《光合作用中能量轉移動態過程的研究》是依託華東師範大學，由莫燕擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：光合作用中能量轉移動態過程的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：莫燕
- 依託單位：華東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
光合作用為地球上幾乎所有生物提供了所需的化學能。植物、藻類和細菌如何能夠以接近百分之百的（＞95%）的效率將太陽能傳遞到反應中心，而很少以熱能的形式流失掉，一直是科學家試圖解開的謎題。關鍵在於能量轉移的過程在飛秒尺度上進行，而近幾年實驗科學家們找到了相關的證據，證明了能量以電子波的形勢傳播，而電子波的量子相干效應在超高效能量傳遞中起了非常重要的作用。然而這方面的理論研究才剛剛起步，對於相關的核心微觀過程的了解還不是很充分。本項目將發展從多空間尺度上描述色素-蛋白質複合體系的微觀模型，以量化計算結合分子動力學模擬的方式對其超快能量轉移動態過程進行系統的計算和模擬，了解其空間結構的特徵、電子相互作用、光譜性質，理解能量轉移的機制以及量子相干效應的作用，並進一步探討蛋白質環境和溶劑化效應對複合體系的影響，旨在為相關實驗提供解釋，以及為新型太陽能電池的設計和研究提供理論支持和指導。
結題摘要
光合作用為地球上幾乎所有生物提供了所需的化學能。在這一過程中，光子形式的能量被捕光天線吸收，然後激子被從天線分子傳輸到反應中心，然後轉化成更穩定的化學能儲存起來。能量經過色素-蛋白質複合體系的傳輸效率是非常高效的。2007年，Fleming等人發現了能量在FMO複合體系傳輸過程中量子相干的證據，給該體系中能量轉移的超高效率提出來合理的解釋。2010年，Scholes等人在PE545和PC645中也觀測到了量子相干現象，即使在室溫下也可持續數百飛秒。這一發現引發了科學家們的關注。我們也希望通過對FMO和PE545等已取得高解析度結構的色素-蛋白質複合體系進行研究，理解自然界如何通過量子相干，驅動激子穿過被蛋白子包覆的多色素分子體系，幾乎無損的到達反應中心，這一過程中蛋白質又是如何協助和保護激子的相干作用，甚至提高傳輸效率的。 在本項目執行過程中，我們構建了簡單的激子模型來描述所研究的光合作用體系的光學性質和能量轉移動態過程。我們首先進行了分子動力學模擬，然後結合混合量子力學/分子力學的計算來研究位能的含時演化。在分子動力學模擬和隨後的位能計算中我們採用了蛋白質專一的極化力場（PPC）方案，而不是傳統的平均場電荷方案，PPC方案相較傳統方案而言更能真實反映環境變化的影響。我們用計算所得的位能構畫出了一個更合理的能量梯度，提出了能量轉移的路徑，這些結果跟實驗值及從實驗結果推測出的圖像吻合得更好。我們還結合嚴格的理論推導擬合出了譜密度，用以描述電子激子與環境漲落的耦合作用。隨後用擬合出的參數研究了體系的最最佳化性質，結果顯示我們擬合出的參數可以描述所研究的光合作用體系近乎完美的能量傳輸效率。
