光合作用效率近100%？量子实验揭示了原因！

导语

量子物理学是宏观世界中每一个非引力现象的基本解释。

研究领域：量子物理，量子生物学，光合作用，无序系统

光子盒 | 来源

所有的生物系统都极度“混乱”。然而不知何故，这种紊乱使植物光合作用的效率几乎达到 100%。

在物理学中，如果一个系统能够100%地利用输入的能量来完成某种能量密集型的工作，那么这个系统就是100%有效的。在植物中，来自太阳的入射光子能量几乎100%被转化为电子能量、最终为糖的生产提供动力——这就是光合作用过程。

从太阳光被叶绿素分子吸收的那一刻起，直到能量被转移到光合作用反应中心，能量传输的效率接近100%。由于一项涉及量子物理学、化学和生物学的突破性实验，我们可能最终了解了这一过程是如何发生的、以及为什么发生。

7月3日，研究成果以“Elucidating interprotein energy transfer dynamics within the antenna network from purple bacteria”为题，发表在《美国物理学会会刊》上。

光合作用能量转换“反常地”高效

就能量而言，任何物理系统的“圣杯”都是100%的效率。在大多数情况下，这是一个几乎不可能实现的目标；因为从任何形式的能量第一次被转移到一个系统的那一刻起，它就不可避免地被各种因素所损耗：热、碰撞、化学反应等等，然后才最终完成任务。

物理学家设法创造出具有近乎完美效率的系统的唯一方法是将自然界推向其“极端”：在接近绝对零度的温度下、通过向具有吸收格子的（晶体）系统发射单色（激光）光子；或在极端情况下，如超导性和超流性等。

但大自然为我们提供了一个非常令人惊讶的例外：植物。简陋的植物，以及其他更原始的光合生物（如某些种类的细菌和原生动物），通过复杂的光合作用过程，吸收一部分特定（蓝色和红色）波长的太阳光，将这些光（光子）能量转化为糖。然而，不知何故，该吸收的能量几乎100%被转化为电子能量，然后通过光合作用创造糖类。这一直是一个未解决的问题，但由于量子物理学、化学和生物学的结合，我们可能终于有了答案——“生物无序性 (biological disorder) ”是关键。

这张照片显示了生物体Plagiomnium affine的植物细胞内的叶绿体。在将吸收的太阳光能量转移到产生糖的光合作用反应中心方面，这种能量运输几乎是100%有效的：这在几乎所有的生物过程中是一个反常现象。

非常重要的是，每当科学家谈到“效率”时，要认识到有两个不同的定义，这取决于哪个科学家在谈论它。

效率可能意味着研究从一个反应中产生的能量总量占输入到一个系统中的总能量的一部分；这是在考虑一个完整的、端到端的系统的整体效率时通常使用的定义。

或者说，效率可以意味着检查系统的一个孤立的部分：输入的能量参与正在考虑的反应的部分，然后该能量的一部分被使用或从该反应中被释放出来；这在考虑端到端互动的单一组成部分时更常被使用。

第一个定义和第二个定义之间的差异是“为什么两个不同的物理学家可以看到去年在国家点火设施取得的巨大核聚变能源突破，并得出似乎不一致的说法？”——我们同时超越了核聚变能源的收支平衡点，以及核聚变使用的能量仍然是它产生的能量的130倍。

如果考虑入射到氢弹上的能量与从反应中释放的能量相比，第一个说法是正确的；而如果考虑整个完整的设备，包括对产生入射能量的电容器组的低效充电，第二个说法是正确的。

诚然，从整体上看，植物的效率甚至不如太阳能电池板：后者可以将总入射太阳能的15-20%左右转化为电能。在植物中发现的叶绿素（特别是叶绿素a分子）只能够吸收和利用两个特定的狭窄波长范围内的太阳光：波长在430纳米左右达到峰值的蓝光和波长在662纳米左右达到峰值的红光。

如果考虑到所有入射到植物上的太阳光，综合起来，可以转化为植物有用能量的辐射量只占太阳光照射到植物的总能量的百分之几；从这个严格意义上说，光合作用并不是特别有效。但是，如果我们限制自己只看能够激发叶绿素a分子的单个光子——处于或接近叶绿素a的两个吸收峰的光子，红色波长的光子的效率约为80%，而蓝色波长的光子的效率超过95%：接近那个完美的100%效率。

这张图显示了叶绿素a分子的吸收效率，它主要在一组特别的蓝色（430纳米）和特别的红色（662纳米）的波长周围达到峰值。

光合作用：完全无序的系统

这就是难题出现的地方。

被叶绿素分子吸收的光并不是单色的，而是由具有相当广泛能量的单个光子组成。这些光子激发了叶绿素分子内的电子，然后当电子减弱时，它们会发射出光子：同样，在不同的能量范围内。

这些光子随后被一系列的蛋白质吸收；在那里它们激发蛋白质内的电子，然后电子自发地去激发，重新发射光子——直到这些光子被成功地输送到光合作用反应中心。

然后，当光子击中光合作用反应中心时，细胞将光子能量转化为电子能量，然后这些高能电子被用于光合作用过程，最终导致糖分子的产生。

这就是对光合作用途径的大致概述，从相关的入射光子到最终产生糖类的高能电子。

所有这些的谜题是，为什么在第一步中被吸收的每一个光子，在最后一步结束时，大约100%的光子会产生激发电子？就效率而言，确实没有任何已知的自然发生的物理系统能以这种方式行事。但不知何故，光合作用确实如此。

