量子生命学 书籍，量子生命科学

介绍

2022年诺贝尔物理学奖将颁发给量子信息科学的基础研究。 100多年前，量子革命催生了晶体管和激光器，如今基于量子信息的新技术正在迎来量子信息的新时代。事实上，研究表明，量子现象也存在于生命过程中。量子理论在生物研究中的应用被称为“量子生物学”。英国皇家学会界面杂志2018年11月发表评论文章《量子生物学的未来》，为生物学家提供了量子力学的简明介绍，包括光合作用、生物感知、酶催化、涌现等，介绍了量子生物学的一些重要领域。它深入了解了量子生物学在脑意识和生命起源方面的发展现状，并指出了该领域进一步发展的可能性。集智社翻译了本文全文。研究领域：量子生物学、光合作用、酶催化、感知、生命起源

Adriana Marais 等人| 作者

乔玉婷| 译者

梁进| 评论

邓一雪| 编辑

目录：

1.首先

2. 什么是量子生物学？ 3. 量子力学：生物学家简介4. 传输过程5. 感知6. 生命的起源7. 量子生物学和复杂性

生物系统是动态的，不断地与环境交换能量和物质，以维持与生命同义的非平衡条件。观测技术的进步使研究人员能够在比以往更小的尺度上研究生物动力学。这些研究揭示了各种生物过程中量子力学效应无法用经典物理学解释的证据。量子生物学就是对此类过程的研究，本文概述了该领域的现状并展望了未来的方向。

1. 引言量子力学是描述基本粒子、原子、分子和分子集合体等微观粒子性质的基础理论。量子力学在纳米和亚纳米尺度上运行，构成光合作用、呼吸和视觉等基本生命过程的基础。在量子力学中，所有物体都具有波动性。量子相干性描述了描述这些物体的物理量之间的相关性，这些物理量是由于它们相互作用时的波特性而产生的。就光合作用、呼吸和视觉而言，过去开发的模型本质上是量子力学的。研究人员基于表面跳跃的框架解释了能量转移和电子转移。这些模型描述的动力学通常是“指数”的，并遵循费米黄金法则的应用[1, 2]。由于传输速率是在最终状态的准连续分布上平均的，因此计算出的动力学不再表现出相干或干扰现象。在20 世纪90 年代进行的大量研究中，研究人员观察到光合反应中心和光捕获复合体中的振动现象，通常将其归因于振动现象或电子振动波包混合的形成。据报道，在光合作用系统的激发能量转移过程中检测到极长寿命（> 660 fs）的电子量子相干性，为使用“非平凡”量子力学解释基本生物生命过程打开了大门。角色。然而，诸如相干性之类的量子现象可能在宏观生命系统中发挥功能作用的想法并不新鲜。 1932年，量子物理学家尼尔斯·玻尔因其在原子结构方面的工作而获得诺贝尔奖十年后，他在哥本哈根国际光疗会议上发表了题为“光与生命”的演讲。我也这么做了[4]。这就提出了一个问题：量子理论是否有助于对生命系统的科学理解。马克斯·德尔布吕克(Max Delbrck) 出席了会议，他是一位对此充满兴趣的年轻物理学家，后来帮助建立了分子生物学领域，并因其在遗传学方面的发现而于1969 年获得诺贝尔奖。所有生命系统都是由分子组成的，基本上所有分子都是由量子力学描述的。然而，传统上，由于量子力学描述的系统和生物学研究的系统之间存在巨大的尺度差异，以及生命和无生命物体看似截然不同的属性，两个知识体系之间始终存在着不断的差异，出现了鸿沟。最近，超快光谱学[6]、单分子光谱学[7-11]、时间分辨显微镜[12-14]和单粒子成像[15-18]等实验技术的发展使研究人员能够现在可以进行学术研究。分辨率和时间尺度动态。这些揭示了生命系统功能所需的各种过程，这些过程依赖于量子效应和经典物理效应之间的微妙相互作用。量子生物学将量子理论应用于经典物理学无法准确解释的生物学方面。尽管有这个简单的定义，科学界内部仍然存在关于该领域的目标和作用的争论。本文提供了对量子生物学现状的看法，并确定了该领域进一步发展的潜在路径。

