在自然界的光合作用系统中，光合细菌展现出了令人惊叹的适应能力。当处于低光照环境时，它们会通过形成特殊的胞质内膜（ICM）囊泡来增加光捕获面积，这些纳米级的"太阳能接收器"直径通常在50-80纳米之间。然而，这种适应性变化背后隐藏着一个精妙的平衡难题：囊泡尺寸越小，膜面积越大，光捕获能力越强；但膜曲率越大，镶嵌其中的光捕获复合体2（LH2）结构变形越严重，反而会降低能量传递效率。这个看似简单的尺寸选择问题，实际上牵涉到从纳米级蛋白质结构到微米级细胞器形态的多尺度调控机制。

中国科学院物理研究所软物质物理实验室的研究团队在《Biophysical Journal》发表的研究成果，首次揭示了这一现象背后的量子设计原则。研究人员发现，LH2中细菌叶绿素（Bchl a）分子形成的B850环状结构是一个经过量子优化设计的能量传递系统，其特殊的排列方式使得最低激发态（k=0态）在理想情况下是光学禁阻的，能够有效储存激发能。然而，当LH2因膜曲率发生变形时，这种精妙的量子设计会被破坏，导致能量传递效率下降。为了量化这种效应，研究团队创造性地采用带电硅胶纳米颗粒模拟囊泡膜环境，通过系统改变颗粒尺寸（15-550 nm）来精确调控LH2的变形程度。

研究采用了多项关键技术：时间相关单光子计数系统测量荧光衰减动力学；飞秒瞬态吸收光谱分析B850激发态寿命；表面增强拉曼光谱确定LH2在纳米颗粒上的取向；弹性力学模型计算变形参数；激子理论模拟振荡强度变化。此外，还通过冷冻电镜表征脂质体尺寸，并比较了天然光合膜与人工重建系统的差异。

研究结果可分为三个重要发现：
在"共曲率相区"（550-160 nm），实验数据完美符合理论预测的1/τ∝1/d²
关系，表明LH2能够完全适应较大曲率表面的变形。通过弹性力学模型计算发现，当颗粒直径大于临界值d_c
=13.7 nm时，LH2能保持完美的环状对称性。

在"不变曲率相区"（160-80 nm），LH2表现出惊人的结构刚性，其变形程度几乎不随颗粒尺寸变化而改变。分子动力学模拟显示这一特性与160 nm特征曲率直径相关，此时相邻LH2间形成5.4°的稳定倾斜角，这种集体排列模式能有效抵抗静电力的变形作用。

最引人注目的是"平板变形相区"（50-80 nm），研究发现在这一与天然囊泡尺寸高度吻合的范围内，LH2几乎恢复至未变形状态。激子理论计算表明，此时B850环的振荡强度f_z
∝Δz²
关系使得能量传递效率最大化，量子效率η可达93%（τ=1.3 ns时），显著高于变形状态的87%（τ=0.7 ns）。

这项研究通过多学科交叉方法，首次建立了从量子尺度（<10 nm）到细胞器尺度（50-80 nm）的完整调控链条。研究证实光合细菌在进化过程中，通过选择特定尺寸范围的囊泡，既保证了足够的光捕获面积，又维持了LH2的量子最优结构，实现了整体光转换效率的最大化。这一发现不仅揭示了生物系统中量子效应跨尺度传递的新机制，也为人工光合系统的优化设计提供了重要启示——在构建仿生能量传递系统时，必须同时考虑纳米级结构设计与微米级组装形态的协同优化。该成果由Ying Zhang、Qianjin Chu等研究人员共同完成，Yuxiang Weng研究员担任通讯作者。