科學家揭示出常溫光合作用中的量子過程

加拿大多倫多大學的生物物理學家格雷格·斯科爾斯領導的研究團隊通過使用激光脈沖激發藻類的單分子，揭示了常溫光合作用中的量子物理過程。研究發表在2月4日出版的《自然》雜志上。
　　研究人員發現，整個量子過程幾乎沒有能量損失，這是因為量子會在多個路徑中挑選出最短的路徑。他們在實驗中選用了名為藍隱藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，這種海藻中的天線蛋白有8個色素分子，其可交織成一個大的蛋白結構。不同色素分子能吸收光譜上不同區域的光線，隨后光子的能量通過天線蛋白運轉到細胞中的其他地方。
　　在經典物理學中，能量一般是在分子間隨機傳遞。但斯科爾斯團隊發現，能量是可以選擇最優路徑來傳遞的。他們認為，這是由位于該海藻天線蛋白中心的色素分子的不同行為所造成的。
　　研究團隊首次通過千萬分之一秒的激光脈沖激活了兩個此類分子，使色素分子中處于興奮狀態的光子形成量子疊加。當這種量子疊加崩潰時，會放射出不同波長的光子，這些光子可相互結合形成光子干涉模式。通過研究這種干涉模式，研究團隊繪制出了產生這種干涉的量子疊加的細節。
　　研究結果十分令人吃驚：不僅位于天線蛋白中心的兩個色素分子處于疊加狀態，其他六個色素分子也是。這種“量子相干”可延續400飛秒，雖然只是短短一瞬，卻能使能量嘗試天線蛋白中所有可能的“旅行”路徑。當這種相干結束后，能量會找到最優路徑，令其實現“毫發無損”地“旅行”。芝加哥大學的化學家格雷格·恩格爾將斯科爾斯的發現稱之為“非凡的結果”，為其在高溫下研究量子效應提供了新的方法。
　　該發現顛覆了眾多有關量子機制的固有觀念，這些觀念認為，量子干涉只能出現在低溫下。然而，藍隱藻在21攝氏度的溫度下做到了這點。2007年，還在加州大學伯克利分校擔任教職的恩格爾領頭的研究人員發現了綠硫細菌中天線蛋白之間的關系，其中的色素分子同樣也會“連線”。他的研究證明，量子疊加可使能量探索出所有可能的路徑并找到最合適的路徑。但他們的觀測結果是在零下196攝氏度以下的條件下得出的。
　　倫敦大學學院的亞歷山大·歐拉亞·卡斯特羅表示，至于這些分子如何在那么高的溫度下，長時間保持這種相干性仍然是一個未解之謎。她認為，天線的蛋白結構起了關鍵作用。恩格爾也表示，從某種意義上說，天線蛋白執行了量子計算的功能，以決定什么路徑能最好地保存能量。
　　根據斯科爾斯的理論，光合作用蛋白的物理特性將被用來改進太陽能電池的設計，其也將改變我們看待光合作用和量子計算的方式。