2.什么是量子生物学？就目前的范式而言，生物学在将经典模型应用于生命系统方面取得了广泛的成功。在大多数情况下，分子尺度上微妙的量子效应在整体生物功能中并不起决定性作用。这里的“功能”是一个广义的概念。示例：视觉和光合作用如何在分子水平和超快时间尺度上发挥作用？由间隔约0.3 nm 的核苷酸分子组成的DNA 如何处理紫外光子？酶如何催化重要的生化反应？我们的大脑如何处理使用亚纳米级组织的神经元获得如此令人难以置信的大量信息？DNA复制和表达是如何工作的？当然，所有这些生物功能都必须从进化适应性的角度来考虑。在这种情况下，经典近似和量子力学模型之间的差异通常被认为可以忽略不计，尽管本质上每个过程都完全受量子力学定律支配。量子领域和经典领域之间的模糊界限正在发生什么？更重要的是，是否存在“看起来”经典但实际上并非如此的基本生物功能？量子生物学的作用正是揭示和阐明这种关系。从根本上讲，所有物质，无论是有生命的还是无生命的，都是量子力学的，由离子、原子和/或分子组成，其平衡特性由量子理论精确确定。因此，我们可以说所有的生物学都是量子力学的。然而，这个定义并没有解决生物过程的动力学性质，也没有解决分子间动力学的经典描述通常被认为是足够的事实。因此，量子生物学需要根据所使用模型的物理“准确性”以及特定生物过程的经典和量子力学模型解释力的一致性来定义。当研究人员研究纳米级及以上的生物系统时，他们发现本文详细介绍的过程存在于生物体内。目前认为，需要量子力学描述来充分表征所涉及子系统的行为。尽管量子效应很难在宏观时间和长度尺度上观察到，但这个过程通常是必要的。因此，生物体的功能和生存被认为取决于分子间尺度的动态量子力学效应。量子生物学研究的是这些时间和长度尺度之间的相互作用，目的是构建连贯的物理学图景。量子生物学的伟大希望可能包括为生命的定义和理解做出贡献，或者为大脑和意识的理解做出贡献。但这些问题与科学本身一样古老，更好的方法是询问量子生物学是否可以为一个框架做出贡献，使研究人员能够以产生新答案的方式解决问题。对在量子和经典物理领域之间有效运行的生物过程的研究有助于改进从量子物理到经典物理过渡的物理描述。更直接地说，量子生物学表明，即使在室温下的嘈杂环境中，它也能在基本层面上高效运行，并且可以利用这些“嘈杂环境”来保护或增强量子纳米技术。我们致力于提出受生物学启发的设计量子纳米技术的原理，包括使用特征[19,20]。通过设计这样的系统，我们可以测试和量化量子效应可以在多大程度上增强生物学中发现的过程和功能，并最终确保这些量子效应是在系统设计中有意选择的，可以揭示它是否完成。然而，重要的是，受量子生物学启发的技术也可以基本上独立于启发它们的生物体而发挥作用。

3. 量子力学：生物学家简介20世纪初，经典物理学在描述所有可观察现象方面的成功开始受到多方面的挑战。 1900年，为了解释黑体辐射的光谱能量分布，普朗克提出了物质与频率为的电磁辐射之间的相互作用是量子化的并且仅发生在h的整数倍处的想法。其中h 是基本普朗克常数。五年后，爱因斯坦进一步发展了能量量子化的概念，并将其扩展到包括光的3354个光子量子。这个概念可以用光电效应来解释，即入射到材料上的光会导致电子发射。然而，虽然适当频率的低强度光也会引起电子发射，但低于该阈值频率的高强度光则没有效果。为了解释这个问题，爱因斯坦提出，在这种情况下，光表现为粒子而不是波，并且离散能量可以转移到物质中的电子。此外，1913年玻尔的氢原子及其离散能态模型和1923年康普顿的X射线研究都为现代物理学新时代的开始做出了贡献。这些解释黑体辐射和光电效应、原子稳定性和光谱学的方法导致了量子力学的发展，这是一种用于预测和描述微物理系统的非常成功的理论[21,22]。普朗克和爱因斯坦通过假设辐射也表现得像粒子而开启了量子革命，德布罗意于1923 年提出了互补理论——。物质本身具有波动性，波长通过普朗克常数与其动量相关。这一假设表明物质中的波应该表现出衍射行为，并且这一点被随后的实验所证实，该实验表明电子等粒子表现出干涉图案。薛定谔在他的量子力学表述中建立了这一观察结果，量子力学通过使用波力学描述了微观系统的力学。使用量子力学公式，我们可以理解量子态的许多重要方面：它在任何时间t 的数学描述，如何计算与该状态相关的各种物理量，以及它如何随时间演变。您可以研究诸如描述了状态的演化[21,22]]。量子力学是一个数学框架，它描述了一个孤立的物理系统，其量子态| 完全表征了该系统，并且希尔伯特空间H 包含系统中所有可用的状态。由状态向量| 描述的系统的时间演化遵循薛定谔方程。

