2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。中国科学院理化技术研究所江雷研究员应邀出席，并作题为“离子/量子态：生物超低能耗的高效能量转换/信息传输物质合成的量子视角”的主旨报告。

离子/量子态：生物超低能耗的高效能量转换/信息传输物质合成的量子视角

 背景介绍 

向自然学习是自然科学永恒的主题。在本次报告中，江雷研究员受生物体高效能量转换机制的启发，深入探索了生物离子通道与生命体中高效能量转换的联系，揭示了离子通道在生物信息存储和输出中的关键作用，以及酶通道在生命物质合成中的高效性。这些发现不仅增进了我们对生命体内在工作机制的理解，也为开发新型高效能量转换材料和低能耗人工智能技术提供了理论基础，对于推动生命科学的发展和技术创新具有重要意义。江老师强调，通过向自然学习，我们可以不断发现新的科学原理，发明新技术，创造新的可能性，实现有所发现、有所发明、有所创造的循环过程。

中国科学院理化技术研究所江雷研究员应邀在“2024全国绿碳科学会议”作主旨报告

 报告内容介绍 

大自然是最精巧的工匠，生命是最精妙的创造。向自然学习是自然科学永恒的主题，是原创科学的重要途径。在本场报告中，江雷研究员从仿生出发，用量子限域超流的概念向我们回答生命科学的终极科学问题：生命是如何实现超低能耗的高效能量转换、信息传输和物质合成？

生命系统在高效能量转换、信息传递和生物合成方面表现出超低能耗。当人工智能与柯洁对弈时，AlphaGO需要233 kW的功率，而人类大脑仅消耗20 W。江雷研究员预测，超低电阻率物质在纳米通道（如离子通道和分子通道）中定向输运的存在使这些超低能耗过程成为可能。其中，离子/分子在纳米通道中的定向集团运动被称为离子/分子超流体。

1 离子超流状态

首先，我们观察到在生物系统中，如离子通道和水通道，有着极高的离子或分子传输速率，这些速率远高于自由扩散。这表明在这些生物通道中，离子和分子经历了一种特殊的、有序的集体运动状态，即超流性。理论分析可得到在纳米尺度的通道中，当离子或分子被限制在特定的空间范围内时，它们的行为会从传统的牛顿扩散转变为集体的定向运动。这种限域效应可以通过调整通道的尺寸来实现。

其次，超导体中的电子配对和超流体氦中的原子配对都是在特定的温度（临界温度Tc）下当吸引力势能克服热噪声时发生的。而超流性的形成与系统中的相互作用能量有关。当系统中的吸引力势能（E₀）足以克服由热运动引起的随机性（即热噪声，kBTc）时，系统倾向于形成有序的结构，从而促进超流性的产生。

因此，离子/分子超流形成的驱动力需要两个必要条件：（1）离子或分子被限域在一定的距离内，例如，约两倍离子德拜长度（2λD），或两倍分子范德华平均距离（2d₀）。（2）当粒子的吸引势能（E₀）大于热噪声（kBTc）时。

2 生物体中超低能耗的高效能量转换离不开离子超流体

研究证明，生命睡眠状态下脑电波在6-8小时内可以将离子通道调制成同频共振态；电鳗借助起电细胞上的钾离子通道将机械能转化为电能；心肌细胞通过钙离子通道的周期性开关，完成体表放电，将电能转换为机械能……

离子超流性允许离子在生物通道中以极低的阻力进行定向集体运动，这种运动形式比传统的牛顿扩散更为高效，能够在较低的能量消耗下实现快速的能量转换。离子通道外是经典力学及热力学驱动的宏观系统，离子通道内是量子力学驱动的全息微观系统，而离子通道的同频共振构成了生命活动的基础。在生命体系低能耗高效运行的过程中，机械调制致使离子集团通过离子通道程序化有序运动，几百万个细胞进入相干共振状态，实现电压叠加，完成机械能与周期脉冲电能的相互转换。离子相干共振的宏观量子态是生命超低能耗高效能量转换的关键。

离子的宏观量子态也是生物信息的载体，是生物信息低能耗储存和输出的关键。

生物信息的存储输出模式是Ca²⁺通道开关态的4D编码波函数，包括基因编程及学习和练习编程两种模式。例如心肌细胞的周期跳动，是基因编程控制的信息存储和输出的过程。而后天信息的存储与输出过程，就是学习练习编程的过程。以学步为例，需要2-3年，通过视觉神经系统进行观察，外周神经及神经肌肉界面控制手部和腿部的肌肉运动，长期练习，实现运动的4D编程。大脑的中枢神经通过波函数控制这些过程。

而在生物神经信息传递过程中，动作电位的产生和传播需要离子的快速移动。量子限域超流提供了一种解释，即离子通道中的离子以一种宏观量子态进行集体运动，这种运动方式比传统的离子扩散更为高效，因此可以在更低的能量消耗下实现快速的信息传递。

3 生物体系超低能耗化学合成带来的启发

许多生化反应所需的温度远高于体温36.5 ºC，但依旧能够在人体内发生，是因为分子在酶通道中的有序排列可以降低活化能，大幅度降低反应温度，这可以解释为分子超流体。

江雷研究员的报告加深了我们对自然界超浸润现象和生物体离子通道的深入理解。展望未来，离子/分子超流的研究，将推动多行业的发展。例如，设计材料通过精确控制孔径和表面功能团来实现特定的分子和离子超流性，从而应用在催化、分离和能量转换等领域；开发新型高效的能源转换系统，模仿生物离子通道的纳米流体膜，从盐度梯度中获取能量，提高能源转换效率。量子限域超流还将影响神经科学和脑科学的发展，改变我们对神经信息传递的理解。例如，指导开发新型的生物电子接口和神经信息记录技术，提高信息处理的效率和精度等。未来，跟随江雷研究员团队的研究脚步，期待能够进一步揭开生命过程中神秘的量子态，深化我们对生命本质的认识，开启生物信息学和纳米技术的新纪元。

专家介绍

江雷 院士

江雷，中国科学院院士，第三世界科学院院士，美国工程院外籍院士，澳大利亚科学院外籍院士，GreenCarbon顾问委员会委员。主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。2021年，超浸润性技术入选IUPAC化学领域十大新兴技术。2022 年，被选为Nature Index（美国、中国、德国、日本、法国）五强国家的中国科学家代表。获得奖项包括：2011年获“第三世界科学院化学奖”；2013年获“何梁何利科学技术奖”；2014年获“中国科学院杰出科技成就奖”；2014年作为中国大陆首位获奖人获得美国材料学会奖励“MRS Mid-Career Researcher Award”；2016年获联合国教科文组织“纳米科学与纳米技术发展贡献奖”；同年获“日经亚洲奖”；2017年获“德国洪堡研究奖”；2018年获“求是杰出科学家奖”；“纳米研究奖”；2020年获“ACS Nano Lectureship Award”；2022年获“陈嘉庚科学奖”。现兼任英国皇家化学学会会士，《Small》国际顾问编委会主席、《材料科学》副主编、《Adv. Funct. Mater.》、《Acs Nano》、《Adv. Mater. Interfaces》等杂志的编委。迄今发表SCI论文800余篇，总被引207000余次，H因子为213。担任国内外多个学术期刊的编委和顾问编委。

 原文链接 

江雷研究员与Green Carbon | 离子/量子态：生物超低能耗的高效能量转换/信息传输物质合成的量子视角

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