光合生物利用由金屬色素、蛋白質、酶和輔酶組成的複雜結構，將光的能量轉化為生命所需的化學能。最近發表在《自然》（Nature）上的一項研究揭示了這一自然化學過程對最小光量–單光子–的敏感性。這一發現鞏固了我們目前對光合作用的理解，並將有助於回答生命如何在量子物理學和生物學交彙的最小尺度上運作的問題。

“科學界已經做了大量的理論和實驗工作，試圖了解光子被吸收後會發生什麼。但我們意識到，沒有人在討論第一步。”這項研究的共同第一作者、勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）生物科學領域資深科學家、加州大學伯克利分校化學教授格雷厄姆-弗萊明（Graham Fleming）說：”這仍然是一個需要詳細解答的問題。”

在研究中，弗萊明、共同第一作者、伯克利實驗室能源科學領域資深科學家比爾吉塔-惠利（Birgitta Whaley）和他們的研究小組表明，單個光子可以啟動光合紫色細菌光合作用的第一步。由於所有光合生物都使用類似的過程，並且有著共同的進化祖先，研究小組確信植物和藻類的光合作用也是以同樣的方式進行的。”弗萊明說：”大自然發明了一種非常聰明的技巧。

生命系統如何利用光

根據光合作用將陽光轉化為富含能量的分子的效率，科學家們長期以來一直認為，只需一個光子就能啟動反應，光子將能量傳遞給電子，電子再與不同分子中的電子交換位置，最終生成生產醣類的前體成分。畢竟，太陽並不能提供那麼多的光子–在晴朗的日子裡，每秒鐘只有一千個光子到達一個葉綠素分子–但這一過程卻在整個地球上可靠地進行著。

第一作者李全偉是弗萊明和惠利研究組的聯合博士後研究員，負責開發新的量子光實驗技術。

而且，使問題更加複雜的是，揭示光合作用後期步驟精確細節的大量研究都是通過用強大的超快激光脈衝觸發光合作用分子進行的。

共同第一作者格雷厄姆-弗萊明（左）和第一作者李全偉在他們尖端實驗中使用的一些設備附近。圖片來源：Henry Lam/弗萊明實驗室

李全偉說：”激光和太陽光的強度相差懸殊–典型的聚焦激光束的亮度是太陽光的一百萬倍。即使你能產生一束強度與太陽光相當的微弱光束，但由於光的量子特性（即光子統計），它們之間的差別仍然很大。他解釋說，由於沒有人看到光子被吸收，我們不知道光子被吸收後有什麼不同，也不知道它是哪種光子。但是，就像需要了解每個粒子才能構建量子計算機一樣，我們需要研究生命系統的量子特性，才能真正了解它們，並製造出產生可再生燃料的高效人工系統。”

與其他化學反應一樣，光合作用最初也是以批量的方式被理解的–這意味著我們知道總體的輸入和輸出是什麼，並由此推斷出單個分子之間的相互作用可能是什麼樣子的。20 世紀70 年代和80 年代，技術的進步使科學家能夠直接研究反應過程中的單個化學物質。現在，科學家們開始利用更先進的技術探索下一個前沿領域–單個原子和亞原子粒子尺度。

從假設到事實

設計一項能夠觀測單個光子的實驗，意味著要匯集一支由理論家和實驗家組成的獨特團隊，將量子光學和生物學的尖端工具結合在一起。惠利說：”這對研究光合作用的人來說是全新的，因為他們通常不會使用這些工具，而對量子光學領域的人來說也是全新的，因為我們通常不會考慮將這些技術應用於復雜的生物系統。”

科學家們建立了一個光子源，通過一種叫做自發參量下變頻的過程產生一對光子。在每個脈衝中，第一個光子–“預示”–被一個高靈敏度的探測器觀測到，該探測器證實第二個光子正在前往從光合細菌中提取的光吸收分子結構組裝樣本的途中。在樣品附近還安裝了另一個光子探測器，用於測量光合作用結構吸收原始光子對中第二個”預示”光子後發出的能量較低的光子。

實驗中使用的光吸收結構b 被稱為LH2，已被廣泛研究。眾所周知，波長為800 納米（nm）的光子被LH2 中的9 個細菌葉綠素分子環吸收，從而將能量傳遞給第二個由18 個細菌葉綠素分子組成的環，後者可在850 納米波長處發射熒光光子。在原生細菌中，光子的能量會繼續傳遞給後續分子，直到用於啟動光合作用的化學反應。但在實驗中，當LH2s 與其他細胞機制分離後，850 納米光子的檢測就成為該過程被激活的明確信號。

“如果只有一個光子，就很容易丟失。這就是我們使用預示光子的原因。科學家們分析了超過177 億個預示光子探測事件和160 萬個預示熒光光子探測事件，以確保觀測結果只能歸因於單光子吸收，而沒有其他因素影響結果。我認為第一件事是，這項實驗表明，你實際上可以用單個光子做事情。所以這是非常非常重要的一點，”惠利說。”接下來，我們還能做什麼？我們的目標是在盡可能短的時間和空間尺度上研究單個光子通過光合複合體進行的能量轉移。”