Растения прибегают к квантовой физике во время фотосинтеза

Квантовая физика и биология растений - это две настолько разные отрасли науки, что сложно представить существование какой-либо связи между ними, но, как ни удивительно, она есть на глубинном уровне

Исследователи из американского Министерства энергетики (DOE), Национальной лаборатории в Аргонне, США, и Радиационной лаборатория Нотр-Дама в университете Нотр-Дама, Франция, использовали метод ультраскоростной спектроскопии, чтобы проследить процессы, происходящие на субатомном уровне - на самой ранней стадии фотосинтеза. «Если бы мы полагали, что фотосинтез – это марафон, то сейчас мы получили бы фотографию того, что это бег с препятствиями, - сказал биохимик из Аргонна Дэвид Тайде. - Мы видим потенциал понимания значительно более фундаментального взаимодействия, чем многие ученые, рассматривавшие этот процесс ранее».

В то время как различные разновидности растений, морских водорослей и бактерий разработали множество механизмов, позволяющих им собирать энергию света, они все разделяют особенность, известную как фотосинтетический центр реакции. Пигменты и белки, которые находятся в центрах реакции, помогают организмам в прохождении начальной стадии энергетического преобразования.

Эти пигментные молекулы или хромофоры отвечают за поглощение энергии, которую несет входящий свет. После того, как фотон поражает клетку, он раздражает один из электронов в хромофоре. Когда ученые из Аргонна наблюдали начальный этап процесса, они видели то, чего никто не наблюдал прежде: единственный фотон возбуждал несколько различных хромофор одновременно.

«Поведение, которое мы смогли наблюдать в этих ускоренных временных условиях, подразумевает очень сложное смешивание электронных состояний, - сказал Тайде. - Это показывает, что биологические системы высшего уровня могут привести к фундаментальной физике, что ранее не казалось вероятным и, вообще, возможным».

Ученые в последнем исследовании доказали, что квантовая физика и биология растений неразрывно и глубоко связаны. Изображение с сайта naturteknikfaget.dk

Квантовые эффекты, наблюдаемые в ходе эксперимента, предполагают, что естественные процессы, вовлеченные в фотосинтез, в ходе которых собирается солнечный свет, могут быть более эффективными, чем ранее описывала классическая биофизика, говорит химик Гари Видерречт из Центра наноразмерных материалов Аргонна. «Это подразумевает очевидный вопрос: как мать-природа создала такой невероятно изящный процесс?» - сказал он.

Результат исследования может существенно повлиять на работу химиков и исследователей в области нанотехнологий в создании искусственных материалов и приспособлений, которые смогут имитировать устройство естественных фотосинтетических систем. Перед исследователями открывается длинный путь, который им предстоит пройти прежде, чем они смогут создать устройства, которые будут соответствовать эффективности растений в процессе получения энергии солнечного света.

Одной из причин сложности приближения ученых к этому решению, как объясняет Тайде, является то, что эксперименты в области искусственного фотосинтеза не способны воспроизвести молекулярную матрицу, которая содержит хромофоры. «Уровень, на котором мы находимся с искусственным фотосинтезом, ограничивается нашей способностью создать пигменты и соединить их, но мы не можем воссоздать внешнюю среду, - сказал он. - Следующий шаг - построить копию этого обрамления (среды), и затем эти удивительные разновидности квантовых эффектов могут стать для нас более достижимыми».

Поскольку момент, когда происходит квантовый эффект, очень короткий - меньше, чем триллионная часть секунды - ученым придется нелегко в процессе установления биологических и физических обоснований его существования. «Это заставляет нас задаться вопросом, что же мы должны понять об этих материалах такого тонкого и уникального, - говорит Тайде. – В любом случае мы достигнем понимания основных принципов первоначальной фазы энергетического преобразования в фотосинтезе».

Статья, основанная на исследовании, была опубликована 12 марта в издании Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследование финансировалось научным фондом DOE.