Кивино гнездо: Зелёный и тёплый
БЕРД КИВИ
В то время как физики многих стран уже который год и не слишком успешно бьются над тем, чтобы построить эффективный квантовый компьютер при низких, криогенного уровня температурах, другие исследователи выбрали существенно иной путь. И ныне они уже практически уверены, что биологические организмы — в частности, растения, водоросли и бактерии — не только способны к выполнению квантовых вычислений, но и на протяжении миллиардов лет в процессе фотосинтеза делают это при максимально дружелюбной для жизни температуре.
Благодаря процессу фотосинтеза зелёные растения и сине-зелёные водоросли способны передавать солнечную энергию в центры молекулярных реакций для её преобразования в химическую энергию с почти 100-процентной эффективностью. Считается, что ключом тут является скорость — преобразование солнечной энергии происходит почти мгновенно, так что совсем малая её часть теряется на выделение тепла.
Но вот каким именно образом фотосинтез организует такую почти мгновенную передачу энергии — это очень давняя загадка, к решению которой физики начали всерьёз подступаться лишь в 2005–2007 годах. Исследования того периода, проведённые учёными Лоуренсовской лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали, что ответ, похоже, лежит в квантово-механических эффектах. А именно, было получено первое прямое свидетельство тому, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Правда, поначалу продемонстрировать это удалось на образцах бактериохлорофилла, глубоко охлажденных до 77 градусов Кельвина (см. Nature 446, 782–786,12 April 2007)
Теперь же, в одном из последних выпусков журнала Nature, опубликована статья другой группы исследователей из Университета Торонто, Канада, которые показали, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре (см. Nature 463, 644–647, 4 February 2010). Вплоть до настоящего времени, можно напомнить, подавляющее большинство физиков исключает квантовые процессы в работе биологических организмов, настаивая, что при столь высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться настолько долго, чтобы давать что-нибудь полезное для жизнеобеспечения.
Для понимания сути того, что сделали в канадском университете, понадобится немного углубиться в нюансы фотосинтеза. Данный процесс начинается в клетке тогда, когда крупные светособирающие структуры, именуемые антеннами, захватывают фотоны. Конкретно в водорослях Chroomonas CCMP270, изучавшихся биофизиками, эти антенны имеют восемь пигментных молекул, вплетенных в более крупную белковую структуру, причем разные пигменты абсорбируют свет из разных частей светового спектра. Затем энергия фотонов проходит через антенны к той части клетки, где она используется для выработки сахара — химического топлива организма.
Критично важным в данном процессе является маршрут, который выбирает энергия при своих прыжках через эти крупные молекулы, потому что чем длиннее маршрут, тем больше могут быть потери. В классической физике считается, что энергия может перемещаться по молекулам только случайным образом. Однако торонтские исследователи обнаружили, что в действительности механизм выбора маршрута для энергии может быть в высшей степени эффективным. А свидетельство тому дает согласованное поведение пигментных молекул в антеннах водорослей Chroomonas.
Сначала учёные коротким лазерным импульсом возбуждала две из этих молекул, из-за чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний. Когда такая суперпозиция схлопывается (коллапсирует), то излучаются фотоны несколько иных длин волн, которые, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а с другой, в свою очередь, накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, исследователи смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает наблюдаемую картину.
