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。

“全世界已经在理论上和实验上进行了大量工作，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。这仍然是一个需要回答的问题详细信息，”共同主要作者、劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)生物科学领域的资深科学家、加州大学伯克利分校化学教授格雷厄姆弗莱明说。

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BirgittaWhaley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，光合作用首先是被整体理解的——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。

从假设到事实

设计一个允许观察单个光子的实验意味着将一个独特的理论家和实验家团队聚集在一起，他们结合了量子光学和生物学的尖端工具。“这对于研究光合作用的人来说是新的，因为他们通常不使用这些工具，而对于研究量子光学的人来说这是新的，因为我们通常不会考虑将这些技术应用于复杂的生物系统，”Whaley说，他是也是加州大学伯克利分校的化学物理学教授。

科学家们建立了一个光子源，通过称为自发参数下转换的过程产生一对光子。在每个脉冲期间，第一个光子——“先驱”——被一个高度灵敏的探测器观察到，这证实了第二个光子正在前往从光合细菌中提取的光吸收分子结构的组装样本。在样品附近设置了另一个光子探测器，用于测量光合结构在吸收原始对中的第二个“预示”光子后发射的低能光子。

实验中使用的光吸收结构称为LH2，已被广泛研究。众所周知，800纳米(nm)波长的光子被LH2中的9个细菌叶绿素分子环吸收，导致能量传递到第二个18个细菌叶绿素分子环，后者可以发射850nm的荧光光子。在原生细菌中，来自光子的能量将继续转移到后续分子，直到它被用来启动光合作用的化学反应。但在实验中，当LH2与其他细胞机器分离时，对850nm光子的检测是该过程已被激活的明确标志。

“如果你只有一个光子，就很容易失去它。所以这是这个实验的根本困难，这就是我们使用先驱光子的原因，”弗莱明说。科学家们分析了超过177亿个先驱光子探测事件和160万个先驱荧光光子探测事件，以确保观测结果只能归因于单光子吸收，并且没有其他因素影响结果。

“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。所以这是非常非常重要的一点，”Whaley说。“接下来，我们还能做什么?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复合物的能量转移。”

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