首次觀察到光合作用中能量轉化的量子機制

英國科學家首次在室溫下觀察到光合作用中能量轉化的量子機制——相干作用（一種狀態相互疊加的量子效應），并證明，正是這一量子機制使光合作用能很好地面對環境干擾。出版在《科學》雜志的最新研究有助于科學家們研制出新一代轉化效率更高的太陽能電池。

提高太陽光的有效轉化率是科學家們孜孜以求的目標，他們希望借此降低人類對化石能源的依賴。光合生物和某些細菌已掌握了這一過程：在萬億分之一秒內，其內的光合天線蛋白會將吸收到的太陽光的95%輸送至光合反應中心，從而驅動光合作用。

此前，已有多個研究團隊證明，這一高效的能量輸送過程與一個量子力學現象——相干作用相關。但迄今為止，還沒有人在室溫下直接觀察到這一機制。現在，格拉斯哥大學的科學家做到了這一點。

為了觀察到這種量子機制，該校光子科學研究所（ICFO）的尼克·范·胡思特領導的研究團隊研發出一種極具開創性的實驗技術，將超快的光譜學技術推到了單分子尺度，從而可以捕獲發生在分子尺度的光合作用能源輸送過程。在最新研究中，他們發送超快的飛秒（1000 萬億分之一秒）閃光以捕捉單個天線蛋白吸收光后狀態的一系列“圖片”，并利用這些“快照”厘清了太陽能在蛋白之間的輸送過程。

該研究的第一作者理查德·海德勒表示：“現在，使用前所未有的空間和時間分辨率，我們能觀察能量如何通過光合作用系統，這是我們首次在室溫下觀察到這種量子效應的細枝末節。”

范·胡思特團隊對擁有同樣化學組成的不同天線蛋白的能量轉運通路進行了評估，并且證明，每個蛋白使用一種獨特的通路。最令人驚奇的發現是，不同蛋白內的輸送通路可隨時間和環境變化，從而獲得最佳轉化效率。范·胡思特表示：“這些結論表明，這種相干作用負責讓生物系統保持高水平的輸送效率，甚至讓蛋白根據環境采用不同的能量輸送通路。”最新研究有望使科學家們模擬這些量子相干作用來設計新一代太陽能電池，以獲得更高的能量轉化效率。