2.3.1. 通常情况下，量子计算机必须冷却到接近绝对零度，才能最大限度地减少这些混沌运动，但植物的光合作用在正常温度下就能够良好运行

3. 人工光合作用

3.1. 通过实验证明或反驳量子效应存在的一种方法是寻找相干的迹象

• 3.1.1. 这是原子一致振动时量子效应释放的信号

• 3.1.2. 一旦检测到相干振动，就立即表明量子效应是存在的

3.2. 2007年，格雷厄姆·弗莱明

• 3.2.1. 使用了一种特殊的超快多维分光镜，这种分光镜可以产生持续一飞秒（一千万亿分之一秒）的光脉冲

• 3.2.2. 证明了光波可以同时存在于两种或多种量子态中

  • 3.2.2.1. 意味着光可以同步探索通往反应中心的多条路径

  • 3.2.2.2. 也许可以解释为什么激子几乎百分之百都能一下子找到反应中心

3.3. 量子计算机非常适合开展这些量子计算

• 3.3.1. 如果使用路径积分观察的方法是有效的，也就意味着我们现在可以通过改变光合作用的动力学来解决各种问题

• 3.3.2. 我们可以通过使用量子计算机在虚拟环境下完成实验，而不需要用植物进行成千上万次耗时的实验去一点点摸索

3.4. 人工光合作用将在对抗全球变暖的斗争中创造一个范式转变

4. 人工树叶

4.1. 人类的饮食主要依赖于少量几种谷物，如水稻和小麦

• 4.1.1. 谷枯病可能会在很大程度上扰乱人类所在的整个食物链

• 4.1.2. 如果我们的一种基本食物的生产突然被破坏，那么人类将会束手无策

• 4.1.3. 开展人工光合作用的“人工树叶”的新关注，将有助于人类降低对这一重要自然过程的依赖程度

4.2. 二氧化碳不仅会吸收来自太阳的能量，还会使地球升温

4.3. 使二氧化碳回收工作真正起作用

• 4.3.1. 使用太阳光将水分解成氢气和氧气

  • 4.3.1.1. 产生的氢气可以用于燃料电池，为清洁氢汽车提供动力

  • 4.3.1.2. 尽管电池燃烧得很干净，但电力最初来自污染严重的化石燃料发电厂

  • 4.3.1.3. 燃料电池却没有这方面问题，它燃烧氢气和氧气，产生的废物就是水

  • 4.3.1.4. 燃料电池真正能够实现清洁燃烧，不再需要炼油厂和煤电厂

• 4.3.2. 通过分解水产生的氢气可以与二氧化碳结合，产生燃料和有价值的碳氢化合物

  • 4.3.2.1. 这种燃料还可以继续燃烧，再次产生二氧化碳，但产生的二氧化碳可以与氢气重新组合，从而实现回收利用

4.4. 量子计算机可能能够加速发现新的二氧化碳催化剂的探索过程，确保二氧化碳的有效回收，同时产生氢气和一氧化碳等有用气体

• 4.4.1. 第一次突破还是在1972年发生了

  • 4.4.1.1. 藤岛昭和本多健一证明，使用一个由二氧化钛制成的电极和另一个由铂制成的电极，光就可以成功将水分解为氢和氧

  • 4.4.1.2. 尽管它的效率只有0.1%，但这一原理意义重大，它表明制造人工树叶是有可能的

4.5. 这一领域的大部分进展是通过试错完成的，需要数百次加入化学物质的反复试验来寻找答案

• 4.5.1. 找到一种相对廉价的方法将氢气和二氧化碳结合起来，从而制造燃料

  • 4.5.1.1. 最困难的部分

  • 4.5.1.2. 真氧产碱杆菌(Ralstoniaeutropha)的细菌

    4.5.1.2.1. 可以将氢气与二氧化碳结合产生燃料和生物质，效率可以达到11%

  • 4.5.1.3. 加州大学伯克利分校的化学家杨培东

    4.5.1.3.1. 通过使用微小的半导体纳米线，利用光将水分解为氢气和氧气，然后在这些纳米线上培养细菌，细菌再利用氢气合成各种有用的化学物质，如丁醇和天然气

  • 4.5.1.4. 使用微生物来完成碳循环一开始听起来可能很奇怪，但其实微生物的使用并不新鲜，在葡萄酒行业它已经被大规模用于糖的发酵

• 4.5.2. 量子计算机则能够在模拟中复制这些化学过程，并允许化学家创造新的替代量子途径

4.6. 如果量子计算机为创造人工光合作用和人工树叶提供了关键的最后一步，那么它可能会开辟全新的产业，为人类提供新型高效太阳能燃料电池、替代作物甚至新型光合作用

• 4.6.1. 量子计算机将在人类利用光合作用方面发挥关键作用，帮助人类将光能转化为食物和营养物质