量子力学解释光合作用效率

2014年1月9日的《Nature Communications》期刊上发表的一项最新研究，首次提出了光合作用中量子效应的明确理论证据。该项研究表明，植物细胞中的聚光大分子，通过利用分子振动来传递能量。而在经典物理学中，分子振动没有对应或相近的物理描述。

　　

　　　2014年1月9日的《Nature Communications》期刊上发表的一项最新研究，首次提出了光合作用中量子效应的明确理论证据。该项研究表明，植物细胞中的聚光大分子（light-gathering macromolecules），通过利用分子振动来传递能量。而在经典物理学中，分子振动没有对应或相近的物理描述。
　　　大多数聚光大分子，是由依附在蛋白质上的发色团（负责分子的颜色）组成，发色团执行光合作用的第一步——高度有效地捕获阳光和传递相关能量。先前的实验表明，能量利用量子现象，以一种波浪式的方式进行传递，但至关重要的是，非经典的解释不能最终被证明为识别的现象，同样也不能利用经典物理学描述。
　　　通常，为了观察或利用量子力学现象，系统需要被冷却到非常低的温度。但是，在一些生物系统中并非如此，这些生物系统即使在环境温度下也能表现出量子性质。
　　　目前，伦敦大学学院（UCL）的一个研究团队试图确定在这些生物系统中只能通过量子物理学预测的特性，而这些特性在经典物理学中没有对应或类似的描述。
　　　本研究的负责人和共同作者Alexanda Olaya-Castro（UCL物理学与天文学）说：“聚光大分子中的能量传递，是在发色团的特殊振动运动的协助下进行的。我们发现，在光合作用期间协助能量传递的一些发色团振动的特性，永远无法用经典物理学定律进行描述，而且，这种非经典行为能够增强能量传递的效率。”
　　　分子振动，是一个分子中的原子的周期运动，就像附加到一块弹簧上的大量运动。当两个发色团集体振动的能量，与这些发色团的电子跃迁之间的能量差相匹配时，就会发生共振，电子和振动自由度之间也会发生有效的能量交换。
　　　假如振动相关的能量高于温度标，就只有一个离散单元或能量原子发生交换。因此，当能量从一个发色团被传递到另一个发色团时，集体振动显示出一些在经典物理学中并没有对应或相近描述的特性。
　　　伦敦大学学院的研究团队发现，这些明确的非经典特性，是由具有一定相对位置和动量的发色团的发现负联合概率给出的。在经典物理学中，概率的分布总是正量。
　　　本文的第一作者Edward O'Reilly（UCL物理与天文学）解释说：“在这些概率分布中的负值，是真实的量子特性的表现，就是说，能量的单个原子的连贯交换。当这一切发生时，电子和振动自由度共同和瞬时地在一种量子态发生叠加，这种特性永远不能用经典物理学来预测。”
　　　其它生物分子过程，例如大分子内的电子转移（如在光合作用系统反应中心）、发色团吸收光量子时的结构变化（如视觉过程）、或者通过一个分子识别另一个分子（如嗅觉过程），都受到特定振动运动的影响。因此，本研究的结果表明，更仔细地检查参与这些过程的振动动力学，能够为我们提供利用真实的非经典现象的其它生物学原型。（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature
Abstract：Advancing the debate on quantum effects in light-initiated reactions in biology requires clear identification of non-classical features that these processes can exhibit and utilize. Here we show that in prototype dimers present in a variety of photosynthetic antennae, efficient vibration-assisted energy transfer in the sub-picosecond timescale and at room temperature can manifest and benefit from non-classical fluctuations of collective pigment motions. Non-classicality of initially thermalized vibrations is induced via coherent exciton–vibration interactions and is unambiguously indicated by negativities in the phase–space quasi-probability distribution of the effective collective mode coupled to the electronic dynamics. These quantum effects can be prompted upon incoherent input of excitation. Our results therefore suggest that investigation of the non-classical properties of vibrational motions assisting excitation and charge transport, photoreception and chemical sensing processes could be a touchstone for revealing a role for non-trivial quantum phenomena in biology.