光合作用中能量转移动态过程的研究

Photosynthesis provides chemical energy, directly or indirectly, for almost all life on Earth. The fact that plants, algae and bacteria can transfer the energy absorbed from sunlight to reaction center with quantum yield >95% without loss as heat has attracted great attention. The ultrafast excitation energy transfer occurring on subpicosecond timescale is crucially important. Recently, direct evidence was obtained for existence of quantum coherence persisting long enough to impact the energy transfer processes during photosynthesis. This explains the near-perfect efficiency of the energy transfer. However, the underlying mechanism remains elusive. In this project, we will develop a microscopic model for photosynthesis complexes to determine the spectra, analyze the structural details, electronic interactions and couplings, understanding the intrinsic mechanism of coherent energy transfer. Calculations of excitation dynamics of energy transfer process will be carried out, combining the first-principle quantum chemistry calculation and molecular dynamics simulation. Furthermore, we will study the correlated protein environments and solvation effects on photosynthetic complexes. The research can describe the experimental observations more precisely, and shed some light on the designation of more efficient solar cell.

光合作用为地球上几乎所有生物提供了所需的化学能。植物、藻类和细菌如何能够以接近百分之百的（>95%）的效率将太阳能传递到反应中心，而很少以热能的形式流失掉，一直是科学家试图解开的谜题。关键在于能量转移的过程在飞秒尺度上进行，而近几年实验科学家们找到了相关的证据，证明了能量以电子波的形势传播，而电子波的量子相干效应在超高效能量传递中起了非常重要的作用。然而这方面的理论研究才刚刚起步，对于相关的核心微观过程的了解还不是很充分。本项目将发展从多空间尺度上描述色素-蛋白质复合体系的微观模型，以量化计算结合分子动力学模拟的方式对其超快能量转移动态过程进行系统的计算和模拟，了解其空间结构的特征、电子相互作用、光谱性质，理解能量转移的机制以及量子相干效应的作用，并进一步探讨蛋白质环境和溶剂化效应对复合体系的影响，旨在为相关实验提供解释，以及为新型太阳能电池的设计和研究提供理论支持和指导。

光合作用为地球上几乎所有生物提供了所需的化学能。在这一过程中，光子形式的能量被捕光天线吸收，然后激子被从天线分子传输到反应中心，然后转化成更稳定的化学能储存起来。能量经过色素-蛋白质复合体系的传输效率是非常高效的。2007年，Fleming等人发现了能量在FMO复合体系传输过程中量子相干的证据，给该体系中能量转移的超高效率提出来合理的解释。2010年，Scholes等人在PE545和PC645中也观测到了量子相干现象，即使在室温下也可持续数百飞秒。这一发现引发了科学家们的关注。我们也希望通过对FMO和PE545等已取得高分辨率结构的色素-蛋白质复合体系进行研究，理解自然界如何通过量子相干，驱动激子穿过被蛋白子包覆的多色素分子体系，几乎无损的到达反应中心，这一过程中蛋白质又是如何协助和保护激子的相干作用，甚至提高传输效率的。.在本项目执行过程中，我们构建了简单的激子模型来描述所研究的光合作用体系的光学性质和能量转移动态过程。我们首先进行了分子动力学模拟，然后结合混合量子力学/分子力学的计算来研究位能的含时演化。在分子动力学模拟和随后的位能计算中我们采用了蛋白质专一的极化力场（PPC）方案，而不是传统的平均场电荷方案，PPC方案相较传统方案而言更能真实反映环境变化的影响。我们用计算所得的位能构画出了一个更合理的能量梯度，提出了能量转移的路径，这些结果跟实验值及从实验结果推测出的图像吻合得更好。我们还结合严格的理论推导拟合出了谱密度，用以描述电子激子与环境涨落的耦合作用。随后用拟合出的参数研究了体系的最优化性质，结果显示我们拟合出的参数可以描述所研究的光合作用体系近乎完美的能量传输效率。