光学前沿动态

OPTICS FRONTIERS

全部分类 >

首页

2026

光合作用中的多尺度生物量子效应

作者：

随着生物大分子结构解析分辨率到达原子级，生命科学的规律探索也由以往细胞层次的描述性规律探索，进入到基于大分子精确结构信息的量子规律的探索。光合作用以近乎无损的效率将太阳能转化为化学能。理论研究表明，如此高的量子效率必须有如量子相干态传能等量子机制的支撑。问题是，在温暖、潮湿、充满热噪声的生物环境中，脆弱的量子效应如何存活并发挥功能？量子效应如何决定生物功能的发挥？微观量子效应能否在更大的空间尺度上发挥作用，即所谓的生物宏观量子效应？　　

围绕这一系列问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔团队一直致力于光合作用中的量子效应研究，近年来做出了一系列相关研究工作。　　

其中三个代表性研究工作分别覆盖了~6 Å（高等植物主要捕光天线非光化学淬灭量子开关）、~21 Å（海藻光合天线量子相干态传能）和~50-80 nm（由捕光天线离域态结构调控的光合膜囊泡优化），跨越两个数量级的空间尺度，并贯穿着同一逻辑：光合作用中的量子效应不是被动的“幸存者”，而是被蛋白质动态结构主动保护的功能核心。这种保护不是随机的，而是遵循量子相位同步这一普适机制。更重要的是，量子设计原则可以从分子尺度向更大的空间尺度传递，在宏观尺度上表现为可观测的生物功能优化。从量子相干、分子开关到纳米级囊泡优化，光合作用告诉我们：量子，从未脱离宏观生命。这一认识不仅刷新了量子生物学的理论框架，也为室温量子器件的抗退相干设计、作物光能利用效率的遗传改良提供了全新的思路。具体的研究成果是，通过二维电子光谱研究了蓝藻别藻蓝蛋白APC和隐藻藻红蛋白PE545中的相干传能机制(Nature Communications, 15, 1, 2024; The Journal of Chemical Physics, 162, 20, 2025), 以及相似蛋白结构藻蓝蛋白PC???中的非相干传能过程(The Journal of Chemical Physics, 161, 8, 2024)。通过时间分辨光谱和冷冻电镜结构解析研究了高等植物中的主要捕光天线蛋白LHCII中的量子开关切换机制(Science China Chemistry, 63, 8, 2020; Nature Plants, 9, 9, 2023)。发现了紫色光合细菌捕光天线蛋白LH2通过内陷形成囊泡以增大捕光面积，进化使其选择了50-80 nm的囊泡最优尺寸(Biophysical Journal, 124, 14, 2025)。最近，他们将这些工作总结成了环环相扣的Featured Article，给出了一个出人意料的答案：量子非但不是“脆弱的意外”，反而是被蛋白质主动保护、精准调控并向更大空间尺度传递的核心设计原则。　　

该总结工作近期以“Exploring Biological Quantum Effects in Photosynthesis across Varied Spatial Scales”为题发表在The Journal of Physical Chemistry B期刊，中国科学院物理研究所博士后阮美霞为第一作者，中国科学院物理研究所翁羽翔研究员为通讯作者。