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在量子生物学中，自旋在生物系统的作用备受关注。为探究波斯纳（Posner）分子中量子效应的稳健性及锂同位素掺杂的影响，研究人员开展相关研究。结果显示，未掺杂波斯纳分子中 J - 耦合强度影响量子性质，锂掺杂的结果不支持相关假设，但锂会改变自旋动力学。该研究为理解生物过程及双相疾病机制提供思路。
在神秘的微观世界里，量子现象一直是科学界热衷探索的领域，当量子遇上生物，奇妙的故事便开始了。量子自旋在生物系统中的作用，是量子生物学研究的核心课题之一。长久以来，多数研究聚焦于电子自旋，然而，近年来有新观点认为，核自旋或许在生物过程中更具潜力。因为核自旋的退相干时间比电子自旋长得多，这一特性使其在生物环境中可能发挥独特作用。比如，有假说提出，磷原子核自旋在形成磷酸钙（波斯纳分子）的过程中，其纠缠态可能参与调节钙离子的产生，进而影响神经激活，与认知和记忆等生理过程相关。但这一假说存在诸多未知，波斯纳分子中量子效应的稳定性如何？锂同位素掺杂对其有何影响？这些问题都亟待解决，这便是开展这项研究的重要原因。
来自南非国家理论与计算科学研究所（National Institute for Theoretical and Computational Sciences）、斯泰伦博斯大学（Stellenbosch University）等机构的研究人员，对波斯纳分子中量子效应展开深入研究。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为该领域带来了新的见解。
研究人员运用了多种技术方法来深入探究波斯纳分子的量子特性。在理论计算方面，构建自旋哈密顿量（spin Hamiltonian）来描述分子中自旋相互作用，借助李 - 冯?诺依曼方程（Liouville - von Neumann equation）模拟自旋动力学，以此研究不同条件下量子态的演化。为测量量子性质，采用了诸如基于相对熵距离的相干性度量（CBI(ρ)）和由 Wootters 提出的并发度（concurrence）来分别量化相干性和纠缠程度。对于难以准确获取的参数，像 J - 耦合强度，研究人员一方面参考前人理论计算结果，另一方面利用 ORCA 软件进行密度泛函理论（DFT）计算获取相关数据。
研究结果
- 未掺杂波斯纳分子：研究发现，在一定范围内，J - 耦合强度的增加会提升波斯纳分子中磷原子核的相干性和并发度。同时，分子对称性对其量子性质影响显著。当分子对称性改变时，不同的不对称构型下，相干性和并发度表现各异。弱不对称构型会使二者减弱，而强不对称构型反而会使其增强。此外，研究还揭示了纠缠在不同磷原子核间的转移规律，纠缠仅在初始纠缠的磷原子核与最远的磷原子核之间转移，且与 J - 耦合强度无关，在弱不对称分子中不存在纠缠转移。
- 掺杂波斯纳分子：在研究锂同位素掺杂的波斯纳分子时，发现6Li和7Li对相干性有不同影响，但整体相干性都极小。在纠缠方面，二者都会破坏纠缠，不存在纠缠转移。不过，锂的引入改变了相关磷原子核的自旋动力学，使纠缠三重态与纠缠单重态的振荡相位发生变化，类似自由基对中的高场效应。进一步研究发现，由于7Li与31P的拉莫尔频率相近，会产生标量弛豫（scalar relaxation），这为磷原子核提供了额外的弛豫机制，显著缩短了磷原子核的弛豫时间；而6Li与31P拉莫尔频率差异大，相应标量弛豫寿命长得多。此外，研究人员还考虑了电磁噪声对波斯纳分子核自旋态的影响，发现其与大脑发出的电磁辐射频率相近，可能会对自旋动力学产生作用。同时，研究表明在特定条件下，如外部磁场远强于 J - 耦合时，氢与磷酸根结合可形成纠缠子空间（entangled subspace），增加纠缠度。
研究结论与讨论
综合研究结果，对于未掺杂的波斯纳分子，虽然 J - 耦合强度与量子性质的关系明确，但由于分子对称性存在争议，难以得出绝对结论。在锂掺杂的波斯纳分子研究中，目前结果不支持不同锂同位素对磷原子核相干性和并发度有显著不同影响的假设，这与前人关于自旋系统规模对纠缠影响的结论相符。然而，锂确实改变了相关磷原子核的自旋动力学，如果这种改变能影响自旋依赖的结合，进而影响自由钙离子的产生，那么锂就可能调节神经兴奋性。未来可通过检测锂治疗后自由钙离子和磷酸根离子水平变化来验证这一假设。
此外，研究中发现的氢与磷酸根结合形成纠缠子空间的现象具有重要意义。这不仅对生物系统中量子效应的理解有帮助，还为量子计算机自旋模型中增强纠缠提供了新的思路。考虑到磷酸根在生物系统中的广泛存在，其纠缠态可能在更多生物过程中发挥作用，值得进一步深入研究。总之，该研究为量子生物学领域提供了重要的理论依据和研究方向，为后续探索生物系统中的量子奥秘奠定了坚实基础。
