光合作用中能量转化的量子机制被发现

2013-08-23 admin1 114

英国科学家首次在室温下观察到光合作用中能量转化的量子机制——相干作用(一种状态相互叠加的量子效应),并证明,正是这一量子机制使光合作用能很好地面对环境干扰。出版在《科学》杂志的最新研究有助于科学家们研制出新一代转化效率更高的太阳能电池。

提高太阳光的有效转化率是科学家们孜孜以求的目标,他们希望借此降低人类对化石能源的依赖。光合生物和某些细菌已掌握了这一过程:在万亿分之一秒内,其内的光合天线蛋白会将吸收到的太阳光的95%输送至光合反应中心,从而驱动光合作用。

此前,已有多个研究团队证明,这一高效的能量输送过程与一个量子力学现象——相干作用相关。但迄今为止,还没有人在室温下直接观察到这一机制。现在,格拉斯哥大学的科学家做到了这一点。

为了观察到这种量子机制,该校光子科学研究所(ICFO)的尼克·范·胡思特领导的研究团队研发出一种极具开创性的实验技术,将超快的光谱学技术推到了单分子尺度,从而可以捕获发生在分子尺度的光合作用能源输送过程。在最新研究中,他们发送超快的飞秒(1000万亿分之一秒)闪光以捕捉单个天线蛋白吸收光后状态的一系列“图片”,并利用这些“快照”厘清了太阳能在蛋白之间的输送过程。

该研究的第一作者理查德·海德勒表示:“现在,使用前所未有的空间和时间分辨率,我们能观察能量如何通过光合作用系统,这是我们首次在室温下观察到这种量子效应的细枝末节。”

范·胡思特团队对拥有同样化学组成的不同天线蛋白的能量转运通路进行了评估,并且证明,每个蛋白使用一种独特的通路。最令人惊奇的发现是,不同蛋白内的输送通路可随时间和环境变化,从而获得最佳转化效率。范·胡思特表示:“这些结论表明,这种相干作用负责让生物系统保持高水平的输送效率,甚至让蛋白根据环境采用不同的能量输送通路。”最新研究有望使科学家们模拟这些量子相干作用来设计新一代太阳能电池,以获得更高的能量转化效率。

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