解开光合作用下的量子之谜

将太阳光线转为有用能量的效率一直是满足全球日益增长清洁能源需求的挑战之一。

其实，诸如植物与部分细菌这类光合生物已经掌握这一工艺：在不到一秒中的几万亿分之一间，约95%的太阳光线被吸收，并被迅速被参与到代谢反应之中，为生物提供能源。目前，市场上光伏电池的转换效率约为20%。

那么，大自然机制转换效率如此之高的原因何在呢？全球诸多类型各异的研究集团均认为如此高的转换效率与量子力学现象有关。不过，至今为止，尚未有学者直接在室温下观察到量子传输机制所可能产生的影响。

光子科学研究所(ICFO)的研究人员与格拉斯哥大学(The University of Glasgow)生物化学系展开合作，在《科学》期刊上发布了一篇研究论文，首次展示出在常温以及环境影响之下，能源转换的量子机制可以令光合作用更为强劲。

量子现象(也可称为连贯性)主要表现在所谓的光合天线蛋白。这类天线蛋白主要负责将太阳光线与能量吸收进光合作用的光化学反应中心。

为了观察光合作用中的量子效应，由Niek van Hulst领导的研究小组研发出一种先锋性实验技术。光合作用中的能源转换速度非常迅速，并均发生于分子领域。为了能够观察到这一过程，研究小组将超光谱技术推进到单分子的极限。

这一流程主要为光线被吸收之后，超快飞秒闪光捕捉个体天线蛋白高速度系列的“画面”的状态。通过这些“快照”，研究人员才能够理解太阳能能源是如何通过单一蛋白质输送的。

论文的第一作者Richard Hildner表示：“我们已能够观察到在前所未有的空间与时间分辨率下能源如何通过光线吸收光合系统传递的，这可以令我们观潮到常温下光合作用量子效应的基本作用。

与其团队已对单独个体的能源传输途径做出评估，尽管化学性质相同，研究结果还是表明每一个蛋白所使用的途径各不相同。

最令人吃惊的发现即随着环境的变化，单一蛋白的传输途径随着时间也将产生变化，很明显去适应最佳的效率。

van Hulst表示：“小组的研究结果表明叠加状态的真正量子效应是维持生物系统内高传输系统的主要原因。”