(3.1) 其中 是简化的普朗克常数，H(t) 是代表系统能级以及系统各部分之间相互作用的哈密顿量。量子理论更有吸引力的方面之一是，对于描述一个系统的两个量子态|1 和|2，线性叠加1 |1 + 2 |2 也描述了该系统。构成希尔伯特空间的状态组合或叠加更一般地写为：

(3.2) 叠加中的每个正交归一化状态|i 由复数i 加权，并且pi=|i2 是找到处于该状态的系统的概率。这就是量子力学与经典世界的分歧之处。量子系统中叠加态的存在产生了独特的量子力学特性，而这些特性通常是违反直觉的。例如，量子相干性描述了构成叠加的状态之间的显式关系，而量子纠缠是量子态之间相关性的特殊形式。一个很好的例子是光合作用中电子态的离域，这对于解释光合作用中电子能量转移和电荷分离的速度和效率非常重要[23]。在量子力学的概率解释中，隧道效应的概念也可以用来预测量子粒子穿过势垒的概率，这在经典力学中是被禁止的[21,22]。量子隧道效应的一个很好的例子是电子在供体和受体之间的有效转移，例如在光合作用反应中心或呼吸复合体中，电子必须穿过高能蛋白质屏障[24]。在这篇综述中，我们讨论了叠加、相干、纠缠和隧道等特定的量子特性如何使人们能够对光合作用、磁感受、嗅觉、酶催化、呼吸和神经传递等多种生物现象有新的理解。 ]。

4. 传输过程从根本上来说，生物系统的动力学涉及能量和电荷的运动，包括电子、质子和离子。光合作用中的激发能量转移和电荷转移是量子生物学最成熟的领域，最新的研究领域是酶催化研究，通常涉及电子和质子的结合来控制多个电荷的传输，具体取决于。

4.1. 光合作用超过30 亿年来，多产的生物体依靠光能生存，利用光合作用的过程将光能转化为对其生存有用的形式。在典型条件下，光合生物将太阳能转化为生物质的总体效率非常低（高达几个百分点[28,29]）。这是因为光合生物不能吸收所有入射的阳光或将所有吸收的能量转化为生物质。然而，光合作用的主要光捕获步骤以近乎完美的量子效率进行。这意味着在最佳条件下（低光强度和无应力），对于光捕获（天线）复合体吸收和转移的几乎每个光子，都会在光合作用反应中心内转移一个电子。光捕获复合物可以是准无序的自组装聚集体[30] 或附着在蛋白质支架上的高度对称的染料结构[31, 32]。构成整个天线系统的光捕获复合体连接到反应中心，反应中心是光合作用装置中唯一能够进行跨膜电荷分离的单元[33]。将光捕获复合物和反应中心与自然光合作用系统隔离，同时进行模拟生理环境条件的实验，将提高我们对光合作用光捕获系统如何在体内发挥作用的理解。初级光合作用过程中能量和电荷的转移表现出基本的量子力学性质，例如离域、波包、相干性和超辐射，而经典模型无法准确描述随后的动力学。

4.1.1 激发能量转移1938 年，Franck Teller [34] 提出了光合作用中激发能量转移的量子相干机制。他们考虑了弗兰克尔激子的扩散，这是单个光合色素的电子激发的相干叠加（图1）。随着20 世纪90 年代初飞秒瞬态吸收光谱的出现，在细菌和植物的光捕获复合物中检测到了皮秒持续时间的长寿命振动相干性[35-40]。在过去的14 年里，一种称为二维电子能谱(2D-ES) 的先进超快技术一直在监测光捕获复合体中振动和振动状态（激子-振动混合体）的相干叠加。二维光谱显示存在随时间振荡的交叉峰[41][42]。许多研究将交叉峰与激子态之间的耦合联系起来，并将其振动归因于电子量子相干性，即激子态之间的相干叠加[42]。第一项此类研究是在绿色硫细菌的Fena-Matthews-Olson (FMO) 复合体上进行的，由Fleming 小组于2007 年发表，显示出持续时间非常长（660 飞秒）的特异性[3]。 2009年，高等植物的主要光捕获复合体（LHCII）表现出类似的振动信号，这被解释为量子相干能量转移[43]。这些初步结果是在低温下获得的。 2010 年，一项重要进展出现，Engel [44] 和Scholes [45] 小组独立地在两种海洋隐植物的FMO 和光捕获复合体中在生理温度下检测到类似的相干振荡。

