Подтверждено протекание истинно квантовых процессов в фотосинтезе

Большинство светособирающих макромолекул состоит из прикреплённых к протеинам хромофоров, которые и придают молекулам их цвет. Именно на них приходится первый шаг в фотосинтезе — захват солнечного света и передача его энергии с высокой эффективностью. Отдельные эксперименты давали основания полагать, что это происходит в «волнообразной» манере, дискретно, с использованием квантовых феноменов. Именно на основе этих утверждений возникла и возмужала квантовая биология.

Но, как это часто бывает, ни одно важное утверждение не обходится без появления у него непримиримых противников. Все результаты экспериментов могут быть объяснены классической физикой, говорили они (при желании, добавим мы). Более того, всё это в принципе невозможно, поскольку для передачи энергии по цепочке требуется время существования состояний квантовой запутанности, превышающее лучшие экспериментальные достижения современных лабораторий. А ведь в последних используются сверхнизкие температуры, наподобие какого-нибудь жидкого гелия-водорода, которые недоступны живым существам! Само предположение о том, что безмозглые растения при комнатной температуре используют квантовую механику дольше, чем получается у физиков при температурах сверхнизких, смехотворно, уверены критики квантовой биологии.

Клетки фотосинтезирующих организмов с различимыми в них хлоропластами (фото Wikimedia Commons).

Но со временем физики научились значительно продлевать квантовую запутанность, а экспериментаторы, работающие с биологическими системами, интенсивно развивали метод надёжного отделения классических физмеханизмов, реализующихся в живых растениях, от механизмов квантовых...

И вот Эдвард О'Рейли (Edward O'Reilly) и Александра Олайя-Кастро (Alexandra Olaya-Castro) из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) заявили, что такой метод ими уже создан и испробован на практике. «Перенос энергии в светособирающих макромолекулах происходит с помощью специальных колебательных движений хромофоров, — объясняет г-жа Олайя-Кастро. — Мы обнаружили, что свойства некоторых хромофорных вибраций, происходящих при фотосинтезе, никогда не будут объяснены с помощью классических законов физики; более того, такое неклассическое поведение увеличивает эффективность переноса энергии».

Упомянутые вибрации молекул суть периодические движения атомов в молекуле, которые отдалённо и упрощённо можно уподобить колебанию массы, закреплённой на конце пружины. Когда энергия коллективных вибраций, скажем, двух хромофоров совпадает с энергией, нужной электронам молекул для перехода с одного энергетического уровня на другой, возникает резонанс и происходит эффективный обмен энергией между вибрационными процессами и процессами, связанными с состоянием электронов.

Однако следует чётко понимать: с точки зрения классической физики вероятность того, что слишком много хромофор будет находиться в определённых пропорциях друг относительно друга и иметь при этом определённое количество энергии, ограничена и подчиняется положительному распределению вероятностей — и никакому иному.

А вот согласно исследованиям калифорнийских товарищей, на практике макромолекулы, участвующие в фотосинтезе, показали, что хромофоры в них имеют положение и импульс, подчиняющиеся отрицательному распределению вероятностей, которого по классической физике там не должно быть.

«Отрицательные значения в их распределениях вероятностей — признак истинно квантовых черт, а именно когерентного обмена единичными квантами энергии, — поясняет Эдвард О'Рейли. — Когда это случается, вибрационная и электронная степени свободы вместе на короткое время находятся в суперпозиции квантовых состояний. И это черта, которую не предсказать при помощи классической физики».

Прочие бимолекулярные процессы, такие как перенос электронов внутри макромолекул, происходящий, например, в фотосинтетических системах, структурные изменения в хромофорах после абсорбции фотона (зрения человека и животных), распознание молекулы другой молекулой (обоняние), тоже испытывают влияние специфических вибрационных процессов молекулярной природы. Таким образом, косвенно результаты исследования указывают на то, что и другие биологические системы могут эксплуатировать истинно неклассические феномены. Осталось лишь зарегистрировать в этих процессах отрицательные распределения вероятности для положения и момента отдельных компонентов?

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications, а его препринт доступен здесь.

Подготовлено по материалам Университетского колледжа Лондона.

Впервые о квантовой когерентности заговорили ещё летом 2013 года. В Science было опубликовано доказательство того, что процессы фотосинтеза протекают при содействии квантовых эффектов — белковые "антенны" в хлоропластах растений и бактерий оказались синхронизированы на квантовом уровне, что в несколько раз улучшает эффективность захвата фотонов и их преобразование в электроны .

"Мы показали, что квантовая когерентность является причиной сверхвысокой эффективности преобразования фотонов в биологических системах, даже в те времена, когда растениям приходится менять пути транспортировки электронов под действием окружающей среды", — заявил Ник ван Хюлст (Niek van Hulst) из Института фотоники в Барселоне (Испания).

Ван Хюлст и его коллеги смогли впервые зафиксировать присутствие квантовых эффектов внутри компонентов системы фотосинтеза, создав особый микроскоп, позволявший им отслеживать изменения в их состоянии через фемтосекунду (10 в минус 16 степени секунды). За это время свет успевает пройти расстояние в несколько нанометров, что позволяет получать микроснимки молекул на разных этапах поглощения фотонов.

Ученые извлекли молекулы хлорофилловых "антенн" и других компонентов системы фотосинтеза из клеток пурпурных бактерий и проследили за тем, как они будут взаимодействовать со светом. Для этого ученые облучали их фемтосекундными импульсами света, получали снимки и наблюдали за тем, как менялось химическое состояние среды. Оказалось, что молекулы-"антенны" были синхронизированы на квантовом уровне, работая как одно целое в течение нескольких сотен фемтосекунд.

По словам физиков, это свойство помогает этим компонентам системы фотосинтеза захватывать фотоны и использовать их энергию для транспортировки свободных электронов даже при резких изменениях в условиях окружающей среды. Как полагают авторы статьи, данное свойство можно использовать для многократного улучшения КПД солнечных батарей в будущем, вплоть до 95% эффективности, которая характерна для растений.