Как много нами непознанного

Ученые впервые сумели доказать, что при фотосинтезе растения совершают вычисления с использованием квантовых свойств электронов и фотонов, благодаря чему преобразование энергии Солнца в энергию химических связей идет очень эффективно, и надеются применить этот принцип для создания солнечных батарей нового поклонения, сообщается в статье исследователей, опубликованной в выпуске журнала Nature.

Исследователи всего мира уже давно обратили внимание на эффективность, с которой протекает процесс фотосинтеза в зеленых растениях и водорослях. Однако объяснить, каким образом растениям удается избежать потерь солнечной энергии при ее передаче через цепочку различных биологических молекул, до последнего времени не могли. Согласно классическим представлениям, энергия фотонов возбуждает колебания электронов между различными состояниями, которые передаются от молекулы к молекуле. Такие колебания должны передаваться случайным образом и, распределяясь между молекулами, быстро затухать, что неизбежно должно приводить к большим потерям энергии.

Теперь группа исследователей во главе с Грегом Шолесом (Greg Scholes) из Университета Торонто в Канаде показала, что для того, чтобы избежать подобных потерь энергии, клетки, адсорбирующие солнечный свет, при поглощении каждого нового кванта света, проводят квантовый расчет, благодаря которому "вычисляют" наиболее эффективный способ передачи энергии к центру протекания реакций фотосинтеза.

В своем эксперименте группа ученых использовала фоточувствительные клетки водоросли Chroomonas CCMP270. Эти клетки содержат восемь специальных пигментных молекул, поглощающих свет различных длин волн, которые объединены в белковый комплекс. Ученые сумели с помощью коротких лазерных импульсов осветить две из этих восьми молекул, что вызывало возбуждение электронов в них и переход в новое энергетическое состояние. После того, как электроны возвращались к исходному состоянию, пигментные молекулы испускали новые фотоны света с немного измененной длиной волны.

В результате изучения свойств этих вновь испущенных пигментными молекулами фотонов, ученые пришли к поразительным выводам: состояние электронов в возбужденном состоянии определялось не только двумя освещенными молекулами, но формировалось и при участии шести остальных, не испытывавших на себе лазерного излучения.

Иными словами, все восемь пигментных молекул после поглощения фотона образовали единую систему, с согласованными между собой квантовыми состояниями каждой из молекул.

Такое состояние, согласно наблюдениям ученых, длится около 400 фемтосекунд (40 триллионных долей секунды), однако этого времени оказывается достаточно, чтобы система могла "изучить" эффективность передачи полученной энергии по тому или иному пути внутри светочувствительной клетки и выбрать оптимальный. Когда такое согласованное состояние молекул разрушается под действием тепловых колебаний атомов, входящих в состав молекул, энергия дальше передается уже по какому-либо одному пути без потерь.

До сих пор ученые считали, что подобные согласованные квантовые состояния между элементарными частицами могут существовать лишь в условиях температур, близких к абсолютному нулю, однако Шолес оказался первым, кто сумел показать, что даже при комнатных температурах короткоживущие состояния квантовой согласованности молекул могут быть использованы для квантовых вычислений.

Механизмы подобного перехода в состояние квантовой согласованности для таких больших молекул, как клеточные пигменты, к тому же разделенных большими расстояниями внутри клеток, ученым пока неизвестны. Но они надеются, что понимание принципа работы этой системы позволит в будущем создать совершенно новое поколение светочувствительных устройств, которые смогут применяться для преобразования солнечной энергии в электричество для нужд людей.

"Наше исследование поднимает еще один важный вопрос: сумели ли эти организмы освоить квантовомеханические принципы поглощения света с целью получить эволюционное преимущество над остальными? Вполне резонно в таком случае предположить, что водоросли "узнали" о принципах квантовой механики за два миллиарда лет до человека", – сказал Шолес, слова которого приводит пресс-служба университета Торонто.
Для интересующихся

Фотосинтез — это процесс получения органических веществ из углекислого газа и воды. Он происходит под воздействием солнечного излучения. Для протекания фотосинтеза растению необходимо "поймать" фотон определенной энергии. Фотон переведет молекулу особого белка в так называемое возбужденное состояние. На следующей стадии фотосинтеза молекула возвращается в основное состояние, испуская при этом электрон. Электрон несет энергию и передвигается от одной молекулы к другой. Конечным результатом таких перемещений станет синтез растением органической молекулы.

За время пути электрон понемногу теряет энергию. Если фотосинтез протекает по законам классической физики, то дополнительные потери энергии происходят, когда электрон "пробует" различные пути дальнейшего путешествия (направление "прыжка" выбирается случайно). Если же в фотосинтезе задействованы квантово-механические эффекты, то электрон получает возможность одновременно попробовать все возможные пути. Такое состояние называется суперпозицией.

Благодаря фотосинтезу в атмосфере молодой Земли появились значительные количества кислорода. Наличие этого элемента сделало возможным развитие огромного количества живых организмов, в том числе и человека. Совсем недавно появилась работа, авторы которой собрали доказательства того, что этот важнейший процесс возник на миллиард лет раньше, чем считалось до сих пор.

Читайте также о том, что небольшой морской слизень Elysia chlorotica питается солнечным светом. В его ДНК есть ген, который требуется для фотосинтеза.

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

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 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, Шолс 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 восьми 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 при том, 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 Шолса Грегори Энджел (Gregory Engel) из университета Чикаго. В 2007 году он продемонстрировал похожий принцип на примере бактериохлорофилла серобактерий, правда, при температуре -196 °C.

Энджел 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 изготовить, к примеру, более эффективные солнечные батареи.

Узнайте также о предложении ввести в суперпозицию двух квантовых состояний вирус и об опытах по превращению в квантовую систему электрической цепи. И почитайте о загадке четырёх атомов марганца.
http://www.membrana.ru/particle/3679
океанология