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日志

从亩产万斤到量子缠绕 -- 光合作用理论发展

热度 4已有 5706 次阅读2016-7-18 09:27 |个人分类:科普|系统分类:教育| 光合作用

钱学森对中华民族做出了杰出贡献,但他也有一件被诟病的事情:1958年6月在《中国青年报》发表了一篇题为《粮食亩产量会有多少?》的豆腐块文。文章里,钱假设30%的太阳能为植物吸收,其中的五分之一转换为食物,则粮食亩产可以达到4万公斤。民间的流传是,毛泽东本来不信亩产万斤,看了钱学森的文章就信了。但历史考证发现这个说法缺乏足够依据。根据1958年11月15日中国科学院院刊第61期《风讯台》报道,毛泽东对钱学森说:【你是学力学的,学力学而谈农业,你又是个农学家。】 钱学森回答说他“只是按照太阳能把它折中地计算了一下”,至于如何达到这个产量,他不知道。毛泽东笑道:“原来你也是冒叫一声!”  从当时的资料看,毛泽东没有被钱学森误导的迹象(注一)。


其实,钱学森早在1956年就认为农业存在很大的潜力,并开始进行光合作用与产量的计算。从现在看来,钱学森这个力学专家的计算是非常不科学的。他假定30%的光能可以被植物利用转换为化学能完全是凭空猜测,比实际利用率大10倍不止。

植物光合作用从最粗浅的角度看,是 二氧化碳+水+光能转换为碳水化合物与氧气。通过光合作用,太阳能被储存下来,成为生命的能量源泉,而且还产生了氧气。其总方程如下:

CO2 + H2O + (多个)光子  -->  O2 + (CH2O)

上面的输入与输出,人们19世纪就知道了。然而其中复杂的生物机制步骤,至今仍然没有完全弄清,而且已经成为当今量子生物研究的重点课题之一,甚至已经引入了量子缠绕(quantum entanglement)的概念。下面我做一个简单的介绍。

从爱因斯坦的光电效应理论开始,人们就知道,光的最小能量单位是光子。植物的光合作用在吸收光能这一点上与光电效应类似。光子打在叶绿素分子上,把电子打出来,能量通过电子传递到一个反应中心,提供相关反应的自由能。一个叶绿素分子吸收了一个光子、被打掉电子后,接下来的反应是需要时间的,如果再来一个光子,这个光子就无法吸收了,因此如果不断加大光的强度,光合作用会饱和。早在1932年,Robert Emerson 等人进行了一个实验,不断加大光强测试什么时候反应速度饱和。计算结果惊人地发现,2500个叶绿素分子才能产生一个氧气分子。也就是说,大多数叶绿素分子都只是光子的接收天线,每2500个才有一个用于进行化学反应。

为什么会这样呢? 如果计算太阳光中的光子流量,发现其实它是相对稀少的。一个叶绿素分子的面积上一秒钟约有 1000个光子撞下来,也就是说每个叶绿素分子上每一毫秒才有一个光子飞来,而相关化学反应的时间小于一微秒,因此一个叶绿素分子大部分时间都是闲着的。在生物的演化中,自然选择了一个相对优化的组合,用众多的光子接收装置来供给一个反应中心。

叶绿素不会是紧密排着,即使是打中了叶绿素的光子,也不一定会被吸收,这存在一个所谓有效截面 (cross section)的问题,打个比方,叶绿素分子虽然是天线,但只有中间一小块才是有效接收器,而且光子能量太低或太高也不行。因此,能够被植物有效吸收光子比例远远达不到钱学森所想象的30%。

但是一旦光子被吸收,能量传给了电子(更准确说是 exciton ),研究发现这个能量几乎被 100% 传到反应中心。这个能量传递的效率之高,是目前仍在研究的一个问题。2500个叶绿素才有一个反应中心,因此从吸收光子的叶绿素到反应中心有相当的距离,按照量子物理计算,被光子激发的电子在输运过程中能量被耗散为热的几率很大。早在1960年代,发明氢弹的美国理论物理学家泰勒用一个一维模型对从叶绿素到反应中心的能量传输进行了计算,发现能量大部分会丢失在路上。后来虽然改变为三维模型(这样采光天线离反应中心距离大大缩短),但仍然无法解释接近100%的效率。

