บทคัดย่อ
การตรวจวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์แบบสองมิติ (2DES) ช่วยให้สามารถตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลศาสตร์เอกซิตอนแบบโคฮีเรนต์ (coherent excitonic dynamics) และความผันผวนของสิ่งแวดล้อมในสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างรงควัตถุและโปรตีน (pigment–protein complexes) ได้โดยตรง ผ่านการสร้างแผนที่การคัปปลิ้งของสถานะกระตุ้น (excited-state couplings) และวิวัฒนาการตามเวลาในโดเมนความถี่ [1, 2] ในสารประกอบเชิงซ้อน Fenna–Matthews–Olson (FMO) การศึกษาสำคัญด้วยสเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์แบบแปลงฟูเรียร์สองมิติ (2D Fourier-transform electronic spectroscopy) ได้รายงาน "หลักฐานโดยตรง" สำหรับ "ควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอายุยืนยาวอย่างน่าทึ่ง" และ "สัญญาณบีตทางควอนตัม" (quantum beating signals) ที่เกี่ยวข้องในหมู่เอกซิตอนที่อุณหภูมิ 77 K โดยมีสัญญาณบีตคงอยู่ยาวนานถึง 660 fs [3, 4] งานวิจัยต่อมาได้ขยายผลการสังเกตเหล่านี้ไปยังอุณหภูมิทางสรีรวิทยา โดยระบุว่า "สัญญาณบีตทางควอนตัมแบบเดียวกับที่สังเกตพบที่ 77 K ยังคงปรากฏอยู่ที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา" โดยมีอายุขัยแบบ e-folding ของโคฮีเรนซ์ในสถานะกระตุ้นอยู่ที่ 130 fs ที่ 277 K และสังเกตพบโคฮีเรนซ์ได้เกินกว่า 300 fs [2] ในขณะเดียวกัน นักฟิสิกส์และนักเคมีฟิสิกส์ได้พัฒนาแบบจำลองระบบควอนตัมแบบเปิด (open-quantum-system models) ที่แสดงให้เห็นว่าพลศาสตร์แบบนอนมาร์โกเวียน (non-Markovian dynamics) สามารถรักษาสภาพการเคลื่อนที่คล้ายคลื่นไว้ได้นานหลายร้อยเฟมโตวินาทีแม้ที่อุณหภูมิ 300 K และวิธีการแบบมาร์โกเวียนเรดฟิลด์ (Markovian Redfield approaches) แบบดั้งเดิมอาจไม่น่าเชื่อถือเมื่อพลังงานการจัดเรียงตัวใหม่ (reorganization energies) ไม่ได้มีค่าน้อยเมื่อเทียบกับการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์ [5]
อย่างไรก็ตาม ได้มีการตีความใหม่ที่สำคัญเกิดขึ้น มีการโต้แย้งว่าสเปกตรัมแบบโฟตอนเอคโคสองมิติ (photon-echo 2D spectra) ที่อุณหภูมิโดยรอบ กำหนดขีดจำกัดสูงสุดของการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ (electronic dephasing) ไว้ที่ประมาณ 60 fs และการแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวนั้นเกิดจากโคฮีเรนซ์จากการสั่น (vibrational coherence) มากกว่าจะเป็นโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอน (purely electronic coherence) [6] การสังเคราะห์ข้อมูลในวงกว้างยังสรุปไปในทิศทางเดียวกันว่า "โคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนมีอายุสั้นเกินกว่าจะมีความสำคัญเชิงหน้าที่ใดๆ" และการแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวนั้น "มีต้นกำเนิดมาจากการสั่นที่ถูกกระตุ้นอย่างฉับพลัน" (มักเป็นโหมดรามานแอกทีฟในสถานะพื้น) [7] ดังนั้น ภาพลักษณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยฟิสิกส์ในปัจจุบันจึงมีความซับซ้อน: ควอนตัมโคฮีเรนซ์ในการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นมีอยู่จริงในเชิงทดลองและหลีกเลี่ยงไม่ได้ในเชิงทฤษฎี แต่บทบาทเชิงหน้าที่ของมันขึ้นอยู่กับว่ามีการวัดโคฮีเรนซ์ประเภทใด (optical, inter-exciton, vibronic หรือ vibrational) และขึ้นอยู่กับโครงสร้างระดับจุลภาคของปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม (system–bath interaction) รวมถึงความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม (spectral density) [7, 8]
บทนำ
นิยามทางฟิสิกส์เชิงปฏิบัติของชีววิทยาควอนตัมคือ "การระบุและการศึกษาปรากฏการณ์ควอนตัมในระบบชีวภาพ" และสาขานี้ถูกอธิบายว่า "ครอบงำด้วยการค้นหากลศาสตร์ควอนตัมเชิงหน้าที่ที่ซ่อนอยู่ในระบบชีวภาพที่ซับซ้อน" [9] ภายใต้วาระที่กว้างขวางนี้ การเก็บเกี่ยวแสงในการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthetic light harvesting) กลายเป็นจุดสนใจเนื่องจากการทดลองความเร็วสูงพิเศษ (ultrafast experiments) บ่งชี้ถึงพลศาสตร์ควอนตัมแบบโคฮีเรนต์ในสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างรงควัตถุและโปรตีน ในขณะที่การวิเคราะห์ทางทฤษฎีต้องเผชิญกับการคัปปลิ้งแบบเข้ม (strong coupling) ระหว่างการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์และการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสในสภาพแวดล้อมของโปรตีน [10, 11] ระบบแบบจำลองมาตรฐานสำหรับโครงการทางฟิสิกส์นี้คือสารประกอบเชิงซ้อน FMO ซึ่งใช้มาอย่างยาวนานในการศึกษาว่าการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์ช่วยให้การถ่ายโอนพลังงานจากสายอากาศไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยามีประสิทธิภาพได้อย่างไร แท้จริงแล้ว สเปกโทรสโกปีสองมิติในช่วงแสงที่มองเห็นได้ถูกพัฒนาขึ้นอย่างชัดเจนเพื่อ "วัดการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์โดยตรง" ใน FMO [12] การวัดแบบสองมิติในช่วงแรกได้สาธิตให้เห็นแล้วว่า พลังงานจากการกระตุ้นไม่ได้ "เพียงแค่ลดหลั่นเป็นขั้นๆ ตามลำดับพลังงาน" แต่เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่แตกต่างกันโดยขึ้นอยู่กับลักษณะเชิงพื้นที่ของฟังก์ชันคลื่นสถานะกระตุ้นแบบไม่ประจำที่ (delocalized excited-state wavefunctions) อย่างมาก ซึ่งเป็นข้อความทางกลศาสตร์ควอนตัมโดยเนื้อแท้เกี่ยวกับธรรมชาติของไอเกนสเตต (eigenstates) และการคัปปลิ้งที่เกี่ยวข้อง [12]
จากมุมมองของนักฟิสิกส์ FMO เป็นแพลตฟอร์มการทดสอบภายใต้ข้อจำกัดจากการทดลองสำหรับทฤษฎีระบบควอนตัมแบบเปิดในสภาวะที่การประมาณเพื่อทำให้ง่ายขึ้นหลายประการอาจล้มเหลว ข้อกังวลที่มีการอ้างถึงอย่างกว้างขวางคือ เนื่องจาก "การคัปปลิ้งแบบเข้ม (100 cm) ระหว่างการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์และการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสในสภาพแวดล้อมโปรตีน" รอบ FMO การประมาณแบบ perturbative, Markovian และ independent-bath อาจใช้ไม่ได้ผล จึงนำไปสู่ความจำเป็นในการประมวลผลแบบ non-perturbative และ non-Markovian [11] ตรรกะในงานวิจัยฉบับเดียวกันย้ำว่า ตัวเปรียบเทียบแบบ "คลาสสิก" ที่ใกล้เคียงที่สุดคือแบบจำลอง Förster ซึ่งถือว่าการถ่ายโอนเป็นอัตราที่ไม่สอดคล้องกัน (incoherent rate) และ "ละเลยโคฮีเรนซ์หรือการซ้อนทับ (superpositions) ทั้งหมดระหว่างตำแหน่ง" แต่วิธีนี้อาจไม่เพียงพอในสภาวะที่มีการคัปปลิ้งแบบเข้ม [11]
