Открыты квантово-механические фокусы фотосинтеза

Квантовую механику в действии обнаружили внутри клеток морских водорослей Грегори Шолес (Gregory Scholes) и его коллеги из университета Торонто. Примечательно, что эффективное перенаправление энергии происходило в процессе фотосинтеза и при нормальной температуре.

Криптофиты (здесь показаны представители рода Rhodomonas) обитают как в морской, так и в пресной воде (фото Tihana Mirkovic/University of Toronto).

Учёные исследовал водоросли Chroomonas CCMP270, они хотели выяснить, как функционируют молекулы, вовлечённые в процесс фотосинтеза. Известно, что растения используют солнечный свет для того, чтобы преобразовать воду и углекислый газ в кислород и сахара.

В клетках растений находятся белки, которые играют роль антенн, перенаправляющих поглощённую энергию фотонов к реакционным центрам, где собственно и происходит процесс конвертации веществ. Однако о работе этих самых антенн было известно очень мало.

Антенны обладают восемью молекулами пигментов, каждый из которых поглощает свет определённой части спектра. Энергия проходит через антенны эффективно — по кратчайшему пути (ранее биологи об этом только догадывались). Однако по законам классической физики распространение энергии должно быть беспорядочным.

Для того чтобы прояснить ситуацию и пополнить копилку знаний, Шолес и его соратники направили на белки антенн короткие слабые лазерные импульсы и исследовали перераспределение энергии внутри клеток водорослей. "Таким образом мы имитировали поглощение света", — говорит Грегори в пресс-релизе университета.

Исследователи задействовали только два из шести пигментов, однако электроны всех этих молекул перешли в квантовую суперпозицию возбуждённых состояний и продержались в этом "положении" целых 400 фемтосекунд. Этого времени достаточно, чтобы энергия поглощённого фотона одновременно "обежала" все возможные пути через антенну. После того как суперпозиция "распадалась", энергия выбирала самый короткий путь и перенаправлялась к реакционному центру без потерь.

Не так уж и удивительно, что растения привлекли для своих нужд квантовую механику, ведь фотосинтез для них – жизненно важный процесс. На этой иллюстрации модель молекулы белка (иллюстрация Gregory Scholes/University of Toronto).

Ещё один важный вывод статьи, опубликованной в журнале Nature: все эти процессы происходили при температуре близкой к комнатной (21 °C). И это притом, что физики бьются над созданием квантового компьютера, работающего при температуре жидкого гелия (считалось, что при больших значениях температуры квантовые процессы не могут продолжаться достаточно долго, чтобы извлечь из них хоть какую-то пользу).

"Это невероятная работа", — комментирует достижение команды Шолеса Грегори Энгель (Gregory Engel) из университета Чикаго. В 2007 году он продемонстрировал похожий принцип на примере бактериохлорофилла серобактерий, правда, при температуре -196 °C.

Энгель приводит следующую аналогию: антенна словно проделывает квантовое исчисление, чтобы определить, по какому пути энергию перенаправлять выгоднее. Кстати, недавно чикагский учёный повторил свои эксперименты и "поднял" температуру до 4 °C. Тогда когерентное состояние продержалось 300 фемтосекунд.

Осталось выяснить, как молекулы пигмента проделывают эти фокусы (а именно как им удаётся так долго находиться в квантовой суперпозиции при столь высоких температурах). Возможно, дело в структуре белков антенн. Если учёные разберутся в вопросе до конца, то им, может быть, удастся создать искусственный аналог биологической квантовой системы. А это в свою очередь означает, что можно будет создать, к примеру, более эффективные солнечные батареи.