藻類利用量子技巧來收集光
研究檢測光合作用過程中預測的波動特性
一點陽光、一點光捕獲蛋白質和一團健康的二氧化碳就足以製作出一批美味的植物性食物——但你可能需要一些量子物理學來攪局。 科學家發現，湖中的光合作用藻類在室溫下進行了持久的量子表演。 結果發表於 2 月 4 日自然，顯示量子力學可能是生物體中陽光到能量轉換的核心。
「這是生物系統中的量子力學，」研究共同作者、多倫多大學物理化學家格雷戈里·斯科爾斯說。
光合作用依賴於吸收傳入光子或光粒子的特殊蛋白質。 這些光子激發蛋白質中的電子，引發一系列電子轉移，最終將充滿能量的電子運送到集中收集站（稱為光系統），在那裡開始將能量轉化為碳水化合物。
在正常的日常規則下，電子會透過快速隨機跳躍到達目的地。 但最近對光合細菌和植物的研究表明，電子的行為可能更像相關波，而不是跳躍粒子，這是量子力學預測的行為。SN：2009 年 5 月 9 日，第 14 頁 26）。 這些研究主要在非常低的溫度下觀察到這種量子效應，此時系統保持非常靜止。 斯科爾斯和同事設計了一項實驗，看看這些量子力學波動特性是否也存在於常溫下。
研究人員從兩種稱為隱藻的光合藻類中純化了捕光蛋白。 在室溫下，研究小組將雷射照射到蛋白質上以激發它們，並使用第二個雷射脈衝來觀察激發的電子行進的位置。 持久電子波的模式——一種稱為量子相干性的特性——表明量子怪異正在發揮作用。
加州大學柏克萊分校的化學家格雷厄姆‧弗萊明說：「這項研究表明，室溫下存在量子相干性。」這是他實驗室先前研究預測的結果。 「這很可能是光合作用光捕獲複合體的普遍特徵，」弗萊明說，他是光合作用量子效應的一些早期研究的先驅。
就像搖晃的水會破壞丟進池塘的卵石所產生的波浪圖案一樣，原子熱能的隨機運動也會破壞電子的相干波浪圖案。 斯科爾斯表示，研究人員預計這種相干性將持續約 20 飛秒。 相反，它持續了大約 400 飛秒。 這種長壽，尤其是在室溫下，「是這些實驗的一個非常了不起的特點，」斯科爾斯說。
這些持久的量子效應可能有助於解釋為什麼光合作用中最初的電子移動反應如此高效的謎團。 在藻類量子力學技巧的一個極端版本中，電子可以同時採用所有可能的路徑到達光系統，並在到達後決定哪條路線最好。 「振動的電子可以伸出一些觸角，看看該走哪條路，」斯科爾斯說。
研究人員尚不確定量子效應是否使反應鏈更有效率。 斯科爾斯相信他們確實如此，但需要更多的研究和建模實驗來確切說明量子相干性能提供多大的提升。
阿姆斯特丹自由大學的 Rienk van Grondelle 評論道：「在我看來，這種持久的相干性可能對自然光合作用有意義，因為它可能有助於有效收集光能，但這仍有待證明。」他與人合著了一篇發表在同一期《自然。
