光合藻類已經(jīng)對它們的光捕捉技術(shù)進(jìn)行了數(shù)百萬年的改進(jìn)。因此，這些藻類擁有強(qiáng)大的集光系統(tǒng)——蛋白質(zhì)吸收光然后轉(zhuǎn)化成能量——科學(xué)家們一直渴望了解其中的機(jī)制并模仿它以應(yīng)用在可再生能源上。
現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的研究人員揭示了一種機(jī)制，其可以提高隱芽藻類Chroomonas mesostigmatica的光捕獲效率。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了12月8日的《化學(xué)》期刊上，為人工集光系統(tǒng)如分子傳感器和太陽能集熱器的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的見解。
隱芽藻類通常生活在其他吸收大部分太陽光線的生物體下面。相應(yīng)的，這些藻類進(jìn)化成依靠那些不被它們的鄰居所捕獲的光——主要是黃綠色光來蓬勃生長。這些藻類收集這種黃綠色光的能量，并將其傳遞到一個將其轉(zhuǎn)換成紅色光的分子網(wǎng)絡(luò)，在其中葉綠素分子需要執(zhí)行重要的光合化學(xué)。
能量通過該系統(tǒng)的速度既令人印象深刻，又使研究它們的科學(xué)家感到困惑。Scholes實(shí)驗(yàn)室的預(yù)測總是比觀察到的速度慢三倍?！斑@些能量通過蛋白質(zhì)的時間尺度——我們永遠(yuǎn)也不會明白為什么這個過程能夠如此之快，”責(zé)任作者Gregory Scholes說，他是普林斯頓大學(xué)William S. Tod榮譽(yù)化學(xué)教授。
2010年，Scholes的研究小組發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，這些快速率背后的原因是一個被稱為量子相干性的奇怪現(xiàn)象，在其中分子可以根據(jù)量子力學(xué)概率定律而不是經(jīng)典物理來共享電子激發(fā)和轉(zhuǎn)移能量。但研究小組直到現(xiàn)在為止都無法準(zhǔn)確解釋相干性是如何加快速率的。
通過使用一種復(fù)雜的超快激光方法，研究人員能夠測量分子的光吸收，并從根本上跟蹤系統(tǒng)中的能量流。正常情況下，吸收信號會重疊，使它們不可能被分配到蛋白質(zhì)復(fù)合物內(nèi)的特定分子，但該小組通過將該蛋白質(zhì)冷卻到非常低的溫度能夠提高信號的對比度，Jacob Dean說，他是該文章的主要作者以及Scholes實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。
研究人員觀察了該系統(tǒng)的能量從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子，從高能量的綠色光轉(zhuǎn)移到低能量的紅光，多余的能量以振動能的形式損耗掉。Dean說，這些實(shí)驗(yàn)揭示了一個特定的光譜模式，它是施主分子和受主分子之間的振動共振或者說振動匹配的一個確鑿證據(jù)。
這種振動匹配使得能量的轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于通過在分子之間對光激發(fā)進(jìn)行分配所能傳輸?shù)乃俣?。這種效應(yīng)為先前報(bào)道的量子相干性提供了一種機(jī)制?？紤]到這種再分配，研究人員重新計(jì)算了他們的預(yù)測并得出了差不多快三倍的速率。
“終于，該預(yù)測變得大致正確了，”Scholes說?！霸瓉?，它需要這種完全不同的，令人驚訝的機(jī)制。”
Scholes實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研究相關(guān)的蛋白質(zhì)，以探討這種機(jī)制是否在其他光合生物體中起作用。最終，科學(xué)家們希望從這些精確調(diào)節(jié)但非常強(qiáng)大的集光蛋白質(zhì)中汲取靈感和設(shè)計(jì)原則，以創(chuàng)造出具有完美的能量傳輸特性的光收集系統(tǒng)。“這種機(jī)制是對這些蛋白質(zhì)的最優(yōu)性的一個更強(qiáng)大的闡述，”Scholes說。
