光合作用，地球生命的關鍵，始於單一光子

利用一系列複雜的金屬引入的色素、蛋白質、酶和輔酶，光合生物能將光中的能量轉化為生命所需的化學能。而現在，多虧了今天在《自然》（Nature）上發表的研究，我們了解到這一有機化學反應對於光的最小量——單一光子——是敏感的。

這一發現鞏固了我們對光合作用的現有理解，並將有助於回答有關生命在最小規模上如何運作的問題，這一規模是量子物理和生物學交匯的地方。

“全球範圍內在理論和實驗方面都進行了大量的工作，試圖理解光子被吸收後發生了什麼。但我們意識到，沒有人在談論第一步。這仍然是一個需要詳細解答的問題，”該研究的共同首席作者、洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）生物科學區的高級科學家Graham Fleming說，他同時也是加州大學伯克利分校的化學教授。

在他們的研究中，Fleming、共同首席作者Birgitta Whaley（伯克利實驗室能源科學區的高級科學家）和他們的研究小組展示了單一光子確實可以啟動光合作用的第一步，這在光合紫色細菌中得到了證實。由於所有光合生物使用類似的過程並有共同的進化祖先，該團隊對植物和藻類的光合作用也運作相同充滿信心。“大自然發明了一個非常巧妙的技巧，”Fleming表示。

這項研究不僅加深了我們對光合作用過程的理解，還提供了重要見解，顯示了光合生物如何在極小的能量變化下啟動生命所需的能量轉化過程。這一突破性發現可能開啟更廣泛的研究，以探索光合作用及其在生態系統和氣候變化中的重要性。

生物系統如何利用光

鑒於光合作用在將陽光轉化為富含能量的分子方面的高效率，科學家們長期以來一直假設只需一個光子就足以啟動這一反應，在該反應中，光子將能量傳遞給電子，然後電子與不同分子中的電子進行交換，最終生成糖類的前驅成分。畢竟，太陽提供的光子並不算多——在陽光明媚的日子裡，每秒只有約1000個光子抵達單個葉綠素分子，但這一過程卻在全球範圍內可靠地進行。

然而，“沒有人曾經用實驗來支持這一假設，”該研究的第一作者、與量子光相關的新實驗技術開發博士後研究員Quanwei Li表示，他隸屬於Fleming和Whaley研究小組。

而且，事情還更為複雜的是，許多研究精確解析了光合作用後期步驟的細節時，都是透過用強大的超快激光脈衝來觸發光合作用的分子。

“激光和陽光的強度差異巨大——典型的聚焦激光束亮度比陽光高上百萬倍，”Li說。他解釋，即使設法產生與陽光強度相匹配的弱光束，它們仍會因光的量子特性（稱為光子統計）而有很大不同。由於尚未有人觀察到光子的吸收過程，我們不知道光子的類型對其中的差異會產生什麼影響。

光合作用，像其他化學反應一樣，最初是在整體層面上理解的——這意味著我們知道整體的輸入和輸出，並據此推斷個別分子之間的相互作用可能是什麼樣的。在1970年代和80年代，技術的進步使科學家能夠在反應過程中直接研究個別化學物質。現在，科學家們正開始探索下一個邊疆，即個體原子和亞原子粒子規模，使用更加先進的技術。

這一進展不僅將幫助我們解開光合作用的奧秘，還可能對其他化學過程的理解和應用開辟新的方向。

從假設到事實

設計一個能觀察單個光子的實驗需要組建一個獨特的團隊，這個團隊將量子光學和生物學的尖端工具結合在一起。“對於研究光合作用的人來說，這是新的，因為他們通常不使用這些工具；而對於量子光學領域的人來說，這也是新的，因為我們通常不考慮將這些技術應用於複雜的生物系統，”Whaley說，她同時也是加州大學伯克利分校化學物理的教授。

科學家們建立了一個光子源，通過一種稱為自發參數下轉換的過程生成一對單光子。在每個脈衝中，第一個光子——“信使”（herald）——通過一個高靈敏探測器進行觀察，這確認了第二個光子正在通往從光合細菌中提取的光吸收分子結構的樣本。另一個靠近樣本的光子探測器則設置用於測量經過光合結構吸收原始對中第二個“信使”光子後發射的低能光子（850納米）。

實驗中使用的光吸收結構稱為LH2，已經過廣泛研究。已知800納米波長的光子會被LH2中9個細菌葉綠素分子組成的環吸收，這會將能量傳遞給第二個由18個細菌葉綠素分子組成的環，该环能够发射850纳米的荧光光子。在原生細菌中，光子的能量會繼續轉移到後續分子，直到用於啟動光合作用的化學過程。但在實驗中，當LH2與其他細胞機械分開後，檢測到850納米的光子便表明該過程已被激活。

“如果你只有一個光子，丟失它是非常容易的。因此，這是這個實驗的基本難點，這就是我們為什麼使用信使光子的原因，”Fleming說。科學家們分析了超過177億次信使光子檢測事件，以及160萬次被標記的荧光光子檢測事件，以確保觀察結果僅可歸因於單光子的吸收，且沒有其他因素影響結果。

“我認為最重要的是，這個實驗展示了你實際上可以用單個光子做一些事情。這是一個非常重要的觀點，”Whaley說。“下一步是，我們還能做什麼？我們的目標是以最短的時間和空間尺度研究單個光子的能量轉移穿過光合作用複合體的過程。”

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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