เนื่องจาก "ผลลัพธ์สุทธิคือโคฮีเรนซ์มีส่วนช่วย แต่ในลักษณะที่ละเอียดอ่อน" ภารกิจหลักสำหรับชีววิทยาควอนตัมที่มุ่งเน้นทางฟิสิกส์จึงกลายเป็นการแยกแยะระหว่าง (i) สิ่งที่ได้รับการยืนยันโดยตรงจากสเปกโทรสโกปีและการสร้างแบบจำลองระดับจุลภาค ออกจาก (ii) สิ่งที่อนุมานเกี่ยวกับหน้าที่ทางชีวภาพ [9] ในส่วนถัดไป วรรณกรรมเกี่ยวกับ FMO จะถูกจัดระเบียบตามข้อกล่าวอ้างเรื่องโคฮีเรนซ์ที่ขับเคลื่อนด้วยการทดลอง (2DES และเทคนิคที่เกี่ยวข้อง), กรอบทฤษฎีที่ใช้จำลองผลลัพธ์เหล่านั้น (master equations, ความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม และวิธีการแบบ non-Markovian), กระบวนทัศน์การขนส่งที่สนับสนุนโดยสิ่งแวดล้อม และการตีความใหม่ทางไวโบรนิก/การสั่นที่ได้ปรับเปลี่ยนฉันทามติของสาขานี้ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษ 2010 [7]
ผลการศึกษา 2DES ในปี 2007
การตรวจวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์แบบสองมิติให้แผนที่ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่กับความถี่ (frequency–frequency correlation map) ของโครงสร้างและการคัปปลิ้งของสถานะกระตุ้น และสามารถแยกแยะลักษณะเฉพาะทางพลศาสตร์ เช่น การบีตแบบโคฮีเรนต์ (coherent beatings) ได้โดยการติดตามว่าคุณลักษณะเชิงสเปกตรัมวิวัฒนาการไปอย่างไรตาม "เวลาประชากร" (population/waiting time) [1, 2] ในงานวิจัย FMO ปี 2007 ได้มีการใช้สเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์แบบแปลงฟูเรียร์สองมิติเพื่อขยายการตรวจสอบ 2DES ก่อนหน้าและเพื่อ "รับหลักฐานโดยตรงสำหรับควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอายุยืนยาวอย่างน่าทึ่ง ซึ่งมีบทบาทสำคัญในกระบวนการถ่ายโอนพลังงาน" ใน FMO [3] สัญญาณบ่งชี้หลักจากการทดลองคือ "ควอนตัมโคฮีเรนซ์แสดงตัวออกมาในลักษณะสัญญาณบีตทางควอนตัมที่สังเกตได้โดยตรงท่ามกลางหมู่เอกซิตอน" ใน FMO ที่ 77 K ซึ่งถูกตีความว่าเป็นการถ่ายโอนพลังงานแบบคลื่น [3] ที่สำคัญคือ งานวิจัยฉบับเดียวกันนี้ได้เน้นย้ำว่า "กลไกการถ่ายโอนพลังงานมักถูกอธิบายด้วยแบบจำลองกึ่งคลาสสิกที่อ้างถึงการ 'กระโดด' (hopping) ของประชากรในสถานะกระตุ้น" และกำหนดให้สัญญาณบีตจาก 2DES เป็นหลักฐานว่าแบบจำลองดังกล่าวละเลยพลศาสตร์แบบโคฮีเรนต์ที่จำเป็น [3]
มาตราส่วนเวลาที่เน้นย้ำในการตีความดั้งเดิมคือ "การบีตทางควอนตัมคงอยู่เป็นเวลา 660 fs" ซึ่งถูกมองว่าน่าประหลาดใจเมื่อเทียบกับ "สมมติฐานทั่วไปที่ว่าโคฮีเรนซ์ที่เป็นต้นเหตุของการแกว่งกวัดดังกล่าวนั้นถูกทำลายลงอย่างรวดเร็วมาก" [4] ในการอภิปรายเดียวกัน ผู้เขียนได้แย้งว่าการสร้างโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวเช่นนี้ขึ้นมาใหม่จำเป็นต้องกำหนดให้ "โปรตีนต้องมีบทบาทเชิงรุกมากขึ้นในแบบจำลองสิ่งแวดล้อม (bath model) ที่สมจริง" กล่าวคือ ความผันผวนที่เกิดจากสิ่งแวดล้อมไม่สามารถปฏิบัติเสมือนเป็นเพียงนอยส์ธรรมดาที่ไม่มีความสัมพันธ์กันซึ่งส่งผลต่อโครโมฟอร์แต่ละตัวอย่างเป็นอิสระ [4] พวกเขายังได้รวมการวินิจฉัยที่ชัดเจนเพื่อแยกแยะการบีตทางควอนตัมเชิงอิเล็กทรอนิกส์ออกจากการเคลื่อนที่ของกลุ่มคลื่นจากการสั่น (vibrational wavepacket motion): "หากการแกว่งกวัดนี้เกิดจากการเคลื่อนที่ของกลุ่มคลื่นจากการสั่น คาดว่าพีคของเอกซิตอนจะแกว่งกวัดในเชิงความถี่แทนที่จะคงปริมาตรไว้ให้คงที่" [4]
แม้ว่าข้อกล่าวอ้างในปี 2007 นี้จะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ก็นำไปสู่ปัญหาผกผัน (inverse problem) ที่ยากลำบากในทันที: การทดลองสังเกตเห็นฟังก์ชันการตอบสนองทางแสงแบบไม่เชิงเส้น ไม่ใช่การสังเกตองค์ประกอบเมทริกซ์ความหนาแน่น (density-matrix elements) โดยตรง ดังนั้นการอนุมานเชิงกลไกจึงต้องใช้แบบจำลองว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อมสร้างสัญญาณครอสพีคที่แกว่งกวัดตามที่สังเกตได้อย่างไร [4] นี่คือพื้นที่ที่เครื่องมือของนักฟิสิกส์—พลศาสตร์ควอนตัมในสิ่งแวดล้อมที่มีโครงสร้าง, ความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม และสมสมการหลักแบบ non-Markovian—กลายเป็นหัวใจสำคัญของสาขานี้ [5, 11]
ข้อกล่าวอ้างเรื่องโคฮีเรนซ์ที่อุณหภูมิห้อง
คำถามสำคัญที่เกิดขึ้นจากงานวิจัยในยุคแรกคือ สัญญาณโคฮีเรนซ์ที่คล้ายคลึงกันนั้นยังคงมีอยู่ที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยาหรือไม่ การศึกษาด้วยสเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์แบบแปลงฟูเรียร์สองมิติในปี 2010 รายงานว่า "สัญญาณบีตทางควอนตัมแบบเดียวกับที่สังเกตพบที่ 77 K ยังคงปรากฏอยู่ที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา" และความสอดคล้องของเฟสและความถี่บ่งชี้ถึง "ควอนตัมโคฮีเรนซ์แบบเดียวกันในทุกอุณหภูมิ" [2] ในรายงานฉบับเดียวกัน มีการสังเกตพบ "อายุขัยแบบ e-folding" ของโคฮีเรนซ์ในสถานะกระตุ้นเท่ากับ 130 fs ที่ 277 K พร้อมกับโคฮีเรนซ์ที่ "คงอยู่เกินกว่า 300 fs" ซึ่งผู้เขียนได้เชื่อมโยงกับความเป็นไปได้ที่วิวัฒนาการอาจใช้กลไกการขนส่งทางควอนตัมที่สนับสนุนโดยสิ่งแวดล้อม [2] พวกเขายังเสนอคำอธิบายระดับจุลภาคที่สอดคล้องกับนอยส์ที่มีความสัมพันธ์กัน (correlated noise): การบีตอยู่รอดได้เพราะ "พลังงานของสถานะกระตุ้นที่เกี่ยวข้องผันผวนในลักษณะที่ช่องว่างพลังงาน (energy gap) ยังคงที่เกือบทั้งหมด" [2]
การวิเคราะห์ด้วย 2DES จากกลุ่มอิสระพยายามที่จะหาปริมาณอัตราการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์สำหรับโคฮีเรนซ์เฉพาะเจาะจงที่อุณหภูมิต่ำ มีการนำเสนอวิธีการสำหรับ "การกำหนดอัตราการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ของแต่ละโคฮีเรนซ์โดยการวิเคราะห์การบีตทางควอนตัมในครอสพีคของสเปกตรัม 2D" พร้อมข้อกล่าวอ้างว่า "โคฮีเรนซ์แบบศูนย์ควอนตัม" (zero-quantum coherences) สองตัวมีอายุขัย "ในระดับพิโควินาที" ที่ 77 K [13] ในงานวิจัยเดียวกัน มีการรายงานค่าการฟิต (fit values) ที่ชัดเจน: ส่วนประกอบที่มี τ = 1/γ_p มี Γ_1 = 1/τ_1 = 9 cm-1 และส่วนประกอบที่มี τ = 1/γ_p มี Γ_2 = 1/τ_2 = 14 cm-1 [13] ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับอายุขัย 1100 fs และ 700 fs ตามลำดับ ในขณะที่การบีตอาจยังคงมองเห็นได้ที่ 1800 fs [13] ในทางตรงกันข้าม มีรายงานว่าโคฮีเรนซ์แบบหนึ่งควอนตัม (เชิงแสง) มี τ = 100 fs ซึ่งสอดคล้องกับเวลาประมาณ 100 fs [13]
