作者：Gregory D. Scholes 来源：《自然》 发布时间：2010-2-9
加拿大多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯领导的研究团队通过使用激光脉冲激发藻类的单分子，揭示了常温光合作用中的量子物理过程。研究发表在2月4日出版的《自然》杂志上。
研究人员发现，整个量子过程几乎没有能量损失，这是因为量子会在多个路径中挑选出最短的路径。他们在实验中选用了名为蓝隐藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，这种海藻中的天线蛋白有8个色素分子，其可交织成一个大的蛋白结构。不同色素分子能吸收光谱上不同区域的光线，随后光子的能量通过天线蛋白运转到细胞中的其他地方。
在经典物理学中，能量一般是在分子间随机传递。但斯科尔斯团队发现，能量是可以选择{zy}路径来传递的。他们认为，这是由位于该海藻天线蛋白中心的色素分子的不同行为所造成的。
研究团队首次通过千万分之一秒的激光脉冲xx了两个此类分子，使色素分子中处于兴奋状态的光子形成量子叠加。当这种量子叠加崩溃时，会放射出不同波长的光子，这些光子可相互结合形成光子干涉模式。通过研究这种干涉模式，研究团队绘制出了产生这种干涉的量子叠加的细节。
研究结果十分令人吃惊：不仅位于天线蛋白中心的两个色素分子处于叠加状态，其他六个色素分子也是。这种“量子相干”可延续400飞秒，虽然只是短短一瞬，却能使能量尝试天线蛋白中所有可能的“旅行”路径。当这种相干结束后，能量会找到{zy}路径，令其实现“毫发无损”地“旅行”。芝加哥大学的化学家格雷格·恩格尔将斯科尔斯的发现称之为“非凡的结果”，为其在高温下研究量子效应提供了新的方法。
该发现颠覆了众多有关量子机制的固有观念，这些观念认为，量子干涉只能出现在低温下。然而，蓝隐藻在21摄氏度的温度下做到了这点。2007年，还在加州大学伯克利分校担任教职的恩格尔领头的研究人员发现了绿硫xx中天线蛋白之间的关系，其中的色素分子同样也会“连线”。他的研究证明，量子叠加可使能量探索出所有可能的路径并找到最合适的路径。但他们的观测结果是在零下196摄氏度以下的条件下得出的。
伦敦大学学院的亚历山大·欧拉亚·卡斯特罗表示，至于这些分子如何在那么高的温度下，长时间保持这种相干性仍然是一个未解之谜。她认为，天线的蛋白结构起了关键作用。恩格尔也表示，从某种意义上说，天线蛋白执行了量子计算的功能，以决定什么路径能{zh0}地保存能量。
根据斯科尔斯的理论，光合作用蛋白的物理特性将被用来改进太阳能电池的设计，其也将改变我们看待光合作用和量子计算的方式。（来源：科技日报 刘霞）
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《自然》发表论文摘要（英文）
加拿大多伦多大学的生物物理学家格雷格·斯科尔斯领导的研究团队通过使用激光脉冲激发藻类的单分子，揭示了常温光合作用中的量子物理过程。研究发表在2月4日出版的《自然》杂志上。
研究人员发现，整个量子过程几乎没有能量损失，这是因为量子会在多个路径中挑选出最短的路径。他们在实验中选用了名为蓝隐藻（Chroomonas）CCMP270的海藻，这种海藻中的天线蛋白有8个色素分子，其可交织成一个大的蛋白结构。不同色素分子能吸收光谱上不同区域的光线，随后光子的能量通过天线蛋白运转到细胞中的其他地方。
在经典物理学中，能量一般是在分子间随机传递。但斯科尔斯团队发现，能量是可以选择{zy}路径来传递的。他们认为，这是由位于该海藻天线蛋白中心的色素分子的不同行为所造成的。
研究团队首次通过千万分之一秒的激光脉冲xx了两个此类分子，使色素分子中处于兴奋状态的光子形成量子叠加。当这种量子叠加崩溃时，会放射出不同波长的光子，这些光子可相互结合形成光子干涉模式。通过研究这种干涉模式，研究团队绘制出了产生这种干涉的量子叠加的细节。
研究结果十分令人吃惊：不仅位于天线蛋白中心的两个色素分子处于叠加状态，其他六个色素分子也是。这种“量子相干”可延续400飞秒，虽然只是短短一瞬，却能使能量尝试天线蛋白中所有可能的“旅行”路径。当这种相干结束后，能量会找到{zy}路径，令其实现“毫发无损”地“旅行”。芝加哥大学的化学家格雷格·恩格尔将斯科尔斯的发现称之为“非凡的结果”，为其在高温下研究量子效应提供了新的方法。
该发现颠覆了众多有关量子机制的固有观念，这些观念认为，量子干涉只能出现在低温下。然而，蓝隐藻在21摄氏度的温度下做到了这点。2007年，还在加州大学伯克利分校担任教职的恩格尔领头的研究人员发现了绿硫xx中天线蛋白之间的关系，其中的色素分子同样也会“连线”。他的研究证明，量子叠加可使能量探索出所有可能的路径并找到最合适的路径。但他们的观测结果是在零下196摄氏度以下的条件下得出的。
伦敦大学学院的亚历山大·欧拉亚·卡斯特罗表示，至于这些分子如何在那么高的温度下，长时间保持这种相干性仍然是一个未解之谜。她认为，天线的蛋白结构起了关键作用。恩格尔也表示，从某种意义上说，天线蛋白执行了量子计算的功能，以决定什么路径能{zh0}地保存能量。
根据斯科尔斯的理论，光合作用蛋白的物理特性将被用来改进太阳能电池的设计，其也将改变我们看待光合作用和量子计算的方式。（来源：科技日报 刘霞）
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《自然》发表论文摘要（英文）
Letter
Nature 463, 644-647 (4 February 2010) | doi:10.1038/nature08811; Received 14 July 2009; Accepted 17 December 2009
Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature
Elisabetta Collini1,3,4, Cathy Y. Wong1,3, Krystyna E. Wilk2, Paul M. G. Curmi2, Paul Brumer1 & Gregory D. Scholes1
1.Department of Chemistry, Institute for Optical Sciences and Centre for Quantum Information and Quantum Control, University of Toronto, 80 St George Street, Toronto, Ontario, M5S 3H6 Canada
2.School of Physics and Centre for Applied Medical Research, St Vincent’s Hospital, The University of New South Wales, Sydney, New South Wales 2052, Australia
3.These authors contributed equally to this work.
