Фотосинтез подчиняется законам квантовой механики

Исследователи из Торонтского университета (Канада) и Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) представили экспериментальные доказательства того, что особенности передачи энергии в ходе фотосинтеза у криптофитовых водорослей невозможно описать в рамках классической физики даже при комнатной температуре.

Антенный комплекс фотосинтезирующих водорослей (иллюстрация Грегори Скоулза).

В процессе фотосинтеза, напомним, участвуют специальные белки (светособирающие комплексы, также часто называемые антенными), которые поглощают падающие фотоны и передают энергию реакционным центрам, где проходит ее преобразование. Авторы работали с антенными комплексами, выделенными у двух видов водорослей: Rhodomonas CS24 и Chroomonas CCMP270. Эти комплексы содержат восемь пигментных молекул, предназначенных для поглощения фотонов в разных областях спектра. В классической теории передача поглощенной энергии от молекулы к молекуле считается случайным процессом, который может проходить со значительными потерями в том случае, если маршрут окажется неоптимальным.

Исследователи показали, что такое определение процесса неверно. В своих экспериментах они воздействовали на две пигментные молекулы, находящиеся в центре антенного комплекса, фемтосекундным лазерным импульсом, имитируя естественное освещение и переводя электроны молекул в квантовую суперпозицию возбужденных состояний. Ее распад проходит с излучением фотонов с несколько отличающимися длинами волн, что позволяет наблюдать интерференционную картину, при изучении которой можно получить сведения о суперпозиции.

Результаты опыта удивили ученых; оказалось, что в создании квантово «связанного» состояния участвуют все восемь молекул, причем при температуре в 21 ˚C оно сохраняется на целых 400 фс. «В это время энергия передается, так сказать, по нескольким различным направлениям сразу», — поясняет участник исследования Грегори Скоулз (Gregory Scholes).

Стоит заметить, что аналогичные эффекты были продемонстрированы еще в 2007 году группой Грегори Энгела (Gregory Engel) из Чикагского университета, которая работала с пигментно-белковым комплексом зеленых серных бактерий. В тех опытах температура, однако, фиксировалась на уровне -196 ˚C; недавно ученые повторили эксперименты при температуре 4 ˚C, получив время сохранения квантовой когерентности в 300 фс (см. препринт статьи, в которой описаны эти результаты).

Механизм длительного сохранения суперпозиции при высокой температуре на тех значительных расстояниях, которые отделяют молекулы друг от друга, остается неясным.

Полная версия отчета опубликована в журнале Nature.

Подготовлено по материалам NewScientist и Торонтского университета.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus