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量子效应帮助细胞捕捉光
09/03
2017
        近来使用超短激光脉冲的复杂的实验支持了一种观念,即分子之间反直觉的量子相互作用帮助植物、藻类和某些细菌有效地收集光从而为它们的生长供能。但是自然的至关重要的光收集机制的关键细节仍然不清楚,发表在1月号的《生物科学》(BioScience)杂志上的一篇概览文章说,量子物理学在理解这些机制方面所起的准确作用比此前认为的更加微妙。
        加拿大多伦多大学的Jessica M. Anna 和Gregory D. Scholes以及荷兰阿姆斯特丹自由大学的Rienk van Grondelle的这篇论文描述了使用一种称为2D电子光谱的技术的实验。科研人员对细菌和藻类的收集光的蛋白质分子照射激光脉冲,时间在100亿亿分之一秒内,然后观察在接下来的瞬间这些获得能量的分子如何重新释放出不同颜色的光。这能够让科研人员推断出这些分子如何储存能量以及能量如何在这些分子中运动。但是如果被捕获的光能量是被在分子之间随机运动的不连续的实体运输,就无法解释这些结果。相反,需要量子力学的见解。
        量子力学把粒子视为散布在空间区域中的存在,像波一样相互干涉,而不是像点一样。这种分散在日常生活中无法探测到,但是这些实验结果表明,在充当细胞内部光“天线”的光收集分子的阵列内部,这样的“相干性”让帮助生物利用太阳能的超快速能量运输变得容易。它也就能让生命遍布整个地球,使用这种称为光合作用的过程从空气中提取二氧化碳。
        然而,Anna和她的同事指出,光收集装置的分子细节在不同的物种中的进化非常不同,因此关于生物如何利用量子相干性并不简单。事实上,与一些科研人员的推断相反,相干性似乎并不通过提供从能量首先被捕获的地点到能量被使用的化学反应中心的一条快速路径从而支配着光收集。相反,Anna和她的同行写到,科研人员应当研究在光收集系统中“较短的长度和时间尺度上的相关性如何发起某种属性或功能”。这类理解可能帮助科研人员设计出环境友好的太阳能技术,可能调控它们的能量输入和再分配率,并且在需要的时候像活细胞那样修复它们的组件。
 
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