眼中的量子化学过程在保护我们的视力

每一种颜色，每一次闪光，每一束阳光都会对我们眼睛后部的光敏组织造成损害，产生有毒的物质，危及我们看见东西的细胞。

幸运的是，负责让我们的头发、皮肤和眼睛变黑的色素也兼职做清洁工，清除一种危险的化合物，防止它们积累成有害的团块。

来自德国图宾根大学和耶鲁大学的研究人员进行的一项调查揭示了这一清除过程在生物化学方面有些不寻常，依赖于一种奇怪的类量子行为。

我们眼球内表面后壁上覆盖着一层毛茸茸的光反应细胞，称为视网膜。这个地毯上的每一根纤维都塞满了像煎饼一样的圆盘，其中包含一种能够捕捉光子的重要物质，启动一系列反应，最终产生神经冲动，大脑将其解释为视觉。

这个转换过程中的第一步是一个令人惊讶的危险步骤。这种物质叫做视黄醛，它扭曲成一种干扰细胞功能的形状，实际上变成了一种毒素。

进化为我们准备了这个麻烦，提供了能够将扭曲形式的视黄醛恢复成安全和实用形状的酶。而且，眼睛不断地回收这些圆盘堆叠，从一端拆卸，并从另一端推入新鲜的光敏包裹。

尽管这个过程很有效率，但它还远不够完美。在患有一种罕见病症叫做星点病(Stargardt disease)的人中，一个缺乏的酶导致有毒产物积累，导致视网膜中心区域视力丧失。

即使在具有功能正常的酶组并尽可能高效工作的个体中，分解过程中也存在一个缺口，有可能导致另一种潜在危险的化合物——脂褐素(lipofuscin)积累并形成危险的团块。

再次，进化给出了一个答案，似乎是以让我们的头发、皮肤和眼睛变黑的色素——黑色素(melanin)为形式，在老年人的视网膜中看到了它与脂褐素颗粒结合。

耶鲁大学放射治疗学家 Douglas E. Brash 说：“看起来黑色素是自然界对各种生物学挑战的解决方案。”

随着年龄增长，黑色素的效果会减弱。随着时间推移，这些聚集物会导致组织退化，这次导致了一种更常见的视力损伤形式——老年性黄斑变性(AMD)。

虽然该研究小组其他成员之前进行的研究支持了黑色素在清除脂褐素方面的作用，但分解机制仍然是一个谜。

一项为脂褐素引入产生高活性氧形式(称为自由基)的试剂的研究揭示了一条线索：试剂导致脂褐素分解。

单凭黑色素的电子，它们的能量状态不够高，无法完成这样的任务，被量子物理定律限制在相对较低的水平。但是有一个相当奇特的漏洞。

称为化学激发(chemexcitation)，它涉及到额外物质提升电子进入通常无法进入的能量水平，从而让黑色素有点“兴奋”，并在需要时产生氧自由基。

Brash 说：“这些量子化学反应将黑色素电子激发到一个高能态，并翻转它们的自旋，之后产生了不寻常的化学反应。”

这个过程本身并不是生物学中未知的，虽然通常被用作一种将电子踢到足够高的水平，以便在它们能量水平急速回落时产生光的方法。

除了生物发光之外，它在其他途径中的作用——包括那些涉及黑色素的途径——只是现在才开始被理解。

Brash 和他的同事结合了高分辨率电子显微镜、遗传学和药理学，追溯了黑色素和脂褐素颗粒的起源，并证明了黑色素在清除危险化合物的途径中的位置——但他们也显示了黑色素利用其量子增强状态来降解脂褐素。

理想情况下，这些知识可以应用于寻找一种可以替代老年人中黑色素下降的药物，在脂褐素能够在视网膜组织中造成混乱之前将其分解。

该研究的高级作者、图宾根大学实验眼科学家 Ulrich Schraermeyer 说：“30年来，我一直相信黑色素体——细胞中产生黑色素的细胞器——会降解脂褐素，但找不到机制。化学激发是缺失的环节，它应该让我们绕过老年性黄斑变性开始时眼睛中黑色素下降的问题。一种直接被化学激发的药物可能是我们患者的突破。”

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

https://www.sciencealert.com/quantum-chemistry-happening-inside-your-eyes-protects-against-vision-loss

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