在光合作用过程中，化学物质的交响乐将光转化为植物、藻类和一些细菌生命所需的能量。科学家们现在知道，这种非凡的反应需要尽可能少的光 - 只有一个光子 - 开始。美国量子光学
（珍妮·努斯/伯克利实验室）
在光合作用过程中，化学物质合作将光转化为植物、藻类和一些细菌生命所需的能量。科学家们现在知道，这种非凡的反应需要尽可能少的光 - 只有一个光子 - 开始。
美国量子光学和生物学研究小组表明，一个孤独的光子可以在紫色细菌红杆菌中开始光合作用，他们相信它在植物和藻类中起作用，因为所有光合生物都有一个进化祖先和类似的过程。
该团队表示，他们的发现增强了我们对光合作用的了解，并将使人们更好地了解量子物理学在各种复杂的生物、化学和物理系统中的交叉点，包括可再生燃料。
“世界各地已经做了大量的理论和实验工作，试图了解光子被吸收后会发生什么，”加州大学伯克利分校的生物化学家格雷厄姆弗莱明说。“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。
光合作用的第一步是叶绿素分子接收来自太阳的光子，叶绿素的电子被激发，跳到不同的分子上形成糖的构建块，为植物提供食物并释放氧气。
太阳并不会给我们带来过多的光子——在阳光明媚的日子里，每秒只有大约1000个光子到达叶绿素分子——因此，光合作用在利用阳光产生富含能量的分子方面的效率使科学家相信单个光子可以开始这种反应。
“大自然发明了一个非常聪明的把戏，”弗莱明说。
研究人员专注于紫色细菌中一种经过充分研究的蛋白质结构，称为光捕获2（LH2）复合物，它可以吸收特定波长的光子。
使用专门的工具，他们创建了一个光子源，该光子源使用自发参数下转换从一个更高能量的光子中制造出一对光子。
LH2复合体中实验程序的简化图。（詹尼斯等人，《自然》，2023 年）
在实验中，脉冲期间，第一个光子，称为“先驱者”，用一个高度灵敏的探测器观察到，发出其伙伴光子到达的信号，它与紫色细菌实验室样本中的LH2分子相互作用。
当波长为800纳米的光子撞击LH2中的分子环时，能量进入第二个环，该环发出波长为850纳米的荧光光子。
在自然界中，这种能量转移会一直持续到它开始光合作用的过程。在实验室中发现波长为850纳米的光子是一个明显的迹象，表明这个过程已经开始，特别是当LH2结构与细胞的其他部分分离时。
挑战在于处理单光子，这很容易丢失。为了解决这个问题，科学家们使用先驱光子作为指导。
“我认为第一件事是这个实验表明你实际上可以用单个光子做事，”伯克利的化学物理学家Birgitta Whaley说。“所以这是非常非常重要的一点。
使用概率分布模型和计算机算法，该团队分析了超过177亿个预示光子检测事件和160万个荧光光子检测事件。
彻底的分析意味着研究人员相信结果只是由单光子吸收引起的，没有其他因素可能产生影响。
之前对光合作用的后期光吸收步骤所做的大部分研究都涉及向光合作用分子发送强大的超快激光脉冲。
“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，”来自伯克利的量子物理学家和工程师Quanwei Li解释说。
通过展示单个光子在光合作用过程中的行为，这项研究为我们提供了有关自然能量转换过程如何运作的重要信息。有朝一日，人工光合作用技术可能是在太空中可持续生存和繁荣的关键。
“就像你需要了解每个粒子来建造量子计算机一样，”李补充说，“我们需要研究生命系统的量子特性，以真正理解它们，并制造产生可再生燃料的高效人工系统。
这项研究对于两个通常不会协同工作的科学领域来说是一个独特的机会，可以应用和结合量子光学和生物学的技术。
“接下来的事情是，我们还能做什么？”惠利说。
“我们的目标是在尽可能短的时间和空间尺度上研究单个光子通过光合作用复合物的能量转移。
该研究已发表在《自然》杂志上。