量子力學讓光合作用更有效率
- 上線日期：2010/3/12 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
加拿大與澳洲的物理學家發現大自然懂得利用量子力學來提升光合作(photosynthesis)的效率。該研究團隊利用雷射光來研究海藻中的光捕捉蛋白質(light-harvesting proteins)，發現量子同調性(quantum coherence)將蛋白質內的分子連結起來，使其在製造醣類的過程中，能夠有效率地傳遞能量。
光合作用是利用日光將二氧化碳轉化為含糖的化學能量，然而負責執行反應的蛋白質化合物本身並不吸收太陽光，而是仰賴其他蛋白質中的色素分子(pigment molecule)提供受激電子，通常一個反應中心(reaction centers)有數百個色素分子供給能量。而為了將能量從光捕捉蛋白質有效傳輸到反應中心，蛋白質中的各種色素分子彼此相距恰到好處─近到能快速傳遞能量，但又不會因分子軌域重疊而影響電子激發，同時蛋白質的排列方式也使得能量可以從不同路徑傳遞。
最近，多倫多大學的Elisabetta Collini等人主張色素分子並不個別與光反應，而是透過分子間的量子交互作用，分享陽光造成的激發。這種激發態的疊加會振盪，使激發在非常短的時間內在分子間來回移動，因此能在能量以光或熱形式逸散前，傳遞到反應中心。
該團隊研究了一種藻類(cryptophyte algae)中的兩種光捕捉蛋白質，因為它們的主要色素分子可以吸收大範圍頻率的光。研究人員先以兩道雷射脈衝照射蛋白質以激發色素分子，隨後再以第三道脈衝雷射使其產生受激發光。他們在測得的光譜中觀察到拍頻(beat)現象，拍頻是兩個頻率相近的訊號疊加的結果，這意味著發射光的頻率異於激發頻率，反應了不同能態的疊加態。
該團隊發現這種同調疊加的振盪可持續400 fs，比原先預期的100 fs長，原因可能是此實驗選用的分子彼此交互作用較弱，較不易受外界干擾。事實上，2007年就有人發現這種同調性振盪，不過當時研究的是綠硫菌(green sulphur bacteria)，且是在77K的低溫下操作，相較之下，多倫多大學的研究是在室溫下進行，這說明量子效應的確在光合作用中扮演重要的角色。詳見Nature 463, 644-647 (2010)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/41632
譯者:蘇俊鐘(中央研究院應用科學研究中心)
責任編輯:蔡雅芝
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