大自然的量子密码揭开光合作用的秘密

来源：cnBeta 　2023-08-22 11:49:03

光合生物利用由金属色素、蛋白质、酶和辅酶组成的复杂结构，将光的能量转化为生命所需的化学能。最近发表在《自然》（Nature）上的一项研究揭示了这一自然化学过程对最小光量--单光子--的敏感性。这一发现巩固了我们目前对光合作用的理解，并将有助于回答生命如何在量子物理学和生物学交汇的最小尺度上运作的问题。

"科学界已经做了大量的理论和实验工作，试图了解光子被吸收后会发生什么。但我们意识到，没有人在讨论第一步。"这项研究的共同第一作者、劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）生物科学领域资深科学家、加州大学伯克利分校化学教授格雷厄姆-弗莱明（Graham Fleming）说："这仍然是一个需要详细解答的问题。"

(资料图片仅供参考)

在研究中，弗莱明、共同第一作者、伯克利实验室能源科学领域资深科学家比尔吉塔-惠利（Birgitta Whaley）和他们的研究小组表明，单个光子可以启动光合紫色细菌光合作用的第一步。由于所有光合生物都使用类似的过程，并且有着共同的进化祖先，研究小组确信植物和藻类的光合作用也是以同样的方式进行的。"弗莱明说："大自然发明了一种非常聪明的技巧。

生命系统如何利用光

根据光合作用将阳光转化为富含能量的分子的效率，科学家们长期以来一直认为，只需一个光子就能启动反应，光子将能量传递给电子，电子再与不同分子中的电子交换位置，最终生成生产糖类的前体成分。毕竟，太阳并不能提供那么多的光子--在晴朗的日子里，每秒钟只有一千个光子到达一个叶绿素分子--但这一过程却在整个地球上可靠地进行着。

第一作者李全伟是弗莱明和惠利研究组的联合博士后研究员，负责开发新的量子光实验技术。

而且，使问题更加复杂的是，揭示光合作用后期步骤精确细节的大量研究都是通过用强大的超快激光脉冲触发光合作用分子进行的。

共同第一作者格雷厄姆-弗莱明（左）和第一作者李全伟在他们尖端实验中使用的一些设备附近。图片来源：Henry Lam/弗莱明实验室

李全伟说："激光和太阳光的强度相差悬殊--典型的聚焦激光束的亮度是太阳光的一百万倍。即使你能产生一束强度与太阳光相当的微弱光束，但由于光的量子特性（即光子统计），它们之间的差别仍然很大。他解释说，由于没有人看到光子被吸收，我们不知道光子被吸收后有什么不同，也不知道它是哪种光子。但是，就像需要了解每个粒子才能构建量子计算机一样，我们需要研究生命系统的量子特性，才能真正了解它们，并制造出产生可再生燃料的高效人工系统。"

与其他化学反应一样，光合作用最初也是以批量的方式被理解的--这意味着我们知道总体的输入和输出是什么，并由此推断出单个分子之间的相互作用可能是什么样子的。20 世纪 70 年代和 80 年代，技术的进步使科学家能够直接研究反应过程中的单个化学物质。现在，科学家们开始利用更先进的技术探索下一个前沿领域--单个原子和亚原子粒子尺度。

从假设到事实

设计一项能够观测单个光子的实验，意味着要汇集一支由理论家和实验家组成的独特团队，将量子光学和生物学的尖端工具结合在一起。惠利说："这对研究光合作用的人来说是全新的，因为他们通常不会使用这些工具，而对量子光学领域的人来说也是全新的，因为我们通常不会考虑将这些技术应用于复杂的生物系统。"

科学家们建立了一个光子源，通过一种叫做自发参量下变频的过程产生一对光子。在每个脉冲中，第一个光子--"预示"--被一个高灵敏度的探测器观测到，该探测器证实第二个光子正在前往从光合细菌中提取的光吸收分子结构组装样本的途中。在样品附近还安装了另一个光子探测器，用于测量光合作用结构吸收原始光子对中第二个"预示"光子后发出的能量较低的光子。

实验中使用的光吸收结构b 被称为 LH2，已被广泛研究。众所周知，波长为 800 纳米（nm）的光子被 LH2 中的 9 个细菌叶绿素分子环吸收，从而将能量传递给第二个由 18 个细菌叶绿素分子组成的环，后者可在 850 纳米波长处发射荧光光子。在原生细菌中，光子的能量会继续传递给后续分子，直到用于启动光合作用的化学反应。但在实验中，当 LH2s 与其他细胞机制分离后，850 纳米光子的检测就成为该过程被激活的明确信号。

"如果只有一个光子，就很容易丢失。这就是我们使用预示光子的原因。科学家们分析了超过 177 亿个预示光子探测事件和 160 万个预示荧光光子探测事件，以确保观测结果只能归因于单光子吸收，而没有其他因素影响结果。我认为第一件事是，这项实验表明，你实际上可以用单个光子做事情。所以这是非常非常重要的一点，"惠利说。"接下来，我们还能做什么？我们的目标是在尽可能短的时间和空间尺度上研究单个光子通过光合复合体进行的能量转移。"

推荐DIY文章