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揭示常温光合作用量子物理过程

  揭示室温下量子物理学的光合作用

  加拿大多伦多大学生物物理学家Greg Scholes领导的研究小组利用激光脉冲激发单个藻类分子,在室温下揭示了光合作用的量子物理学。研究发表在2月4日的“自然”杂志上。
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研究人员发现,量子过程中几乎没有能量损失,因为量子从多条路径中挑出最短路径。在他们的实验中,他们选择了被称为Chumnonas CCMP270的海藻,海藻中的天线蛋白具有八种可以交织成大蛋白结构的色素分子。不同的色素分子可以吸收光谱不同区域的光线,然后光子的能量通过天线蛋白传播到细胞内的其他地方。
\\ u0026>在经典物理学中,能量通常是在分子之间随机传播的。但斯科尔斯团队发现,能源是选择通过的最佳途径。他们认为这是由位于海藻天线蛋白中心的色素分子的不同行为引起的。
\\ u0026>这个团队首次以千分之一秒的激光脉冲激活了两种这样的分子,在兴奋性的光致变色分子中形成了光子的量子迭加。当这个量子堆栈崩溃时,发射不同波长的光子,这些光子可以相互结合形成光子干涉模式。通过研究这种干扰模式,研究小组制定了产生这种干扰的量子迭加的细节。研究结果令人惊讶:不仅是天线蛋白中心的两个色素分子迭加,还有其他六个色素分子。这种“量子一致性”延长了400飞秒,虽然在一瞬间,使能量尝试天线蛋白中所有可能的“旅行”路径。当这种连贯性结束时,能量将找到最佳的“旅行”途径而不会有任何损失。芝加哥大学的化学家格雷格·恩格尔(Greg Engel)将斯科尔斯的发现描述为“非同寻常的成果”,为他在高温下研究量子效应提供了一条新的途径。
发现颠覆许多关于量子机制的刻板印象暗示了量子干涉只能在低温下发生,然而Blue Reef在21摄氏度的温度下这样做,2007年,加州大学伯克利分校的领先ENGEL研究人员发现了这种关系他的研究表明,量子迭加使得能量能够探索所有可能的路径,找到最合适的路径,但是他们的观测值低于零下196摄氏度。伦敦大学学院的亚历山大·欧拉西亚·卡斯特罗(Alexander Eurasia Castro)表示,目前还不清楚这些分子如何长时间保持在如此高的温度,她认为,天线的蛋白质结构起着关键作用。恩格尔还表示,从某种意义上说,天线蛋白质执行量子计算的功能来确定最佳节能路径。
\\ u0026>根据Scholes的理论,光合蛋白的物理性质将被用来改善太阳能电池的设计,这也将改变我们看待光合作用和量子计算的方式。
 

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