Материалы

on 25 Апрель 2013.

Показана необычайная устойчивость квантовых состояний в растениях

КПД использования солнечного света для поддержания своей жизнедеятельности у растений зашкаливает. Нет, это не значит, что 95% получаемой от светила энергии наши зелёные друзья спешат перевести в полезные для человека углеводы или белки, но вот на собственную жизнедеятельность они запросто могут направить именно такую долю. Ну а отдельные фотосинтезирующие организмы в морских глубинах умудряются жить даже за счёт сверхслабого излучения от гидротермальных источников океанского дна.

Хотя целый ряд исследований, пытавшихся вскрыть природу этой поразительной эффективности, уже указывал на квантовый характер транспорта энергии в хлоропластах, наблюдать такие процессы непосредственно пока не удавалось. А многие физики и вовсе решительно возражали, заявляя, что никакими силами невозможно добиться необходимой для подобного переноса квантовой когерентности при комнатной температуре — ведь и им не удаётся подобное без охлаждения до температур классической сверхпроводимости (тоже квантового процесса). Причина возмущения физсообщества ясна: по идее, любая квантовая когерентность должна исчезать с повышением температуры из-за влияния хаотических термальных колебаний.

И вот теперь исследователи из Института фотоники (Каталония, Испания) смогли впервые показать, что в таких условиях квантовые механизмы переноса энергии вполне работоспособны.

Чтобы наблюдать эти процессы, группа Ньека ван Хулста (Niek van Hulst) создала специальную экспериментальную технику. Для отслеживания переноса энергии (а процесс этот при фотосинтезе стремителен) использовалась ультрабыстрая спектроскопия на уровне одиночной молекулы. Для этого фемтосекундные лазерные импульсы (длящиеся одну квадриллионную секунды) посылались в направлении молекул протеина одной-единственной фотосинтетической «антенны» растения после получения ею порции солнечного света. За одну квадриллионную секунды свет в среде успевает пройти лишь сотую долю толщины человеческого волоса, поэтому перенос энергии внутри молекулы за это время удалось определить довольно полно.

Учёные выявили, что каждый белок использует отдельный путь для переноса энергии, более того — при изменении внешних условий этот путь может варьироваться, по всей видимости, адаптируясь для достижения максимальной эффективности.

По мнению исследователей, полученные в экспериментах результаты показывают, что «когерентность, состояние квантовой суперпозиции, когда одна система может одновременно находиться во взаимоисключающих состояниях, ответственна за поддержание высокого уровня эффективности электронного транспорта в биологических системах даже тогда, когда они меняют маршрут переноса энергии под влиянием изменений в окружающей среде». При этом измеренная длительность когерентных состояний в протеинах растения оказалась равной не менее чем 400 фемтосекундам, что в несколько раз больше, чем считалось возможным.

Результаты поднимают довольно специфический вопрос: является ли использование фотосинтетическими системами квантовых эффектов выработанным под действием эволюционных механизмов в результате естественного отбора? И если да, то какие ещё биологические процессы могут основываться на квантовых?

Как надеются учёные, попытка использовать сходные методы переноса электронов теоретически доступна и разработчикам солнечных батарей, пока значительно уступающим по эффективности преобразования энергии многим образцам фотосинтеза в растительном мире.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Яндекс.Метрика