2007年有人提出量子缠绕可能是这个高效传递的机制。在量子力学里,粒子不是走一条路径达到目的地,而是“同时”走过所有路径。2010年,Gregory Scholes 对此进行了进一步的研究,认为即使在常温下,量子缠绕在光合作用的能量传输中仍然起到关键作用。与经典的随机运动不同,光子激发的能量(由电子、空穴对携带)保持了足够时间的量子相干性,同时通过多条传递路径达到反应中心。目前,相关理论已经得到一定的实验验证,还在进一步研究之中。植物这个高效转换率也被作为太阳能电池研究的参考。

相关的研究是所谓量子生物的一个课题。所有的化学过程归根揭底都是量子物理过程,所有生物化学过程当然最终也是由量子物理所决定,但是很多情况下,分子生物(如DNA)用球棍机械模型也可以了。量子生物不是研究底层的量子机制,而是量子物理在生命现象中的直接展现。光合作用是一个典型的量子生物问题,鸟类利用地球磁场导航、量子现象在基因突变中的作用也是有待解决的量子生物问题。

钱学森在美国多年,似乎对现代物理没有基本的概念,对粮食产量问题的思路停留在非常陈旧的地步,也没有参考当时的研究结果。钱学森后来的计算甚至把植物对太阳能的可能利用率提高到了50%。

毛泽东对钱的判断是准确的:(牛顿)力学家。


Ref 1 : 关于社会主义商品生产问题》(一九五八年十一月九日、十日). 毛泽东文集,第七卷
Ref 2:  《记 者 头 脑 要 冷 静》(一九五八年十一月二十一日). 毛泽东文集,第七卷
Ref 3:    1959年4月29日的《党内通信》,《毛泽东文集》,第八卷》
Ref  4 : Scholes, G. D. (2010) Quantum-coherent electronic energy transfer: Did nature think of it first? J. Phys. Chem. Lett.,1: 2–8. Scholes, G. D., Fleming, G. R., Olaya-Castro, A. and van Grondelle, R. (2011) Lessons from nature about solar light harvesting. Nature Chem., 3: 763–774.

注一:就在这次见钱学森之前一个星期前,毛泽东写道:【提倡实事求是,不要谎报,不要把别人的猪报成自己的,不要把三百斤麦子报成四百斤。。。人民是骗不了的。” 】(Ref 1。在见了钱学森的几天后,毛泽东又写道:【虚报不好 , 比瞒产有危险性 。 报多了 , 拿不出来 。 如果根据多报的数字作生产计划 , 有危险性 , 作供应计 划 , 更 危 险 。】 (Ref 2)。1959年4月,毛泽东更写道:【去年亩产实际只有三百斤的,今年能增产一百斤、二百斤,也就很 好了。吹上八百斤、一千斤、一千二百斤,甚至更多,吹牛而已,实在办不到,有何益处呢?又例如,去年亩产五百斤的,今年增加二百斤、三百斤,也就算成绩很 大了。再增上去,就一般说,不可能的。。。同现在流行的一些高调比较起来,我在这里唱的是低调...】 (Ref 3)。文献表明,对农业大跃进,毛泽东一直唱的是低调(“人有多大胆,地有多大产”的理论最早是主持具体工作的刘少奇于1958年提出来的。



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发表评论 评论 (4 个评论)

回复 MingHao 2016-7-18 09:51
不断学习
回复 稻草 2016-7-18 18:27
MingHao: 不断学习
让事实说话很好!毛泽东从来没有搞过亩产万斤!刘邓搞的。邓小平还站在亩产万斤田上照了一张相片发在报纸上。
回复 yuanyuan88 2016-7-18 19:35
过去的事不太明白。
回复 稻草 2016-7-20 22:27
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