光合作用始于单个光子

为地球上大部分生命提供能量的生化过程——光合作用——在经过大自然无比精细的“微调”后，只需一个光子就可以完成自身的使命。

尽管光合作用在我们的生活中占主导地位，但照射在单个植物细胞上的太阳光却出奇地稀疏。虽然科学家一直以来都怀疑光合作用会对单个光子敏感，但却始终难以通过实验验证。直到最近，研究人员才借助量子力学在实验中观察到由单个光子引发的光合作用。这项研究于6月14日发表在《自然》（Nature）上。

“只需要一个光子就能引发光合作用是说得通的，但能实际观测到这一现象却也是开创性的，”美国得克萨斯州西南大学的物理化学家萨拉·马西（Sara Massey，未参与这项研究）说道，“能够实际收集到这些实验的数据非常有价值。”

这项实验的一个关键障碍在于，很难一次只产生一个光子。在实验中，研究人员根据量子物理学定律制备了一对纠缠的光子，这意味着无论两个光子之间的距离如何，它们彼此之间都会相互关联。研究人员将每个纠缠光子对中的一个光子发射到探测器，来确保系统中只留下与之纠缠的另一个光子。与此同时，他们将留下的光子发射到细菌的捕光复合物II（LH II）中，这种复合物会参与光合作用的第一步。LH II是从球形红杆菌（Rhodobacter sphaeroides，一种紫色非硫细菌）中提取的，它会收集光子（吸收能量）并将其输入光合作用系统中。在实验装置中，LH II复合物会在吸收能量后释放出光，以此提醒科学家该光子已经通过了系统。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的物理化学家格雷厄姆·弗莱明（Graham Fleming，这项研究的共同作者）说：“我们（想要）制造一对纠缠光子，检测其中一个光子——我们将这一光子称为信使光子——然后将另一个光子发送到我们的样本中并寻找信号。”

或者更确切地说，这就是理论上的构想。在实际操作中，这种方法很难实现，因为荧光可以发生在任何方向，视野受限的基础探测器很难观测到。“检测信使光子很容易，但检测荧光要困难得多，”弗莱明说道，“多数时间里，我们什么也看不见。”

因此，研究人员一遍又一遍地重复这个过程——他们一共产生了超过 170 亿个信使光子，并检测到大约万分之一的信使光子发出的 LH II荧光。这个运行次数足以让研究人员对结果进行统计分析。加利福尼亚大学伯克利分校的量子物理学家李全伟（Quanwei Li，音译，这项研究的共同作者）表示，单个光子非常不稳定，因此大量重复的操作是量子光学实验中的关键步骤。功夫不负有心人，之后的统计分析证实了实验的输入和输出均为单一光子。

“他们实际上在使用‘量子光’（操控少量相互作用的光子）来证明光合作用吸收能量的过程是一次只通过一个光子引发的量子事件，”美国麻省理工学院的物理化学家曹建树（Jianshu Cao，音译，未参与这项研究）说，“我认为这非常有趣，他们能够将新的量子技术，即量子光，应用于一个非常庞大、复杂且混乱的生物系统。”

弗莱明、曹建树以及马西都表示，这项实验不仅展示了量子光在研究光合作用时的潜力，也为量子光在其他研究领域的应用铺平了道路。与此同时，这项新研究也让科学家以前所未有的精度观察到了对地球生命至关重要的生化过程。“在这个实验中，你实际上观测到的是单个光子。一想到我们正在观察这个（量子）水平上的现象，真是令人惊奇又兴奋，”马西说。

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