คำอธิบายทางฟิสิกส์ที่เสนอสำหรับความแตกต่างระหว่างโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนที่มีอายุยืนยาว (ศูนย์ควอนตัม) และโคฮีเรนซ์เชิงแสงที่มีอายุสั้นคือ "ความผันผวนของพลังงานการเปลี่ยนผ่านนั้นมีความสัมพันธ์กันทั่วทั้งสารประกอบเชิงซ้อน" ซึ่งอาจเนื่องมาจากความผันผวนทางไดอิเล็กตริกของโปรตีนที่สม่ำเสมอในเชิงพื้นที่ [13] ในภาพลักษณ์ของนอยส์ที่มีความสัมพันธ์กันเช่นนี้ วิวัฒนาการของเฟสของโคฮีเรนซ์แบบศูนย์ควอนตัมจะไม่ไวต่อความผันผวนแบบโหมดร่วม (common-mode fluctuations) เพราะ "การนำความผันผวนแบบเดียวกันเข้าสู่ทั้งพลังงานการเปลี่ยนผ่าน ω_a และ ω_b ... จะไม่ส่งผลต่อการแพร่กระจายตามเวลา" ขององค์ประกอบเมทริกซ์ความหนาแน่นที่เกี่ยวข้อง เมื่อพิจารณาจากวิวัฒนาการเฟส e-i(ω_b - ω_a)t [13] แนวคิดนี้เชื่อมโยงสิ่งที่สังเกตได้จากการทดลอง (การบีตของครอสพีค) เข้ากับโครงสร้างของระบบควอนตัมแบบเปิด (การคัปปลิ้งสิ่งแวดล้อมแบบที่มีความสัมพันธ์กันเทียบกับที่ไม่มีความสัมพันธ์กัน) และส่งเสริมให้เกิดการประมวลผลทางทฤษฎีที่ก้าวข้ามแบบจำลองการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบง่ายๆ [11, 13]
วิธีการและตัวบ่งชี้ที่สังเกตได้
สิ่งที่ 2DES สามารถและไม่สามารถระบุได้อย่างเจาะจง
จากมุมมองทางฟิสิกส์ที่เคร่งครัด การตีความการแกว่งกวัดใน 2DES นั้นยังไม่แน่นอน (underdetermined) เว้นแต่จะสามารถแยกแยะส่วนที่มาจากการสั่นออกไปและแยกส่วนรบกวนของเส้นทางสัญญาณได้ ความพยายามในการจำลองระดับจุลภาคในภายหลังระบุอย่างชัดเจนว่า "สเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นไม่สามารถแยกแยะพลศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์แบบโคฮีเรนต์ออกจากการเคลื่อนที่จากการสั่นแบบ underdamped ได้อย่างชัดเจน" โดยเน้นย้ำว่าจำเป็นต้องมีการจำลองระดับจุลภาคที่เข้มงวดเพื่อตีความสัญญาณประเภทเดียวกับที่ผลักดันข้อกล่าวอ้างเรื่องโคฮีเรนซ์ในยุคแรก [14] เพื่อให้สอดคล้องกับข้อควรระวังนี้ การศึกษาทางทฤษฎีและการทดลองได้พัฒนาลำดับพัลส์ที่อาศัยโพลาไรเซชันและสมมาตรเพื่อแยก "การแกว่งกวัดทางควอนตัมแบบโคฮีเรนต์" ออกจาก "การสูญสลายพลังงานแบบไม่สอดคล้องกัน" โดยใช้ "สมมาตรพื้นฐานของสัญญาณทางแสงหลายมิติ" เพื่อออกแบบลำดับพัลส์ที่แยกส่วนประกอบทั้งสองนี้ออกจากกัน [15]
ในการวิเคราะห์โฟตอนเอคโคสองมิติที่ขับเคลื่อนด้วยสมมาตรเดียวกันนั้น สิ่งแวดล้อมถูกจำลองโดยความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมแบบตัวแกว่งกวัดแบบบราวน์ที่มีความหนืดสูง (overdamped Brownian oscillator) โดยมีเวลาผ่อนคลายของสิ่งแวดล้อมประมาณ 100 fs และพลังงานการจัดเรียงตัวใหม่ประมาณ 55 cm-1 สำหรับ bacteriochlorophyll แต่ละตัว และมีการอนุมานว่าสัญญาณบ่งชี้สภาวะโคฮีเรนต์จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว: "โคฮีเรนซ์สลายตัวภายใน 150 fs" ในขณะที่ "สัญญาณ C แสดงถึงการผ่อนคลายแบบไม่สอดคล้องกัน" [15] ยิ่งไปกว่านั้น มีการระบุว่า "สภาวะโคฮีเรนต์" คงอยู่ประมาณ 200 fs โดยการแกว่งกวัดของเอกซิตอนมีคาบ 60–100 fs และความถี่ที่สอดคล้องกันประมาณ 100–300 cm-1 [15] ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงประเด็นที่เกิดขึ้นซ้ำๆ: ขึ้นอยู่กับตัวบ่งชี้และวิธีการวิเคราะห์ เวลาโคฮีเรนซ์ที่สกัดจากสัญญาณ 2D อาจมีตั้งแต่ <60 fs ไปจนถึง >1 ps ซึ่งทำให้น้ำหนักไปตกอยู่ที่สมมติฐานของการสร้างแบบจำลองเกี่ยวกับโครงสร้างความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม, ความไม่เป็นระเบียบ (disorder) และการแยกเส้นทางสัญญาณ [13, 15]
ข้อมูลนำเข้าในระดับอะตอมและความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม
การมีส่วนร่วมทางฟิสิกส์ที่สำคัญคือความพยายามที่จะเชื่อมโยงการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์และการผ่อนคลายที่สังเกตได้จากการทดลองเข้ากับแบบจำลองสิ่งแวดล้อมในระดับอะตอมผ่านความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม โปรแกรมจำลองหนึ่งได้รวมพลศาสตร์โมเลกุล, การคำนวณโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ และการจำลองสเปกตรัมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ "วิธีการที่ไม่ต้องใช้พารามิเตอร์อิสระใดๆ" ซึ่งจะทำให้ได้วิถีการเคลื่อนที่ (trajectories) สำหรับแฮมิลโทเนียนที่ขึ้นกับเวลา ซึ่งประกอบด้วย "พลังงานการกระตุ้นแนวดิ่งที่ขึ้นกับเวลา ... และการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างกัน" [16] ในงานวิจัยนั้น สเปกตรัม 2D ที่คาดการณ์ที่ 300 K ถูกอธิบายว่าบ่งชี้ถึง "การสูญเสียโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวเกือบทั้งหมด" เมื่อทำการประมาณค่า (extrapolate) จากการสังเกตที่อุณหภูมิต่ำไปยังอุณหภูมิห้อง [16] วิธีการเดียวกันนี้พบว่าการกระจายพลังงานตำแหน่ง (site-energy distribution) นั้น "ไม่ใช่แบบเกาส์เซียน" (non-Gaussian) และรูปร่างของเส้นการดูดกลืนพลังงานนั้น "ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยการกระจายพลังงานตำแหน่งที่ไม่ใช่แบบเกาส์เซียน" [16]
การศึกษาในระดับอะตอมที่เกี่ยวข้องมุ่งเน้นไปที่การสกัดความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมสำหรับ FMO ในตัวทำละลายและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน การจำลองในส่วนผสมกลีเซอรอล–น้ำที่อุณหภูมิ 310 K และ 77 K ถูกใช้เพื่อ "กำหนดความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมที่เปรียบเทียบได้ดีกับค่าประมาณจากการทดลองก่อนหน้านี้" และวิธีการนี้เน้นที่การประมวลผลแบบ QM/MM โดยที่ "BChl แต่ละตัวจะได้รับการประมวลผลแยกกัน" และสิ่งแวดล้อมจะถูกรวมผ่านประจุบางส่วนในฟอร์ซฟีลด์ (force field) [17] ที่อุณหภูมิ 77 K มีรายงานว่าพลศาสตร์ของตัวทำละลายที่ล่าช้าบ่งชี้ถึง "การมีอยู่ของความไม่เป็นระเบียบแบบคงที่" (static disorder) หมายถึงความไม่เป็นระเบียบในมาตราส่วนเวลาที่เกินกว่าเวลาที่เกี่ยวข้องกับการสร้างความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมจากฟังก์ชันสหสัมพันธ์ของสิ่งแวดล้อม [17] งานวิจัยเดียวกันนี้รายงานว่าแอมพลิจูดของความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมที่ได้นั้น "เล็กกว่าผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ประมาณ 2–3 เท่า" และย้ำว่า "ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสถิตของรงควัตถุกับสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง" [17]
