科學(xué)家揭示出常溫光合作用中的量子過程

加拿大多倫多大學(xué)的生物物理學(xué)家格雷格·斯科爾斯領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過使用激光脈沖激發(fā)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(fā)表在2月4日出版的《自然》雜志上。
　　研究人員發(fā)現(xiàn)，整個(gè)量子過程幾乎沒有能量損失，這是因?yàn)榱孔訒?huì)在多個(gè)路徑中挑選出最短的路徑。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選用了名為藍(lán)隱藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，這種海藻中的天線蛋白有8個(gè)色素分子，其可交織成一個(gè)大的蛋白結(jié)構(gòu)。不同色素分子能吸收光譜上不同區(qū)域的光線，隨后光子的能量通過天線蛋白運(yùn)轉(zhuǎn)到細(xì)胞中的其他地方。
　　在經(jīng)典物理學(xué)中，能量一般是在分子間隨機(jī)傳遞。但斯科爾斯團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，能量是可以選擇最優(yōu)路徑來傳遞的。他們認(rèn)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(tuán)隊(duì)首次通過千萬分之一秒的激光脈沖激活了兩個(gè)此類分子，使色素分子中處于興奮狀態(tài)的光子形成量子疊加。當(dāng)這種量子疊加崩潰時(shí)，會(huì)放射出不同波長(zhǎng)的光子，這些光子可相互結(jié)合形成光子干涉模式。通過研究這種干涉模式，研究團(tuán)隊(duì)繪制出了產(chǎn)生這種干涉的量子疊加的細(xì)節(jié)。
　　研究結(jié)果十分令人吃驚：不僅位于天線蛋白中心的兩個(gè)色素分子處于疊加狀態(tài)，其他六個(gè)色素分子也是。這種“量子相干”可延續(xù)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(dāng)這種相干結(jié)束后，能量會(huì)找到最優(yōu)路徑，令其實(shí)現(xiàn)“毫發(fā)無損”地“旅行”。芝加哥大學(xué)的化學(xué)家格雷格·恩格爾將斯科爾斯的發(fā)現(xiàn)稱之為“非凡的結(jié)果”，為其在高溫下研究量子效應(yīng)提供了新的方法。
　　該發(fā)現(xiàn)顛覆了眾多有關(guān)量子機(jī)制的固有觀念，這些觀念認(rèn)為，量子干涉只能出現(xiàn)在低溫下。然而，藍(lán)隱藻在21攝氏度的溫度下做到了這點(diǎn)。2007年，還在加州大學(xué)伯克利分校擔(dān)任教職的恩格爾領(lǐng)頭的研究人員發(fā)現(xiàn)了綠硫細(xì)菌中天線蛋白之間的關(guān)系，其中的色素分子同樣也會(huì)“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(cè)結(jié)果是在零下196攝氏度以下的條件下得出的。
　　倫敦大學(xué)學(xué)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(zhǎng)時(shí)間保持這種相干性仍然是一個(gè)未解之謎。她認(rèn)為，天線的蛋白結(jié)構(gòu)起了關(guān)鍵作用。恩格爾也表示，從某種意義上說，天線蛋白執(zhí)行了量子計(jì)算的功能，以決定什么路徑能最好地保存能量。
　　根據(jù)斯科爾斯的理論，光合作用蛋白的物理特性將被用來改進(jìn)太陽能電池的設(shè)計(jì)，其也將改變我們看待光合作用和量子計(jì)算的方式。