普林斯頓大學的研究人員已經發現了光合隱芽藻類強大的集光秘密。
光合藻類已經對它們的光捕捉技術進行了數百萬年的改進。因此，這些藻類擁有強大的集光系統——蛋白質吸收光然后轉化成能量——科學家們一直渴望了解其中的機制并模仿它以應用在可再生能源上。
現在，普林斯頓大學的研究人員揭示了一種機制，其可以提高隱芽藻類Chroomonas mesostigmatica的光捕獲效率。這些發現發表在了12月8日的《化學》期刊上，為人工集光系統如分子傳感器和太陽能集熱器的設計提供了有價值的見解。
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。相應的，這些藻類進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換成紅色光的分子網絡，在其中葉綠素分子需要執行重要的光合化學。
能量通過該系統的速度既令人印象深刻，又使研究它們的科學家感到困惑。Scholes實驗室的預測總是比觀察到的速度慢三倍。“這些能量通過蛋白質的時間尺度——我們永遠也不會明白為什么這個過程能夠如此之快，”責任作者Gregory Scholes說，他是普林斯頓大學William S. Tod榮譽化學教授。
2010年，Scholes的研究小組發現了證據，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象，在其中分子可以根據量子力學概率定律而不是經典物理來共享電子激發和轉移能量。但研究小組直到現在為止都無法準確解釋相干性是如何加快速率的。
通過使用一種復雜的超快激光方法，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復合物內的特定分子，但該小組通過將該蛋白質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實驗室的博士后研究員。
研究人員觀察了該系統的能量從一個分子轉移到另一個分子，從高能量的綠色光轉移到低能量的紅光，多余的能量以振動能的形式損耗掉。Dean說，這些實驗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。
這種振動匹配使得能量的轉移遠遠快于通過在分子之間對光激發進行分配所能傳輸的速度。這種效應為先前報道的量子相干性提供了一種機制。考慮到這種再分配，研究人員重新計算了他們的預測并得出了差不多快三倍的速率。
“終于，該預測變得大致正確了，”Scholes說。“原來，它需要這種完全不同的，令人驚訝的機制。”
Scholes實驗室計劃研究相關的蛋白質，以探討這種機制是否在其他光合生物體中起作用。最終，科學家們希望從這些精確調節但非常強大的集光蛋白質中汲取靈感和設計原則，以創造出具有完美的能量傳輸特性的光收集系統。“這種機制是對這些蛋白質的最優性的一個更強大的闡述，”Scholes說。
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