量子实验揭示了光合作用的效率几乎为100%的原因

　　在能源方面，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首先转移到系统中的那一刻起，它就不可避免地会因各种因素而流失——热量、碰撞、化学反应等。——在最终完成它被设计的最终任务之前。物理学家设法以近乎完美的效率创建系统的唯一方法是将自然推向极端：

　　但大自然为我们提供了一个非常令人惊讶的例外：植物。不起眼的植物，以及其他更原始的光合生物（如某些种类的细菌和原生生物），吸收特定波长（蓝色和红色）的一小部分阳光，通过复杂的光合作用过程将光（光子）能量转化为糖。然而，不知何故，尽管没有遵守上述任何物理条件，但几乎100%吸收的能量被转化为电子能量，然后通过光合作用产生这些糖。只要我们知道光合作用的潜在化学途径，这一直是一个未解决的问题。但多亏了量子物理、化学、生物学的接口，我们可能终于有了答案，而生物无序才是关键。

　　这张照片显示了生物体Plagiomnium affine的植物细胞内的叶绿体。就将吸收的阳光能量转移到产生糖的光合作用反应中心而言，这种能量传输几乎是100%有效的：这是几乎所有生物过程中的异常现象。

　　每当科学家谈论“效率”时，认识到有两种不同的定义，这取决于哪位科学家在谈论它，这一点非常重要。

　　第一个和第二个定义之间的区别在于，为什么两个不同的物理学家可以看看去年在国家点火设施取得的巨大聚变能突破，并得出似乎不一致的说法：我们同时超过了聚变能的盈亏平衡点，核聚变仍然使用比它产生的能量多130倍。.如果您考虑入射在氢丸上的能量与从反应中释放的能量相比，则第一个是正确的，而如果您考虑整个完整的设备，包括产生入射能量的电容器组的低效充电，则第二个是正确的。

　　在国家点火设施，全向高功率激光器将材料颗粒压缩和加热到足以启动核聚变的条件。NIF甚至可以产生比太阳中心更高的温度，并且在2022年底，从激光能量相对于从触发的聚变反应中释放的能量入射到氢目标上的角度，首次通过了盈亏平衡点。

　　的确，从整体的角度来看，植物的效率甚至低于太阳能电池板，太阳能电池板可以将总入射太阳能的15-20%转化为电能。在植物中发现的叶绿素 - 特别是叶绿素分子 - 只能在两个特定的窄波长范围内吸收和利用阳光：波长峰值约为430纳米的蓝光和波长峰值约为662纳米的红光。叶绿素a是使光合作用成为可能的分子，存在于所有光合生物中：植物，藻类和蓝藻。（叶绿素b是另一种仅在某些光合生物中发现的光吸收和光合作用分子，具有一组不同的波长峰值。

　　当人们考虑植物上的所有入射阳光时，可以转化为植物有用能量的辐射量仅占照射植物的阳光总能量的百分之几;从这个严格的意义上说，光合作用并不是特别有效。但是，如果我们只关注可以激发叶绿素分子的单个光子——位于叶绿素a的两个吸收峰或附近的光子——红波长光子的效率约为80%，而蓝色波长光子的效率超过95%：接近完美，毕竟是100%的效率。

　　该图显示了叶绿素分子的吸收效率，该分子主要在一组特别蓝色（430 nm）和特别红色（662 nm）波长周围达到峰值。从吸收到光合反应中心，能量运输几乎100%有效：这是许多生物学家难以解释的难题。

　　这些光子激发叶绿素分子内的电子，然后当电子去激发时，它们发射光子：再次，在一定范围内的能量。

　　然后这些光子被一系列蛋白质吸收 - 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引导到所谓的光合作用反应中心。

　　然后，当光子撞击光合反应中心时，细胞将该光子能量转换为电子能量，然后将这些高能电子用于光合作用过程，最终导致糖分子的产生。

　　所有这一切的难题是，为什么对于在第一步中被吸收的每个光子，大约100%的光子在最后一步结束时产生激发的电子？就效率而言，实际上没有已知的自然发生的物理系统以这种方式运行。然而，不知何故，光合作用确实如此。

　　铁原子中电子跃迁的各种能级和选择规则。尽管可以控制许多量子系统以导致极其节能的转移，但没有生物系统以相同的方式工作。

　　在大多数实验室环境中，如果你想使能量转移100%有效，你必须以一种非常特殊的方式专门准备一个量子系统。你必须确保入射能量是均匀的：每个光子都具有相同的能量和波长，以及相同的方向和动量。你必须确保有一个不会耗散入射能量的吸收系统：就像一个晶格，所有内部组件都规则地间隔和排序。而且你需要施加尽可能接近“无损”的条件，其中不会因粒子的内部振动或旋转而损失能量，例如传播称为声子的激发。