图1. 示意图说明了光合作用光捕获复合体中激发能量转移的概念。椭圆表示发生强激子耦合的染料簇，箭头表示簇之间不相干的能量转移。在每个簇内，能量被离域并一致地在所有颜料上转移。一般来说，生理温度下的量子相干性比低温下的量子相干性弱。这是因为环境噪声随着温度的升高而增加，从而导致退相干时间缩短。因此，从量子信息处理的角度来看，这些结果很有趣，一方面，在必须与环境相互作用的系统中保持量子相干性是一个重大挑战，另一方面从量子生物学的角度来看。因此，我们研究生命系统功能的基本方面是否只能通过量子力学来解释。受这种温暖、嘈杂、复杂但高效的能量传输系统的启发，许多环境辅助的量子传输模型被提出。目的是将光合色素蛋白中多个发色团位点的量子相干现象与激发能量转移过程的极端效率联系起来，通常在系统的近似自旋玻色子模型内。尽管噪声会降低系统性能是违反直觉的，但与环境的相互作用已被证明可以提高传输效率[19, 20]。光捕获复合物由许多染料分子组成，通常具有不同的位点能量。如果这种能量差大于染料分子之间的键，则转移被抑制。相移噪声可以改变位点的能量，从而有助于克服这些能隙并改善位点之间的传输，而不会失去系统的激励[46]。在支持或反对长寿命（高达几皮秒）电子相干性的广泛理论证据之后，最近对FMO 复合物的2D-ES 研究表明，这些长寿命相干性不是激子之间的相干性。来自基态振荡。子叠加[47,48]。与电子相干性相关的量子拍频的振幅被发现非常小，衰减范围仅为60-240 fs。然而，激发态振动相干性的实验证实也已被发现[48]，其在光合作用激发能量转移中的作用仍有待阐明。人们可能会想知道Quantum Coherence —— 激子和振荡器Coherence —— 在光收集中的作用是否最佳，或者仅仅是色素蛋白复合物中染料接近的结果。环境辅助传输对系统或环境特性变化的鲁棒性也进行了研究，结果表明这种鲁棒性可用于设计高效的量子传输系统[49, 50]。光合作用中时间尺度的收敛被提出作为“量子金发姑娘效应”的一个例子，其中自然选择迫使量子系统达到一组参数，其中所产生的量子相干性“恰到好处”以实现最大效率和最优性。是一种被推开的倾向。 [51]。一般来说，振动力学的观察不足以排除相同行为的经典描述，光合作用中环境辅助运输的量子模型也并非没有争议。然而，最近的一项研究[52]清楚地表明，环境振动运动的非经典性质可能有助于光合大型强子对撞机在亚皮秒时间尺度和室温下的激发能量转移。这些想法需要通过实验来确定光合大型强子对撞机的突变体是否改变量子相干性、相干寿命和能量转移效率。

4.1.2. 电荷转移光合作用中的电荷分离是自然界最有效的现象之一，量子效率接近100%。贡献过程发生在从亚皮秒到毫秒的不同时间尺度上，并涉及通过振动状态（振动和激子状态的混合）的无序和相干的相互作用。电荷分离是理解量子物理学在生物学中的作用的一个很好的选择。由于电荷分离发生在微秒时间尺度上，因此量子效应在如此宏观的水平上通常无法直接可见。然而，电荷分离机制可以用一系列不同的过程来表示，其中初始步骤发生在超快的时间尺度上，并且只涉及少量分子，但总体效率取决于每个步骤。

图2. 根据[23] 模型，高等植物光系统II 反应中心沿着至少两条现有路径之一的量子相干电荷分离示意图。左侧，谐波电势中有四个波包，每个波包对应于电荷分离路径上的不同状态。对于每种状态，主要颜料、电荷云的大致位置和符号显示在右侧。水平线表示右侧所示相应状态的指定波长处的吸收峰，波浪箭头表示与指定振动模式的共振相互作用。符号和*分别代表电荷转移和激子性质。这四种状态的性质是：