กรอบแนวคิดทางทฤษฎี
สภาวะระบบเปิดและขีดจำกัดของทฤษฎี Redfield
ข้อความหลักทางทฤษฎีจากวรรณกรรม FMO คือสภาวะทางฟิสิกส์นั้นไม่ใช่ทั้งโคฮีเรนต์โดยสมบูรณ์หรือไม่มีความสอดคล้องกันโดยสมบูรณ์ ในการประมวลผลพลศาสตร์ควอนตัมแบบอิงลำดับชั้น (hierarchy-based) ที่โดดเด่นอย่างหนึ่งที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา มีการเน้นย้ำว่าในระบบถ่ายโอนพลังงานการกระตุ้น (EET) ทั่วไปสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง "พลังงานการจัดเรียงตัวใหม่ไม่ได้มีค่าน้อยเมื่อเทียบกับการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์" ดังนั้น "วิธีการใช้สมการ Redfield อาจนำไปสู่ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนหรือข้อสรุปที่ไม่ถูกต้องเกี่ยวกับควอนตัมโคฮีเรนซ์และปฏิสัมพันธ์ของมันกับสภาพแวดล้อมโปรตีน" [5] ภายใต้กรอบการทำงานนั้น มีรายงานว่าผลลัพธ์เชิงตัวเลขแสดงให้เห็นถึง "การเคลื่อนที่คล้ายคลื่นทางควอนตัม" ที่คงอยู่นานหลายร้อยเฟมโตวินาทีที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา และ "การเคลื่อนที่คล้ายคลื่นแบบโคฮีเรนต์" ที่สังเกตเห็นได้จนถึง 350 fs ที่ 300 K [5]
แบบจำลองเดียวกันนี้แสดงให้เห็นถึงความไวต่อนอนมาร์โกเวียนอย่างเด่นชัด: ในสภาวะที่อธิบายว่าเป็น "นอนมาร์โกเวียนแบบเข้ม" สมการแบบอิงลำดับชั้นให้ผลลัพธ์เป็นการเคลื่อนที่คล้ายคลื่นที่คงอยู่นานถึง 550 fs ที่ 300 K ซึ่ง "ไม่สามารถสร้างขึ้นมาใหม่ได้" โดยใช้สมการ Markovian Redfield แบบดั้งเดิม [5] ในการตีความทางทฤษฎีนั้น การไม่ประจำที่ทางควอนตัม (quantum delocalization) ถูกโต้แย้งว่าช่วยใน "การก้าวข้ามกับดักพลังงานในท้องถิ่น" และสารประกอบเชิงซ้อนนี้ถูกสำรวจในฐานะที่เป็น "อุปกรณ์เรียงกระแส" (rectifier) ที่เป็นไปได้สำหรับการไหลของพลังงานในทิศทางเดียว โดยการใช้ประโยชน์จากควอนตัมโคฮีเรนซ์และภูมิทัศน์ของพลังงานตำแหน่งที่ถูกปรับจูนโดยโปรตีน [5]
มุมมองเสริมในวรรณกรรมบทปริทัศน์เปรียบเทียบภาพลักษณ์ของควอนตัมโคฮีเรนต์กับทฤษฎี Förster: Förster ถูกอธิบายว่าเป็นแบบจำลองคลาสสิกที่ใกล้เคียงที่สุดเพราะถือว่าการถ่ายโอนการกระตุ้นเป็นอัตราที่ไม่สอดคล้องกันและ "ละเลยโคฮีเรนซ์ทั้งหมด" ในขณะที่การคัปปลิ้งระหว่างเอกซิตอนและการสั่น (exciton–vibration coupling) แบบเข้มต้องการแบบจำลองพลศาสตร์ที่ซับซ้อนกว่าแบบจำลองที่คาดการณ์การกระโดดแบบไม่สอดคล้องกัน [9, 11] สิ่งนี้ทำให้เกิดวาระการสร้างแบบจำลองของนักฟิสิกส์: สร้างแบบจำลองที่เชื่อมต่อระหว่างพลศาสตร์แฮมิลโทเนียนแบบโคฮีเรนต์และการกระโดดแบบไม่สอดคล้องกัน ในขณะที่ยังคงความสอดคล้องกับความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมที่ถูกจำกัดด้วยการทดลองหรือข้อมูลระดับอะตอม [11, 17]
สมการการเคลื่อนที่แบบลำดับชั้นและการสร้างแบบจำลองแบบ non-Markovian
งานวิจัยหลายสายเน้นย้ำถึงความจำเป็นของวิธีการแบบ non-Markovian การศึกษาที่มุ่งเน้นไปที่ HEOM ตั้งข้อสังเกตว่าสมการหลัก Redfield และ Lindblad ทั่วไป "ไม่พิจารณาพฤติกรรมแบบ non-markovian" ของการสั่นของโปรตีน ซึ่งสามารถจำลองได้ว่าเป็นสิ่งแวดล้อมแบบโฟนอน (phonon bath) ที่มีปฏิสัมพันธ์กับ bacteriochlorophylls [18] ในบริบทนั้น HEOM ถูกใช้เพื่อแก้ปัญหาพลศาสตร์สำหรับหน่วยย่อย (monomer) ของ FMO ที่อุณหภูมิห้อง และเพื่อติดตามมาตรวัดโคฮีเรนซ์และความพัวพัน (entanglement) รวมถึงการสังเกตความพัวพันชั่วคราวระหว่างตำแหน่ง bacteriochlorophyll เฉพาะเจาะจงที่จะ "ปิดตัวลงก่อน 0.5 ps" [18] แม้ว่าการวิเคราะห์ความพัวพันดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับแบบจำลอง แต่สิ่งเหล่านี้ตอกย้ำว่าสถานะระบบเปิดสามารถมีความสัมพันธ์ทางควอนตัมที่ไม่ธรรมดาในมาตราส่วนเวลาต่ำกว่าพิโควินาที และพลศาสตร์เหล่านี้ไวต่อพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น พลังงานการจัดเรียงตัวใหม่ และโคฮีเรนซ์ที่ "ลดลง" ในช่วงประมาณ 0.2 ps ในการตั้งค่าพารามิเตอร์บางอย่าง [18]
วิธีการระบบเปิดในระดับอะตอมยังพยายามสร้างมาตราส่วนเวลาจากการทดลองขึ้นมาใหม่โดยไม่ต้องพึ่งพาสหสัมพันธ์แบบคงที่ (static correlations) ที่สมมติขึ้น การศึกษาหนึ่งได้รวมพลศาสตร์โมเลกุล, ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นที่ขึ้นกับเวลา และวิธีการระบบควอนตัมแบบเปิดเพื่อจำลองพลศาสตร์ EET โดยนำเสนอ "วิธีการใหม่ ... ในการเพิ่มการแก้ไขทางควอนตัม" และรายงานว่าการบีตแบบโคฮีเรนต์คงอยู่ประมาณ 400 fs ที่ 77 K และ 200 fs ที่ 300 K พร้อมการเปรียบเทียบเชิงปริมาณกับ HEOM และวิธีการอื่นๆ [19] สิ่งที่น่าสังเกตคือ งานวิจัยนั้นรายงานว่า "ความสัมพันธ์ไขว้ของพลังงานตำแหน่ง (cross correlation of site energies) ไม่ได้มีบทบาทสำคัญ" ในพลศาสตร์การถ่ายโอนพลังงาน ซึ่งบ่งชี้ว่าการบีตที่มีอายุยืนยาวไม่จำเป็นต้องอาศัยความสัมพันธ์ไขว้ของพลังงานตำแหน่งที่เข้มข้นในความผันผวนของแฮมิลโทเนียนเบื้องหลังเสมอไป [19]
โครงสร้างความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมแบบไวโบรนิกและโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ล้วน
