一个被众人相信的假设
照在地球表面的阳光在我们看来或许是明亮的，但在微观尺度上，太阳给每个叶绿素分子提供的光子并不多，即使在阳光明媚的日子，每秒钟也只有约一千个光子落在单个叶绿素分子上。尽管如此，光合作用仍在地球上稳定而可靠地进行着。因此，一直以来，科学家们相信只需要一个单光子，就足以启动光合作用的化学反应。然而，这种观点并没有得到证实。
现在，在发表于《自然》杂志的新研究中，一组研究人员通过使用天然的光合紫细菌（Rhodobacter sphaeroides），证实了仅凭单个光子，就可以启动这种灵敏的有机化学反应。
从假设到证实
过去，许多以精确的细节揭示了光合作用的一些后期步骤的研究，都是通过使用强大的、超快的激光脉冲作为光源完成的。但这样做的问题在于，激光和太阳光的强度其实有着很大的差异，典型的激光亮度是太阳光的一百万倍。此外，即使科学家能够设法制造出强度与太阳光相当的弱激光，它们仍然会因为光的量子特性（光子统计学）而非常不同。
要想设计一个可以观察单光子的实验，需要将量子光学和生物学结合起来。在新的研究中，研究人员就通过一种被称为“自发参量下转换”的过程，创造出了一个能一次只产生一对光子的光子源。
在每一次脉冲中，第一个光子，即所谓的“标示光子”，会被一个高灵敏度的探测器观测到。探测到这一标示光子能使研究人员知道这一对光子被释放的时间。与此同时，第二个光子则在前往从光合细菌中提取的光吸收分子结构的样品的途中。
在这项实验所使用的紫色细菌中，它拥有一种被称为捕光2复合物（LH2）的光吸收结构，这种LH2由分别包含9个和18个细菌叶绿素分子的环和其它一些分子组成。LH2是一种已被广泛研究的结构，在LH2中，当波长为800纳米的光子被由9个细菌叶绿素分子构成的环吸收时，能量会传递给由18个细菌叶绿素分子构成的第二个环，第二个环可以发射波长为850纳米的荧光光子。
在实验中，研究人员在样品附近还设置了另一个光子探测器，用于测量这个由第二个环所发射的波长为850纳米的光子。当探测到这个光子时，就表明能量已经从LH2的第一个环转移到了第二个环，这正是光合作用被激活的明确信号。
进行这种单光子实验的一个根本难点在于，如果只有一个光子，它是很容易丧失的。因此在这项研究中，研究人员选择了使用标示光子，他们分析了超过177亿个标示光子探测事件，以及160万个标示荧光光子探测事件，以确保观测结果只能归因于单光子吸收，并且不存在会影响结果的其它因素。
实验结果表明，他们成功地捕捉到了到了第二个环所发射的光子，并通过将这个光子与最初的标示光子的探测时间进行比较，证实了LH2只需要吸收一个光子就可以启动光合作用。
单光子技术
虽然植物和藻类与细菌进行光合作用的过程不同，但它们最初的步骤是非常相似的，并且都拥有共同的进化祖先。因此，研究人员相信，在植物和藻类中的光合作用，也是以相同的方式开始的。
这一发现巩固了我们目前对光合作用的理解，并将有助于回答有关生命如何在最小尺度上运作的问题。不过对于许多生物学家来说，单光子能够启动光合作用并不是最令他们惊讶的，更令他们感兴趣的事完成这项单光子实验的技术。
这项实验的成功意味着，科学家可以真正用单光子来探索一些问题。接下来，他们的目标是在最短的时间和空间尺度上，研究单光子是如何通过捕光复合物来转移能量的。