顾城给世人留下了著名诗句“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它来寻找光明”。把这句话用在古老的光合细菌绿硫菌身上也十分妥帖。人眼对可见光的响应达到单光子量级,而依靠光合作用为生的绿硫菌其生存环境比我们所经历过的任何黑夜还要暗淡。可以想象它们的捕光天线系统也应该十分发达,传能机制也会更为奇特。绿硫菌捕光天线可高达100%的传能效率也足以证实人们的这种猜测,然而其传能机制还一直处于深入研究当中。
绿硫菌(Green Sulfur Bacteria)黑暗中的捕光者。35亿年前地球上出现了一类最早的原核生物体光合细菌,它们具有原始的光合系统。在经历漫长的生物进化和多次对生物界具有毁灭性的气候大灾变,地球上这类资格最老的生物依然顽强地活着,这本身就是一个奇迹,而造就这一奇迹的是它们自身的生物构造,使得它们能够在太阳光照度极低的环境下生存下来。
绿硫菌就是这类光合细菌中的一员,它们生活在例如印度尼西亚的Matano湖和黑海水深约110-120米的深水中,捕光天线中每个捕光叶绿素分子一天也就能够捕获几个光子。
图1为绿硫菌的构造示意图。其光合天线系统包含以下三部分:绿小体捕光天线(chlorosome,),能量受体基盘(baseplate)和能量传递系统FMO蛋白色素复合体(Fenna–Matthews–Olson antenna protein)及光合反应中心(Reaction center)。
捕光天线绿小体是已知生物体内最大的捕光天线结构。绿小体和高等植物及其他光合细菌捕光天线的不同之处不仅仅是尺度之大,还在于其色素分子细菌叶绿素c的组装模式。高等植物及其他光合细菌的捕光天线是由色素分子与蛋白分子相结合,镶嵌在生物膜上。而绿小体中的色素分子则完全通过化学自组装的方式形成二维的片状结构,再由片状结构卷成套筒结构或蛋卷结构的椭球。
能量传递系统FMO的功能是将外围天线绿小体和基片捕光后形成的激发态能量传递到光合反应中心。FMO是个三聚体色素蛋白复合物,三聚体间的作用很弱。每个单体包含8个细菌叶绿素a分子。对于FMO的研究,2005年之前一直处于不被关注的冷门状态,直至2005年加州大学伯克利分校的Fleming小组利用二维超快电子光谱在77K条件下揭示了FMO通过色素分子电子态耦合实现量子相干态传能的机制。
2016年2月北京师范大学杨清正课题组,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)翁羽翔研究组和中国科学院理化技术研究组吴骊珠、佟振合院士研究组合作,在Angew. Chem. Int.上发表了题为“Light-Harvesting Systems Based on Organic Nanocrystals To Mimic Chlorosomes”的研究论文,在色素分子自组装三维纳米晶体中证实了离域激子态迁移的传能机制。
实验中以β-二酮氟化硼色素分子(BF2bcz)作为能量给体,两种结构较为相似的BF2cna和BF2dan分别作为能量受体,通过调节给体分子和受体分子含量的比例(106:1到103:1之间),将它们共组装成给受体有机纳米共晶。
通过测定不同给受体比例的有机纳米晶中受体对给体荧光淬灭的速度常数,发现存在一个受体浓度的临界值,当受体浓度小于临界值时,给体激发态淬灭过程符合双分子碰撞反应机理,给出的二级反应速率为1012M-1s-1。而当受体浓度达到临界值后,荧光淬灭速率达到极大值,并不再随受体浓度的提高而发生变化。
上述结果表明,(1)在给受体组装成的纳米共晶中,能量递过程符合激子迁移机制;(2)受体临界浓度对应的两个受体分子间的平均距离代表相干激子态的离域尺度。若以圆表示相干激子态的离域单元,该离域区域的半径为6.1 nm,相应的给受体分子的比例为1000:1。另外该人工模拟系统同样具有很高的传能效率:当给体受体的比例高达到1000:1时,能量传递效率仍可达95%。