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在不到十亿分之一秒的时间内，从藻类到红杉的植物将照射到它们身上的 95% 的阳光（每秒 1017 焦耳的光照沐浴着地球）转化为化学形式储存为碳水化合物的能量。 根据 2 月 4 日发表在《自然》杂志上的一项新研究，实现这一点的量子关键在于物理学家所知的量子相干现象。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
量子相干性描述了不止一个分子如何同时与来自一个入射光子的相同能量相互作用。 本质上，来自特定光子的能量不是选择一条路径穿过光合系统，而是同时通过多个通道传播，从而使其可以选择最快的路径。 多伦多大学的物理化学家 Greg Scholes 解释说：“被吸收的光的能量正在寻找不止一条路径来随时移动”，他是突出这一效应的研究小组的负责人。 “我们无法精确定位那种光线的能量。 它以一种非常特殊的方式被共享。”
Scholes 和他的同事分离了被称为隐藻的光合生物的“天线”（一种传播入射能量的蛋白质链），特别是海洋藻类Rhodomonas CS24 和 Chroomonas CCMP270。 隐藻很特别，因为它们并非都采用相同的蛋白质来收获阳光中的能量，就像绿色植物中普遍存在的叶绿素一样。 Scholes 说：“这些人定制了他们的天线蛋白”，他指出，藻类也有鞭毛，可以使它们四处移动。“它们的颜色非常不同。”
藻类不同的天线颜色使化学家能够用飞秒（一千万亿分之一秒）激光脉冲脉冲特定的蛋白质。 根据之前X 射线晶体学提供的原子尺度图谱，研究人员跟踪了能量进入光合系统并穿过光合系统到达所谓的反应中心（能量存储发生的地方）的过程。 脉冲显示，在单个蛋白质分子内，能量同时沿着多条路径传播。 因此，蛋白质天线的效率依赖于量子相干性，以至于蛋白质内部分隔很远距离（在原子尺度上）的分子在相对较长的时间内（超过 400 飞秒）以类似的方式同时作用。
之前的研究表明，紫色细菌使用量子方法有效地利用光，并且之前的实验表明，在冷却至 77 开尔文（–196 摄氏度）的绿色硫细菌中也存在类似的量子效应，而这项实验是首次在室温 294 K 下进行的，目的是复制这种效应。 基本上，根据这项研究，入射光子产生了一系列涟漪，就像扔进池塘的石头一样，这些涟漪相互干涉，使能量波能够同时探索给定蛋白质分子中的所有潜在路径，从而不会将能量损失到任何错误的路径上。 Scholes 说，这就像您可以同时通过三条不同的路线开车上班，而不会因任何给定路线上的交通延误而损失时间和精力。 这使得光子几乎可以瞬间到达反应中心。
Scholes 指出：“在我们研究的系统中，即使在室温下，您也可以观察到这些量子效应，而且它们相当显着。”他补充说，这意味着这些效应是“生物学相关的”（隐藻在其日常生活中使用）。 “短激光脉冲用于揭示这种现象，而不是创造它。”
加州大学伯克利分校的化学家 Graham Fleming 已经表明，这种效应在低温下的叶绿素系统中是可见的。 芝加哥大学的生物物理学家 Gregory Engel 没有参与这项研究，他认为，因此，这种效应很可能在所有光合系统中都被使用，从而使植物能够有效地在较长的原子距离上传输能量。 Engel 说：“这种效应出现在隐藻中，说明了该过程的普遍性。” “这项工作将为高效移动和集中能量的新技术打开闸门。 这对于半导体器件[和]太阳光收集非常重要。”
事实上，这些见解可能有助于了解如何在人造系统中高效快速地远距离原子传输能量以收集阳光——受益于大自然在优化此类系统方面 27 亿年的先发优势。 Scholes 说：“它可以帮助你在空间中实现巨大的飞跃吗？ 它正是这样做的。” “如果我们想设计一种能够快速远距离移动能量的装置，那么学习一些技巧或需要考虑的事情将非常棒。”