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人類が地球上で生活出来ているのは、光合成のおかげと言っても過言ではない。太陽からの光を植物や動物の食べ物に変え、その副産物として酸素が生まれる。この光合成は、地球上の生命にとって極めて重要なものであるにもかかわらず、その詳細については長い間、謎に包まれていた。だが、量子力学に人類が出会ったことで、その状況は変わりつつある。

ここ数年、最先端の装置によって、光合成が分子レベルでどのように行われるかを観測することができるようになった。この新しい実験は、光合成のプロセスの最初のステップである光の吸収を実現するもので、他の研究を補完するものだ。そして研究者たちは、化学反応がたった1個の光子(光の粒子)で始まることを示すことができた。

カリフォルニア大学バークレー校の物理化学者Graham Fleming氏は、「光合成の反応は、たった1個の光子の吸収によって始まると長い間考えられてきたが、そのことはまだ証明されていませんでした。」と言う。Fleming教授と同僚たちは、「光合成が1個の光で始まるというのが本当に正しいかどうかを調べてみようと思ったのです」。

1個の光子が反応を開始するという考え方は理にかなっており、しばらくはそのように想定されてきた。しかし、それが本当に真実であることを証明するのは簡単なことではない。専門家の組み合わせと、量子光学と生物学的調査の両方における最新技術が必要だったのだ。

研究者らは、紫色細菌Rhodobacter sphaeroidesの光合成複合体LH2(light-harvesting bacteriochlorophyll-protein complex 2)を分析した。これは、細菌のクロロフィル分子9個を含む小さいリングと、この分子18個でできた大きいリングで構成されている。

これらの分子が光子を吸収するのを見るために、科学者たちは「量子もつれ」と呼ばれる不思議な現象に頼った。基本的に、光子のような2つ以上の粒子が結びついたり「もつれ」たりすると、理論的にはどんなに離れていても互いに影響を与え合うことが出来る。そのため、量子もつれ状態の光子を分析することで、その光子のパートナーに何が起こっているのかを明らかにすることができるのだ。

科学者たちは、もつれた光子のペアを作った。そして、それぞれのペアから1つの光子を直接、高感度な検出器に送った。この「前触れ」光子は、相手がLH2を照らす途中であることを確認するのに役立った。この2番目の光子を吸収すると、光合成複合体は蛍光を発し、弱い光を放つが、それを別の検出器が感知する。

177億個以上の光子の検出と160万個の蛍光の検出を分析した結果、光合成を開始するには、1個の光子があれば十分である事が判明した。地球上のすべての光合成生物は同じような化学反応を使っているので、研究者たちは、バクテリアで得られたこの発見が植物や藻類の光合成にも適用できると確信している。

この実験によって、光合成についての理解が深まった。光合成は、それ自体が重要な生物学的プロセスであると同時に、そのプロセスを高い効率で人工的に作り出すことができる方法でもあるのだ。これは、グリーン燃料の製造などに利用できるかも知れない。

「この実験によって、個々の光子を用いて何かをすることができることが示されたことが、まず第一に挙げられると思います。これは非常に重要なポイントです」と共同研究者のBirgitta Whaley氏は述べている。「次の課題は、他に何ができるかということです。私たちの目標は、個々の光子から光合成複合体を介したエネルギー移動を、可能な限り短い時間的・空間的スケールで研究することです」。


論文

参考文献

研究の要旨

光合成は、一般に太陽からの単一光子によって開始されると考えられている。太陽は弱い光源であるため、クロロフィル吸収帯の中で1秒間にナノメートル平方あたりせいぜい数十個の光子が照射されるにすぎない1。しかし、過去40年間、多くの実験的・理論的研究が、高強度・超短パルスレーザー光の吸収に続く光合成中の事象を探求してきた。ここでは、紫色細菌Rhodobacter sphaeroidesの光捕集2(LH2)複合体(B800リングとB850リングからなり、それぞれ9個と18個のバクテリオクロロフィル分子を含む)を、単一光子で周囲条件下に励起する。B800リングを励起すると、約0.7psでB850リングに電子エネルギーが移動し、その後、約100fsの時間スケールでB850からB850へのエネルギー移動が急速に起こり、850-875nmで発光する。我々は、前兆単一光子源と同時計数法を用いて、B800励起とB850蛍光発光の時間相関関数を確立し、両イベントに単一光子が関与していることを証明した。また、検出された蛍光光子1個あたりのヘラルド数の確率分布から、1個の光子が吸収時にエネルギー移動と蛍光発光を引き起こし、ひいては光合成の一次電荷分離を引き起こすという見解が支持されることを見出した。解析的確率モデルとモンテカルロ数値モデルがデータを捉え、自然の光捕集複合体において単一光子の吸収と単一光子の放出が相関していることをさらに確認した。

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