量子藍圖：光合作用如何挑戰古典物理學

量子力學在光合作用過程中扮演著重要角色。所謂光合作用，就是植物以及某些微生物利用陽光，將二氧化碳和水合成碳水化合物的過程。長久以來，工程師們一直都在尋找能將太陽能轉化為可儲存化學能的有效方法。然而，大自然早在數十億年前就已經將這個過程發展得十分完美。一項新研究揭示，通常與物理學相關的量子力學，在生物系統中也起到至關重要的作用。

如同尤爾根・豪爾教授所解釋的，像綠色植物之類的光合生物，會運用量子力學過程來利用太陽的能量。例如，當葉子吸收光線時，電子激發能量會分佈在每個激發的葉綠素分子的多個狀態上，這被稱為激發態的疊加。這是分子內部和分子之間幾乎無損耗能量轉移的第一階段，也使得太陽能得以高效地向後傳輸。因此，量子力學對於理解能量轉移和電荷分離的最初步驟至關重要。

這個僅靠古典物理學無法令人滿意地解釋的過程，在綠色植物和其他光合生物（如光合細菌）中不斷發生。然而，其確切機制仍未完全闡明。豪爾和第一作者埃麗卡・基爾認為，他們的研究是釐清葉子綠色色素葉綠素如何運作的重要新基礎。將這些發現應用於人工光合作用裝置的設計中，可能有助於以前所未有的效率利用太陽能進行發電或光化學反應。

在這項研究中，研究人員檢查了葉綠素吸收光線的光譜中的兩個特定區段：低能量的Q區（黃色至紅色光譜範圍）和高能量的B區（藍色至綠色）。Q區由兩個不同的電子狀態組成，它們在量子力學上是耦合的。這種耦合導致分子內部無損耗的能量傳輸。然後，系統透過冷卻，也就是以熱的形式釋放能量來達到鬆弛狀態。該研究表明，量子力學效應可能對生物相關過程產生決定性影響。

參考文獻：埃麗卡・基爾、阿吉特・庫馬爾、莉娜・鮑姆爾、塞巴斯蒂安・賴特、埃林・蒂爾豪格、西蒙娜・莫澤、克里斯托弗・D・P・達菲、雷吉娜・德・維維 - 裡德爾和尤爾根・豪爾所著《重新評估Qx在葉綠素a能量轉移動力學中的作用和壽命》，2024年11月27日，《化學科學》。DOI: 10.1039/D4SC06441K