Quantum secrets of photosynthesis revealed http://www.physorg.com/news95605211.html
Published: April 12, 2007
透過光合作用（photosynthesis），綠色植物與藍綠藻能夠將太陽能轉換到
分子反應中心，以便能夠將其以近乎 100% 的效率轉換成化學能。速度是關
鍵 -- 太陽能的轉換幾乎是立刻發生，所以只有極少的能量會以熱能形式浪
費掉。光合作用如何達到這種近乎即時的能量轉換，長久以來都是個迷，現
在，這個謎團可能被解開了。
由美國能源部 Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)
與加州大學柏克來分校的研究者所領導的一項研究，指出答案很可能位於量
子力學效應。這項研究的結果將會在 April 12, 2007 的 Nature 上發表。
"我們第一次獲得直接證據，很明顯地，相當長壽的、波浪狀的電子量子同
調（quantum coherence，量子凝聚、量子相干），在光合作用的能量轉換
過程當中扮演相當重要的角色，" Graham Fleming 表示，他是該研究的主
要研究者。"這種波浪狀的特性可以解釋能量轉換的超級效率，因為它能讓
系統同時對所有位能路徑（potential energy pathways）進行取樣，並且
選擇最有效的一種。"
Fleming 是柏克來實驗室的代理主管，UC Berkeley 的化學系教授，也是一
個在國際間受到讚揚的光合作用過程之光譜（spectroscopic）研究的領導
者。在一篇題為 "vidence for wavelike energy transfer through
quantum coherence in photosynthetic systems" 的論文中，他與他的同
事報告，所偵測到的 "量子脈動" （同在捐贈與接收分子當中的同調電子震
盪(coherent electronic oscillations)），就好像把石子丟入池中所產生
的漣漪一般。
在費秒（femtosecond，10 的負 15 次方分之一秒）時間尺度所進行的電子
光譜學測量（Electronic spectroscopy measurements），顯示這些震盪會
建設性的交會與干涉，形成如波浪般的能量運動（疊加態，superposition
states），那可以同時探究所有的位能路徑，並且是可逆的，這表示它們可
以在沒有任何損失的情況下，從錯誤的路徑撤退。這項發現否定了傳統上對
於光合作用能量轉換過程的描述：在其中，激發能（excitation energy）
從光捕捉色素分子，一步一步從分子能階往下跳至反應中心分子。
"在能量轉換過程中的古典跳躍描述，是不適當也不正確的，" Fleming 說
。"它賦予整個過程實際上如何進行一幅錯誤的景象，並且忽略了效率之所
以如此美妙的決定性觀點。"
這篇 Nature 論文的共同作者是，Gregory Engel，他是首席作者，而
Tessa Calhoun, Elizabeth Read, Tae-Kyu Ahn, Tomas Mancal and
Yuan-Chung Cheng 這幾位在研究時，全都委任於柏克來實驗室的物理生物
，再加上來自於華盛頓大學的 Robert Blankenship。
將能量從一個分子系統轉換到另一個的光合作用技術，應名列於自然之母驚
人的成就之一。如果我們學會模擬整個過程，我們就能夠創造人造版的光合
作用，那能夠幫助我們有效地將太陽能轉換成一種乾淨、高效率的、充足的
以及碳中性的能源。
為了朝向此一目標，Fleming 以及其研究小組已經開發了一種技術，稱為二
維電子光譜學，那能夠讓他們以費秒的時間解析度，跟隨著光感應（
light-induced）激發能的流動，穿越錯綜複雜的分子。該技術涉及以來自
於雷射的費秒光脈衝對於樣本進行連續性的閃光。當來自於雷射光的激發能
，從一個分子被轉換到另一個時，1/4 的雷射用來成為一個本地端的震盪器
，以放大並偵測結果的光譜訊號。（激發能以每一個分子吸收與散發光線改
變路線。）
Fleming 已將二維電子光譜學與使用在早期超外差無線電（
super-heterodyne radios）的技術相比較（在那，一個高頻無線電訊號會
被一個震盪器轉換成低頻，以便進行可受管控的放大與更好的接收品質）。
在二維電子光譜學的例子中，科學家能夠追蹤能量在分子之間的轉換。在任
何感光性系統、大分子組合或奈米結構中，這些分子透過其電子與震動態連
結在一起。
Fleming 與其小組首次在 2005 年的 Nature 論文中描述二維電子光譜學，
那時他們用這種技術來觀察 Fenna-Matthews-Olson (FMO) 光合作用的光獲
取蛋白質（light-harvesting protein，一種在綠硫菌 (green sulphur
bacteria) 當中的複合分子）的電子耦合。
Engel 說，"2005 年的論文是這項技術首次在生物學上的應用，現在我們已
經用二維電子光譜學，在光合作用系統中發現了新的現象。而光合作用的能
量轉換或許涉及量子震盪的可能性，在 70 年前就曾經被提過，像波浪般移
動的激發能未曾見過，直到現在。"
一如 2005 年的論文，FMO 蛋白質再一次成為目標。FMO 被認為是研究光合
作用能量轉換的模型系統，因為它只包含七種色素分子而且它的化性已經被
良好描繪。
"為了要觀測量子脈動，二維圖譜自 33 個時間族群當中取得，從 0 - 660
費秒，" Engel 說。"在這些圖譜中，最低能的激發（當光子進入之後，一
對電子--洞對形成，抬升一個電子到價能帶 (valence energy band) 外面
，到達傳導帶 (conduction band)）被抬升到一個對角線的尖峰，接近
825 奈米，那明顯地震盪著。讓人驚訝地，這個量子脈動持續了整個 660
費秒。"
Engel 說，量子脈動訊號的持續時間無法預期，因為一般科學上的假設是，
能夠產生這種震盪的電子同調會很快地被摧毀。
"為此，在激發鬆弛期間的電子同調轉換通常會被忽略，" Engel 表示。"為
了要證明能量轉換過程涉及到電子同調，而且這個同調比我們所預期的還要
強，我們必須要證明該程序能夠比古典觀點所能解釋的要更加有效率。然而
，我們仍然不清楚，光合作用從這些量子效應當中得到何種程度的利益。"
Engel 說，Fleming 小組在這系列研究中的下一步之一，將會探求溫度改變
在光合作用能量轉換過程當中的影響。在本篇論文中，他們將 FMO 複合物
保持在 77 K 的溫度上。該小組也會使用不同顏色的光脈衝來觀察能量更廣
闊的頻寬，已測繪出所進行的每樣東西，不只是能量轉換而已。最終，他們
不只是想要更了解大自然如何能將能量從一個分子系統轉換到另一個，而且
還能夠將它轉換呈有用的形態。
"大自然在 27 億年前就有完美的光合作用了，所以我們要學習的東西還很
多，" Engel 說。"不管怎樣，我們發表在這篇最新論文當中的結果，至少
能給我們一個新的方式，去思考如何設計未來的人工光合作用系統。"
Source: Lawrence Berkeley National Laboratory
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