光合作用的效率接近100%。量子实验揭示了原因

就能源而言，任何物理系统的“圣杯”都是 100% 的效率。在大多数情况下，这几乎是一个不可能的目标，因为从任何形式的能量首次转移到系统中的那一刻起，它就不可避免地会因各种因素而消失——热量、碰撞、化学反应等——然后才能最终实现最终目标它的设计目的是完成任务。物理学家设法创造出近乎完美效率的系统的唯一方法是将自然推向极端：

• 在接近绝对零的温度下，
• 通过在具有吸收晶格的（晶体）系统上发射单色（激光）光子，
• 或者在超导、超流等极端情况下。

但大自然为我们提供了一个非常令人惊讶的例外：植物。这种不起眼的植物与其他更原始的光合生物（如某些细菌和原生生物）一起吸收特定（蓝色和红色）波长的一小部分阳光，通过复杂的过程将光（光子）能量转化为糖。光合作用。然而不知何故，尽管不遵守上述任何物理条件，吸收的能量几乎 100% 都转化为电子能，然后通过光合作用产生这些糖。自从我们了解光合作用的基本化学途径以来，这一直是一个未解决的问题。但由于量子物理、化学和生物学的结合，我们最终可能得到答案，而生物无序是关键。

每当科学家谈论“效率”时，认识到使用两种不同的定义是非常重要的，具体取决于哪个科学家正在谈论它。

1. 效率意味着检查反应产生的总能量占输入系统总能量的比例。这是在整体考虑完整的端到端系统的整体效率时常用的定义。
2. 或者效率可能意味着检查系统的一个孤立部分：所考虑的反应中涉及的输入能量部分，然后该能量的哪一部分被使用或从该反应中释放出来。当考虑端到端交互的单个组件时，这种方法更常用。

第一个和第二个定义之间的区别在于，为什么两位不同的物理学家在看待去年国家点火设施的巨大聚变能突破时，会得出看似矛盾的主张：我们同时超越了聚变能的盈亏平衡点，并且核能核聚变消耗的能量仍然是其产生的能量的 130 倍。如果您考虑氢颗粒上的能量入射与反应释放的能量相比，第一个是正确的，而如果您考虑整个完整的设备，包括产生事件的电容器组的低效充电，则第二个是正确的活力。

确实，从整体角度来看，植物的效率甚至比太阳能电池板还要低，太阳能电池板可以将入射太阳能总量的 15-20% 左右转化为电能。植物中发现的叶绿素，特别是叶绿素分子，只能吸收和利用两个特定的窄波长范围内的阳光：峰值波长约为 430 纳米的蓝光和峰值波长约为 662 纳米的红光。叶绿素 a 是使光合作用成为可能的分子，存在于所有光合生物中：植物、藻类和蓝细菌。（叶绿素 b 是另一种仅在某些光合生物中发现的吸光和光合作用分子，具有一组不同的波长峰值。）

当人们考虑到植物上所有入射阳光的总和时，可以转化为植物有用能量的辐射量仅占照射植物的阳光总能量的百分之几；从严格意义上讲，光合作用并不是特别有效。但是，如果我们只关注能够激发叶绿素 a 分子的单个光子（叶绿素 a 的两个吸收峰处或附近的光子），则红色波长光子的效率约为 80%，而蓝色波长光子的效率则为 80%。超过 95% 的效率：接近完美，毕竟 100% 的效率。

这就是大难题出现的地方。让我们逐步了解所发生的步骤。

• 叶绿素分子吸收的光不是单色的，而是由具有相当广泛能量范围的单个光子组成。
• 这些光子激发叶绿素分子内的电子，然后当电子去激发时，它们会发射光子：同样，在一定的能量范围内。
• 然后这些光子被一系列蛋白质吸收——它们激发蛋白质内的电子，然后电子自发地去激发，重新发射光子——直到这些光子被成功引导到所谓的光合作用反应中心。
• 然后，当光子撞击光合作用反应中心时，细胞将光子能量转化为电子能量，然后这些高能电子用于光合作用过程，最终导致糖分子的产生。

这是对光合作用途径的广泛概述，从相关的入射光子到最终产生糖的高能电子。

所有这一切的谜题是，为什么对于在第一步中被吸收的每个光子，大约 100% 的光子最终会在最后一步结束时产生受激电子？就效率而言，确实没有已知的自然发生的物理系统以这种方式运行。但不知何故，光合作用确实如此。

在大多数实验室环境下，如果你想让能量传输100%有效，你必须以非常特殊的方式专门准备一个量子系统。您必须确保入射能量均匀：每个光子都具有相同的能量和波长，以及相同的方向和动量。您必须确保有一个不会耗散入射能量的吸收系统：类似于晶格，其中所有内部组件都规则间隔和有序。并且您需要施加尽可能接近“无损”的条件，其中不会因粒子的内部振动或旋转（例如称为声子的传播激发）而损失能量。

但在光合作用过程中，这些条件绝对为零。射入的光是普通的白色太阳光：由多种波长组成，其中没有两个光子具有完全相同的能量和动量。吸收系统没有以任何方式排序，因为各个分子之间的距离不是固定在晶格中，而是变化很大：甚至相邻分子之间的距离也有几纳米的尺度。这些分子都可以自由振动和旋转；没有特殊条件可以阻止这些运动的发生。

