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在不到十億分之一秒的時間內，從藻類到紅杉的植物將照射到它們身上的 95% 的陽光（每秒 1017 焦耳的光照沐浴著地球）轉化為化學形式儲存為碳水化合物的能量。 根據 2 月 4 日發表在《自然》雜誌上的一項新研究，實現這一點的量子關鍵在於物理學家所知的量子相干現象。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
量子相干性描述了不止一個分子如何同時與來自一個入射光子的相同能量相互作用。 本質上，來自特定光子的能量不是選擇一條路徑穿過光合系統，而是同時透過多個通道傳播，從而使其可以選擇最快的路徑。 多倫多大學的物理化學家 Greg Scholes 解釋說：“被吸收的光的能量正在尋找不止一條路徑來隨時移動”，他是突出這一效應的研究小組的負責人。 “我們無法精確定位那種光線的能量。 它以一種非常特殊的方式被共享。”
Scholes 和他的同事分離了被稱為隱藻的光合生物的“天線”（一種傳播入射能量的蛋白質鏈），特別是海洋藻類Rhodomonas CS24 和 Chroomonas CCMP270。 隱藻很特別，因為它們並非都採用相同的蛋白質來收穫陽光中的能量，就像綠色植物中普遍存在的葉綠素一樣。 Scholes 說：“這些人定製了他們的天線蛋白”，他指出，藻類也有鞭毛，可以使它們四處移動。“它們的顏色非常不同。”
藻類不同的天線顏色使化學家能夠用飛秒（一千萬億分之一秒）雷射脈衝脈衝特定的蛋白質。 根據之前X 射線晶體學提供的原子尺度圖譜，研究人員跟蹤了能量進入光合系統並穿過光合系統到達所謂的反應中心（能量儲存發生的地方）的過程。 脈衝顯示，在單個蛋白質分子內，能量同時沿著多條路徑傳播。 因此，蛋白質天線的效率依賴於量子相干性，以至於蛋白質內部分隔很遠距離（在原子尺度上）的分子在相對較長的時間內（超過 400 飛秒）以類似的方式同時作用。
之前的研究表明，紫色細菌使用量子方法有效地利用光，並且之前的實驗表明，在冷卻至 77 開爾文（–196 攝氏度）的綠色硫細菌中也存在類似的量子效應，而這項實驗是首次在室溫 294 K 下進行的，目的是複製這種效應。 基本上，根據這項研究，入射光子產生了一系列漣漪，就像扔進池塘的石頭一樣，這些漣漪相互干涉，使能量波能夠同時探索給定蛋白質分子中的所有潛在路徑，從而不會將能量損失到任何錯誤的路徑上。 Scholes 說，這就像您可以同時透過三條不同的路線開車上班，而不會因任何給定路線上的交通延誤而損失時間和精力。 這使得光子幾乎可以瞬間到達反應中心。
Scholes 指出：“在我們研究的系統中，即使在室溫下，您也可以觀察到這些量子效應，而且它們相當顯著。”他補充說，這意味著這些效應是“生物學相關的”（隱藻在其日常生活中使用）。 “短雷射脈衝用於揭示這種現象，而不是創造它。”
加州大學伯克利分校的化學家 Graham Fleming 已經表明，這種效應在低溫下的葉綠素系統中是可見的。 芝加哥大學的生物物理學家 Gregory Engel 沒有參與這項研究，他認為，因此，這種效應很可能在所有光合系統中都被使用，從而使植物能夠有效地在較長的原子距離上傳輸能量。 Engel 說：“這種效應出現在隱藻中，說明了該過程的普遍性。” “這項工作將為高效移動和集中能量的新技術開啟閘門。 這對於半導體器件[和]太陽光收集非常重要。”
事實上，這些見解可能有助於瞭解如何在人造系統中高效快速地遠距離原子傳輸能量以收集陽光——受益於大自然在最佳化此類系統方面 27 億年的先發優勢。 Scholes 說：“它可以幫助你在空間中實現巨大的飛躍嗎？ 它正是這樣做的。” “如果我們想設計一種能夠快速遠距離移動能量的裝置，那麼學習一些技巧或需要考慮的事情將非常棒。”