你知道吗？每一秒钟，地球上就会新长出来吨的植物，这完全归功于植物叶绿体的光合作用，而叶绿体的光捕获效率接近%，完成一次光合作用只需一万亿分之一秒的时间，植物的光合作用为何如此高效？这个谜团连研究量子力学的物理学家都难以解释。
在量子力学中，光的传播不是连续的，而是可以分为极小的一份一份的，而这一份一份的光，我们可以称之为光子。而当植物的光合细胞吸收太阳光之后，这些被称为光子的“能量包”会在一系列光捕获蛋白之间跳跃，直至到达细胞中的“食品加工厂”（光合反应中心），在那里，每一个光子都会为糖分子的生产提供动力。
科学家们注意到一点，这种通过光捕获复合体的能量转移以极高的效率发生：植物的光合细胞几乎每个吸收一个光子都会产生一个电子，这种现象被称为近单位量子效率。因此我们说光捕获效率接近%。
最近，麻省理工学院的一项新研究为光捕获蛋白如何实现如此高的效率提供了可能的解释。研究人员首次能够测量光捕获蛋白质之间的能量转移，他们发现这些蛋白质的无序排列提高了能量转导的效率。
“为了让光捕获蛋白工作，你需要长距离能量转换，我们的主要发现是，光捕获蛋白的无序组织提高了长距离能量转换的效率，”加布里埃拉·施劳-科恩（GabrielaSchlau-Cohen）说，他是麻省理工学院的化学副教授。研究论文发表在《美国国家科学院院刊》上。
能量捕获在这项研究中，麻省理工学院的团队重点研究了紫色细菌，这种细菌通常存在于缺氧的水生环境中，能够像植物一样依靠光合作用获得生存的能量，科学家们通常用这种细菌来作为光合作用光捕获研究的模型。
在这些细菌内，捕获的光子穿过由蛋白质和叶绿素等光吸收色素组成的光捕获复合物。超快光谱学是一种使用极短激光脉冲来研究飞秒到纳秒时间尺度上发生的事件的技术，依靠这种技术科学家们已经能够研究能量如何在这些蛋白质中移动。然而，研究能量如何在这些蛋白质之间传递已被证明更具挑战性，因为它需要以受控的方式定位多个蛋白质。
为了创建一个可以测量两种蛋白质之间能量如何传递的实验装置，麻省理工学院的团队设计了合成纳米级膜，其成分与天然存在的细胞膜相似。通过控制这些膜（称为纳米圆盘）的尺寸，他们能够控制嵌入圆盘内的两种蛋白质之间的距离。
在这项研究中，研究人员将紫色细菌中发现的主要光捕获蛋白的两种版本（LH2和LH）嵌入到他们的纳米圆盘中。LH2是正常光照条件下存在的蛋白质，LH是通常仅在弱光条件下表达的变体。
使用冷冻电子显微镜，研究人员可以对膜嵌入的蛋白质进行成像，并显示它们的定位距离与天然膜中看到的距离相似。他们还能够测量光捕获蛋白质之间的距离，其尺寸为2.5至纳米。
杂乱的更好由于LH2和LH吸收的光波长略有不同，因此可以使用超快光谱学来观察它们之间的能量转移。对于间隔很近的蛋白质，研究人员发现一个光子在它们之间传播大约需要6皮秒。对于距离较远的蛋白质，传输最多需要15皮秒。
更快的旅行意味着更有效的能量传输，因为旅行时间越长，传输过程中损失的能量就越多。施劳-科恩说：“当光子被吸收时，能量会因非辐射衰变等不必要的过程而损失掉，因此能量转换得越快，效率就越高。”
研究人员还发现，以晶格结构排列的蛋白质比以随机组织结构排列的蛋白质（通常在活细胞中）表现出较低的能量转移效率。“有序的组织实际上比生物学的无序组织效率低，我们认为这非常有趣，因为生物学往往是无序的。这一发现告诉我们，这可能不是生物学不可避免的缺点，生物体可能已经进化到能够采取充分利用它，”施劳-科恩说。
既然他们已经建立了测量蛋白质间能量转移的能力，研究人员计划探索其他蛋白质之间的能量转移，例如光捕获蛋白与反应中心蛋白质之间的转移。他们还计划研究除紫色细菌以外的生物体（例如绿色植物）中发现的光捕获蛋白之间的能量转移。
这项新研究并没有完全解释为何光合作用的效率为何如此之高，科学家们只发现了无序的组织能够提供更高的效率，在往后的研究中，他们还会发现更多的线索，以解开这个生物学上大谜团。一旦涉及到量子力学，一切观察和研究都变得寸步难行，我们离谜底仍很遥远。