光合性の後ろの重大な物理的な現象の最初観察そして性格描写

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

きれいな緑の太陽エネルギーの未来は科学者で光合性、緑プラントが電気化学エネルギーに日光を変換するプロセスのミステリーを解けます蝶番を付けるかもしれません。

これを受けて、ローレンスバークレーの国立研究所 ( (DOE)バークレーの実験室) および (UC) カリフォルニア大学米国エネルギー省の研究者は、バークレー量のもつれとして知られている光合性の後ろの重大な物理的な現象の最初の観察そして性格描写を記録しました。

Mohan Sarovar (着席する) および (左から) Akihito Ishizaki、 Birgitta Whaley およびグラハム Fleming は実質の生物系の量のもつれの最初の観察そして性格描写を遂行しました。 (ローイ Kaltschmidt のバークレーの実験室の広報業務著写真)

即座に複合体を収穫するライトの分子から電気化学の反作用の分子に太陽エネルギーを転送する緑プラントの機能へのキーが、光合性によって、ほとんど集中するように量の機械効果を指されるバークレー実験室およびカリフォルニア州立大学バークレー校との共同任命を保持しているグラハム Fleming、物理的な化学者が導く前の実験。 ここで Fleming を含んでいる新しい共同のチームはこれらの量子効果の自然な機能としてもつれを識別してしまいました。 2 つの量サイズの粒子、例えば電子のペアが、 「紛糾する場合、離れてあるかもしれなくてもいかに」、他の 1 つへのどの変更でも直ちに反映されます。 物理的に分けられてけれども、 2 つの粒子は単一のエンティティとして機能します。

「これはもつれことを示す最初の調査、多分量の機械システムの最も特有な特性は、複合体を収穫する全体のライトを渡ってあります」言います Mohan Sarovar、 Quantum の情報および計算のためのバークレーの中心のカリフォルニア州立大学バークレー校化学教授の下の Birgitta Whaley ポストドクターをです。 「生物学によって動機を与えられたおもちゃシステムのもつれの前の調査の間、これはもつれが実質の生物系で」。検査され、量を示された第一審です

この調査の結果は電気エネルギーの回復可能な無公害のもととして人工的な光合性システムの開発のためのだけ、また計算のような領域の量ベースの技術の未来の開発のための含意を保持します - 量のコンピュータはある特定の操作のたくさんの時をあらゆる慣習的なコンピュータより速く行うことができます。

「私達が自然システムで収穫するライトの量の面について学んでいるレッスンよりよい人工的な光合成システムのデザインにと」、は Sarovar 言います適用することができます。 「複合体および総合的な模倣者を収穫するライトの有機性構造また量のコンピュータの有用なコンポーネントとして役立つことができますかまたは量高めました情報の転送のためのワイヤーのような装置を」。は

もつれは設計し、維持すること困難な壊れやすく、エキゾチックな特性であることである普及した科学的な概念に反対それこの調査の最も重要な暴露であると証明するかもしれない何がバークレーの研究者はもつれが生物系の無秩序の化学複雑さであり、持続できることを示しました。

「私達は高温でタイムスケールの決定によって騒々しい非平衡システムの量のもつれのための強力な証拠を示し、もつれがある特定の細菌の光合性に中央である蛋白質の構造で観察可能である温度」と Sarovar は言います。

Sarovar は光合成のライト収穫の複合体のジャーナル性質の物理学によってタイトルを付けられる 「Quantum のもつれでオンラインで」。現われるこの研究を記述するペーパーの Fleming そして Whaley の共著者です またこのペーパーを共著することは Fleming の研究グループの Akihito Ishizaki でした。

緑プラントおよびある特定の細菌は収穫される日光転送から顔料蛋白質の複合体をそしてほぼ収穫するライトの 100 パーセントの効率の反作用の中心へのネットワークを通してエネルギーをできます。 速度はキーです - 少しエネルギーが熱として無駄になるほど太陽エネルギーの転送は速く起こります。 2007 年に、 Fleming および彼の研究グループはこの本質的に即時のエネルギー移動が非常に長命の、波状の電子量の一貫性によって可能になったという最初の直接証拠を報告しました。

タイム・スケールフェムト秒 (秒の十億分の一の millionths) になされた電子分光学の測定を使用して Fleming および彼のグループは 「量打つ」のシグナル、提供者およびアクセプターの両方分子の凝集性の電子振動の存在を検出しました。 これらの振動は形作られる波のような捕獲された太陽光子からの刺激エネルギーによって石が池に投げられるとき、生成されます。 振動の波状の品質はそれらが同時に光合成システムのすべての位置エネルギーの転送のパスを見本抽出し、最も効率的の選択することを可能にします。 Fleming および彼のグループによるそれに続く調査は凝集性の振動のソースとして光合成システムの軽い収穫の部分の密接に詰められた顔料蛋白質の複合体を識別しました。

「私達の結果、顔料の分子を囲む関連させた蛋白質の環境が (クロロフィルのような) 光合成の複合体の量の一貫性を維持することそれから光合性で収穫し、引っ掛かる非常に能率的なエネルギーを可能にするスペースで一致して移動するように刺激エネルギーがしますと」は Fleming を言います提案しま。

この新しい調査では量のもつれが現れることを示すために、 Ishizaki および Fleming が開発した原動力を収穫するライトの光合性システムの量の一貫性が展開すると同時に信頼できるモデルは Whaley および Sarovar の量情報研究と結合されました。 調査の焦点は化学が (FMO)よく特徴付けられた 7 つの顔料の分子だけから成っているので Fenna Matthews Olson 光合成のライト収穫蛋白質、緑の硫黄の細菌で見つけられた光合成のエネルギー移動を調査するためのモデルシステムとして考慮される分子複合体でした。

「私達は刺激エネルギーが反作用の中心によって引っ掛かったまでピコ秒のタイムスケールに持続した FMO の複合体のもつれの存在のための数値的な証拠を、本質的にと」、 Sarovar 言います見つけました。

「これは生理学的な温度で生物的か不調なシステムで驚くべきで、非常に decoherent 環境で非平衡の multipartite もつれが比較的長い時間の間あることができることを説明します」。

調査チームはまたもつれが約 30 オングストロームの間隔を渡って (1 オングストロームは水素原子の直径です) 持続したが、この長さスケールは効果の限定自体よりもむしろ FMO の複合体の比較的小型の製品として、見られましたことが分りました。

「私達は」 Sarovar を言うことを長命、非平衡のもつれがまたアンテナ複合体を、 LH1 および LH2 のような収穫するより大きいライトにあると、そして複合体を収穫するそのようなより大きいライトに紛糾させた州のより豊富な変化にアクセスするためにまた多重刺激を作成し、サポートすることも可能かもしれないと期待します。

調査チームは重要なもつれが複合体を収穫するライトで電子および振動状態を通して強く (接続される) つながれなかった分子の間で持続したことを見るために驚きました。 彼らはまた少し影響の温度がもつれのある程度でどのように持っていたか見るために驚きました。

「量情報、温度のフィールドで通常もつれのような量の特性に非常に有害考慮されます」と Sarovar は言います。 「しかし複合体を収穫するライトのようなシステムで私達はもつれが」。増加された温度の効果に比較的免疫がありますことを見ます

この研究は米国国防総省高等研究計画局からの許可によって一部と一部には科学のオフィス米国エネルギー省によってサポートされました (DARPA)。

Last Update: 12. January 2012 22:07

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit