據(jù)美國每日科學(xué)網(wǎng)站近日報道，英國科學(xué)家首次在室溫下觀察到光合作用中能量轉(zhuǎn)化的量子機(jī)制——相干作用（一種狀態(tài)相互疊加的量子效應(yīng)），并證明，正是這一量子機(jī)制使光合作用能很好地面對環(huán)境干擾。出版在《科學(xué)》雜志的最新研究有助于科學(xué)家們研制出新一代轉(zhuǎn)化效率更高的太陽能電池。
提高太陽光的有效轉(zhuǎn)化率是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)，他們希望借此降低人類對化石能源的依賴。光合生物和某些細(xì)菌已掌握了這一過程：在萬億分之一秒內(nèi)，其內(nèi)的光合天線蛋白會將吸收到的太陽光的95%輸送至光合反應(yīng)中心，從而驅(qū)動光合作用。
此前，已有多個研究團(tuán)隊證明，這一高效的能量輸送過程與一個量子力學(xué)現(xiàn)象——相干作用相關(guān)。但迄今為止，還沒有人在室溫下直接觀察到這一機(jī)制?，F(xiàn)在，格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家做到了這一點。
為了觀察到這種量子機(jī)制，該校光子科學(xué)研究所（ICFO）的尼克·范·胡思特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一種極具開創(chuàng)性的實驗技術(shù)，將超快的光譜學(xué)技術(shù)推到了單分子尺度，從而可以捕獲發(fā)生在分子尺度的光合作用能源輸送過程。在最新研究中，他們發(fā)送超快的飛秒（1000萬億分之一秒）閃光以捕捉單個天線蛋白吸收光后狀態(tài)的一系列“圖片”，并利用這些“快照”厘清了太陽能在蛋白之間的輸送過程。
該研究的第一作者理查德·海德勒表示：“現(xiàn)在，使用前所未有的空間和時間分辨率，我們能觀察能量如何通過光合作用系統(tǒng)，這是我們首次在室溫下觀察到這種量子效應(yīng)的細(xì)枝末節(jié)。”
范·胡思特團(tuán)隊對擁有同樣化學(xué)組成的不同天線蛋白的能量轉(zhuǎn)運通路進(jìn)行了評估，并且證明，每個蛋白使用一種獨特的通路。最令人驚奇的發(fā)現(xiàn)是，不同蛋白內(nèi)的輸送通路可隨時間和環(huán)境變化，從而獲得最佳轉(zhuǎn)化效率。范·胡思特表示：“這些結(jié)論表明，這種相干作用負(fù)責(zé)讓生物系統(tǒng)保持高水平的輸送效率，甚至讓蛋白根據(jù)環(huán)境采用不同的能量輸送通路。”最新研究有望使科學(xué)家們模擬這些量子相干作用來設(shè)計新一代太陽能電池，以獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率。