这就是这项新研究的令人兴奋之处，该研究于 2023 年 7 月初发表在《美国国家科学院院刊》上。他们所做的是从自然界中已知的最简单的光合作用例子之一开始：一种被称为紫色细菌（与蓝绿色蓝细菌不同）的光合细菌，它是最古老、最简单但最有效的细菌之一进行光合作用的生物体的已知例子。（缺乏叶绿素 b 导致这种细菌呈紫色。）

研究人员试图分离和研究的关键步骤是在光子最初吸收之后但在最后一个重新发射的光子到达光合反应中心之前，因为这些早期和最终步骤已经被很好地理解了。但为了准确理解为什么这个过程在能量方面如此无损，需要量化和确定这些中间步骤。这也是这个问题的难点，也是为什么选择一个如此简单、古老且高效的细菌系统来研究是非常有意义的。

研究人员解决这个问题的方法是尝试量化和理解能量如何在这一系列蛋白质（称为天线蛋白）之间转移以到达光合作用反应中心。重要的是要记住，与大多数物理实验室系统不同，生物系统中的蛋白质网络不存在“组织”；它们以所谓的异质方式彼此不规则地定位和间隔，其中每个蛋白质之间的距离都与上一个不同。

紫色细菌中的主要天线蛋白被称为 LH2：用于光捕获复合物 2。而在紫色细菌中，被称为 LH1（光捕获复合物 1）的蛋白质与光合反应中心紧密结合，而 LH2 则分布在其他地方，其生物学功能是收集能量并将能量输送到反应中心。为了对这些 LH2 天线蛋白进行直接实验，该蛋白的两个不同变体（传统的 LH2 和称为 LH3 的低光变体）被嵌入到一个小规模的圆盘中，该圆盘与 LH2 天线蛋白相似但略有不同。这些光捕获蛋白天然存在于天然膜中。这些接近天然的膜盘被称为纳米盘，通过改变这些实验中使用的纳米盘的尺寸，研究人员能够复制不同距离的蛋白质之间的能量转移行为。

研究人员发现，当他们改变圆盘的大小（从 25 埃到 28 埃到 31 埃）时，他们发现蛋白质间能量转移时间尺度迅速增加：从最小 5.7 皮秒（其中皮秒是一万亿分之一秒） ）最多 14 皮秒。当他们将这些实验结果与更好地代表紫色细菌内发现的实际物理环境的模拟相结合时，他们能够证明，这些在相邻天线蛋白之间快速转移能量的步骤的存在可以大大提高效率和距离。能量可以被传输。

换句话说，紧密间隔的 LH2（和 LH3）蛋白之间的这些成对相互作用可能充当能量传输的关键介质：从阳光中第一个入射光子被吸收的那一刻起，直到能量最终被引导到光合作用反应中心。这项研究的一个关键发现——这一发现无疑会让许多人感到惊讶——是，由于紫色细菌本身内部蛋白质的不规则和无序的间距，这些光捕获蛋白质只能非常有效地长距离转移这种能量。如果这种安排是有规律的、周期性的或以常规方式组织的，这种长距离、高效率的能量传输就不可能发生。

这就是研究人员在研究中实际发现的。如果蛋白质排列成周期性晶格结构，则能量传递的效率低于蛋白质排列成“随机组织”模式的效率，后者更能代表活细胞内蛋白质排列的正常情况。这项最新研究的资深作者、麻省理工学院教授 Gabriela Schlau-Cohen表示：

“当光子被吸收时，能量会通过非辐射衰变等不需要的过程而损失掉，所以它转换的速度越快，效率就越高……有序组织实际上比无序组织效率低我们认为这非常有趣，因为生物学往往是无序的。这一发现告诉我们，[系统的无序性]可能不仅仅是生物学不可避免的缺点，而且生物体可能已经进化到能够利用它。”

换句话说，我们通常认为的生物学“错误”，即生物系统本质上受到许多指标的影响，实际上可能是自然界中光合作用如何发生的关键。

如果这些天线蛋白以一种特别有序的方式排列，无论是在彼此之间的距离还是它们相对于彼此的方向方面，能量传输都会更慢且效率更低。相反，由于自然界的实际运作方式，这些蛋白质彼此之间具有各种不规则的距离和随机的方向，从而能够快速、有效地将能量转移到光合反应中心。这一关键见解源自实验、理论和模拟的结合，最终为如何发生这种超快、超高效的阳光能量转移，并将其直接带到光合作用反应中心指明了道路。

我们通常认为量子物理学只与最简单的系统相关：对于相互作用的单个量子粒子或电子和光子。然而事实上，它是我们宏观世界中每一种非引力现象背后的根本解释：从粒子如何结合在一起形成原子，到原子如何结合形成分子，到原子和分子之间发生的化学反应，再到光子如何被吸收。并由这些原子和分子发射。在光合作用过程中，通过结合生物学、化学和量子物理学的综合知识，我们最终解开了生命科学中最节能的过程之一实际上是如何发生的谜团。