　　但在光合作用过程中，这些条件绝对不存在。进来的光是普通的白色阳光：由各种波长组成，其中没有两个光子具有完全相同的能量和动量。吸收系统不是以任何方式排序的，因为各种分子之间的距离不是固定在晶格中，而是变化很大：甚至在相邻分子之间的几纳米尺度上。这些分子都可以自由振动和旋转;没有特殊条件阻止这些运动的发生。

　　该详细插图显示了光捕获复合物2（LH2）分子的分子结构：将入射光子能量输送到光合反应中心的重要分子。这些天线蛋白以高效的方式传输能量：一种难以解释的现象。

　　这就是这项新研究的令人兴奋的地方，该研究于 今发表在《美国国家科学院院刊》上。他们所做的是从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的光合细菌（与蓝绿色蓝细菌不同），这是最古老，最简单，但最有效的已知生物体经历光合作用的例子之一。（缺乏叶绿素b有助于使这种细菌呈紫色。

　　研究人员试图分离和研究的关键步骤是在光子的初始吸收之后，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得到了很好的理解。但是，为了确切地理解为什么这个过程在能量方面如此无损，需要量化和确定这些中间步骤。这也是这个问题的困难部分，也是为什么选择一个如此简单、古老但又高效的细菌系统进行研究是如此有意义。

　　这张图片显示了紫色（非硫）细菌Rhodospirillum的菌落，这是光合细菌的一个例子，其中仅含有叶绿素a。

　　研究人员解决这个问题的方式是试图量化和理解能量如何在这一系列蛋白质（称为天线蛋白）之间转移，以到达光合作用反应中心。重要的是要记住，与大多数物理实验室系统不同，生物系统中的蛋白质网络没有“组织”;它们以所谓的异质方式彼此不规则地定位和间隔，其中每个蛋白质 - 蛋白质距离都与上一个不同。

　　紫色细菌中的主要天线。然而，在紫色细菌中，称为LH1（光捕获复合物1）的蛋白质与光合反应中心紧密结合，LH2分布在其他地方，其生物学功能是收集能量并将其输送到反应中心。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（常规LH2和称为LH3的低光变体）嵌入到一个小尺寸的圆盘中，该圆盘与天然发现这些光捕获蛋白的天然膜相似，但略有不同。这些近乎天然的膜盘被称为纳米盘，通过改变这些实验中使用的纳米盘的大小，研究人员能够复制各种距离的蛋白质之间的能量转移行为。

　　该图显示了光合作用中用作天线 分子（顶部和底部）的蛋白质结构的表面电荷密度（左）和结构组织（右）。

　　研究人员发现，当他们改变磁盘的大小时，从25到28到31 Ångströms，他们发现蛋白质间能量转移时间尺度迅速增加：从最小5.7皮秒（其中皮秒是万亿分之一秒）到最大14皮秒。当他们将这些实验结果与更好地代表紫色细菌中发现的实际物理环境的模拟相结合时，他们能够证明这些在相邻天线蛋白之间快速传输能量的步骤的存在可以大大提高能量传输的效率和距离。

　　换句话说，正是这些紧密间隔的LH2（和LH3）蛋白之间的成对相互作用可能是能量传输的关键介质：从来自太阳光的第一个入射光子被完全吸收的那一刻起，直到能量最终被引导到光合作用反应中心。这项研究的一个关键发现 - 这一发现无疑会让许多人感到惊讶 - 是这些光捕获蛋白质只能非常有效地长距离转移这种能量，因为紫色细菌本身的蛋白质间距不规则和无序。如果这种安排是有规律的、周期性的或以常规方式组织的，这种长距离、高效率的能量传输就不可能发生。

　　该图表显示了光子从一个天线）转移到另一个天线蛋白所需的时间之间的关系，作为它们之间距离的函数。在三个关键距离上进行的实验与基础（量子）理论的预测非常吻合。

　　这就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，则能量转移的效率低于蛋白质以“随机组织”模式排列的效率，后者更能代表活细胞内蛋白质排列通常发生的方式。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：

　　“当光子被吸收时，你只有很长时间才能通过非辐射衰变等不必要的过程损失能量，所以它转换得越快，它的效率就越高......有序组织实际上不如生物学的无序组织效率低，我们认为这很有趣，因为生物学往往是无序的。这一发现告诉我们，[系统的无序本质]可能不仅仅是生物学不可避免的缺点，而且生物体可能已经进化到利用它。

　　换句话说，我们通常认为生物学的“错误”，即生物系统在许多指标上本质上是无序的，实际上可能是自然界中光合作用如何发生的关键。

　　如果光合作用中使用的LH2和LH3天线蛋白都是规则间隔和定向的，即表现出某种类型的有序组织，那么光将不可能快速有效地能量传输到光合反应中心。只是因为无序是生物系统的一个“特征”，所以会发生有效的光子传输。

　　如果这些天线蛋白以特别有序的方式排。