——高激子态，

-具有特定电荷转移特性的激子态，

- 电荷转移态与激子态混合，

—— 最终电荷分离状态。请注意，最后两个状态之间涉及ChID1 的中间过程已被省略。前三个步骤涉及通过耦合到振动模式的相干弛豫，最后一步涉及非相干传递。图例：D1和D2，对称反应中心结构的两个分支，Chl，叶绿素，P，主要电子供体/特殊对Chl，Phe，脱镁叶绿素。引自Romero 等人[23]。 1966 年，DeVault 和Chance 观察到紫色细菌反应中心电子传输的温度依赖性，这无法用经典物理学来解释[53]。他们提出这种行为作为量子隧道效应的证据[54]，并为生物学中电子和核隧道效应的概念奠定了基础[42]。 Marcus的电子转移理论忽略了核隧道效应[2]，可能低估了低温下的电子转移速率，而半经典Marcus理论则忽略了核隧道效应[2]，可能低估了低温下的电子转移速率。它可以推广为基于辐射跃迁理论的完整量子力学治疗。电荷分离随温度降低的速率是可以很好预测的。假设电荷分离与特定的谐波振动模式密切相关，则该速度由Joltner 速度给出。然而，这是基于振动弛豫发生在比电子转移更短的时间尺度上的假设，而对于非常快的转移事件则并非如此。超快光诱导电子转移反应是如此之快，以至于在电子从供体转移到受体期间不会发生完全的振动弛豫。振动弛豫通常发生在皮秒或亚皮秒时间尺度上，超快电子转移反应也在相同尺度上进行[55]。高等植物光系统II 反应中心的2D-ES 实验揭示了类似于光捕获复合物的特定交叉峰长期振荡，解释为激子之间以及激子与电荷转移之间的电子相干状态。（图2）[56] 。人们观察到相干程度与高效和超快的电荷分离之间存在很强的相关性[56]。实验结果已通过量子相干模型定量再现，该模型具有新的能量转移路径，这些路径通常不会出现在大量振动状态之间[56-58]。具体来说，模拟表明，观察到的交叉峰振动可以通过特定的振动模式来维持，支持共振转移的模式主要是染料特异性的，并且染料激子跃迁。这些模式的能量主要由蛋白质支架调整以匹配。因此，尽管非平凡的量子效应可能隐藏在宏观层面，但它们似乎从根本上促进了电荷分离的生物机制。因此，电荷转移是理解量子物理在生物学中的作用的一个极好的过程。因此，实验和理论证据表明，静态无序景观中的单一振动模式可以通过与振动模式的能量相匹配的蛋白质支架介导的染料激子跃迁，导致光合生物体中的光捕获和电荷分离传输。它可能会做出贡献。共振转移[52,56]。核电子（振动）耦合是分子系统光诱导功能的重要机制，无论是在一般系统还是在专门设计的系统中。光诱导电子转移的结果也被证明可以通过与电子转移路径中的振动耦合的特定模式红外激发而从根本上改变[59]。

4.1.3. 单分子光谱单分子实验为研究光合复合物的量子特征提供了一种有趣且有前途的方法。 2D-ES 结果表明，环境在量子相干能和分子振动形式的电子转移过程中起着密切的作用。这种环境因复杂性而异，且时间尺度相对较慢（从毫秒到分钟），如单个光捕获复合体研究中报告的不同时变能量转移途径所示。）各不相同[11, 60-62] 。这种异质性通常被称为“静态无序”，是由于蛋白质构象相对较慢的动态波动造成的，因此光谱特征振动的阻尼受到整体平均值的强烈影响。通过避免单分子实验中的整体平均，量子相干性可以扩展到微观范围，从而有可能进一步了解这种量子现象的生理重要性。静态无序还通过改变激发被限制在与能量汇[63,64]或光系统中其他复合体不相邻的染料簇[65]的概率来影响光捕获复合体中激发的命运。强烈影响我们仍然缺乏对光捕获复合物的外部影响对光动力学的精细控制的详细了解，如非光化学猝灭过程中发生的情况，非光化学猝灭是消散光合作用中多余能量的重要调节机制。缺乏了解。振动辅助能量转移和能量转移途径采样的作用可以通过单分子相干控制实验来阐明。最近，基于一系列关于磁场对光合反应中心影响的实验观察，提出了自旋的量子力学性质在光合作用的量子保护机制中的直接作用[66]。了解调节和保护光合作用的机制，以及在飞秒时间尺度上解析和控制这些过程，对于研究干旱胁迫或高太阳辐射条件下的作物歉收以及发展至关重要。下一代植物。对仿生学发展的影响。太阳能电池的重要应用。获得有关单个分子的纯量子力学特征信息的补充方法包括高阶相关函数中的非经典准泊松统计，以及贝尔不等式的辨识和可观测的柯西-施瓦茨统计。机械指纹等违规行为。不平等的数量。初始热化振动的非经典性质已被证明是通过相干激子振动相互作用产生的，尽管它们是由与电动力学耦合的有效集体模式的相空间准概率分布明确确定的。我就这样兴奋起来。这些结果为研究支持激发和电荷传输、光接收和化学传感过程的振动运动的非经典特性提供了试金石，以揭示生物学中重要量子现象的作用。表明这是可能的[52， 67]。然而，在单分子水平上进行此类研究极其困难，因为它需要超快（飞秒到纳秒）时间分辨率和高光子计数率。

