揭秘光合作用中持续存在的量子效应

光合作用是将光能转化为化学能的关键生物过程，在维持地球生命中起着核心作用。近年来，科学家一直试图弄清这一过程中是否存在量子效应，尤其是所谓的“激子相干性”——即能量在分子间以波动形式高效传递的现象。过去十年，这一问题引发了广泛争议。一些实验结合近似理论模型认为，这些量子效应并不存在或极短暂；但本文通过高精度、全微观的计算机模拟，首次明确证明：在真实条件下，光合作用中的量子效应不仅存在，而且能持续足够长的时间，足以影响能量传递效率。

研究聚焦于绿色硫细菌中的“费纳-马修斯-奥尔森”（FMO）复合体，这是连接光捕获结构和反应中心的能量传递通道。以往由于计算能力限制，科学家只能使用简化模型来模拟其行为，这些模型往往忽略了复杂的振动环境细节，从而可能低估了量子效应。本研究采用了名为DAMPF的先进计算方法，结合真实的振动频谱数据，实现了对FMO复合体的“无近似”精确模拟。结果发现，无论是在低温（77K）还是室温（300K）下，激子之间的量子相干性都能持续皮秒级别——这正是能量传递所需的时间尺度，意味着量子效应很可能参与并优化了这一过程。

一个关键突破是，研究揭示了传统分析方法的局限性。例如，此前有研究通过二维电子光谱观察到快速衰减的信号，便推断量子相干性很弱。但本研究表明，这种判断依据的是简化的理论模型，而精确模拟显示，即使整体信号衰减快，其中仍包含持久的高频振荡成分，这正是长寿命量子相干性的体现。此外，研究还发现，这些相干性的频率在改变分子结构后几乎不变，这曾被误认为是纯振动效应的证据；但新模拟表明，这是由于电子态与整个振动环境的复杂耦合（称为多模态混合）所致，进一步支持了量子效应的存在。

研究还指出，要从实验数据中准确识别量子效应，必须结合精确的微观模型进行定量分析，仅靠实验或粗略理论都容易得出错误结论。作者建议，未来可通过红外与可见光脉冲结合的量子控制实验，主动扰动特定振动模式，来验证这种多模态机制。总之，这项工作不仅证实了光合作用中存在持久的量子效应，更重要的是提供了一套可靠的理论框架和计算工具，为理解自然界如何利用量子力学原理高效运作打开了新大门，也为设计人工光能转化系统提供了重要启示。