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      首次觀察到光合作用中能量轉(zhuǎn)化的量子機(jī)制

      2013-08-15 00:52:53
      科技傳播 2013年12期
      關(guān)鍵詞:胡思光合作用室溫

      英國科學(xué)家首次在室溫下觀察到光合作用中能量轉(zhuǎn)化的量子機(jī)制——相干作用(一種狀態(tài)相互疊加的量子效應(yīng)),并證明,正是這一量子機(jī)制使光合作用能很好地面對環(huán)境干擾。出版在《科學(xué)》雜志的最新研究有助于科學(xué)家們研制出新一代轉(zhuǎn)化效率更高的太陽能電池。

      提高太陽光的有效轉(zhuǎn)化率是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo),他們希望借此降低人類對化石能源的依賴。光合生物和某些細(xì)菌已掌握了這一過程:在萬億分之一秒內(nèi),其內(nèi)的光合天線蛋白會將吸收到的太陽光的95%輸送至光合反應(yīng)中心,從而驅(qū)動光合作用。

      此前,已有多個研究團(tuán)隊證明,這一高效的能量輸送過程與一個量子力學(xué)現(xiàn)象——相干作用相關(guān)。但迄今為止,還沒有人在室溫下直接觀察到這一機(jī)制。現(xiàn)在,格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家做到了這一點(diǎn)。

      為了觀察到這種量子機(jī)制,該校光子科學(xué)研究所(ICFO)的尼克·范·胡思特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一種極具開創(chuàng)性的實(shí)驗技術(shù),將超快的光譜學(xué)技術(shù)推到了單分子尺度,從而可以捕獲發(fā)生在分子尺度的光合作用能源輸送過程。在最新研究中,他們發(fā)送超快的飛秒(1000 萬億分之一秒)閃光以捕捉單個天線蛋白吸收光后狀態(tài)的一系列“圖片”,并利用這些“快照”厘清了太陽能在蛋白之間的輸送過程。

      該研究的第一作者理查德·海德勒表示:“現(xiàn)在,使用前所未有的空間和時間分辨率,我們能觀察能量如何通過光合作用系統(tǒng),這是我們首次在室溫下觀察到這種量子效應(yīng)的細(xì)枝末節(jié)?!?/p>

      范·胡思特團(tuán)隊對擁有同樣化學(xué)組成的不同天線蛋白的能量轉(zhuǎn)運(yùn)通路進(jìn)行了評估,并且證明,每個蛋白使用一種獨(dú)特的通路。最令人驚奇的發(fā)現(xiàn)是,不同蛋白內(nèi)的輸送通路可隨時間和環(huán)境變化,從而獲得最佳轉(zhuǎn)化效率。范·胡思特表示:“這些結(jié)論表明,這種相干作用負(fù)責(zé)讓生物系統(tǒng)保持高水平的輸送效率,甚至讓蛋白根據(jù)環(huán)境采用不同的能量輸送通路?!弊钚卵芯坑型箍茖W(xué)家們模擬這些量子相干作用來設(shè)計新一代太陽能電池,以獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率。

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