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科学家揭示出常温光合作用中的量子过程

  科学家们在室温下揭示了光合作用中的量子过程

  科技日报\\ 2010年2月6日星期六
华盛顿加拿大多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯(Greg Scholes)的研究小组利用单个分子的激光脉冲来引导刺激藻类,揭示了室温下光合作用的量子物理学。研究发表在“自然”杂志第4期。研究人员发现,在整个量子过程中几乎没有能量损失,因为量子从多条路径中选出最短的路径。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。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。研究小组第一次激发了这些分子中的两个,激光脉冲的时间为几千分之一秒,在色素分子中形成激发光子的量子迭加。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。结果是非常令人惊讶的:不仅是天线蛋白质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)把斯科尔斯的发现描述为一个“非同寻常的成果”,为他研究高温下的量子效应提供了一种新的方法,这一发现颠覆了许多量子力学固有的观点但是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研究人员发现了绿色硫细菌中天线蛋白之间的关系,色素分子也是“有线的”,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并找到最合适的路径,然而他们的观测值低于零下196摄氏度。 ,这些分子在这个温度下的期待已久的持久性仍然是一个谜,她认为,天线的蛋白质结构真正起着关键的作用。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。根据斯科尔斯的理论,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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