4.1.4. 人工光合作用量子生物学领域的主张之一是，在微观尺度上详细了解光合作用，尤其是光合作用的早期阶段，将使研究人员能够开发利用丰富元素力量的生物应用。能够设计出受启发的人工光合作用系统。碳等，有效利用阳光、氧气、氮气等。此类系统的设计已经取得了重大进展（例如[68-73]）。人工光合作用的分子方法是将太阳能转化为生物燃料的众多候选方法之一。在这里，我们将研究自然光合作用来提取设计原理，并尝试基于这些原理开发更好的照明系统。当前系统的主要局限性是催化剂存储和过度电荷积累引起的不稳定。电荷分离的平衡至关重要，例如通过耦合质子的运动[74]。受量子生物学启发的设计的一个关键原理是激子的存在。激子通过更有效的光吸收、更快的能量漏斗（即沿能量梯度更快的衰减）、更快的能量转移和更有效（不可逆）的激发来捕获反应中心。 [75]。此外，它们的量子行为是通过不同途径的不同干扰以及蛋白质环境的振动模式与染料相互作用的方式发生的（增加振动能量的离域和提取或吸收），促进复合物内能量的运动。对原型人工反应中心中初级电荷转移的研究揭示了电子和原子核在数十飞秒时间尺度上的相关波动作为光电流产生循环的驱动机制[76]。在评估此类系统时，重要的是要考虑营业额和效率。良好的周转需要一个有弹性和稳定的系统，这可以通过用某种保护性聚合物封装颜料来实现[77]。例如，已经研究了创建人工膜嵌入蛋白（包括跨膜BChl 结合蛋白模型）的策略[78]。研究光合作用中激子传输的挑战，例如色素网络的无序性质、相似时间尺度上激子能量水平的波动以及与激子动力学的耦合，也在其他非生物环境中出现。量子生物学中首次出现的见解和想法的有用性的一个具体例子是最近对有机光伏（PV）的研究，这是一种由两种不同的工程分子半导体组合而成的太阳能电池。这就是研究。电子给体半导体通常是聚合物，而受体通常是富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。强束缚的弗兰克尔激子在器件内产生并扩散，直到它们到达供体和受体区域之间的界面。供体和受体具有不同的化学势，这提供了在界面处激子解离成自由电荷的驱动力，然后自由电荷可以扩散到相反的电极。然而，由于库仑相互作用是长程的，并且有机材料的介电常数较低，因此电子和空穴在室温下经历的结合能比kBT高10倍，即使它们在界面两侧解离成不同的分子。因此，大多数设备从电极提取的电荷比入射光产生的电荷少得多，导致功率转换效率低下。然而，近年来，出现了几种高效器件，据报道电荷提取效率接近100% [79,80]。研究人员进行了广泛的研究，以确定该子集中有效的远程电荷分离的起源。实验研究表明，有机光伏发电和光合作用之间存在令人惊讶的巧合。最初，人们认为供体-受体界面处的电荷分离发生在皮秒到纳秒的时间尺度上，并且可以通过经典热波动驱动的电荷跳跃来解释。许多实验观察到大部分自由电荷是在激子到达界面的100 飞秒内产生的。