西娅·辛格

想想看:你一直认为从新泽西北部到纽约市的唯一途径是通过乔治华盛顿大桥渡过哈德逊河。然后有一天，有一条快讯:穿过哈德逊河的林肯隧道实际上效率更高。

东北物理教授保罗冠军他的同事们在质子的亚原子世界深处也有了类似的发现，质子是在每个原子的原子核中发现的带正电荷的粒子。

的纸周三发表在《自然化学》杂志上。《科学》杂志被这一结果震惊了，并在其“编辑选择”专栏在网上发表。

质子在许多对维持生命至关重要的生化系统中起着重要作用，包括光合作用和细胞呼吸——细胞释放储存在食物分子化学键中的能量的过程。

经典物理学假设质子穿越热力学障碍——也就是说，它们在一个系统中从一个分子化合物跳到另一个分子化合物，只有当温度高到足以把它们踢过障碍时，才会引发那些生化反应。

现在钱皮恩的团队——使用东北大学设计的超快脉冲激光系统——揭示了质子实际上可以穿过这些屏障，即使是在室温下，激发反应的速度比等待它们被热蹬过屏障时要快得多。

这一发现颠覆了几个世纪以来人们对质子行为以及质子迁移过程中所涉及的化合物的认识。研究人员的下一步是在实验室中模仿这种行为，然后用它来开发新技术。例如，隧穿可以帮助质子穿过膜，从而产生新型电池。事实上，某些类型的生物电池已经在酝酿之中。

这些环境清洁的可充电电池是模仿线粒体，动物和植物细胞的能量工厂。就像线粒体在室温下将葡萄糖(一种简单的糖)转化为三磷酸腺苷，为活细胞提供动力一样，生物电池在完善后，可以将储存在葡萄糖中的能量转化为从笔记本电脑到汽车等各种设备的动力。

“生物学可以为研究人员试图创造的材料提供灵感，”物理系主任钱皮恩说。线粒体是大自然自身高度进化的电池系统，而这个电池系统的货币是质子。我们发现质子在室温下以极快的速度从一点移动到另一点。事实上，这是他们主要的交通方式。这是一个非常、非常令人惊讶的结果。”

实现量子飞跃

该团队对质子如何运作的新颖理解是隧道能力的基础:根据经典物理学，质子不是简单地作为一个粒子，跳过a点到达B点，而是作为一种波，穿过a点到达B点，这符合量子物理学。

钱皮恩说:“一开始我们不确定我们看到的是什么。“然后我们终于意识到质子在室温下会隧穿。这个过程非常快——比传统的跨障传输快得多。我们很震惊。”

在他们的实验中，研究人员将一种称为绿色荧光蛋白(GFP)的蛋白质作为模型系统。绿色荧光蛋白最初是在维多利亚水母中发现的，因为它能发出绿光，所以通常被用作生物医学研究中的标记物。通过将GFP的DNA插入到其他蛋白质中，研究人员可以通过GFP的彩色荧光来跟踪从神经细胞生长到癌症进展的过程。

“构成绿色荧光蛋白的元素是众所周知的，”该论文的第一作者、物理学博士生布里吉特·萨尔纳说。“质子在内部向一个方向移动了很短的距离，然后它们就会在四个元素之间移动回来。”它们是:三种化合物——谷氨酸、丝氨酸和水——以及决定绿色的发色团。萨尔纳说，质子的旅程是发出绿光的原因。

研究人员使用他们定制的激光器发出的光来触发质子传输过程，期望观察粒子在广泛的时间和温度范围内的传播。

“通过缩小脉冲的持续时间，我们实际上可以看到和跟踪整个周期的分子动力学，”17届博士Salna说。“太迷人了。”

Martin Karplus是2013年诺贝尔化学奖得主，他与Michael Levitt和ariieh Warshel共同获得了这一突破。卡普拉斯在给钱皮恩的一封电子邮件中写道:“这无疑表明了在室温下质子转移反应中‘深隧穿’的重要性。”“恭喜你!”

原载于(电子邮件保护)2016年8月24日。