作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 效率驱动的进化和环境辅助的量子输运机制
(一)光合复合体向当前几何形态进化过程的示意图，效率是进化的驱动力
随着进化的进行，光合复合体的结构向目前的结构进化[在这个例子中是芬纳-马修斯-奥尔森(FMO)复合体]，同时提高效率
这是否确实是光合复合体的进化途径，如果是，量子相干性是否是效率提高的一部分是量子生物学领域的一个中心问题
(二)六个位点的均匀链显示的群体均匀化机制的示意图(蓝线表示链中的位点；黄色箭头表示第一个位点的激发和第五个位点的提取)
这些位置的密度用蓝色条表示量子态、ENAQT态和经典态，以及电流对相移曲线的示意图
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc4631 在《科学进展》杂志上发表的一篇新报告中，以色列内盖夫本古里安大学化学和纳米科技系的埃丽诺·谢拉·哈鲁斯(Elinor Zerah Harush)和约纳坦·杜比(Yonatan Dubi)讨论了直接评估量子相干性对三种天然光合复合体效率的影响
开放量子系统方法允许研究人员同时识别自然生理条件下的量子性质和效率
这些系统处于一个混合的量子-经典体系中，他们用退相辅助输运来表征这个体系
效率是最低的，因此量子相干的存在在这个过程中并没有起到实质性的作用
效率也与任何结构参数无关，这表明进化在其他用途的结构设计中的作用
研究生物学中的量子效应 在光合作用过程中，能量可以从天线转移到反应中心，收集光并将其转化为化学能，供生物体使用
激子束缚的电子空穴对在光合过程中形成能量载体，通过细菌叶绿素(细菌中出现的光合色素)网络，也称为激子转移复合物(ETC)，将收集的太阳能从天线携带到反应中心
在过去的十年里，研究人员使用超快非线性光谱学信号来演示长寿命的振荡，对ETC的兴趣已经扩大了
ETCs中相干振荡的发现提出了量子相干发生在天然光合复合体中以辅助能量转移的假设
Harush等人
试图理解光合作用能量转移的生物过程中是否存在量子相干
如果是，它是否被自然系统用于提高功能效率？虽然实验和理论工作已经解决了这些问题，但它们在很大程度上仍然没有答案
在这项工作中，该团队使用从开放量子系统理论发展而来的工具来解决这些问题
这些发现表明光合作用复合体不太可能使用量子相干来提高它们的效率
环境对FMO和PC645光合转移效率的影响
FMO(甲)和聚碳酸酯-645(乙)配合物的计算激子电流作为退相的函数
绿色阴影区域表示生理退相速率的估计范围
插图显示了激子复合物的示意图
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc4631 实验 研究小组在实验中考虑了三种不同的光合作用电子传递复合物
其中包括出现在绿色硫细菌中的芬纳-马修斯-奥尔森(FMO)复合体、隐生植物藻蓝蛋白-645 (PC-645)蛋白质(隐生藻类光合器官的一部分)和光收集2(LH2)——紫色光合细菌嗜酸红假单胞菌的一部分
在非线性二维光谱测量中，所有三种配合物都表现出相干能量转移振荡
研究小组绘制了激子电流与FMO复合物和PC-645复合物的退相速率的函数关系
图之间的相似性表明了电流对内部结构哈密顿量的相对不敏感性
使用Harush等人的细菌群体
测试系统的“定量”水平
他们通过环境辅助量子传输机制，利用激子数量和退相速率之间的联系认识到了这一点
由于电流显示了最大的退相速率，因此在结果中可以清楚地看到ENAQT效应
然而，当前的增强在大约0
0015%的增长表明该综合体不太可能产生有意义的进化驱动力
ENAQT形成过程中的激子密度排列
(一)密度配置(一
e
，激子在不同位置的占据)的FMO复合物的三种不同状态:量子极限(蓝线，γ相移= 104μs-1)、生物条件(黄线，γ相移= 106μs-1)和经典极限(绿线，γ相移= 1012μs-1)
从量子体系向经典体系的转变伴随着密度结构的转变，从波函数确定的结构转变为源和汇之间的均匀梯度，在源和汇之间有均匀的结构
为了更清楚地看到这一点，(乙)、(丙)和(丁)提出了FMO的示意性结构，其中每个球体代表一个BChl网站，颜色亮度反映其密度
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc4631 环境对光合传递效率的影响 该小组接下来研究了LH2(光收集-2)复合体，以了解ENAQT(环境辅助量子传输)和人口之间的联系
这是困难的，因为在结构中天线和反应中心之间缺乏空间分离
LH2复合物含有两个细菌色素环；B800(黄色环)和B850(蓝色环)因其能量吸收共振(单位为纳米)和吸收光谱可见区域的能量而得名
配合物的每一部分都可以吸收光来激发激子，激子从一个环转移到反应中心，从而产生许多激子转移路径
然而，流花2号的电流-相位曲线揭示了输运过程中相干性的重要性
研究小组随后绘制了电流与LH2系统失相率的函数关系图，并注意到电流有非常小的增加，大约为0
05%
环境对LH2光合传递效率的影响
针对≈900条可能路径计算的平均LH2激子电流，作为退相速率的函数(黑线)
粉色曲线显示了任意选择的实现的电流(I
e
入口和出口位置)
绿色阴影区域表示自然退相速率
插图:LH2传输网络示意图
学分:科学进步，doi: 10
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abc4631 类FMO网络的5000种实现的电流对相移率
能量保持固定，而跳跃矩阵元素从200cm-1的范围中选取
对于所有实现，获得的ENAQT几乎是相同的范围，这表明ENAQT机制(和机制本身)的效率与系统结构无关
学分:科学进步，doi: 10
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abc4631 时尚、连贯和经典
研究结果表明，当比较全量子情况和生理上实际的退相速率时，激子电流没有显著增加
他们还考虑了经典系统，这些系统并没有因为缺乏一致性而被定义，尽管它们的一致性可以在没有额外信息的情况下从群体中完全确定
研究人员先前已经量化了量子系统和经典系统之间的区别
在经典系统中，这两种电流是相同的，这意味着量子相干性不携带经典动力学的额外信息
这项研究的结果表明，与FMO、PC-645和LH2相关的感兴趣的结构没有进化到提高复合物的效率
今后，埃莉诺·谢拉·哈鲁斯和约纳坦·杜比打算评估观察到的退相时间的来源，以确认研究中计算的值是否唯一
该团队还打算理解光合转移复合体的其他潜在进化优势，这将指导生物物理学家广泛理解光合复合体中量子效应的可能作用
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