光合作用中的多尺度生物量子效應(yīng)|進(jìn)展

隨著生物大分子結(jié)構(gòu)解析分辨率到達(dá)原子級(jí)，生命科學(xué)的規(guī)律探索也由以往細(xì)胞層次的描述性規(guī)律探索，進(jìn)入到基于大分子精確結(jié)構(gòu)信息的量子規(guī)律的探索。光合作用以近乎無(wú)損的效率將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。理論研究表明，如此高的量子效率必須有如量子相干態(tài)傳能等量子機(jī)制的支撐。問(wèn)題是，在溫暖、潮濕、充滿熱噪聲的生物環(huán)境中，脆弱的量子效應(yīng)如何存活并發(fā)揮功能？量子效應(yīng)如何決定生物功能的發(fā)揮？微觀量子效應(yīng)能否在更大的空間尺度上發(fā)揮作用，即所謂的生物宏觀量子效應(yīng)？

圍繞這一系列問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室翁羽翔團(tuán)隊(duì)一直致力于光合作用中的量子效應(yīng)研究，近年來(lái)做出了一系列相關(guān)研究工作。

圖. 跨物種中的多尺度生物量子效應(yīng)

其中三個(gè)代表性研究工作分別覆蓋了~6 ?（高等植物主要捕光天線非光化學(xué)淬滅量子開(kāi)關(guān)）、~21 ?（海藻光合天線量子相干態(tài)傳能）和~50-80 nm（由捕光天線離域態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控的光合膜囊泡優(yōu)化），跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)的空間尺度，并貫穿著同一邏輯：光合作用中的量子效應(yīng)不是被動(dòng)的“幸存者”，而是被蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)主動(dòng)保護(hù)的功能核心。這種保護(hù)不是隨機(jī)的，而是遵循量子相位同步這一普適機(jī)制。更重要的是，量子設(shè)計(jì)原則可以從分子尺度向更大的空間尺度傳遞，在宏觀尺度上表現(xiàn)為可觀測(cè)的生物功能優(yōu)化。從量子相干、分子開(kāi)關(guān)到納米級(jí)囊泡優(yōu)化，光合作用告訴我們：量子，從未脫離宏觀生命。?這一認(rèn)識(shí)不僅刷新了量子生物學(xué)的理論框架，也為室溫量子器件的抗退相干設(shè)計(jì)、作物光能利用效率的遺傳改良提供了全新的思路。具體的研究成果是，通過(guò)二維電子光譜研究了藍(lán)藻別藻藍(lán)蛋白APC和隱藻藻紅蛋白PE545中的相干傳能機(jī)制(Nature Communications, 15, 1, 2024; The Journal of Chemical Physics, 162, 20, 2025), 以及相似蛋白結(jié)構(gòu)藻藍(lán)蛋白PC620中的非相干傳能過(guò)程(The Journal of Chemical Physics, 161, 8, 2024)。通過(guò)時(shí)間分辨光譜和冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析研究了高等植物中的主要捕光天線蛋白LHCII中的量子開(kāi)關(guān)切換機(jī)制(Science China Chemistry, 63, 8, 2020; Nature Plants, 9, 9, 2023)。發(fā)現(xiàn)了紫色光合細(xì)菌捕光天線蛋白LH2通過(guò)內(nèi)陷形成囊泡以增大捕光面積，進(jìn)化使其選擇了50-80 nm的囊泡最優(yōu)尺寸(Biophysical Journal, 124, 14, 2025)。最近，他們將這些工作總結(jié)成了環(huán)環(huán)相扣的Featured Article，給出了一個(gè)出人意料的答案：量子非但不是“脆弱的意外”，反而是被蛋白質(zhì)主動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)調(diào)控并向更大空間尺度傳遞的核心設(shè)計(jì)原則。

該總結(jié)工作近期以“Exploring Biological Quantum Effects in Photosynthesis across Varied Spatial Scales”為題發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry B期刊，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士后阮美霞為第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所翁羽翔研究員為通訊作者。

編輯：子木