光合復合物是否使用量子相干性來提高其效率

2021-03-11 13:18:37

現在發表在《科學進展》上的新報告中以色列內蓋夫本古里安大學化學和納米科學與技術系的Elinor Zerah Harush和Yonatan Dubi討論了直接評估量子相干性對三種天然光合配合物效率的影響。開放的量子系統方法使研究人員可以同時識別自然生理條件下的量子性質和效率。這些系統駐留在混合的量子經典機制中,它們使用相移輔助傳輸進行表征。效率充其量是最低的,因此,量子相干的存在在該過程中沒有發揮重要作用。效率也與任何結構參數無關,這表明在其他用途??的結構設計過程中演變的作用。

研究生物學中的量子效應

在光合作用過程中,能量可以從天線轉移到反應中心,以收集光并將其轉換為化學能以供有機體使用。受激子束縛的電子空穴對在光合作用過程中形成能量載體,通過細菌葉綠素(細菌中存在的光合作用色素)網絡將收獲的太陽能從天線傳輸到反應中心,也稱為激子轉移復合物(ETC) )。在過去的十年中,研究人員使用超快非線性光譜技術,對ETC的興趣不斷擴大信號以顯示長期振蕩。ETC中相干振蕩的發現提出了一種假設,即量子相干發生在自然光合配合物內以協助能量轉移。Harush等。試圖了解在光合作用能量轉移的生物過程中是否可能存在量子相干性。如果是這樣,自然系統是否使用它來提高功能效率?盡管實驗和理論工作已經解決了這些問題,但它們基本上仍未得到回答。在這項工作中,研究小組使用了從開放量子系統理論發展而來的工具解決了這些問題。這些發現表明,光合復合物不太可能利用量子相干性來提高其效率。

實驗

該團隊在實驗過程中考慮了三種不同的光合作用ETC(激子轉移復合物)。其中包括出現在綠色硫細菌中的Fenna-Matthews-Olson(FMO)復合物,隱植物藻藍蛋白phycocyanin-645(PC-645)蛋白-隱植物藻類光合作用的一部分,以及光收集2(LH2)–紫色光合細菌嗜酸紅假單胞菌的一部分。在非線性二維光譜測量中,所有三個絡合物均表現出相干的能量轉移振蕩。該團隊繪制了激子電流與FMO復合物和PC-645復合物移相速率的關系。曲線之間的相似性表明電流對內部結構哈密頓量相對不敏感。利用細菌種群Harush等。測試了系統的“量子”水平。他們通過環境輔助量子傳輸機制將激子種群與移相速率聯系起來,從而認識到這一點。(ENAQT)。結果表明,ENAQT效果清晰可見,因為電流顯示出最大的移相速率。但是,當前的增強是微小的,大約增加了0.0015%,這表明該復合物不太可能施加有意義的進化驅動力。

環境對光合作用傳遞效率的影響

接下來,研究小組對LH2(光收集2)復合物進行了研究,以了解ENAQT(環境輔助量子傳輸)與種群之間的聯系。由于結構中天線與反應中心之間缺乏空間間隔,因此很難做到這一點。LH2配合物包含兩個環的葉綠素色素。B800(黃色環)和B850(藍色環)以納米級的能量吸收共振并在可見光區域吸收能量而得名的頻譜。配合物的每個部分都可以吸收光以激發激子,激子從一個環轉移到反應中心,從而產生許多激子轉移路徑。然而,LH2的電流與相移曲線揭示了運輸過程中相干性的重要性。然后,研究小組繪制了電流作為LH2系統移相速率的函數,并注意到電流僅增加了很小的幅度,約為0.05%。

當前,連貫性和古典性。

研究結果表明,在將完全量子情況與生理上實際的相移速率進行比較時,激子電流沒有實質性增加。他們還考慮了經典系統,盡管沒有任何附加信息也可以從總體上完全確定它們的一致性,但是這些經典系統并沒有被定義為沒有任何一致性。研究人員先前已經量化了量子系統與經典系統之間的區別。在經典系統中,兩個電流將是相同的,這意味著量子相干不會在經典動力學中攜帶額外的信息。

這項研究的結果表明,相對于FMO,PC-645和LH2而言,感興趣的結構如何不會進化來提高復合物的效率。將來,Elinor Zerah Harush和Yonatan Dubi打算評估觀測到的相移時間的來源,以確認研究中計算出的值是否唯一。研究小組還打算了解光合轉移復合物的其他潛在進化優勢,這將指導生物物理學家廣泛地了解量子效應在光合復合物中的可能作用。

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