光合作用是地球生命的关键始于单个光子

使用金属镶嵌的颜料、蛋白质、酶和辅酶的复杂铸件，光合生物可以将光能转化为生命所需的化学能。现在，多亏了 6 月 14 日发表在《自然》杂志上的一项研究，我们知道这种有机化学反应对可能的最小光量——单个光子——很敏感。

这一发现巩固了我们目前对光合作用的理解，并将有助于回答有关生命如何在量子物理学和生物学相遇的最小尺度上运作的问题。

“全世界在理论上和实验上都进行了大量工作，试图了解光子被吸收后会发生什么。但我们意识到没有人在谈论第一步。这仍然是一个需要详细回答的问题。

在他们的研究中，弗莱明、共同主要作者、伯克利实验室能源科学领域的资深科学家 Birgitta Whaley 和他们的研究小组表明，单个光子确实可以启动光合紫色细菌光合作用的第一步。由于所有光合生物都使用相似的过程并共享一个进化祖先，因此该团队相信植物和藻类的光合作用以相同的方式进行。“大自然发明了一个非常聪明的把戏，”弗莱明说。

生命系统如何使用光

基于光合作用将阳光转化为富含能量的分子的效率，科学家们长期以来一直认为，启动反应只需要一个光子，其中光子将能量传递给电子，然后电子与不同分子中的电子交换位置，最终创造生产糖的前体成分。毕竟，太阳并没有提供那么多的光子——在晴天每秒只有一千个光子到达一个叶绿素分子——但这个过程在地球上可靠地发生。

然而，“没有人通过演示来支持这一假设，”第一作者李全伟说，他是一名联合博士后研究员，在弗莱明和惠利小组中开发了新的量子光实验技术。

而且，更复杂的是，大量揭示光合作用后期步骤精确细节的研究是通过用强大的超快激光脉冲触发光合分子来进行的。

“激光和太阳光之间的强度存在巨大差异——典型的聚焦激光束比太阳光亮一百万倍，”李说。即使你设法产生强度与太阳光强度相匹配的弱光束，由于称为光子统计的光的量子特性，它们仍然非常不同。他解释说，由于没有人看到光子被吸收，我们不知道它是哪种光子有什么不同。“但就像你需要了解每个粒子来构建量子计算机一样，我们需要研究生命系统的量子特性才能真正了解它们，并制造出能够产生可再生燃料的高效人工系统。”

与其他化学反应一样，光合作用首先是整体理解的——这意味着我们知道整体输入和输出是什么，并且我们可以从中推断出单个分子之间的相互作用可能是什么样子。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，技术的进步使科学家能够在反应过程中直接研究单个化学物质。现在，科学家们开始使用更先进的技术探索下一个前沿领域，即单个原子和亚原子粒子尺度。

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