北京
隨著生物大分子結構解析分辨率到達原子級，生命科學的規(guī)律探索也由以往細胞層次的描述性規(guī)律探索，進入到基于大分子精確結構信息的量子規(guī)律的探索。光合作用以近乎無損的效率將太陽能轉化為化學能。理論研究表明，如此高的量子效率必須有如量子相干態(tài)傳能等量子機制的支撐。問題是，在溫暖、潮濕、充滿熱噪聲的生物環(huán)境中，脆弱的量子效應如何存活并發(fā)揮功能？量子效應如何決定生物功能的發(fā)揮？微觀量子效應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？
圍繞這一系列問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質物理實驗室翁羽翔團隊一直致力于光合作用中的量子效應研究，近年來做出了一系列相關研究工作。
圖. 跨物種中的多尺度生物量子效應
其中三個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淬滅量子開關）、~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)結構調控的光合膜囊泡優(yōu)化），跨越兩個數(shù)量級的空間尺度，并貫穿著同一邏輯：光合作用中的量子效應不是被動的“幸存者”，而是被蛋白質動態(tài)結構主動保護的功能核心。這種保護不是隨機的，而是遵循量子相位同步這一普適機制。更重要的是，量子設計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)為可觀測的生物功能優(yōu)化。從量子相干、分子開關到納米級囊泡優(yōu)化，光合作用告訴我們：量子，從未脫離宏觀生命。?這一認識不僅刷新了量子生物學的理論框架，也為室溫量子器件的抗退相干設計、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，通過二維電子光譜研究了藍藻別藻藍蛋白APC和隱藻藻紅蛋白PE545中的相干傳能機制(Nature Communications, 15, 1, 2024; The Journal of Chemical Physics, 162, 20, 2025), 以及相似蛋白結構藻藍蛋白PC620中的非相干傳能過程(The Journal of Chemical Physics, 161, 8, 2024)。通過時間分辨光譜和冷凍電鏡結構解析研究了高等植物中的主要捕光天線蛋白LHCII中的量子開關切換機制(Science China Chemistry, 63, 8, 2020; Nature Plants, 9, 9, 2023)。發(fā)現(xiàn)了紫色光合細菌捕光天線蛋白LH2通過內陷形成囊泡以增大捕光面積，進化使其選擇了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成了環(huán)環(huán)相扣的Featured Article，給出了一個出人意料的答案：量子非但不是“脆弱的意外”，反而是被蛋白質主動保護、精準調控并向更大空間尺度傳遞的核心設計原則。
該總結工作近期以“Exploring Biological Quantum Effects in Photosynthesis across Varied Spatial Scales”為題發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry B期刊，中國科學院物理研究所博士后阮美霞為第一作者，中國科學院物理研究所翁羽翔研究員為通訊作者。
編輯：子木
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