光合作用中的量子秘密

skythc 2010-03-28 3351

Berkeley,CA--绿色植物和蓝细菌通过光合作用能够把太阳能以几近100%的效率转移到光合反应中心，并转化为化学能。关键之处就在于速度，太阳能的传递几乎就在瞬间完成，所以很少能量以热的形式耗散掉。光合作用是如何完成如此近乎瞬间的能量转移一直是个秘密，目前看来已经得到了解决。

Sunlight absorbed by bacteriochlorophyll (green) within the FMO protein (gray) generates a wavelike motion of excitation energy whose quantum mechanical properties can be mapped through the use of two-dimensional electronic spectroscopy.
DOE LBNL(Lawrence Berkeley National Lab.)和University of California at Berkeley的研究人员合作发现答案就在于量子力学效应。研究结果发表在2007年4月12日的Nature上.
"我们得到了在光合作用能量传递中起重要作用的长寿命的电子波的量子干涉现象的第一个直接证据，“此研究的PI（Principal Ivestigator） Graham Fleming说。“电子波的特性能够解释极端高效率的能量转移，因为它能够通过同时尝试所有可能的能量转移路径并选择最有效率的那条。”

Fleming是Berkeley实验室的副主任，UC Berkeley的化学教授，而且是一个在光合作用过程谱学研究中很有国际名望的领导者。在一篇题为“Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”的论文中，他及其同事报告说他们检测到了在供体分子和受体分子内都存在的电子相干振荡--“量子拍”信号，由光能激发产生，就像石头扔在池塘里产生的水波一样。

在飞秒尺度上进行的电子谱研究揭示出这些振荡相遇并干涉，形成能量的叠加态，能够同时尝试所有可能的能量传递路径，能够无损的从错误的路径撤回并从最快的路径传递能量。这个发现和光合作用过程的经典描述相悖，传统上认为激发能沿着分子能量梯度从聚光色素分子到反应中心分子一步一步地跃迁。

“能量传递的经典跃迁理论是不完备的，也是不精确的，”Fleming说。“它给出了能量如何传递的错误的图像，而且无法解释此过程如此高效率的原因。”

2-D electronic spectroscopy developed in the research group of Berkeley Lab’s Graham Fleming enables scientists to follow the flow of light-induced excitation energy through molecular complexes with femtosecond temporal resolution. In this 2-D electronic spectrum, the amplitude of the quantum beating signal for exciton 1 is plotted against population time. The black line covers the exciton 1 peak amplitude. The experimental data's agreement with theory is shown on the right.

此Nature论文的第一作者为Gregory Engel，其他合作作者包括Tessa Calhoun, Elizabeth Read, Tae-Kyu Ahn, Tomáš Mančal and Yuan-Chung Cheng，他们都是Berkely Lab.的Physics Bioscience Division & UC Berkeley Chemistry Department地研究人员，及Washington University in St. Louis的Robert Blankenship.

从一个分子向另一个分子传递能量的光合技术是大自然母亲最引人入神的才能之一。如果我们能够学着模拟这个过程，就能够做到人造光合作用，从而可以有效的把太阳能转化为清洁，高效，可持续且碳中性的能源。

正基于此，Fleming及其研究小组开发出了称为2D 电子光谱的技术，此技术能够在飞秒的时间尺度上跟踪光致激发能在分子复合物内的传播途径。它用三个激光光束依次以飞秒的脉冲照射在样品分子上，第四个光束作为本地振荡器来放大和检测在分子间传递的激发能产生的光谱信号。(激发能改变每个分子吸收和发射光的方式。）

Graham Fleming is Deputy Director of Berkeley Lab, the Melvin Calvin Distinguished Professor of Chemistry at UC Berkeley, and a co-director of the California Institute for Quantitative Biomedical Research (QB3). He�s also a leading authority on spectroscopic studies of photosynthesis.

Fleming比较了2D电子光谱和以前超外差收音机利用的技术。在超外差收音机技术中，接收到的一个高频的无线电信号被一个振荡器转化为一个更易放大和接收的低频信号。在2D电子光谱技术中，科学家可以跟踪任何光敏感系统，高分子聚合体或者纳米结构中分子间的能量转移，这些分子通过它们的电子和振动态耦合（连接）子一起。

Fleming和他的小组在2005年的一片论文中第一次描述了2D电子光谱技术，那时候他们利用这项技术来观察Fenna-Matthews-Olson(FMO)聚光蛋白中的电子耦合。FMO是绿硫细菌的一个分子聚合物。

Engel说道“2005年的论文是这项技术在生物学上的第一次应用，现在我们应用2D电子光谱技术在光合系统中发现了新的现象。70年前就有人提到光合作用中的能量传递可能有量子振荡的参与，但是知道现在才观测到激发能的波状运动。”

和2005年的论文一样，这篇论文也是以FMO蛋白为研究对象。FMO被认为是研究光合能量传递的模式分子，因为它只有7个色素分子组成，而且它的化学特性已经研究的很透彻了。

“为了观测到量子拍，在从0-660飞秒间选取33个population时间来得到2D光谱，”Engel说，“在这些谱中，最低能量激发（当光子把价带的电子激发到导带就会形成一个结合的电子-空穴对）产生了在825 nm处的对角峰，明显是震荡的情况。相关的交叉峰的幅度也在振荡。值得惊奇的是量子拍持续了整整660飞秒。”

Engel说意料之外的是量子拍信号的时间，因为一般认为产生此振荡的量子相干会快速的破坏掉。

Members of the Fleming research group who contributed to this study included （from left） Greg Engel (first author on Nature paper), Tessa Calhoun, Tae-Kyu Ahn, Elizabeth Read and Yuan-Chung Cheng.

“正因为如此，在弛豫期间激发态间电子相干的传递通常是忽略不计的，”Engel解释道。“通过说明能量传递过程的确有电子相干参与而且相干逼我们意料中的还强烈，我们就说明了此过程的效率为什么比传统观点能解释得更高。然而，我们仍然不知道光合作用在这些量子效应上得到多大程度的好处。”

Engel说Fleming组下一步要做的是研究温度对光合作用能量传递的效应。他们这篇论文的结果是在77 Kelvin下得到的。而且还将探讨不同波长（颜色）的光来搞明白光合作用中所用的过程而不仅仅是能量传递。最终的目的是更好的理解自然界是如何在分子系统间传递能量，而且是如何把此能量转化为可利用形式的。

“自然界的光合作用已经进行了27亿年，因此对于自然界我们还有很多东西需要去学习，”Engel道。“尽管如此，我们最近论文报道的结果至少给了我们将来人造光合系统设计的新思路。”这项研究由DOE和Miller Institute 基础科学研究资助。