กลไกทางทฤษฎีที่แตกต่างออกไปสำหรับการรักษาโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอายุยืนยาวในพลศาสตร์เอกซิตอนแบบสูญสลาย (dissipative exciton dynamics) เน้นไปที่พฤติกรรมความถี่ต่ำของความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม ในการศึกษาหนึ่ง การบีตที่คงอยู่ยาวนานในสเปกตรัม 2D ที่คำนวณได้ถูกตั้งข้อสังเกตว่า "มีตั้งแต่ 1.2 ps ที่ 4 K ไปจนถึง 0.3 ps ที่ 277 K" และมีการเสนอ "กลไกทางเลือก" เพื่อให้ได้มาซึ่ง "โคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ล้วนที่มีอายุยืนยาว" แม้จะมีการคัปปลิ้งแบบสูญสลายที่รุนแรง [8] ข้อโต้แย้งหลักคือ "การสร้างแบบจำลองที่ระมัดระวังของส่วนที่ต่อเนื่องของความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมเข้าใกล้ความถี่ศูนย์เป็นสิ่งสำคัญ" เพราะสิ่งนี้เป็นตัวกำหนดอัตราการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบบริสุทธิ์ γ_p และสำหรับการเริ่มต้นแบบ super-Ohmic "J(0) = 0 และพจน์การสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบบริสุทธิ์จะหายไป γ_p = 0" ดังนั้นการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ (decoherence) จึงเกิดขึ้นผ่านการผ่อนคลายเท่านั้น [8] ในทางกลับกัน การแกว่งกวัดของครอสพีคถูกคาดการณ์ว่าจะยังคงมองเห็นได้ที่ 277 K สำหรับกรณี super-Ohmic ในขณะที่จะลดลงอย่างมากหรือหายไปสำหรับรูปแบบ Drude–Lorentz [8]
เมื่อพิจารณาร่วมกัน ผลลัพธ์ทางทฤษฎีเหล่านี้อธิบายว่าทำไมการถกเถียงเรื่องโคฮีเรนซ์จึงยังคงมีความยากลำบากในเชิงเทคนิค: การแกว่งกวัดที่วัดได้สะท้อนถึงการรวมกัน (convolution) ของการคัปปลิ้งทางอิเล็กทรอนิกส์, ความไม่เป็นระเบียบ, โครงสร้างไวโบรนิก และความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมของสิ่งแวดล้อม และสมมติฐานที่ขัดแย้งกันเกี่ยวกับน้ำหนักสเปกตรัมที่ความถี่ต่ำสามารถเปลี่ยนแปลงการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่คาดการณ์ไว้ในเชิงคุณภาพ แม้ว่าประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานโดยรวมจะยังคงสูงอยู่ก็ตาม [8]
การขนส่งทางควอนตัมที่สนับสนุนโดยสิ่งแวดล้อม
การพัฒนาแนวคิดที่สำคัญจากฟิสิกส์และทฤษฎีข้อมูลควอนตัมคือ นอยส์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพ แทนที่จะเป็นเพียงแค่ยับยั้ง การขนส่งผ่านเครือข่ายที่ไม่มีระเบียบ การศึกษาหนึ่งแสดงให้เห็นว่า "แม้ที่อุณหภูมิศูนย์ การขนส่งการกระตุ้นผ่านเครือข่ายควอนตัมแบบสูญสลายสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยนอยส์จากการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ในท้องถิ่น" และอธิบายกลไกในแง่ของการขยายตัวของพลังงานตำแหน่งที่เกิดจากการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ ทำให้ "เส้นสเปกตรัมที่ขยายตัวของตำแหน่งที่อยู่ข้างเคียงเริ่มซ้อนทับกัน" จนการถ่ายโอนประชากรเพิ่มขึ้นเมื่อโหมดเรโซแนนซ์พร้อมใช้งาน [20] ในการวิเคราะห์เดียวกัน มีการย้ำว่าการถ่ายโอนที่รวดเร็ว "ไม่สามารถอธิบายได้จากพลศาสตร์แบบโคฮีเรนต์เพียงอย่างเดียว" และความเร็วที่เพิ่มขึ้นนั้นเกิดจากการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่อาจเกิดขึ้นเฉพาะจุดด้วยซ้ำ [20]
กรอบการทำงานเสริมได้ขยายการเดินสุ่มทางควอนตัมแบบเวลาต่อเนื่อง (continuous-time quantum walks) ไปสู่ "พลศาสตร์ที่ไม่เป็นยูนิทารีและขึ้นกับอุณหภูมิในพื้นที่ลิอูวิลล์ (Liouville space) ที่ได้จากแฮมิลโทเนียนระดับจุลภาค" ภายใต้รูปแบบ Lindblad [21] ในวิธีการดังกล่าว "ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวิวัฒนาการของแฮมิลโทเนียนอิสระและความผันผวนทางความร้อนในสิ่งแวดล้อม" ถูกโต้แย้งว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนของ FMO "จากประมาณ 70% เป็น 99%" โดยใช้มาตรวัดสากลสำหรับประสิทธิภาพการขนส่งและความอ่อนไหวของมัน [21] การวิเคราะห์เชิงแนวคิดในภายหลังได้ให้ "จุดกำเนิดที่เป็นสากล" สำหรับการขนส่งทางควอนตัมที่สนับสนุนโดยสิ่งแวดล้อม (ENAQT) ในสภาพแวดล้อมที่สูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ โดยระบุว่า ENAQT เกิดขึ้นจากสองกระบวนการที่แข่งขันกัน: แนวโน้มของการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่ทำให้ประชากรมีความสม่ำเสมอ และการก่อตัวของความชันของความหนาแน่นเอกซิตอน (exciton density gradient) ที่กำหนดโดยแหล่งกำเนิดและแหล่งรับ [22] ในกรอบการทำงานนั้น กระแสเอกซิตอนเทียบกับการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แสดงความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเดี่ยว (non-monotonic) โดยมีค่าสูงสุดที่ความแรงของการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ระดับหนึ่ง "ซึ่งเป็นสัญญาณของการปรากฏตัวของ ENAQT" และสิ่งนี้ถูกกำหนดกรอบอย่างชัดเจนว่าน่าทึ่งเพราะการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์เป็นการสูญสลายแต่กลับสามารถเพิ่มกระแสและการไหลของพลังงานได้ [22]
วรรณกรรมบทปริทัศน์ในวงกว้างระบุในทำนองเดียวกันว่า นอยส์จากการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบบริสุทธิ์สามารถ "เพิ่มทั้งอัตราและผลผลิต" ของการถ่ายโอนพลังงานการกระตุ้นเมื่อเทียบกับ "วิวัฒนาการแบบโคฮีเรนต์ที่สมบูรณ์แบบ" และให้คำอธิบายโดยอาศัยการแทรกสอด: การสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบบริสุทธิ์จะทำลายความสอดคล้องของเฟส เพื่อให้อัมปลิจูดของการทะลุผ่าน (tunneling amplitudes) ไม่หักล้างกันอีกต่อไป นำไปสู่การถ่ายโอนที่สมบูรณ์ไปยังแหล่งรับในแบบจำลองที่นำเสนอ [10] นอกจากนี้ยังระบุหลักการ "สายอากาศโฟนอน" (phonon antenna): "การปรับการแยกต่างระดับพลังงานให้ตรงกับจุดสูงสุดของความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมของความผันผวนในสิ่งแวดล้อม" สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งพลังงานได้ ซึ่งเชื่อมโยงปัญหาการออกแบบเข้ากับวิศวกรรมความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมและโครงสร้างของแฮมิลโทเนียนของเอกซิตอนโดยตรง [10]
ประเด็นที่ละเอียดอ่อนที่สำคัญคือ ENAQT ไม่จำเป็นต้องอาศัยความพัวพันที่มีอายุยืนยาว การวิเคราะห์การขนส่งที่สนับสนุนโดยการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ครั้งหนึ่งระบุว่า "การมีอยู่ของความพัวพันไม่ได้มีบทบาทสำคัญในการขนส่งพลังงาน และอาจขัดขวางมันด้วยซ้ำ" โดยกำหนดกรอบข้อดีของการขนส่งในแง่ของการแทรกสอดและการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์มากกว่าจะเป็นความพัวพันในฐานะทรัพยากร [23] ในแบบจำลอง Lindblad สภาวะคงตัวของเครือข่ายคล้าย FMO พบในทำนองเดียวกันว่า "มีโคฮีเรนซ์ที่ไม่ขึ้นกับเวลา" แม้ในสภาวะคงตัวที่ไม่อยู่ในสมดุล โคฮีเรนซ์เหล่านี้สามารถส่งผลต่อการขนส่งในทางบวกหรือลบ และการเพิ่มการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์จะ "ลดลง แต่ไม่ทำลาย" การขนส่งแบบโคฮีเรนต์ ยิ่งไปกว่านั้น "การถ่ายโอนการกระตุ้น ... สามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มนอยส์ภายนอก" ภายใต้กรอบการทำงานนั้น [24]
