光合作用的起源

一项尖端实验揭示了自然界最关键过程之一的量子动力学。

　　

利用由金属镶嵌的色素、蛋白质、酶和辅酶组成的复杂铸件，光合生物可以将光能转化为生命所需的化学能。现在，由于6月14日发表在《Nature》杂志上的一项研究，我们知道这种有机化学反应对尽可能少的光——单个光子——敏感。这一发现巩固了我们目前对光合作用的理解，并将有助于回答有关生命如何在最小尺度上工作的问题，量子物理学和生物学在这里相遇。

“世界各地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谈论第一步。这仍然是一个需要详细回答的问题，”劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)生物科学领域的高级教员科学家、加州大学伯克利分校的化学教授共同主要作者Graham Fleming说。

在他们的研究中，Fleming和伯克利实验室能源科学领域的资深科学家、共同主要作者Birgitta Whaley及其研究小组表明，在光合作用的紫色细菌中，单个光子确实可以启动光合作用的第一步。因为所有的光合作用生物都使用相似的过程，并且有共同的进化祖先，研究小组相信植物和藻类的光合作用是相同的。“大自然发明了一个非常聪明的把戏，”Fleming说。

生命系统如何利用光？

基于光合作用将阳光转化为能量丰富的分子的效率，科学家们长期以来一直认为，一个光子就能启动反应，其中光子将能量传递给电子，然后与不同分子中的电子交换位置，最终创造出生产糖的前体成分。毕竟，太阳并没有提供那么多的光子——在阳光明媚的日子里，每秒钟只有一千个光子到达一个叶绿素分子——然而这个过程却在地球上可靠地发生着。

然而，开发了新的量子光实验技术的 第一作者Quanwei Li说：“从来没有人用演示来支持这个假设。”

更复杂的是，许多揭示光合作用后期步骤的精确细节的研究都是通过用强大、超快的激光脉冲触发光合作用分子来完成的。

“激光和太阳光的强度差别很大——典型的聚焦激光束的亮度是太阳光的一百万倍，”Li说。即使你设法制造出一束强度与太阳光相当的弱光束，由于光的量子特性(称为光子统计)，它们仍然是非常不同的。他解释说，由于没有人看到光子被吸收，我们不知道它对光子的种类有什么影响。“但就像你需要了解每个粒子来建造量子计算机一样，我们需要研究生命系统的量子特性来真正理解它们，并制造出高效的人工系统来产生可再生燃料。”

光合作用，像其他化学反应一样，最初是被大量理解的——这意味着我们知道总的输入和输出是什么，从中我们可以推断出单个分子之间的相互作用是什么样子的。在20世纪70年代和80年代，技术的进步使科学家能够在反应过程中直接研究单个化学物质。现在，科学家们正开始探索下一个前沿领域，即单个原子和亚原子粒子尺度，使用更先进的技术。

从假设到事实

设计一个可以观察单个光子的实验，意味着要把一个独特的理论学家和实验学家团队聚集在一起，他们将量子光学和生物学的尖端工具结合起来。“对于研究光合作用的人来说，这是新的，因为他们通常不使用这些工具;对于量子光学的人来说，这是新的，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，”加州大学伯克利分校的化学物理学教授惠利说。

科学家们建立了一个光子源，通过一个被称为自发参数下转换的过程产生一对光子。在每一次脉冲中，第一个光子——“先驱”——被一个高灵敏度的探测器观察到，这证实了第二个光子正在前往从光合细菌中提取的吸收光的分子结构的组装样品的路上。在样品附近设置了另一个光子探测器，用于测量光合作用结构在吸收了原始对的第二个“预示”光子后发射的低能光子。

实验中使用的光吸收结构称为LH2，已被广泛研究。在LH2中，800纳米(nm)波长的光子被9个细菌叶绿素分子的环吸收，导致能量传递给由18个细菌叶绿素分子组成的第二环，该环可以发射850纳米的荧光光子。在原生细菌中，来自光子的能量会继续传递给后续的分子，直到它被用来启动光合作用的化学反应。但在实验中，当LH2s从其他细胞机制中分离出来时，850 nm光子的检测是这个过程被激活的明确信号。

“如果你只有一个光子，很容易失去它。所以这是这个实验的根本困难，这就是为什么我们使用先驱光子。”科学家们分析了超过177亿个前兆光子探测事件和160万个前兆荧光光子探测事件，以确保观测结果只能归因于单光子吸收，并且没有其他因素影响结果。“我认为第一件事是，这个实验表明，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。接下来的问题是，我们还能做什么?我们的目标是在最短的时间和空间尺度上研究单个光子通过光合复合体的能量转移。”