Квантовая механика в фотосинтезе

15 Дек
2011

Физики смогли получить экспериментальные свидетельства влияния квантовой механики на процесс фотосинтеза. В последние годы был проведён ряд наблюдений, показавших, что квантовые эффекты там точно есть, но сейчас учёные доказали, что эти эффекты действительно связаны с переносом энергии в клетках.

Эксперимент, проведённый под руководством Грега Энгеля (Greg Engel) из Чикагского университета и Шауля Мукамеля (Shaul Mukamel) из Калифорнийского университета, показал, что перенос энергии от молекулярные комплексов-«антенн» (хлоросом) к реакционным центрам осуществляется с использованием эффекта квантовой когерентности — одного из базовых принципов квантовой механики, который означает присутствие одной и той же частицы в нескольких местах одновременно (с разной вероятностью).

Семьдесят лет назад было обнаружено, что возбуждение молекул хлорофилла связано с конкретными маршрутами передачи энергии. Десятилетия спустя было предсказано, что здесь задействуются квантовые процессы. В 2007 году группа учёных под руководством того же Грега Энгеля с помощью спектроскопии впервые получила прямые свидетельства квантовой когеренции в возбуждении молекул хлорофилла во всём Фенна-Мэтью-Олсон комплексе. Правда, тогда не удалось доказать влияние когерентности на передачу энергии. Скептики говорили, что это просто какой-то побочный эффект.

Фенна-Мэтью-Олсон комплекс (на иллюстрации) включает в себя восемь молекул бактериохлорофилла (обозначены зелёным цветом), атомы магния (красным) и белковое окружение. Этот комплекс обеспечивает перенос энергии от хлоросом к реакционным центрам.


Фенна-Мэтью-Олсон комплекс

Во время последнего эксперимента учёные облучали молекулы лазером и в точности замеряли величину возбуждения каждой группы хлорофиллов, в результате чего удалось проследить маршрут перемещения энергии и обнаружить чёткую математическую связь между передачей энергии и квантовой когерентностью молекул хлорофилла. Это означает, что молекулы хлорофилла действуют согласованно друг с другом (между ними осуществляется квантовая передача информации), направляя энергию по наиболее эффективному маршруту. Возможно, этим в итоге и объясняется столь высокая эффективность фотосинтеза.

Как видим, квантовая сцепленность возможна в живых клетках при комнатной температуре. Более того, квантовые эффекты являются основой жизни на нашей планете, учитывая важность фотосинтеза в земном биоценозе.

Если такие громоздкие молекулярные структуры, как Фенна-Мэтью-Олсон комплексы, способны применять в своей работе квантовую механику, то почему бы и нам не научиться делать это? По мнению учёных, если мы научимся управлять квантовой когерентностью так же эффективно, как это делают растения — это станет большим шагом на пути к созданию более эффективных солнечных батарей, а также квантовых компьютеров и других устройств, способных передавать информацию быстрее скорости света.

Специалисты также предполагают, что различные квантовые эффекты можно найти и в других биологических процессах, в том числе в клетках человеческого организма. В связи с этим кое-кто даже говорит о рождении новой научной дисциплины — квантовой биологии.

Результаты эксперимента американских учёных опубликованы 6 декабря в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

via Wired, Discover
По материалам Хабрахабр.



загрузка...

Комментарии:

Наверх