Quantum Secrets Of Photosynthesis Revealed
Science Daily — 透過光合作用，綠色植物以及藍綠藻（cyanobacteria）可以將來自陽光中的能量轉化成化學能量以驅動分子間的反應，且其轉換效率近乎百分之百。最重要的關鍵就在於 － 速度 － 將來自太陽的能量即時且完美地轉化利用，僅有少許的能量以熱的方式浪費掉。然而，為什麼光合作用可以將能量的轉換及利用推到如此完美的境界呢？經過長時間的研究之後，謎底終於揭曉。
圖1. Sunlight absorbed by bacteriochlorophyll (green) within the FMO protein (gray) generates a wavelike motion of excitation energy whose quantum mechanical properties can be mapped through the use of two-dimensional electronic spectroscopy. (Credit: Greg Engel, Lawrence Berkeley National Laboratory, Physical Biociences Division)
這個研究是由美國加州大學柏克萊分校的國家能源實驗室所主導，他們揭開了剛剛我們所提的那個謎底，那就是－量子效應主導了一切。這個研究結果已經發表於 2007 年四月 12 日出版的《自然》期刊上。
「透過長時間波狀電子量子同調顯示了對於光合作用過程中能量轉移的過程，讓我們第一次獲得了最直接的證據。」Graham Fleming 這樣表示到。他是本研究的主要研究員。「這個波狀特性可以解釋能量轉移的最大效率，因為他同時開啟了系統當中所有潛能的路徑並且從中選擇了最有效率的那一條路。」
Fleming 是柏克萊實驗室的副主任，同時也是 UC 柏克萊的化學教授。目前是國際知名的光合作用光譜學研究者。在這篇研究當中顯示在光合作用中，波狀能量的轉移會透過量子協同發生，他的研究團隊利用「量子震幅（quantum beating）」來偵測在 donor 與 acceptor 之間同調電子震盪的訊號，它主要是由光誘導能量激發所產生，其原理就像把一顆石頭丟進水池中會產生漣漪般。
電子光譜儀可以偵測在 “飛秒（femtosecond）”（也就是十億分之一秒）時間尺度下震盪及建設性干擾的訊號。其所形成的波狀能量動作可以用來探討所有同步及可逆地潛能路徑，這意味著可以從錯誤的路徑中往後倒退。這個發現與過去描述光合作用能量轉移程序的說法相互抵觸，以往激發能量希望能從光捕捉色素分子到反應中心的分子，逐步的降低分子能階。
「過去對於能量轉移程序的描述是不充分且不正確的。」Fleming 說到。「對於程序是如何正確的運作給了一個錯誤的圖示，同時也漏掉了解釋為什麼效率是如此美好的原因。」
圖2. 含氧之光合作用電子轉移系統。（圖片來源：http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/lightreact.htm）
圖3. Crystal Structure of Photosystem II, PDB code: 1IZL。
在這篇《自然》期刊當中還包含了以下幾位共同作者：Gregory Engel，他是本篇論文的第一作者。此外還有 Tessa Calhoun、Elizabeth Read、Tae-Kyn Ahn、Tomáš Man al 以及 Yuan-Chung Cheng 等人。還有一位來自華盛頓大學的 Robert Blankenship
光合作用技術主要是將能量從一個分子系統當中轉移到另一個分子系統，他是大自然中一個美妙的成就。如果我們可以從中學習如何仿效這個程序，那麼我們就可以利用人造 “光合作用” 來幫助我們開發類似太陽能般高效、持續的能源，並使我們得以維持能量的「碳平衡（carbon-neutral）」。
圖4. 大自然的碳平衡循環
為此，Fleming和他的研究小組已經發展出一種稱為二維光譜的技術，讓他們可以利用飛秒時間的解析度去追蹤藉由複雜分子的光激發能量的流向。這個技術包含透過三道雷射光束所形成的飛秒雷射脈衝光聚焦於樣品上。而第四道光線則用來當成局部震盪器，以放大並偵測所生成之光譜訊號。此訊號為由雷射光而來的激發能量，它會從一個分子轉一到下一個。（激發能量的改變可以讓每個分子吸收與放射出光。）
「大自然使用光合作用系統已經 2.7 億年了，因此還有很多值得我們去學習的地方，」Engel 說到。「我們在最新這一期的報告發表了我們的結果，至少給了我們一條去思考如何設計出人造光合系統的嶄新方向。」
圖5. 會進行光合作用的海床。（圖片來源：http://www.photosynthesisresearch.org/ISPR%20greetings%20card%202006.html）
This research was funded by the U.S. Department of Energy and by the Miller Institute for Basic Research in Sciences.
Note: This story has been adapted from a news release issued by DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory.
原始報導：
ScienceDaily：Quantum Secrets Of Photosynthesis Revealed
原始論文：
"Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems", Nature 446, 782-786 (12 April 2007)
http://www.nature.com/nature/journal/v446/n7137/abs/nature05678.html
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Wiki 百科 － 多量子同調