การตีความใหม่เชิงไวโบรนิก
คำอธิบายเชิงไวโบรนิกและการสั่นสำหรับการแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาว
การพัฒนาที่สำคัญหลังปี 2010 คือข้อโต้แย้งที่ว่าการแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวในสเปกตรัม 2D มักมีต้นกำเนิดมาจากโคฮีเรนซ์จากการสั่น ไม่ใช่โคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างเอกซิตอนที่มีอายุยืนยาว แบบจำลองเอกซิตอน-ไวโบรนิกประมวลผลโหมดการสั่นหนึ่งโหมดต่อหน่วยย่อยอย่างชัดเจน และคาดการณ์การแกว่งกวัดในสเปกตรัม 2D ของ FMO โดยมี "เวลาการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ 1.3 ps ที่ 77 K" โดยสืบหารากเหง้าของโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวไปที่ "การซ้อนทับของสถานะเอกซิตอน-ไวโบรนิกที่ตั้งอยู่บนรงควัตถุเดียวกัน" [25] งานวิจัยชิ้นเดียวกันเน้นย้ำว่าโคฮีเรนซ์ของเอกซิตอน-ไวโบรนิกสามารถ "มีอายุยืนยาวอย่างน่าทึ่ง" โดยมีการหน่วงเพียงเล็กน้อยในมาตราส่วนเวลา 2 ps และอธิบายการสลายตัวแบบสองระยะ (bi-phasic decay) ซึ่งการสลายตัวในระยะแรก 200 fs เกี่ยวข้องกับโคฮีเรนซ์ที่กระจายอยู่บนรงควัตถุต่างชนิดกัน ในขณะที่การแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวสะท้อนถึงโคฮีเรนซ์ที่กระจายอยู่บนรงควัตถุเดียวกัน [25] ในเชิงกลไก ความผันผวนที่มีความสัมพันธ์กันเกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อมเป็นอิสระจากสภาวะโหมดการสั่น ดังนั้นระดับไวโบรนิกจึงสามารถเผชิญกับ "ความผันผวนที่มีความสัมพันธ์กันสูง" ส่งผลให้เกิดการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่ล่าช้า; "การยืมความเข้ม" (intensity borrowing) ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายไดโพลการเปลี่ยนผ่านที่เข้มข้นในสถานะไวโบรนิก [26]
ในระดับการตีความเชิงทดลอง การศึกษา 2D ของ FMO แบบโฟตอนเอคโคที่อุณหภูมิห้อง โต้แย้งว่าสเปกตรัม "ไม่ได้ให้หลักฐานของควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอายุยืนยาวใดๆ" แต่กลับ "ยืนยันมุมมองดั้งเดิมเกี่ยวกับควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สลายตัวอย่างรวดเร็วในมาตราส่วนเวลา 60 fs" [6] ตรรกะที่รายงานใช้การตัดตามแนวเส้นทแยงมุมย่อย (antidiagonal cut) ของสเปกตรัม 2D เพื่อประมาณความกว้างของเส้นสเปกตรัมแบบเอกพันธุ์ (homogeneous linewidth) ซึ่งสอดคล้องกับเวลาการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่ง "กำหนดขีดจำกัดสูงสุดโดยหลักการ" สำหรับการสลายตัวของการแกว่งกวัดใดๆ ที่มีต้นกำเนิดมาจากการบีตระหว่างการเปลี่ยนผ่านของเอกซิตอน [6] ในการวิเคราะห์เดียวกัน การแกว่งกวัดในภูมิภาคเฉพาะถูกเชื่อมโยงกับโคฮีเรนซ์จากการสั่น: "การแกว่งกวัด ... เกี่ยวข้องกับโคฮีเรนซ์จากการสั่น" และความถี่ อายุขัย และแอมพลิจูดของมันถูกกล่าวว่าตรงกับโหมดการสั่นของโมเลกุล "และไม่ใช่โคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอายุยืนยาว" [6] ผู้เขียนจึงสรุปว่า "ควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ใดๆ จะจางหายไปภายในช่วงเวลาการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ 60 fs" และ "ไม่มีความจำเป็นต้องใช้การขนส่งพลังงานแบบโคฮีเรนต์ระยะไกล" เพื่ออธิบายประสิทธิภาพโดยรวม [6]
การศึกษาที่ขึ้นกับอุณหภูมิซึ่งขยายไปถึงอุณหภูมิต่ำมากแย้งว่า "ควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญจะเกิดขึ้นที่ ... ~20 K เท่านั้น" โดยโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์คงอยู่จนถึง 200 fs (ใกล้กับสายอากาศ) และอาจถึง 500 fs (ใกล้ด้านศูนย์กลางปฏิกิริยา) และโคฮีเรนซ์จะสลายตัวเร็วขึ้นตามอุณหภูมิ จนกลายเป็นสิ่งที่ไม่เกี่ยวข้องเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 150 K [27] ในงานวิจัยนั้น การรายงานเรื่องสัญญาณบีตที่มีอายุยืนยาวก่อนหน้านี้ถูกระบุว่าเป็นผลมาจากต้นกำเนิดของการสั่น: "พวกมันเป็นผลมาจากการผสมโคฮีเรนซ์จากการสั่นในสถานะพื้นทางอิเล็กทรอนิกส์" และ "การเพิ่มขึ้น" ที่เคยระบุว่าเป็นผลมาจากควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ถูกโต้แย้งว่า "เกิดจากการบีตแบบเรโซแนนซ์ของโหมดการสั่นของโมเลกุลในสถานะพื้นทางอิเล็กทรอนิกส์ล้วนๆ" [27, 28] ภาพลักษณ์ของการคัปปลิ้งระบบและสิ่งแวดล้อมแบบเข้มได้รับการสนับสนุนโดยพลังงานการจัดเรียงตัวใหม่ที่อนุมานได้ 120 cm ซึ่งถูกอธิบายว่าเพียงพอที่จะลดอายุขัยของโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์และทำให้เกิดการไม่ประจำที่ของฟังก์ชันคลื่นอิเล็กทรอนิกส์เป็นช่วงๆ [28]
ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับการสังเคราะห์ข้อมูลในวงกว้างที่ว่า "โคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนมีอายุสั้นเกินกว่าจะมีความสำคัญเชิงหน้าที่ใดๆ" และโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวที่สังเกตพบนั้น "มีต้นกำเนิดมาจากการสั่นที่ถูกกระตุ้นอย่างฉับพลัน" ที่สังเกตได้ในสเปกโทรสโกปีระดับเฟมโตวินาที [7] สำหรับโปรตีน FMO โดยเฉพาะ การสังเคราะห์นั้นรายงานเวลาการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่คำนวณได้ของโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนและเชิงแสง "ในช่วง 50 ถึง 75 fs" และโต้แย้งว่าควอนตัมบีตที่มีอายุยืนยาวนั้น "ไม่สอดคล้องกับโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอน" และกลับแสดงสัญญาณของโหมดการสั่นที่ว่องไวต่อรามานบนพื้นผิวสถานะพื้นแทน [7]
การผสมไวโบรนิกในฐานะพารามิเตอร์การออกแบบที่ควบคุมได้
ในขณะที่การตีความใหม่ลดความสำคัญของโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ล้วนที่มีอายุยืนยาว แต่มันไม่ได้กำจัดโครงสร้างทางควอนตัมออกไปจากหน้าที่ของการสังเคราะห์ด้วยแสง สายงานวิจัยเชิงทดลองที่แยกต่างหากเน้นย้ำว่าการควบคุมทางชีวภาพสามารถปรับจูนการผสมไวโบรนิกเพื่อควบคุมการถ่ายโอนพลังงานได้ ในการศึกษา 2DES ครั้งหนึ่ง มีการวัดการถ่ายโอนพลังงานใน FMO แบบสายพันธุ์ป่า (wild-type) และแบบกลายพันธุ์ภายใต้สภาวะรีดิวซ์และสภาวะออกซิไดซ์ และพบว่าภายใต้สภาวะรีดิวซ์ การถ่ายโอนพลังงานผ่านสองเส้นทางจะมีค่าเท่ากัน "เพราะช่องว่างพลังงานเอกซิตอน 4–1 มีการคัปปลิ้งทางไวโบรนิกกับโหมดการสั่นของ bacteriochlorophyll-a" ในขณะที่การออกซิไดซ์จะทำให้เกิดการเลื่อนหลุดจากการเรโซแนนซ์ (detune the resonance) ทำให้เอกซิตอนเคลื่อนที่ผ่านเส้นทางอ้อมเป็นหลักและเพิ่มโอกาสในการถูกกำจัด (quenching) [29] มีการใช้แบบจำลอง Redfield เพื่อแสดงให้เห็นว่าสารประกอบเชิงซ้อนบรรลุพฤติกรรมนี้โดยการปรับพลังงานตำแหน่งเฉพาะผ่านสภาวะรีดอกซ์ของกรดอะมิโนซิสเตอีนภายใน [29]
