Quang hợp

Các sinh vật quang hợp bằng cách hấp thụ năng lượng ánh sáng thông qua quá trình kích thích điện tử diễn ra trong các antenna. Các antenna khác nhau tùy theo dạng sinh vật. Ví dụ, vi khuẩn sử dụng antenna có dạng vòng, trong khi đó thực vật sử dụng sắc tố diệp lục để hấp thụ photon. Quang hợp hình thành các exciton Frenkel, giúp phân tách điện tích mà tế bào chuyển đổi thành năng lượng hóa học có thể sử dụng được. Năng lượng được tạo ra ở các vị trí phản ứng cần phải được chuyển đi nhanh chóng trước khi thất thoát do phát huỳnh quang hoặc dao động nhiệt.

Các cấu trúc khác nhau, như phức hợp FMO ở vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, có vai trò chuyển năng lượng từ các antenna tới vị trí phản ứng. Quang phổ điện tử FT nghiên cứu cho thấy mức độ chuyển đổi và hấp thụ electron có hiệu quả trên 99%,[11] điều này không thể được giải thích bằng các mô hình cơ học cổ điển tương tự như mô hình khuếch tán. Thay vào đó, ngay từ năm 1938, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết chính tính gắn kết lượng tử (quantum coherence) mới là cơ chế cho sự chuyển dịch năng lượng kích thích.

Các nhà khoa học gần đây đã tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm cho cơ chế vận chuyển năng lượng bằng tính gắn kết lượng tử. Một nghiên cứu được công bố năm 2007 tuyên bố đã xác định được tính gắn kết lượng tử điện tử ở nhiệt độ -196 °C (77 K).[12] Một nghiên cứu lí thuyết khác vào năm 2010 cung cấp bằng chứng cho thấy tính gắn kết lượng tử tồn tại lâu tới 300 femto giây ở nhiệt độ phù hợp cho dạng sống (4 °C hoặc 277 K). Trong cùng năm đó, các thí nghiệm đã được tiến hành trên tảo cryptophyte quang hợp sử dụng quang phổ phản hồi photon hai chiều thu được bằng chứng xác nhận thêm cho sự gắn kết lượng tử về mặt dài hạn.[13] Những nghiên cứu này cho thấy thông qua quá trình tiến hóa, tự nhiên đã phát triển cách thức để bảo vệ tính gắn kết lượng tử nhằm tăng cường hiệu quả của quá trình quang hợp. Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp theo đặt câu hỏi về cách diễn giải của những kết quả này. Quang phổ phân tử đơn giờ đây cho thấy các đặc điểm lượng tử của quá trình quang hợp mà không có sự can thiệp của rối loạn tĩnh, và một vài nghiên cứu sử dụng phương thức này để gán các dấu hiệu được báo cáo về tính gắn kết lượng tử cho các quá trình động học hạt nhân diễn ra bên trong các chromophore.[14] [15][16][17][18][19][20] Một số lượng các đề xuất được đưa ra để giải thích cho tính gắn kết tồn tại lâu bất thường. Theo đó, một đề xuất cho rằng, nếu mỗi vị trí bên trong phức hợp cảm nhận được sự nhiễu động môi trường của chính nó, electron sẽ không duy trì ở mức tối thiểu cục bộ nào do cả tình gắn kết lượng tử và môi trường nhiệt mà sẽ tiến tới vị trí phản ứng thông qua các bước đi lượng tử. [21][22][23]