主题：【原创】量子生物学 I 摘要和前言 -- witten1

光合作用中的量子相干能量输运（上）

光合作用给地球上几乎所有的生命提供了能量。这种光子形式的能量通过光捕获“天线”中的电子激发被吸收。这些从各个“天线”被激发起来的电子紧接着就被输运到一个反应中心，在这反应中心里，电荷分离产生了更加稳定的化学能。在从各个“天线”到反应中心的过程中，精巧的生物结构和色素组成被充分的调动起来,而这些精巧的构件在不同的生物内又是以不同的形式表现出来。举个例子，既有像紫藻这样的使用高度对称的类环结构用于光捕获；也有像绿色植物和蓝藻所拥有带有叶绿素（能吸收光子的色素分子）的那样的看上去似乎是被随机安排的光合系统。大多数的光合有机体使用蛋白质这样的复杂的叶绿素分子，而蓝藻和红藻则是使用了独一无二的被称作藻胆素的发色体。光学捕获形态的多样性表明了自然界之中各种带有光合作用的有机体为适应不同的生理条件和自然环境而做出的必要的调整和改变。绿硫菌的光捕获装置就是其中最简单且被最广泛研究的一种（见图）。它们拥有非常大的染色体“天线”使得它们能在低光环境下也能生存下来。体内染色体所收集的能量通过一个被称作Fenna-Matthews-Olson(FMO)复合体的特殊结构被转移到反应中心。由于其相对较小尺寸及好的溶水性，FMO复合体的特性已被广泛而深入的研究了。在这种及其他的光合单元之中最为显著的特点是良好的光转换效率----几乎所有的光子都能被成功的转移到反应中心，即便电子激发态的存在时间只有短暂的一纳秒（1ns=10^(-9)s）。在2007年，Fleming及其合作者证实了在FMO复合体中的量子相干能量传输。从那时开始，FMO蛋白成为了量子生物学中的主要研究方向之一。

FMO复合体通常是以三聚体形式存在，每一个三聚体又包含了三个子复合体，其中，每一个子复合体包含了八个 细菌叶绿素-a(BChl-a)分子。这些分子被束缚在一蛋白质“脚手架”上，这“脚手架”即是退相干和噪声源同时可能又保护了在复合体中的相干激发并且在提升能量传输效率方面扮演了重要的角色（自然界真是天才，一个看上去明显有损效率的东西，可是同时却又在提升效率，这有点像bootstrap）。该复合体通过一个叫“基板”的东西和染色体“天线”联系起来。被激发起来的电子通过这个基板进入这个复合体，将BChl-a分子激发到其第一激发态（该激发态是一单重态）（这是非常精密的过程，考虑到分子的激发能级间距比原子小多了）。这些分子非常紧密的互相挨着（平均间距大概是1.5纳米），使得激发能在BChl-a分子之间顺利转移并最终到达反应中心。

图1：一个高效的光能捕获量子量子机器。被广泛研究的绿硫菌体内的光捕获装置中的FMO复合体展现量子相干能量传输特点。大量的实验及理论工作仔细彻底的考察在FMO蛋白中的能量转换的量子性质及其精确机制。在该领域中的研究可能揭示了在生物中用于提升能量捕获的新的量子力学机制（原文用principle，我觉得不恰当，因为量子力学的基本原理就那几条，这里的过程并没有超越那几条基本原理，所以我翻译成机制）。a,该部分图显示了绿硫菌内的光全装置，包括了“天线”，能量传导基板，FMO复合体，及反应中心。染色体天线（绿圆）有大概200,000个BChl-c分子组成，这是一个非常大的分子结构于用于在该细菌存在的低光环境下尽可能多的捕获光子。阳光让“天线”产生激发，紧接着通过其中一个FMO复合体被转移到反应中心(红色箭头)。b,该部分图是关于由X射线衍射所显示的在FMO色素蛋白复合体内的BChl-a分子的排列形态。FMO复合体包含了八个（尽管这里只显示了七个）BChl-a分子，这些BChl-a分子被一蛋白质分子所包围（这里没有显示该蛋白质）。来自染色体天线激发态到达几个分子中一个，通常是通过圉中标记为1的那个分子。紧接着这激发能从一个BCHl分子到达另一个，直至传到标记为3的分子，在这里该激发能将不可逆的进入反应中心开始电荷分离过程。

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