การศึกษาที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดรายงานว่า โคฮีเรนซ์ในสถานะกระตุ้นจำนวนมาก "ปรากฏเฉพาะในสภาวะรีดิวซ์เท่านั้น" และหายไปหรือลดลงในสภาวะออกซิไดซ์ และการมีอยู่ของพวกมันสัมพันธ์กับการคัปปลิ้งทางไวโบรนิกที่ทำให้การถ่ายโอนพลังงานรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้นภายใต้สภาวะรีดิวซ์ [30] การเพิ่มขึ้นของความถี่การบีตที่หลากหลายในระดับหลายร้อยเวฟนัมเบอร์ (wavenumbers) ถูกใช้เพื่อโต้แย้งว่าการบีตเหล่านั้นเป็นโคฮีเรนซ์ในสถานะกระตุ้นที่มี "ลักษณะของการสั่นเป็นส่วนใหญ่" และผลลัพธ์ถูกสรุปว่าเป็นการบ่งชี้ว่าการถ่ายโอนพลังงานของเอกซิตอนดำเนินไปผ่านกลไกแบบโคฮีเรนต์ โดยที่โคฮีเรนซ์ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือในการแยกแยะการผ่อนคลายแบบโคฮีเรนต์ออกจากการถ่ายโอนที่ขับเคลื่อนโดยความผันผวนแบบสุ่ม [30]
การสังเคราะห์มาตราส่วนเวลาที่ขัดแย้งกัน
การถกเถียงเรื่องโคฮีเรนซ์ใน FMO มักถูกสรุปว่าเป็นการปะทะกันของมาตราส่วนเวลาที่สกัดได้จากการทดลองและแบบจำลองที่แตกต่างกัน ตารางด้านล่างรวบรวมมาตราส่วนเวลาที่เกี่ยวข้องกับโคฮีเรนซ์ที่เป็นตัวแทนและการตีความที่ระบุไว้ในวรรณกรรมที่อ้างถึง
ความหลากหลายของมาตราส่วนเวลาในตารางนี้ไม่ได้สะท้อนถึงความไม่สอดคล้องกันของการทดลองเสมอไป แต่มันสะท้อนให้เห็นว่าประเภทโคฮีเรนซ์ที่แตกต่างกัน (optical vs inter-exciton vs vibronic vs vibrational), กระบวนการวิเคราะห์ที่แตกต่างกัน (การสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์แบบเอกพันธุ์ตามความกว้างของเส้นสเปกตรัม vs การฟิตสัญญาณบีตของครอสพีค) และแบบจำลองสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน (ความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมใกล้ , ความไม่เป็นระเบียบแบบคงที่, ความผันผวนที่มีความสัมพันธ์กัน) ให้ความสำคัญกับฟิสิกส์ที่แตกต่างกันและสามารถให้พารามิเตอร์การสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ที่มีผลแตกต่างกันได้ [6, 8, 13]
ความเชื่อมโยงที่เกินกว่า FMO
แม้ว่า FMO จะเป็นระบบตัวอย่างที่เป็นมาตรฐาน แต่ฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องก็ปรากฏในสารประกอบเชิงซ้อนของการสังเคราะห์ด้วยแสงอื่นๆ ในศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบแสง II (photosystem II) ในพืช การใช้ 2DES ร่วมกับการสร้างแบบจำลอง Redfield ถูกนำมาใช้เพื่อ "อธิบายบทบาทของโคฮีเรนซ์" ในการแยกประจุโดยการรวมการทดลองและทฤษฎีเข้าด้วยกัน และมีการรายงานว่า "ควอนตัมบีต" ปรากฏอยู่อย่างน้อย 1 ps ทั้งที่อุณหภูมิห้องและ 80 K [32] ความถี่ของการแกว่งกวัดถูกกล่าวว่าสอดคล้องกับการสั่นภายในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ และตรงกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะเอกซิตอน–การถ่ายโอนประจุ (exciton–CT) ซึ่งสนับสนุนภาพลักษณ์ของการเรโซแนนซ์ระหว่างโหมดการสั่นและระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ [32] ในการศึกษานั้น พลศาสตร์ถูกสรุปว่าเป็นการแสดงให้เห็นถึง "ความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นระหว่างควอนตัมโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์และการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่รวดเร็วเป็นพิเศษและมีประสิทธิภาพ" และโคฮีเรนซ์ทางไวโบรนิกถูกเสนอว่ามีส่วนช่วยอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพทางควอนตัมที่สูง [32]
หลักฐานอิสระที่ว่าสภาพแวดล้อมโปรตีนที่มีความสัมพันธ์กันสามารถรักษาโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ไว้ได้นั้น มาจากการทดลองโฟตอนเอคโคสองสี (two-color photon-echo) ในศูนย์กลางปฏิกิริยาของแบคทีเรีย ในระบบนั้น ข้อมูลเผยให้เห็นถึง "โคฮีเรนซ์ที่คงอยู่นานระหว่างสองสถานะอิเล็กทรอนิกส์" ที่เกิดจากการผสมของสถานะกระตุ้นของ bacteriopheophytin และ accessory bacteriochlorophyll และมีการโต้แย้งว่าโคฮีเรนซ์นั้น "สามารถอธิบายได้ด้วยความสัมพันธ์ที่เข้มข้นระหว่างความผันผวนที่เกิดจากโปรตีน" ในพลังงานการเปลี่ยนผ่านของโครโมฟอร์ที่อยู่ข้างเคียงกันเท่านั้น [33] ข้อสรุปคือสภาพแวดล้อมโปรตีนที่มีความสัมพันธ์กันช่วยรักษาโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์และช่วยให้เกิดการเคลื่อนที่ในเชิงพื้นที่แบบโคฮีเรนต์ของการกระตุ้น ทำให้การเก็บเกี่ยวและการจับพลังงานเป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ [33]
กรณีตัวอย่างในวงกว้างเหล่านี้สนับสนุนมุมมองทั่วไปที่ระบุไว้ในบทวิจารณ์ว่า: แม้ว่า "การตรวจพบการขนส่งพลังงานแบบโคฮีเรนต์จะกระตุ้นให้เกิดข้อกล่าวอ้างที่ว่าผลกระทบทางควอนตัมช่วยให้การสังเคราะห์ด้วยแสงมีประสิทธิภาพมากขึ้น" การทดลองบ่งชี้ว่า "ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ทางอิเล็กทรอนิกส์และการสั่นยังช่วยรักษาโคฮีเรนซ์" ในการแยกประจุด้วยเช่นกัน ซึ่งผลักดันให้สาขานี้มุ่งไปสู่กลไกทางไวโบรนิกและการสั่นมากกว่าจะเป็นโคฮีเรนซ์ระยะไกลทางอิเล็กทรอนิกส์ล้วนๆ ในฐานะผู้สมัครหลักเชิงหน้าที่ [34]
ผลกระทบและคำถามที่ยังไม่มีคำตอบ
ผลกระทบที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ในวรรณกรรมทางฟิสิกส์คือ ไม่ควรนำหน้าที่ทางชีวภาพไปผูกโยงกับโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนที่มีอายุยืนยาวเพียงอย่างเดียว การสังเคราะห์ข้อมูลฉบับหนึ่งระบุว่า "โคฮีเรนซ์มีส่วนช่วย แต่ในลักษณะที่ละเอียดอ่อน" และโต้แย้งว่าจำเป็นต้องมี "แบบจำลองทางทฤษฎีที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น" เพราะพลังงานไม่ได้เพียงแค่กระโดดแบบไม่สอดคล้องกันจากโมเลกุลหนึ่งไปอีกโมเลกุลหนึ่ง ซึ่งบ่งบอกถึงบทบาทของผลกระทบแบบโคฮีเรนต์ที่ไม่สามารถลดทอนให้เหลือเพียงค่าคงที่เวลาของโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวเพียงค่าเดียวได้ [9] แหล่งข้อมูลเดียวกันยังเน้นย้ำว่าสารประกอบเชิงซ้อนที่เก็บเกี่ยวแสงนั้นถูกปรับจูนเพื่อให้ "ช่องว่างพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ ... ตรงกันอย่างใกล้ชิดกับช่องว่างพลังงานจากการสั่น" และการคัดเลือกทางวิวัฒนาการดังกล่าวบ่งชี้ว่าการปรับการเรโซแนนซ์ของความถี่ให้เหมาะสมมีความสำคัญเชิงหน้าที่—ซึ่งเป็นแนวคิดที่สอดคล้องกับภาพลักษณ์ของสายอากาศโฟนอนและการผสมไวโบรนิก [9]