4.Present address: Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova, via Marzolo 1, 35100, Padova, Italy.
Correspondence to: Gregory D. Scholes1 Correspondence and requests for materials should be addressed to G.D.S. (Email: gscholes@chem.utoronto.ca).
Top of pagePhotosynthesis makes use of sunlight to convert carbon dioxide into useful biomass and is vital for life on Earth. Crucial components for the photosynthetic process are antenna proteins, which absorb light and transmit the resultant excitation energy between molecules to a reaction centre. The efficiency of these electronic energy transfers has inspired much work on antenna proteins isolated from photosynthetic organisms to uncover the basic mechanisms at play1, 2, 3, 4, 5. Intriguingly, recent work has documented6, 7, 8 that light-absorbing molecules in some photosynthetic proteins capture and transfer energy according to quantum-mechanical probability laws instead of classical laws9 at temperatures up to 180 K. This contrasts with the long-held view that long-range quantum coherence between molecules cannot be sustained in complex biological systems, even at low temperatures. Here we present two-dimensional photon echo spectroscopy10, 11, 12, 13 measurements on two evolutionarily related light-harvesting proteins isolated from marine cryptophyte algae, which reveal exceptionally long-lasting excitation oscillations with distinct correlations and anti-correlations even at ambient temperature. These observations provide compelling evidence for quantum-coherent sharing of electronic excitation across the 5-nm-wide proteins under biologically relevant conditions, suggesting that distant molecules within the photosynthetic proteins are ‘wired’ together by quantum coherence for more efficient light-harvesting in cryptophyte marine algae.
Nature 463, 644-647 (4 February 2010) | doi:10.1038/nature08811; Received 14 July 2009; Accepted 17 December 2009
Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature
Elisabetta Collini1,3,4, Cathy Y. Wong1,3, Krystyna E. Wilk2, Paul M. G. Curmi2, Paul Brumer1 & Gregory D. Scholes1
1.Department of Chemistry, Institute for Optical Sciences and Centre for Quantum Information and Quantum Control, University of Toronto, 80 St George Street, Toronto, Ontario, M5S 3H6 Canada
2.School of Physics and Centre for Applied Medical Research, St Vincent’s Hospital, The University of New South Wales, Sydney, New South Wales 2052, Australia
3.These authors contributed equally to this work.
4.Present address: Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova, via Marzolo 1, 35100, Padova, Italy.
Correspondence to: Gregory D. Scholes1 Correspondence and requests for materials should be addressed to G.D.S. (Email: gscholes@chem.utoronto.ca).
Top of pagePhotosynthesis makes use of sunlight to convert carbon dioxide into useful biomass and is vital for life on Earth. Crucial components for the photosynthetic process are antenna proteins, which absorb light and transmit the resultant excitation energy between molecules to a reaction centre. The efficiency of these electronic energy transfers has inspired much work on antenna proteins isolated from photosynthetic organisms to uncover the basic mechanisms at play1, 2, 3, 4, 5. Intriguingly, recent work has documented6, 7, 8 that light-absorbing molecules in some photosynthetic proteins capture and transfer energy according to quantum-mechanical probability laws instead of classical laws9 at temperatures up to 180 K. This contrasts with the long-held view that long-range quantum coherence between molecules cannot be sustained in complex biological systems, even at low temperatures. Here we present two-dimensional photon echo spectroscopy10, 11, 12, 13 measurements on two evolutionarily related light-harvesting proteins isolated from marine cryptophyte algae, which reveal exceptionally long-lasting excitation oscillations with distinct correlations and anti-correlations even at ambient temperature. These observations provide compelling evidence for quantum-coherent sharing of electronic excitation across the 5-nm-wide proteins under biologically relevant conditions, suggesting that distant molecules within the photosynthetic proteins are ‘wired’ together by quantum coherence for more efficient light-harvesting in cryptophyte marine algae.
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