单一光子就能触发光合作用

在光合作用过程中，一系列化学物质将光转化为植物、藻类和一些细菌生命所需的能量。科学家们现在知道，这种非凡的反应只需要最小可能的光量——只需一个单一的光子——就能开始。

一个由量子光学和生物学研究者组成的美国团队证明，一个孤立的光子可以在紫色细菌Rhodobacter sphaeroides中启动光合作用，他们相信这种机制也适用于植物和藻类，因为所有的光合作用生物都有一个共同的进化祖先和类似的过程。

该团队说，他们的发现增强了我们对光合作用的认识，并将有助于更好地理解量子物理在广泛的复杂生物、化学和物理系统中的交叉作用，包括可再生燃料。

“全世界已经做了大量的工作，从理论上和实验上试图理解光子被吸收后会发生什么，”加州大学伯克利分校的生物化学家格雷厄姆·弗莱明(Graham Fleming)说，“但我们意识到，没有人谈论第一步。这仍然是一个需要详细回答的问题。”

叶绿素分子从太阳接收光子，其中叶绿素的电子被激发，跳到不同的分子上形成糖的构建块，给植物提供食物并释放氧气。

太阳并没有向我们洒下过多的光子——在晴朗的日子里，每秒钟只有大约1000个光子到达一个叶绿素分子——所以光合作用利用阳光产生富含能量的分子的效率使科学家们相信，一个单一的光子就可以启动这个反应。

“自然发明了一个非常聪明的诀窍。”弗莱明说。

研究人员关注了紫色细菌中一种被广泛研究过的蛋白质结构，称为捕光2(LH2)复合体，它可以吸收特定波长的光子。

使用专门的工具，他们创建了一个光子源，利用自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion)从一个高能量的光子制造出一对光子。

在一次脉冲中，第一个光子，称为“先驱”，被一个高灵敏度探测器观察到，它标志着它的伴随光子到来，该伴随光子与实验室样品中的LH2分子相互作用。

当一个波长为800纳米的光子击中LH2中的一圈分子时，能量转移到了第二圈，它发出了波长为850纳米的荧光光子。

在自然界中，这种能量转移会继续，直到开始光合作用的过程。在实验室中，找到一个波长为850纳米的光子是一个明确的迹象，表明这个过程已经开始，尤其是因为LH2结构与细胞的其他部分是分开的。

处理容易丢失的单个光子是一个挑战。为了克服这个困难，科学家们利用先驱光子作为指引。

伯克利的化学物理学家Birgitta Whaley说：“我认为这个实验的第一个意义是证明了你可以用单个光子来做事情。”“这是非常非常重要的。”

该团队运用概率分布模型和计算机算法，对超过177亿个先驱光子探测事件和160万个荧光光子探测事件进行了分析。

经过深入的分析，研究人员相信结果只是由单光子吸收造成的，没有受到其他因素的影响。

之前对光合作用后期光吸收步骤的大部分研究都涉及向光合分子发射强力的超快激光脉冲。

“激光和太阳光之间有很大的强度差异——一般的聚焦激光束比太阳光亮上百万倍。”来自伯克利的量子物理学家和工程师李全伟(音)说。

通过展示单个光子在光合作用过程中的行为方式，这项研究给我们提供了有关自然界能量转换过程如何运行的重要信息。有朝一日，人工光合作用技术可能成为在太空中可持续生存和发展的关键。

“就像你需要了解每个粒子来构建量子计算机一样，”李说，“我们需要研究生命系统的量子特性，才能真正理解它们，并制造出能产生可再生燃料的高效人工系统。”

对于通常不太合作的两个科学领域来说，这项研究是一个独特的机会，它可以应用并结合量子光学和生物学技术。

“下一步是，我们还能做些什么？” Whaley说。

“我们的目标是在最短可能的时间和空间尺度上，研究单个光子通过光合复合物进行能量转移。”

该研究发表在Nature上。

https://www.sciencealert.com/we-finally-know-how-photosynthesis-starts-it-takes-just-a-single-photon

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