《Nature》探寻不一样的光合作用研究

　　

生物通报道：来自多伦多大学，澳大利亚新南威尔士大学等处的研究人员利用千万分之一秒的激光脉冲来激发单分子，揭示了光合作用中的如何将光转化成能量的过程，进行了一项不一样的光合作用研究。这一研究成果公布在Nature杂志上。

光合作用（Photosynthesis）是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。这个过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要的，不可或缺的，因此光合作用也历来是科学家们关注的焦点。

在这篇文章中，研究人员通过直接显示室温下在来自Chroomonas CCMP270海藻的5-纳米宽的光合作用蛋白上电子激发的量子相干共享，证实了人们早先提出的量子效应可能在其中发挥作用的暗示。观察表明，这些蛋白内相距较远的单元被量子相干连接在一起，以增强集光效率。

领导这项研究的多伦多大学教授Gregory Scholes带领研究人员利用二维电子能谱法研究了两种不同藻类在常温下的光吸收机制：这种被称为捕光复合体(light-harvesting complexes)的特殊蛋白捕捉阳光并将能量注入光反应中心。Scholes使用飞秒激光脉冲让蛋白模拟吸收阳光的行为，发现被吸收的光能同时出现在两处，即呈现量子叠加态。这表明在被考察的生物系统中，即使在常温下，量子力学的随机法则也胜过了古典动力学法则。能量通过同时遍历可替换路径的方式有效流动。

Scholes教授做了个比喻来解释这一研究：如果您有三条在下班高峰时驾车回家的路径的话，在任何时候你只需要其中的一条作为回家的路。你不知道此时其他的路径是否会更快或者更慢一些。然而对于量子力学来说，你可以让这三条路线同时进行，来找出最短路径。在你抵达目的地之前不需要指定你身在何处，因此你总会选择到最短的路径。

之前Scholes教授发现了绿硫细菌（green sulfur bacteria）中天线蛋白之间的关系。但是他们的观测结果是在零下华氏300度以下的条件下得出的，而现在的这项研究成果则是在室温下，利用普通海洋藻类证明了与此前结果一致。另外一个研究团队也公布了相类似的结果，而且捕光结构装置更为简单，这也证明了光合作用一致性（photosynthetic coherence）理论的正确。

这项研究也为每个高中生物课学生提供各一个看似不全面的新一层面的学习内容。同时，这个研究结果也为太阳能电池和电脑的设计师们提供了重要的灵感，因为在他们的设计当中可以在非寒冷条件下用到量子物理来设计生产相关电池部件等。

在生物学领域，量子物理过程应用十分广泛，特别在指南针细胞（compass cells）方面的研究中作用很大，这是一种可以让鸟类通过地球磁场来导航的细胞。科学家预计会在不久的将来出现整个量子生物学学科。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature

Photosynthesis makes use of sunlight to convert carbon dioxide into useful biomass and is vital for life on Earth. Crucial components for the photosynthetic process are antenna proteins, which absorb light and transmit the resultant excitation energy between molecules to a reaction centre. The efficiency of these electronic energy transfers has inspired much work on antenna proteins isolated from photosynthetic organisms to uncover the basic mechanisms at play1, 2, 3, 4, 5. Intriguingly, recent work has documented6, 7, 8 that light-absorbing molecules in some photosynthetic proteins capture and transfer energy according to quantum-mechanical probability laws instead of classical laws9 at temperatures up to 180 K. This contrasts with the long-held view that long-range quantum coherence between molecules cannot be sustained in complex biological systems, even at low temperatures. Here we present two-dimensional photon echo spectroscopy10, 11, 12, 13 measurements on two evolutionarily related light-harvesting proteins isolated from marine cryptophyte algae, which reveal exceptionally long-lasting excitation oscillations with distinct correlations and anti-correlations even at ambient temperature. These observations provide compelling evidence for quantum-coherent sharing of electronic excitation across the 5-nm-wide proteins under biologically relevant conditions, suggesting that distant molecules within the photosynthetic proteins are ‘wired’ together by quantum coherence for more efficient light-harvesting in cryptophyte marine algae.