อย่างไรก็ตาม ระดับความสำคัญของพฤติกรรมที่คล้ายกับการเดินสุ่มทางควอนตัมที่สังเกตพบยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน บทปริทัศน์ล่าสุดระบุว่า "การมีอยู่ของการเดินสุ่มทางควอนตัมในการถ่ายโอนพลังงานยังคงอยู่ระหว่างการหารือ" และยังเตือนว่าการเพิ่มอัตราการถ่ายโอนจากการเดินสุ่มทางควอนตัมนั้น "ไม่ได้รับประกัน" โดยอ้างถึงตัวอย่างที่ขัดแย้งกันในวรรณกรรมและเน้นย้ำว่าการจำลองแบบอาศัยวิถีการเคลื่อนที่ (trajectory-based) ด้วยอิเล็กตรอนทางควอนตัมและนิวเคลียสแบบคลาสสิกสามารถเพียงพอที่จะอธิบายประสิทธิภาพของ FMO ในการวิเคราะห์บางกรณีได้ [35] สิ่งนี้ตอกย้ำถึงความจำเป็นในการระบุให้ชัดเจนว่ามีการกล่าวอ้างถึงสัญญาณทางควอนตัมประเภทใด (coherence, interference, vibronic mixing) และมีการใช้ตัวเปรียบเทียบแบบคลาสสิกประเภทใด [11, 35]
ในพรมแดนด้านระเบียบวิธี การสร้างแบบจำลองระดับจุลภาคยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง บทความที่เตรียมตีพิมพ์ (preprint) ล่าสุดรายงานเกี่ยวกับ "การจำลองแบบจำลองระดับจุลภาคที่แม่นยำและไม่เป็นแบบ perturbative" และกล่าวอ้างถึง "โคฮีเรนซ์ของเอกซิตอนที่มีอายุยืนยาวที่ 77 K และที่อุณหภูมิห้อง" ในมาตราส่วนเวลาพิโควินาที ในขณะเดียวกันก็ได้เน้นย้ำว่าการลดทอนรายละเอียด (coarse-graining) ของความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม "จะยับยั้งลักษณะการแกว่งกวัดทั้งหมด" ของพลศาสตร์โคฮีเรนซ์ที่ 300 K อย่างสิ้นเชิง ซึ่งจะทำให้ประเมินผลกระทบทางควอนตัมต่ำเกินไปภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีการสั่นตามความเป็นจริง [14] งานวิจัยเดียวกันรายงานว่าทั้งที่ 77 K และ 300 K "พีคที่แคบจะปรากฏขึ้นตลอดช่วงความถี่การสั่นทั้งหมด" ของโหมดภายในรงควัตถุ ซึ่งถูกใช้เป็นลายนิ้วมือทางไวโบรนิกของสภาพแวดล้อมโฟนอนที่มีโครงสร้างซึ่งส่งผลต่อพลศาสตร์ของเอกซิตอน [14] เมื่อพิจารณาถึงคำเตือนก่อนหน้านี้ที่ว่าสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นไม่สามารถแยกแยะโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ออกจากการสั่นได้อย่างจำเพาะเจาะจง การจำลองระดับจุลภาคดังกล่าวจึงถูกมองว่าดีที่สุดเมื่อพิจารณาในฐานะส่วนหนึ่งของกระบวนการอนุมานเชิงทดลองและทฤษฎีที่บูรณาการเข้าด้วยกัน มากกว่าที่จะเป็นการแก้ไขข้อโต้แย้งเรื่องโคฮีเรนซ์ด้วยตัวมันเองเพียงอย่างเดียว [14]
บทสรุป
ชีววิทยาควอนตัมที่ขับเคลื่อนด้วยฟิสิกส์ได้เปลี่ยนโฉมหน้าการศึกษาการถ่ายโอนพลังงานในการสังเคราะห์ด้วยแสง จากการมองว่าเป็นปัญหาของกระบวนการอัตราแบบคลาสสิก ไปเป็นปัญหาระบบควอนตัมแบบเปิดที่ถูกจำกัดเชิงปริมาณ ซึ่งขับเคลื่อนโดย 2DES และสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นความเร็วสูงพิเศษที่เกี่ยวข้อง ซึ่งช่วยสร้างแผนที่การคัปปลิ้งในสถานะกระตุ้นและเผยให้เห็นสัญญาณการแกว่งกวัด [1, 2] ใน FMO งานวิจัย 2DES ในยุคแรกรายงานว่าสัญญาณบีตทางควอนตัมคงอยู่เป็นเวลา 660 fs ที่ 77 K และโต้แย้งว่าโคฮีเรนซ์ที่มีอายุยืนยาวดังกล่าวท้าทายแบบจำลองการกระโดดแบบกึ่งคลาสสิก และต้องการการพิจารณาถึงสภาพแวดล้อมโปรตีนที่มีโครงสร้างและมีบทบาทเชิงรุก [3, 4] การทดลองติดตามผลรายงานสัญญาณโคฮีเรนซ์ที่คงอยู่จนถึงอุณหภูมิทางสรีรวิทยา โดยมีอายุขัยเฉพาะในช่วง 100 fs และสังเกตพบสัญญาณบีตได้เกินกว่า 300 fs ซึ่งกระตุ้นให้เกิดวรรณกรรมทางทฤษฎีจำนวนมากเกี่ยวกับนอยส์ที่มีความสัมพันธ์กัน, พลศาสตร์แบบ non-Markovian และวิศวกรรมความหนาแน่นเชิงสเปกตรัม [2]
ในขณะเดียวกัน การประเมินซ้ำอย่างเข้มงวดได้แสดงให้เห็นว่า การแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวจำนวนมากในสเปกตรัม 2D สามารถอธิบายได้ด้วยโคฮีเรนซ์จากการสั่นและการผสมไวโบรนิก มากกว่าจะเป็นโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างเอกซิตอนที่มีอายุยืนยาว การวิเคราะห์โฟตอนเอคโคที่อุณหภูมิโดยรอบอนุมานถึงการสูญเสียสภาวะโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ในช่วง 60 fs และให้เหตุผลว่าการแกว่งกวัดที่มีอายุยืนยาวที่สังเกตพบนั้นมาจากโคฮีเรนซ์จากการสั่น และบทปริทัศน์ที่ครอบคลุมระบุในทำนองเดียวกันว่าโคฮีเรนซ์ระหว่างเอกซิตอนนั้นมีอายุสั้นเกินกว่าจะมีความสำคัญเชิงหน้าที่ และสัญญาณที่มีอายุยืนยาวนั้นมีต้นกำเนิดมาจากการสั่นที่ถูกกระตุ้นอย่างฉับพลัน [6, 7]
ดังนั้น ข้อสรุปปัจจุบันที่มีน้ำหนักมากที่สุดและสอดคล้องกับแหล่งข้อมูลที่อ้างถึง จึงเป็นข้อสรุปที่แบ่งเป็นลำดับชั้น ประการแรก ควอนตัมโคฮีเรนซ์ในสารประกอบเชิงซ้อนของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นถูกสังเกตพบได้ในเชิงทดลองและคาดการณ์ได้ในเชิงทฤษฎี แต่ลักษณะของมัน (ทางอิเล็กทรอนิกส์ vs ไวโบรนิก vs การสั่น) ขึ้นอยู่กับระบบและตัวบ่งชี้ที่สังเกตได้ [3, 7, 25] ประการที่สอง บทบาทเชิงหน้าที่ของกลศาสตร์ควอนตัมมีความเป็นไปได้มากกว่าที่จะอยู่ในลักษณะที่สภาพแวดล้อมโปรตีนและความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมที่มีโครงสร้างช่วยให้การถ่ายโอนมีประสิทธิภาพผ่านกลไกต่างๆ เช่น ENAQT, การปรับการเรโซแนนซ์แบบสายอากาศโฟนอน และการผสมไวโบรนิกที่ปรับจูนได้ มากกว่าที่จะเป็นโคฮีเรนซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ระยะไกลที่ยั่งยืนที่อุณหภูมิห้อง [10, 20, 29] ท้ายที่สุด การแก้ไขความคลุมเครือที่เหลืออยู่จำเป็นต้องใช้กลยุทธ์ร่วมกัน: สเปกโทรสโกปีที่ออกแบบมาเพื่อแยกเส้นทางสัญญาณและประเภทของโคฮีเรนซ์ และการจำลองระดับจุลภาคที่เคารพความหนาแน่นเชิงสเปกตรัมที่มีโครงสร้างสูงและสภาวะการคัปปลิ้งแบบเข้ม ซึ่งทำให้การประมวลผลแบบหยาบเกินไปหรือแบบมาร์โกเวียนล้วนนั้นใช้ไม่ได้ผล [11, 14, 15]
