I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Elinor Zerah Harush och Yonatan Dubi på avdelningarna för kemi och vetenskap och teknik i nanoskala, vid Ben-Gurion University of the Negev, Israel, diskuterade en direkt utvärdering av effekterna av kvantkoherens på effektiviteten av tre naturliga fotosyntetiska komplex. Tillvägagångssättet med öppna kvantsystem gjorde det möjligt för forskarna att samtidigt identifiera kvantnaturen och effektiviteten under naturliga fysiologiska förhållanden. Dessa system levde i en blandad kvantklassisk regim, som de karakteriserade med hjälp av avfasningsassisterad transport. Effektiviteten var i bästa fall minimal, därför spelade inte förekomsten av kvantkoherens någon väsentlig roll i processen. Effektiviteten var också oberoende av eventuella strukturella parametrar, föreslår evolutionens roll under strukturell design för andra användningsområden.

Undersöker kvanteffekter inom biologi

Under fotosyntesen, energi kan överföras från en antenn till ett reaktionscenter för att samla ljus och omvandla det till kemisk energi för att användas av organismen. Excitonbundna elektronhålspar bildade energibärarna i fotosyntesprocessen för att transportera skördad solenergi från antennen till reaktionscentrumet via ett nätverk av bakterioklorofyller (fotosyntetiska pigment som förekommer i bakterier), även känt som exciton-överföringskomplexet (ETC). Intressen för ETC har expanderat under det senaste decenniet där forskare använde ultrasnabba olinjära spektroskopisignaler för att demonstrera långlivade svängningar. Upptäckten av koherenta svängningar i ETC presenterade hypotesen att kvantkoherens inträffade inom naturliga fotosyntetiska komplex för att hjälpa energiöverföringen. Harush et al. försökte förstå om kvantkoherens kunde existera i den biologiska processen för fotosyntetisk energiöverföring. Om så är fallet, användes det av det naturliga systemet för ökad funktionell effektivitet? Medan experimentellt och teoretiskt arbete har behandlat dessa frågor, de förblir i stort sett obesvarade. I det här arbetet, teamet tog upp frågorna med hjälp av verktyg utvecklade från teorin om öppna kvantsystem. Fynden tyder på osannolikheten för fotosyntetiska komplex att använda kvantkoherens för att öka sin effektivitet.

Teamet övervägde tre olika fotosyntetiska ETC (exciton-överföringskomplex) under experimenten. Dessa inkluderar Fenna-Matthews-Olson (FMO)-komplexet - som förekommer i gröna svavelbakterier, proteinet kryptofyt phycocyanin-645 (PC-645) - en del av fotosyntesapparaten i kryptofytalger, och light harvesting 2 (LH2) – en del av den lila fotosyntetiska bakterien Rhodopseudomonas acidophila. Alla tre komplex visade koherenta energiöverföringsoscillationer i icke-linjära tvådimensionella spektroskopimätningar. Teamet plottade excitonströmmen som en funktion av avfasningshastigheten för FMO-komplexet och PC-645-komplexet. Likheten mellan plotterna anklagade relativ okänslighet hos strömmen till den interna strukturen Hamiltonian. Med hjälp av bakteriepopulationerna har Harush et al. testade nivån av "kvantitet" av systemet. De insåg detta genom att använda en koppling mellan excitonpopulationen och avfasningshastigheten genom mekanismen för miljöassisterad kvanttransport (ENAQT). ENAQT-effekten var tydligt synlig i resultaten eftersom strömmen visade ett maximum i avfasningshastigheten. Dock, den aktuella förbättringen var minut vid cirka 0,0015 % ökning för att indikera att komplexet osannolikt skulle påtvinga en meningsfull evolutionär drivkraft.

Miljöns effekt på fotosyntetisk överföringseffektivitet

Teamet undersökte sedan LH2 (light harvesting-2)-komplexet för att förstå sambandet mellan ENAQT (miljöassisterad kvanttransport) och befolkningen. Detta var svårt på grund av bristen på rumslig separation mellan antennen och reaktionscentrum i konstruktionen. LH2-komplexet innehöll två ringar av bakteriofyllpigment; B800 (gul ring) och B850 (blå ring) uppkallade efter deras energiabsorptionsresonans i nanometer och absorberande energi i det synliga området av spektrumet. Varje del av komplexet kunde absorbera ljus för att excitera en exciton, som överfördes från en av ringarna till reaktionscentrumet, vilket gör att många excitonöverföringsvägar kan inträffa. Dock, en ström- kontra avfasningskurva för LH2 visade vikten av koherens under transport. Teamet plottade sedan ström som en funktion av avfasningshastigheten för LH2-systemet och noterade en mycket liten ökning av strömmen på ungefär 0,05 procent.

Nuvarande, koherens och klassiskitet.

Resultaten av studien fastställde frånvaron av en avsevärd ökning av excitonströmmen när man jämförde det fullständiga kvantfallet med de fysiologiskt realistiska avfasningshastigheterna. De tog också hänsyn till klassiska system, som inte definierades av bristen på någon samstämmighet, även om deras koherenser helt och hållet kunde fastställas från populationerna utan ytterligare information. Forskare hade tidigare kvantifierat skillnaden mellan kvantsystem och klassiska system. I ett klassiskt system, de två strömmarna kommer att vara desamma, antyder att kvantkoherenser inte bär ytterligare information över den klassiska dynamiken.

Resultatet av denna studie visade hur strukturerna av intresse i förhållande till FMO, PC-645 och LH2 utvecklades inte för att öka effektiviteten hos komplexen. I framtiden, Elinor Zerah Harush och Yonatan Dubi avser att bedöma ursprunget till den observerade utfasningstiden för att erkänna om värdena som beräknats i studien är unika. Teamet avser också att förstå andra potentiella evolutionära fördelar med de fotosyntetiska överföringskomplexen, som kommer att vägleda biofysiker att i stort sett förstå den möjliga rollen av kvanteffekter i fotosyntetiska komplex.

© 2021 Science X Network