铁原子中电子转换的各种能级和选择规则。尽管许多量子系统可以被控制以导致极其高效的能量传输，但没有生物系统以同样的方式工作。

在大多数实验室情况下，如果想使能量转移100%有效，就必须以一种非常特殊的方式专门准备一个量子系统。必须确保入射的能量是均匀的：每个光子都拥有相同的能量和波长，以及相同的方向和动量。

因此，必须确保有一个吸收系统，不会消散入射的能量：像一个晶格，所有的内部组件都是有规律的间隔和有序的。而且需要施加尽可能接近“无损”的条件，其中没有能量因粒子的内部振动或旋转而损失。

但在光合作用的过程中，这些条件绝对不存在。进来的光是普通的白色太阳光：由各种波长组成、没有两个光子具有完全相同的能量和动量。吸收系统没有任何秩序，因为各种分子之间的距离并不固定在一个晶格中，而是有巨大的变化：甚至相邻的分子之间也有几纳米的尺度。而且这些分子都可以自由地振动和旋转；没有任何特殊条件可以阻止这些运动的发生。

生物可能已经进化到利用“无序”

这就是这项新研究的激动人心之处：科学家们所做的是从所有自然界中已知的最简单的光合作用例子之一开始：一种被称为紫色细菌（有别于蓝绿色蓝细菌）的光合细菌，这是已知的进行光合作用的生物体中最古老、最简单、但也是最有效的例子之一 (缺乏叶绿素b有助于使这种细菌呈现紫色）。

研究人员试图分离和研究的关键步骤是在最初吸收光子之后，但在最后一个重新发射的光子到达光合作用反应中心之前，因为这些早期和最后的步骤已经被充分了解。但是为了准确理解为什么这个过程在能量方面是如此无损的，那些中间步骤需要被量化和确定下来。

这也是这个问题的难点，也是为什么选择一个简单、古老而又高效的细菌系统来研究是如此有意义。

研究人员处理这个问题的方式是试图量化和了解能量是如何在这些系列的蛋白质（触角蛋白）之间转移以到达光合反应中心的。

紫色细菌中的主要天线蛋白被称为LH2：代表采光复合物2。而在紫色细菌中，被称为LH1（采光复合物1）的蛋白质紧紧地结合在光合作用反应中心，LH2则分布在其他地方，其生物功能是收集和输送能量到反应中心。为了对这些LH2天线蛋白进行直接实验，该蛋白的两个独立变体（传统的LH2和被称为LH3的低光变体）被嵌入一个小规模的圆盘中，该圆盘与这些光收集蛋白自然存在的原生膜相似，但略有不同。这些接近原生膜的圆盘被称为纳米盘，通过改变这些实验中使用的纳米盘的大小，研究人员能够复制蛋白质之间在各种距离上的能量转移行为。

LH2的分子结构

LH2和LH3的表面电荷密度（左）和结构组织（右）。

研究人员发现，当他们改变纳米盘的尺寸时，发现蛋白质之间的能量转移时间尺度迅速增加：从最小的5.7皮秒（一皮秒是一万亿分之一秒）到最大的14皮秒。当他们将这些实验结果与能更好地代表紫色细菌内部实际物理环境的模拟结果结合起来时，他们能够表明，这些在相邻的天线蛋白之间快速传递能量的步骤的存在，能够极大地提高能量传输的效率和距离。

换句话说，正是这些间隔紧密的LH2（和LH3）蛋白之间的成对互动，很可能成为能量传输的关键媒介：从第一个入射的阳光光子被吸收的那一刻起，一直到该能量最终被输送到光合反应中心。

这项研究的一个关键发现是这些光收集蛋白只能非常有效地在长距离内传输这种能量，因为紫色细菌本身的蛋白质的间距是不规则的和无序的。如果这种排列是有规律的、周期性的，或者是以常规方式组织的，这种长距离、高效率的能量传输就不可能发生。

而这正是研究人员在他们的研究中实际发现的。如果蛋白质以周期性晶格结构排列，能量传输的效率低于蛋白质以 “随机组织”模式排列——后者更能代表活细胞内通常发生的蛋白质排列方式。

光子从一个天线蛋白（LH2或LH3）转移到另一个的时间与它们之间距离的关系。在三个关键距离进行的实验与基础（量子）理论的预测非常吻合。

根据这项最新研究的资深作者，麻省理工学院教授Gabriela Schlau-Cohen的说法：“当一个光子被吸收时，在能量通过非辐射衰变等不需要的过程失去之前，它们只有这么长的时间，所以它能越快地被转换、它的效率就越高……有序的组织实际上比生物的无序组织效率低，我们认为这非常有趣，因为生物往往是无序的。”

“这一发现告诉我们，（系统的无序性）可能不仅仅是生物学不可避免的缺点，生物体可能已经进化到利用它。”